Модуль поиска не установлен.

Жидкокристаллические дисплеи(технологии TN, TN+Film и TFT)

Сергей Ярошенко

Непрерывно возрастающее количество пользователей меняют свои ЭЛТ-мониторы на LCD. Если для 19-дюймовых ЭЛТ-мониторов значительный размер корпуса, комфортно не помещавшийся на офисный стол, привел к фатальным последствиям, то снижение цены и минимальные размеры 19-дюймовых LCD-собратьев сегодня повышают их привлекательность.

Принцип работы LCD-мониторов (Liquid Crystal Display - жидкокристаллический дисплей) основан на использовании вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда назвали "жидкими кристаллами".

Происхождение LCD-мониторов

Жидкокристаллические материалы были открыты в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Дальше патента дело не пошло, поскольку в то время технологическая база была еще слишком слаба для создания надежных и функциональных устройств. Первый прорыв совершили ученые Фергесон и Вильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. В результате, в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала цифровые часы с LCD-прототипом.

Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Именно этой корпорацией:

В 1964 году был произведен первый в мире калькулятор CS10A;
- в 1975 году по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы;
- в 1976 году был выпущен черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселей.

Принцип работы LCD-дисплеев

Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию, и вследствие этого, изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них.

Экран LCD-монитора представляет собой массив сегментов (пикселей), которыми можно манипулировать для отображения информации. Дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Между панелями находится тонкий слой жидких кристаллов. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, придавая им нужную ориентацию. На каждой панели бороздки параллельны, а между панелями перпендикулярны. Продольные бороздки образуются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы жидких кристаллов принимают одинаковую ориентацию. Стеклянные панели расположены очень близко друг к другу. Они освещаются источником света (в зависимости от того, где он расположен, LCD-дисплеи работают на отражение или на прохождение света). При прохождении панели плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90°. Появление электрического тока заставляет молекулы жидких кристаллов выстраиваться вдоль электрического поля, а угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90°.

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникает необходимость добавить к стеклянным панелям еще два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному направлению поляризации. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, т.к. первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем.

В присутствии электрического поля поворот вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для света. Если разность потенциалов будет такова, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, а дисплей будет казаться черным.

Расположив большое число электродов, создающих электрические поля в локальных местах дисплея (ячейки), получим возможность (при правильном управлении потенциалами этих электродов) отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Технологические новшества позволили ограничить размеры электродов до точки, соответственно, на одной и той же площади панели стало возможным расположить большее число электродов, что увеличивало разрешение LCD-монитора и позволяло отображать сложные изображения в цвете.

Для формирования цветного изображения LCD-дисплей подсвечивали сзади. Цвет получался в результате использования трех фильтров, которые выделяли из белого света три основные компоненты. Комбинируя эти компоненты для каждой точки (пикселя) дисплея, появилась возможность воспроизвести любой цвет.

Пассивная (passive matrix) и активная матрицы (active matrix)

Функциональные возможности LCD-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея.

В случае с пассивной матрицей электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея. В результате разряда емкостей ячеек изображение исчезает, т. к. кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. Из-за большой электрической емкости ячеек напряжение на них не способно изменяться быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно.

В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (0 или 1), и в результате изображение сохраняется только до тех пор, пока не поступит другой сигнал.

Тусклые и "тормозные" жидкокристаллические мониторы с пассивной матрицей давно ушли в прошлое, в магазинах можно встретить лишь модели на основе активной матрицы, обеспечивающей яркое, четкое изображение.

При использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы производят из прозрачных материалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки - Thin Film Transistor (TFT).

Технология изготовления TN

Исторически первой технологией изготовления LCD-дисплеев была т.н. технология Twisted Nematic (TN). Название произошло из-за того, что в выключенном состоянии кристаллы в ячейках образовывали спираль. Эффект возникал в результате размещения кристаллов между выравнивающими панелями с бороздками, направленными перпендикулярно друг другу. При приложении электрического поля все кристаллы выстраивались одинаково, т.е. спираль распрямлялась, а при снятии кристаллы вновь стремились ориентироваться вдоль бороздок.

У TN-дисплеев было несколько существенных недостатков:

Во-первых, естественным состоянием дисплея, когда кристаллы образуют спираль, было прозрачное, т.е. она пропускала свет. Благодаря этому, при выходе из строя одного из тонкопленочных транзисторов свет беспрепятственно выходил наружу, образуя весьма заметную постоянно горящую точку;
- во-вторых, развернуть все жидкие кристаллы перпендикулярно фильтру оказалось практически невозможно, поэтому контрастность таких дисплеев оставляла желать лучшего, а уровень черного мог превышать 2 кд/м2 . Такой цвет выглядел как темно-серый, но отнюдь не как черный;
- в-третьих, низкая скорость реакции, первые дисплеи имели время отклика около 50 мс. Впрочем, второй и третий недостатки удалось преодолеть с внедрением технологии Super Twisted Nematic (STN), которая позволила уменьшить время отклика до 30 мс.
- в-четвертых, маленькие углы обзора, всего около 90°. Однако нанесение на поверхность экрана полимерной пленки с большим показателем преломления позволило расширить углы обзора до 120-160° без существенного изменения технологии. Такие дисплеи получили название TN+Film.

Технология изготовления STN

Технология STN позволяла увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивало лучшую контрастность изображения при увеличении размеров панели.

Режим DSTN. Часто STN-ячейки использовались в паре. Такая конструкция называлась Double Super Twisted Nematic (DSTN). В ней одна двухслойная DSTN-ячейка состояла из 2 STN-ячеек, молекулы, которых при работе поворачивались в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в "запертом" состоянии, терял большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN-дисплеев повысилась, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходилось три LCD-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не были способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки - их обязательный атрибут.

ЖК дисплей на основе микроконтроллера HD44780 является наиболее часто используемым в электроники. Вы можете его встретить в кофейных автоматах, часах, копирах, принтерах, роутерах и т.п. Также данный дисплей используется в LCD шилдах для Arduino .

ЖК дисплей представляет из себя модуль , состоящий из микроконтроллера HD44780 разработанный фирмой Hitachi и непосредственно самим ЖК дисплеем . Микроконтроллер принимает команды и обрисовывает соответствующие символы на ЖК дисплее.

Существует огромное количество разновидностей данного ЖК модуля, он может быть 1,2, 4 –ех строчный с различным числом символов на строке , с подсветкой или без , с различным цветом подсветки и т.п. Объединяет их всех наличие микроконтроллера HD44780 , зная команды которого позволит нам без проблем использовать в своих проектах ту или иную модификацию .

Предисловие

Для работы с дисплеями на основе HD44780 создано большое количество библиотек как на ассемблере так и на СИ , также для Arduino существует своя библиотека «LiquidCrystal ».

Для изучения я решил не использовать наработки, а поработать с ним на «низком уровн е», подергать его ножки самим , тем самым я получу представление о его работе. Полученные навыки позволят мне самому написать библиотеку если в этом будет необходимость.

Где взять первоисточник информации?

Если вы захотите сами разобраться как работать с LCD дисплеем на HD44780 и вникнуть глубже , то в этом вам поможет даташит на микроконтроллер HD44780 , которые легко найти в интернете (но если вам лень, вы можете с сайта).

Изучение я разобью на два этапа

1. Сначалая я приведу матчасть по работе с LCD на HD44780 , этому посвящён данный пост

Вам будет интересно:

Введение

Текущее развитие рынка LCD (TFT) дисплеев напоминает многим продавцам о прошлых временах, когда уровни прибыли и спрос были на очень высоком уровне. Еще недавно покупатель должен был выложить очень большие деньги за LCD монитор, что бы сэкономить пространство на рабочем столе, снизить потребление энергии и позаботиться о собственном здоровье. Однако уже сегодня рынок изменяет свое направление, и цены начинают подчиняться обычным динамическим рыночным силам.

Эта статья является первой из цикла, посвященного рассмотрению всех вопросов связанных с LCD. В этой части, мы расскажем Вам о развитии рыночной ситуации и некоторых тенденциях развития LCD. Мы рассмотрим технологию, архитектуру и принципы работы. В заключении мы дадим несколько советов покупателям LCD мониторов. Статья будет интересна не только новичкам, но и профессионалам.

Во второй и третьей частях мы углубленно рассмотрим некоторые особенности LCD, т.к. увеличение угла обзора, рассмотрим современные цифровые интерфейсы (DFP и DVI) и отношение пиксельного размера и максимального диагонального размера дисплея.

Позже мы сообщим о наиболее важных компаниях на рынке LCD, рассмотрим некоторые модели, и естественно будем следить за уровнем цен.

Рыночная ситуация

Огромный успех портативных компьютеров стал сильным толчком в развитии TFT дисплеев. Несмотря на это, свой путь на современный рынок LCD пробивали с большим трудом. Так, например, в 1998 объем проданных LCD был далек от объема продаж ЭЛТ мониторов. При этом спрос на LCD был и остается достаточно высоким. В связи со сложностью производства и низким процентом годных матриц производители не могут выполнить 100% заказов. Не секрет, что сегодня наибольшее распространение LCD получили в офисной сфере. Для того чтобы LCD могли занять свою нишу в секторе домашних компьютеров, необходимо выполнение следующих требований:

• Цены должны быть на уровне ЭЛТ-мониторов
• Минимальный размер 15" с разрешением 1024 x 768 пикселей
• Доступность
• Стандартизированные интерфейсы для цифрового TFT
• Качество и функциональность для всех приложений

Производство и выход годных матриц

Как мы уже сказали выше, конструкция и производство активной TFT матрицы процесс достаточно сложный. Это приводит к очень высоким требованиям к отклонениям от нормы. Например, для управления элементами матрицы используются очень тонкие транзисторы, которые должны иметь абсолютно идентичные уровни срабатывания. Как Вы можете понять, все это прямым образом влияет не только на цену, но и доступность TFT дисплеев.

Текущая ценовая ситуация и тенденции

Еще недавно цены на LCD в два - три раза превышали цену аналогичного ЭЛТ-монитора. Так, 15.1" LCD монитор (эквивалент 17" ЭЛТ-монитора) стоил от 500 до 1,300$. А 18.1" TFT (эквивалент 21" ЭЛТ дисплея) от $2,800 - $3,500.

В начале 1999 года на рынке LCD наблюдалась кратковременная тенденция повышения цен. Многие производители подняли цена примерно на 100$. В общем эта тенденция отличается от традиционного развития IT рынка, однако сложившаяся ситуация позволила держать цены на высоком уровне.

Недавно на рынке наметилось существенное снижение цен. Так сегодня 15" модель можно купить уже за 399$. Однако, это не предел. Некоторые аналитики утверждают, что при благоприятных условиях 15" LCD могут достичь цены $80. Не верится? Да, действительно, LCD могут стоить значительно дешевле ЭЛТ. Однако когда это произойдет, никто не знает.

Современные технологии

Современные дисплейные технологии подразделяются на традиционные с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и плоско панельные дисплеи. Несмотря на развитие ЭЛТ технологии, мониторы, основанные на ней, занимают достаточно много пространства рабочего стола, имеют высокое энергопотребление и негативно влияют на наше здоровье. Плоско панельные дисплеи - т.е. устройства без ЭЛТ - как следует из названия, плоские и занимают минимум площади рабочего стола. Плоско панельные технологии в свою очередь подразделяются на множество различных технологий типа LCD (Жидкокристаллические дисплеи), плазменные дисплеи, LED (светоизлучающие диоды) и различные другие. Среди этих технологий можно выделить те, которые излучают свет и те, которые управляют проходящим через них светом.

На сегодняшний день наиболее интересной и перспективной технологией считаются т.н. TFT-LCD или как их еще называют в народе активные. Эти устройства для формирования изображения используют проходящий через них свет. Кроме активных LCD, существуют пассивные дисплеи STN и DSTN, однако сегодня они применяются только в дешевых ноутбуках.

Рисунок 1: Краткий обзор современных плоско панельных технологий.

Как работает TFT?

TFT расшифровывается как ’Тонкопленочный транзистор (Thin Film Transistor) и описывает элементы, которые активно управляют индивидуальными пикселями.

Как же формируется изображение? Сам принцип формирования достаточно прост: панель состоит из множества мельчайших пикселей, каждый из которых может формировать любой цвет. Для этого используется задняя подсветка, состоящая из одной или множества флуоресцентных ламп. Для управления проходящим через пиксель светом используется т.н. дверка или затвор. На самом деле технология, которая делает это возможным, значительно сложнее.

LCD (Жидкокристаллический дисплей) означает дисплей основанный на жидких кристаллах, которые могут изменять свою молекулярную структуру, что приводит к изменению уровня света, проходящему через них (они могут полностью блокировать проходящий через них свет). В процессе формирования точки используются два поляризационных фильтра, цветные фильтры и два уровня выравнивания. Все это позволяет точно установить уровень проходящего света и его цвет. Уровень выравнивания расположен между двумя стеклянными панелями. Применив определенное напряжение к уровню выравнивания, создается электрическое поле, которое "выравнивает" жидкие кристаллы. Для формирования цвета каждая точка состоит из трех компонентов, один для красного, зеленого и синего - также как на традиционных ЭЛТ дисплеях.

Наиболее часто, сегодня встречаются т.н. скручивающиеся нематические TFT. Ниже на рисунках 2а и 2b показано как работает стандартный TFT (скручивающийся нематический) дисплей.

Рисунок 2a

Когда на уровень выравнивания не подано напряжение, молекулярная структура находится в своем естественном состоянии и искривлена под углом 90 градусов. Свет, испускаемый задней подсветкой, может спокойно проходить через структуру.

Рисунок 2b

Если подать напряжение, создается электрическое поле, и жидкие кристаллы искривляются так, что бы они были вертикально выровнены. Поляризованный свет поглощается вторым поляризатором, что приводит к отсутствию света в конкретной точке.

Архитектура TFT пикселя

Цветные фильтры интегрированы на стеклянную подложку и расположены рядом друг с другом. Как уже мы говорили выше, каждый пиксель состоит из трех цветных ячеек или под-пиксельных элемента. Это означает, что матрица с разрешением 1280 x 1024 пикселя, имеет 3840 x 1024 транзистора и пиксельных элементов. Точка или пиксельный шаг для 15.1" TFT (1024 x 768 пикселя) составляет около 0.0188" (или 0.30mm), а для 18.1" TFT (1280 x 1024 пикселя) около 0.011" (или 0.28mm).

Рисунок 3: TFT пиксели. В левом верхнем углу каждой ячейки расположен тонкопленочный транзистор. Цветные фильтры позволяют формировать любой RGB цвет.

Говоря о архитектуре пикселя необходимо обратить внимание на физические ограничения TFT. Теоретически, чем меньше интервал между пикселями, тем выше разрешение, однако на 15" (около 38 cm) дисплее с точкой 0.0117" (0.297mm), будет невозможно получить разрешение 1280 x 1024. Об отношении между точечным шагом и диагональным размером мы поговорим в одной из будущих статей.

Проблемы масштабирования

Как Вы смогли понять, каждый пиксель находится в фиксированном положении и поэтому определяет разрешающую способность TFT без каких-либо геометрических проблем. Другими словами: максимальное число пикселей соответствует максимальной разрешающей способности. Но, что происходит при уменьшении разрешения, например, при запуске игр или видео? В этом случае контроллер, отвечающий за масштабирование, уменьшает изображение до размера максимального размера дисплея. Если контроллер не может обрабатывать эту задачу эффективно, результат будет искажен. С технической точки зрения эта задача значительно сложнее изменения масштаба на обычном ЭЛТ-мониторе.

Почему? В случае ЭЛТ, электронный луч может приспосабливаться к новому разрешению простым изменением напряжения отклонения. Кроме того, здесь не имеет значения, если луч сформирует точку между двумя соседними пикселями. В случае TFT все значительно сложнее. Из-за активного управления каждым пикселем, масштабирующий контроллер должен повторно вычислить данные для меньших разрешений. Если используется целый коэффициент масштабирования (например, 2 при переходе на 800 x 600 с 1600 x 1200) все очень просто: высота и ширина каждого пикселя удваивается. В случае не целого коэффициента, например, при переходе к 800 x 600 с 1024 x 768 - 1.28, ситуация значительно усложняется. Контроллер должен сам выбрать где отображать один пиксель, а где два. При математическом округлении, возникают ошибки, которые приводят к неприятным эффектам при отображении текста (см. рисунок ниже). Благодаря новым алгоритмам, современные контроллеры могут уменьшать этот эффект, использую уловку (см. продвинутое масштабирование) уменьшая оптическое впечатление: Если данные не могут быть уникально назначены пикселю, то интенсивность пикселя уменьшается.

Рисунок 5: Примеры масштабирования

Какие характеристики являются важными при оценке LCD?

Реальный диагональный размер экрана

Видимый диагональный размер ЭЛТ-монитора всегда меньше фактического диагонального размера трубки. TFT панели не имеют этой краевой области, поэтому указанный диагональный размер тот же, что и видимый диагональный размер. Это означает, что панель размером 15.1" эквивалентна размеру 17" ЭЛТ-монитора.

Угол видимости

Эта характеристика является критической практически для всех плоско панельных дисплеев. Не каждый LCD может похвастаться углом видимости, эквивалентным стандартному ЭЛТ-монитору. Меньший угол связан в первую очередь с конструктивными особенностями LCD. Напомним, что свет от задней подсветки должен пройти через поляризационные фильтры, жидкие кристаллы и т.н. уровни выравнивания, что придает ему некий направленный характер. Если посмотреть на дисплей сбоку под большим углом, изображение будет казаться очень темным или будет наблюдаться искажение цвета. Несмотря на отрицательность этого эффекта, производители смогли найти ему достойное применение. Мы имеем ввиду безопасность. Наибольшее применение этот эффект получил в банках и других учреждениях, где очень важно, что бы отображаемый документ был виден только оператору.

Сегодня разработчики работают над технологией, позволяющими увеличить значение угла видимости, однако уже сегодня известны методы, т.к. IPS (in-plane switching), MVA (multi-domain vertical alignment) и TN+film (twisted nematic and retardation film) которые позволяют увеличить угол до 160 градусов и более, что соответствует стандарту для ЭЛТ-мониторов.

Кстати, если Вы не знаете, напоминаем, что максимальный угол обзора равен крайнему значению, при котором коэффициент контрастности снижается до 10:1 от оригинального значения при перпендикулярном положении к плоскости экрана.

Коэффициент контрастности

Коэффициент контрастности получается из значений максимального и минимального значения яркости. На ЭЛТ-мониторах это коэффициент равен 500:1 и позволяет получить фото реалистическое качество. Для LCD этот коэффициент имеет значительно меньшее значение. Особенно это заметно при отображении черного цвета. На ЭЛТ-мониторе черный цвет формируется достаточно просто, изменением уровня всех цветовых составляющих. На LCD свет подсветки обычно не регулируется, и находится постоянно во включенном состоянии. Для отображения черного цвета, жидкие кристаллы должны полностью блокировать прохождение света. Однако, физически это не возможно. Несмотря на полную блокировку, свет частично будет проходить через кристаллы. Разработчики работают на этой проблемой и сегодня приемлемыми значениями для LCD являются 250:1.

Яркость

Здесь TFT дисплеи лидируют. Максимальная яркость определяется возможностями лампы подсветки. Поэтому получить значения в 200 - 250 кандела не проблема. Хотя технически возможно получить еще большее значение яркости, на практике этого не требуется.

Максимальная яркости ЭЛТ-мониторов находится на уровне 100 - 120 cd/m 2 . Большее значение яркости получить возможно, однако это требует поднятия напряжения ускорения, что негативно влияет на срок службы фосфорного покрытия.

Пиксельные ошибки

На некоторых LCD мониторах (даже новых) имеются т.н. "заклинившие" или "мертвые" точки. Это происходит из-за дефектных транзисторов. Т.е. конкретный транзистор не может управлять световым потоком. Он либо всегда блокирует свет, либо всегда пропускает. Этот факт очень раздражает, однако, стандарты учитывают наличие до пяти "мертвых" точек на новом LCD. При этом успокаивает только, то, что в будущем они не появятся. Для тех, кого эта проблема особенно волнует, мы рекомендуем тщательно проверять монитор при покупке.

Время отклика

Одной из критических характеристик многих TFT дисплеев является время отклика жидких кристаллов. Это приводит к видимой задержке при отображении анимированных сюжетов. Для современных систем типичным значением отклика является 20 - 30 миллисекунд.

Для сравнения: Для нормального просмотра видео необходимо отображать 25 кадров в секунду, т.е. каждый кадр может отображаться не более 40 миллисекунд. Это говорит о том, что TFT в принципе подходит для просмотра видео.

Цветовое качество - подготовка аналоговых входных сигналов

П сравнению с цифровыми плоско панельными дисплеями, LCD, оборудованные стандартным VGA разъемом, должны конвертировать аналоговый сигнал обратно в цифровой, что приводит к потере цветового качества. Некоторые производители рекомендуют использовать A/D конвертеры, которые могут передавать только 18 bit (3 x 6 bit на каждый цвет (красный, зеленый и синий)). Это приводит к снижению числа отображаемых цветов до 262,144 (псевдо RGB). Режим "True Color" требует отображения 16.7 миллионов цветов.

Преимущества и недостатки TFT дисплеев

После знакомства с оcновными характеристиками TFT дисплеев, мы хотели бы провести сравнение обычного ЭЛТ монитора и TFT. TFT дисплеи предлагают очень хорошие характеристики фокусировки из-за активного управления пикселями. Кроме того, TFT дисплеи лишены различных геометрических искажений и ошибок сходимости. Также мы хотим отметить отсутствие нежелательного мерцания. Все эти преимущества TFT перед ЭЛТ связаны с технической природой. Так, например, для формирования изображения на экране ЭЛТ, электронный луч должен пройти весь экран с лева на право с верху в низ, после чего экран гаснет, и луч переходит в исходную позицию. В большинстве случаев возникшее мерцание не заметно, однако оно имеет негативное влияние на наши глаза. В случае TFT дисплеев каждый пиксель горит постоянно, меняется только интенсивность свечения.

В таблице ниже мы привели сравнение основных характеристик ЭЛТ и TFT дисплеев.

(+) положительно (~) приемлемо (-) отрицательно

Идеальный TFT: Что выбрать?

Итак, если Вы решили купить LCD, мы настоятельно рекомендуем проконсультироваться с продавцом и ознакомиться с описанием конкретной модели. Вам необходимо удостовериться, что выбранный Вами монитор отвечает следующим требованиям:

Заключение

Итак, какие выводы можно сделать из нашей первой статьи.

Во-первых, LCD мониторы стали дешевле, и уже практически достигли уровня традиционных ЭЛТ-мониторов. Во-вторых, мы выяснили, что характеристики современных LCD не только не отстают, но и в некоторых случаях превосходят ЭЛТ-мониторы. LCD мониторы лишены таких недостатков ЭЛТ мониторов, как сходимость и геометрические искажения, не имеют неприятного мерцания и излучения, они занимают минимум площади рабочего места, и потребляют в три раза меньше энергии.

Все это говорит о том, что современные LCD могут свободно применяться не только для работы с офисными приложениями, но и дома при просмотре видео, 3D играх и в других современных приложениях, экономя потребление энергии, сохраняя Ваше здоровье, и не портят дизайн Вашей рабочей комнаты.

Что это - LCD? Если говорить коротко и ясно, это жидкокристаллический экран. Простые приборы, которые имеют такое оснащение, могут работать либо с черно-белым изображением, либо с 2-5 цветами. На данный момент описываемые экраны используются для отображения графической или текстовой информации. Их устанавливают в компьютеры, ноутбуки, телевизоры, телефоны, фотоаппараты, планшеты. Большинство электронных устройств на данный момент работает именно с таким экраном. Одной из популярных разновидностей такой техники является жидкокристаллический дисплей с активной матрицей.

История

Впервые жидкие кристаллы были открыты в 1888 году. Сделал это австриец Рейнитцер. В 1927 году русский физик Фредерикс открыл переход, который был назван в его честь. На данный момент он широко используется при создании жидкокристаллических дисплеев. В 1970 году компания RCA представила первый экран подобного типа. Его сразу стали применять в часах, калькуляторах и других приборах.

Чуть позже был создан матричный дисплей, который работал с черно-белым изображением. Цветной жидкокристаллический экран появился в 1987 году. Его создатель - компания Sharp. Диагональ этого прибора составляла 3 дюйма. Отзывы о LCD-экране такого типа были положительными.

Устройство

Рассматривая LCD-экраны, необходимо упомянуть о конструкции технологии.

Состоит данное устройство из ЖК-матрицы, источников света, которые обеспечивают непосредственно саму подсветку. Имеется пластиковый корпус, обрамленный металлической рамкой. Она необходима для придания жесткости. Также используются контактные жгуты, которые являются проводами.

ЖК-пиксели состоят из двух электродов прозрачного типа. Между ними размещается слой молекул, а также имеется два поляризационных фильтра. Их плоскости перпендикулярны. Следует отметить один нюанс. Он заключается в том, что если бы жидких кристаллов между вышеуказанными фильтрами не существовало, то свет, проходящий через один из них, блокировался бы сразу же вторым.

Поверхность электродов, которая соприкасается с жидкими кристаллами, покрыта специальной оболочкой. За счет этого молекулы движутся в одном направлении. Как уже было сказано выше, в основном они располагаются перпендикулярно. При отсутствии напряжения все молекулы имеют винтовую структуру. За счет этого свет преломляется и проходит через второй фильтр без потерь. Теперь любой человек должен понимать что это - LCD с точки зрения физики.

Преимущества

Если сравнивать с электронно-лучевыми приборами, то здесь выигрывает. Он имеет небольшие размеры и массу. ЖК-устройства не мерцают, у них нет проблем с фокусировкой, а также со сведением лучей, не появляются помехи, которые возникают от магнитных полей, нет никаких проблем с геометрией картинки и ее четкостью. Можно прикрепить дисплей LCD на кронштейнах к стене. Сделать это очень просто. При этом картинка не потеряет своих качеств.

Сколько потребляет ЖК-монитор, полностью зависит от настроек изображения, модели самого прибора, а также от характеристик подачи сигнала. Поэтому этот показатель может как совпадать с потреблением тех же лучевых устройств и плазменных экранов, так и быть гораздо ниже. На данный момент известно, что трата электроэнергии ЖК-мониторов будет определяться мощностью установленных ламп, которые обеспечивают подсветку.

Необходимо также сказать о малогабаритных дисплеях LCD. Что это, чем они отличаются? Большая часть таких приборов не имеет подсветки. Эти экраны используются в калькуляторах, часах. Такие устройства отличаются совершенно низким энергопотреблением, поэтому они могут работать до нескольких лет автономно.

Недостатки

Однако эти приборы имеют и минусы. К сожалению, много недостатков являются трудноустранимыми.

Если сравнивать с электронно-лучевой техникой, то четкое изображение на ЖК-дисплее можно получить лишь при штатном разрешении. Чтобы добиться хорошей характеристики других картинок, придется использовать интерполяцию.

ЖК-мониторы имеют средний контраст, а также плохую глубину черного цвета. Если захочется увеличить первый показатель, то нужно сделать больше яркость, что не всегда обеспечивает комфортный просмотр. Эта проблема заметна в устройствах LCD от Sony.

Скорость смены кадров у ЖК-дисплеев намного меньше, если сравнивать с плазменными экранами или электронно-лучевыми. На данный момент разработана технология Overdrive, однако она не решает проблемы скорости.

С углами обзора также имеются некоторые нюансы. Они полностью зависят от контрастности. У электронно-лучевой техники такой неприятности нет. ЖК-мониторы не защищены от механических повреждений, матрица не покрыта стеклом, поэтому при сильном нажатии можно деформировать кристаллы.

Подсветка

Поясняя, что это такое - LCD, следует сказать и об этой характеристике. Сами кристаллы не светятся. Поэтому для того чтобы изображение стало видимым, необходимо иметь источник света. Он может быть внешним или внутренним.

В качестве первого следует использовать солнечные лучи. Во втором варианте применяется искусственный источник.

Как правило, лампы со встроенной подсветкой устанавливаются сзади всех слоев жидких кристаллов, за счет чего они просвечиваются насквозь. Также встречается боковая подсветка, которая используется в часах. В телевизорах LCD (что это - ответ выше) такой тип конструкции не применяется.

Что касается внешнего освещения, то, как правило, черно-белые дисплеи часов и мобильных телефонов работают при наличии такого источника. Позади слоя с пикселями находится специальная матовая отражающая поверхность. Она позволяет отбивать солнечный свет или же излучение от ламп. Благодаря этому можно использовать такие устройства в темноте, так как производители встраивают боковую подсветку.

Дополнительная информацция

Есть дисплеи, в которых объединены внешний источник и дополнительно встроенные лампы. Ранее в некоторых часах, где был установлен ЖК-экран монохромного типа, использовалась специальная лампа накаливания небольшого размера. Однако из-за того что она потребляет слишком много энергии, такое решение не является выгодным. Подобные устройства уже не используются в телевизорах, так как они выделяют большое количество тепла. Из-за этого жидкие кристаллы разрушаются и перегорают.

В начале 2010 года стали распространенными LCD-телевизоры (что это такое, мы рассмотрели выше), которые имели Такие дисплеи не стоит путать с действительно настоящими LED-экранами, где каждый пиксель светится самостоятельно, являясь светодиодом.

Компания Tianma Microelectronics на сегодняшний день является одним из самых крупных производителей жидкокристаллических дисплеев.

Дисплеи Tianma нашли применение в самых разнообразных областях: мобильная телефония, MP3/MP4-плееры, телекоммуникационные и навигационные системы, автомобильные системы, цифровая фотография и др. Продукцию компании используют в своих изделиях такие бренды как: AT&T, Alcatel, BBK, Bosсh, Casio, Citroen, Denon, Funai, General Electric, Grundig, LG, Magellan, Motorola, NEC, Pioneer, Polaroid, Ricoh, Samsung, Siemens и Thomson.

Tianma Microelectronics была основана в Китае в 1983 году. Сейчас она имеет в своем составе несколько научно-исследовательских центров и фабрик. Работают представительства в Германии (Карлсруэ), США (Калифорния), Корее (Кенгидо) и Тайване (Таоюан).

В 1984 году компания освоила массовое производство незамысловатых (по нынешним меркам) TN LCD-дисплеев. В июле 2011 года управляющая компания AVIC International Group приобрела подразделение NEC LCD Technologies, специализирующееся на дисплеях. Сегодня, кроме TN, Tianma может предложить STN, CSTN и TFT-дисплеи.

TFT-дисплеи

Принцип работы LCD TFT

LCD TFT (Liquid crystal display Thin film transistor ) — наиболее распространенный вид жидкокристаллических дисплеев (рис. 1). Своим названием они обязаны тонкопленочному транзистору (TFT), являющемуся разновидностью полевого, в котором металлические контакты и полупроводниковый канал изготавливаются в виде тонких пленок. TFT используется для управления жидкими кристаллами, т.е. для формирования цвета пикселей.

Рис. 1.

В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si). Кроме аморфного кремния на данный момент разработано много других технологий, но лидером по объему производства пока остается a-Si. Именно по этой технологии изготавливает свои TFT-дисплеи компания Tianma.

Дисплей состоит из ЖК-матрицы, источников света для подсветки, контактного жгута и корпуса. Каждый пиксель ЖК-матрицы представляет собой слой молекул между двумя прозрачными электродами и два поляризационных фильтра. А пиксели в свою очередь составлены из субпикселей (рис. 2), формирующих различные цвета. Поверхность электродов специально обработана для изначальной ориентации молекул жидких кристаллов в одном направлении.

Рис. 2.

Такая структура поворачивает плоскость поляризации световой волны, и, доходя до второго фильтра, свет проходит его без потерь.

Если к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что приводит к разрушению винтовой упорядоченности. С ростом напряженности электрического поля спираль постепенно раскручивается, и через второй фильтр проходит все меньше и меньше света.

При определенной величине поля почти все молекулы становятся параллельны, и плоскость поляризации света практически не вращается. Это приводит к непрозрачности структуры. Таким образом, меняя напряжение, подаваемое на электроды, можно управлять степенью прозрачности и, соответственно, интенсивностью свечения субпикселей.

Основные параметры LCD TFT

Для описания TFT-дисплеев используется много параметров. Рассмотрим наиболее важные из них:

• Диагональ экрана (Diagonal)- расстояние между противоположными углами матрицы. Диагональ экрана обычно измеряется и записывается в дюймах.
• Разрешение (Resolution)- горизонтальный и вертикальный размеры экрана, измеренные в пикселях. Разрешение TFT-дисплея имеет одно фиксированное значение, все остальные достигаются интерполяцией. Чем больше пикселей на экране, тем качественнее изображение можно получить, и тем дисплей дороже.
• Яркость (Brightness)- количество света, излучаемое дисплеем. Яркость обычно измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м 2). Зависит от мощности лампы, подсветки и ее характеристик. Яркость желательно выбирать с запасом, чтобы картинка хорошо воспринималась при любом уровне внешней освещенности. С увеличением диагонали экрана повышается, как правило, и показатель яркости. Если для двухдюймовых панелей яркость может быть около 200 кд/м 2 , то для 10-дюймовых яркость уже порядка 300…400кд/м 2 .
• Контрастность (Contrast)- отношение яркостей самой светлой и самой темной точек при заданной яркости подсветки. Чем меньше засвечен черный цвет, и чем выше яркость белого, тем выше контрастность. Чем больше это соотношение, тем лучше будет цветопередача изображения. Контрастность обычно записывается в виде 1000:1.
• Время отклика (Response time)- минимальное время, за которое ячейка жидкокристаллической панели изменяет свою яркость. Чем оно меньше, тем лучше. Измеряется этот показатель в миллисекундах. Его оптимальное значение- менее 20мс. Малое время отклика очень важно при просмотре динамично меняющегося изображения на больших экранах. При его хорошем значении за изображением не должно быть никаких шлейфов.
• Угол обзора (Viewing angle)- угол, при котором падение контраста изображения в центре панели достигает заданного (обычно 10). Появление этого параметра обусловлено тем, что дисплеи имеют ограниченный угол обзора, и контрастность изображения весьма сильно зависит от угла падения взгляда на LCD-панель. При определенных углах контраст резко падает, и чтение информации с экрана становится почти невозможным. Угол обзора обычно записывается в виде 170°/160°. Первая цифра относится к вертикали, а вторая- к горизонтали.

Интерфейсы LCD TFT

Для соединения ЖК-панели с управляющим микропроцессором Tianma предлагает на выбор несколько интерфейсов: параллельный цифровой интерфейс (CPU 8/16 bit), последовательный периферийный интерфейс (SPI), RGB-интерфейс и интерфейс низковольтной дифференциальной передачи сигналов (LVDS).

Остановимся подробнее на каждом из них:

• CPU 8/16 bit- один из самых старых и распространенных интерфейсов. Применяется повсеместно в цифровой электронике. Состоит из шины адреса/данных (8 или 16 бит) и соответствующих управляющих сигналов. Использование этого интерфейса при подключении LCD-панелей постепенно отмирает. Его преимущественно используют на небольших ЖК-экранах.
• SPI- еще один старый и очень распространенный интерфейс. Является простым и недорогим вариантом сопряжения микроконтроллера и дисплея. Имеется на борту практически любого микроконтроллера, и, как правило, кроме дисплея через SPI подключается еще много внешней периферии. Основным преимуществом является использование всего четырех линий: двух линий данных, тактирующего сигнала и сигнала выбора микросхемы. Используется также преимущественно на небольших экранах.
• RGB- классический вариант подключения ЖК-панели. Своим названием обязан трем основным цветам, формирующим цвет пикселя: RED (красный), GREEN (зеленый) и BLUE (синий).

С точки зрения количества связей интерфейс является довольно громоздким. Больше всего цифровых линий уходит на передачу трех цветов: 6/8 линий (разрядов) на цвет — суммарно 18 или 24. Плюс к этому — сигналы тактовой частоты, строчной и кадровой синхронизации.

Интерфейс имеет много недостатков: большое количество связей, сложность синхронизации при передаче данных на высоких частотах (т.е. при работе с высоким разрешением) и низкая помехозащищенность.

• LVDS- самый распространенный на текущий момент интерфейс, обеспечивающий высокую пропускную способность. Был разработан компанией National Semiconductor в 1994 году.

LVDS реализует дифференциальную передачу данных, что обеспечивает высокую помехозащищенность интерфейса и позволяет добиться высокой пропускной способности. LVDS подразумевает наличие в схеме трансмиттеров и ресиверов. Трансмиттер подключается к управляющему микроконтроллеру. Ресивер располагается на LCD-панели.

Передачу данных обеспечивают пять дифференциальных пар: четыре пары используются для передачи данных и одна — для передачи тактовых сигналов.

LVDS используется для передачи как 18-разрядного цветового кода (три цвета по 6 бит), так и для 24-разрядного цвета (три цвета по 8 бит). Передача одного цвета происходит сразу по нескольким дифференциальным парам. Сигналы строчной и кадровой синхронизации также поступают на LCD-панель через дифференциальные каналы.

Для увеличения пропускной способности этого интерфейса National Semiconductor расширила интерфейс LVDS и удвоила количество дифференциальных пар, используемых для передачи данных. Это усовершенствование получило название LDI — LVDS Display Interface. В документации Tianma такой вариант интерфейса обозначается как «LVDS 2 port».

Как было сказано выше, LDI получил восемь дифференциальных пар, предназначенных для передачи данных, и две дифференциальные пары тактовых сигналов, т.е. LDI, по сути дела, представляет собой два независимых полнофункциональных канала LVDS, передача данных в каждом из которых осуществляется собственным тактовым сигналом.

Соответственно, наличие двух каналов позволило вдвое увеличить пропускную способность интерфейса. Теперь за один пиксельный такт можно передать информацию о двух пикселях. При такой организации один канал предназначен для передачи четных точек экрана (Even), а второй — для нечетных (Odd).

Сенсорный экран LCD TFT

Часто TFT-дисплеи комплектуются сенсорными экранами, получившими сейчас небывалое распространение в мобильных телефонах, игровых консолях, платежных терминалах и прочих устройствах. Наиболее востребованы два типа сенсорных экранов: резистивные и емкостные.

Резистивные сенсорные экраны обладают рядом достоинств, которые позволили им занять очень большую долю на рынке. Самое главное их преимущество — низкая цена. Кроме этого резистивные экраны обладают стойкостью к загрязнению: т.е. загрязнение не нарушает работу сенсорного экрана. Экраны реагируют на прикосновение практически любым твердым гладким предметом.

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны, на которые нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения.

Емкостные сенсорные экраны обладают лучшим светопропусканием и большей долговечностью по сравнению с резистивными, но восприимчивы к воздействию влаги и токопроводящих загрязнений. Экраны реагируют на прикосновение только токопроводящего предмета (пальца или специального стилуса). То есть, если вы захотите воспользоваться обычным стилусом или любым другим твердым предметом, экран на ваше касание никак не отреагирует. По точности определения координат емкостные экраны ни в чем не уступают резистивным.

Принцип работы экрана этого типа основан на способности человеческого тела проводить электрический ток. В основе емкостного экрана лежит стеклянная подложка, на поверхность которой нанесен резистивный материал, прикрытый токопроводящей пленкой. В момент касания пальцем экрана возникает электрический ток, а специальный контроллер вычисляет координаты касания.

LCD TFT компании Tianma

Ассортимент TFT-дисплеев, выпускаемых компанией Tianma, достаточно обширен. Формат данной статьи не позволяет рассказать о всех моделях, поэтому в таблице 1 представлен краткий обзор дисплеев, сгруппированных по диагонали и разрешению. Для детального ознакомления со всей линейкой лучше обратится к сайту производителя по адресу: http://tianma-europe.com/products/tftcolormodules/index.html .

Таблица 1. TFT-дисплеи компании Tianma

Часть производимых компанией Tianma TFT-дисплеев комплектуется сенсорными экранами. Компания использует резистивные и емкостные экраны. Подавляющее большинство — резистивные.

Большинство TFT-дисплеев работает в расширенном температурном диапазоне -20…70°С.

TN- и STN-дисплеи

Первой технологией изготовления LCD-дисплеев была технология Twisted Nematic (TN). Она была разработана в 1973 году. Название обязано своим происхождением поведению жидких кристаллов, которые при размещении между выравнивающими панелями с бороздками выстраивалась в спираль.

TN-дисплеи имеют несколько существенных недостатков: низкая контрастность, большое время реакции, маленькие углы обзора и почти невозможное формирование оттенков. Но они обладают самой низкой стоимостью и поэтому находят самое широкое применение в недорогих изделиях с невысокими требованиями к качеству изображения.

Типичные представители этой технологии представлены на рисунках 3 и 4.

Рис. 3.

Рис. 4.

Развитием технологии TN LCD-дисплеев стала Super Twisted Nematic (STN). STN позволила увеличить угол кручения ориентации кристаллов внутри LCD-дисплея до 270 градусов. Это позволило увеличить контрастность изображения и размеры панелей.

На основе технологии TN, STN и их производных компания Tianma производит большое количество символьных и графических LCD-индикаторов.

Символьные индикаторы (рисунок 5) сделаны на технологии STN под управлением контроллера ST7066U. Подключение к внешнему управляющему микропроцессору происходит через 8-битный параллельный цифровой интерфейс. Возможные варианты количества символов: 8х1 (8 символов в строке, 1 строка), 8х2 (8 символов в строке, 2 строки), 16х1, 16х2, 20х2, 20х4 и 40х2. Подсветка выполнена из нескольких последовательно расположенных SMD-светодиодов. Стандартный цвет подсветки — желто-зеленый. Индикаторы рассчитаны на работу при температуре -20…70°С.

Рис. 5.

Монохромные графические индикаторы сделаны на основе STN или FSTN-технологии. Управляющих контроллеров здесь предложено достаточно много: ST7579, SBN1661, ST7565R, SDN8080 и другие. Подключение к внешнему управляющему микропроцессору происходит через последовательный либо параллельный 4/8-битный цифровой интерфейс. Доступны индикаторы со следующими разрешениями: 96х16, 96х32, 122х32, 128х64, 240х64, 240х128 и 320х240.

Подсветка выполнена из светодиодов. Индикаторы рассчитаны на работу при температуре -20…70°С.

Цветные графические индикаторы (рис. 6) сделаны на основе Color Super Twisted Nematic (СSTN) технологии. Технология довольно старая, но, тем не менее, все еще занимает небольшую долю ранка цветных дисплеев.

Рис. 6.

Управляющих контроллеров предложено несколько: ST7637, UC1697v, ST7669V и ST7628. Подключение к внешнему управляющему микропроцессору происходит через параллельный 8/16-битный цифровой интерфейс. Доступны следующие разрешения дисплеев: 96х64,128х128 и 128х160, 240х128.

Индикаторы рассчитаны на работу при температуре -20…70°С.

Заключение

В настоящий момент Tianma осваивает технологию активной матрицы на органических светодиодах (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode, AMOLED). К концу этого года в Шанхае планируется выпуск первых OLED-дисплеев.

Технология подразумевает использование органических светодиодов в качестве светоизлучающих элементов и активной матрицы из TFT-транзисторов для управления светодиодами. Дисплеи AMOLED отличаются от TFT улучшенной цветопередачей, повышенной яркостью и более высокой контрастностью картинки. Еще один несомненный плюс этих экранов — пониженное энергопотребление, что позволяет более экономно расходовать заряд аккумулятора.

Выведя на рынок свои OLED-дисплеи, компания Tianma, несомненно, еще больше укрепит свое положение лидера на рынке жидкокристаллических дисплеев.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Новые дисплеи компании Tianma

Компания Tianma выпустила новые дисплеи с возможностью подключения через параллельный или последовательный интерфейсы.

TM050QDH01

Данный дисплей разработан в первую очередь для видеонаблюдения и переносных портативных устройств. На борту этого 5" TFT-дисплея стоят два контроллера NT39403 + NT39207, он имеет VGA-разрешение 640 x 480, а также высокую контрастность и яркость.

TM022HDHT1 — интерфейсы SPI + RGB 18 бит

Компактный дисплей диагональю 2,2" с книжной ориентацией, разрешением 240 x 320, с универсальным контроллером ILI9340 ориентирован на переносные устройства. Имеет полуотражающий поляризатор, который позволяет использовать данный дисплей без подсветки.

TM020HBH03 — интерфейсы CPU 8/16 бит, 4-wire SPI

TFT-дисплей 2,0" с сенсорным экраном и достаточно широким для такой диагонали разрешением — 240 x 320.

TM035HBHT1 — интерфейсы RGB 6 бит + SPI

TM035HDHT1 — интерфейсы RGB 6 бит + SPI

Два дисплея с полуотражающим поляризатором и двумя интерфейсами. Отличие этих моделей друг от друга заключается в наличии сенсорной панели у TM035HBHT1.

Основные преимущества:

• два интерфейса позволяют использовать эти TFT-дисплеи в различных применениях, особенно там, где не хватает выводов для стандартного RGB-интерфейса.
• Низкое энергопотребление, как у TM050QDH01 (100мА при напряжении 9,75В), так и у TM022HDHT1 (20мА при напряжении 12,8В).
• Компактный корпус позволяет встроить эти дисплеи практически в любой форм-фактор.
• Некоторые дисплеи можно использовать без подсветки, что также сказывается на энергопотреблении.

О компании Tianma Microelectronics