Um display de cristal líquido é um tipo de imagem gerada eletricamente em uma tela plana fina. Os primeiros LCDs, que surgiram na década de 1970, eram pequenas telas usadas principalmente em calculadoras e relógios digitais que exibiam números pretos em um fundo branco. Os LCDs podem ser encontrados em todos os sistemas eletrônicos domésticos, telefones celulares, câmeras e monitores de computador, bem como relógios e televisores. As TVs LCD de tela plana de última geração substituíram amplamente os CRTs volumosos tradicionais em televisores e podem produzir imagens coloridas de alta definição de até 108 polegadas na diagonal da tela.
História dos cristais líquidos
Os cristais líquidos foram descobertos por acaso em 1888 pelo botânico F. Reinitzer da Áustria. Ele descobriu que o benzoato de colesterol tem dois pontos de fusão, transformando-se em um líquido turvo a 145°C, e em temperaturas acima de 178,5°C, o líquido se torna transparente. Paraencontrar uma explicação para esse fenômeno, ele deu suas amostras ao físico Otto Lehmann. Usando um microscópio equipado com aquecimento escalonado, Lehman mostrou que a substância tem propriedades ópticas características de alguns cristais, mas ainda é um líquido, e daí o termo “cristal líquido” foi cunhado.
Durante as décadas de 1920 e 1930, pesquisadores estudaram os efeitos de campos eletromagnéticos em cristais líquidos. Em 1929, o físico russo Vsevolod Frederiks mostrou que suas moléculas em um filme fino ensanduichado entre duas placas mudavam seu alinhamento quando um campo magnético era aplicado. Foi o precursor do moderno display de cristal líquido de voltagem. O ritmo do desenvolvimento tecnológico desde o início da década de 1990 tem sido rápido e continua a crescer.
A tecnologia LCD evoluiu do preto e branco para relógios e calculadoras simples para multicolorido para telefones celulares, monitores de computador e televisores. O mercado global de LCD está se aproximando de US$ 100 bilhões por ano, acima dos US$ 60 bilhões em 2005 e US$ 24 bilhões em 2003, respectivamente. A fabricação de LCD está globalmente concentrada no Extremo Oriente e crescendo na Europa Central e Oriental. As empresas americanas lideram a tecnologia de fabricação. Suas telas agora dominam o mercado e é improvável que isso mude no futuro próximo.
Física do processo de cristalização
A maioria dos cristais líquidos, como o benzoato de colesterol, são constituídos por moléculas com longas estruturas semelhantes a bastonetes. Esta estrutura especial de moléculas líquidascristais entre dois filtros polarizadores podem ser quebrados aplicando tensão aos eletrodos, o elemento LCD fica opaco e permanece escuro. Dessa forma, vários elementos de exibição podem ser alternados para cores claras ou escuras, exibindo números ou caracteres.
Esta combinação de forças atrativas existentes entre todas as moléculas associadas a uma estrutura em forma de bastão provoca a formação de uma fase de cristal líquido. No entanto, essa interação não é forte o suficiente para manter as moléculas no lugar permanentemente. Desde então, muitos tipos diferentes de estruturas de cristal líquido foram descobertos. Alguns deles são organizados em camadas, outros em forma de disco ou colunas.
tecnologia LCD
O princípio de funcionamento de uma tela de cristal líquido é baseado nas propriedades de materiais eletricamente sensíveis chamados cristais líquidos, que fluem como líquidos, mas têm uma estrutura cristalina. Nos sólidos cristalinos, as partículas constituintes - átomos ou moléculas - estão em arranjos geométricos, enquanto no estado líquido elas são livres para se mover aleatoriamente.
O dispositivo de exibição de cristal líquido consiste em moléculas, geralmente em forma de bastão, que se organizam em uma direção, mas ainda podem se mover. As moléculas de cristal líquido reagem auma tensão elétrica que altera sua orientação e altera as características ópticas do material. Esta propriedade é usada em LCDs.
Em média, esse painel consiste em milhares de elementos de imagem (“pixels”), que são alimentados individualmente por tensão. Eles são mais finos, mais leves e têm uma voltagem operacional mais baixa do que outras tecnologias de exibição e são ideais para dispositivos alimentados por bateria.
Matriz Passiva
Existem dois tipos de displays: matriz passiva e ativa. Os passivos são controlados por apenas dois eletrodos. São tiras de ITO transparente que giram 90 entre si. Isso cria uma matriz cruzada que controla cada célula LC individualmente. O endereçamento é feito por lógica e drivers separados do LCD digital. Como não há carga na célula de LC neste tipo de controle, as moléculas de cristal líquido retornam gradualmente ao seu estado original. Portanto, cada célula deve ser monitorada em intervalos regulares.
As passivas têm um tempo de resposta relativamente longo e não são adequadas para aplicações de televisão. De preferência, nenhum driver ou componente de comutação, como transistores, é montado no substrato de vidro. A perda de brilho devido ao sombreamento por esses elementos não ocorre, portanto a operação dos LCDs é muito simples.
As passivas são amplamente utilizadas com dígitos e símbolos segmentados para pequenas leituras em dispositivos comocalculadoras, impressoras e controles remotos, muitos deles monocromáticos ou com poucas cores. Telas gráficas monocromáticas e coloridas passivas eram usadas nos primeiros laptops e ainda são usadas como uma alternativa à matriz ativa.
Exibições TFT Ativas
Os displays de matriz ativa usam um transistor para acionar e um capacitor para armazenar carga. Na tecnologia IPS (In Plane Switching), o princípio de funcionamento de um indicador de cristal líquido utiliza um design em que os eletrodos não se empilham, mas estão localizados próximos uns dos outros no mesmo plano em um substrato de vidro. O campo elétrico penetra horizontalmente nas moléculas de LC.
Eles são alinhados paralelamente à superfície da tela, o que aumenta muito o ângulo de visão. A desvantagem do IPS é que cada célula precisa de dois transistores. Isso reduz a área transparente e requer uma luz de fundo mais brilhante. VA (Alinhamento Vertical) e MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) usam cristais líquidos avançados que se alinham verticalmente sem um campo elétrico, ou seja, perpendicular à superfície da tela.
A luz polarizada pode passar, mas é bloqueada pelo polarizador frontal. Assim, uma célula sem ativação é preta. Uma vez que todas as moléculas, mesmo aquelas localizadas nas bordas do substrato, são uniformemente alinhadas verticalmente, o valor de escuridão resultante é muito grande em todos os cantos. Ao contrário da matriz passivatelas de cristal líquido, telas de matriz ativa têm um transistor em cada subpixel vermelho, verde e azul que os mantém na intensidade desejada até que essa linha seja endereçada no próximo quadro.
Tempo de comutação da célula
O tempo de resposta dos displays sempre foi um grande problema. Devido à viscosidade relativamente alta do cristal líquido, as células LCD mudam muito lentamente. Devido aos movimentos rápidos na imagem, isso leva à formação de listras. O cristal líquido de baixa viscosidade e o controle de célula de cristal líquido modificado (overdrive) geralmente resolvem esses problemas.
O tempo de resposta dos LCDs modernos é atualmente de cerca de 8ms (o tempo de resposta mais rápido é de 1ms) alterando o brilho de uma área de imagem de 10% para 90%, onde 0% e 100% são brilho de estado estável, ISO 13406 -2 é a soma do tempo de comutação de claro para escuro (ou vice-versa) e vice-versa. No entanto, devido ao processo de comutação assintótica, é necessário um tempo de comutação de <3 ms para evitar bandas visíveis.
A tecnologia Overdrive reduz o tempo de comutação das células de cristal líquido. Para este propósito, uma tensão mais alta é aplicada temporariamente à célula LCD do que o necessário para o valor real de brilho. Devido ao curto surto de tensão do visor de cristal líquido, os cristais líquidos inertes literalmente saem de sua posição e se nivelam muito mais rápido. Para este nível de processo, a imagem deve ser armazenada em cache. Juntamente com especialmente concebidos para os valores correspondentescorreção de exibição, a altura de tensão correspondente depende da gama e é controlada por tabelas de pesquisa do processador de sinal para cada pixel e calcula o tempo exato das informações da imagem.
Principais componentes dos indicadores
A rotação na polarização da luz produzida pelo cristal líquido é a base do funcionamento de um LCD. Existem basicamente dois tipos de LCDs, Transmissivo e Refletivo:
- Transmissivo.
- Transmissão.
Transmissão operação do display LCD. No lado esquerdo, a luz de fundo do LCD emite luz não polarizada. Ao passar pelo polarizador traseiro (polarizador vertical), a luz ficará polarizada verticalmente. Esta luz então atinge o cristal líquido e irá torcer a polarização se estiver ligada. Portanto, quando a luz polarizada verticalmente passa pelo segmento de cristal líquido LIGADO, ela se torna polarizada horizontalmente.
Next - o polarizador frontal bloqueará a luz polarizada horizontalmente. Assim, este segmento aparecerá escuro para o observador. Se o segmento de cristal líquido estiver desligado, ele não alterará a polarização da luz, portanto, permanecerá polarizado verticalmente. Então o polarizador frontal transmite essa luz. Esses monitores, comumente chamados de LCDs retroiluminados, usam a luz ambiente como fonte:
- Relógio.
- LCD refletivo.
- Geralmente as calculadoras usam esse tipo de exibição.
Segmentos positivos e negativos
Uma imagem positiva é criada por pixels ou segmentos escuros em um fundo branco. Neles, os polarizadores são perpendiculares entre si. Isso significa que, se o polarizador frontal for vertical, o polarizador traseiro será horizontal. Então OFF e o fundo deixarão a luz passar, e ON irá bloqueá-la. Esses monitores são normalmente usados em aplicações onde a luz ambiente está presente.
Também é capaz de criar displays de estado sólido e de cristal líquido com diferentes cores de fundo. Uma imagem negativa é criada por pixels ou segmentos claros em um fundo escuro. Neles, os polarizadores dianteiros e traseiros são combinados. Isso significa que se o polarizador frontal for vertical, o traseiro também será vertical e vice-versa.
Assim, os segmentos OFF e o fundo bloqueiam a luz, e os segmentos ON deixam a luz passar, criando uma exibição de luz contra um fundo escuro. LCDs retroiluminados normalmente usam esse tipo, que é usado onde a luz ambiente é fraca. Também é capaz de criar diferentes cores de fundo.
Exibir memória RAM
DD é a memória que armazena os caracteres exibidos na tela. Para exibir 2 linhas de 16 caracteres, os endereços são definidos da seguinte forma:
| Linha | Visível | Invisível |
| Topo | 00H 0FH | 10H 27H |
| Baixo | 40H - 4FH | 50H 67H |
Permite criar no máximo 8 caracteres ou 5x7 caracteres. Uma vez que os novos caracteres são carregados na memória, eles podem ser acessados como se fossem caracteres normais armazenados na ROM. CG RAM usa palavras de 8 bits, mas apenas os 5 bits menos significativos aparecem no LCD.
Então D4 é o ponto mais à esquerda e D0 é o polo à direita. Por exemplo, carregar um byte RAM CG em 1Fh chama todos os pontos desta linha.
Controle de modo de bits
Existem dois modos de exibição disponíveis: 4 bits e 8 bits. No modo de 8 bits, os dados são enviados ao display pelos pinos D0 a D7. A string RS é definida como 0 ou 1, dependendo se você deseja enviar um comando ou dados. A linha R/W também deve ser ajustada em 0 para indicar o display a ser escrito. Resta enviar um pulso de pelo menos 450 ns para a entrada E para indicar que dados válidos estão presentes nos pinos D0 a D7.
O display lerá os dados na borda descendente desta entrada. Se for necessária uma leitura, o procedimento é idêntico, mas desta vez a linha R/W é definida como 1 para solicitar uma leitura. Os dados serão válidos nas linhas D0-D7 no estado de linha alta.
modo de 4 bits. Em alguns casos, pode ser necessário reduzir o número de fios usados para acionar o display, como quando o microcontrolador tem poucos pinos de E/S. Neste caso, o modo LCD de 4 bits pode ser usado. Neste modo, para transmitirdados e lendo-os, apenas os 4 bits mais significativos (D4 a D7) do display são usados.
4 bits significativos (D0 a D3) são então conectados ao terra. Os dados são então escritos ou lidos enviando os quatro bits mais significativos em sequência, seguidos pelos quatro bits menos significativos. Um pulso positivo de pelo menos 450 ns deve ser enviado na linha E para testar cada nibble.
Em ambos os modos, após cada ação no display, você pode ter certeza de que ele pode processar as seguintes informações. Para fazer isso, você precisa solicitar uma leitura no modo de comando e verificar o sinalizador Busy BF. Quando BF=0, o display está pronto para aceitar novos comandos ou dados.
Dispositivos de tensão digital
Os indicadores digitais de cristal líquido para testadores consistem em duas finas folhas de vidro, nas quais foram aplicadas finas faixas condutoras. Quando o vidro é visto da direita, ou quase em ângulo reto, essas trilhas não são visíveis. No entanto, em certos ângulos de visão, eles se tornam visíveis.
Diagrama de circuito elétrico.
O testador descrito aqui consiste em um oscilador retangular que gera uma tensão CA perfeitamente simétrica sem qualquer componente CC. A maioria dos geradores lógicos não é capaz de gerar uma onda quadrada, eles geram formas de onda quadradas cujo ciclo de trabalho oscila em torno de 50%. O 4047 usado no testador possui uma saída escalar binária que garante a simetria. Frequênciaoscilador é de cerca de 1 kHz.
Pode ser alimentado por uma fonte de 3-9 V. Normalmente será uma bateria, mas uma fonte de alimentação variável tem suas vantagens. Ele mostra em qual voltagem o cristal líquido do indicador de voltagem funciona satisfatoriamente, e também há uma relação clara entre o nível de voltagem e o ângulo em que a tela é claramente visível. O testador não consome mais de 1 mA.
A tensão de teste deve sempre ser conectada entre o terminal comum, ou seja, o plano traseiro, e um dos segmentos. Se não for conhecido qual terminal é o backplane, conecte uma ponta de prova do testador ao segmento e a outra ponta de prova a todos os outros terminais até que o segmento fique visível.
