Жидкокристаллические индикаторы

В статье подробно разбирается принцип действия и конструктивные модификации жидкокристаллических индикаторов, а также способы управления ЖКИ.

Принцип действия и конструктивные модификации жидкокристаллических индикаторов

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет.Они обладают рядом достоинств, к числу которых относятся:малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист-эффекта удельная мощность потребления несколько единиц мкВт/см²); низкие рабочие напряжения (1,5...5 В) и хорошая совместимостьКМОП-микросхемам; удобное конструктивное исполнение — плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора (до 0,6 мм); возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней засветки; большая долговечность (около 10—12 лет непрерывной работы).

Основные недостатки - сравнительно низкое быстродействие, ограниченный угол обзора и необходимость внешнего освещения. Жидкие кристаллы (ЖК) называют также анизотропными жидкостями, электрические и оптические свойства которых зависят от направления их наблюдения. Плотность ЖК близка к плотности воды и незначительно отличается от единицы. Жидкие кристаллы — диамагнитный материал; ЖК выталкиваются из магнитного поля; ЖК относятся к диэлектрикам; удельное сопротивление составляет 10⁶... 10¹⁰ Ом · см и зависит от наличия и концентрации проводящих примесей. Теплопроводность ЖК в направлении вдоль молекул отличается от теплопроводности в поперечном по отношению к молекулам направлении. Вследствие анизотропии электрических и оптических свойств в ЖК наблюдаются электрооптические эффекты, связанные с движением вещества — динамическое рассеяние (ДР), а также с поворотом молекул в электрическом поле — твист-эффект (ТЭ) и эффект гость—хозяин (Г — X).

Основой простейшего индикаторного элемента с использованием ЖК являются две стеклянные пластины. Вне зависимости от используемого электрооптического эффекта ЖКИ разделяются на два класса: индикаторы, работающие на просвет, и индикаторы, работающие на отражение. У первых обе стеклянные пластины прозрачны; электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова), между которыми помещено ЖК вещество. За индикатором помещается источник света. Цвет и яркость индикатора определяются цветом и яркостью источника света. У вторых задний электрод изготовлен в виде зеркала; на соответствующую пластину наносится прозрачная, проводящая, отражающая свет пленка (например, пленка алюминия, никеля, золота). Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).Конфигурация электродов индикатора определяется либо формой исходных стеклянных пластин, либо технологией металлизации. Как правило, пластины и электроды плоские, но в ряде приборов внутренняя поверхность задней пластины имеет сложную форму, образующую ряд оптических элементов, обеспечивающих отражение излучения в направлении источника света. В ЖКИ, работающем на основе ДР, при приложении электрического поля напряженностью около 5 кВ/см (примерно 30 В—к пленке ЖК толщиной 0,25- мм) молекулы переориентируются, возникают турбулентность и сильное оптическое рассеяние. Материал, прозрачный в отсутствие поля, становится непрозрачным. В таком ЖКИ, работающем на отражение, задний электрод представляет собой зеркало, на котором при подаче напряжения появляются участки молочно-белого цвета, форма которых соответствует конфигурации электродов. Для повышения однородности и четкости изображения, а также срока службы на поверхность проводящих слоев наносится тонкое химически инертное по отношению к ЖК оптически прозрачное покрытие. Материалом таких покрытий служат винилацетатные смолы, смолы на основе этилена, эпоксидные компаунды и т. п. Заднюю стеклянную пластину индикатора чернят, тогда на черном фоне возникает белое изображение. В ЖКИ с использованием ТЭ, работающем на отражение, стеклянные пластины расположены между двумя скрещенными поляризаторами, за задним из которых помещен диффузный отражатель. Поверхности пластин, обращенные к ЖК, полируются, чтобы молекулы ЖК в слоях, прилегающих к ним, ориентировались во взаимно перпендикулярных направлениях; в промежуточных слоях осуществляется постепенный поворот направлений ориентации. В отсутствие электрического поля свет в индикаторе следует за вращением молекул и на выходе индикатора плоскость его поляризации оказывается повернутой на 90°; свет проходит через индикатор. При наличии электрического поля ориентация молекул изменяется, плоскость поляризации света, проходящего через индикатор, не вращается и свет не проходит через индикатор. Так как отражатель диффузный, на слабо окрашенном сером фоне отображаются темные знаки. В ЖКИ на основе ТЭ, работающем на просвет, поляризаторы устанавливают так, чтобы их плоскости поляризации были параллельны друг другу. Индикатор не пропускает свет в отсутствие электрического поля и пропускаетпри подаче напряжения.

Опыт практического применения ЖКИ на эффекте ДР и ТЭ выявил достоинства индикаторов этих типов, показал их конкурентоспособность с другими классами индикаторов. К числу достоинств таких ЖКИ относится высокая эффективность.

Индикаторы на эффекте ДР характеризуются уровнем потребляемой мощности 5...10 мкВт/см² для постоянного тока (0,5 ...1,0 мкА/см²) и 50...200 мкВт/см² для переменного тока (2... 10 мкА/см²). Для индикаторов на основе ТЭ удельная потребляемая мощность составляет не более 20 мкВт/см² (менее 2 мкА/см²). По экономичности ЖКИ намного превосходят современные светоизлучающие диоды. К достоинствам ЖКИ на эффекте ДР и ТЭ можно отнести способность сохранять и увеличивать контраст изображения при повышении уровня внешней освещенности, прямую совместимость с КМОП-микросхемами, обеспечивающую возможность низковольтного управления ЖКИ-рабочее напряжение ЖКИ на эффекте ДР не превышает 20, а на ТЭ - 5 В. Они имеют удобное конструктивное оформление. Индикаторы плоские; толщина индикатора практически определяется толщиной двух стекол и может составлять 0,6 ...0,8 мм. Велика их долговечность - при эксплуатации на переменном токе - более 40 тыс. ч. Вместе с тем ЖКИ характеризуются сравнительно низким быстродействием (десятки миллисекунд, особенно при пониженной температуре) и явно выраженной зависимостью параметров от температуры окружающей среды.Индикаторы на эффекте ДР и ТЭ преимущественно применяются там, где экономичность играет решающую роль: в электронных наручных часах,микрокалькуляторах с автономным питанием, портативных многофункциональных измерительных приборах, индикаторах для переносных радиоприемников, магнитофонов, автомобильных индикаторных устройствах и т. п.

В индикаторах на эффекте Г—Х тонкий слой ЖК—«хозяина» взаимодействует с молекулами «гостя». Слой ЖК—хозяина за счет поглощения световой энергии при отсутствии электрического поля приобретает характерную для красителя (гостя) окраску; под воздействием электрического поля он обесцвечивается. Но существуют также вещества гостя и хозяина, в которых окрашивание происходит под воздействием электрического поля. Цветовые различия в индикаторах на эффекте Г—Х хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности даже при небольшом яркостном контрасте.
Жидкокристаллические индикаторы, предназначенные для работы в условиях низкой освещенности (менее 35 кд/м²) работают с подсветкой. Для подсветки используются лампы накаливания со средней мощностью примерно 0,5 Вт для знака высотой 2,5 см. Подсветка может быть создана различными способами, например с использованием лампы накаливания, свет которой проходит через жалюзи, что обеспечивает удобство наблюдения изображения в направлении, перпендикулярном поверхности индикации. Для увеличения угла обзора можно использовать две лампы накаливания. Сверхминиатюрную лампу накаливания можно встроить непосредственно между пластинами ЖК. Для повышения механической прочности ЖКИ изготовляют с металлическими крышками, которые закрывают заднюю стеклянную пластину, слой ЖК и герметически соединяются с лицевой пластиной. Такое конструктивное решение повышает влагостойкость индикатора. Для этого же ЖКИ размещают в пластмассовых корпусах.

Управление жидкокристаллическими индикаторами

Способы управления индикаторными панелями (ИП) на основе ЖК материалов определяются особенностями их физических свойств. Так, долговечность ЖКИ, работающего на постоянном токе, примерно на порядок ниже, чем при использовании переменного напряжения. Снижение долговечности в варианте постоянного тока обусловлено миграцией примесей к отражающему электроду под воздействием постоянной составляющей управляющего сигнала, в результате—падает контрастность и растет напряжение возбуждения. Предпочтительным оказывается возбуждение ЖКИ переменным током. в этом случае на электроды передней и задней пластин подаются импульсы напряжения прямоугольной формы одинаковой полярности, но сдвинутые по фазе так, что управляющее напряжение представляет собой биполярный сигнал, не имеющий постоянной составляющей. Для ЖК материалов характерна заметная инерционность при возбуждении и снятии возбуждения. Ячейка включается с запаздыванием на 10...20мс (время реакции) по отношению к фронту возбуждающего импульса, а время выключения (время релаксации) примерно на порядок превышает время включения. Известны различные способы уменьшения времени выключения ЖК ячеек. Можно после снятия напряжения возбуждения через несколько миллисекунд подать на ячейку короткий импульс относительно большой амплитуды. При этом ускоряется процесс нейтрализации ионов, накопленных в ЖК за время действия управляющего импульса, дипольные моменты молекул ЖК ориентируются параллельно вектору напряженности электрического поля. И рассеяние света быстро прекращается. Несмотря на простоту, этот способ неудобен, так как требует использования устройства генерирования импульсов высокого напряжения. При возбуждении ячейки переменным напряжением после прекращения возбуждающего напряжения можно подать сигнал частотой 10...40 кГц в течение нескольких миллисекунд; за это время ячейка гаснет. Время выключения (релаксации) сокращается до 5... 10 мс. Возбуждение ЖКИ может осуществляться частотным или фазовым способом. Частотный способ иллюстрируется схемой, показанной на рис. 1.

Она состоит из инвертора, двух вентилей (1 и 2) с двумя входами и транзисторного ключа. К коллектору транзистора приложено постоянное напряжение, равное удвоенной амплитуде переменного напряжения возбуждения (40 В). На вход одного из вентилей подано переменное напряжение частоты 30...500 Гц, на вход другого—напряжение частоты 10...40 кГц. С коллектора транзистора на сегмент индикатора подаются импульсы прямоугольной формы соответствующей частоты амплитудой 40 В. На общий электрод индикатора подается постоянное напряжение для компенсации постоянной составляющей возбуждающего сигнала. При подаче управляющего сигнала, соответствующего режиму включения сегмента индикатора на выходе вентиля 1 формируется положительный сигнал, переключающий транзистор с частотой возбуждения 30... 500 Гц. Сигнал на выходе вентиля 2 в это время отсутствует. При изменении полярности управляющего сигнала на выходе вентиля 2 возникает сигнал гашения сегмента с частотой 10...400 кГц. Устройство управления (без формирователей) удобно выполнять на комплементарных МДП-схемах серии К176.

Фазовый метод (рис. 2) предусматривает подачу на входы вентилей импульсов напряжения с частотой 15... 25 Гц, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 180°. В зависимости от уровня управляющего сигнала на сег-мент с выхода формирователя подаются напряжения различных фаз. Сегмент не возбуждается при совпадении фаз на электродах ЖКИ; возбуждение происходит при различных фазах. По сравнению с частотным фазовый метод позволяет вдвое снизить напряжение питания, однако при этом не удается сократить время включения ЖКИ. При использовании фазового метода информацию можно выводить до 5 раз в секунду, это достаточно для цифровых приборов, калькуляторов, электронных часов. При более высоких частотах смены информации, например при динамическом принципе индикации, целесообразно использовать частотный метод управления. Управление многоразрядными ЖКИ может осуществляться в статическом или динамическом режиме. Структурная схема управления индикатором в статическом режиме показана на рис. 3. Каждое знакоместо индикатора З₁—З_n подключено к регистру оперативной памяти Роп.

Каждая кодовая комбинация регистра преобразуется в сегментный код индикатора дешифраторами управления ДУ, с выхода которых информация в коде индикатора через ключи блока формирователей БФ используется для коммутации питания сегментов индикатора. Для этого устройства управления характерно полное использование контраста знакоместа, так как время возбуждения свечения равно длительности цикла индикации. Недостаток схемы —необходимость иметь для каждого знакоместа свой дешифратор и формирователь для каждого сегмента. Число внутрисхемных соединений велико, оно равно произведению числа выходов на один цифровой разряд на число цифровых разрядов. При динамическом управлении (рис.4) пространственно разделенные разряды работают последовательно во времени.

Возможны два типа управления — с последовательной выборкой знакоместа и с последовательной выборкой цифры. В первом случае распределитель знакомест Рзм последовательно через формирователи ф₁—ф_n возбуждает знакоместа десятичных разрядов З₁—З_n, на которые синхронно с помощью коммутатора К, управляемого Рзм и дешифратором цифр ДШц, с регистра памяти подается информация, подлежащая индикации. Такт распределителя Тр=n tр, где Тр—время возбуждения одного разряда, a n—число разрядов. Частота распределителя fp=1/Tp=1/( n tp) должна быть выше или равной некоторой критической частоты fкр, при которой мерцание разрядов незаметно, т. е. fp= nf кp. При последовательной выборке, цифры дешифратор цифр ДШц последовательно и синхронно с генератором фазоимпульсных констант ГФК синтезирует цифры от 0 до 9 параллельно на всех знакоместах З₁—З_n. Информация от регистра памяти в фазоимпульсном десятичном коде подается через формирователи ф₁—ф_n на общий электрод знакомест. Цифра высвечивается момент совпадения информации регистра с синтезируемой цифрой. Устройство не имеет ограничений по числу разрядов, однако работает при постоянной скважности 10 (десять цифр 0 ... 9), что ограничивает возможности ее использования применительно к ЖКИ с малым контрастом. Основные параметры ЖКИ: контрастность К и пропускание, пороговое напряжение Uпop, управляющее напряжение Uynp, время включения (реакция) Твкл, время выключения (релаксации) Твыкл. (Отношение интенсивности света, выходящего из ячейки называется пропусканием, если наблюдение ведется в направлении навстречу входящему лучу и контрастностью во всех других случаях.) Для ДР ячеек контраст составляет от 15:1 до 100:1, пропускание—минумум 20:1. Для ячеек на основе ТЭ контрастность и пропускание—от 40:1 до 100:1.
Значения порогового и управляющего напряжений определяются по коэффициенту рассеяния света в ячейке Кр.

Пороговое напряжение Unop соответствует значению Кр==0,05. Управляющее напряжение Uynp—значению Кр=0,5. Значение Unop для индикатора, использующего эффект ДР, увеличивается на низких и высоких частотах (индикатор становится менее эффективным). Индикаторы на основе ТЭ обычно используют на частотах 1... 10 кГц. В справочных данных индикаторов указывают рекомендуемую частоту управляющего напряжения.
Время включения Твкл определяется как время, в течение которого контрастность достигает 90% установившегося значения, а время выключения Твыкл—как время уменьшения контрастности от 90 до 10% установившегося значения.

Долговечность жидкокристаллических индикаторов

В процессе эксплуатации ЖКИ изменяется внешний вид информационных полей, что проявляется как ухудшение и исчезновение контраста между активными и пассивными зонами, увеличивается время реакции. Изменения внешнего вида и времени реакции является следствием электрохимических явлений на границе жидкокристаллическое вещество (ЖКВ)-поверхность подложки. Скорость деградационных процессов в основном определяется постоянной составляющей напряжения возбуждения, предельно допустимое значение которого указывается в справочных данных. Наличие постоянной составляющей приводит к электролизу ЖКВ, в результате которого возникает газовыделение в объеме ЖКВ, образуются пузырьки газов, визуально воспринимаемые как черные точки. Электроды индикатора (проводящие пленки) теряют свою прозрачность, и сегменты становятся видимыми в отсутствие напряжения возбуждения. В результате старения нарушается ориентация молекул ЖКВ и растет ток, потребляемый индикатором. В процессе эксплуатации ЖКВ потребляемый ток может расти за счет проникновения влаги через слой герметика. Влага разрушает ЖКВ. Особенно опасно сочетание влаги с воздействием высокой температуры. При эксплуатации ЖКИ в условиях низкой температуры отдельные компоненты ЖКВ могут кристаллизоваться. Чередование замораживания и размораживания ЖКВ может привести к образованию воздушных пузырьков, которые выглядят как черные точки.