Witaj w Riverdi University! W tym artykule omówimy najbardziej podstawowy rodzaj wyświetlaczy LCD – wyświetlacze monochromatyczne. Przedstawimy ci podstawy tej technologii, co się za nią kryje, jak działają te wyświetlacze i jak działają same piksele – a to wszystko będzie stanowić podstawę naszego kolejnego wykładu w Riverdi University poświęconego tranzystorom TFT (Thin Film Transistor). W kolejnych lekcjach dodamy kolory i matrycę aktywną, a teraz porozmawiamy o najprostszych wyświetlaczach LCD i technologii, która za nimi stoi.
Wchodząc w szczegóły, porozmawiamy o technologiach TN, STN, FSTN, DFSTN i HTN. Omówimy wyświetlacze LCD typu pozytywowego i negatywowego oraz to, czym się od siebie różnią. Następnie porozmawiamy o podświetleniu w wyświetlaczach LCD, a także o wyświetlaczach refleksyjnych, transfleksyjnych i transmisyjnych. Porozmawiamy też o podświetleniu, kątach widzenia i kolorach. Nawet wyświetlacze monochromatyczne LCD oferują różne kolory. Oczywiście wyświetlacze te nadal są monochromatyczne, więc tło i znaki mają jeden kolor, ale mogą to być różne kolory, nie tylko czerń i biel.
Technologie wyświetlaczy monochromatycznych LCD
Zacznijmy od podstaw technologii wyświetlaczy LCD. Wyświetlacze LCD opierają się na ciekłych kryształach, a ciekły kryształ to naprawdę wyjątkowy materiał, który potrafi zmieniać polaryzację światła. Ciekły kryształ jest rzeczywiście płynny i umieszczony jest między dwiema taflami szkła, które znajdziesz w każdym wyświetlaczu LCD. Dzięki specjalnym właściwościom ciekłego kryształu możemy zmieniać polaryzację światła za pomocą napięcia elektrycznego. Wytwarzamy pole elektryczne między tymi dwiema taflami szkła, a potem poruszamy kryształami w środku, zmieniając jednocześnie polaryzację światła. Najprostszym wyświetlaczem LCD jest TN – Twisted Nematic. To pierwsza i najstarsza technologia, która jest wciąż używana. Zasada jej działania jest prosta. Przede wszystkim potrzebujemy dwóch tafli szkła z ciekłym kryształem w środku. Potem potrzebujemy elektrod. Oczywiście elektrody muszą być przezroczyste (zwykle powstają dzięki powłoce ITO na szkle). ITO to tlenek indu i cyny – specjalna przezroczysta, przewodząca powierzchnia na szkle, która pozwala nam wytworzyć pole elektryczne między dwiema taflami szkła, czyli dwiema elektrodami. Oczywiście sama zmiana polaryzacji światła nie wystarczy, żeby włączać i wyłączać piksele oraz stworzyć Wyświetlacze LCD. Najpierw potrzebujemy światła spolaryzowanego, a żeby uzyskać prawdziwy wyświetlacz, dodajemy jeszcze dwa polaryzatory – jeden na dole, a drugi na górze ekranu. Gdy mamy polaryzatory, mamy światło spolaryzowane. Następnie światło ulega skręceniu w ciekłych kryształach, gdy są one w stanie wyłączonym. Stan wyłączony to sytuacja, w której nie jest podłączone napięcie – światło przechodzi przez piksel, więc się świeci. Jak widać na zdjęciu powyżej, polaryzatory są ustawione pod kątem 90 stopni względem siebie. Światło przechodzi przez pierwszy polaryzator, wpada na ciekły kryształ i wychodzi przez drugi polaryzator, dzięki czemu piksel jest widoczny. Prawdziwa magia dzieje się, gdy podłączymy napięcie. Ciekłe kryształy układają się w określony sposób, polaryzacja światła nie ulega zmianie, a ponieważ mamy dwa polaryzatory ustawione pod kątem 90 stopni względem siebie, światło jest blokowane przez drugi polaryzator i piksel nie świeci – to właśnie stan włączony. Podając napięcie, możemy włączać i wyłączać piksel, a kiedy już to potrafimy, mamy piksel LCD. Mając jeden piksel, możemy zbudować matrycę pikseli i wyświetlać dowolny obraz – w ten sposób powstaje wyświetlacz LCD.
Szczególnie ważne i przydatne jest to, że sterowanie to nie ogranicza się tylko do stanów „wyłączony” i „stan włączony”. Możemy też kontrolować stany pośrednie – przejść od białego piksela do czarnego w kilku etapach, co daje nam skalę szarości. Skala ta może mieć 16 lub 256 stopni. Zazwyczaj robimy to za pomocą bitów, więc będzie to 16 na 256 lub więcej. Na przykład w przypadku wyświetlaczy TFT będzie to liczba rzędu milionów, bo mamy 24 bity, co daje nam 16 milionów kombinacji jasności każdego piksela. Ta technologia pozwala nam uzyskać wyświetlacz monochromatyczny LCD, który działa i wyświetla obrazy w skali szarości, ale zazwyczaj wyświetlacze monochromatyczne LCD nie są używane w tym celu, bo technologia ta nie jest jeszcze wystarczająco dopracowana. To technologia pasywna – do samej komórki nie są podłączone żadne tranzystory, a regulacja jasności w skali szarości jest naprawdę trudna, więc zazwyczaj mamy tylko stany „włączony” i „wyłączony”, żeby uzyskać wyraźny obraz.
Kiedy już wiemy, jak działa wyświetlacz i komórka, i wiemy, że najbardziej podstawową technologią wyświetlaczy LCD jest TN, czyli wyświetlacz typu twisted nematic, możemy przyjrzeć się innym wariantom. Jest ich wiele, ale drugim najpopularniejszym jest STN – Super Twisted Nematic. Ta technologia pozwala nam obniżyć napięcie potrzebne do sterowania wyświetlaczem. Jest to szczególnie przydatne w urządzeniach zasilanych z baterii i pozwala podłączyć wyświetlacz bezpośrednio do większości mikrokontrolerów pracujących przy napięciu 3 V lub nawet niższych, bez żadnych specjalnych sterowników. Kolejną bardzo ważną zaletą jest lepszy kontrast – obraz jest wyraźniejszy. O kontraście mówiliśmy już w jednym z wcześniejszych wykładów Riverdi University – „Wyświetlacze czytelne w słońcu”, gdzie znajdziesz więcej przydatnych informacji na ten temat. Wyświetlacz LCD typu STN może działać szybciej niż wyświetlacz LCD typu TN, co oznacza, że możemy go odświeżać szybciej, a obraz może się nawet poruszać lub być wyraźniejszy, gdy zmieniamy coś na ekranie.
Kolejną odmianą wyświetlacza monochromatycznego LCD jest FSTN lub DFSTN – czyli Film compensated Super Twisted Nematic lub Double Film Super Twisted Nematic. „Film” to dodatkowa warstwa nakładana na szkło, która poprawia jakość obrazu w porównaniu ze zwykłymi wyświetlaczami LCD typu TN lub STN. Dzięki tej warstwie uzyskujemy wyższy kontrast – tło może być jeszcze bardziej czarne. Na zdjęciu powyżej widać wyświetlacz FSTN obok wyświetlacza DFSTN. DFSTN oznacza dwie warstwy FSTN, a kontrast jest jeszcze lepszy – jak widać, czerń jest głębsza. Te technologie oczywiście podnoszą koszt wyświetlaczy LCD. Najtańszy jest TN, STN jest nieco droższy, a FSTN i DFSTN są najdroższe. Te technologie, nawet jeśli wyglądają bardzo dobrze, nie są idealne. Kiedy zmieniamy kąt widzenia, widać, że kontrast bardzo szybko się pogarsza.
Tego typu technologia sprawdza się głównie w sytuacjach, kiedy patrzymy prosto na ekran. Jeśli chcesz oglądać wyświetlacz pod kątem, są inne, bardziej odpowiednie technologie, takie jak TFT czy OLED, ale wyświetlacze monochromatyczne wciąż cieszą się dużą popularnością, bo ta technologia jest dobrze znana, sprawdzona i niedroga. Te monochromatyczne wyświetlacze LCD to zazwyczaj najtańsze wyświetlacze LCD dostępne na rynku.
Kolejną odmianą są wyświetlacze LCD typu HTN (High Twisted Nematic). Technologia ta nieco się różni od STN, ale jest do niej podobna. Została opracowana głównie z myślą o przemyśle motoryzacyjnym, a napięcie potrzebne do sterowania pikselami jest jeszcze niższe niż w przypadku wyświetlaczy LCD typu STN. Jednak główną zaletą wyświetlaczy LCD typu HTN jest bardzo szeroki zakres temperatur pracy.
Mamy więc do wyboru kilka różnych opcji, jeśli chodzi o monochromatyczne wyświetlacze LCD oparte na technologii TN – na przykład STN i FSTN, HTN oraz inne technologie. Wybór zawsze zależy od rodzaju zastosowania, otoczenia, temperatury oraz tego, jakiego rodzaju oświetlenia i kolorów potrzebujemy.
Wyświetlacze LCD pozytywne i negatywne
Czym są wyświetlacze pozytywowe i negatywowe? Chodzi o stan aktywny piksela. Jak widać na powyższym zdjęciu, mamy tu piksel i tło. Wyświetlacz pozytywowy jest najprostszy – działa jak kalkulator. To, co widzimy jako tło, to po prostu wyświetlacz LCD w normalnym stanie; jasny kolor tła widać dzięki podświetleniu. Na przykładzie na zdjęciu powyżej widać żółto-zielone tło, które jest najczęstszym podświetleniem w wyświetlaczach STN, a piksele są czarne.
W przypadku wyświetlacza negatywowego mamy do czynienia z odwrotną sytuacją. Światło jest zazwyczaj blokowane. Tło w naszym przykładzie jest niebieskie, bo to cecha charakterystyczna wyświetlaczy STN – kiedy podświetlimy je białym światłem i ustawimy kolor negatywny, naturalny kolor wyświetlacza LCD zmienia się na niebieski; ale kiedy piksele nie blokują światła, widzimy białe piksele. Tak więc podświetlenie jest tam białe i nie jest blokowane w miejscach, gdzie znajdują się piksele.
Do czego służą wyświetlacze pozytywowe i negatywowe? Wyświetlacze LCD typu pozytywowego zazwyczaj używamy, gdy mamy stabilne warunki oświetleniowe i nie potrzebujemy podświetlenia. W przypadku wyświetlacza LCD typu pozytywowego można wyłączyć podświetlenie i nadal widzieć obraz. Można je na przykład zastosować w kalkulatorze, gdzie podświetlenie nie jest potrzebne, bo jest to wyświetlacz refleksyjny lub transfleksyjny. W przypadku wyświetlacza negatywowego podświetlenie jest zawsze niezbędne. Wybierając wyświetlacz i zastanawiając się, który z nich będzie pasował do twojego zastosowania, weź pod uwagę zużycie energii. Jeśli masz urządzenie zasilane baterią, wyświetlacz pozytywny będzie prawdopodobnie lepszym rozwiązaniem, bo pozwala wyłączyć podświetlenie, które jest głównym źródłem poboru prądu – czyli tym, na co trzeba poświęcić najwięcej energii. W przypadku wyświetlaczy negatywowych podświetlenie musi być zawsze włączone – nie da się go wyłączyć. Jeśli wyłączymy podświetlenie w wyświetlaczu negatywowym, nic nie zobaczymy, więc nie jest to dobry wybór dla urządzeń zasilanych z baterii.
Przezroczyste wyświetlacze LCD
Przyjrzyjmy się teraz trzem różnym technologiom stosowanym w wyświetlaczach monochromatycznych, temu, jak przebiega przepływ światła i jak widzimy obraz. Najbardziej standardowym i powszechnym rodzajem wyświetlacza jest wyświetlacz LCD transmisyjny, w którym światło z podświetlenia przechodzi przez panel LCD, polaryzator, szkło LCD, drugi polaryzator, elektrody i powierzchnię ekranu (czarna część na zdjęciu). Wyświetlacze LCD typu transmisyjnego mogą być negatywowe lub pozytywowe, ale podświetlenie w takim wyświetlaczu musi być zawsze włączone.
Wyświetlacze refleksyjne LCD
Kolejnym rodzajem wyświetlacza, też całkiem prostym, jest wyświetlacz refleksyjny. W najbardziej podstawowym przykładzie ten rodzaj wyświetlacza w ogóle nie ma podświetlenia. Przykładem może być znowu kalkulator, w którym zazwyczaj nie ma podświetlenia, a po prostu wykorzystujemy światło otoczenia, które się odbija. Światło otoczenia przechodzi przez ekran LCD, a potem odbywa się odbicie światła od lusterka znajdującego się z tyłu ekranu i wraca do przodu. Odmianą wyświetlacza refleksyjnego może być wyświetlacz refleksyjny z frontlightem. Frontlight zapewnia dodatkowe światło, które odbywa się w procesie odbicia światła od lusterka z tyłu ekranu.
Transfleksyjne wyświetlacze LCD
Trzecim rodzajem wyświetlacza LCD jest wyświetlacz transfleksyjny. To połączenie wyświetlacza transmisyjnego i refleksyjnego. Wykorzystuje oba zjawiska: jedno opiera się na odbiciu światła, a drugie na przepuszczaniu światła. W wyświetlaczach LCD typu transfleksyjnego potrzebne jest półlustro. Półlustro to rodzaj zwierciadła, które odbija połowę światła, a dla drugiej połowy jest przezroczyste.
W tego typu wyświetlaczach możemy wykorzystać światło z zewnątrz, które się odbija, i wtedy wyłączyć podświetlenie, ale w nocy, kiedy nie ma światła z zewnątrz, możemy włączyć podświetlenie i znów zobaczyć ekran. Tego typu wyświetlacze są najczęściej spotykane wśród wyświetlaczy monochromatycznych LCD. Muszą być typu pozytywowego, tak samo jak wyświetlacze refleksyjne, żeby zapewnić odbicie światła, ale ponieważ w ciągu dnia nie potrzebujemy podświetlenia, możemy sporo zaoszczędzić na energii.
Typy podświetlenia wyświetlaczy LCD
Teraz porozmawiamy o typach podświetlenia. Zasadniczo w przypadku wyświetlaczy monochromatycznych mamy do wyboru dwa typy podświetlenia. Najpopularniejsze obecnie jest podświetlenie krawędziowe. Diody LED znajdują się tylko na krawędzi ekranu, a do tego mamy dyfuzor światła. Diody LED znajdują się na krawędzi tego dyfuzora i kierują światło do jego wnętrza, skąd jest ono odbijane przez lusterka i wychodzi na powierzchnię ekranu LCD. Obecnie jest to najpowszechniejszy i najtańszy sposób na bardzo wydajne zbudowanie podświetlenia, ponieważ diody LED charakteryzują się obecnie bardzo niskim zużyciem energii i wysoką wydajnością świetlną.
Druga, bardziej dopracowana technologia wykorzystuje diody LED do podświetlenia na całej powierzchni wyświetlacza LCD. Ta technologia jest droższa – potrzebna jest duża płytka drukowana (PCB) lub elastyczna płytka (FPC), żeby umieścić diody LED za ekranem LCD, a do tego potrzeba wielu diod, żeby uzyskać odpowiednie oświetlenie. Dlatego nie stosuje się jej w wyświetlaczach monochromatycznych LCD, ale czasami wykorzystuje się ją w wyświetlaczach TFT do funkcji zwanej strefowym ściemnianiem podświetlenia.
Kąty widzenia wyświetlaczy LCD
Kolejną kluczową kwestią jest kąt widzenia. W przypadku technologii LCD trzeba pamiętać, że obraz, który widzimy, patrząc prosto na ekran, może się zupełnie różnić od tego, co widzimy pod kątem. Zazwyczaj jest to bardzo dobrze opisane w karcie katalogowej wyświetlacza. Najbardziej typowe kąty widzenia to 50, 60 lub 70 stopni. W przypadku najlepszych wyświetlaczy TFT kąty widzenia mogą sięgać nawet 89 stopni.
W przypadku wyświetlaczy monochromatycznych wartości te są zazwyczaj niższe, a kąt widzenia to maksymalny kąt, pod którym użytkownik widzi wyraźny obraz na ekranie. To całkiem prosta definicja, ale zazwyczaj mierzy się to za pomocą aparatu, więc sprawdzamy rzeczywisty kontrast. Warto pamiętać, że jeśli odchylenie od kąta widzenia będzie zbyt duże, na ekranie LCD nie zobaczymy wyraźnego obrazu albo w ogóle go nie zobaczymy.
Kolory w wyświetlaczach monochromatycznych LCD
Jak już wspomniano na początku, mamy też kolory do wersji monochromatycznej
Wyświetlacze LCD. Oczywiście jest tylko jeden kolor podświetlenia i jeden kolor znaków, ale jak widać na zdjęciu powyżej, podświetlenie może mieć wiele różnych kolorów. Możemy mieć białe podświetlenie, pomarańczowe, zielone, niebieskie lub dowolny inny kolor podświetlenia.
Nie pasuje to do każdej technologii wyświetlacza – ani do pozytywowej, ani do negatywowej – ale jak widać na zdjęciu powyżej, istnieje ogromna liczba kombinacji różnych technologii: pozytywowej, negatywowej, STN, FSTN czy VA (Vertical Alignment) – nieco innej technologii, która pozwala na uzyskanie szerokich kątów widzenia oraz różnych kolorów podświetlenia. Mamy więc do dyspozycji mnóstwo różnych wariantów, które można wykorzystać do stworzenia dowolnej aplikacji.
Wyświetlacze LCD alfanumeryczne i wyświetlacze graficzne
Ostatnia część tego artykułu dotyczy wyświetlaczy graficznych i znakowych, różnic między nimi oraz tego, jak wpływają one na koszt wyświetlacza LCD. Najprostsze wyświetlacze LCD to wyświetlacze segmentowe monochromatyczne lub wyświetlacze ikonowe. W tego typu wyświetlaczach mamy tylko kilka ikon i znaków, ale są one ustalane już podczas produkcji wyświetlacza. To, co widzisz na wyświetlaczu, jest z góry ustalone i nie możesz wyświetlić niczego innego – pozostała część ekranu jest całkowicie wyłączona. Możesz jedynie włączać i wyłączać poszczególne segmenty wyświetlacza. To najtańsza technologia w produkcji, a wyświetlacze powstają przy użyciu maski, więc zazwyczaj stosuje się ją w zastosowaniach o dużym wolumenie produkcji, które są bardzo dokładnie określone już w fazie produkcji. Może to być na przykład zegarek, kalkulator czy regulator temperatury. Zaletą jest niski koszt, ale wadą jest to, że później nie da się niczego zmienić – nie da się zmodyfikować oprogramowania ani dodać kolejnej ikony.
Wyświetlacze monochromatyczne alfanumeryczne
Innym rodzajem wyświetlacza jest wyświetlacz graficzny. Mamy więc wyświetlacze znakowe i w pełni graficzne. Wyświetlacz znakowy to też bardzo popularna technologia, która stanowi połączenie wyświetlacza segmentowego i graficznego, bo mamy tam zdefiniowane pola, które mogą wyświetlać tylko znaki, litery, cyfry, symbole i niektóre dodatkowe znaki określone przez kontroler wyświetlacza. Na tego typu ekranie nie da się wyświetlić pełnej grafiki, bo każdy znak jest fizycznie oddzielony od pozostałych.
W pełni graficzne, monochromatyczne wyświetlacze LCD
Następnie mamy wyświetlacz graficzny. W tego rodzaju wyświetlaczach LCD mamy matrycę pikseli. Może to być na przykład 64 na 256 lub 64 na 128 pikseli, więc na takim ekranie możemy wyświetlić prawie każdy obraz, bo możemy włączać i wyłączać każdy piksel. Możemy wyświetlać litery, znaki, obrazki – małe, duże, cokolwiek tylko zechcemy. Wadą jest ogromna liczba pikseli, które trzeba połączyć. Kontroler i szkło są skomplikowane, bo musimy poprowadzić przewody od każdego piksela na zewnątrz szkła i podłączyć je do kontrolera. Dlatego w rodzinie wyświetlaczy monochromatycznych LCD ten rodzaj wyświetlacza jest najdroższy. Inne rodzaje wyświetlaczy są tańsze, nie tylko dlatego, że szkło jest proste, ale też dlatego, że kontrolery są proste.
ODKRYJ NASZĄ
Whitepaper
Osiągnij idealną interakcję użytkownika z wyświetlaczem dzięki odpowiedniemu czujnikowi Touch Sensor IC. Czy kiedykolwiek zmagałeś się z problemami związanymi z fantomowymi dotknięciami lub certyfikacją? Rozwiń swoje prace B+R jak profesjonalista dzięki naszemu Whitepaperowi!
Przejdź do naszego katalogu produktów i zobacz, jak możesz oszczędzać dzięki jakości, nie na jakości.
