"Сердцем" любого жидкокристаллического монитора является LCD-матрица (Liquid Cristall Display). ЖК-панель представляет из себя сложную многослойную структуру. Упрощенная схема цветной TFT LCD-панели представлена на Рис.2.

Принцип работы любого жидкокристаллического экрана основан на свойстве жидких кристаллов изменять (поворачивать) плоскость поляризации проходящего через них света пропорционально приложенному к ним напряжению. Если на пути поляризованного света, прошедшего через жидкие кристаллы, поставить поляризационный светофильтр (поляризатор), то, изменяя величину приложенного к жидким кристаллам напряжения, можно управлять количеством света, пропускаемого поляризационным светофильтром. Если угол между плоскостями поляризации прошедшего сквозь жидкие кристаллы света и светофильтра составляет 0 градусов, то свет будет проходить сквозь поляризатор без потерь (максимальная прозрачность), если 90 градусов, то светофильтр будет пропускать минимальное количество света (минимальная прозрачность).

Рис.1. ЖК-монитор. Принцип работы LCD-технологии.

Таким образом, используя жидкие кристаллы, можно изготавливать оптические элементы с изменяемой степенью прозрачности. При этом уровень светопропускания такого элемента зависит от приложенного к нему напряжения. Любой ЖК-экран у монитора компьютера, ноутбука, планшета или телевизора содержит от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов таких ячеек, размером долей миллиметра. Они объединены в LCD-матрицу и с их помощью мы можем формировать изображение на поверхности жидкокристаллического экрана.
Жидкие кристаллы были открыты еще в конце XIX века. Однако первые устройства отображения на их основе появились только в конце 60-х годов XX века. Первые попытки применить LCD-экраны в компьютерах были предприняты в восьмидесятых годах прошлого века. Первые жидкокристаллические мониторы были монохромными и сильно уступали по качеству изображения дисплеям на электронно-лучевых (ЭЛТ) трубках. Главными недостатками LCD-мониторов первых поколений были:

• - низкое быстродействие и инерционность изображения;
• - «хвосты» и «тени» на изображении от элементов картинки;
• - плохое разрешение изображения;
• - черно-белое или цветное изображение с низкой цветовой глубиной;
• - и т.п.

Однако, прогресс не стоял на месте и, со временем, были разработаны новые материалы и технологии в изготовлении жидкокристаллических мониторов. Достижения в технологиях микроэлектроники и разработка новых веществ со свойствами жидких кристаллов позволило существенно улучшить характеристики ЖК-мониторов.

Устройство и работа TFT LCD матрицы.

Одними из главных достижений стало изобретение технологии LCD TFT-матрицы – жидкокристаллической матрицы с тонкопленочными транзисторами (Thin Film Transistors). У TFT-мониторов кардинально возросло быстродействие пикселей, выросла цветовая глубина изображения и удалось избавиться от «хвостов» и «теней».
Структура панели, изготовленной по TFT технологии, приведена на Рис.2

Рис.2. Схема структуры TFT LCD матрицы.
Полноцветное изображение на ЖК-матрице формируется из отдельных точек (пикселей), каждая из которых состоит обычно из трех элементов (субпикселей), отвечающих за яркость каждой из основных составляющих цвета - обычно красной (R), зеленой (G) и синей (B) - RGB. Видеосистема монитора непрерывно сканирует все субпиксели матрицы, записывая в запоминающие конденсаторы уровень заряда, пропорциональный яркости каждого субпикселя. Тонкопленочные транзисторы (Thin FilmTrasistor (TFT) - собственно, поэтому так и называется TFT-матрица) подключают запоминающие конденсаторы к шине с данными на момент записи информации в данный субпиксель и переключают запоминающий конденсатор в режим сохранения заряда на все остальное время.
Напряжение, сохраненное в запоминающем конденсаторе TFT- матрицы, действует на жидкие кристаллы данного субпикселя, поворачивая плоскость поляризации проходящего через них света от тыловой подсветки, на угол, пропорциональный этому напряжению. Пройдя через ячейку с жидкими кристаллами, свет попадает на матричный светофильтр, на котором для каждого субпикселя сформирован свой светофильтр одного из основных цветов (RGB). Рисунок взаиморасположения точек разных цветов для каждого типа ЖК-панели разный, но это отдельная тема. Далее, сформированный световой поток основных цветов поступает на внешний поляризационный фильтр, коэффициент пропускания света которого зависит от угла поляризации падающей на него световой волны. Поляризационный светофильтр прозрачен для тех световых волн, плоскость поляризации которых параллельна его собственной плоскости поляризации. С возрастанием этого угла, поляризационный фильтр начинает пропускать все меньше света, вплоть до максимального ослабления при угле 90 градусов. В идеале, поляризационный фильтр не должен пропускать свет, поляризованный ортогонально его собственной плоскости поляризации, но в реальной жизни, все-таки небольшая часть света проходит. Поэтому всем ЖК-дисплеям свойственна недостаточная глубина черного цвета, которая особенно ярко проявляется при высоких уровнях яркости тыловой подсветки.
В результате, в LCD-дисплее световой поток от одних субпикселей проходит через поляризационный светофильтр без потерь, от других субпикселей - ослабляется на определенную величину, а от какой-то части субпикселей практически полностью поглощается. Таким образом, регулируя уровень каждого основного цвета в отдельных субпикселях, можно получить из них пиксель любого цветового оттенка. А из множества цветных пикселей составить полноэкранное цветное изображение.
ЖК-монитор позволил совершить серьезный прорыв в компьютерной технике, сделав ее доступной большому количеству людей. Более того, без LCD-экрана невозможно было бы создать портативные компьютеры типа ноутбуков и нетбуков, планшеты и сотовые телефоны. Но так ли все безоблачно с применением жидкокристаллических дисплеев? Читаем дальше про их достоинства и недостатки...

Жидкокристаллические телевизоры на рынке появились довольно давно и все уже успели к ним привыкнуть. Однако с каждым годом появляются все новые и новые модели, отличающиеся внешним видом, диагональю экрана, интерфейсом и не только. Кроме того, существуют и такие модели жидкокристаллических дисплеев, которые отличаются особой скоростью обновления, видами светодиодов и подсветки. Однако, обо всем по очереди. Для начала предлагаю разобраться с тем, что же это такое – ЖК мониторы.

Наверное, многие из вас слышали такое понятия, как LCD панели. LCD это аббревиатура, которая расшифровывается, как: Liquid Crystal Display. В переводе на русский это означает жидкокристаллический дисплей, а значит, LCD и ЖК панели это одно и то же.

Технология отображения картинки основывается на использовании кристаллов в жидком виде и их удивительных свойств. Подобные панели обладают огромным количеством положительных качеств, благодаря использованию данной технологии. Поэтому давайте разберемся, как это работает.

Как устроен LCD монитор

Кристаллы, которые используются для создания данных мониторов, называются цианофенилами. Когда они находятся в жидком состоянии, у них появляются уникальные оптические и другие свойства, в том числе умение правильно располагаться в пространстве.

Состоит такой экран из пары прозрачных отполированных пластин, на которые наносятся прозрачные электроды. Между этими двумя пластинами и располагаются цианофенилы в определенном порядке. Через электроды на пластинах подается напряжение, которое поступает к участкам матрицы экрана. Также возле пластин имеются два расположенные параллельно друг другу фильтра.

Получающейся матрицей можно управлять, заставляя кристаллы пропускать луч света или не пропускать. Для того чтоб получались разные цвета, перед кристаллами устанавливают фильтры трех базовых цветов: зеленого, синего и красного. Свет от кристалла проходит через один из этих фильтров и образуется соответствующий цвет пикселя. Определенная комбинация цветов, позволяет создавать другие оттенки, которые будут соответствовать движущейся картинке.

Виды матриц

В ЖК мониторах может использоваться несколько видов матриц, которые отличаются друг от друга своей технологией.

TN+ film . Это одна из самых простых стандартных технологий, которая отличается своей популярностью и небольшой стоимостью. Такой тип модуля обладает низким потреблением электроэнергии и сравнительно небольшой частотой обновления. Особенно часто можно встретить подобный модуль в старых моделях панелей. «+film» в названии значит, что использовался еще один слоя пленки, который должен сделать угол обзора больше. Однако, так как сегодня ее применяют везде, название матрицы может быть сокращено до TN.

Подобный ЖК монитор имеет большое количество недостатков. Во-первых, у них плохая цветопередача из-за использования для каждого цветового канала только 6 бит. Большинство оттенков при этом получается при смешивании основных цветов. Во-вторых, контрастность ЖК мониторов и угол обзора также оставляет желать лучшего. А если у вас перестанут работать какие-то сабпиксели или пиксели, то скорей всего они будут постоянно светиться, что мало кого порадует.

IPS . Такие матрицы отличаются от других видов тем, что имеют наилучшую передачу оттенков и большой угол обзора. Контрастность в таких матрицах также не самая лучшая, а частота обновления меньше, чем даже у TN матрицы. Это значит, что при быстром движении за картинкой может появляться заметный шлейф, что будет мешать смотреть телевизор. Однако если на такой матрице сгорит пиксель, он не будет светиться, а, наоборот, останется черным навсегда.

На основе данной технологии существуют и другие типы матрицы, которые также нередко используются в мониторах, дисплеях, экранах телевизоров и т.д.

• S-IPS. Такой модуль появился в 1998 году и отличался только меньшей частотой обновления отклика.
• AS-IPS. Следующий тип матрицы, в котором кроме скорости обновления улучшили еще и контрастность.
• A-TW-IPS. Это, по сути, та же S-IPS матрица, к которой был добавлен цветовой фильтр под названием «Настоящий белый». Чаще всего такой модуль использовали в мониторах, предназначенных для издательств или фотолабораторий, так как он делал белый цвет более реалистичным и увеличивал спектр его оттенков. Минус такой матрицы заключался в том, что черный цвет обладал при этом фиолетовым оттенком.
• H-IPS. Появился этот модуль в 2006 году и отличался однородностью экрана и улучшенным контрастом. У него нет такой неприятной засветки черного цвета, правда и угол обзора стал меньше.
• E-IPS. Появился в 2009 году. Такая технология помогла улучшить угол обзора, яркость и контрастность ЖК мониторов. Кроме того, было уменьшено время обновления экрана до 5 миллисекунд и уменьшено количество потребляемой энергии.
• P-IPS. Данный тип модуля появился относительно недавно, в 2010 году. Это наиболее усовершенствованная матрица. Она обладает 1024 градациями для каждого сабпикселя, благодаря чему появляется 30-битный цвет, чего не могла достичь ни одна другая матрица.

VA . Это самый первый вид матриц для ЖК дисплеев, который представляет собой компромиссное решение между предыдущими двумя видами модулей. Такие матрицы лучше всего передают контрастность изображения и его цвета, но при определенном угле обзора могут пропадать некоторые детали и изменяться цветовой баланс белого.

У такого модуля также существует несколько производных версий, отличающихся друг от друга по своим характеристикам.

• MVA – одна из первых и наиболее популярных матриц.
• PVA – данный модуль был выпущен компанией Samsung и отличается улучшенной контрастностью видео.
• S- PVA – также была изготовлена компанией Samsung для жидкокристаллических панелей.
• S-MVA
• P-MVA, A-MVA – производства AU Optronics. Все дальнейшие матрицы отличаются только компаниями-производителями. Все улучшение основываются только на уменьшении скорости отклика, которая достигается благодаря подачи более высокого напряжения в самом начале изменения положения сабпикселей и использовании полноценной 8-битной системы, которая кодирует цвет на каждом канале.

Также имеется и еще несколько видов ЖК матриц, которые также используются в некоторых моделях панелей.

• IPS Pro – их используют в телевизорах компании Panasonik.
• AFFS – матрицы от компании Samsung. Используются только в некоторых специализированных устройствах.
• ASV - матрицы от корпорации Sharp для жидкокристаллических телевизоров.

Виды подсветки

Жидкокристаллические дисплеи различаются также видами подсветки.

• Плазменные или газоразрядные лампы. Изначально все LSD мониторы обладали подсветкой из одной или нескольких ламп. В основном такие лампы обладали холодным катодом и имели название CCFL. Позднее начали использовать лампы EEFL. Источником света в таких лампах является плазма, которая появляется в результате электрического разряда проходящего через газ. При этом не нужно путать ЖК ТВ с плазменными, в которых каждый из пикселей является самостоятельным источником света.
• Светодиодная подсветка или LED. Такие ТВ появились относительно недавно. Такие дисплеи обладают одним или несколькими светодиодами. Однако стоит заметить, что это только тип подсветки, а не сам дисплей, которые состоит из этих миниатюрных диодов.

Быстрота отклика и необходимое значение для просмотра видео в формате 3D

Быстрота отклика – это то, сколько кадров в секунду может показывать телевизор. Этот параметр влияет на качество изображения и его плавность. Для того чтоб было достигнуто данное качество, частота обновления должна составлять 120 Гц. Для того чтоб достичь такой частоты, в телевизорах используют видеокарту. Кроме того, такая частота смены кадров не создает мерцания экрана, что в сою очередь лучше влияет на глаза.

Для просмотра фильмов в 3D формате такой частоты обновления будет вполне достаточно. При этом во многих ТВ устанавливают подсветку, которая обладает частотой обновления 480 Гц. Достигается она при помощи использования специальных TFT транзисторов.

Другие характеристики ЖК телевизоров

Яркость, глубина черного и контрастность	Яркость у таких ТВ находится на довольно высоком уровне, но контрастность оставляет желать лучшего. Это связано с тем, что при эффекте поляризации глубина черного цвета будет такой, насколько это позволит лампа подсветки. Из-за недостаточного уровня глубины черного цвета и контрастности, темные оттенки могут сливаться в один цвет.
Диагональ экрана	На сегодняшний день можно с легкостью найти ЖК панели как с большой диагональю, которые можно использовать в качестве домашнего кинотеатра, так и модели с довольно маленькой диагональю.
Угол обзора	Современные модели ТВ обладают довольно хорошим углом обзора, который может достигать 180 градусов. Но старые модели имеют недостаточный угол, из-за чего при взгляде на экран с определенного ракурса он может выглядеть довольно темным или цвета будут искажены.
Цветопередача	Цветопередача у таких дисплеев не всегда довольно хорошего качества. Это опять-таки касается в основном старых моделей экранов. Но и современные модели нередко уступают другим видам ТВ.
Энергоэффективность	Жидкокристаллические дисплеи потребляют на 40% меньше электроэнергии, чем другие виды.
Габариты и вес	Такие ТВ имеют довольно небольшой вес и толщину, однако на сегодняшний день существуют панели и с меньшей толщиной и весом.

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.

TFT (Thin film transistor) переводится с английского как тонкопленочный транзистор. Так что TFT - это такая разновидность жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая этими самими транзисторами. Такие элементы изготавливаются из тонкой пленки, толщина которых примерно 0,1 микрона.

Помимо небольших размеров, TFT-дисплеи обладают быстродействием. У них высокая контрастность и четкость изображения, а также хороший угол обзора. У таких дисплеев отсутствует мерцание экрана, поэтому глаза устают не так сильно. У TFT-дисплеев также отсутствуют дефекты фокусировки лучей, помехи от магнитных полей, проблемы с качеством и четкостью изображения. Энергопотребление таких дисплеев на 90% определяется мощностью светодиодной матрицы подсветки или ламп подсветки. В сравнении с теми же ЭЛТ, энергопотребление TFT-дисплеев примерно в пять раз ниже.

Все эти преимущества существуют благодаря тому, что данная технология обновляет изображение на более высокой частоте. Это объясняется тем, что точки дисплея управляются отдельными тонкопленочными транзисторами. Количество таких элементов в TFT-дисплеях в три раза больше, чем число пикселей. То есть, на одну точку приходится три цветных транзистора, которые соответствуют основным цветам RGB – красный, зеленый и синий. К примеру, в дисплее с разрешением 1280 на 1024 пикселей количество транзисторов будет в три раза больше, а именно – 3840х1024. Именно в этом и заключается основной принцип работы TFT-технологии.

Недостатки матриц TFT

TFT-дисплеи, в отличии от ЭЛТ, могут показывать четкое изображение лишь в одном «родном» разрешении. Остальные разрешения достигаются интерполяцией. Также существенным минусом является сильная зависимость контраста от угла обзора. По сути, если смотреть на такие дисплеи сбоку, сверху или снизу - изображение будет сильно искажаться. В ЭЛТ дисплеях этой проблемы никогда и не существовало.

Кроме того, транзисторы любого пикселя могут выйти из строя, что приведет к появлению битых пикселей. Такие точки, как правило, ремонту не подлежат. И получится так, что где-то посредине экрана (или в углу) может быть маленькая, но заметная точка, которая сильно раздражает во время работы за компьютером. Также у TFT-дисплеев матрица не защищена стеклом, и возможна необратимая деградация при сильном нажатии на дисплей.

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: