Una pantalla de cristal líquido es un tipo de imagen generada eléctricamente en un panel delgado y plano. Las primeras pantallas LCD, que aparecieron en la década de 1970, eran pantallas diminutas que se usaban principalmente en calculadoras y relojes digitales que mostraban números negros sobre un fondo blanco. Las pantallas LCD se pueden encontrar en todas partes en sistemas electrónicos domésticos, teléfonos móviles, cámaras y monitores de computadora, así como en relojes y televisores. Los televisores de pantalla plana LCD de última generación de hoy en día han reemplazado en gran medida a los voluminosos CRT tradicionales en los televisores y pueden producir imágenes en color de alta definición de hasta 108 pulgadas en diagonal a lo largo de la pantalla.
Historia de los cristales líquidos
Los cristales líquidos fueron descubiertos por accidente en 1888 por el botánico F. Reinitzer de Austria. Encontró que el benzoato de colesterilo tiene dos puntos de fusión, convirtiéndose en un líquido turbio a 145 °C, y a temperaturas superiores a 178,5 °C, el líquido se vuelve transparente. Aencontrar una explicación para este fenómeno, entregó sus muestras al físico Otto Lehmann. Usando un microscopio equipado con calentamiento escalonado, Lehman demostró que la sustancia tiene propiedades ópticas características de algunos cristales, pero sigue siendo un líquido, por lo que se acuñó el término "cristal líquido".
Durante las décadas de 1920 y 1930, los investigadores estudiaron los efectos de los campos electromagnéticos en los cristales líquidos. En 1929, el físico ruso Vsevolod Frederiks demostró que sus moléculas en una película delgada intercalada entre dos placas cambiaban su alineación cuando se aplicaba un campo magnético. Fue el precursor de la moderna pantalla de cristal líquido de voltaje. El ritmo del desarrollo tecnológico desde principios de la década de 1990 ha sido rápido y sigue creciendo.
La tecnología LCD ha evolucionado desde el blanco y negro para simples relojes y calculadoras hasta el multicolor para teléfonos móviles, monitores de computadora y televisores. El mercado mundial de LCD se acerca ahora a los 100.000 millones de dólares al año, frente a los 60.000 millones de dólares de 2005 y los 24.000 millones de dólares de 2003, respectivamente. La fabricación de LCD se concentra globalmente en el Lejano Oriente y crece en Europa Central y Oriental. Las empresas estadounidenses lideran el camino en tecnología de fabricación. Sus pantallas ahora dominan el mercado y es poco probable que esto cambie en un futuro cercano.
Física del proceso de cristalización
La mayoría de los cristales líquidos, como el benzoato de colesterilo, están formados por moléculas con estructuras largas similares a varillas. Esta estructura especial de las moléculas líquidasLos cristales entre dos filtros polarizadores se pueden romper aplicando voltaje a los electrodos, el elemento LCD se vuelve opaco y permanece oscuro. De esta manera, varios elementos de la pantalla se pueden cambiar a colores claros u oscuros, mostrando así números o caracteres.
Esta combinación de fuerzas atractivas que existen entre todas las moléculas asociadas con una estructura similar a una barra provoca la formación de una fase de cristal líquido. Sin embargo, esta interacción no es lo suficientemente fuerte como para mantener las moléculas en su lugar de forma permanente. Desde entonces, se han descubierto muchos tipos diferentes de estructuras de cristal líquido. Algunas de ellas están dispuestas en capas, otras en forma de disco o en columnas.
Tecnología LCD
El principio de funcionamiento de una pantalla de cristal líquido se basa en las propiedades de los materiales eléctricamente sensibles llamados cristales líquidos, que fluyen como líquidos pero tienen una estructura cristalina. En los sólidos cristalinos, las partículas constituyentes (átomos o moléculas) están en arreglos geométricos, mientras que en un estado líquido son libres de moverse aleatoriamente.
El dispositivo de visualización de cristal líquido consta de moléculas, a menudo en forma de varilla, que se organizan en una dirección pero aún pueden moverse. Las moléculas de cristal líquido reaccionan paraun voltaje eléctrico que cambia su orientación y cambia las características ópticas del material. Esta propiedad se utiliza en LCD.
En promedio, un panel de este tipo consta de miles de elementos de imagen ("píxeles"), que se alimentan individualmente con voltaje. Son más delgados, más livianos y tienen un voltaje operativo más bajo que otras tecnologías de visualización y son ideales para dispositivos que funcionan con baterías.
Matriz pasiva
Hay dos tipos de pantallas: matriz pasiva y activa. Los pasivos están controlados por solo dos electrodos. Son tiras de ITO transparente que giran 90 entre sí. Esto crea una matriz cruzada que controla cada celda LC individualmente. El direccionamiento se realiza mediante lógica y controladores independientes de la pantalla LCD digital. Dado que no hay carga en la celda LC en este tipo de control, las moléculas de cristal líquido vuelven gradualmente a su estado original. Por lo tanto, cada celda debe ser monitoreada a intervalos regulares.
Los pasivos tienen un tiempo de respuesta relativamente largo y no son adecuados para aplicaciones de televisión. Preferiblemente, no se montan controladores ni componentes de conmutación, como transistores, sobre el sustrato de vidrio. No se produce pérdida de brillo debido al sombreado por estos elementos, por lo que el funcionamiento de los LCD es muy sencillo.
Pasivo son ampliamente utilizados con dígitos y símbolos segmentados para lecturas pequeñas en dispositivos comocalculadoras, impresoras y controles remotos, muchos de los cuales son monocromáticos o tienen solo unos pocos colores. Las pantallas gráficas monocromáticas y en color pasivas se usaban en las primeras computadoras portátiles y todavía se usan como una alternativa a la matriz activa.
Pantallas TFT activas
Las pantallas de matriz activa usan un transistor para conducir y un capacitor para almacenar la carga. En la tecnología IPS (In Plane Switching), el principio de funcionamiento de un indicador de cristal líquido utiliza un diseño en el que los electrodos no se apilan, sino que se ubican uno al lado del otro en el mismo plano sobre un sustrato de vidrio. El campo eléctrico penetra horizontalmente en las moléculas de LC.
Están alineados en paralelo a la superficie de la pantalla, lo que aumenta considerablemente el ángulo de visión. La desventaja de IPS es que cada celda necesita dos transistores. Esto reduce el área transparente y requiere una luz de fondo más brillante. VA (alineación vertical) y MVA (alineación vertical multidominio) utilizan cristales líquidos avanzados que se alinean verticalmente sin un campo eléctrico, es decir, perpendiculares a la superficie de la pantalla.
La luz polarizada puede pasar, pero el polarizador frontal la bloquea. Así, una celda sin activación es negra. Dado que todas las moléculas, incluso las que se encuentran en los bordes del sustrato, están uniformemente alineadas verticalmente, el valor de negro resultante es muy grande en todas las esquinas. A diferencia de la matriz pasivaLas pantallas de cristal líquido, las pantallas de matriz activa tienen un transistor en cada subpíxel rojo, verde y azul que los mantiene en la intensidad deseada hasta que se aborda esa fila en el siguiente cuadro.
Tiempo de cambio de celda
El tiempo de respuesta de las pantallas siempre ha sido un gran problema. Debido a la viscosidad relativamente alta del cristal líquido, las celdas LCD cambian muy lentamente. Debido a los rápidos movimientos de la imagen, esto conduce a la formación de rayas. El cristal líquido de baja viscosidad y el control de celda de cristal líquido modificado (overdrive) generalmente resuelven estos problemas.
El tiempo de respuesta de las pantallas LCD modernas es actualmente de aproximadamente 8 ms (el tiempo de respuesta más rápido es de 1 ms) cambiando el brillo de un área de la imagen del 10 % al 90 %, donde el 0 % y el 100 % son brillo de estado estable, ISO 13406 -2 es la suma del tiempo de cambio de claro a oscuro (o viceversa) y viceversa. Sin embargo, debido al proceso de conmutación asintótica, se requiere un tiempo de conmutación de <3 ms para evitar bandas visibles.
La tecnología Overdrive reduce el tiempo de conmutación de las células de cristal líquido. Para este propósito, se aplica temporalmente a la celda LCD un voltaje más alto que el necesario para el valor de brillo real. Debido a la breve sobretensión de la pantalla de cristal líquido, los cristales líquidos inertes literalmente salen de su posición y se nivelan mucho más rápido. Para este nivel de proceso, la imagen debe almacenarse en caché. Junto con especialmente diseñado para los valores correspondientesCorrección de visualización, la altura de voltaje correspondiente depende de la gamma y está controlada por tablas de búsqueda del procesador de señal para cada píxel, y calcula la hora exacta de la información de la imagen.
Principales componentes de los indicadores
La rotación en la polarización de la luz producida por el cristal líquido es la base del funcionamiento de una pantalla LCD. Básicamente, hay dos tipos de LCD, transmisivos y reflectantes:
- Transmisivo.
- Transmisión.
Funcionamiento de la pantalla LCD de transmisión. En el lado izquierdo, la luz de fondo de la pantalla LCD emite luz no polarizada. Cuando pasa a través del polarizador trasero (polarizador vertical), la luz se polariza verticalmente. Esta luz luego golpea el cristal líquido y torcerá la polarización si se enciende. Por lo tanto, cuando la luz polarizada verticalmente pasa a través del segmento de cristal líquido ON, se polariza horizontalmente.
Siguiente: el polarizador frontal bloqueará la luz polarizada horizontalmente. Por lo tanto, este segmento aparecerá oscuro para el observador. Si el segmento de cristal líquido está apagado, no cambiará la polarización de la luz, por lo que permanecerá polarizada verticalmente. Entonces el polarizador frontal transmite esta luz. Estas pantallas, comúnmente denominadas LCD retroiluminadas, utilizan la luz ambiental como fuente:
- Reloj.
- LCD reflectante.
- Por lo general, las calculadoras usan este tipo de pantalla.
Segmentos positivos y negativos
Una imagen positiva se crea con píxeles oscuros o segmentos sobre un fondo blanco. En ellos, los polarizadores son perpendiculares entre sí. Esto significa que si el polarizador frontal es vertical, el polarizador posterior será horizontal. Entonces, APAGADO y el fondo dejarán pasar la luz, y ENCENDIDO la bloqueará. Estas pantallas se utilizan normalmente en aplicaciones en las que hay luz ambiental.
También es capaz de crear pantallas de estado sólido y de cristal líquido con diferentes colores de fondo. Una imagen negativa se crea con píxeles claros o segmentos sobre un fondo oscuro. En ellos se combinan los polarizadores delantero y trasero. Esto quiere decir que si el polarizador delantero es vertical, el trasero también lo será y viceversa.
Así que los segmentos de APAGADO y el fondo bloquean la luz, y los segmentos de ENCENDIDO dejan pasar la luz, creando una pantalla de luz contra un fondo oscuro. Las pantallas LCD retroiluminadas suelen utilizar este tipo, que se utiliza cuando la luz ambiental es débil. También es capaz de crear diferentes colores de fondo.
Mostrar memoria RAM
DD es la memoria que almacena los caracteres que aparecen en la pantalla. Para mostrar 2 líneas de 16 caracteres, las direcciones se definen de la siguiente manera:
| Línea | Visible | Invisible |
| Arriba | 00H 0FH | 10H 27H |
| Bajo | 40H - 4FH | 50H 67H |
Te permite crear un máximo de 8 caracteres o 5x7 caracteres. Una vez que se cargan nuevos caracteres en la memoria, se puede acceder a ellos como si fueran caracteres normales almacenados en la ROM. CG RAM usa palabras de 8 bits de ancho, pero solo los 5 bits menos significativos aparecen en la pantalla LCD.
Así que D4 es el punto más a la izquierda y D0 es el polo de la derecha. Por ejemplo, cargar un byte de RAM CG en 1Fh llama a todos los puntos de esta línea.
Control de modo de bits
Hay dos modos de visualización disponibles: 4 bits y 8 bits. En el modo de 8 bits, los datos se envían a la pantalla mediante los pines D0 a D7. La cadena RS se establece en 0 o 1, dependiendo de si desea enviar un comando o datos. La línea R/W también debe establecerse en 0 para indicar la pantalla que se va a escribir. Queda por enviar un pulso de al menos 450 ns a la entrada E para indicar que hay datos válidos en los pines D0 a D7.
La pantalla leerá los datos en el flanco descendente de esta entrada. Si se requiere una lectura, el procedimiento es idéntico, pero esta vez la línea R/W se establece en 1 para solicitar una lectura. Los datos serán válidos en las líneas D0-D7 en el estado de línea alta.
modo de 4 bits. En algunos casos, puede ser necesario reducir la cantidad de cables utilizados para controlar la pantalla, como cuando el microcontrolador tiene muy pocos pines de E/S. En este caso, se puede utilizar el modo LCD de 4 bits. En este modo, para transmitirdatos y leerlos, solo se utilizan los 4 bits más significativos (D4 a D7) de la pantalla.
4 bits significativos (D0 a D3) se conectan a tierra. Luego, los datos se escriben o leen enviando los cuatro bits más significativos en secuencia, seguidos de los cuatro bits menos significativos. Se debe enviar un pulso positivo de al menos 450 ns en la línea E para probar cada nibble.
En ambos modos, después de cada acción en la pantalla, puede asegurarse de que pueda procesar la siguiente información. Para hacer esto, debe solicitar una lectura en el modo de comando y verificar el indicador Busy BF. Cuando BF=0, la pantalla está lista para aceptar nuevos comandos o datos.
Dispositivos de voltaje digital
Los indicadores digitales de cristal líquido para probadores constan de dos delgadas láminas de vidrio, en cuyas superficies frontales se aplicaron delgadas pistas conductoras. Cuando el vidrio se ve desde la derecha, o casi en ángulo recto, estas huellas no son visibles. Sin embargo, en ciertos ángulos de visión, se vuelven visibles.
Diagrama del circuito eléctrico.
El probador descrito aquí consta de un oscilador rectangular que genera un voltaje de CA perfectamente simétrico sin ningún componente de CC. La mayoría de los generadores lógicos no son capaces de generar una onda cuadrada, generan formas de onda cuadradas cuyo ciclo de trabajo fluctúa alrededor del 50 %. El 4047 utilizado en el probador tiene una salida escalar binaria que garantiza la simetría. Frecuenciaoscilador es de aproximadamente 1 kHz.
Se puede alimentar con una fuente de alimentación de 3 a 9 V. Por lo general, será una batería, pero una fuente de alimentación variable tiene sus ventajas. Muestra a qué voltaje funciona satisfactoriamente el indicador de voltaje de cristal líquido, y también existe una clara relación entre el nivel de voltaje y el ángulo en el que la pantalla es claramente visible. El probador consume no más de 1 mA.
La tensión de prueba debe conectarse siempre entre el terminal común, es decir, el plano trasero, y uno de los segmentos. Si no se sabe qué terminal es el backplane, conecte una sonda del probador al segmento y la otra sonda a todos los demás terminales hasta que el segmento sea visible.
