Màn hình tinh thể lỏng là một loại hình ảnh được tạo ra bằng điện trên một tấm phẳng mỏng. Màn hình LCD đầu tiên ra đời vào những năm 1970, là những màn hình nhỏ được sử dụng chủ yếu trong máy tính và đồng hồ kỹ thuật số hiển thị các con số màu đen trên nền trắng. LCD có thể được tìm thấy ở khắp mọi nơi trong hệ thống điện tử gia dụng, điện thoại di động, máy ảnh và màn hình máy tính, cũng như đồng hồ và TV. TV màn hình phẳng LCD hiện đại ngày nay đã thay thế phần lớn các CRT cồng kềnh truyền thống trên TV và có thể tạo ra hình ảnh màu có độ phân giải cao lên đến 108 inch theo đường chéo của màn hình.
Lịch sử của tinh thể lỏng
Tinh thể lỏng được phát hiện một cách tình cờ vào năm 1888 bởi nhà thực vật học F. Reinitzer đến từ Áo. Ông phát hiện ra rằng cholesteryl benzoate có hai điểm nóng chảy, biến thành chất lỏng đục ở 145 ° C, và ở nhiệt độ trên 178,5 ° C, chất lỏng trở nên trong suốt. Đếntìm lời giải thích cho hiện tượng này, ông đưa các mẫu vật của mình cho nhà vật lý Otto Lehmann. Sử dụng kính hiển vi được trang bị hệ thống sưởi theo từng bước, Lehman đã chỉ ra rằng chất này có các đặc tính quang học đặc trưng của một số tinh thể, nhưng vẫn là chất lỏng, và do đó thuật ngữ "tinh thể lỏng" đã được đặt ra.
Trong những năm 1920 và 1930, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ảnh hưởng của trường điện từ lên các tinh thể lỏng. Năm 1929, nhà vật lý người Nga Vsevolod Frederiks đã chỉ ra rằng các phân tử của chúng trong một màng mỏng được kẹp giữa hai tấm đã thay đổi sự liên kết của chúng khi có từ trường tác dụng. Nó là tiền thân của màn hình tinh thể lỏng điện áp hiện đại. Tốc độ phát triển công nghệ kể từ đầu những năm 1990 diễn ra nhanh chóng và tiếp tục phát triển.
Công nghệLCD đã phát triển từ màu đen và trắng cho đồng hồ và máy tính đơn giản thành nhiều màu cho điện thoại di động, màn hình máy tính và TV. Thị trường LCD toàn cầu hiện đạt 100 tỷ USD mỗi năm, tăng lần lượt từ 60 tỷ USD năm 2005 và 24 tỷ USD năm 2003. Sản xuất LCD trên toàn cầu tập trung ở Viễn Đông và đang phát triển ở Trung và Đông Âu. Các công ty Mỹ dẫn đầu về công nghệ sản xuất. Màn hình của họ hiện đang chiếm lĩnh thị trường và điều này khó có thể thay đổi trong tương lai gần.
Vật lý của quá trình kết tinh
Hầu hết các tinh thể lỏng, chẳng hạn như cholesteryl benzoate, được tạo thành từ các phân tử có cấu trúc hình que dài. Cấu trúc đặc biệt này của các phân tử chất lỏngCác tinh thể giữa hai bộ lọc phân cực có thể bị phá vỡ bằng cách đặt điện áp vào các điện cực, phần tử LCD trở nên mờ đục và vẫn tối. Bằng cách này, các phần tử hiển thị khác nhau có thể được chuyển sang màu sáng hoặc tối, do đó hiển thị số hoặc ký tự.
Sự kết hợp của các lực hấp dẫn tồn tại giữa tất cả các phân tử liên kết với cấu trúc dạng que gây ra sự hình thành pha tinh thể lỏng. Tuy nhiên, sự tương tác này không đủ mạnh để giữ các phân tử tại chỗ vĩnh viễn. Kể từ đó, nhiều dạng cấu trúc tinh thể lỏng khác nhau đã được phát hiện. Một số trong số chúng được sắp xếp theo lớp, số khác ở dạng đĩa hoặc dạng cột.
công nghệ LCD
Nguyên lý hoạt động của màn hình tinh thể lỏng dựa trên đặc tính của vật liệu nhạy cảm với điện được gọi là tinh thể lỏng, chảy như chất lỏng nhưng có cấu trúc tinh thể. Trong chất rắn kết tinh, các hạt cấu thành - nguyên tử hoặc phân tử - nằm trong các mảng hình học, trong khi ở trạng thái lỏng, chúng tự do chuyển động xung quanh một cách ngẫu nhiên.
Thiết bị hiển thị tinh thể lỏng bao gồm các phân tử, thường có dạng hình que, tổ chức theo một hướng nhưng vẫn có thể chuyển động. Các phân tử tinh thể lỏng phản ứng vớimột hiệu điện thế làm thay đổi hướng của chúng và thay đổi các đặc tính quang học của vật liệu. Thuộc tính này được sử dụng trên màn hình LCD.
Trung bình, một bảng điều khiển như vậy bao gồm hàng nghìn phần tử hình ảnh (“pixel”), được cấp nguồn riêng bởi điện áp. Chúng mỏng hơn, nhẹ hơn và có điện áp hoạt động thấp hơn so với các công nghệ màn hình khác và lý tưởng cho các thiết bị chạy bằng pin.
Ma trận bị động
Có hai kiểu hiển thị: ma trận thụ động và chủ động. Những cái thụ động chỉ được điều khiển bởi hai điện cực. Chúng là những dải ITO trong suốt xoay 90 vào nhau. Điều này tạo ra một ma trận chéo kiểm soát từng ô LC riêng lẻ. Việc định địa chỉ được thực hiện bằng logic và các trình điều khiển tách biệt với màn hình LCD kỹ thuật số. Vì không có điện tích trong ô LC trong kiểu điều khiển này, các phân tử tinh thể lỏng dần trở lại trạng thái ban đầu. Do đó, mỗi ô phải được theo dõi đều đặn.
Passives có thời gian phản hồi tương đối lâu và không thích hợp cho các ứng dụng truyền hình. Tốt hơn là không có trình điều khiển hoặc các thành phần chuyển đổi như bóng bán dẫn được gắn trên đế thủy tinh. Không xảy ra hiện tượng mất sáng do che bóng bởi các yếu tố này, vì vậy hoạt động của màn hình LCD rất đơn giản.
Bị động được sử dụng rộng rãi với các chữ số và ký hiệu được phân đoạn để đọc nhỏ trong các thiết bị nhưmáy tính, máy in và điều khiển từ xa, nhiều trong số đó là đơn sắc hoặc chỉ có một vài màu. Màn hình đơn sắc và đồ họa màu thụ động đã được sử dụng trong các máy tính xách tay thời kỳ đầu và vẫn được sử dụng như một giải pháp thay thế cho ma trận hoạt động.
Màn hình TFT hoạt động
Hiển thị ma trận hoạt động, mỗi màn hình sử dụng một bóng bán dẫn để điều khiển và một tụ điện để lưu trữ điện tích. Trong công nghệ IPS (In Plane Switching), nguyên tắc hoạt động của chỉ thị tinh thể lỏng sử dụng thiết kế mà các điện cực không xếp chồng lên nhau mà nằm cạnh nhau trong cùng một mặt phẳng trên một đế thủy tinh. Điện trường xuyên qua các phân tử LC theo phương ngang.
Chúng được căn chỉnh song song với bề mặt màn hình, giúp tăng góc nhìn đáng kể. Nhược điểm của IPS là mỗi ô cần hai bóng bán dẫn. Điều này làm giảm diện tích trong suốt và yêu cầu đèn nền sáng hơn. VA (Căn chỉnh theo chiều dọc) và MVA (Căn chỉnh theo chiều dọc nhiều miền) sử dụng các tinh thể lỏng tiên tiến sắp xếp theo chiều dọc mà không có điện trường, tức là vuông góc với bề mặt màn hình.
Ánh sáng phân cực có thể đi qua nhưng bị chắn bởi tấm phân cực phía trước. Do đó, một ô không được kích hoạt có màu đen. Vì tất cả các phân tử, ngay cả những phân tử nằm ở các cạnh của chất nền, đều được căn chỉnh đồng đều theo chiều dọc, do đó giá trị màu đen thu được là rất lớn ở tất cả các góc. Không giống như ma trận thụ độngmàn hình tinh thể lỏng, màn hình ma trận hoạt động có một bóng bán dẫn trong mỗi pixel phụ màu đỏ, xanh lục và xanh lam giúp giữ chúng ở cường độ mong muốn cho đến khi hàng đó được giải quyết trong khung tiếp theo.
Thời gian chuyển đổi ô
Thời gian phản hồi của màn hình luôn là một vấn đề lớn. Do độ nhớt tương đối cao của tinh thể lỏng, các tế bào LCD chuyển đổi khá chậm. Do các chuyển động nhanh trong hình ảnh, điều này dẫn đến sự hình thành các sọc. Tinh thể lỏng có độ nhớt thấp và điều khiển tế bào tinh thể lỏng được sửa đổi (chạy quá tốc) thường giải quyết được những vấn đề này.
Thời gian phản hồi của màn hình LCD hiện đại hiện nay là khoảng 8ms (thời gian phản hồi nhanh nhất là 1ms) thay đổi độ sáng của vùng hình ảnh từ 10% đến 90%, trong đó 0% và 100% là độ sáng trạng thái ổn định, ISO 13406 -2 là tổng thời gian chuyển từ sáng sang tối (hoặc ngược lại) và ngược lại. Tuy nhiên, do quá trình chuyển mạch tiệm cận, thời gian chuyển mạch là <3 ms được yêu cầu để tránh các dải có thể nhìn thấy.
Công nghệOverdrive giúp giảm thời gian chuyển mạch của các tế bào tinh thể lỏng. Vì mục đích này, tạm thời áp dụng điện áp cao hơn cho ô LCD so với mức cần thiết đối với giá trị độ sáng thực tế. Do sự tăng điện áp ngắn của màn hình tinh thể lỏng, các tinh thể lỏng trơ theo nghĩa đen sẽ thoát ra khỏi vị trí của chúng và san lấp mặt bằng nhanh hơn nhiều. Đối với mức quy trình này, hình ảnh phải được lưu vào bộ nhớ đệm. Cùng với thiết kế đặc biệt cho các giá trị tương ứnghiệu chỉnh màn hình, độ cao điện áp tương ứng phụ thuộc vào gamma và được điều khiển bởi các bảng tra cứu từ bộ xử lý tín hiệu cho từng pixel và tính toán thời gian chính xác của thông tin hình ảnh.
Thành phần chính của chỉ số
Sự quay trong sự phân cực của ánh sáng do tinh thể lỏng tạo ra là cơ sở cho cách thức hoạt động của màn hình LCD. Về cơ bản có hai loại LCD, Transmissive và Reflective:
- Truyền.
- Truyền.
Màn hình LCD truyền hoạt động. Ở phía bên trái, đèn nền LCD phát ra ánh sáng không phân cực. Khi nó đi qua bộ phân cực phía sau (bộ phân cực dọc), ánh sáng sẽ trở nên phân cực theo phương thẳng đứng. Sau đó, ánh sáng này chạm vào tinh thể lỏng và sẽ làm xoắn phân cực nếu được bật lên. Do đó, khi ánh sáng phân cực theo chiều dọc đi qua đoạn tinh thể lỏng ON, nó sẽ trở thành phân cực theo chiều ngang.
Tiếp theo - tấm phân cực phía trước sẽ chặn ánh sáng phân cực theo chiều ngang. Do đó, phân đoạn này sẽ xuất hiện tối đối với người quan sát. Nếu đoạn tinh thể lỏng bị tắt, nó sẽ không làm thay đổi sự phân cực của ánh sáng, vì vậy nó sẽ vẫn phân cực theo phương thẳng đứng. Vì vậy, bộ phân cực phía trước truyền ánh sáng này. Những màn hình này, thường được gọi là LCD có đèn nền, sử dụng ánh sáng xung quanh làm nguồn của chúng:
- Đồng hồ.
- LCD phản quang.
- Thông thường máy tính sử dụng kiểu hiển thị này.
Phân đoạn tích cực và tiêu cực
Hình ảnh dương bản được tạo bởi các pixel hoặc đoạn tối trên nền trắng. Trong chúng, các bản phân cực vuông góc với nhau. Điều này có nghĩa là nếu bộ phân cực phía trước là thẳng đứng, thì bộ phân cực phía sau sẽ nằm ngang. Vì vậy TẮT và nền sẽ cho ánh sáng đi qua, và BẬT sẽ chặn nó. Những màn hình này thường được sử dụng trong các ứng dụng có ánh sáng xung quanh.
Nó cũng có khả năng tạo ra các màn hình tinh thể lỏng và trạng thái rắn với các màu nền khác nhau. Hình ảnh âm bản được tạo ra bởi các pixel sáng hoặc các phân đoạn trên nền tối. Trong chúng, các phân cực phía trước và phía sau được kết hợp. Điều này có nghĩa là nếu phân cực phía trước thẳng đứng, thì mặt sau cũng sẽ thẳng đứng và ngược lại.
Vì vậy, các phân đoạn TẮT và nền sẽ chặn ánh sáng, và các phân đoạn BẬT cho ánh sáng đi qua, tạo ra màn hình sáng trên nền tối. Màn hình LCD có đèn nền thường sử dụng loại này, được sử dụng khi ánh sáng xung quanh yếu. Nó cũng có khả năng tạo ra các màu nền khác nhau.
Hiển thị bộ nhớ RAM
DD là bộ nhớ lưu các ký tự hiển thị trên màn hình. Để hiển thị 2 dòng gồm 16 ký tự, địa chỉ được xác định như sau:
| Dòng | Hiển thị | Vô hình |
| Đầu | 00H 0FH | 10H 27H |
| Thấp | 40H - 4FH | 50H 67H |
Nó cho phép bạn tạo tối đa 8 ký tự hoặc 5x7 ký tự. Khi các ký tự mới được tải vào bộ nhớ, chúng có thể được truy cập như thể chúng là các ký tự bình thường được lưu trữ trong ROM. CG RAM sử dụng các từ rộng 8 bit, nhưng chỉ 5 bit ít quan trọng nhất xuất hiện trên màn hình LCD.
Vì vậy, D4 là điểm ngoài cùng bên trái và D0 là điểm cực bên phải. Ví dụ: tải CG byte RAM ở 1Fh gọi tất cả các dấu chấm của dòng này.
Điều khiển chế độ bit
Có sẵn hai chế độ hiển thị: 4-bit và 8-bit. Ở chế độ 8-bit, dữ liệu được gửi đến màn hình bằng các chân D0 đến D7. Chuỗi RS được đặt thành 0 hoặc 1, tùy thuộc vào việc bạn muốn gửi lệnh hay dữ liệu. Dòng R / W cũng phải được đặt thành 0 để cho biết màn hình được ghi. Nó vẫn phải gửi một xung ít nhất 450 ns đến đầu vào E để chỉ ra rằng dữ liệu hợp lệ có trên các chân D0 đến D7.
Màn hình sẽ đọc dữ liệu trên mép dưới của đầu vào này. Nếu yêu cầu đọc, quy trình sẽ giống hệt nhau, nhưng lần này dòng R / W được đặt thành 1 để yêu cầu đọc. Dữ liệu sẽ hợp lệ trên các dòng D0-D7 ở trạng thái dòng cao.
Chế độ 4-bit. Trong một số trường hợp, có thể cần giảm số lượng dây được sử dụng để điều khiển màn hình, chẳng hạn như khi bộ vi điều khiển có rất ít chân I / O. Trong trường hợp này, có thể sử dụng chế độ LCD 4 bit. Trong chế độ này, để truyềnvà đọc dữ liệu, chỉ 4 bit quan trọng nhất (D4 đến D7) của màn hình được sử dụng.
4 bit quan trọng (D0 đến D3) sau đó được kết nối với mặt đất. Dữ liệu sau đó được ghi hoặc đọc bằng cách gửi bốn bit quan trọng nhất theo thứ tự, tiếp theo là bốn bit ít quan trọng nhất. Một xung tích cực ít nhất 450 ns phải được gửi trên đường E để kiểm tra từng ngòi.
Trong cả hai chế độ, sau mỗi hành động trên màn hình, bạn có thể đảm bảo rằng nó có thể xử lý thông tin sau. Để thực hiện việc này, bạn cần yêu cầu đọc trong chế độ lệnh và kiểm tra cờ BF Bận. Khi BF=0, màn hình sẵn sàng chấp nhận lệnh hoặc dữ liệu mới.
Thiết bị điện áp kỹ thuật số
Chỉ thị tinh thể lỏng kỹ thuật số dành cho người thử nghiệm bao gồm hai tấm kính mỏng, trên bề mặt có các rãnh dẫn điện mỏng được áp dụng. Khi kính được quan sát từ bên phải hoặc gần như ở một góc vuông, các vết này sẽ không thể nhìn thấy được. Tuy nhiên, ở một số góc nhìn nhất định, chúng có thể nhìn thấy được.
Sơ đồ mạch điện.
Bộ thử được mô tả ở đây bao gồm một bộ dao động hình chữ nhật tạo ra điện áp xoay chiều đối xứng hoàn hảo mà không có bất kỳ thành phần DC nào. Hầu hết các bộ tạo logic không có khả năng tạo ra sóng vuông, chúng tạo ra các dạng sóng vuông có chu kỳ nhiệm vụ dao động khoảng 50%. 4047 được sử dụng trong trình thử nghiệm có đầu ra vô hướng nhị phân đảm bảo tính đối xứng. Tính thường xuyêndao động khoảng 1 kHz.
Nó có thể được cấp nguồn từ nguồn 3-9V. Thông thường nó sẽ là pin, nhưng nguồn điện thay đổi có những ưu điểm của nó. Nó cho thấy ở điện áp nào mà tinh thể lỏng chỉ thị điện áp hoạt động tốt và cũng có mối quan hệ rõ ràng giữa mức điện áp và góc mà màn hình hiển thị rõ ràng. Người thử nghiệm rút ra không quá 1 mA.
Điện áp thử nghiệm phải luôn được kết nối giữa đầu nối chung, tức là mặt phẳng phía sau và một trong các phân đoạn. Nếu không biết thiết bị đầu cuối nào là bảng nối đa năng, hãy kết nối một đầu dò của người thử nghiệm với phân đoạn và đầu dò kia với tất cả các thiết bị đầu cuối khác cho đến khi phân đoạn hiển thị.
