Eine Flüssigkristallanzeige ist eine Art elektrisch erzeugtes Bild auf einem dünnen Flachbildschirm. Die ersten LCDs, die in den 1970er Jahren auf den Markt kamen, waren winzige Bildschirme, die hauptsächlich in Taschenrechnern und Digitaluhren verwendet wurden und schwarze Zahlen auf weißem Hintergrund anzeigten. LCDs sind überall in Heimelektroniksystemen, Mobiltelefonen, Kameras und Computermonitoren sowie Uhren und Fernsehern zu finden. Die heutigen hochmodernen LCD-Flachbildfernseher haben die herkömmlichen klobigen CRTs in Fernsehgeräten weitgehend ersetzt und können hochauflösende Farbbilder mit einer Bildschirmdiagonale von bis zu 108 Zoll erzeugen.
Geschichte der Flüssigkristalle
Flüssigkristalle wurden 1888 durch Zufall von dem Botaniker F. Reinitzer aus Österreich entdeckt. Er fand heraus, dass Cholesterylbenzoat zwei Schmelzpunkte hat und sich bei 145 ° C in eine trübe Flüssigkeit verwandelt, und bei Temperaturen über 178,5 ° C wird die Flüssigkeit transparent. ZuUm eine Erklärung für dieses Phänomen zu finden, gab er seine Proben dem Physiker Otto Lehmann. Unter Verwendung eines Mikroskops mit Stufenheizung zeigte Lehman, dass die Substanz optische Eigenschaften hat, die für einige Kristalle charakteristisch sind, aber immer noch eine Flüssigkeit ist, und daher wurde der Begriff „Flüssigkristall“geprägt.
In den 1920er und 1930er Jahren untersuchten Forscher die Auswirkungen elektromagnetischer Felder auf Flüssigkristalle. 1929 zeigte der russische Physiker Vsevolod Frederiks, dass ihre Moleküle in einem dünnen Film zwischen zwei Platten ihre Ausrichtung änderten, wenn ein Magnetfeld angelegt wurde. Es war der Vorläufer der modernen Flüssigkristallanzeige mit Spannung. Das Tempo der technologischen Entwicklung seit den frühen 1990er Jahren war rasant und nimmt weiter zu.
LCD-Technologie hat sich von Schwarzweiß für einfache Uhren und Taschenrechner zu Multicolor für Mobiltelefone, Computermonitore und Fernseher entwickelt. Der globale LCD-Markt nähert sich jetzt 100 Milliarden US-Dollar pro Jahr, gegenüber 60 Milliarden US-Dollar im Jahr 2005 bzw. 24 Milliarden US-Dollar im Jahr 2003. Die LCD-Fertigung konzentriert sich weltweit auf den Fernen Osten und wächst in Mittel- und Osteuropa. Amerikanische Firmen sind führend in der Fertigungstechnologie. Ihre Displays dominieren jetzt den Markt und es ist unwahrscheinlich, dass sich dies in naher Zukunft ändern wird.
Physik des Kristallisationsprozesses
Die meisten Flüssigkristalle, wie Cholesterylbenzoat, bestehen aus Molekülen mit langen, stäbchenförmigen Strukturen. Diese spezielle Struktur von flüssigen MolekülenKristalle zwischen zwei Polarisationsfiltern können durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden zerbrochen werden, das LCD-Element wird undurchsichtig und bleibt dunkel. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Anzeigeelemente entweder hell oder dunkel sch alten und so Zahlen oder Zeichen darstellen.
Diese Kombination von Anziehungskräften, die zwischen allen Molekülen bestehen, die mit einer stäbchenförmigen Struktur verbunden sind, verursacht die Bildung einer Flüssigkristallphase. Diese Wechselwirkung ist jedoch nicht stark genug, um die Moleküle dauerhaft an Ort und Stelle zu h alten. Seitdem wurden viele verschiedene Arten von Flüssigkristallstrukturen entdeckt. Manche davon sind in Schichten angeordnet, andere scheibenförmig oder bilden Säulen.
LCD-Technologie
Das Funktionsprinzip einer Flüssigkristallanzeige basiert auf den Eigenschaften von elektrisch empfindlichen Materialien, sogenannten Flüssigkristallen, die wie Flüssigkeiten fließen, aber eine kristalline Struktur haben. In kristallinen Festkörpern befinden sich die einzelnen Teilchen – Atome oder Moleküle – in geometrischen Anordnungen, während sie sich im flüssigen Zustand frei und zufällig bewegen können.
Die Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung besteht aus Molekülen, oft stäbchenförmig, die sich in eine Richtung organisieren, sich aber dennoch bewegen können. Flüssigkristallmoleküle reagieren daraufeine elektrische Spannung, die ihre Orientierung ändert und die optischen Eigenschaften des Materials verändert. Diese Eigenschaft wird auf LCDs verwendet.
Ein solches Panel besteht im Durchschnitt aus Tausenden von Bildelementen („Pixeln“), die einzeln mit Spannung versorgt werden. Sie sind dünner, leichter und haben eine niedrigere Betriebsspannung als andere Anzeigetechnologien und sind ideal für batteriebetriebene Geräte.
Passivmatrix
Es gibt zwei Arten von Displays: passive und aktive Matrix. Passive werden von nur zwei Elektroden gesteuert. Sie sind Streifen aus transparentem ITO, die sich um 90 zueinander drehen. Dadurch entsteht eine Kreuzmatrix, die jede LC-Zelle einzeln ansteuert. Die Adressierung erfolgt durch Logik und Treiber getrennt vom digitalen LCD. Da bei dieser Art der Ansteuerung keine Ladung in der LC-Zelle vorhanden ist, kehren die Flüssigkristallmoleküle allmählich in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Daher muss jede Zelle in regelmäßigen Abständen überwacht werden.
Passive haben eine relativ lange Reaktionszeit und sind für Fernsehanwendungen nicht geeignet. Vorzugsweise sind keine Treiber oder Sch altkomponenten wie Transistoren auf dem Glassubstrat angebracht. Helligkeitsverluste durch Abschattung durch diese Elemente treten nicht auf, daher ist die Bedienung der LCDs sehr einfach.
Passive sind weit verbreitet mit segmentierten Ziffern und Symbolen für kleine Lesungen in Geräten wie zTaschenrechner, Drucker und Fernbedienungen, von denen viele einfarbig sind oder nur wenige Farben haben. Passive Monochrom- und Farbgrafikdisplays wurden in frühen Laptops verwendet und werden immer noch als Alternative zu Aktivmatrix verwendet.
Aktive TFT-Displays
Aktivmatrix-Displays verwenden jeweils einen Transistor zum Ansteuern und einen Kondensator zum Speichern von Ladung. Bei der IPS-Technologie (In Plane Switching) basiert das Funktionsprinzip einer Flüssigkristallanzeige auf einem Design, bei dem die Elektroden nicht gestapelt, sondern in derselben Ebene nebeneinander auf einem Glassubstrat angeordnet sind. Das elektrische Feld durchdringt die LC-Moleküle horizontal.
Sie sind parallel zur Bildschirmoberfläche ausgerichtet, was den Betrachtungswinkel stark vergrößert. Der Nachteil von IPS ist, dass jede Zelle zwei Transistoren benötigt. Dies reduziert den transparenten Bereich und erfordert eine hellere Hintergrundbeleuchtung. VA (Vertical Alignment) und MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) verwenden fortschrittliche Flüssigkristalle, die sich ohne elektrisches Feld vertikal ausrichten, d. h. senkrecht zur Bildschirmoberfläche.
Polarisiertes Licht kann passieren, wird aber durch den vorderen Polarisator blockiert. Somit ist eine Zelle ohne Aktivierung schwarz. Da alle Moleküle, auch die an den Rändern des Substrats befindlichen, gleichmäßig vertikal ausgerichtet sind, ist der resultierende Schwarzwert somit an allen Ecken sehr groß. Anders als passive MatrixFlüssigkristallanzeigen, Aktivmatrixanzeigen haben einen Transistor in jedem roten, grünen und blauen Subpixel, der sie auf der gewünschten Intensität hält, bis diese Zeile im nächsten Frame adressiert wird.
Zellensch altzeit
Die Reaktionszeit von Displays war schon immer ein großes Problem. Aufgrund der relativ hohen Viskosität des Flüssigkristalls sch alten LCD-Zellen recht langsam. Aufgrund der schnellen Bewegungen im Bild führt dies zur Streifenbildung. Flüssigkristalle mit niedriger Viskosität und modifizierte Flüssigkristallzellensteuerung (Overdrive) lösen normalerweise diese Probleme.
Die Reaktionszeit moderner LCDs beträgt derzeit etwa 8 ms (die schnellste Reaktionszeit beträgt 1 ms) und ändert die Helligkeit eines Bildbereichs von 10 % auf 90 %, wobei 0 % und 100 % die Helligkeit im konstanten Zustand sind, ISO 13406 -2 ist die Summe der Sch altzeit von hell nach dunkel (oder umgekehrt) und umgekehrt. Aufgrund des asymptotischen Sch altvorgangs ist jedoch eine Sch altzeit von <3 ms erforderlich, um sichtbare Banden zu vermeiden.
Overdrive-Technologie reduziert die Sch altzeit von Flüssigkristallzellen. Dazu wird kurzzeitig eine höhere Spannung an die LCD-Zelle angelegt, als für den tatsächlichen Helligkeitswert erforderlich ist. Durch den kurzen Spannungsstoß der Flüssigkristallanzeige brechen die inerten Flüssigkristalle förmlich aus ihrer Position und nivellieren sich viel schneller ein. Für diese Prozessebene muss das Bild zwischengespeichert werden. Zusammen mit speziell für die entsprechenden Werte ausgelegtAnzeigekorrektur, die entsprechende Spannungshöhe hängt vom Gamma ab und wird durch Lookup-Tabellen vom Signalprozessor für jeden Pixel gesteuert und berechnet die genaue Zeit der Bildinformationen.
Hauptkomponenten der Indikatoren
Die Drehung in der Polarisation von Licht, die von Flüssigkristallen erzeugt wird, ist die Grundlage für die Funktionsweise eines LCD. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von LCDs, durchlässig und reflektierend:
- Transmissiv.
- Übertragung.
Übertragungs-LCD-Anzeigebetrieb. Auf der linken Seite gibt die LCD-Hintergrundbeleuchtung unpolarisiertes Licht ab. Beim Durchgang durch den hinteren Polarisator (vertikaler Polarisator) wird das Licht vertikal polarisiert. Dieses Licht trifft dann auf den Flüssigkristall und verdreht die Polarisation, wenn es eingesch altet wird. Wenn also vertikal polarisiertes Licht durch das ON-Flüssigkristallsegment geht, wird es horizontal polarisiert.
Weiter - Der vordere Polarisator blockiert horizontal polarisiertes Licht. Somit erscheint dieses Segment für den Betrachter dunkel. Wenn das Flüssigkristallsegment ausgesch altet ist, ändert es die Polarisation des Lichts nicht, so dass es vertikal polarisiert bleibt. Der vordere Polarisator lässt also dieses Licht durch. Diese Displays, allgemein als hinterleuchtete LCDs bezeichnet, verwenden Umgebungslicht als Quelle:
- Uhr.
- Reflektierendes LCD.
- Normalerweise verwenden Taschenrechner diese Art der Anzeige.
Positive und negative Segmente
Ein positives Bild entsteht durch dunkle Pixel oder Segmente auf weißem Hintergrund. Bei ihnen stehen die Polarisatoren senkrecht zueinander. Das bedeutet, wenn der vordere Polarisator vertikal ist, dann ist der hintere Polarisator horizontal. Also AUS und der Hintergrund lässt das Licht durch und EIN blockiert es. Diese Displays werden typischerweise in Anwendungen verwendet, in denen Umgebungslicht vorhanden ist.
Es ist auch in der Lage, Festkörper- und Flüssigkristallanzeigen mit unterschiedlichen Hintergrundfarben zu erstellen. Ein Negativbild entsteht durch helle Pixel oder Segmente auf dunklem Hintergrund. In ihnen sind die vorderen und hinteren Polarisatoren kombiniert. Das bedeutet, wenn der vordere Polarisator vertikal ist, ist auch der hintere vertikal und umgekehrt.
Die OFF-Segmente und der Hintergrund blockieren also das Licht, und die ON-Segmente lassen das Licht durch, wodurch eine helle Anzeige vor einem dunklen Hintergrund entsteht. Hintergrundbeleuchtete LCDs verwenden typischerweise diese Art, die dort verwendet wird, wo das Umgebungslicht schwach ist. Es ist auch in der Lage, verschiedene Hintergrundfarben zu erstellen.
Anzeigespeicher RAM
DD ist der Speicher, der die auf dem Bildschirm angezeigten Zeichen speichert. Um 2 Zeilen mit 16 Zeichen anzuzeigen, werden Adressen wie folgt definiert:
| Linie | Sichtbar | Unsichtbar |
| Oben | 00H 0FH | 10H 27H |
| Niedrig | 40H - 4FH | 50H 67H |
Sie können maximal 8 Zeichen oder 5x7 Zeichen erstellen. Sobald neue Zeichen in den Speicher geladen sind, kann auf sie zugegriffen werden, als ob sie normale Zeichen wären, die im ROM gespeichert sind. CG RAM verwendet 8 Bit breite Wörter, aber nur die 5 niederwertigsten Bits erscheinen auf dem LCD.
Also ist D4 der Punkt ganz links und D0 der Pol ganz rechts. Zum Beispiel ruft das Laden eines RAM-Bytes CG bei 1Fh alle Punkte dieser Zeile auf.
Bitmodussteuerung
Es stehen zwei Anzeigemodi zur Verfügung: 4-Bit und 8-Bit. Im 8-Bit-Modus werden Daten über die Pins D0 bis D7 an das Display gesendet. Der RS-String wird auf 0 oder 1 gesetzt, je nachdem, ob Sie einen Befehl oder Daten senden möchten. Die R/W-Leitung muss auch auf 0 gesetzt werden, um die zu schreibende Anzeige anzuzeigen. Es bleibt, einen Impuls von mindestens 450 ns an den Eingang E zu senden, um anzuzeigen, dass gültige Daten an den Pins D0 bis D7 vorhanden sind.
Das Display zeigt Daten an der fallenden Flanke dieses Eingangs an. Wenn ein Lesen erforderlich ist, ist das Verfahren identisch, aber dieses Mal wird die R/W-Leitung auf 1 gesetzt, um ein Lesen anzufordern. Die Daten sind auf den Leitungen D0-D7 im High-Leitungszustand gültig.
4-Bit-Modus. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, die Anzahl der zum Ansteuern des Displays verwendeten Drähte zu reduzieren, z. B. wenn der Mikrocontroller nur sehr wenige E/A-Pins hat. In diesem Fall kann der 4-Bit-LCD-Modus verwendet werden. In diesem Modus zu übertragenDaten lesen und lesen, werden nur die 4 höchstwertigen Bits (D4 bis D7) der Anzeige verwendet.
4 signifikante Bits (D0 bis D3) werden dann mit Masse verbunden. Daten werden dann geschrieben oder gelesen, indem die vier höchstwertigen Bits der Reihe nach gesendet werden, gefolgt von den vier niedrigstwertigen Bits. Auf Leitung E muss ein positiver Impuls von mindestens 450 ns gesendet werden, um jedes Nibble zu testen.
In beiden Modi können Sie nach jeder Aktion auf dem Display sicherstellen, dass es die folgenden Informationen verarbeiten kann. Dazu müssen Sie im Befehlsmodus ein Lesen anfordern und das Busy BF-Flag überprüfen. Wenn BF=0, ist das Display bereit, neue Befehle oder Daten anzunehmen.
Digitale Spannungsgeräte
Digitale Flüssigkristallanzeigen für Tester bestehen aus zwei dünnen Glasscheiben, auf deren einander zugewandten Flächen dünne Leiterbahnen aufgebracht wurden. Wenn das Glas von rechts oder fast im rechten Winkel betrachtet wird, sind diese Spuren nicht sichtbar. Bei bestimmten Betrachtungswinkeln werden sie jedoch sichtbar.
Elektrischer Sch altplan.
Der hier beschriebene Tester besteht aus einem Rechteckoszillator, der eine perfekt symmetrische Wechselspannung ohne Gleichanteil erzeugt. Die meisten Logikgeneratoren sind nicht in der Lage, eine Rechteckwelle zu erzeugen, sie erzeugen Rechteckwellenformen, deren Arbeitszyklus um 50 % schwankt. Der im Tester verwendete 4047 hat einen binären Skalarausgang, der Symmetrie garantiert. FrequenzOszillator liegt bei etwa 1 kHz.
Es kann mit einer 3-9V-Versorgung betrieben werden. Normalerweise wird es eine Batterie sein, aber eine variable Stromversorgung hat seine Vorteile. Sie zeigt an, bei welcher Spannung der Flüssigkristall der Spannungsanzeige zufriedenstellend arbeitet, und es gibt auch einen klaren Zusammenhang zwischen der Spannungshöhe und dem Winkel, in dem die Anzeige gut sichtbar ist. Der Tester zieht nicht mehr als 1 mA.
Die Prüfspannung muss immer zwischen dem gemeinsamen Anschluss, also der Rückwand, und einem der Segmente angeschlossen werden. Wenn nicht bekannt ist, welcher Anschluss die Backplane ist, verbinden Sie eine Sonde des Testers mit dem Segment und die andere Sonde mit allen anderen Anschlüssen, bis das Segment sichtbar ist.
