צג גביש נוזלי הוא סוג של תמונה שנוצרת חשמלית על לוח שטוח דק. מסכי ה-LCD הראשונים, שיצאו בשנות ה-70, היו מסכים זעירים ששימשו בעיקר במחשבונים ושעונים דיגיטליים שהציגו מספרים שחורים על רקע לבן. ניתן למצוא צגי LCD בכל מקום במערכות אלקטרוניקה ביתיות, טלפונים ניידים, מצלמות ומסכי מחשב, כמו גם שעונים וטלוויזיות. טלוויזיות LCD שטוחות חדישות של היום החליפו במידה רבה את מכשירי ה-CRT המסורתיים המסורתיים בטלוויזיות ויכולות להפיק תמונות צבעוניות בחדות גבוהה של עד 108 אינץ' באלכסון על פני המסך.
היסטוריה של גבישים נוזליים
גבישים נוזליים התגלו במקרה בשנת 1888 על ידי הבוטנאי פ. רייניצר מאוסטריה. הוא מצא שלכולסטרול בנזואט יש שתי נקודות התכה, שהופכות לנוזל עכור ב-145 מעלות צלזיוס, ובטמפרטורות מעל 178.5 מעלות צלזיוס, הנוזל הופך שקוף. ללמצוא הסבר לתופעה זו, הוא נתן את הדגימות שלו לפיזיקאי אוטו להמן. באמצעות מיקרוסקופ המצויד בחימום מדורג, ליהמן הראה שלחומר יש תכונות אופטיות האופייניות לחלק מהגבישים, אך הוא עדיין נוזל, ומכאן הוטבע המונח "גביש נוזלי".
במהלך שנות ה-20 וה-30, חוקרים חקרו את ההשפעות של שדות אלקטרומגנטיים על גבישים נוזליים. בשנת 1929, הפיזיקאי הרוסי וסבולוד פרדריקס הראה כי המולקולות שלהם בסרט דק צפוף בין שני לוחות שינו את יישורן כאשר הופעל שדה מגנטי. זה היה המבשר של תצוגת הגביש הנוזלי המודרני במתח. קצב הפיתוח הטכנולוגי מאז תחילת שנות ה-90 היה מהיר וממשיך לגדול.
טכנולוגיית LCD התפתחה משחור לבן עבור שעונים ומחשבונים פשוטים לצבעוניות עבור טלפונים ניידים, מסכי מחשב וטלוויזיות. שוק ה-LCD העולמי מתקרב כעת ל-100 מיליארד דולר בשנה, לעומת 60 מיליארד דולר ב-2005 ו-24 מיליארד דולר ב-2003, בהתאמה. ייצור LCD מרוכז ברחבי העולם במזרח הרחוק וצומח במרכז ובמזרח אירופה. חברות אמריקאיות מובילות את הדרך בטכנולוגיית הייצור. התצוגות שלהם עכשיו שולטות בשוק וסביר להניח שזה לא ישתנה בעתיד הקרוב.
פיזיקה של תהליך ההתגבשות
רוב הגבישים הנוזליים, כמו כולסטרול בנזואט, מורכבים ממולקולות בעלות מבנים דמויי מוטות ארוכים. המבנה המיוחד הזה של מולקולות נוזלניתן לשבור גבישים בין שני מסננים מקטבים על ידי הפעלת מתח על האלקטרודות, אלמנט ה-LCD הופך אטום ונשאר כהה. בדרך זו, ניתן להעביר רכיבי תצוגה שונים לצבעים בהירים או כהים, ובכך להציג מספרים או תווים.
שילוב זה של כוחות משיכה הקיימים בין כל המולקולות הקשורות למבנה דמוי מוט גורם להיווצרות פאזה גבישית נוזלית. עם זאת, אינטראקציה זו אינה חזקה מספיק כדי לשמור את המולקולות במקומן לצמיתות. מאז, סוגים רבים ושונים של מבני גביש נוזלי התגלו. חלקם מסודרים בשכבות, אחרים בצורת דיסק או טופס עמודות.
טכנולוגיית LCD
עקרון העבודה של צג גביש נוזלי מבוסס על תכונותיהם של חומרים רגישים לחשמל הנקראים גבישים נוזליים, הזורמים כמו נוזלים אך בעלי מבנה גבישי. במוצקים גבישיים, החלקיקים המרכיבים - אטומים או מולקולות - נמצאים במערכים גיאומטריים, בעוד במצב נוזלי הם חופשיים לנוע באקראי.
מכשיר תצוגת הגביש הנוזלי מורכב ממולקולות, לרוב בצורת מוט, שמתארגנות בכיוון אחד אך עדיין יכולות לנוע. מולקולות גביש נוזלי מגיבותמתח חשמלי שמשנה את הכיוון שלהם ומשנה את המאפיינים האופטיים של החומר. מאפיין זה משמש במסכי LCD.
בממוצע, פאנל כזה מורכב מאלפי רכיבי תמונה ("פיקסלים"), המופעלים בנפרד על ידי מתח. הם דקים יותר, קלים יותר ובעלי מתח הפעלה נמוך יותר מטכנולוגיות תצוגה אחרות והם אידיאליים עבור מכשירים המופעלים על ידי סוללה.
מטריקס פסיבי
ישנם שני סוגים של תצוגות: מטריצה פסיבית ומטריצה אקטיבית. פסיביים נשלטים על ידי שתי אלקטרודות בלבד. הם רצועות ITO שקופות המסתובבות 90 זו לזו. זה יוצר מטריצה צולבת השולטת בכל תא LC בנפרד. הכתובת נעשית על ידי לוגיקה ודרייברים נפרדים מה-LCD הדיגיטלי. מכיוון שאין מטען בתא LC בסוג זה של בקרה, מולקולות הגביש הנוזלי חוזרות בהדרגה למצבן המקורי. לכן, יש לנטר כל תא במרווחי זמן קבועים.
לפאסיביים יש זמן תגובה ארוך יחסית ואינם מתאימים ליישומי טלוויזיה. רצוי שלא מותקנים דרייברים או רכיבי מיתוג כגון טרנזיסטורים על מצע הזכוכית. אובדן בהירות עקב הצללה על ידי אלמנטים אלו אינו מתרחש, ולכן פעולת ה-LCD היא פשוטה מאוד.
Passive נמצאים בשימוש נרחב עם ספרות וסמלים מפולחים לקריאה קטנה במכשירים כגוןמחשבונים, מדפסות ושלטים רחוקים, שרבים מהם מונוכרום או בעלי רק כמה צבעים. מונוכרום פסיבי וצגים גרפיים צבעוניים שימשו במחשבים ניידים מוקדמים ועדיין משמשים כחלופה למטריצה אקטיבית.
תצוגות TFT פעילות
תצוגות מטריקס אקטיביות משתמשות בטרנזיסטור אחד להנעה וקבל לאחסון טעינה. בטכנולוגיית IPS (In Plane Switching), עקרון הפעולה של מחוון גביש נוזלי משתמש בעיצוב שבו האלקטרודות אינן נערמות, אלא ממוקמות אחת ליד השנייה באותו מישור על מצע זכוכית. השדה החשמלי חודר למולקולות LC בצורה אופקית.
הם מיושרים במקביל למשטח המסך, מה שמגדיל מאוד את זווית הצפייה. החיסרון של IPS הוא שכל תא זקוק לשני טרנזיסטורים. זה מקטין את השטח השקוף ודורש תאורה אחורית בהירה יותר. VA (יישור אנכי) ו-MVA (מישור אנכי מרובה דומיינים) משתמשים בגבישים נוזליים מתקדמים שמתיישרים אנכית ללא שדה חשמלי, כלומר בניצב למשטח המסך.
אור מקוטב יכול לעבור אבל נחסם על ידי המקטב הקדמי. לפיכך, תא ללא הפעלה הוא שחור. מכיוון שכל המולקולות, אפילו אלו הממוקמות בקצוות המצע, מיושרות אנכית אחידה, הערך השחור המתקבל גדול מאוד בכל הפינות. בניגוד למטריצה פסיביתלצגי גביש נוזלי, לצגי מטריצה אקטיביים יש טרנזיסטור בכל תת-פיקסל אדום, ירוק וכחול ששומר אותם בעוצמה הרצויה עד שהשורה הזו מטופלת בפריים הבא.
זמן החלפת תאים
זמן התגובה של תצוגות תמיד היה בעיה גדולה. בשל הצמיגות הגבוהה יחסית של הגביש הנוזלי, תאי LCD מתחלפים לאט למדי. בשל התנועות המהירות בתמונה, הדבר מוביל להיווצרות פסים. גביש נוזלי בצמיגות נמוכה ובקרה על תאי גביש נוזלי שונה (הילוך יתר) בדרך כלל פותרים את הבעיות הללו.
זמן התגובה של מכשירי LCD מודרניים הוא כרגע כ-8ms (זמן התגובה המהיר ביותר הוא 1ms) משנה את הבהירות של אזור תמונה מ-10% ל-90%, כאשר 0% ו-100% הם בהירות במצב יציב, ISO 13406 -2 הוא הסכום של זמן המעבר מבהיר לכהה (או להיפך) ולהיפך. עם זאת, עקב תהליך המעבר האסימפטוטי, נדרש זמן מיתוג של <3 אלפיות השנייה כדי למנוע פסים גלויים.
טכנולוגיית Overdrive מפחיתה את זמן ההחלפה של תאי גביש נוזלי. למטרה זו, מופעל זמנית על תא ה-LCD מתח גבוה יותר מהנדרש לערך הבהירות בפועל. בשל גל המתח הקצר של תצוגת הגביש הנוזלי, הגבישים הנוזליים האינרטיים ממש פורצים ממקומם ומתיישרים הרבה יותר מהר. עבור רמת תהליך זו, התמונה חייבת להיות במטמון. יחד עם תוכנן במיוחד עבור הערכים המתאימיםתיקון תצוגה, גובה המתח המתאים תלוי בגמא ונשלט על ידי טבלאות חיפוש ממעבד האותות עבור כל פיקסל, וחשב את הזמן המדויק של מידע התמונה.
מרכיבים עיקריים של מחוונים
הסיבוב בקיטוב האור המיוצר על ידי גביש נוזלי הוא הבסיס לאופן פעולת LCD. יש בעצם שני סוגים של צגי LCD, משדר ומשקף:
- משדר.
- שידור.
פעולת תצוגת LCD בשידור. בצד שמאל, תאורת ה-LCD האחורית פולטת אור לא מקוטב. כאשר הוא עובר דרך המקטב האחורי (מקטב אנכי), האור יהפוך לקוטב אנכי. האור הזה פוגע אז בגביש הנוזלי ויעוות את הקיטוב אם יופעל. לכן, כאשר אור מקוטב אנכית עובר דרך מקטע הגביש הנוזלי ON, הוא הופך למקוטב אופקית.
הבא - המקטב הקדמי יחסום אור מקוטב אופקית. לפיכך, קטע זה ייראה כהה למתבונן. אם קטע הגביש הנוזלי כבוי, הוא לא ישנה את הקיטוב של האור, ולכן הוא יישאר מקוטב אנכית. אז המקטב הקדמי מעביר את האור הזה. צגים אלה, המכונים בדרך כלל צגי LCD עם תאורה אחורית, משתמשים באור הסביבה כמקור שלהם:
- שעון.
- LCD רפלקטיבי.
- בדרך כלל מחשבונים משתמשים בסוג זה של תצוגה.
פלחים חיוביים ושליליים
תמונה חיובית נוצרת על ידי פיקסלים כהים או קטעים על רקע לבן. בהם, המקטבים מאונכים זה לזה. זה אומר שאם המקטב הקדמי הוא אנכי, אז המקטב האחורי יהיה אופקי. אז OFF והרקע יתנו לאור לעבור, ו-ON יחסום אותו. תצוגות אלו משמשות בדרך כלל ביישומים שבהם קיים אור סביבה.
הוא גם מסוגל ליצור צגי מצב מוצק וגבישים נוזליים עם צבעי רקע שונים. תמונה שלילית נוצרת על ידי פיקסלים בהירים או מקטעים על רקע כהה. בהם משולבים המקטבים הקדמיים והאחוריים. המשמעות היא שאם המקטב הקדמי הוא אנכי, גם החלק האחורי יהיה אנכי ולהיפך.
אז מקטעי ה-OFF והרקע חוסמים את האור, וקטעי ה-ON מכניסים את האור החוצה, ויוצרים תצוגה בהירה על רקע כהה. צגי LCD עם תאורה אחורית משתמשים בדרך כלל בסוג זה, המשמש כאשר אור הסביבה חלש. הוא גם מסוגל ליצור צבעי רקע שונים.
זיכרון RAM לתצוגה
DD הוא הזיכרון המאחסן את התווים המוצגים על המסך. כדי להציג 2 שורות של 16 תווים, הכתובות מוגדרות כדלקמן:
| קו | Visible | Invisible |
| Top | 00H 0FH | 10H 27H |
| Low | 40H - 4FH | 50H 67H |
זה מאפשר לך ליצור לכל היותר 8 תווים או 5x7 תווים. ברגע שתווים חדשים נטענים לזיכרון, ניתן לגשת אליהם כאילו היו תווים רגילים המאוחסנים ב-ROM. CG RAM משתמש במילים ברוחב של 8 סיביות, אך רק 5 הסיביות הפחות משמעותיות מופיעות ב-LCD.
אז D4 היא הנקודה השמאלית ביותר ו-D0 הוא המוט מימין. לדוגמה, טעינת בית RAM CG ב-1Fh קוראת לכל הנקודות של הקו הזה.
בקרת מצב סיביות
ישנם שני מצבי תצוגה זמינים: 4-bit ו-8-bit. במצב 8 סיביות, הנתונים נשלחים לתצוגה על ידי פינים D0 עד D7. מחרוזת RS מוגדרת ל-0 או 1, תלוי אם ברצונך לשלוח פקודה או נתונים. יש להגדיר גם את הקו R/W ל-0 כדי לציין את התצוגה שיש לכתוב. נותר לשלוח דופק של לפחות 450 ns לכניסה E כדי לציין שקיימים נתונים חוקיים בפינים D0 עד D7.
התצוגה תקרא נתונים על הקצה הנופל של קלט זה. אם נדרשת קריאה, ההליך זהה, אך הפעם הקו R/W מוגדר ל-1 כדי לבקש קריאה. הנתונים יהיו תקפים בקווים D0-D7 במצב הקו הגבוה.
מצב 4 סיביות. במקרים מסוימים, ייתכן שיהיה צורך להפחית את מספר החוטים המשמשים להנעת התצוגה, כגון כאשר למיקרו-בקר יש מעט מאוד פיני קלט/פלט. במקרה זה, ניתן להשתמש במצב LCD 4 סיביות. במצב זה, לשדרנתונים וקריאתם, נעשה שימוש רק בארבעת הביטים המשמעותיים ביותר (D4 עד D7) של התצוגה.
4 ביטים משמעותיים (D0 עד D3) מחוברים לאחר מכן לאדמה. לאחר מכן, הנתונים נכתבים או נקראים על ידי שליחת ארבעת הסיביות המשמעותיות ביותר ברצף, ואחריהן ארבעת הסיביות הפחות משמעותיות. יש לשלוח דופק חיובי של לפחות 450 ns בקו E כדי לבדוק כל נשנוש.
בשני המצבים, לאחר כל פעולה בתצוגה, אתה יכול לוודא שהוא יכול לעבד את המידע הבא. כדי לעשות זאת, עליך לבקש קריאה במצב פקודה ולבדוק את דגל Busy BF. כאשר BF=0, התצוגה מוכנה לקבל פקודה או נתונים חדשים.
מכשירי מתח דיגיטלי
מחווני גביש נוזלי דיגיטלי עבור בודקים מורכבים משתי יריעות זכוכית דקות, שעל המשטחים הפונים אליהן הוחלו רצועות מוליכות דקות. כשמסתכלים על הזכוכית מימין, או כמעט בזווית ישרה, המסלולים הללו אינם נראים. עם זאת, בזוויות צפייה מסוימות, הם הופכים גלויים.
דיאגרמת מעגלים חשמליים.
הבודק המתואר כאן מורכב מתנד מלבני שיוצר מתח AC סימטרי מושלם ללא כל רכיב DC. רוב מחוללי הלוגיקה אינם מסוגלים לייצר גל ריבועי, הם יוצרים צורות גל ריבועיות שמחזור העבודה שלהן נע סביב 50%. ל-4047 המשמש בבוחן יש פלט סקלרי בינארי המבטיח סימטריה. תדירותמתנד הוא בערך 1 kHz.
זה יכול להיות מופעל על ידי ספק 3-9V. בדרך כלל זה יהיה סוללה, אבל לספק כוח משתנה יש את היתרונות שלו. זה מראה באיזה מתח מחוון המתח הגביש הנוזלי עובד בצורה משביעת רצון, ויש גם קשר ברור בין רמת המתח לזווית שבה התצוגה נראית בבירור. הבוחן שואב לא יותר מ-1 mA.
מתח הבדיקה חייב להיות מחובר תמיד בין המסוף המשותף, כלומר המישור האחורי, לבין אחד המקטעים. אם לא ידוע איזה טרמינל הוא המטוס האחורי, חבר בדיקה אחת של הבוחן לקטע ואת הבדיקה השנייה לכל שאר הטרמינלים עד שהקטע יהיה גלוי.
