Devenit în ultimii ani o componentă tot mai utilizată pentru afişarea informaţiei, afişajul cu cristale lichide, denumit în literatura de specialitate “LCD” (Liquid Crystal Display), este relativ puţin cunoscut la noi în ţară. Drept care, în rândurile care urmează se va face o descriere a acestei componente atât din punct de vedere al activării, cât şi al mecanismului fizic de funcționare.
Articolul de faţă constituie atât o prezentare a acestui element de circuit, cât şi o ultimă parte a articolului ”Voltmetru numeric cu afişaj cu cristale lichide”, apărut în numărul 18/1995 al revistei.
Noţiuni de fizica cristalelor lichide
Cristalele lichide sunt compuşi chimici organici care prezintă în faza lichidă două stări distincte: starea anizotropă şi starea izotropă. Faza anizotropă (denumită şi mezofază) este prezentă imediat după punctul de fuziune, în sensul creşterii temperaturii. Lichidul prezintă câteva proprietăţi speciale, cea mai importantă fiind dubla refracție, care nu apare în mod normal decât la cristale solide. Dacă temperatura continuă să crească, cristalul lichid intră în faza izotropă, după ce a depăşit punctul critic. În această fază nu mai prezintă proprietăţi optice deosebite. Sunt cunoscute în chimie mai multe categorii de cristale lichide. Pentru producția de LCD se utilizează cristalele lichide nematice.
În figura 1 se prezintă o vedere de secţiune printr-un LCD.
La realizarea LCD se depune o peliculă de cristal lichid nematic între două plachete de sticlă, subţiri şi transparente, pe care la început s-au depus “electrozii”. Aceşti electrozi se depun prin tehnologia peliculelor subţiri, rezultând un film metalic bun conductor electric, dar transparent optic.
Electrodul 1 din figura 1 reprezintă segmentele, iar electrodul 2 este substratul (back-plane). În figura 2 se prezintă o configuraţie de depunere a segmentelor de afişare, cât şi conexiunile la capsulă, pentru un LCD de tipul “3902”, produs de firma Hamlin, compatibil cu modelul LTD221R12, utilizat în KIT-ul RK0054.
Sub efectul câmpului electric produs de o tensiune aplicată între electrozi, cristalul lichid își modifică proprietăţile optice, polarizând lumina: are loc o rotație cu 90 grade a vectorilor radiației luminoase. Datorită celor două folii de polaroid, efectul optic vizibil este acela de trecere a cristalului din transparent în opac. O proprietate deosebită este aceea că efectul optic se produce cu un consum energetic extrem de mic, sub 100 µW/cm2.
Celula LCD poate fi deci considerată ca un condensator cu plăci paralele, în care dielectricul este cristalul lichid. Distanţa fizică între plăci este de ordinul a 5 … 20 µm. Se realizează în principal două tipuri de LCD: prin transparenţă şi prin reflexie. Celulele “prin transparenţă” sunt dispuse între o sursă de lumină şi observator, neavând deci folia reflectorizantă din figura 1, ci o folie dispersoare de lumină. Avantajul lor este că informaţia afişată este vizibilă indiferent de lumina din mediul ambiant, ca dezavantaj major fiind utilizarea unei surse suplimentare de lumină. Celulele “prin reflexie” necesită lumină din mediul ambiant, lucrând prin reflexia radiaţiei incidente. În funcţie de unghiul de incidenţă, contrastul la citirea informaţiei poate varia.
Observaţie experimentală: prin rotirea cu 90 de grade a uneia din cele două folii de polaroid, se obţine contrast complementar (altfel spus, din scris negru pe fond alb se obţine scris alb pe fond negru); este valabil pentru ambele tipuri de LCD.
Electrodul 2 (back-plane) acoperă toată suprafaţa inferioară a dispozitivului. Electrozii-segment (1) sunt depuşi printr-o mască, obţinând configuraţia din figura 2, iar conexiunile se realizează de asemenea prin depunere de film metalic. Pentru activarea unui segment se aplică o tensiune între electrozii 1 şi 2, care trebuie să depăşească valoarea de prag UMIN, caracteristică substanţei chimice utilizată. Peste această tensiune se produce efectul de polarizare, realizând contrastul. De asemenea, trebuie ţinut cont de a nu se depăşi o anumită tensiune maximă UMAX, peste care se poate distruge cristalul lichid nematic. Valorile acestor tensiuni se înscriu în următoarele intervale:
UMIN = 0,5 … 1,5 V și
UMAX = 7 … 10V.
O particularitate importantă a tuturor dispozitivelor LCD: nu suportă aplicare pentru o perioadă de timp lungă a unei tensiuni continue. Totdeauna trebuie alimentate cu tensiune alternativă sau dreptunghiulară a cărei valoare medie să fie nulă. În absenţa schimbării polarităţii sau dacă tensiunea de comandă are o componentă continuă (de exemplu alternanţe inegale sau factor de umplere diferit de 50%), celulele se pot distruge în câteva minute! Distrugerea se manifestă sub formă de pete, bule, sau chiar corodarea electrozilor.
Activarea L.C.D.
În general, frecvenţa de lucru este de 50 … 200Hz. Sub 50Hz apare efectul optic de pâlpâire, iar peste 200Hz scade contrastul. Utilizarea unei tensiuni provenite din secundarul unui transformator de rețea este o metodă foarte simplă, simetria alternanțelor fiind suficientă. Însă, datorită consumului energetic foarte redus, de obicei montajele cu LCD se alimentează la o baterie, fiind aparate portabile, deci nu se dispune de tensiunea reţelei. Ca o concluzie, este necesară sintetizarea unui semnal dreptunghiular de comandă.
Soluţia este relativ simplă, fiind necesar un semnal primar cu factor de umplere 50%. Pentru aceasta, se utilizează un semnal de tact din sistem, cu orice factor de umplere, care se aplică la intrarea CLOCK a unui Circuit Basculant Bistabil, de exemplu JK sau D. La ieşirile Q şi *Q se obţin semnale în opoziţie de fază, cu factor de umplere riguros 50%, unul din ele reprezentând semnalul primar, care se aplică substratului. În figura 3 acest semnal este notat “BP”.
Rămâne de rezolvat problema activării segmentelor. Evident, se poate face apel la elemente de comutare clasice, de tip contacte mecanice ale unor relee sau tranzistori în regim saturat/blocat. Aceste metode realizează “comutare de curent”. Datorită tehnologiei de integrare CMOS, mai ieftină şi mai fiabilă, se preferă şi este mai elegant să utilizăm “comutarea de fază” (sau de tensiune). Semnalul BP generat de CBB JK este aplicat substratului şi totodată la o intrare a unei porţi de tip SAU EXCLUSIV (XOR). Cea de a doua intrare primeşte semnalul de comandă pentru segment, C, care este 0 sau 1 pentru un segment “vizibil”, respectiv “invizibil”. Ieşirea porţii XOR alimentează electrodul-segment. Tabela de adevăr pentru poarta XOR este redată mai jos:
Se constată că ieşirea OUT (semnal notat S pentru activare de segment) trece în 1 logic doar dacă intrările au valori logice diferite. Deci dacă C = 0, S va fi 1 dacă BP = 1. Se obține pentru S o tensiune egală cu BP, deci de aceeași amplitudine şi fază. În aceste condiții, electrozii 1 şi 2 se află la acelaşi potenţial; deci segmentul este dezactivat (invizibil).
Dacă C = 1, ieşirea S va trece în 1 când BP = 0, deci se obţine pentru S un semnal în opoziţie de fază cu BP. Deci, când BP = 1 avem S = 0 şi invers, deci se activează segmentul (devine vizibil).
Se constată de asemenea că tensiunea aplicată electrozilor este sau nulă sau fără componentă continuă.
Tipul de driver de LCD descris în rândurile dinainte este exact de aceeași topologie cu driverele de segment integrate în ICL7106CPL (MMC7106).
Datashet-uri utile:
1. LTD221_LCD
2. ICL7106CPL
Articol publicat in revista RET nr, 19
