Display LCD monocromatici: come funzionano e dove usarli

Benvenuti all’Università Riverdi! Questo articolo tratta il tipo più elementare di display LCD: i display LCD monocromatici. Vi guideremo attraverso le basi della tecnologia, cosa c’è dietro, come funzionano, come funzionano i pixel stessi, e tutto questo costituirà la base per la nostra prossima lezione alla Riverdi University sul TFT (Thin Film Transistor). Nelle prossime lezioni aggiungeremo i colori e la matrice attiva, mentre ora parleremo dei display LCD più semplici e della tecnologia che li sostiene. Entrando nel dettaglio, parleremo delle tecnologie TN, STN e FSTN, DFSTN e HTN. Parleremo dei display LCD positivi e negativi e di come si differenziano l’uno dall’altro. Parleremo poi della luce nei display LCD, dei display LCD riflettenti, transflettenti e trasmissivi. Parleremo anche della retroilluminazione, degli angoli di visione e dei colori. Anche i display LCD monocromatici offrono colori diversi. Naturalmente, i display sono ancora monocromatici, quindi ci sarà un colore di sfondo e uno di carattere, ma possono essere di colori diversi, non solo bianco e nero.

Tecnologie dei display LCD monocromatici

Cominciamo con le basi della tecnologia dei display LCD. Il display LCD è legato ai cristalli liquidi, che sono un materiale molto speciale in grado di cambiare la polarizzazione della luce. I cristalli liquidi sono davvero liquidi e sono inseriti tra due lastre di vetro, come in tutti i display LCD. Grazie alle speciali proprietà dei cristalli liquidi, possiamo modificare la polarizzazione della luce utilizzando una tensione elettrica. Generiamo un campo elettrico tra queste due lastre di vetro e poi spostiamo i cristalli all’interno, cambiando allo stesso tempo la polarizzazione della luce. Il display LCD più semplice è un TN – Twisted Nematic. È la prima e più antica tecnologia ancora oggi utilizzata. I suoi principi di funzionamento sono basilari. Prima di tutto, dobbiamo avere due pezzi di vetro con all’interno dei cristalli liquidi. Allora abbiamo bisogno di elettrodi. Naturalmente, gli elettrodi devono essere trasparenti (di solito con un rivestimento ITO sul vetro). L’ITO è l’ossido di indio-stagno, una speciale superficie conduttiva trasparente sul vetro che ci permette di generare un campo elettrico tra le due lastre di vetro, due elettrodi. Naturalmente, la semplice modifica della polarizzazione della luce non è sufficiente per attivare e disattivare i pixel e creare un display LCD. Per prima cosa, è necessario disporre di luce polarizzata e, per ottenere un vero e proprio display, aggiungiamo due polarizzatori, uno sul fondo e uno sulla parte superiore dello schermo. Una volta che abbiamo il polarizzatore, abbiamo la luce polarizzata. Quindi la luce viene attorcigliata all’interno dei cristalli liquidi, quando questi sono in stato OFF. Lo stato OFF è quello in cui non viene applicata alcuna tensione, ma la luce viene trasferita e il pixel si illumina. Come si può vedere nell’immagine qui sopra, i polarizzatori sono a 90 gradi l’uno rispetto all’altro. La luce passa attraverso il primo polarizzatore, accende i cristalli liquidi ed esce attraverso l’altro polarizzatore, rendendo visibile il pixel. La vera magia avviene quando applichiamo la tensione. I cristalli liquidi si organizzano, la polarizzazione della luce non cambia e, poiché abbiamo due polarizzatori a 90 gradi l’uno dall’altro, la luce viene bloccata dall’altro polarizzatore e il pixel non si illumina, e questo è chiamato stato ON. Applicando una tensione, possiamo accendere e spegnere il pixel e, una volta fatto questo, abbiamo un pixel LCD e, avendo un pixel, possiamo costruire una matrice di pixel e presentare qualsiasi immagine, ottenendo così un display LCD. Ciò che è particolarmente importante e utile sapere è che questo controllo non riguarda solo gli stati OFF e ON. Possiamo anche controllare gli stati intermedi: possiamo passare dal pixel bianco al pixel nero in pochi passaggi, ottenendo così una scala di grigi. La scala può essere di 16 passi o di 256 passi. Di solito lo facciamo attraverso i bit, quindi sarà 16 su 256 o più. Per il TFT, ad esempio, sarà di milioni, perché abbiamo 24 bit che ci danno 16 milioni di combinazioni di luminosità per ogni pixel. Questa tecnologia ci permette di avere un display LCD monocromatico che lavora e presenta immagini in scala di grigi, ma in genere i display LCD monocromatici non vengono utilizzati per questo scopo, perché la tecnologia non è abbastanza perfetta. Si tratta di una tecnologia passiva, non ci sono transistor collegati alla cella stessa e controllare la luminosità con la scala di grigi è davvero difficile, quindi di solito abbiamo solo gli stati ON e OFF per avere un’immagine chiara. Una volta che sappiamo come funzionano il display e la cella e che la tecnologia di base del display LCD è un display TN, nematico ritorto, possiamo esaminare altre varianti. Ce ne sono molti, ma il secondo più popolare è STN – Super Twisted Nematic. Questa tecnologia ci permette di ridurre la tensione per controllare il display. È particolarmente utile per i dispositivi alimentati a batteria e consente di collegare il display direttamente alla maggior parte dei microcontrollori che funzionano a 3 volt o a tensioni inferiori, senza bisogno di driver speciali. L’altro vantaggio molto importante è un migliore contrasto: vediamo l’immagine in modo più chiaro. Abbiamo parlato di contrasto in una delle precedenti lezioni della Riverdi University – I display leggibili alla luce del sole, dove è possibile ottenere ulteriori informazioni preziose al riguardo. Un display LCD STN può essere più veloce di un display LCD TN, il che significa che possiamo aggiornarlo più velocemente e che l’immagine può persino spostarsi o essere più chiara quando cambiamo qualcosa sullo schermo. Un’altra variante del display LCD monocromatico è chiamata FSTN o DFSTN – Film compensated Super Twisted Nematic o Double Film Super Twisted Nematic. La pellicola è uno strato aggiuntivo che viene aggiunto al vetro e che rende la qualità dell’immagine del display migliore rispetto ai normali display LCD TN o STN. Aggiungendo la pellicola, abbiamo un contrasto più elevato e possiamo passare a uno sfondo più nero. Nell’immagine qui sopra, si vede un display FSTN accanto a un display DFSTN. DFSTN significa due strati FSTN e il contrasto è ancora migliore, come vedete è più nero. Queste tecnologie aggiungono ovviamente un costo al display LCD. Il più economico è TN, STN è un po’ più costoso e FSTN e DFSTN sono i più costosi. Queste tecnologie, anche se sembrano ottime, non sono perfette. Quando cambiamo l’angolo di visione, possiamo notare che il contrasto si perde molto rapidamente. Questo tipo di tecnologia è utile soprattutto nelle applicazioni in cui ci si trova direttamente di fronte allo schermo. Se vogliamo vedere il display da un’angolazione, ci sono altre tecnologie più adatte, come TFT o OLED, ma i display monocromatici sono ancora molto popolari perché questa tecnologia è ben nota, collaudata e conveniente. Questi display LCD monocromatici sono di solito i più economici disponibili sul mercato. Un’altra variante è rappresentata dai display LCD HTN, High Twisted Nematic. Questa tecnologia è leggermente diversa, ma simile alla STN. È stato sviluppato principalmente per l’industria automobilistica e la tensione per controllare i pixel è ancora più bassa di quella dei display LCD STN. Ma il vantaggio principale dei display LCD HTN è una gamma molto ampia di temperature operative. Pertanto, quando scegliamo un display LCD monocromatico basato su TN, esistono diverse opzioni: STN e FSTN, HTN e altre tecnologie. Dipende sempre dal tipo di applicazione, dall’ambiente, dalla temperatura e dal tipo di luce e colori di cui abbiamo bisogno.

Display LCD positivo e negativo

Cosa sono le visualizzazioni positive e negative? Indica lo stato attivo del pixel. Come presentato nell’immagine precedente, ciò che vediamo è un pixel e uno sfondo. Un display positivo è il più semplice, come una calcolatrice. Quello che vediamo come sfondo è solo l’LCD in stato normale; possiamo vedere il colore chiaro dello sfondo dalla retroilluminazione. Nell’esempio dell’immagine qui sopra è presente uno sfondo giallo-verde, che è la retroilluminazione più comune per i display STN, e i pixel sono neri. In un display LCD negativo si verifica la situazione opposta. La luce è normalmente bloccata. Lo sfondo nel nostro esempio è blu, perché è una proprietà del display STN, che quando si mette la luce bianca sotto di esso e si crea un colore negativo, il colore naturale del display LCD diventa blu; ma quando i pixel non bloccano la luce, vediamo pixel bianchi. Quindi, la retroilluminazione è bianca e non è bloccata nel punto in cui si trovano i pixel. Qual è l’applicazione dei display positivi e negativi? I display LCD positivi vengono solitamente utilizzati in condizioni di luce stabile e non necessitano di retroilluminazione. In un display LCD positivo è possibile spegnere la retroilluminazione e continuare a vedere l’immagine. Ad esempio, possiamo utilizzarli in una calcolatrice, dove non è necessaria la retroilluminazione, perché si tratta di un display riflettente o transflettente. In un display LCD negativo è sempre necessaria la retroilluminazione. Quindi, quando scegliete il display e pensate a quale vorreste per la vostra applicazione, pensate al consumo di energia. Se si dispone di un dispositivo alimentato a batteria, il display positivo sarà probabilmente una soluzione migliore, perché consentirà di spegnere la retroilluminazione, che è il principale assorbimento di corrente, il punto in cui è necessario immettere più energia. Per i display LCD negativi, è necessario che la retroilluminazione sia sempre accesa, non è possibile spegnerla. Se spegniamo la retroilluminazione di un display negativo, non vedremo nulla, quindi non è la scelta ideale per i dispositivi alimentati a batteria.

Display LCD trasmissivi

Esaminiamo ora tre diverse tecnologie utilizzate nei display monocromatici, il modo in cui la luce viene trasmessa e come vediamo l’immagine. Il display più standard e comune è il display LCD trasmissivo, in cui la luce della retroilluminazione viene trasmessa attraverso l’LCD, il polarizzatore, il vetro dell’LCD, il secondo polarizzatore, gli elettrodi e la superficie dello schermo (parte nera dell’immagine). I display LCD trasmissivi possono essere negativi o positivi, ma la retroilluminazione di un display LCD trasmissivo deve essere sempre accesa.

Display LCD riflettenti

Il tipo di display successivo, anch’esso piuttosto semplice, è il display LCD a riflessione. Nell’esempio più elementare, questo tipo di display non ha alcuna retroilluminazione. L’esempio potrebbe essere, ancora una volta, una calcolatrice, dove di solito non c’è la retroilluminazione e si usa solo la luce ambientale, che viene riflessa. La luce esterna dell’ambiente passa attraverso l’LCD e poi viene riflessa sullo specchio che si trova sul retro dello schermo e torna indietro. Una variante del display LCD riflettente potrebbe essere un display riflettente con una luce frontale. La luce frontale fornisce la luce aggiuntiva che viene riflessa sullo specchio sul retro dello schermo.

Display LCD transflettivi

Il terzo tipo di display LCD è il display LCD transflettivo. Si tratta di una combinazione di display LCD trasmissivo e display LCD riflessivo. Utilizza entrambi i fenomeni: uno di riflessione e l’altro di trasmissione della luce. Nei display LCD transflettivi è necessario un semispecchio. Il semispecchio è un tipo di specchio che riflette metà della luce ed è trasparente a un’altra metà della luce. In questo tipo di display possiamo utilizzare la luce esterna per essere riflessi e poi spegnere la retroilluminazione, ma durante la notte, quando non abbiamo luce esterna, possiamo accendere la retroilluminazione e quindi vedere di nuovo lo schermo. Questo tipo di display è il più comune nei display LCD monocromatici. Per ottenere il riflesso devono essere positivi, come i display LCD a riflessione, ma poiché non è necessaria la retroilluminazione durante il giorno, è possibile risparmiare molta energia.

Tipi di retroilluminazione dei display LCD

Ora parleremo dei tipi di retroilluminazione. Fondamentalmente, per i display monocromatici esistono due tipi di retroilluminazione. Il più popolare al momento è la retroilluminazione Edge Light. Abbiamo i LED solo sul bordo dello schermo e abbiamo un diffusore di luce. I LED si trovano sul bordo di questo diffusore e pompano la luce all’interno del diffusore, poi la luce viene riflessa dagli specchi ed esce attraverso la superficie LCD. Al momento, questo è il modo più comune ed economico per costruire la retroilluminazione in modo molto efficiente, perché oggi i LED sono molto efficienti nel consumo di energia e nella generazione di luce. L’altra tecnologia, più matura, utilizza i LED di retroilluminazione sull’intera superficie dell’LCD. Questa tecnologia è più costosa, è necessario un grande PCB o FPC per inserire i LED dietro l’LCD e molti LED per avere la luce, quindi non è usata per i display LCD monocromatici, ma a volte è usata per i TFT, per una funzione chiamata Local Dimming.

Angoli di visualizzazione dei display LCD

Il prossimo punto chiave è l’angolo di visione. Per la tecnologia LCD è importante capire che l’immagine che vediamo, quando guardiamo dritto su un display, può essere completamente diversa da quella che vediamo da un angolo. Di solito è descritto molto bene nella scheda tecnica del display. Gli angoli di visione più tipici sono 50, 60 o 70 gradi. Per i migliori display TFT gli angoli di visione possono arrivare a 89 gradi. Per i display LCD monocromatici i numeri sono solitamente più bassi e l’angolo di visione è l’angolo massimo in cui l’utente può vedere un’immagine chiara sullo schermo. Si tratta quindi di una definizione piuttosto semplice, ma di solito viene misurata con una fotocamera, quindi si misura il contrasto effettivo. È molto importante ricordare che, se l’angolazione è eccessiva, non si vedrà un’immagine chiara sul display LCD o non la si vedrà affatto. https://youtu.be/4GjXSRD6lu4

Colori nei display LCD monocromatici

Come accennato all’inizio, abbiamo anche colori per la monocromia. Display LCD. Naturalmente, la retroilluminazione è di un solo colore e i caratteri di un solo colore, ma come si può vedere nell’immagine qui sopra, i colori della retroilluminazione possono essere molteplici. Possiamo avere una retroilluminazione bianca, arancione, verde, blu o di qualsiasi colore. Non si adatta a tutte le tecnologie di visualizzazione, positive e negative, ma come si può vedere nell’immagine qui sopra, c’è un vasto numero di combinazioni di tecnologie diverse, positive, negative, STN, FSTN o tecnologia VA (Vertical Alignment), una tecnologia un po’ diversa, che ci permette di avere ampi angoli di visione e diversi colori di retroilluminazione. Quindi, possiamo avere molte varianti diverse che possono essere utilizzate per costruire ogni applicazione.

Display LCD a caratteri e display LCD grafici

L’ultima parte di questo articolo tratta dei display grafici e dei display a caratteri, della loro differenza e di come questa influisca sul costo di un display LCD. I display LCD più semplici sono quelli monocromatici segmentati o a icone. In questo tipo di display LCD sono presenti solo alcune icone e caratteri, ma vengono definiti al momento della produzione del display. Ciò che vediamo sul display è definito e non possiamo avere nient’altro, l’altra area è completamente spenta. È possibile attivare e disattivare solo i segmenti del display. Questa è la tecnologia più economica da produrre e viene realizzata tramite maschera durante la produzione, quindi di solito è riservata alle applicazioni ad alto volume, che sono molto ben definite durante la fase di produzione. Ad esempio, può essere un orologio, una calcolatrice o un regolatore di temperatura. Il vantaggio è il costo, ma lo svantaggio è che in seguito non possiamo cambiare nulla, non possiamo modificare il software e aggiungere un’altra icona.

Display LCD monocromatico a caratteri

Un altro tipo di display è il display grafico. Quindi, abbiamo display di caratteri e un display completamente grafico. Anche il display a caratteri è una tecnologia molto diffusa, ed è una combinazione tra un display a segmenti e un display grafico, perché abbiamo dei campi, che sono definiti, e possono mostrare solo i caratteri, lettere, numeri, simboli e alcuni caratteri aggiunti definiti dal controller di un display. Su questo tipo di schermo non è possibile inserire la grafica completa, perché ogni personaggio è fisicamente separato dall’altro.

Display LCD monocromatici completamente grafici

Poi c’è il display completamente grafico. In questo tipo di display LCD abbiamo una matrice di pixel. Può essere di 64 per 256 o 64 per 128 pixel, quindi su questo tipo di schermo possiamo mostrare quasi tutte le immagini, perché possiamo accendere e spegnere ogni pixel. Possiamo mostrare lettere, caratteri, immagini, piccole, grandi, tutto ciò che vogliamo. Lo svantaggio è il gran numero di pixel da collegare. Il controller e il vetro sono complicati, perché dobbiamo far uscire i fili di ogni pixel dal vetro e collegarli al controller. Pertanto, nella famiglia dei display LCD monocromatici, questo tipo di display è il più costoso. Altri tipi di display sono più economici, non solo perché il vetro è semplice, ma anche perché i controller sono semplici.