Un écran à cristaux liquides est un type d'image générée électriquement sur un panneau plat mince. Les premiers écrans LCD, sortis dans les années 1970, étaient de minuscules écrans utilisés principalement dans les calculatrices et les montres numériques qui affichaient des chiffres noirs sur fond blanc. Les écrans LCD peuvent être trouvés partout dans les systèmes électroniques domestiques, les téléphones portables, les appareils photo et les écrans d'ordinateur, ainsi que les montres et les téléviseurs. Les téléviseurs à écran plat LCD à la pointe de la technologie d'aujourd'hui ont largement remplacé les téléviseurs CRT traditionnels encombrants et peuvent produire des images couleur haute définition jusqu'à 108 pouces de diagonale sur l'écran.
Histoire des cristaux liquides
Les cristaux liquides ont été découverts par accident en 1888 par le botaniste autrichien F. Reinitzer. Il a découvert que le benzoate de cholestérol a deux points de fusion, se transformant en un liquide trouble à 145 ° C, et à des températures supérieures à 178,5 ° C, le liquide devient transparent. Àtrouver une explication à ce phénomène, il donna ses échantillons au physicien Otto Lehmann. À l'aide d'un microscope équipé d'un chauffage étagé, Lehman a montré que la substance avait des propriétés optiques caractéristiques de certains cristaux, mais qu'elle était toujours un liquide, et c'est pourquoi le terme "cristal liquide" a été inventé.
Au cours des années 1920 et 1930, des chercheurs ont étudié les effets des champs électromagnétiques sur les cristaux liquides. En 1929, le physicien russe Vsevolod Frederiks a montré que leurs molécules dans un film mince pris en sandwich entre deux plaques changeaient d'alignement lorsqu'un champ magnétique était appliqué. C'était le précurseur de l'affichage à cristaux liquides de tension moderne. Le rythme du développement technologique depuis le début des années 1990 a été rapide et continue de croître.
La technologie LCD est passée du noir et blanc pour les simples montres et calculatrices au multicolore pour les téléphones portables, les écrans d'ordinateur et les téléviseurs. Le marché mondial des écrans LCD approche désormais les 100 milliards de dollars par an, contre 60 milliards de dollars en 2005 et 24 milliards de dollars en 2003, respectivement. La fabrication d'écrans LCD est globalement concentrée en Extrême-Orient et se développe en Europe centrale et orientale. Les entreprises américaines ouvrent la voie en matière de technologie de fabrication. Leurs écrans dominent désormais le marché et il est peu probable que cela change dans un proche avenir.
Physique du processus de cristallisation
La plupart des cristaux liquides, tels que le benzoate de cholestérol, sont constitués de molécules avec de longues structures en forme de bâtonnets. Cette structure particulière des molécules liquidesles cristaux entre deux filtres polarisants peuvent être brisés en appliquant une tension aux électrodes, l'élément LCD devient opaque et reste sombre. De cette manière, divers éléments d'affichage peuvent être commutés sur des couleurs claires ou foncées, affichant ainsi des chiffres ou des caractères.
Cette combinaison de forces attractives existant entre toutes les molécules associées à une structure en forme de tige provoque la formation d'une phase de cristal liquide. Cependant, cette interaction n'est pas assez forte pour maintenir les molécules en place de façon permanente. Depuis lors, de nombreux types différents de structures de cristaux liquides ont été découverts. Certains d'entre eux sont disposés en couches, d'autres sous la forme d'un disque ou sous forme de colonnes.
Technologie LCD
Le principe de fonctionnement d'un écran à cristaux liquides est basé sur les propriétés de matériaux électriquement sensibles appelés cristaux liquides, qui coulent comme des liquides mais ont une structure cristalline. Dans les solides cristallins, les particules constitutives - atomes ou molécules - forment des réseaux géométriques, tandis qu'à l'état liquide, elles sont libres de se déplacer de manière aléatoire.
Le dispositif d'affichage à cristaux liquides est constitué de molécules, souvent en forme de bâtonnets, qui s'organisent dans une direction mais peuvent toujours se déplacer. Les molécules de cristaux liquides réagissent àune tension électrique qui modifie leur orientation et modifie les caractéristiques optiques du matériau. Cette propriété est utilisée sur les écrans LCD.
En moyenne, un tel panneau se compose de milliers d'éléments d'image ("pixels"), qui sont alimentés individuellement par une tension. Ils sont plus fins, plus légers et ont une tension de fonctionnement inférieure à celle des autres technologies d'affichage et sont idéaux pour les appareils alimentés par batterie.
Matrice passive
Il existe deux types d'écrans: à matrice passive et à matrice active. Les passifs sont contrôlés par seulement deux électrodes. Ce sont des bandes d'ITO transparent qui tournent de 90 les unes par rapport aux autres. Cela crée une matrice croisée qui contrôle chaque cellule LC individuellement. L'adressage est effectué par une logique et des pilotes distincts de l'écran LCD numérique. Comme il n'y a pas de charge dans la cellule LC dans ce type de contrôle, les molécules de cristaux liquides reviennent progressivement à leur état d'origine. Par conséquent, chaque cellule doit être surveillée à intervalles réguliers.
Les passifs ont un temps de réponse relativement long et ne conviennent pas aux applications de télévision. De préférence, aucun pilote ou composant de commutation tel que des transistors n'est monté sur le substrat en verre. La perte de luminosité due à l'ombrage de ces éléments ne se produit pas, de sorte que le fonctionnement des écrans LCD est très simple.
Les passifs sont largement utilisés avec des chiffres et des symboles segmentés pour une petite lecture dans des appareils tels quecalculatrices, imprimantes et télécommandes, dont beaucoup sont monochromes ou n'ont que quelques couleurs. Les écrans graphiques passifs monochromes et couleur ont été utilisés dans les premiers ordinateurs portables et sont toujours utilisés comme alternative à la matrice active.
Écrans TFT actifs
Les écrans à matrice active utilisent chacun un transistor pour piloter et un condensateur pour stocker la charge. Dans la technologie IPS (In Plane Switching), le principe de fonctionnement d'un indicateur à cristaux liquides utilise une conception où les électrodes ne s'empilent pas, mais sont situées les unes à côté des autres dans le même plan sur un substrat en verre. Le champ électrique pénètre les molécules LC horizontalement.
Ils sont alignés parallèlement à la surface de l'écran, ce qui augmente considérablement l'angle de vision. L'inconvénient de l'IPS est que chaque cellule nécessite deux transistors. Cela réduit la zone transparente et nécessite un rétroéclairage plus lumineux. VA (Vertical Alignment) et MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) utilisent des cristaux liquides avancés qui s'alignent verticalement sans champ électrique, c'est-à-dire perpendiculairement à la surface de l'écran.
La lumière polarisée peut passer mais est bloquée par le polariseur avant. Ainsi, une cellule sans activation est noire. Puisque toutes les molécules, même celles situées aux bords du substrat, sont uniformément alignées verticalement, la valeur de noir résultante est donc très grande à tous les coins. Contrairement à la matrice passiveécrans à cristaux liquides, les écrans à matrice active ont un transistor dans chaque sous-pixel rouge, vert et bleu qui les maintient à l'intensité souhaitée jusqu'à ce que cette ligne soit adressée dans l'image suivante.
Temps de commutation de cellule
Le temps de réponse des écrans a toujours été un gros problème. En raison de la viscosité relativement élevée des cristaux liquides, les cellules LCD commutent assez lentement. En raison des mouvements rapides de l'image, cela conduit à la formation de rayures. Les cristaux liquides à faible viscosité et le contrôle modifié des cellules à cristaux liquides (overdrive) résolvent généralement ces problèmes.
Le temps de réponse des écrans LCD modernes est actuellement d'environ 8 ms (le temps de réponse le plus rapide est de 1 ms), ce qui modifie la luminosité d'une zone d'image de 10 % à 90 %, où 0 % et 100 % sont une luminosité à l'état stable, ISO 13406 -2 est la somme du temps de passage du clair au foncé (ou vice versa) et vice versa. Cependant, en raison du processus de commutation asymptotique, un temps de commutation de <3 ms est nécessaire pour éviter les bandes visibles.
La technologie Overdrive réduit le temps de commutation des cellules à cristaux liquides. A cet effet, une tension plus élevée est temporairement appliquée à la cellule LCD que nécessaire pour la valeur de luminosité réelle. En raison de la courte surtension de l'écran à cristaux liquides, les cristaux liquides inertes sortent littéralement de leur position et se nivellent beaucoup plus rapidement. Pour ce niveau de processus, l'image doit être mise en cache. Avec spécialement conçu pour les valeurs correspondantescorrection d'affichage, la hauteur de tension correspondante dépend du gamma et est contrôlée par des tables de consultation du processeur de signal pour chaque pixel, et calcule l'heure exacte des informations d'image.
Composants principaux des indicateurs
La rotation de la polarisation de la lumière produite par les cristaux liquides est à la base du fonctionnement d'un écran LCD. Il existe essentiellement deux types d'écrans LCD, transmissifs et réfléchissants:
- Transmissif.
- Transmission.
Transmission Fonctionnement de l'affichage LCD. Sur le côté gauche, le rétroéclairage LCD émet une lumière non polarisée. Lorsqu'elle traverse le polariseur arrière (polariseur vertical), la lumière devient polarisée verticalement. Cette lumière frappe alors le cristal liquide et tordra la polarisation si elle est allumée. Par conséquent, lorsque la lumière polarisée verticalement traverse le segment de cristaux liquides ON, elle devient polarisée horizontalement.
Next - le polariseur avant bloquera la lumière polarisée horizontalement. Ainsi, ce segment apparaîtra sombre à l'observateur. Si le segment de cristaux liquides est éteint, il ne changera pas la polarisation de la lumière, il restera donc polarisé verticalement. Ainsi, le polariseur avant transmet cette lumière. Ces écrans, communément appelés écrans LCD rétroéclairés, utilisent la lumière ambiante comme source:
- Horloge.
- LCD réfléchissant.
- Habituellement, les calculatrices utilisent ce type d'affichage.
Segments positifs et négatifs
Une image positive est créée par des pixels ou des segments sombres sur un fond blanc. Dans ceux-ci, les polariseurs sont perpendiculaires les uns aux autres. Cela signifie que si le polariseur avant est vertical, le polariseur arrière sera horizontal. Ainsi, OFF et l'arrière-plan laisseront passer la lumière, et ON la bloquera. Ces écrans sont généralement utilisés dans des applications où la lumière ambiante est présente.
Il est également capable de créer des écrans à semi-conducteurs et à cristaux liquides avec différentes couleurs de fond. Une image négative est créée par des pixels ou des segments clairs sur un fond sombre. En eux, les polariseurs avant et arrière sont combinés. Cela signifie que si le polariseur avant est vertical, l'arrière sera également vertical et vice versa.
Ainsi, les segments OFF et l'arrière-plan bloquent la lumière, et les segments ON laissent passer la lumière, créant un affichage lumineux sur un fond sombre. Les écrans LCD rétroéclairés utilisent généralement ce type, qui est utilisé lorsque la lumière ambiante est faible. Il est également capable de créer différentes couleurs d'arrière-plan.
Afficher la mémoire RAM
DD est la mémoire qui stocke les caractères affichés à l'écran. Pour afficher 2 lignes de 16 caractères, les adresses sont définies comme suit:
| Ligne | Visible | Invisible |
| Haut | 00H 0FH | 10H 27H |
| Bas | 40H - 4FH | 50H 67H |
Il vous permet de créer un maximum de 8 caractères ou 5x7 caractères. Une fois que de nouveaux caractères sont chargés en mémoire, ils sont accessibles comme s'il s'agissait de caractères normaux stockés dans la ROM. CG RAM utilise des mots larges de 8 bits, mais seuls les 5 bits les moins significatifs apparaissent sur l'écran LCD.
Donc D4 est le point le plus à gauche et D0 est le pôle à droite. Par exemple, charger un octet RAM CG à 1Fh appelle tous les points de cette ligne.
Contrôle du mode Bit
Il existe deux modes d'affichage disponibles: 4 bits et 8 bits. En mode 8 bits, les données sont envoyées à l'écran par les broches D0 à D7. La chaîne RS est définie sur 0 ou 1, selon que vous souhaitez envoyer une commande ou des données. La ligne R/W doit également être mise à 0 pour indiquer l'affichage à écrire. Il reste à envoyer une impulsion d'au moins 450 ns sur l'entrée E pour indiquer que des données valides sont présentes sur les broches D0 à D7.
L'affichage lira les données sur le front descendant de cette entrée. Si une lecture est requise, la procédure est identique, mais cette fois la ligne R/W est mise à 1 pour demander une lecture. Les données seront valides sur les lignes D0-D7 à l'état de ligne haut.
Mode 4 bits. Dans certains cas, il peut être nécessaire de réduire le nombre de fils utilisés pour piloter l'affichage, par exemple lorsque le microcontrôleur a très peu de broches d'E/S. Dans ce cas, le mode LCD 4 bits peut être utilisé. Dans ce mode, pour transmettredonnées et de les lire, seuls les 4 bits les plus significatifs (D4 à D7) de l'affichage sont utilisés.
4 bits significatifs (D0 à D3) sont alors reliés à la masse. Les données sont ensuite écrites ou lues en envoyant les quatre bits les plus significatifs en séquence, suivis des quatre bits les moins significatifs. Une impulsion positive d'au moins 450 ns doit être envoyée sur la ligne E pour tester chaque quartet.
Dans les deux modes, après chaque action sur l'écran, vous pouvez vous assurer qu'il peut traiter les informations suivantes. Pour ce faire, vous devez demander une lecture en mode commande et vérifier le drapeau Busy BF. Lorsque BF=0, l'affichage est prêt à accepter de nouvelles commandes ou données.
Appareils de tension numériques
Les indicateurs numériques à cristaux liquides pour testeurs se composent de deux fines feuilles de verre, sur les surfaces en regard desquelles de fines pistes conductrices ont été appliquées. Lorsque le verre est vu de droite, ou presque à angle droit, ces traces ne sont pas visibles. Cependant, sous certains angles de vue, ils deviennent visibles.
Schéma du circuit électrique.
Le testeur décrit ici consiste en un oscillateur rectangulaire qui génère une tension alternative parfaitement symétrique sans aucune composante continue. La plupart des générateurs logiques ne sont pas capables de générer une onde carrée, ils génèrent des formes d'onde carrées dont le rapport cyclique fluctue autour de 50 %. Le 4047 utilisé dans le testeur a une sortie scalaire binaire qui garantit la symétrie. La fréquencel'oscillateur est d'environ 1 kHz.
Il peut être alimenté par une alimentation 3-9 V. Habituellement, ce sera une pile, mais une alimentation variable a ses avantages. Il montre à quelle tension le cristal liquide indicateur de tension fonctionne de manière satisfaisante, et il existe également une relation claire entre le niveau de tension et l'angle sous lequel l'affichage est clairement visible. Le testeur ne consomme pas plus de 1 mA.
La tension de test doit toujours être connectée entre la borne commune, c'est-à-dire le plan arrière, et l'un des segments. Si vous ne savez pas quelle borne est le fond de panier, connectez une sonde du testeur au segment et l'autre sonde à toutes les autres bornes jusqu'à ce que le segment soit visible.
