Название : Справочник - Знакосинтезирующие индикаторы.
Приведены подробные справочные данные о серийно выпускаемых типах индикаторов: электролюминесцснтных, вакуумных люминесцентных, вакуумных накаливаемых, полупроводниковых, газоразрядных, жидкокристаллических. Кратко описаны физические процессы, принципы конструирования, параметры и характеристики, области применения. Рассмотрены схемы управления.
Содержание.
Предисловие редактора. 8
Введение. 10
ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1. Классификация и условные обозначения знакосинтезирующих индикаторов.
1.1. Классификация. 13
1 2. Условные обозначения. 16
1.3. Основные светотехнические параметры знакосинтезирующих индикаторов.
2. Вакуумные люминесцентные и никаливаемые знакосинтезирующие индикаторы. 27
2.1. Физический принцип действия вакуумных люминесцентных индикаторов.
2.2. Конструктивные особенности вакуумных люминесцентных индикаторов. 28
2.3. Принцип действия и управления вакуумных люминесцентных индикаторов.
2.4. Типы вакуумных люминесцентных индикаторов и их основные параметры.
2.5. Области применения вакуумных люминесцентных индикаторов. 32
2.6. Вакуумные накаливаемые знакосинтезирующие индикаторы. 33
3. Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 35
3.1. Физический принцип действия. 35
3.2. Конструктивные особенности. 43
3.3. Принцип управления. 45
3.4. Основные параметры. 49
3.5. Области применения и перспективы развития. 49
4. Жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы. 50
4.1 Электрооптические эффекты в жидких кристаллах, используемые в индикаторах. 50
4.2. Особенности конструкции жидкокристаллических индикаторов. 55
4.3. Принципы управления. 57
5. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 60
5.1. Физический принцип действия. 60
5.2. Основные материалы. 62
5.3. Конструктивные особенности. 64
5.4. Управление индикаторами. 65
5.5. Перспективы развития. 68
6. Электролюминесцентные знакоситезирующие индикаторы. 69
6.1. Физический принцип действия. 69
6.2. Конструктивные особенности. 71
6.3. Типы электролюминесцентных индикаторов и их основные параметры. 73
6.4. Области применения. 74
7. Методика оценки эффективности применения знакосинтезирующих индикаторов в средствах отображения информации.
76
7.1. Основы методики. 76
7.2. Алгоритмы оценки эффективности применения знакосинтезирующих индикаторов в средствах отображения информации. 83
8. Рекомендации по применению и эксплуатации. 85
8.1. Выбор знакосинтезирующих индикаторов. 85
8.2. Эксплуатация знакосинтезирующих индикаторов. 135
ЧАСТЬ II. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ИНДИКАТОРОВ И СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ.
Общие сведения. 137
Условные обозначения параметров. 137
Единичные знакосинтезирующие индикаторы. 140
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 140
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 152
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 156
Электролюминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 175
Цифровые знакосинтезирующие индикаторы. 179
Цифровые одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 179
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 179
Вакуумные накаливаемые знакосинтезирующие индикаторы. 197
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 210
Жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы. 213
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 215
Электролюминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 276
Цифровые многоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 278
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 278
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 312
Жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы. 317
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 351
Буквенно-цифровые знакосинтезирующие индикаторы. 355
Вакуумные люминесцентные одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы.
Газоразрядные одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 382
Жидкокристаллические одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 388
Полупроводниковые одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 390
Электролюминесцентные одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 407
Газоразрядные многоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 412
Шкальные знакосинтезирующие индикаторы. 425
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 425
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 428
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 435
Электролюминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 56
Мнемонические знакосинтезирующие индикаторы. 459
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 459
Жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы. 463
Электролюминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 479
Графические знакосинтезирующие индикаторы. 488
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 488
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 497
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 543
Электролюминесцентные знакоснинтезирующие индикаторы. 554
Интегральные схемы управления знакосинтезирующими индикаторами. 560
Список литературы.
Классификация знакосинтезирующих индикаторов .
В настоящее время принята классификация ЗСИ по следующим признакам: виду отображаемой информации; виду элементов отображения информации и способу формирования информационного поля; расстоянию наблюдения и числу наблюдателей; помехоустойчивости; привычности начертания знаков; числу знакомест; способу преобразования энергии; физическому принципу, положенному в основу работы; конструктивному оформлению; материалу корпуса; значению питающего напряжения; виду питающего напряжения (тока); числу элементов; способу управления.
По виду информации, для отображения которой ЗСИ предназначены, они делятся на: единичные - для отображения информации в виде точки, круга, квадрата, прямоугольника или другой простой геометрической фигуры; цифровые - для отображения информации в виде цифр; буквенно-цифровые - для отображения информации в виде букв различных алфавитов, цифр, знаков препинания, математических и других специальных знаков и символов; шкальные - для отображения информации в виде уровней или значений величин, дискретных, аналоговых и дискретно-аналоговых шкал или их частей как оцифрованных, так и неоцифрованных; мнемонические - для отображения информации в виде мнемосхем или их частей; графические - для отображения информации в виде букв различных алфавитов, цифр, знаков препинания, математических и других специальных знаков и символов, графиков и другой сложной информации, в том числе и телевизионной.
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Справочник - Знакосинтезирующие индикаторы - Вуколов Н.И., Михайлов А.Н. - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
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.
В статье подробно разбирается принцип действия и конструктивные модификации жидкокристаллических индикаторов, а также способы управления ЖКИ.
Принцип действия и конструктивные модификации жидкокристаллических индикаторов
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет.Они обладают рядом достоинств, к числу которых относятся:малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист-эффекта удельная мощность потребления несколько единиц мкВт/см 2); низкие рабочие напряжения (1,5...5 В) и хорошая совместимостьКМОП-микросхемам; 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 и необходимость внешнего освещения. Жидкие кристаллы (ЖК) называют также анизотропными жидкостями, электрические и оптические свойства которых зависят от направления их наблюдения. Плотность ЖК близка к плотности воды и незначительно отличается от единицы. Жидкие кристаллы - диамагнитный материал; ЖК выталкиваются из магнитного поля; ЖК относятся к диэлектрикам; удельное сопротивление составляет 10 6 ... 10 10 Ом · см и зависит от наличия и концентрации проводящих примесей. Теплопроводность ЖК в направлении вдоль молекул отличается от теплопроводности в поперечном по отношению к молекулам направлении. Вследствие анизотропии электрических и оптических свойств 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 - X).
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 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 задний электрод изготовлен в виде зеркала; на соответствующую пластину наносится прозрачная, проводящая, отражающая свет пленка (например, пленка алюминия, никеля, золота). Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).Конфигурация электродов индикатора определяется либо формой исходных стеклянных пластин, либо технологией металлизации. Как правило, пластины и электроды плоские, но в ряде приборов внутренняя поверхность задней пластины имеет сложную форму, образующую ряд оптических элементов, обеспечивающих отражение излучения в направлении источника света. В ЖКИ, работающем на основе ДР, при приложении электрического поля напряженностью 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. п. Заднюю стеклянную пластину индикатора чернят, тогда на черном фоне возникает белое изображение. В 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 свет в индикаторе следует за вращением молекул и на выходе индикатора плоскость его поляризации оказывается повернутой на 90°; 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 слабо окрашенном 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 пропускаетпри подаче напряжения.
Опыт практического применения ЖКИ на эффекте ДР и ТЭ выявил достоинства индикаторов этих типов, показал их конкурентоспособность с другими классами индикаторов. К числу достоинств таких ЖКИ относится высокая эффективность.
Индикаторы на эффекте ДР характеризуются уровнем потребляемой мощности 5...10 мкВт/см 2 для постоянного тока (0,5 ...1,0 мкА/см 2) и 50...200 мкВт/см 2 для переменного тока (2... 10 мкА/см 2). Для индикаторов на основе ТЭ удельная потребляемая мощность составляет не более 20 мкВт/см 2 (менее 2 мкА/см 2). По экономичности ЖКИ намного превосходят современные светоизлучающие диоды. К достоинствам ЖКИ на эффекте ДР и ТЭ можно отнести способность сохранять и увеличивать контраст изображения при повышении уровня внешней освещенности, прямую совместимость с КМОП-микросхемами, обеспечивающую возможность низковольтного управления ЖКИ-рабочее напряжение ЖКИ на эффекте ДР не превышает 20, а на ТЭ - 5 В. Они имеют удобное конструктивное оформление. Индикаторы плоские; толщина индикатора практически определяется толщиной двух стекол и может составлять 0,6 ...0,8 мм. Велика их долговечность - при эксплуатации на переменном токе - более 40 тыс. ч. Вместе с тем ЖКИ характеризуются сравнительно низким быстродействием (десятки миллисекунд, особенно при пониженной температуре) и явно выраженной зависимостью параметров от температуры окружающей среды.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 индикаторах на эффекте Г-Х тонкий слой ЖК-«хозяина» взаимодействует с молекулами «гостя». 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.
Жидкокристаллические индикаторы, предназначенные для работы в условиях низкой освещенности (менее 35 кд/м 2) работают с подсветкой. Для подсветки используются лампы накаливания со средней мощностью примерно 0,5 Вт для знака высотой 2,5 см. Подсветка может быть создана различными способами, например с использованием лампы накаливания, свет которой проходит через жалюзи, что обеспечивает удобство наблюдения изображения в направлении, перпендикулярном поверхности индикации. Для увеличения угла обзора можно использовать две лампы накаливания. Сверхминиатюрную лампу накаливания можно встроить непосредственно между пластинами ЖК. Для повышения механической прочности ЖКИ изготовляют с металлическими крышками, которые закрывают заднюю стеклянную пластину, слой ЖК и герметически соединяются с лицевой пластиной. Такое конструктивное решение повышает влагостойкость индикатора. Для этого же ЖКИ размещают в пластмассовых корпусах.
Управление жидкокристаллическими индикаторами
Способы управления индикаторными панелями (ИП) на основе ЖК материалов определяются особенностями их физических свойств. Так, долговечность ЖКИ, работающего на постоянном токе, примерно на порядок ниже, чем при использовании переменного напряжения. Снижение долговечности в варианте постоянного тока обусловлено миграцией примесей к отражающему электроду под воздействием постоянной составляющей управляющего сигнала, в результате-падает контрастность и растет напряжение возбуждения. Предпочтительным оказывается возбуждение ЖКИ переменным током. в этом случае на электроды передней и задней пластин подаются импульсы напряжения прямоугольной формы одинаковой полярности, но сдвинутые по фазе так, что управляющее напряжение представляет собой биполярный сигнал, не имеющий постоянной составляющей. Для ЖК материалов характерна заметная инерционность при возбуждении и снятии возбуждения. Ячейка включается с запаздыванием на 10...20мс (время реакции) по отношению к фронту возбуждающего импульса, а время выключения (время релаксации) примерно на порядок превышает время включения. Известны различные способы уменьшения времени выключения ЖК ячеек. Можно после снятия напряжения возбуждения через несколько миллисекунд подать на ячейку короткий импульс относительно большой амплитуды. При этом ускоряется процесс нейтрализации ионов, накопленных в ЖК за время действия управляющего импульса, дипольные моменты молекул ЖК ориентируются параллельно вектору напряженности электрического поля. И рассеяние света быстро прекращается. Несмотря на простоту, этот способ неудобен, так как требует использования устройства генерирования импульсов высокого напряжения. При возбуждении ячейки переменным напряжением после прекращения возбуждающего напряжения можно подать сигнал частотой 10...40 кГц в течение нескольких миллисекунд; за это время ячейка гаснет. Время выключения (релаксации) сокращается до 5... 10 мс. Возбуждение ЖКИ может осуществляться частотным или фазовым способом. Частотный способ иллюстрируется схемой, показанной на рис. 1.
Она состоит из инвертора, двух вентилей (1 и 2) с двумя входами и транзисторного ключа. К коллектору транзистора приложено постоянное напряжение, равное удвоенной амплитуде переменного напряжения возбуждения (40 В). На вход одного из вентилей подано переменное напряжение частоты 30...500 Гц, на вход другого-напряжение частоты 10...40 кГц. С коллектора транзистора на сегмент индикатора подаются импульсы прямоугольной формы соответствующей частоты амплитудой 40 В. На общий электрод индикатора подается постоянное напряжение для компенсации постоянной составляющей возбуждающего сигнала. При подаче управляющего сигнала, соответствующего режиму включения сегмента индикатора на выходе вентиля 1 формируется положительный сигнал, переключающий транзистор с частотой возбуждения 30... 500 Гц. Сигнал на выходе вентиля 2 в это время отсутствует. При изменении полярности управляющего сигнала на выходе вентиля 2 возникает сигнал гашения сегмента с частотой 10...400 кГц. Устройство управления (без формирователей) удобно выполнять на комплементарных МДП-схемах серии К176.
Фазовый метод (рис. 2) предусматривает подачу на входы вентилей импульсов напряжения с частотой 15... 25 Гц, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 180°. В зависимости от уровня управляющего сигнала на сег-мент с выхода формирователя подаются напряжения различных фаз. Сегмент не возбуждается при совпадении фаз на электродах ЖКИ; возбуждение происходит при различных фазах. По сравнению с частотным фазовый метод позволяет вдвое снизить напряжение питания, однако при этом не удается сократить время включения ЖКИ. При использовании фазового метода информацию можно выводить до 5 раз в секунду, это достаточно для цифровых приборов, калькуляторов, электронных часов. При более высоких частотах смены информации, например при динамическом принципе индикации, целесообразно использовать частотный метод управления. Управление многоразрядными ЖКИ может осуществляться в статическом или динамическом режиме. Структурная схема управления индикатором в статическом режиме показана на рис. 3. Каждое знакоместо индикатора З 1 -З n подключено к регистру оперативной памяти Роп.
Каждая кодовая комбинация регистра преобразуется в сегментный код индикатора дешифраторами управления ДУ, с выхода которых информация в коде индикатора через ключи блока формирователей БФ используется для коммутации питания сегментов индикатора. Для этого устройства управления характерно полное использование контраста знакоместа, так как время возбуждения свечения равно длительности цикла индикации. Недостаток схемы -необходимость иметь для каждого знакоместа свой дешифратор и формирователь для каждого сегмента. Число внутрисхемных соединений велико, оно равно произведению числа выходов на один цифровой разряд на число цифровых разрядов. При динамическом управлении (рис.4) пространственно разделенные разряды работают последовательно во времени.
Возможны два типа управления - с последовательной выборкой знакоместа и с последовательной выборкой цифры. В первом случае распределитель знакомест Рзм последовательно через формирователи ф 1 -ф n возбуждает знакоместа десятичных разрядов З 1 -З n , на которые синхронно с помощью коммутатора К, управляемого Рзм и дешифратором цифр ДШц, с регистра памяти подается информация, подлежащая индикации. Такт распределителя Тр=n tр, где Тр-время возбуждения одного разряда, a n-число разрядов. Частота распределителя fp=1/Tp=1/(n tp) должна быть выше или равной некоторой критической частоты fкр, при которой мерцание разрядов незаметно, т. е. fp= nf кp. При последовательной выборке, цифры дешифратор цифр ДШц последовательно и синхронно с генератором фазоимпульсных констант ГФК синтезирует цифры от 0 до 9 параллельно на всех знакоместах З 1 -З n . Информация от регистра памяти в фазоимпульсном десятичном коде подается через формирователи ф 1 -ф n на общий электрод знакомест. Цифра высвечивается момент совпадения информации регистра с синтезируемой цифрой. Устройство не имеет ограничений по числу разрядов, однако работает при постоянной скважности 10 (десять цифр 0 ... 9), что ограничивает возможности ее использования применительно к ЖКИ с малым контрастом. Основные параметры ЖКИ: контрастность К и пропускание, пороговое напряжение Uпop, управляющее напряжение Uynp, время включения (реакция) Твкл, время выключения (релаксации) Твыкл. (Отношение интенсивности света, выходящего из ячейки называется пропусканием, если наблюдение ведется в направлении навстречу входящему лучу и контрастностью во всех других случаях.) Для ДР ячеек контраст составляет от 15:1 до 100:1, пропускание-минумум 20:1. Для ячеек на основе ТЭ контрастность и пропускание-от 40:1 до 100:1.
Значения порогового и управляющего напряжений определяются по коэффициенту рассеяния света в ячейке Кр.
Пороговое напряжение Unop соответствует значению Кр==0,05. Управляющее напряжение Uynp-значению Кр=0,5. Значение Unop для индикатора, использующего эффект ДР, увеличивается 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 Твкл определяется как время, в течение которого контрастность достигает 90% установившегося значения, а время выключения Твыкл-как время уменьшения контрастности от 90 до 10% установившегося значения.
Долговечность жидкокристаллических индикаторов
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 жидкокристаллическое вещество (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 объеме ЖКВ, образуются пузырьки газов, визуально воспринимаемые как черные точки. Электроды индикатора (проводящие пленки) теряют свою прозрачность, и сегменты становятся видимыми в отсутствие напряжения возбуждения. В результате старения нарушается ориентация молекул ЖКВ и растет ток, потребляемый индикатором. В процессе эксплуатации ЖКВ потребляемый ток может расти за счет проникновения влаги через слой герметика. Влага разрушает ЖКВ. Особенно опасно сочетание влаги с воздействием высокой температуры. 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.
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) управляют отражением и пропусканием света для создания изображений цифр, букв, символов и т.д. В отличии от светодиодов (Light-Emitting Diodes, LEDs), жидкокристаллические индикаторы не излучают свет.
Основу ЖКИ составляют жидкие кристаллы (ЖК), молекулы которых упорядоченны послойно определенным образом между двумя стеклянными пластинами. В каждом слое сигарообразные молекулы ЖК выстраиваются в одном направлении, их оси становятся параллельны (рис.1).
рис. 1
Один слой молекул ЖК. Все молекулы параллельны друг другу.
Стеклянные пластины имеют специальное покрытие, такое что направленность молекул в двух крайних слоях перпендикулярна. Ориентация каждого слоя ЖК плавно изменяется от верхнего к нижнему слою, формируя спираль (рис.2). Эта спираль "скручивает" поляризацию света по мере его прохождения через дисплей.
рис. 2
Несколько слоев молекул ЖК, упорядоченные так,
что поляризованный свет "скручивается", проходя через них.
Молекулы в разных слоях выстраиваются по спирали.
Под действием электрического поля молекулы ЖК переориентируются параллельно полю. Этот процесс называется твист-нематическим полевым эффектом (twisted nematic field effect, TNFE). При такой ориентации поляризация света не скручивается при прохождении через слой ЖК (рис. 3а и 3б). Если передний поляризатор ориентирован перпендикулярно заднему, свет пройдет через включенный дисплей, но заблокируется задним поляризатором. В этом случае ЖКИ действует как заслонка свету.
Отображение различных символов достигается избирательным травлением проводящей поверхности, предварительно созданной на стекле. Не вытравленные области становятся символами, а вытравленные - фоном дисплея.
рис. 3а
"Выключенное" состояние ЖКИ.
ЖК молекулы формируют спираль, скручивая поляризацию света.
рис. 3б
"Включенное" состояние.
Электрическое поле переориентирует ЖК молекулы так
что они не изменяют поляризацию света.
Символы создаются из одного или нескольких сегментов. Каждый сегмент может быть адресован (запитан) идивидуально, чтобы создать отдельное электрическое поле. Таким образом прохождение света управляется электрически, включая и отключая необходимые сегменты. В неактивной части дисплея направленность молекул остается спиральной, формируя фон. Запитанные сегменты составляют символы, контрастирующие с фоном.
В зависимости от ориентации поляризатора, ЖКИ может отображать позитивное или негативное изображение. В дисплее с позитивным изображением передний и задний поляризатор перпендикулярны друг другу, так что незапитанные сегменты и фон пропускают свет с измененной поляризацией, а запитанные препятствуют прохождению света. В результате - темные символы на светлом фоне.
В дисплее с негативным изображением поляризаторы параллельны, "в фазе", препятствуют прохождению света с повернутой поляризацией, так что незапитанные символы и фон темные, а запитанные - светлые.
Рефлективный ЖКИ (reflective LCD) имеет отражатель (рефлектор) за задним поляризатором, который отражает свет, прошедший через незапитанные сегменты и фон. В негативных рефлективных дисплеях свет отражается через запитанные, "включенные" сегменты. Трансмиссивные дисплеи (transmissive LCD) используют те же принципы, но фон или сегменты становятся ярче за счет использования задней подсветки.
рис. 4 Основные компоненты и конструкция рефлективного ЖКИ.
Режимы отображения ЖКИ определяют то, как индикатор управляет светом для создания изображения. Чтобы выбрать оптимальный режим для конкретного приложения необходимо рассмотреть типичные условия освещения индикатора (см. таблицу 1).
Таблица 1. Режимы отображения ЖКИ
|
Рефлективные (работающие на отражение) индикаторы
Обычно рефлективные ЖКИ используют режим отображения с темными символами на светлом фоне (так называемое позитивное изображение).
В индикаторе с позитивным изображением передний и задний поляризаторы находятся в противофазе, или перекрестно поляризованы на 90°.
Если сегмент "выключен", внешний свет идет по слелующему пути: проходит через вертикальный поляризатор, через прозрачный электрод сегмента, через ЖК молекулы которые скручивают его на 90 °, через прозрачный общий электрод, через горизонтальный поляризатор, и попадает на рефлектор, который посылает свет обратно по тому же пути (рис. 5а).
рис. 5а
Рефлективный индикатор в выключенном состоянии.
Свет проходит через горизонтальный поляризатор и отражается обратно.
Если сегмент "включен", внешний свет не изменяет своей поляризации при проходе через слой жидких кристаллов. Таким образом поляризация света противоположна заднему поляризатору, что не дает свету пройти к отражателю. Так как свет не отражается, получается темный сегмент (рис. 5б).
рис. 5б
с горизонтальным поляризатором, так что он не доходит до рефлектора.
Рефлективные индикаторы очень яркие, с отличным контрастом и имеют широкий угол обзора. Они требуют хорошего внешнего освещения и не исползуют искуственной задней подсветки (хотя в некоторых моделях применяют подсветку сверху). Благодаря малым токам потребления рефлективные индикаторы часто используются в устройствах с питанием от батареек.
Трансмиссивные (работающие на пропускание) индикаторы
Трансмиссивные ЖКИ не отражают свет. Напротив, они создают изображение, управляя светом искуственного источника освещения, расположенного позади индикатора.
В трансмиссивных индикаторах передний и задний поляризаторы находятся "в фазе" друг с другом (параллельны). В выключенным сегменте поляризованый свет подсветки скручивается на 90° молекулами ЖК и оказывается в противофазе с передним поляризатором. Поляризатор блокирует свет, создавая темный сегмент.
рис. 6а
В выключенном состоянии свет не проходит
сквозь трансмиссивный дисплей.
Если сегмент включен, свет не скручивается, оказываясь в фазе с передним поляризатором, и проходит через него, создавая световой рисунок. Таким образом трансмиссивный дисплей создает светлое изображение на темном фоне (негативное изображение).
рис. 6б
Во включенном состоянии свет находится в противофазе
с горизонтальным поляризатором, та что он не доходит до рефлектора.
Трансмиссивные индикаторы должны иметь заднюю подсветку, чтобы гарантировать равномерное свечение сегментов. Они хороши для использования в условиях приглушенного или слабого освещения. В условиях прямого солнечного света подсветка не может преодолеть солнечных лучей и изображение не заметно.
Трансрефлективные (работающие на пропускание и отражение) индикаторы
Трансрефлективные индикаторы используют белый или серебрянный полупрозрачный материал, который отражает часть внешнего света, а также пропускает свет задней подсветки. Поскольку эти индикаторы как отражают, так и пропускают свет, они могут использоваться в широком диапазоне яркостей освещения. Примером могут служить индикаторы мобильных телефонов - они читаемы как при ярком свете, так и в полной темноте. Трансфлективные дисплеи имеют более низкую контрастность по сравнению с рефлективными, так как часть света проходит сквозь отражатель.
Варианты подсветки (backlight)
Ниже представлены варианты подсветки ЖКИ.
рис. 7
Таблица 2. Сравнение методов подсветки
| Свойство | Светодиодный | Лампами накаливания | Электролюминесцентный |
| Яркость | Средняя | Высокая | Малая - Средняя |
| Цвет | Красный - Янтарный - Зеленый | Белый | Белый |
| Размер | Малый | Малый - Средний | Тонкий |
| Крепление | SMD - Радиальный | Радиальный - Осевой | Осевой |
| Напряжение | 5 Вольт | 1,5 В - 28 В | 45 В - 100 В |
| Ток при 5 В (на кв. дюйм) | 10 - 30 мА | 20 мА | 1 - 10 мА |
| Температура | Теплый | Горячий | Холодный |
| Стоимость (на кв. дюйм) | 0,10 - 1,00 долл. | 0,10 - 0,80 долл. | 0,50 - 2,00 долл. |
| Распространение света | Направленное | Сферическое | Ламбертское |
| Ударопрочность | Отличная | Низкая | Отличная |
| Срок службы (часов) | 100 000 | 150 - 10 000 | 500 -15 000 |
Температура использования и хранения
Анализ температурного диапазона очень важен при описании ЖКИ.
Все ЖК материалы имеют строго определенный верхний предел рабочей температуры, или изотропический предел. Выше этого предела молекулы ЖК принимают произвольную ориентацию. Изотропические условия делают позитивное изображение полностью темным, а негативное - прозрачным. Изотропическая температура называется температурой нематическо-изотропического перехода, или N-I перехода.
ЖКИ могут восстанавливаться после короткого воздействия изотропической температуры, хотя температуры свыше 110°C разрушают внутреннее покрытие индикатора.
Нижний предел температурного диапазона ЖКИ не так хорошо определен, как верхний. При низких температурах время срабатывания индикатора увеличивается, так как замедляется движение молекул и возрастает вязкозть ЖК вещества.
При очень низких температурах ЖК вещество переходит в твердое, или кристаллическое состояние. Эта температура называется температурой кристаллическо-нематического перехода, или C-N перехода. Однако ЖК материал "суперхолодный", воспринимает температуры ниже C-N предела, фактически поворачивая кристаллы вещества. (Обычно при воздействиях до -60°C). В результате ЖКИ часто работоспособны при температурах ниже их C-N перехода.
Эффект низких температур обычно обратим. К примеру, ЖКИ опущенный в жидкий азот возвращается в нормальное состояние после короткого периода нагрева.
В добавление, ЖК материалы имеют низкий температурный коэффициент. Этот коэффициент важен для мультиплексных индикаторов по причине низкого значения действущего напряжения управления. За пределами температурного диапазона может потребоваться температурная компенсация.
Нагреватели
Индикаторы с интегральными нагревателями могут работать при температурах до -55°C. Нагреватели требуют температурно-управляемого источника питания. При использовании нагревателями время отклика индикатора при низких температурах остается таким же, как и при 0°C. Увеличение мощности нагревателя уменьшает время нагрева. Обычно требуется мощность между 2 и 3 ваттами на квадратный дюйм поверхности индикатора.
Внешнее освещение
Как уже обсуждалось, яркость внешнего освещения индикатора очень важна. Выбор типа индикатора осуществляется именно исходя из условий внешнего освещения.
Внешние воздействия
Существует множество модификаций ЖКИ, стойких к различного рода внешним воздействиям, так как этого требуют военные стандарты. К примеру существует "высокостабильное" покрытие для защиты от высокой температуры и влажности. Покрытие - "барьер" препятствует загрязнению проводящими веществами, могущими вызвать короткое замыкание в индикаторе. Тонкопленочные нагреватели могут использоваться в низкотемпературных приложениях. Правильный выбор соединителя также помогает преодолеть внешние воздействия.
Угол и направление обзора
рис. 8
Конус обзора описывает область,
в пределах которой наблюдатель может прочитать информацию на дисплее.
При выборе ЖКИ следует определить как наблюдатель будет смотреть на индикатор: Будет ли он сидеть или стоять? Под каким углом расположен дисплей? Какая требуется ширина угла обзора? Дело в том, что контрастность изображения на индикаторе зависит от относительного расположения дисплея и наблюдателя.
Обычно направление зрения описывается аналогично циферблату часов. Если наблюдатель смотрит сверху, это называется 12 часов, снизу - 6 часов, справа - 3 часа, слева - 9 часов. Критические углы зрения (наклона индикатора) зависят от направления обзора и могут быть проиллюстрированы изоконтрастными кривыми на графике в полярной системе координат (рис. 9).
Угол обзора зависит также от толщины слоя ЖК. Большинство ЖКИ изготавливаются по второму классу с толщиной от 6 до 8 микрон. Первый класс имеет толщину от 3 до 4 микрон. Наиболее широкий угол обзора (до165°) достигается при 4-х микронной технологии. При этом также уменьшается время отклика (срабатывания) ЖКИ.
рис. 9
Изоконтрастная кривая ЖКИ.
Объективное измерение контрастности изображения под разными углами.
Контраст изображения
Контрастность главным образом определяется условиями внешнего освещения и правильностью выбора позитивного или негативного изображения. При повышении действующего среднеквадратического напряжения контрастность увеличиваетвя. Эффективность поляризатора и ЖК жидкости также способствуют лучшей контрастности.
Сегменты ЖКИ
Части ЖКИ, работающие как заслонки, включаясь и выключаясь для формирования изображений, называются сегментами.
Сегменты создаются прозрачными электродами из оксидов индия и олова, нанесенными на стекло ЖКИ. Цифры от 0 до 9 и некоторые буквы могут быть отображены на семисегментном индикаторе. Шестнадцатисегментный индикатор может отобразить цифры, все латинские и почти все русские буквы (кроме Й,Ц,Щ). Для того чтобы символы были менее угловатыми и более натуральными, используют матричные индикаторы. С их помощью можно также отображать небольшие изображения. Количество сегментов индикатора влияет на метод управления им.
рис. 10
Семисегментный дисплей,
шестнадцатисегментный дисплей
матричный дисплей 5х7
В добавление к алфавитно-цифовым символам, ЖКИ может отображать небольшие картинки, или иконки. К примеру дисплей на рис.11 отображает функции копира. Эти изображения не изменяются - они могут только вкючатся или отключатся.
рис. 11 Функциональный дисплей копировального аппарата.
Время срабатывания
ЖКИ обычно имеет время срабатывания 50 мс при 20°C, а лучшие модели - до 10 мс. Стандартный ЖКИ может отображать сигнал до 10 Гц, если требуется; невооруженным глазом тяжело отследить данные с такой частотой.
Цветные изображения
Существует несколько методов создать цветное изображение в ЖКИ (таблица 3).
Таблица 3. Цвет в ЖКИ
Двухрядное расположение выводов (Dual-In-Line, DIL)
Двухрядное расположение выводов удобно для использования в суровых условиях. DIL обеспечивает быструю, ровную установку индикатора. Выводы могут быть впаяны в печатную плату или вставлены в разъем. Эти хорошо проводящие, нержавеющие выводы обеспечивают жесткое крепление, даже при ударе или вибрации.
рис. 12 DIL выводы
Резиновый соединитель (Elastomeric, rubber connector)
Резиновый проводник представляет из себя гибкий резиновый брусочек с большим количеством поперечных проводящих прожилок (как гребенка) с очень малым шагом. Он обеспечивает быстрый монтаж / демонтаж без паянных соединений или абразивных контактов, самовыравнивание. Это соединение часто используется в небольших инструментах, где размер ограничен. Хотя оно стойко к ударам и вибрациям, резиновое соединение не стоит применять в особо арессивных средах без повышенного внимания к защите ЖКИ.
рис. 13 Резиновый соединитель
Гибкий соединитель (Flex, heat seal connector)
Как печатная плата, так и ЖКИ присоединяются к гибкому шлейфу посредством нагревания под давлением. Это соединение используется в наиболее подвижных устройствах, где смещения могут вызвать поломку жестких выводов. Гибкое соединение часто используется в очень больших ЖКИ или устройствах требующих отдельную установку платы контроллера. Популярность этого метода соединения растет и разработчики находят ему все новые применения.
рис. 14 Гибкое соединение
Общие принципы
Существует два типа контроллеров ЖКИ: прямой и мультиплексный. Оба типа имеют свои преимущества и недостатки.
Таблица 4. Сравнение прямых и мультиплексных контроллеров
Мультиплексное управление
Мультиплексное (MUX) управление уменьшает количество необходимых выводов ЖКИ. Мультиплексные дисплеи имеют более одного общего вывода (COM). Мультиплексность означает, что каждый вывод сегментов (SEG) адресует сегмент на каждом из выводов COM. Количество общих выводов называется значением мультиплексности ЖКИ.
рис. 15 Вариант организации выводов COM и SEG
Энергопотребление
Обычно ЖКИ требует очень небольшой энергии для работы - от 5 до 25 мкА при 5 В (на кв. дюйм) для TN индикатора. Искуственная подсветка или нагрев требуют дополнительной энергии.
Все ЖКИ тебуют чистого переменного управляющего напряжения. Случайное постоянное напряжение, как например постоянная составляющая в сигнале, может значительно уменьшить срок службы индикатора и должно быть ограниченно 50 мВ.
Жидкие кристаллы -- это вещества, проявляющие в определенном температурном интервале свойства, как жидкости, так и кристаллов. Они способны в жидком состоянии сохранять упорядоченность молекул (подобно кристаллам). Для создания жидкокристаллических индикаторов используются так называемые нематические жидкие кристаллы, которые являются структурной разновидностью данного класса веществ. Материалом для них служат смеси органических соединений, молекулы которых формируются в упорядоченные решетки. Тонкий слой жидкокристаллического вещества (десятки микрон), помещенный, например, между двумя стеклянными пластинами, довольно хорошо пропускает свет. Однако толстые слои жидкости кристаллов (несколько миллиметров) практически непрозрачны. Это связано с заметными тепловыми беспорядочными колебаниями больших групп молекул, что приводит к изменениям показателя преломления и в конечном счете сильному рассеянию света в жидкокристаллической среде. Особенный интерес представляет изменение оптических характеристик жидких кристаллов под действием внешнего электромагнитного поля. Именно это свойство используется для построения элементов индикации на основе тонких прозрачных слоев жидкокристаллических веществ.
Рис. 1. Жидкокристаллический индикатор на эффекте динамического расстояния: 1--прокладка; 2 -- жидкие кристаллы; 3 -- отражающее покрытие; 4 -- заднее стекло; 5 -- общий электрод; 6 -- прозрачные электроды сегментов; 7 -- переднее стекло
Рис. 2. Жидкокристаллический индикатор, основанный на эффекте вращения плоскости поляризации слоем жидких кристаллов, исчезающем под действием электрического поля (твист-эффект):1-- стеклянная ячейка; 2 -- отражающее покрытие; 3--поляроидная пластина с вертикальной плоскостью поляризации; 4--жидкие кристаллы; 5 -- прокладка; б -- прозрачные электроды; 7 -- поляроидная пластина с горизонтальной плоскостью поляризации
Существуют два принципа (эффекта) работы жидкокристаллических индикаторов. Первый из них состоит в том, что при приложении электрического поля к тонкому слою жидкокристаллического вещества, заключенному между двумя стеклянными пластинками, происходит разрушение упорядоченной структуры жидких кристаллов, что вызывает диффузное рассеяние света в этой области (эффект динамического рассеяния). В результате прозрачный жидкокристаллический слой становится мутным и при внешнем освещении возникает контраст между возбужденным участком жидкости кристаллов и невозбужденным (фоном). При снятии внешнего электрического поля первоначальная структура жидких кристаллов восстанавливается и указанный контраст исчезает. Как показано на рис. 1, принципиально жидкокристаллические индикаторы состоят из двух плоскопараллельных стеклянных пластин, между которыми находится слой жидких кристаллов толщиной 12-- 20 мкм. На одной из стеклянных пластин прозрачным токопроводящим покрытием нанесен рисунок цифры, который представляет собой конфигурацию в виде сегментов, с помощью которых можно воспроизвести цифры от 0 до 9. На другой пластине прозрачным токопроводящим покрытием нанесен электрод, являющийся общим для цифр. Обе пластины покрытыми поверхностя ми обращены друг к другу.
Существуют индикаторы, работающие в отраженном («на отражение») и проходящем («на просвет») свете. В первом случае на заднее стекло индикатора наносится отражающий слой, во втором -- за индикатором должен быть использован дополнительный источник света.
При подаче управляющего напряжения жидкие кристаллы в зоне действия электрического поля теряют прозрачность, и если задняя отражающая поверхность белая, то наблюдатель видит темную цифру на светлом фоне. Если задний отражатель имеет черный цвет и внутренние поверхности корпуса индикатора также зачернены, то матово-светлое изображение цифры будет хорошо заметно на черном фоне.
При работе индикатора на просвет изображение цифры более темное, чем фон. Если при этом мощность установленного источника света составляет 0,5 Вт, то яркость жидкокристаллического индикатора становится сравнимой с яркостью газоразрядного или светодиодного индикатора, используемого в условиях обычной освещенности.
Выводы от сегментов выполнены в виде износостойких токопроводящих дорожек на стекле. Соединение выводов индикатора с элементами схемы управления осуществляется с помощью разъема.
Другим принципом, используемым для создания жидкокристаллических индикаторов, является эффект вращения плоскости поляризации поляризованного света слоем жидких кристаллов, исчезающий под действием электрического поля (твист-эффект). Индикаторы, работающие на этом принципе, получают, помещая капельку жидких кристаллов между двумя скрещенными поляроидными пластинами, которая растекается между ними в виде тонкой пленки. Сами скрещенные поляроиды имеют взаимно перпендикулярные плоскости поляризации света и поэтому являются совершенно непрозрачными. Но если между этими пластинами имеется слой неметаллических жидких кристаллов, которые в результате технологической обработки приобрели свойство вращения плоскости поляризации проходящего света на 90°, то вся эта оптическая система получается прозрачной (рис. 2).
При приложении электрического поля все молекулы жидких кристаллов ориентируются вдоль поля и эффект вращения плоскости поляризации исчезает. В результате через систему, показанную на рис. 2, пропускание света прекращается. Если возбуждается не весь слой жидких кристаллов, а определенные участки в виде символа или цифры, то изображение данного символа (цифры) будет темным в проходящем свете по сравнению с невозбужденной областью (фоном). Этот принцип получения индикации является более прогрессивным, так как даст значительный выигрыш в мощности потребления и позволяет получать более высокий контраст. В большинстве серийно выпускаемых типов жидкокристаллических индикаторов использован данный принцип.
Возбуждение жидкокристаллического слоя в индикаторах осуществляется переменным напряжением синусоидальной формы или формы типа меандр, с эффективным значением (в зависимости от типа) от 2,7 до 30 В и частотой 30--1000 Гц. Постоянная составляющая напряжения не допускается из-за появления электролитического эффекта, что ведёт к резкому сокращению срока службы индикатора. Основным параметром жидкокристаллического индикатора, отражающим качество его работы, является контраст знака по отношению к фону, который определяется как отношение интенсивностей света, выходящего из жидкокристаллического индикатора, в исходном (невозбужденном) и возбужденном состояниях. Контраст измеряется с помощью специальной оптической системы на основе микроскопа с встроенным фотоэлектронным умножителем на выходе. Для устранения внешней засветки объектив микроскопа защищен зачерненным конусом, который направлен на измеряемый индикатор. Плоскость индикатора расположена перпендикулярно оптической оси микроскопа и освещается специальной лампой подсветки, поток которой через конденсатор направлен к измеряемому образцу под углом 45°. С помощью микроамперметра фиксируют два значения тока ФЭУ: при неработающем индикаторе и при приложенном к сегментам управляющем напряжении. Контраст, %, вычисляется по формуле
жидкий кристалл динамический индикатор
К=(Iф --Iз)100/Iф,
где Iф -- ток фона -- фототок фотоэлектронного умножителя при неработающем индикаторе; I3 -- ток знака -- фототок фотоэлектронного умножителя при приложенном к сегментам номинальном управляющем напряжении (изображение знака темнее фона). Значение К современных серийных индикаторов составляет 83--90 %. Реже контраст выражают в относительных единицах (отн. ед.): К=Iф/I3.Чем выше внешняя освещенность, тем ярче изображение на индикаторе. Контраст от освещенности практически не зависит. Основными параметрами жидкокристаллических цифро-знаковых индикаторов являются: контраст знака по отношению к фону, к--отношение разности коэффициента яркости фона и знака индикатора к коэффициенту яркости фона, выраженное в процентах; ток потребления IПОТ -- среднее значение переменного тока, протекающего через индикатор (сегмент) при приложении к нему номинального напряжения управления рабочей частоты; напряжение управления Uупр -- номинальное значение эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикатора; рабочая частота напряжения управления fраб; минимальное напряжение управления Uупр-- минимальное значение эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикатора, при котором обеспечивается заданный контраст знака по отношению к фону; максимально допустимое напряжение управления Uупрmax-- максимальное значение эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикатора, при котором обеспечивается заданная надежность индикатора при длительной работе; время реакции tреак -- интервал времени при включении, в течение которого ток потребления увеличивается до 0,8 максимального значения; время релаксации tрел -- интервал времени при выключении, в течение которого ток потребления снижается до 0,2 максимального значения.
Важнейшей характеристикой цифро-знакового жидкокристаллического индикатора как прибора отображения информации является зависимость контраста знака от напряжения управления. С увеличением напряжения контраст круто растет до порогового значения, после чего увеличение контраста с увеличением Uупр практически не происходит. Значение Uупрmin выбирается на пологом участке кривой вблизи порога. Отметим, что контраст знака индикатора является функцией эффективного значения Uупр и практически не зависит от его формы.
Жидкокристаллический индикатор как элемент электрической цепи эквивалентен конденсатору. Вследствие этого вольт-амперная характеристика Iпот=f(Uупр) при номинальной частоте управляющего напряжения близка к линейной, а частотная характеристика Uпотр = ф(fраб) имеет вид монотонно возрастающей кривой. Постоянная составляющая управляющего напряжения не должна превышать 1 % эффективного значения Uупр.
Рис. 3.
Важной особенностью жидкокристаллического индикатора является низкий ток потребления -- единицы или сотни микроампер (в зависимости от принципа работы). В интервале рабочих температур ток потребления несколько увеличивается с ростом температуры. Жидкокристаллический индикатор имеет низкое быстродействие, связанное с инерционными процессами перестройки структур органических кристаллов. Быстродействие существенно зависит от температуры. В зоне температур, близких к нижнему пределу, быстродействие резко падает. Измерения временных параметров tpеак и tрел, приводимых в таблицах, производятся на уровне соответственно 0,8 и 0,2 установившегося значения, как показано на рис. 3. Проверку времени реакции и релаксации серийных приборов производят визуально по появлению и исчезновению (при прямом наблюдении) знаков при подаче на них прерывистого напряжения управления с длительностью воздействия 800 мс и длительностью паузы 800 мс. Жидкокристаллические индикаторы работают в весьма узком интервале температур. Подавляющее большинство жидкокристаллических индикаторов не работает при окружающей температуре ниже +1 °С, так как в этих условиях материал переходит в состояние полутвердого кристалла. При приближении к нижнему температурному пределу индикатор реагирует на приложение напряжения все медленнее и в конце концов полностью теряет работоспособность. Индикаторы восстанавливают свои характеристики после возвращения их из среды с низкой температурой в среду с температурой, соответствующей температуре рабочего диапазона. В связи с этим хранение индикаторов разрешается при температуре до --40 °С.
По числу разрядов в одном корпусе цифро-знаковые индикаторы делятся на 1-разрядные, 4-разрядные, 6-разрядные, 9-разрядные. Нумерация разрядов принята возрастающей слева направо.
Существуют также жидкокристаллические индикаторы, отображающие различные символы, специальные знаки и надписи. Цифро-знаковые жидкокристаллические индикаторы изготавливаются в пластмассовых корпусах или из стекла с компаундным упрочнением по периметру с выводами под распайку или под разъем.
В процессе эксплуатации следует избегать попадания на контактную площадку влаги и пыли, вызывающих межэлектродные замыкания. Очищать поверхность индикатора рекомендуется чистым батистом, слегка смоченным этиловым спиртом.
Система обозначений жидкокристаллических индикаторов содержит несколько букв и цифр. Сочетание ИЖК означает: индикатор жидкокристаллический. Четвертый элемент обозначения: буква Ц означает-- цифровой, а С -- символьный. Пятый элемент -- цифра, указывающая номер разработки. Цифра после дефиса указывает число разрядов индикатора, а число через косую дробную черту соответствует высоте в миллиметрах цифры (символа) в разряде.
Приборы, разработанные до введения описанной системы, обозначены иначе. Например, наименование ЦИЖ-5 расшифровывается следующим образом: цифровой индикатор жидкокристаллический, номер разработки 5, а ИЖК-2 -- индикатор жидкокристаллический, номер разработки 2. Использование жидкокристаллических индикаторов в радиоэлектронной аппаратуре стимулируется рядом факторов: низкими токами потребления и напряжениями управления, совместимостью работы с интегральными микросхемами, низкой стоимостью.
Возможными областями их применения являются: индикаторные устройства измерительной аппаратуры, электронные часы и микрокалькуляторы, информационные панели и указатели. Весьма сложным аспектом применения жидкокристаллических приборов являются средства управления (особенно это относится к многоразрядным индикаторам). На рис. 4 показана схема возбуждения сегментов сигналом переменного напряжения. Устройство состоит из двух логических схем И с двумя входами DD2, DD3, инвертора DD1 и ключа-формирователя из транзисторе VT. На коллектор транзистора подается напряжение, равное двойной амплитуде номинального переменного напряжения возбуждения данного жидкокристаллического индикатора. С транзистора VT на сегмент индикатора снимается однополярное переменное напряжение прямоугольной формы амплитудой 40 В. Для уничтожения постоянной составляющей импульсного питающего напряжения (она недопустима из физических условий работы жидких кристаллов) к общему электроду прикладывается постоянное напряжение 20 В.
На вход DD2 подается напряжение возбуждения с частотой fв=30-50 Гц, а на вход DD3 -- напряжение гашения с частотой fг = 10-40 кГц. При низком логическом уровне управляющего сигнала открывается DD2 и транзистор работает в импульсном режиме с частотой, соответствующей частоте возбуждения жидкокристаллического сегмента. Управляющий сигнал с высоким логическим уровнем, поступающий с дешифратора на управляющий вход, открывает DD3. В результате устройство формирует напряжение повышенной частоты, на которую жидкокристаллический сегмент не реагирует. С учетом того, что устройство управления должно быть соизмеримо по потребляемой мощности с жидкокристаллическим индикатором, все логические схемы выполнены на основе КМОП-структур.
Рис. 4.
Кроме описанного используется также другой тип устройства возбуждения жидкокристаллических индикаторов. Его схема показана на рис. 5. На входы логических схем И DD2 и DD3 от внешнего генератора подаются импульсные напряжения с частотой f=l5-25 Гц, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180град. В зависимости от уровня управляющего сигнала на сегмент индикатора через ключ-формирователь (транзистор VT1) прикладывается напряжение прямоугольной формы, прямое либо сдвинутое по фазе. На общий электрод индикатора через другой ключ-формирователь (транзистор VT2) постоянно подается сигнал одной фазы.
При совпадении фаз на электродах сегмента последний не возбуждается; при различии фаз происходит возбуждение сегмента. Отметим, что фазовый способ управления позволяет уменьшить напряжение питания индикатора в 2 раза.
При использовании многоразрядных индикаторов требуется большое число внешних соединений, необходимых для управления сегментов. Это заставляет прибегать к созданию мультиплексного управления. На рис. 6 показан принцип управления 4-разрядным цифровым индикатором с разделенными общими электродами для каждого разряда, который заключается в объединении идентичных сегментов по всем разрядам и последовательной адресации данных в соответствующие разряды. Процесс отображения 4-разрядного числа осуществляется по тактам В каждом такте переменное управляющее напряжение прикладывается к шине управления сегментов и к линии общего электрода того разряда, который возбуждается в данном такте. Благодаря большому времен» релаксации жидких кристаллов цифры разрядов в период между тактами возбуждения продолжают читаться без приложения напряжения.
Рис. 5.
Рис. 6.
Литература
- 1. В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин „Полупроводниковые оптоэлектронные приборы”//Справочник.-М: Энергоатомиздат.-1989.
- 2. А.М. Юшин. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. Сптавочник.-М.:РадиоСофт.-2003(в 5-ти томах)
- 3. А. П. Кашкаров. Регулятор яркости подсветки шкалы.-Радио,№9.-2004.-С.0
- 4. А.П. Кашкаров. Бегущие огни + цветомузыка. - Радиомир,№11.-2004.-С.38
- 5. А.П. Кашкаров. Некоторые отечественные аналоги популярных зарубежных радиоэлементов.-Радиохобби, №2.-2003.-С.31.