شاشة العرض البلورية السائلة هي نوع من الصور المولدة كهربائيًا على لوحة مسطحة رفيعة. كانت شاشات LCD الأولى ، التي ظهرت في السبعينيات ، عبارة عن شاشات صغيرة تستخدم بشكل أساسي في الآلات الحاسبة والساعات الرقمية التي تعرض أرقامًا سوداء على خلفية بيضاء. يمكن العثور على شاشات LCD في كل مكان في أنظمة الإلكترونيات المنزلية والهواتف المحمولة والكاميرات وشاشات الكمبيوتر ، فضلاً عن الساعات وأجهزة التلفزيون. استبدلت أجهزة التلفاز المسطحة LCD الحديثة إلى حد كبير أجهزة CRT التقليدية الضخمة في أجهزة التلفزيون ويمكنها إنتاج صور ملونة عالية الدقة تصل إلى 108 بوصات قطريًا عبر الشاشة.
تاريخ البلورات السائلة
تم اكتشاف البلورات السائلة عن طريق الصدفة في عام 1888 من قبل عالم النبات F. Reinitzer من النمسا. وجد أن بنزوات الكوليستريل لها نقطتا انصهار ، وتتحول إلى سائل غائم عند 145 درجة مئوية ، وعند درجات حرارة أعلى من 178.5 درجة مئوية ، يصبح السائل شفافًا. إلىوجد تفسيرا لهذه الظاهرة ، فقد أعطى عيناته إلى الفيزيائي أوتو ليمان. باستخدام مجهر مزود بالتسخين المتدرج ، أظهر Lehman أن المادة لها خصائص بصرية مميزة لبعض البلورات ، لكنها لا تزال سائلة ، ومن ثم تمت صياغة مصطلح "الكريستال السائل".
خلال عشرينيات وثلاثينيات القرن الماضي ، درس الباحثون تأثيرات المجالات الكهرومغناطيسية على البلورات السائلة. في عام 1929 ، أظهر الفيزيائي الروسي فسيفولود فريدريكس أن جزيئاتهم في غشاء رقيق محصور بين لوحين قد غيروا محاذاةهم عند تطبيق مجال مغناطيسي. لقد كان رائدًا لشاشة العرض البلورية السائلة ذات الجهد الكهربائي الحديث. كانت وتيرة التطور التكنولوجي منذ أوائل التسعينيات سريعة وتستمر في النمو.
تطورت تقنية LCD من الأبيض والأسود للساعات والآلات الحاسبة البسيطة إلى الألوان المتعددة للهواتف المحمولة وشاشات الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون. يقترب السوق العالمي لشاشات الكريستال السائل الآن من 100 مليار دولار سنويًا ، ارتفاعًا من 60 مليار دولار في 2005 و 24 مليار دولار في 2003 ، على التوالي. يتركز تصنيع شاشات الكريستال السائل على مستوى العالم في الشرق الأقصى وينمو في وسط وشرق أوروبا. الشركات الأمريكية تقود الطريق في تكنولوجيا التصنيع. تهيمن شاشات العرض الخاصة بهم الآن على السوق ومن غير المرجح أن يتغير هذا في المستقبل القريب.
فيزياء عملية التبلور
تتكون معظم البلورات السائلة ، مثل بنزوات الكوليستريل ، من جزيئات ذات هياكل شبيهة بالقضيب. هذا الهيكل الخاص للجزيئات السائلةيمكن كسر البلورات الموجودة بين مرشحين مستقطبين عن طريق تطبيق الجهد على الأقطاب الكهربائية ، ويصبح عنصر LCD معتمًا ويظل غامقًا. بهذه الطريقة ، يمكن تبديل عناصر العرض المختلفة إلى ألوان فاتحة أو داكنة ، وبالتالي عرض الأرقام أو الأحرف.
هذا المزيج من القوى الجذابة الموجودة بين جميع الجزيئات المرتبطة بهيكل شبيه بالقضيب يتسبب في تكوين مرحلة بلورية سائلة. ومع ذلك ، فإن هذا التفاعل ليس قوياً بما يكفي للحفاظ على الجزيئات في مكانها بشكل دائم. منذ ذلك الحين ، تم اكتشاف العديد من الأنواع المختلفة من الهياكل البلورية السائلة. بعضها مرتب في طبقات ، والبعض الآخر على شكل قرص أو شكل أعمدة.
تقنية LCD
يعتمد مبدأ عمل شاشة العرض البلورية السائلة على خصائص المواد الحساسة كهربيًا التي تسمى البلورات السائلة ، والتي تتدفق مثل السوائل ولكن لها بنية بلورية. في المواد الصلبة البلورية ، تكون الجسيمات المكونة - الذرات أو الجزيئات - في مصفوفات هندسية ، بينما في الحالة السائلة تكون حرة في التحرك بشكل عشوائي.
يتكون جهاز العرض البلوري السائل من جزيئات ، غالبًا على شكل قضيب ، تنظم في اتجاه واحد ولكن لا يزال بإمكانها الحركة. تتفاعل جزيئات الكريستال السائل معهاجهد كهربائي يغير اتجاهها ويغير الخصائص البصرية للمادة. تستخدم هذه الخاصية على شاشات الكريستال السائل.
في المتوسط ، تتكون هذه اللوحة من آلاف عناصر الصورة ("وحدات البكسل") ، والتي يتم تشغيلها بشكل فردي بواسطة الجهد. إنها أرق وأخف وزناً ولديها جهد تشغيل أقل من تقنيات العرض الأخرى وهي مثالية للأجهزة التي تعمل بالبطاريات.
مصفوفة سلبية
هناك نوعان من شاشات العرض: المصفوفة السلبية والنشطة. يتم التحكم في السلبية منها بواسطة قطبين فقط. إنها شرائط من ITO الشفافة التي تدور 90 إلى بعضها البعض. يؤدي هذا إلى إنشاء مصفوفة متقاطعة تتحكم في كل خلية LC على حدة. تتم العنونة بالمنطق ومحركات منفصلة عن شاشة LCD الرقمية. نظرًا لعدم وجود شحنة في خلية LC في هذا النوع من التحكم ، تعود جزيئات الكريستال السائل تدريجيًا إلى حالتها الأصلية. لذلك ، يجب مراقبة كل خلية على فترات منتظمة.
الخاملة لها وقت استجابة طويل نسبيًا وليست مناسبة لتطبيقات التلفزيون. على نحو مفضل ، لا يتم تركيب محركات أو مكونات تبديل مثل الترانزستورات على الركيزة الزجاجية. لا يحدث فقدان للسطوع بسبب التظليل بواسطة هذه العناصر ، لذا فإن تشغيل شاشات LCD بسيط للغاية.
الخامل يستخدم على نطاق واسع مع الأرقام والرموز المجزأة للقراءة الصغيرة في أجهزة مثلالآلات الحاسبة والطابعات وأجهزة التحكم عن بعد ، والعديد منها أحادي اللون أو يحتوي على ألوان قليلة فقط. تم استخدام شاشات العرض الرسومية أحادية اللون والملونة السلبية في أجهزة الكمبيوتر المحمولة المبكرة ولا تزال تستخدم كبديل للمصفوفة النشطة.
يعرض TFT النشط
تعرض المصفوفة النشطة كل منها يستخدم ترانزستورًا واحدًا للقيادة ومكثفًا لتخزين الشحنة. في تقنية IPS (In Plane Switching) ، يستخدم مبدأ تشغيل مؤشر الكريستال السائل تصميمًا لا تتكدس فيه الأقطاب الكهربائية ، ولكنها تقع بجوار بعضها البعض في نفس المستوى على طبقة زجاجية أساسية. يخترق المجال الكهربائي جزيئات LC أفقيًا.
تتم محاذاة موازية لسطح الشاشة ، مما يزيد بشكل كبير من زاوية الرؤية. عيب IPS هو أن كل خلية تحتاج إلى اثنين من الترانزستورات. هذا يقلل من المساحة الشفافة ويتطلب إضاءة خلفية أكثر إشراقًا. تستخدم VA (المحاذاة الرأسية) و MVA (المحاذاة الرأسية متعددة المجالات) بلورات سائلة متقدمة محاذاة رأسياً بدون مجال كهربائي ، أي عموديًا على سطح الشاشة.
يمكن للضوء المستقطب المرور من خلاله ولكن يتم حظره بواسطة المستقطب الأمامي. وبالتالي ، فإن الخلية التي لا يتم تنشيطها تكون سوداء. نظرًا لأن جميع الجزيئات ، حتى تلك الموجودة على حواف الركيزة ، محاذاة عموديًا بشكل موحد ، فإن القيمة السوداء الناتجة تكون كبيرة جدًا في جميع الزوايا. على عكس المصفوفة السلبيةشاشات الكريستال السائل وشاشات المصفوفة النشطة بها ترانزستور في كل بكسل فرعي أحمر وأخضر وأزرق يحافظ عليها بالشدة المرغوبة حتى تتم معالجة هذا الصف في الإطار التالي.
وقت تبديل الخلية
لطالما كان وقت استجابة شاشات العرض مشكلة كبيرة. بسبب اللزوجة العالية نسبيًا للكريستال السائل ، تتبدل خلايا LCD ببطء شديد. بسبب الحركات السريعة في الصورة ، يؤدي هذا إلى تكوين خطوط. الكريستال السائل منخفض اللزوجة والتحكم في خلايا الكريستال السائل المعدل (السرعة الزائدة) عادة ما يحل هذه المشاكل.
يبلغ وقت استجابة شاشات LCD الحديثة حاليًا حوالي 8 مللي ثانية (أسرع وقت استجابة هو 1 مللي ثانية) مما يؤدي إلى تغيير سطوع منطقة الصورة من 10٪ إلى 90٪ ، حيث يكون 0٪ و 100٪ سطوعًا ثابتًا ، ISO 13406 -2 هو مجموع وقت التبديل من مشرق إلى غامق (أو العكس) والعكس صحيح. ومع ذلك ، نظرًا لعملية التبديل المقاربة ، يلزم وقت تبديل قدره <3 مللي ثانية لتجنب النطاقات المرئية.
تقلل تقنية Overdrive من وقت تبديل خلايا الكريستال السائل. لهذا الغرض ، يتم تطبيق جهد أعلى مؤقتًا على خلية LCD مما هو ضروري لقيمة السطوع الفعلية. نظرًا لارتفاع الجهد القصير لشاشة العرض البلورية السائلة ، فإن البلورات السائلة الخاملة تندلع حرفيًا من موضعها وتستوي بشكل أسرع. بالنسبة لمستوى العملية هذا ، يجب تخزين الصورة مؤقتًا. جنبا إلى جنب مع مصممة خصيصا للقيم المقابلةتصحيح العرض ، يعتمد ارتفاع الجهد المقابل على جاما ويتم التحكم فيه بواسطة جداول البحث من معالج الإشارة لكل بكسل ، وحساب الوقت الدقيق لمعلومات الصورة.
المكونات الرئيسية للمؤشرات
الدوران في استقطاب الضوء الناتج عن الكريستال السائل هو الأساس لكيفية عمل شاشة LCD. يوجد نوعان أساسيان من شاشات LCD ، انتقالي وعاكس:
- انتقالي.
- ناقل الحركة
تشغيل شاشة عرض LCD. على الجانب الأيسر ، تبعث الإضاءة الخلفية لشاشة LCD ضوءًا غير مستقطب. عندما يمر عبر المستقطب الخلفي (المستقطب العمودي) ، يصبح الضوء مستقطبًا عموديًا. ثم يصطدم هذا الضوء بالبلورة السائلة ويلوي الاستقطاب إذا تم تشغيله. لذلك ، عندما يمر الضوء المستقطب عموديًا عبر قطعة الكريستال السائل ON ، فإنه يصبح مستقطبًا أفقيًا.
التالي - سيقوم المستقطب الأمامي بحظر الضوء المستقطب أفقيًا. وهكذا ، فإن هذا الجزء سيبدو قاتما للمراقب. إذا تم إيقاف تشغيل قطعة الكريستال السائل ، فلن تغير استقطاب الضوء ، لذلك ستبقى مستقطبة رأسياً. لذا فإن المستقطب الأمامي ينقل هذا الضوء. تستخدم شاشات العرض هذه ، التي يشار إليها عادةً باسم شاشات LCD ذات الإضاءة الخلفية ، الضوء المحيط كمصدر لها:
- ساعة.
- شاشة LCD عاكسة.
- عادة الآلات الحاسبة تستخدم هذا النوع من العرض.
شرائح إيجابية وسلبية
يتم إنشاء الصورة الإيجابية بواسطة وحدات البكسل الداكنة أو المقاطع على خلفية بيضاء. في نفوسهم ، المستقطبات متعامدة مع بعضها البعض. هذا يعني أنه إذا كان المستقطب الأمامي عموديًا ، فسيكون المستقطب الخلفي أفقيًا. لذا ، سيتم إيقاف التشغيل والخلفية ستسمح بمرور الضوء ، وسيقوم التشغيل بحظره. تُستخدم شاشات العرض هذه عادةً في التطبيقات التي يوجد بها ضوء محيط.
إنه قادر أيضًا على إنشاء شاشات صلبة وشاشات بلورية سائلة بألوان خلفية مختلفة. يتم إنشاء الصورة السلبية بواسطة وحدات البكسل المضيئة أو المقاطع على خلفية داكنة. في نفوسهم ، يتم الجمع بين المستقطبين الأمامي والخلفي. هذا يعني أنه إذا كان المستقطب الأمامي عموديًا ، فسيكون الخلفي أيضًا رأسيًا والعكس صحيح.
لذا تحجب مقاطع OFF والخلفية الضوء ، وتسمح مقاطع ON للضوء بالمرور ، مما يؤدي إلى إنشاء عرض ضوئي على خلفية داكنة. عادةً ما تستخدم شاشات LCD ذات الإضاءة الخلفية هذا النوع ، والذي يستخدم عندما يكون الضوء المحيط ضعيفًا. كما أنه قادر على إنشاء ألوان خلفية مختلفة.
عرض ذاكرة RAM
DD هي الذاكرة التي تخزن الأحرف المعروضة على الشاشة. لعرض سطرين من 16 حرفًا ، يتم تحديد العناوين على النحو التالي:
| خط | مرئي | غير مرئي |
| أعلى | 00H 0FH | 10 س 27 س |
| منخفض | 40H - 4FH | 50H 67H |
يسمح لك بإنشاء 8 أحرف كحد أقصى أو 5 × 7 أحرف. بمجرد تحميل الشخصيات الجديدة في الذاكرة ، يمكن الوصول إليها كما لو كانت أحرفًا عادية مخزنة في ذاكرة القراءة فقط. تستخدم CG RAM كلمات بعرض 8 بت ، ولكن فقط 5 بتات الأقل أهمية تظهر على شاشة LCD.
إذن D4 هي النقطة الموجودة في أقصى اليسار و D0 هي القطب على اليمين. على سبيل المثال ، يؤدي تحميل RAM بايت CG عند 1Fh إلى استدعاء جميع نقاط هذا السطر.
التحكم في وضع البت
هناك وضعان متاحان للعرض: 4 بت و 8 بت. في وضع 8 بت ، يتم إرسال البيانات إلى الشاشة عن طريق المسامير D0 إلى D7. يتم تعيين سلسلة RS على 0 أو 1 ، اعتمادًا على ما إذا كنت تريد إرسال أمر أو بيانات. يجب أيضًا ضبط خط R / W على 0 للإشارة إلى الشاشة المراد كتابتها. يبقى إرسال نبضة لا تقل عن 450 نانوثانية للإدخال E للإشارة إلى وجود بيانات صالحة على المسامير D0 إلى D7.
ستقرأ الشاشة البيانات الموجودة على الحافة السفلية لهذا الإدخال. إذا كانت القراءة مطلوبة ، يكون الإجراء متطابقًا ، ولكن هذه المرة يتم تعيين خط R / W على 1 لطلب القراءة. ستكون البيانات صالحة على الأسطر D0-D7 في حالة الخط العالي.
وضع 4 بت. في بعض الحالات ، قد يكون من الضروري تقليل عدد الأسلاك المستخدمة لتشغيل الشاشة ، كما هو الحال عندما يكون المتحكم به عدد قليل جدًا من منافذ الإدخال / الإخراج. في هذه الحالة ، يمكن استخدام وضع LCD ذي 4 بت. في هذا الوضع للإرسالالبيانات وقراءتها ، يتم استخدام أهم 4 بتات فقط (D4 إلى D7) من العرض.
4 بتات مهمة (D0 إلى D3) يتم توصيلها بعد ذلك بالأرض. ثم تتم كتابة البيانات أو قراءتها عن طريق إرسال أهم أربع بتات متتالية ، متبوعة بأربع بتات الأقل أهمية. يجب إرسال نبضة موجبة لا تقل عن 450 نانوثانية على السطر E لاختبار كل نبتة.
في كلا الوضعين ، بعد كل إجراء على الشاشة ، يمكنك التأكد من أنه يمكنه معالجة المعلومات التالية. للقيام بذلك ، تحتاج إلى طلب قراءة في وضع الأوامر والتحقق من علامة Busy BF. عندما يكون BF=0 ، يكون العرض جاهزًا لقبول أمر أو بيانات جديدة.
أجهزة الجهد الرقمي
مؤشرات الكريستال السائل الرقمية للمختبرين تتكون من لوحين رفيعين من الزجاج ، تم تطبيق مسارات موصلة رفيعة على الأسطح المواجهة. عند النظر إلى الزجاج من اليمين أو من الزاوية اليمنى تقريبًا ، لا تكون هذه المسارات مرئية. ومع ذلك ، في زوايا مشاهدة معينة ، فإنها تصبح مرئية.
مخطط الدوائر الكهربائية.
يتكون جهاز الاختبار الموصوف هنا من مذبذب مستطيل يولد جهدًا متناظرًا تمامًا للتيار المتردد بدون أي مكون للتيار المستمر. معظم المولدات المنطقية غير قادرة على توليد موجة مربعة ، فهي تولد أشكال موجية مربعة تتقلب دورة عملها حول 50٪. 4047 المستخدم في جهاز الاختبار لديه ناتج عددي ثنائي يضمن التناظر. تكرارالمذبذب حوالي 1 كيلو هرتز.
يمكن أن يتم تشغيله عن طريق مصدر طاقة 3-9 فولت.عادة ما تكون بطارية ، ولكن مزود الطاقة المتغير له مميزاته. إنه يوضح الجهد الذي يعمل فيه البلور السائل لمؤشر الجهد بشكل مرضٍ ، وهناك أيضًا علاقة واضحة بين مستوى الجهد والزاوية التي تظهر فيها الشاشة بوضوح. لا يسحب جهاز الاختبار أكثر من 1 مللي أمبير.
يجب توصيل جهد الاختبار دائمًا بين الطرف المشترك ، أي المستوى الخلفي ، وأحد المقاطع. إذا لم يكن معروفًا أي طرف هو اللوحة الخلفية ، فقم بتوصيل مسبار واحد من جهاز الاختبار بالمقطع والمسبار الآخر بجميع المحطات الطرفية الأخرى حتى يصبح المقطع مرئيًا.
