نمایشگر کریستال مایع نوعی تصویر است که به صورت الکتریکی روی یک صفحه تخت نازک تولید می شود. اولین LCDها که در دهه 1970 عرضه شدند، صفحه نمایش های کوچکی بودند که عمدتاً در ماشین حساب ها و ساعت های دیجیتالی استفاده می شدند که اعداد سیاه و سفید را روی پس زمینه سفید نشان می دادند. ال سی دی ها را می توان در همه جا در سیستم های الکترونیکی خانگی، تلفن های همراه، دوربین ها و مانیتورهای کامپیوتر و همچنین ساعت ها و تلویزیون ها یافت. تلویزیون‌های صفحه تخت LCD پیشرفته امروزی تا حد زیادی جایگزین CRTهای حجیم سنتی در تلویزیون شده‌اند و می‌توانند تصاویر رنگی با وضوح بالا تا 108 اینچ به صورت مورب در سراسر صفحه نمایش تولید کنند.
تاریخچه بلورهای مایع
کریستال های مایع به طور تصادفی در سال 1888 توسط گیاه شناس F. Reinitzer از اتریش کشف شد. او دریافت که کلستریل بنزوات دارای دو نقطه ذوب است که در دمای 145 درجه سانتیگراد به مایعی کدر تبدیل می شود و در دمای بالاتر از 178.5 درجه سانتیگراد، مایع شفاف می شود. بهبرای یافتن توضیحی برای این پدیده، او نمونه های خود را به فیزیکدان اتو لمان داد. لمن با استفاده از یک میکروسکوپ مجهز به گرمایش پلکانی نشان داد که این ماده دارای خواص نوری مشخصه برخی کریستال ها است، اما همچنان مایع است و از این رو اصطلاح "کریستال مایع" ابداع شد.
در طول دهه های 1920 و 1930، محققان اثرات میدان های الکترومغناطیسی را بر روی کریستال های مایع مطالعه کردند. در سال 1929، فیزیکدان روسی، وسوولود فردریکس، نشان داد که مولکول های آنها در یک لایه نازک که بین دو صفحه قرار گرفته بود، با اعمال میدان مغناطیسی تراز خود را تغییر دادند. این پیشرو نمایشگر کریستال مایع ولتاژ مدرن بود. سرعت توسعه فناوری از اوایل دهه 1990 سریع بوده و همچنان در حال رشد است.
فناوری LCD از سیاه و سفید برای ساعت‌ها و ماشین‌حساب‌های ساده به رنگارنگ برای تلفن‌های همراه، نمایشگرهای رایانه و تلویزیون تبدیل شده است. بازار جهانی LCD در حال حاضر به 100 میلیارد دلار در سال نزدیک می شود که به ترتیب 60 میلیارد دلار در سال 2005 و 24 میلیارد دلار در سال 2003 افزایش یافته است. تولید LCD در سطح جهانی در شرق دور متمرکز شده و در اروپای مرکزی و شرقی در حال رشد است. شرکت های آمریکایی در زمینه فناوری تولید پیشتاز هستند. نمایشگرهای آنها اکنون بر بازار تسلط دارند و بعید است در آینده نزدیک این تغییر تغییر کند.
فیزیک فرآیند تبلور
بیشتر کریستال های مایع، مانند کلستریل بنزوات، از مولکول هایی با ساختارهای میله مانند دراز تشکیل شده اند. این ساختار خاص مولکول های مایع استکریستال های بین دو فیلتر پلاریزه می توانند با اعمال ولتاژ به الکترودها شکسته شوند، عنصر LCD مات می شود و تاریک می ماند. به این ترتیب، عناصر نمایشی مختلف را می‌توان به رنگ‌های روشن یا تیره تغییر داد و در نتیجه اعداد یا کاراکترها را نمایش داد.
این ترکیب نیروهای جذاب بین تمام مولکول‌های مرتبط با ساختار میله‌ای باعث تشکیل فاز کریستال مایع می‌شود. با این حال، این برهمکنش به اندازه کافی قوی نیست که مولکول ها را به طور دائم در جای خود نگه دارد. از آن زمان، انواع مختلفی از ساختارهای کریستالی مایع کشف شده است. برخی از آنها به صورت لایه‌ای مرتب شده‌اند، برخی دیگر به شکل دیسک یا ستون‌هایی هستند.
تکنولوژی LCD
اصل کار نمایشگر کریستال مایع بر اساس خواص مواد حساس الکتریکی به نام کریستال مایع است که مانند مایعات جریان دارد اما ساختار کریستالی دارد. در جامدات کریستالی، ذرات تشکیل دهنده - اتم ها یا مولکول ها - در آرایه های هندسی قرار دارند، در حالی که در حالت مایع آزاد هستند که به طور تصادفی به اطراف حرکت کنند.
دستگاه نمایش کریستال مایع متشکل از مولکول‌هایی است که اغلب میله‌ای شکل هستند که در یک جهت سازماندهی می‌شوند اما همچنان می‌توانند حرکت کنند. مولکول های کریستال مایع به آن واکنش نشان می دهندیک ولتاژ الکتریکی که جهت آنها را تغییر می دهد و ویژگی های نوری مواد را تغییر می دهد. این ویژگی در LCD ها استفاده می شود.
به طور متوسط، چنین پانلی از هزاران عنصر تصویر ("پیکسل") تشکیل شده است که به طور جداگانه توسط ولتاژ تغذیه می شوند. آنها نازک‌تر، سبک‌تر و ولتاژ عملیاتی کمتری نسبت به سایر فناوری‌های نمایشگر دارند و برای دستگاه‌های با باتری ایده‌آل هستند.
ماتریس غیرفعال
دو نوع نمایشگر وجود دارد: ماتریس غیرفعال و فعال. غیرفعال ها فقط توسط دو الکترود کنترل می شوند. آنها نوارهایی از ITO شفاف هستند که 90 به یکدیگر می چرخند. این یک ماتریس متقابل ایجاد می کند که هر سلول LC را به صورت جداگانه کنترل می کند. آدرس دهی با منطق و درایورهای جدا از LCD دیجیتال انجام می شود. از آنجایی که در این نوع کنترل هیچ باری در سلول LC وجود ندارد، مولکول های کریستال مایع به تدریج به حالت اولیه خود باز می گردند. بنابراین، هر سلول باید در فواصل منظم نظارت شود.
غیرفعال ها زمان پاسخگویی نسبتا طولانی دارند و برای برنامه های تلویزیونی مناسب نیستند. ترجیحاً هیچ درایور یا اجزای سوئیچینگ مانند ترانزیستورها روی زیرلایه شیشه نصب نشده باشد. از دست دادن روشنایی به دلیل سایه زدن توسط این عناصر رخ نمی دهد، بنابراین عملکرد LCD ها بسیار ساده است.
غیرفعال به طور گسترده با ارقام و نمادهای تقسیم‌بندی شده برای خواندن کوچک در دستگاه‌هایی مانندماشین حساب، چاپگر و کنترل از راه دور که بسیاری از آنها تک رنگ هستند یا فقط چند رنگ دارند. نمایشگرهای گرافیکی تک رنگ و رنگی غیرفعال در لپ‌تاپ‌های اولیه استفاده می‌شد و هنوز به عنوان جایگزینی برای ماتریس فعال استفاده می‌شود.
نمایشگر فعال TFT
نمایشگرهای ماتریسی فعال هر کدام از یک ترانزیستور برای درایو و یک خازن برای ذخیره شارژ استفاده می کنند. در فناوری IPS (In Plane Switching)، اصل عملکرد یک نشانگر کریستال مایع از طرحی استفاده می کند که در آن الکترودها روی هم قرار نمی گیرند، بلکه در کنار یکدیگر در همان صفحه روی یک بستر شیشه ای قرار می گیرند. میدان الکتریکی به صورت افقی در مولکول های LC نفوذ می کند.
آنها موازی با سطح صفحه نمایش هستند که زاویه دید را تا حد زیادی افزایش می دهد. نقطه ضعف IPS این است که هر سلول به دو ترانزیستور نیاز دارد. این امر ناحیه شفاف را کاهش می دهد و به نور پس زمینه روشن تری نیاز دارد. VA (تراز عمودی) و MVA (تراز عمودی چند دامنه) از کریستال های مایع پیشرفته استفاده می کنند که به صورت عمودی و بدون میدان الکتریکی، یعنی عمود بر سطح صفحه نمایش، تراز می شوند.
نور پلاریزه می تواند از آن عبور کند اما توسط قطبش جلو مسدود می شود. بنابراین، یک سلول بدون فعال سازی سیاه است. از آنجایی که همه مولکول‌ها، حتی آن‌هایی که در لبه‌های زیرلایه قرار دارند، به‌طور یکنواخت به صورت عمودی هم‌تراز هستند، بنابراین مقدار سیاه حاصل در همه گوشه‌ها بسیار بزرگ است. بر خلاف ماتریس غیرفعالنمایشگرهای کریستال مایع، نمایشگرهای ماتریس فعال دارای یک ترانزیستور در هر زیرپیکسل قرمز، سبز و آبی هستند که آنها را در شدت مورد نظر نگه می دارد تا زمانی که آن ردیف در فریم بعدی نشان داده شود.
زمان تعویض سلول
زمان پاسخگویی نمایشگرها همیشه یک مشکل بزرگ بوده است. به دلیل ویسکوزیته نسبتاً بالای کریستال مایع، سلول های LCD به آرامی تغییر می کنند. به دلیل حرکات سریع در تصویر، این امر منجر به تشکیل نوارها می شود. کریستال مایع با ویسکوزیته پایین و کنترل سلول کریستال مایع اصلاح شده (اوردرایو) معمولاً این مشکلات را حل می کند.
زمان پاسخ‌دهی LCDهای مدرن در حال حاضر حدود 8 میلی‌ثانیه است (سریع‌ترین زمان پاسخ 1 میلی‌ثانیه است) روشنایی ناحیه تصویر را از 10٪ به 90٪ تغییر می‌دهد، جایی که 0٪ و 100٪ روشنایی حالت پایدار هستند، ISO 13406 -2 مجموع زمان تعویض از روشن به تاریک (یا برعکس) و بالعکس است. با این حال، به دلیل فرآیند تعویض مجانبی، زمان تعویض <3 میلی‌ثانیه برای جلوگیری از باندهای قابل مشاهده مورد نیاز است.
فناوری Overdrive زمان تعویض سلول های کریستال مایع را کاهش می دهد. برای این منظور، ولتاژ بالاتری به طور موقت به سلول LCD اعمال می شود که برای مقدار روشنایی واقعی لازم است. به دلیل موج کوتاه ولتاژ نمایشگر کریستال مایع، کریستال های مایع خنثی به معنای واقعی کلمه از موقعیت خود خارج می شوند و بسیار سریعتر تراز می شوند. برای این سطح فرآیند، تصویر باید کش باشد. همراه با به خصوص برای مقادیر مربوطه طراحی شده استتصحیح نمایشگر، ارتفاع ولتاژ مربوطه به گاما بستگی دارد و توسط جداول جستجو از پردازنده سیگنال برای هر پیکسل کنترل می شود و زمان دقیق اطلاعات تصویر را محاسبه می کند.
مولفه های اصلی اندیکاتورها
چرخش در قطبش نور تولید شده توسط کریستال مایع، اساس نحوه عملکرد LCD است. اساساً دو نوع LCD وجود دارد، انتقال دهنده و بازتابنده:
- قابل انتقال.
- انتقال.
عملکرد نمایشگر LCD انتقال. در سمت چپ، نور پس زمینه LCD نور غیرقطبی ساطع می کند. هنگامی که از پلاریزه عقب (پلاریزه کننده عمودی) عبور می کند، نور به صورت عمودی قطبی می شود. این نور سپس به کریستال مایع برخورد می کند و اگر روشن شود قطبش را می پیچد. بنابراین، هنگامی که نور قطبش عمودی از بخش کریستال مایع ON عبور می کند، به صورت افقی قطبی می شود.
بعدی - پلاریزه جلویی نور پلاریزه افقی را مسدود می کند. بنابراین، این بخش برای ناظر تیره به نظر می رسد. اگر قطعه کریستال مایع خاموش شود، قطبش نور را تغییر نمی دهد، بنابراین به صورت عمودی قطبی باقی می ماند. بنابراین پلاریزه جلویی این نور را منتقل می کند. این نمایشگرها که معمولاً به آنها LCD با نور پس زمینه می گویند، از نور محیط به عنوان منبع خود استفاده می کنند:
- ساعت.
- LCD انعکاسی.
- معمولاً ماشین حساب ها از این نوع نمایشگر استفاده می کنند.
بخش های مثبت و منفی
یک تصویر مثبت توسط پیکسل ها یا بخش های تیره روی پس زمینه سفید ایجاد می شود. در آنها پلاریزرها عمود بر یکدیگر هستند. این به این معنی است که اگر پلاریزه جلویی عمودی باشد، قطبش عقب افقی خواهد بود. بنابراین OFF و پس‌زمینه نور را عبور می‌دهد و ON آن را مسدود می‌کند. این نمایشگرها معمولاً در برنامه‌هایی که نور محیط وجود دارد استفاده می‌شوند.
همچنین قادر به ایجاد نمایشگرهای حالت جامد و کریستال مایع با رنگ های مختلف پس زمینه است. یک تصویر نگاتیو توسط پیکسل های روشن یا بخش هایی در پس زمینه تاریک ایجاد می شود. در آنها، پلاریزرهای جلو و عقب با هم ترکیب شده اند. این بدان معنی است که اگر قطبش جلو عمودی باشد، عقب نیز عمودی خواهد بود و بالعکس.
بنابراین بخش‌های OFF و پس‌زمینه نور را مسدود می‌کنند، و بخش‌های ON نور را عبور می‌دهند و یک نمایشگر روشن در برابر پس‌زمینه تاریک ایجاد می‌کنند. ال سی دی های دارای نور پس زمینه معمولا از این نوع استفاده می کنند که در جاهایی که نور محیط ضعیف است استفاده می شود. همچنین قادر به ایجاد رنگ های مختلف پس زمینه است.
نمایش حافظه RAM
DD حافظه ای است که کاراکترهای نمایش داده شده روی صفحه را ذخیره می کند. برای نمایش 2 خط 16 کاراکتری، آدرس ها به صورت زیر تعریف می شوند:
| خط | قابل مشاهده | نامرئی |
| برترین | 00H 0FH | 10H 27H |
| کم | 40H - 4FH | 50H 67H |
به شما امکان می دهد حداکثر 8 کاراکتر یا نویسه 5x7 ایجاد کنید. هنگامی که کاراکترهای جدید در حافظه بارگذاری می شوند، می توان به آنها دسترسی پیدا کرد که گویی کاراکترهای معمولی ذخیره شده در ROM هستند. CG RAM از کلمات 8 بیتی استفاده می کند، اما فقط 5 بیت کم اهمیت در LCD ظاهر می شود.
بنابراین D4 سمت چپ ترین نقطه و D0 قطب سمت راست است. برای مثال، بارگذاری یک بایت RAM CG با سرعت 1Fh تمام نقاط این خط را فراخوانی می کند.
کنترل حالت بیت
دو حالت نمایش وجود دارد: ۴ بیت و ۸ بیت. در حالت 8 بیتی، داده ها توسط پین های D0 تا D7 به نمایشگر ارسال می شوند. رشته RS روی 0 یا 1 تنظیم می شود، بسته به اینکه می خواهید فرمان یا داده ای ارسال کنید. خط R/W نیز باید روی 0 تنظیم شود تا نمایشگر نوشته شود. باقی می ماند که یک پالس حداقل 450 ns به ورودی E ارسال شود تا نشان دهد داده های معتبر روی پین های D0 تا D7 وجود دارد.
نمایشگر داده ها را در لبه سقوط این ورودی می خواند. اگر نیاز به خواندن باشد، رویه یکسان است، اما این بار خط R/W روی 1 تنظیم می شود تا درخواست خواندن شود. داده ها در خطوط D0-D7 در حالت خط بالا معتبر خواهند بود.
حالت 4 بیتی. در برخی موارد، ممکن است لازم باشد تعداد سیم های مورد استفاده برای راه اندازی نمایشگر کاهش یابد، مانند زمانی که میکروکنترلر دارای پایه های ورودی/خروجی بسیار کمی است. در این حالت می توان از حالت LCD 4 بیتی استفاده کرد. در این حالت برای انتقالداده ها و خواندن آنها، تنها از 4 بیت مهم (D4 تا D7) نمایشگر استفاده می شود.
سپس 4 بیت مهم (D0 تا D3) به زمین متصل می شوند. سپس داده ها با ارسال چهار بیت مهم به ترتیب و به دنبال آن چهار بیت کم اهمیت، نوشته یا خوانده می شوند. یک پالس مثبت حداقل 450 ns باید در خط E ارسال شود تا هر نوک ریزش آزمایش شود.
در هر دو حالت، پس از هر عمل روی نمایشگر، می توانید مطمئن شوید که می تواند اطلاعات زیر را پردازش کند. برای انجام این کار، باید درخواست خواندن در حالت دستور دهید و پرچم Busy BF را بررسی کنید. وقتی BF=0، نمایشگر آماده پذیرش دستور یا داده جدید است.
دستگاه های ولتاژ دیجیتال
نشانگرهای کریستال مایع دیجیتال برای تسترها از دو ورقه شیشه ای نازک تشکیل شده است که روی سطوح روبروی آنها مسیرهای رسانای نازکی اعمال می شود. هنگامی که شیشه از سمت راست یا تقریباً در زاویه راست مشاهده می شود، این ردپاها قابل مشاهده نیستند. با این حال، در زوایای دید خاص، آنها قابل مشاهده می شوند.
نمودار مدار الکتریکی.
تستر شرح داده شده در اینجا از یک نوسانگر مستطیلی تشکیل شده است که یک ولتاژ متناوب AC کاملا متقارن و بدون هیچ جزء DC تولید می کند. اکثر ژنراتورهای منطقی قادر به تولید موج مربعی نیستند، آنها شکل موج های مربعی را تولید می کنند که چرخه وظیفه آنها حدود 50٪ نوسان دارد. 4047 مورد استفاده در تستر دارای یک خروجی اسکالر باینری است که تقارن را تضمین می کند. فرکانسنوسانگر حدود 1 کیلوهرتز است.
می توان آن را از یک منبع تغذیه 3-9 ولت تغذیه کرد. معمولاً باتری خواهد بود، اما منبع تغذیه متغیر مزایای خود را دارد. این نشان می دهد که کریستال مایع نشانگر ولتاژ در چه ولتاژی به طور رضایت بخشی کار می کند و همچنین رابطه واضحی بین سطح ولتاژ و زاویه ای که نمایشگر به وضوح قابل مشاهده است وجود دارد. تستر بیش از 1 میلی آمپر نمی کشد.
ولتاژ آزمایش باید همیشه بین ترمینال مشترک، یعنی صفحه عقب، و یکی از سگمنت ها وصل شود. اگر مشخص نیست که کدام ترمینال صفحه پشتی است، یک پروب آزمایشگر را به سگمنت و پروب دیگر را به تمام پایانه های دیگر وصل کنید تا زمانی که قطعه قابل مشاهده باشد.
