Типы жидкокристаллических индикаторов

Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) был создан на эффекте динамического рассеяния, являю­щемся токовым эффек­том.

Работа такого ин­дикатора иллюстриру­ется рис. 2.25. В ячей­ке, заполненной нематиком с отрицательной диэлектрической ани­зотропией, при планарной ориентации в от­сутствии или при малом напряжении на электродах вещество однородно и прозрачно (рис. 2.25,а).

При приложении к ячей­ке порогового напряжения, не зависящего от толщины слоя и слабо зависящего от температуры, возникает волнистая доменная структура - своеобразный рисунок, обусловленный упорядоченным изменением направления директора (рис. 2.31, б). При превышении порогового напряжения доменная струк­тура превращается в ячеистую (рис. 2.31, в). При напряжениях, значительно превышающих пороговое, в жидкости возникает вих­ревое движение. В результате возникновения вихрей жидкий кристалл полно­стью теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот электрооптический эффект и называется динамическим рассеянием.

В настоящее время наиболее распространены индикаторы, ис­пользующие полевой твист-эффект. Работа ячейки со скрещен­ными поляризатором Пи анализатором Апоказана на рис. 2.26. В отсутствие напряжения молекулы в ней закручены приблизи­тельно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек (рис. 2.26, а). В этом случае свет, падающий на ячейку сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поля­ризации совпадает с направ­лением директора D у верхней подложки. При прохождении сквозь слой жидкокристаллического вещества плоскость поляризации света вращается и при попадании в нижнюю подложку оказыва­ется перпендикулярной пло­скости чертежа. В результате свет свободно выходит через анализатор и попадает к на­блюдателю.

При наложении на ячейку напряжения, создающего поле значительно выше порогового, вещество с положительной диэлектрической анизотропией стре­мится повернуться по электрическому полю и его директор D при­обретает вертикальное направление (рис. 2.26, б). Теперь уже жидкокристаллическая ячейка не вращает плоскость поляризации, а анализатор не про­пускает свет.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) на твист-эффекте имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте динамического рассеяния, в несколько раз меньшие рабочие напряжения (3-10 вместо 15-40 В), большую долговечность, обусловленную меньшими ра­бочими токами (плотность тока 1-3 мкА/см 2 вместо 10 мА/см 2).

К недостаткам жидкокристаллических индикаторов на твист-эффекте относится меньший, чем у индикаторов на эффекте динамического рассеяния, угол обзора, что связано с узкой диаграммой направленности света при твист-эффекте и влиянием поляризаторов. Путем повы­шения управляющего напряжения до 5-6 В этот угол можно уве­личить до ±45° для управления постоянным напряжением, однако при использовании импульсных напряжений угол обзора заметно снижается. Еще одним существенным недостатком твист-индика­торов является необходимость использования поляризаторов, что приводит к потерям свыше 50 % света, повышает стоимость инди­катора и уменьшает его долговечность.

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость - хозяин», который иллюстрируется рис. 2.27. Стержневидные дихроические молекулы красителя (гость), кото­рые введены в ЖК-вещество, стремятся ориентироваться парал­лельно осям его молекул. Так как молекулы красителя поглоща­ют свет с поляризацией вдоль длинной оси молекул и пропускают свет с перпендикулярной ориентацией, то, управляя ориентацией ЖК, можно регулировать прохождение света.

В качестве основного электрооптического эффекта в таком жидком кристалле можно использовать переход из холестерического в нематическое состояние. Для начального холестерического состояния вещество имеет спиральную структуру и свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 2.27, а). При наложении доста­точно сильного электрического поля жидкокристаллическое вещество переходит в нематическое гомеотропное состояние, в котором все мо­лекулы красителя ориентиро­ваны вертикально, а падающий на ячейку свет свободно про­ходит сквозь нее (рис. 2.27, б). Описанная система перспек­тивна, так как позволяет по­лучить почти черное позитив­ное изображение на белом фоне при высокой яркости и до­статочно широком угле обзора.

Создание матричных жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) с информационной ем­костью, достаточной для построения графических СОИ или теле­визионных экранов, затруднено тем, что ЭО в них реагируют на действующее значение приложенного напряжения. Отношение этих значений напряжения на включенном и выключенном ЭО с ростом числа строк, по которым производится развертка, падает. В связи с этим жидкокристаллические экраны строят, используя комбинирован­ную термическую и электрическую матричную адресации или вво­дя в каждый ЭО интегрированные схемные элементы, обеспечи­вающие переход от матричной адресации к однокоординатной.

Схема фазовых переходов, происходящих в жидкокристалли­ческом веществе при комбинированном тепловом и электрическом воздействиях, показана на рис. 2.28. При повышении температуры, происходящем в результате нагрева строки матричного экрана, ве­щество переходит из упорядоченного смектического состояния в беспорядочное изотропное (стрелка 3). При охлаждении харак­тер фазового перехода зависит от того, наложено ли на жидкий кристалл электрическое поле или нет. Без электрического поля вещество переходит в смектическую фазу, для которой характер­ны макронеоднородности, вызывающие сильное рассеяние света (стрелка 1). Когда охлаждение ведется в электрическом поле, то в промежуточном нематическом состоянии происходит ориентация молекул по полю (стрелка 2).В конечной смектической фазе воз­никает упорядоченная ориентация и вещество оказывается опти­чески прозрачным.

В матричном индикаторе строчные электроды выполняются как омически нагреваемые резистивные полоски, а столбцы - как прозрачные полоски. Развертка изображения ведется по строкам, а на столбцы подаются информационные импульсы. Время ввода информации в одну строку равно 50 мкс, так как количество на­греваемого жидкокристаллического вещества и его тепловая инерция невелики. После охлаждения состояние вещества (прозрачное или рассеивающее свет) сохраняется, т. е. индикатор запоминает информацию.

Для работы жидкокристаллического индикатора важное значение имеет способ его подсветки. В твист-индикаторах применяют три системы под­светки: отражательную, просветную и отражательно-просветную.

В отражательной системе подсветки (рис. 2.29) внешний свет в жидкокристаллическую ячейку попа­дает только после прохождения левого поляризатора ЛП. Если на сегменты ячейки СЯне подано напряжение, свет после пово­рота вектора поляризации на 90° проходит через правый поляри­затор ПП и отражается рефлектором Р(рис. 2.29, а). При обрат­ном проходе свет снова поворачивается на 90° в слое жидкокристаллического вещества и свободно выходит наружу. Около тех сегментов индикатора, на которые подано напряжение, жидкокристаллическое вещество не способно вра­щать вектор поляризации, вследствие чего лучи света задержива­ются правым поляризатором (рис. 2.29, б). В таком индикаторе видны темные сегменты на светлом фоне.

Рис 2.36. Отражательная ЖК-ячейка на твист-эффекте: а - без напряжения; б – под напряжением

В просветной системе источник света располагается позади одного из поляризаторов. В качестве источника можно использовать миниа­тюрную лампу накаливания с диффузором или люминесцентный источник.

Просветно-отражательная система,в которой отражатель час­тично пропускает свет, идущий сзади, а частично отражает свет, падающий спереди, является наиболее универсальной.

Отражательные индикаторы применяются при достаточной, а просветные - при низкой освещенности окружающей среды.

Б. Характеристики жидкокристаллических индикаторов

Так как жидкокристаллические индикаторы отно­сятся к классу пассивных, то основным их оптическим параметром является не яркость, а контрастность (для просветных индикато­ров вместо контрастности часто пользуются коэффициентом про­пускания, который определяют как отношение интенсивностей выходящего света к падающему).

Вольтконтрастная характеристика жидкокристаллического ин­дикатора зависит не от амплитудного, а от действующего значения приложенного напряжения. Типичные вольтконтрастные характеристики твист-индикатора для углов наблюдения 0 и 45° показаны на рис. 2.30. Для пара­метрического задания кривой можно взять напряжения, соответ­ствующие 5, 10, 50 и 90 % контраста, обозначая их U 5 , U 10 , U 50 , U 90 .

Динамические параметры жидкокристаллических индикаторов определяются вре­менами реакции τ рк и релаксации τ рл. Кривая изменения конт­раста при наложении импульса на­пряжения имеет следующие участки: задержку включения, время нараста­ния (в сумме они равны времени ре­акции), задержку выключения (обыч­но очень малую) и время спада (две последние составляющие в сумме дают время релаксации).

Температурный диапазон работы жидкокристаллического индикатора часто ограничивается τ рк и τ рл, типичные значения которых составляют десятки миллисекунд при комнатной температуре и существенно возрастают при ее снижении. Времена τ рк, τ рл пропорциональны вязкости жидкокристаллического вещества, которая зависит от температуры как

η в = η в0 exp[ε a /(kT) ], (2.33)

где энергия активации ε а лежит в диапазоне (5-8)×10 - 20 Дж. Формула (2.33) показывает, что изменение температуры с 250 до 300 К меняет η в в 10-50 раз. Поэтому, даже если при снижении температуры рабочее вещество остается в жидком состоянии, ин­дикатор может оказаться неработоспособным из-за плохих дина­мических параметров. Приборы, рассчитанные на работу при низ­ких температурах окружающей среды, должны быть заполнены смесью ЖК-веществ, имеющей при этой температуре малую вяз­кость.

Таблица 2.8

Для повышения срока службы жидкокристаллических индикаторов их питают пе­ременным напряжением, исключая этим направленный характер электрохимических процессов. Чтобы даже небольшая составляю­щая постоянного напряжения не попадала на ЖК, используют ту же тонкую пленку SiO 2 , что и для пассивации.

Квантовая и оптическая электроника. Лекция N 1 1

ПАССИВНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

В эту группу входят три вида пассивных индикаторов: жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), электрохромные и электрофоретические индикаторы (ЭХИ и ЭФИ). Последние два, в свою очередь, входят в состав электрохимических пассивных индикаторов.

1.Жидкокристаллические индикаторы

Принцип действия жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) основан на изменении оптических свойств жидких кристаллов под действием электрического поля. В отличие от активных индикаторов ЖКИ не генерируют оптическое излучение, а модулируют его интенсивность за счет изменения таких характеристик, как амплитуда, фаза, длина волны, плоскость поляризации и направление распространения.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет.

Жидкокристаллическое или мезоморфно е состояние - это состояние вещества, при котором оно обладает свойствами, присущими как твердым кристаллам, так и жидкостям.

Рис.1

идкие кристаллы (ЖК) – это анизотропные жидкости, электрические и оптические свойства которых зависят от направления их наблюдения. В ЖК наблюдаются электрооптические эффекты, связанные с движением вещества: - динамическое рассеяние(ДР) , а также с поворотом молекул в электрическом поле - твист-эффект (ТЭ) и эффект гость - хозяин (Г-Х) .

Конструкции жки

Конструктивные схемы ЖКИ показаны на Рис.1.

Основой простейшего индикаторного элемента с использованием ЖК являются две стеклянные пластины. Вне зависимости от используемого электрооптического эффекта ЖКИ разделяются на два класса: индикаторы, работающие на просвет, и индикаторы, работающие на отражение. У первых (Рис.1.а) обе стеклянные пластины прозрачны; электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова), между которыми помещено ЖК вещество. За индикатором помещается источник света. Цвет и яркость индикатора определяются цветом и яркостью источника света. У вторых: (Рис.1.б) «задний» электрод изготовлен в виде зеркала. Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).

К

Рис.3

онфигурация электродов индикатора определяетсялибо формой исходных стеклянных пластин, либо технологией металлизации. Как правило, пластины и электроды плоские, но в ряде приборов внутренняя поверхность задней пластины имеет сложную форму (Рис.2), образующую ряд оптических элементов, обеспечивающих отражение излучения в направлении источника света.

В ЖКИ, работающем на основе ДР , при приложении электрического поля напряжённостью около 5 кВ/см (примерно 30 В - к пленке ЖК толщиной 0,25 мм) молекулы переориентируются, возникают турбулентность и сильное оптическое рассеяние. Материал, прозрачный в отсутствие поля, становится непрозрачным. В таком ЖКИ, работающем на отражение, задний электрод представляет собой зеркало, на котором при подаче напряжения появляются участки молочно-белого цвета, форма которых соответствует конфигурации электродов. Для повышения однородности и четкости изображения, а также срока службы на поверхность проводящих слоев наносится тонкое химически инертное по отношению к ЖК оптически прозрачное покрытие. Материалом таких покрытий служат винилацетатные смолы, смолы на основе этилена, эпоксидные компаунды и т.д. (Рис.3).

Заднюю стеклянную пластину индикатора чернят (Рис.4); тогда на черном фоне возникает белое изображение.

В

Рис.4

ЖКИ с использованием ТЭ , работающем на отражение, стеклянные пластины расположены между двумя скрещенными поляризаторами, за задним из которых помещен диффузный отражатель. Поверхности пластин, обращенные к ЖК, полируются, чтобы молекулы ЖК в слоях, прилегающих к ним, ориентировались во взаимно перпендикулярных направлениях; в промежуточных слоях осуществляется постепенный поворот направлений ориентации. В отсутствие электрического поля длинные оси молекул ЖК плавно поворачиваются на 90 0 , так что оси поляризации правой и левой плоскостей кристалла оказываются расположенными под прямым углом. В этом случае свет, проходящий через поляризатор, падает на ЖК слой и, поворачиваясь на 90 0 за счёт расположения молекул ЖК, достигает второго поляризатора. Т.о. оба поляризатора оказываются прозрачными для падающего света; свет проходит через индикатор. При наличии электрического поля ориентация молекул изменяется, плоскость поляризации света, проходящего через индикатор, не вращается и свет не проходит через индикатор. Так как отражатель диффузный, на слабоокрашенном сером фоне отображаются темные знаки.

В ЖКИ на основе ТЭ, работающем на просвет, поляризаторы устанавливают так, чтобы их плоскости поляризации были параллельны друг другу. Индикатор не пропускает свет в отсутствие электрического поля и пропускает при подаче напряжения.

В индикаторах на эффекте Г-Х тонкий слой ЖК - «хозяина» взаимодействует с молекулами «гостя» (красителя). Слой ЖК - хозяина за счет поглощения световой энергии при отсутствии электрического поля приобретает характерную для красителя (гостя) окраску: под воздействием электрического поля он обесцвечивается. Но существуют также вещества гостя и хозяина, в которых окрашивание происходит под воздействием электрического поля. Цветовые различия в индикаторах на эффекте Г-Х хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности даже при небольшом яркостном контрасте. Для повышения механической прочности и влагостойкости ЖКИ используют специальные защитные конструкции .

Индикаторы на эффекте ДР и ТЭ преимущественно применяются там, где экономичность играет решающую роль: в электронных наручных часах, микрокалькуляторах с автономным питанием, портативных многофункциональных измерительных приборах, индикаторах для переносных радиоприемников, магнитофонов, автомобильных индикаторных устройствах и т. п.

В

Рис.5

жидкокристаллических индикаторах, предназначенных для работы в условиях низкой освещенности (менее 35 кд/м 2), применяют подсветку .

Основные параметры ЖКИ :

Контрастность К и пропускание - это отношение интенсивности света, выходящего из ЖК ячейки в исходном состоянии, к интенсивности света в возбужденном состоянии ЖК ячейки называется пропусканием, если наблюдение ведется в направлении навстречу входящему лучу и контрастностью во всех других случаях.

Пороговое напряжение U nop и управляющее напряжение U ynp . Эти значения напряжений определяются по коэффициенту рассеяния света в ячейке (К р) . Зависимость коэффициента рассеяния света от напряжения, приложенного к электродам ячейки, показана на Рис.5. Пороговое напряжение U nop соответствует значению Кр=0,05. Управляющее напряжение U упр - значению Кр=0,5. Значение U пор для индикатора, использующего эффект ДР, увеличиваться на низких и высоких частотах (индикатор становится менее эффективным). Индикаторы на основе ТЭ обычно используют на частотах 1...10 кГц. В справочных данных индикаторов указывают рекомендуемую частоту управляющего напряжения.

Время включения (реакции) Т вкл – это время, в течение которого контрастность достигает 90% установившегося значения.

Время выключения (релаксации) Т выкл – это время уменьшения контрастности от 90 до 10% установившегося значения.

Долговечность. В процессе эксплуатации ЖКИ изменяется внешний вид информационных полей, что проявляется как ухудшение и исчезновение контраста между активными и пассивными зонами, увеличивается время реакции. Изменения внешнего вида и времени реакции является следствием электрохимических явлений на границе жидкокристаллического вещества (ЖКВ) - поверхность подложки. Скорость деградационных процессов в основном определяется постоянной составляющей напряжения возбуждения, предельно допустимое значение которого указывается в справочных данных. Наличие постоянной составляющей приводит к электролизу ЖКВ, в результате которого возникает газовыделение в объёме ЖКВ, образуются пузырьки газов, визуально воспринимаемые как чёрные точки. Электроды индикатора (проводящие плёнки) теряют свою прозрачность, и сегменты становятся видимыми в отсутствие напряжения возбуждения. В результате старения нарушается ориентация молекул ЖКВ и растет ток, потребляемый индикатором. Ток также может расти за счет проникновения влаги через слой герметика. Влага разрушает ЖКВ.

При эксплуатации ЖКИ в условиях низкой температуры отдельные компоненты ЖКВ могут кристаллизоваться. Чередование замораживания и размораживания ЖКВ может привести к образованию воздушных пузырьков, которые выглядят как черные точки.

Достоинства ЖКИ:

малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист - эффекта удельная мощность потребления единицы мкВт/см 2);

низкие рабочие напряжения (1,5...5 В);

хорошая совместимость с КМОП - микросхемами;

удобное конструктивное исполнение - плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора (до 0,6 мм);

возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней засветки;

большая долговечность (около 10-12 лет непрерывной работы).

Основные недостатки:

сравнительно низкое быстродействие;

ограниченный угол обзора;

необходимость внешнего освещения.

Жидкокристаллическими называют такие индикаторы, в которых используют жидкие кристаллы. Жидкокристаллические индикаторы применяют для визуального отображения информации.

Классификация. Жидкокристаллические индикаторы классифицируют за материалами, электрооптическими эффектами, характером работы, за разрядностью. Различают жидкокристаллические индикаторы, изготовленные на основе нематических (нитевидных) смесей МББА (н-(п-метоксибензилиден)-п-(н-буталанилин)) и ЭББА (н-(п-этоксибензилиден)-(н-бутиланилин)) и др. За электрооптическими эффектами выделяют индикаторы, которые используют эффект динамического рассеяния или твист-эффект. Первый из них наблюдается в жидких кристаллах с отрицательной диэлектрической анизотропией и небольшой электропроводностью (преимущественно созданной искусственно). Он заключается в разрушении ранее упорядоченной молекулярной структуры жидкого кристалла ионным током проводимости, вследствие чего в разрушенных местах возникает состояние динамической турбулентной изменения показателя преломления. Поэтому раньше прозрачный жидкий кристалл в разрушенных местах начинает рассеивать свет, то есть становится непрозрачным. Твист-эффект наблюдается в жидких кристаллах с положительной диэлектрической анизотропией, отсутствующей электропроводностью и предварительно подготовленным «Скрученным» состоянием (состоянием, в котором большие оси молекул становятся параллельными к ограничительным плоскостям, а их направления взаимноперпендикулярнымы). Если на такой жидкий кристалл подействовать электрическим полем, то эффект скручивания исчезает, так как все молекулы жидкого кристалла ориентируются вдоль поля. В результате участки, которые ранее возвращали плоскость поляризации света, перестают ее возвращать. С помощью поляризационных пластин фазовую поляризацию превращают в амплитудную. А это значит, что раньше непрозрачный «скрученный» жидкий кристалл в местах действия поля становится прозрачным.

Классификация. По характеру работы предусматривают разделение жидкокристаллических индикаторов на две группы: те, которые работают на отражение света, и такие, что работают на его пропускания. За разрядностью жидкокристаллические индикаторы делятся на одноразрядные и многоразрядные. Первые из них способны отображать на экране только одну цифру, вторые — больше одной.

Строение. Прежде всего необходимо отметить, что жидкие кристаллы представляют собой большую группу органических веществ, которые одновременно обладают свойствами жидкостей (текучесть) и твердых тел (оптическую и электрическую анизотропию). Есть несколько разновидностей жидких кристаллов. Для жидкокристаллических индикаторов используют преимущественно нематичные жидкие кристаллы, которые имеют нитевидные молекулы с определенной ориентацией и слабым межмолекулярным взаимодействием. Жидкие кристаллы сами не излучают света, поэтому их используют вместе с источниками света.

Рис. 1. Конструкция жидкокристаллической ячейки, построенной на эффекте динамического рассеяния: 1 — жидкий кристалл; 2 — стеклянные пластины; 3 — прозрачный электрод; 4 — изоляционная прокладка; 5 — прозрачный или отражающий электрод

Конструкция элементарной жидкокристаллической ячейки, построенной на эффекте динамического рассеяния, приведенная на рис. 1. Она состоит из двух пластин 2, покрытых изнутри слоем электропроводящего материала 3 и 5 и расположенного между ними слоя жидкого кристалла, толщина которого 8 … 25 мкм. Один из электродов (3) прозрачный, второй прозрачный, если индикатор работает на пропускание света, или зеркальный, если индикатор работаеть на отражение. Электроды 3 и 5 разделяет изоляционная прокладка 4. Подобную конструкцию имеют жидкокристаллические
ячейки, построенные на твист-эффекте (рис. 2). Для индикации цифр используют сегменты, состоящие из восьми элементов, каждый из которых представляет собой элементарную жидкокристаллическую ячейку. Семь из них необходимо для воспроизведения десяти цифр, а восьмой предназначен для индикации комы, которая отделяет целую часть от дробной (рис. 3).

Рис. 2. Конструкция жидкокристаллической ячейки, построенной на твист-эффекте (а) и многоразрядного жидкокристаллического индикатора (б) 1 — стеклянные обкладки; 2 — прозрачные электроды; 3 — ограничитель-фиксатор; 4 — поляроидные пластины; 5 — жидкий кристалл

Источники света (миниатюрные лампы накаливания или люминесцентные излучатели) можно размещать перед индикаторами или за ними. В первом случае с цифровыми сегментами ставят зеркало, а во втором — матово-черную пластину (рис. 3).

Рис. 3. Схемы размещения различных элементов жидкокристаллических индикаторов: а — при работе на отражение; б — при работе на прохождение

Рис. 4. Жидкокристаллическая панель вместе с оптической системой: 1, 2 — стеклянные пластины; 3, 4 — полупрозрачные электроды; 5 — источник света; 6 — рефлектор; 7,8, 9 — дихроичные
зеркала; 10-линза Френеля; 11 — экран

Сегодня промышленность производит устройства отображения информации на жидких кристаллах. Последние представляют собой органические жидкости, которые имеют кристаллическое строение. В этих устройствах вместо кинескопов используют плоские жидкокристаллические панели. Жидкокристаллические панели (рис. 4) состоят из стеклянных пластин 1, 2, одна из которых имеет полусферические выемки, и нанесенных на их внешнюю поверхность полупрозрачных электродов 3, 4. При соединении пластин в процессе изготовления панелей выемки создают ячейки, которые заполняют жидкими
кристаллами. В результате этого образуется своеобразная жидкокристаллическая матрица — панель.

Существует три вида жидкокристаллических устройств:
— Монохроматические с пассивной матрицей;
— Цветные с пассивной матрицей;
— Цветные с активной матрицей.

В устройствах с пассивной матрицей каждой ячейкой руководит напряжение, которое передается через транзисторную схему в соответствии с расположением ячеек в строках и столбцах матрицы экрана.
В устройствах с активной матрицей каждой ячейкой руководит отдельный транзисторный ключ. Жидкокристаллические панели могут входить в состав проекторов и заменять кинескопные проекторы, или выполнять свои функции в составе плоских дисплеев.

Работа. Работа жидкокристаллических индикаторов основывается на электрооптических эффектах жидких кристаллов, то есть на их способности изменять свои оптические свойства под действием электрического тока или напряженности электрического поля. Чтобы на экране получить определенное изображение, используют сегментные электроды, к которым с помощью специальных схем управления подводится питание (Рис. 5).

Рис. 5. Схема управления жидкокристаллическим индикатором

Питание на сегмент подается только тогда, когда соответствующий управляющий транзистор открыт (На рис. 5 приведен только один транзистор седьмого сегмента). Между общим электродом и плюсом источника питания включен ограничительный резистор. При помощи высокоомных резисторов нагрузки Rн задают необходимую для работы сегментов напряжение (≈5 В).

При отпирании транзистора соответствующий сегмент заземляют, на кристаллическую жидкость действует полное напряжение питания, и она под сегментом становится прозрачной или непрозрачной в зависимости от того, какой электрооптический эффект используют. При одновременной работе всех сегментов на экране высвечивается тот или иной знак или символ. Все жидкокристаллические индикаторы работают на переменном токе (на постоянном токе через электрооптические эффекты срок службы приборов уменьшается). Используют приборы, которые работают как на отраженном, так и на проходящем свете. Во время работы в отраженных лучах источниками света может служить освещения из окружающей среды. Жидкокристаллические панели работают так. Световой поток от источника света 5 (рис. 4, а), которым служат ксеноновые или галогенные лампы, делится дихроичними зеркалами 7, 8, 9 на три световые потоки (красный, синий, зеленый), которые направляют их на жидкокристаллическую панель (в других конструкциях — на три простые жидкокристаллические панели). Одновременно на полупрозрачные электроды ячеек с системы управления, которая на рисунке не показана, поступают усиленные детектируемые видеосигналы, которые модулируют прозрачность жидких кристаллов. В результате на выходе жидкокристаллической панели появляются промоделированые по интенсивности синий, красный и зеленый световые потоки, которые линзой Френеля 10 направляются на экран 11, где смешиваются, образуя многоцветное изображение.

Свойства. Жидкокристаллические индикаторы имеют малые весогабаритных показатели, высокую контрастность, высокую технологичность. Они потребляют малую мощность (≤100 мкВт), используют низкое напряжение питания (≈ 5 В). Основные их недостатки обусловлены низким быстродействием, из-за которой усложняются схемы управления. Основные преимущества жидкокристаллических панелей — это безбликовый экран и низкая потребляемая мощность (≈ 5 Вт поровну с ЭЛТ, которая потребляет ≈ 100 Вт), низкая стоимость и высокая технологичность. В устройствах с активной матрицей каждая ячейка оснащена отдельным транзисторным ключом. Это обеспечивает более высокую яркость изображения, чем в устройствах с пассивной матрицей, поскольку каждая ячейка находится под действием постоянного, а не импульсного электрического поля. Но активная матрица потребляет больше энергии. Кроме того, необходимость отдельного транзисторного ключа для каждой ячейки усложняет производство, что, в свою очередь, увеличивает их цену.

Применение. Жидкокристаллические индикаторы применяют в информационных табло повышенной информационной емкости, экранах малокадрового телевидения, электронных часах, микрокалькуляторах, в пространственно-временных транспарантах, оптических заслонах, светлоклапанных устройствах, мониторах и тому подобное. Распространены жидкокристаллические индикаторы на твист-эффекте, поскольку они не требуют пропускания тока через структуру, что дает выигрыш в энергопотреблении. Жидкокристаллические панели используют в телевизорах вместо кинескопов.

Рисунок 1

В отличие от рассмотренных ранее индикаторов, ЖК-индикаторы являются пассивными. Различают два режима работы:

• На отражение;
• На пропускание.

Характерные отличия: текучесть, аморфная упорядоченная структура. Открыты в 1888 г., первые индикаторы - 1960 г.

Схематично ЖК-индикатор изображен на Рис.1:

Классификация:

• Нематики (электрические св-ва);
• Холестерики (температурные св-ва).

Режимы работы

Работающие на отражение

Рисунок 2

Верхний электрод выпаян в форме изображаемого предмета. Свет проходит через вертикальную полость, далее - через стекло - плоскость полости меняется, отражается о нижнюю поверхность (также смена плоскостей поляризации) и свет далее выходит, следовательно, пластина прозрачна для света. При повороте молекулы на 90 градусов сохраняется вертикальная плоскость поляризации, "отсекается" луч нижней поляризации, следовательно видно черную точку. При возбуждении молекулы регулируется поляризация поворота, от чего изменяется градация серого света (отражаться будет только часть светового луча).

Возбуждение

• Волной (частотный метод) - постоянное поддержание нужной структуры.
- постепенное разрушение структуры, следовательно нужна релаксация, иначе состояние вырождается.

Работающие на пропускание

Для индикаторов, работающих на просвет, убирается отражатель, из-за чего поляризаторы параллельно ориентированы. Также добавляется лампочка внизу. Тогда свет проходит свободно, если кристалл не возбужден; поляризаторы не скрещены. Если поляризаторы скрещены, то на темном фоне светятся белые линии.

Плотность поляризаторов зависит от того, как вырезается поляризатор. Т.о. цена изготовления не изменяется.

Рисунок 3

Классификация

Холестерики

Набор молекул, закрученных по спирали (множество молекул). Под действием температуры меняется ориентированность молекул спирали, следовательно, действует как дифракционная решетка, под действием температуры меняются цвета, реакция вплоть до 0.1 градуса. ЖК индикаторы пассивны, следовательно необходим внешний источник излучения

Нематики

Под действием переменного электрического поля перестраиваются молекулы. Электрооптические эффекты:

• динамическое рассеивание
• твист-эффект
• эффект гость-хозяин

Динамическое рассеивание

Конструкция элементарной ячейки ЖК-индикатора проста и содержит две стеклянные пластины, имеющие на внутренней стороне прозрачное проводящее покрытие. Между пластинами залит ЖК. Толщина ЖК лежит в пределах от 6 до 25 мкм. Такая конструкция по сути представляет собой плоский конденсатор. При отсутствии напряжения на ячейке ЖК-вещество однородно и прозрачно. При приложении к ячейке порогового напряжения возникает волнистая доменная структура. При превышении порогового напряжения доменная структура превращается в ячеистую, затем в жидкости возникает вихревое движение. ЖК теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот эффект называют динамическим рассеиванием.

Твист-эффект

В отсутствие напряжения питания на ячейке молекулы ЖК закручены приблизительно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек П и А. Поляризатор - это оптический элемент, пропускающий свет, поляризованный в одном направлении, и гасящий свет, поляризованный в противоположном направлении, в зависимости от ориентации поляризатора. Если оси второго поляризатора, называемого анализатором, параллельны осям первого, то свет проходит через второй поляризатор; если же оси анализатора перпендикулярны, излучение гасится.

Свет, падающий сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поляризации совпадает с направлением директора D у верхней подложки. При прохождении через ЖК плоскость поляризации света вращается (как директор у молекул ЖК) и свет проходит через анализатор. При питании ячейки напряжением выше порогового, вектор поляризации ЖК приобретает вертикальное направление и ЖК не вращают плоскость поляризации, а анализатор не пропускает свет.

Эффект гость-хозяин

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость-хозяин». Стержневидные молекулы красителя (гость) вводятся в ЖК (хозяин). Молекулы красителя стремятся ориентироваться параллельно осям молекул ЖК. В начальном состоянии, при нулевом напряжении на ЖК-ячейке, свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 5.4, а). При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально, а падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь нее.

Описанная система перспективна, так как позволяет получить почти черное позитивное изображение на белом фоне при высокой яркости и достаточно широком угле обзора. Контраст у индикаторов на эффекте «гость-хозяин» несколько хуже вследствие поглощения света красителем.

Примеры

TFT технология

Скорость обновления - скорость занесения информации в ячейку (а не изменения состояния вещества). Тонкоплёночный транзистор (TFT, англ. thin-film transistor) - разновидность полевого транзистора, при которой как металлические контакты, так и полупроводниковый канал проводимости изготавливаются в виде тонких плёнок (от 1/10 до 1/100 микрона). Изобретение датируется 1959 годом.

Применяются, например, в ЖК-мониторах как элементы управления активной матрицей на жидких кристаллах. Однако сами тонкоплёночные транзисторы, как правило, не являются достаточно прозрачными.

Недостаток - углы обзора

TN+film (Twisted Nematic + film)

TN + film - самая простая технология. Часть film в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90° до 150°). В настоящее время приставку film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И так как направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость.

Недостатки : худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

IPS технология

Молекула - в виде спирали. Можно получить структуру, имеющую определенную ориентацию и очень высокую плотность. Технология используется с двумя скрещенными поляризаторами, следовательно экран черный. Однако, яркость, по сравнению с TFT, ниже. Углы обзора - 174-176 градусов.

MVA/PVA

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским качествам. MVA (Multi-domain Vertical Alignment). Эта технология разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях мониторов до 176-178°), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика, но значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

1. Изучить схему подключения жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) к микроконтроллеру.
2. Изучить особенности работы символьного ЖКИ.
3. Изучить особенность параллельной синхронной передачи данных.
4. Научится выводить на ЖКИ информацию.

2 Предварительная подготовка к работе

1. По конспекту лекций и рекомендуемой литературе изучить принцип работы символьного жидкокристаллического индикатора.
2. По конспекту лекций и рекомендуемой литературе изучить принцип работы параллельных портов ввода-вывода микроконтроллера.
3. Составить алгоритм работы программы, соответственно заданию.
4. Составить программу на языке программирования С.

3 Краткие теоретические сведения

3.1 Устройство и принцип работы символьного жидкокристаллического индикатора

В настоящее время в микропроцессорных системах для отображения широко используют жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) . Условно все ЖКИ можно разделить на две категории: символьные , или знакосинтезирующие, и графические . Графические индикаторы представляют собой матрицу из m строк и n столбцов, на пересечении которых находятся пиксели. Пиксель представляет собой неделимый объект прямоугольной или круглой формы, обладающий определённым цветом; пиксель – наименьшая единица растрового изображения. Если на определенный столбец и строку подать электрический сигнал, то пиксель на их пересечении изменит свой цвет. Подавая группу сигналов на столбцы и строки можно формировать по точкам произвольное графическое изображение. Так работает графический ЖКИ. В символьном же ЖКИ матрица пикселей разбита на подматрицы, каждая подматрица предназначена для формирования одного символа: цифры, буквы или знака препинания. Как правило, для формирования одного символа используют матрицу из восьми строк и пяти столбцов. Символьные индикаторы бывают одно-, двух- и четырехстрочными.

Для упрощения взаимодействия микропроцессорной системы и ЖКИ используют специализированную микросхему – контроллер (драйвер) ЖКИ. Он управляет пикселями жидкокристаллического дисплея и интерфейсной частью индикатора. Обычно такой контроллер входит в состав индикатора. В целом жидкокристаллический индикатор представляет собой печатную плату, на которой смонтирован сам дисплей, контроллер и необходимые дополнительные электронные компоненты. Внешний вид ЖКИ показан на рисунке ниже.

Рисунок 1 – Внешний вид жидкокристаллического индикатора

4 Задание к работе в лаборатории

4.1 Вывод символа на ЖКИ

1. Разработайте алгоритм программы, выводящей на экран ЖКИ ваше имя в заданной строке. Режим работы ЖКИ и номер строки определяется согласно варианту задания (таблица 2).
2. По принципиальной схеме учебного стенда LESO1 определите, к каким выводам микроконтроллера ADuC842 подключен ЖКИ. По таблице SFR определите адреса используемых портов ввода-вывода.
3. Разработайте и введите текст программы в соответствии с созданным алгоритмом.
4. Оттранслируйте программу, и исправьте синтаксические ошибки.
5. Убедитесь, что на экране дисплея в заданной позиции появился требуемый символ.

4.2 Управление ЖКИ через последовательный порт персонального компьютера (дополнительно)

1. Измените программу таким образом, что бы на экране ЖКИ выводилась информация, переданная с персонального компьютера через UART. Передача команды осуществляется через терминал nwFlash. Выбор источника синхронизации и скорости передачи данных осуществляется по усмотрению студента.
2. Загрузите полученный *.hex файл в лабораторный стенд LESO1.
3. Через терминал nwFlash передайте коды символов, убедитесь, что соответствующие символы выводятся на экране индикатора.

Таблица 2 – Варианты заданий

номер варианта	номер строки	режим курсора
1	первая	выключен
2	вторая	включен, мерцает
3	первая	включен, не мерцает
4	вторая	выключен
5	первая	включен, мерцает
6	вторая	включен, не мерцает
7	первая	выключен
8	вторая	включен, мерцает
9	первая	включен, не мерцает
10	вторая	выключен
11	первая	включен, мерцает
12	вторая	включен, не мерцает
13	первая	выключен
14	вторая	включен, мерцает
15	первая	включен, не мерцает

5 Указания к составлению отчета

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.
2. Принципиальную схему подключения ЖКИ к управляющему микроконтроллер.
3. Структурную схему ЖКИ.
4. Диаграммы передачи данных по параллельному интерфейсу.
5. Расчет параметров таймера.
6. Графическую схему алгоритма работы программы.
7. Исходный текст программы.
8. Содержимое файла листинга программного проекта.
9. Выводы по выполненной лабораторной работе.

Схемы, а также отчет в целом, выполняются согласно нормам ЕСКД.