Все LCD являются пассивными устройствами отображения информации и для того, чтобы сформированное изображение попадало в глаз человека его необходимо освещать, в простейшем случае естественным внешним светом. В отсутствие внешнего освещения, или при недостаточном естественном освещении, может быть использован искусственный источник света и, в связи с этим, большинство современных LCD работают в одном из трех режимов отображения (см. Рис.1 а, б, в): в режиме полного отражения, при котором внешний свет отражается от рефлектора, расположенного сзади дисплея (а); в режиме полуотражения, при котором рефлектор отражает внешний свет, но способен пропускать свет от источника света, расположенного позади него (б); и в режиме подсвечивания, при котором рефлектор, отражающий внешний свет, отсутствует и для подсветки изображения используется специальный источник света (в).
а) Рефлектор, объединенный с задним поляризатором, отражает внешний свет. Потребление минимально |
||
б) Полупрозрачный рефлектор, объединенный с задним поляризатором, отражает свет, поступающий с лицевой стороны LCD, но позволяет проходить свету подсветки с задней стороны отражателя. Отключение подсветки при хороших условиях освещенности, способствует сокращению потребления. |
||
в) Нет ни отражающего ни полуотражающего рефлектора - необходима только подсветка. Чаще всего используется с негативными изображениями |
||
Рис. 1. Режимы отображения LCD |
Прием, при котором используется специальный источник света получил название "подсветка" (backlight). Для реализации подсветки используется несколько технологий:
Электролюминесцентная подсветка обеспечивает равномерное освещение и выполняется в тонком и легком конструктиве (См. Рис. 2).
Она обеспечивает получение различных цветов, в том числе и белого, чаще всего используемого в LCD. Потребление при электролюминесцентной подсветке относительно мало, однако для ее организации необходимо организовать переменное напряжение в диапазоне от 80 до 100 В c типовой частотой порядка 400 Гц. Такое напряжение организуется специальными преобразователями, преобразующими напряжение постоянного тока 5, 12 или 24 В в необходимое высокое переменное напряжение. Это наиболее экономичный, с точки зрения потребления, тип подсветки и он чаще всего используется в устройствах с батарейным питанием. Срок жизни электролюминесцентной подсветки (снижение яркости наполовину от исходной) составляет порядка 3 - 5 тысяч часов и зависит от установленной яркости свечения (См. Рис 3.).
Отличительные особенности электролюминесцентной (EL) подсветки:
Светодиодная подсветка обеспечивает самый большой срок службы - минимум 50 тысяч часов, и яркость большую, чем у EL подсветки. Подсветка организуется твердотельными приборами и, следовательно, может работать непосредственно от источника с напряжением 5 В - без использования преобразователей, однако для защиты LED (для ограничения тока) рекомендуется устанавливать ограничивающие резисторы. Цепочка светоизлучающих диодов располагается вдоль боковых поверхностей дисплея (б), или в виде матрицы под диффузором (рассеивателем) (а) и обеспечивает яркий равномерный подсвет (См. Рис. 4 а, б).
а) Матричная подсветка. Использование матричной подсветки позволяет обеспечить равномерную подсветку дисплеев больших размеров |
б) Боковая подсветка. Сочетание LED и световода (Light Guide) позволяет реализовать невысокий конструктив подсветки |
Рис. 4. Конструктивы матричной и боковой LED подсветки |
Боковая подсветка используется в модулях с количеством знакомест в строке до 20. При количестве знакомест свыше 20 при боковой подсветке уже образуется более темная, чем на краях, область. Для устранения этого недостатка некоторые фирмы применят специальные меры, например, организуют дополнительную подсветку сверху.
Матричная LED подсветка обеспечивает более яркий и равномерный свет. При разработке такой подсветки определяющим является потребление. Не рекомендуется использовать их в применениях с батарейным питанием, в которых необходимо иметь постоянно включенную подсветку.
Светодиоды LED подсветки работают при напряжении питания 4,2 В (типовое), потребление LED подсветки определяется количеством включенных диодов и, следовательно, с увеличением размера дисплея растет и потребление, составляющее от 30 до более 200 мА.
Светодиодная подсветка может быть различного цвета, в том числе и белая, но чаще всего, в настоящее время, используется желто-зеленая подсветка. Хотя потребление LED больше, чем у EL, светоизлучение LED подсветки выше. Возможно управление яркостью свечения посредством потенциометра или ШИМ регулятора.
Принимая во внимание стоимость преобразователей, используемых с EL, применение LED подсветки становится достаточно экономичным. Толщина модуля с LED подсветкой больше на 2 -4 мм, чем у модуля с EL подсветкой или без подсветки.
Отличительные особенности светодиодной (LED) подсветки:
Для CCFL подсветки характерны относительно малое потребление и очень яркий белый свет. Используются две технологии: прямая и боковая подсветки (См. Рис 5а и 5б).
В обоих случаях источником света являются флуоресцентные лампы с холодным катодом (источники локального светового пятна), свет от которых по всей площади экрана распределяется диффузорами (diffuser) и световодами (light guide). Боковая подсветка позволяет реализовать модули невысокой толщины и с меньшим потреблением. CCFL подсветка используется, в первую очередь, в графических LCD и срок службы CFL подсветки выше, чем у EL подсветки - до 10 - 15 тысяч часов.
Посредством CCFL обеспечивается подсветка больших поверхностей и поэтому она, преимущественно, используется в больших плоскопанельных дисплеях. Большим достоинством CCFL является возможность получения бумажно-белого цвета, что делает CCFL практически единственным источником подсвета цветных дисплеев. Для работы флуоресцентных ламп необходимы преобразователи, повышающие напряжение до 270 - 300 В переменного тока.
Отличительные особенности подсветки флуоресцентными лампами с холодным катодом (CCFL):
В приведенной ниже таблице отражены сравнительные характеристики трех основных типов подсветки и их основные области применения.
Тип подс-ветки | Использо- вание, в зависимости от условий освещения |
Потребление | Стои- мость |
Генера- ция RFI |
Управление яркостью | Приме- чания |
Нет | Неприменимо в условиях плохой освещенности | Наилучшее (не потребляет по своей природе) | Наименьшая | Отсутствует | Не используется | |
EL | Очень хорошее 30 мВт | Хорошая | Незначительная (на малых частотах) | Фиксированная яркость | Предпочтительна для устройств с батарейным питанием | |
LED | Применяется при любых условиях освещенности | Хорошее 60 мВт | Хорошая | Отсутствует | Регулируется в широком диапазоне | Чаще всего используется в небольших дисплеях |
CCFL | Не применяется в условиях яркого освещения | Существенное 700 мВт | Самая высокая | Иногда (на высокой частоте) | Регулируется в ограниченном диапазоне | Чаще всего используется в больших графических дисплеях |
Параметр | Условия измерения | Минимальное | Типовое | Максимальное | Единицы измерения |
Средняя яркость | 400 | 450 | - | кд/м 2 | |
Равномерность яркости | Выходной ток инвертора = 5 мА | 70% | - | - | |
Хроматичность по оси X | Выходной ток инвертора = 5 мА | 0.30 | 0.32 | 0.34 | |
Хроматичность по оси Y | Выходной ток инвертора = 5 мА | 0.36 | 0.38 | 0.40 |
Отличительная черта такой подсветки в её равномерном распределении по экрану. Если суть обычной LED подсветки это светодиод где нибудь сбоку циферблата, то при электролюминесцентном варианте загорается либо весь фон, кроме цифр, либо же сами цифры, кроме фона.
В чём же суть такого вида подсветки и как она работает. Стоит отметить, что возможно это благодаря эффекту электролюминесценции - люминесценции, возбуждаемой электрическим полем. Происходит это благодаря излучательной рекомбинации электронов и полупроводниковых дырок. Электроны в возбуждённом состоянии отдают свою энергию в виде фотонов. В качестве материала для панелей чаще всего используют сульфиды цинка, полупроводники III-V InP, GaAs, GaN. Эффект был открыт в XX веке и получил широкое применение в его второй половине. На фото - ночник с использованием данной технологии. А на фото ниже - приборная панель автомобиля Doge Charger. Именно Chrysler стала первым в мире производителем автомобилей, который внедрил технологию электролюминесцентной подсветки в производство авто.
Во многих моделях дешёвых часов из-за конструктивной особенности циферблата при севшей батарейке LED подсветка не способна осветить стрелки или цифры. В случае ЭЛ подсветки даже при слабом заряде экран либо цифры всё таки светиться будут, хоть и слабо. Но этого будет вполне достаточно, чтобы определить время в ночное время суток. По этой же причине, EL подсветка нашла широкое применение в электро-бытовых приборах, подсветке шкал и в военной технике. Количество потребляемой ею энергии намного меньше привычных осветительных приборов.
Электролюминесцентная подсветка широко применяется в электронных часах таких фирм, как и Shark. Но и в обычных кварцевых часах (со стрелками) можно встерить эту технологию.
Так, например, почти все модели часов американской фирмы Timex идут со встроенной ЭЛ подсветкой. Их технология запатентована и называется Indiglo.
Общие сведения о жидкокристаллических дисплеях
Жидкокристаллические дисплеи и панели
Жидкокристаллические (LCD) дисплеи обладают таким же светоклапанным принципом действия, как и рассмотренные выше жидкокристаллические индикаторы. Они могут работать либо на отражение, либо на просвет. Жидкие кристаллы можно отнести к одному из трёх видов: смектическим, нематическим или холестерическим.
Смектические жидкие кристаллы формируют слои, в которых молекулы имеют упорядоченное положение.
Нематические жидкие кристаллы обладают хаотичным расположением молекул и непрозрачным для проходящего света дисплеем лишь до тех пор, пока молекулы не будут помещены в электрическое поле. Нематические жидкие кристаллы нашли широкое применение в одноцветных индикаторах и чёрно-белых дисплеях.
Холестерические жидкие кристаллы под воздействием электрического поля формируют слои, в которых молекулы смещены на один и тот же угол в пространстве. Это обстоятельство позволяет при наличии источника белого света получать цветное изображение на экране дисплея. Таким образом, в цветных жидкокристаллических дисплеях применяют холестерические жидкие кристаллы.
По причине того, что жидкие кристаллы не генерируют фотоны, для регистрации изображения необходим внешний источник освещения. Его располагают либо за жидкокристаллическим дисплеем, либо перед ним, и тогда обычно можно полагать, что он работает на просвет, либо сбоку дисплея, и в этом случае иногда допустимо считать, что дисплей работает на отражение. Если по конструктивным соображениям источник света размещён сбоку от дисплея, то благодаря системе зеркал излучение попадает на его рабочую зону.
Электролюминесцентную подсветку жидкокристаллических дисплеев обеспечивают электролюминесцентные лампы (EL), свет которых попадает на полупрозрачный отражатель, а затем на противоположную от стороны обзора пользователем сторону дисплея. Для питания электролюминесцентной лампы необходим источник питания, вырабатывающий переменное напряжение частотой в районе 400 Гц и величиной обычно от 80 В до 100 В. При этом через лампу протекает ток примерно от десятка до нескольких десятков миллиампер. Следовательно, электролюминесцентная подсветка экономична и рекомендована для портативных устройств. Достоинства электролюминесцентной подсветки: равномерное освещение дисплея, высокая долговечность (время эксплуатации не менее 3000 … 5000 часов), толщина конструкции от 1,5 мм, типовой диапазон рабочих температур от 0 до 50 °C. Недостатки: чем выше яркость электролюминесцентных ламп подсветки, тем меньше время их наработки на отказ. А стоимость ламп весьма высока. Для питания электролюминесцентной лампы от низковольтного источника питания, например, аккумулятора или батареи, необходим импульсный преобразователь.
Применение EL-панелей
Световые ленты очень легко использовать для подсветки лестниц, перил, а также любых поверхностей для обозначения выхода. Особенность электролюминесцентного свечения такова, что свет виден даже сквозь туман или дым, поэтому при аварийной ситуации легко найти выход, например из задымленного помещения при пожаре. В то же время, используя низкое потребление светобумаги, можно сделать автономный источник света так, что лента будет светиться даже при полном отключении электроэнергии.
С помощью светобумаги можно создавать указатели и знаки, вывески и таблички с логотипом компании. Светобумага может заменить неоновые вывески, в особенности световые короба, где применение светобумаги сильно уменьшает толщину коробов, которые обычно не меньше 40мм. Толщина светобумаги всего 0.5 мм, при такой толщине ее вес на единицу площади очень мал, что позволяет сократить не только габариты вывесок на ней, но и уменьшить общий вес, что позволяет упростить установку таких вывесок и сделать более безопасным их использование.
Одним из интересных направлений использования светобумаги является архитектурная подсветка. Это может быть как подсветка фонтанов (ламинированная светобумага надежна защищена от влаги) и фасадов зданий, так и подсветка интерьера внутри помещения.
Гибкость и надежность светобумаги позволяют ее использование в сложных дорожных условиях, при большой влажности и в широком диапазоне температур, а это значит, можно изменить световой стиль Вашего автомобиля как внутри салона, так и снаружи. Эффектно смотрится подсветка дороги под днищем автомобиля, а также световые полосы на дверях автомобиля при движении. Для использования светобумаги в автомобиле мы комплектуем светобумагу специальным блоком питания на 12 Вольт.
Жидкокристаллические дисплеи (LCD) являются пассивными устройствами отображения информации. Для того чтобы сформированное изображение воспринималось глазом человека, его необходимо освещать, в простейшем случае - естественным внешним светом. При недостаточном естественном освещении или его отсутствии для дисплея может быть использован искусственный источник света.
Большинство современных LCD работают в одном из трех режимов отображения: в режиме полного отражения, при котором внешний свет отражается от рефлектора, расположенного позади дисплея (рис. 1, а); в режиме полуотражения, при котором рефлектор отражает внешний свет, но способен пропускать свет от источника света, расположенного позади него (рис. 1, б); в режиме подсвечивания, при котором рефлектор, отражаю- щий внешний свет, отсутствует и для подсветки изображения используется специальный источник света (рис. 1, в).
Прием, при котором используется специальный источник света, получил название «подсветка» (backlight). Для реализации подсветки используется несколько технологий, которые будут рассмотрены ниже.
Электролюминесцентная подсветка обеспечивает равномерное освещение и выполняется в тонком и легком конструктиве (рис. 2).
Такая подсветка обеспечивает получение различных цветов, в том числе белого, чаще всего используемого в LCD. Потребление при электролюминесцентной подсветке относительно мало, однако для ее организации необходим источник переменного напряжения 80…100 В частотой около 400 Гц (типовое значение). В качестве такого источника используют преобразователи DC/DC, трансформирующие напряжение постоянного тока 5, 12 или 24 В в переменное напряжение требуемой величины. Это наиболее экономичный с точки зрения потребления тип подсветки, и он чаще всего используется в устройствах с батарейным питанием. Срок жизни электролюминесцентной подсветки (снижение яркости наполовину от исходной) составляет порядка 3…5 тыс. часов и зависит от установленной яркости свечения (рис. 3).
Отличительные особенности электролюминесцентной подсветки:
Светодиодная подсветка характеризуется самым длительным сроком службы - минимум 50 тыс. часов - и большей, чем у EL-подсветки, яркостью. Подсветка обеспечивается твердотельными приборами и, следовательно, может работать непосредственно от источника напряжения 5 В без использования преобразователей. Однако для ограничения тока через LED необходима установка токоограничительных резисторов. Цепочка светодиодов располагается вдоль боковых поверхностей дисплея или в виде матрицы под диффузором (рассеивателем) и обеспечивает яркую равномерную подсветку (рис. 4, а, б).
Боковая подсветка используется в модулях с количеством знакомест в строке до 20. При количестве знакомест свыше 20 в центре LCD образуется более темная, чем на краях, область. Для устранения этого недостатка применяют специальные меры, например дополнительную подсветку сверху.
Матричная LED-подсветка обеспечивает более яркий и равномерный свет. При разработке такой подсветки определяющим фактором является потребление. Не рекомендуется ее использовать в устройствах с батарейным питанием, в которых требуется постоянно включенная подсветка.
Светодиоды LED-подсветки работают при напряжении питания 4,2 В (типовое значение). Потребление подсветки определяется количеством включенных светодиодов, и, следовательно, с увеличением размера дисплея растет потребление, составляющее от 30 до 200 мА и более.
Цвет LED-подсветки может быть разным, в том числе и белым, но чаще всего используется желто-зеленая подсветка. Ее светоизлучение выше, чем у EL-подсветки. Возможно управление яркостью свечения посредством потенциометра или ШИМ-регулятора.
Принимая во внимание стоимость преобразователей, используемых с EL, применение LED-подсветки более экономично. Толщина модуля с LED-подсветкой на 2–4 мм больше, чем у модуля с EL-подсветкой или без подсветки.
Отличительные особенности светодиодной подсветки:
Для CCFL-подсветки характерны относительно малое потребление и очень яркий белый свет. Используются две технологии: прямая и боковая подсветки (рис 5, а, б).
В обоих случаях источником света являются флуоресцентные лампы с холодным катодом (источники локального светового пятна), свет от которых по всей площади экрана распределяется диффузорами (diffuser) и световодами (light guide). Боковая подсветка позволяет реализовать модули малой толщины и с меньшим потреблением. CCFL-подсветка используется в первую очередь в графических LCD, и срок службы СCFL-подсветки выше, чем у EL-подсветки - до 10–15 тыс. часов.
Посредством CCFL обеспечивается подсветка больших поверхностей, поэтому она используется преимущественно в больших плоскопанельных дисплеях. Большим достоинством CCFL является возможность получения бумажно-белого цвета, что делает CCFL практически единственным источником подсветки цветных дисплеев. Для работы флуоресцентных ламп необходимы преобразователи с выходным напряжением переменного тока от 270 до 300 В.
Отличительные особенности подсветки флуоресцентными лампами с холодным катодом (CCFL):
В табл. 1–3 приводятся характеристики флуоресцентных ламп с холодным катодом.
В приведенной ниже табл. 4 даны сравнительные характеристики трех основных типов подсветки и их основные области применения.
Тип подсветки | Использо- вание, в зависимости от условий освещения |
Потребление | Стоимость | Генерация RFI | Управление яркостью | Примечания |
Нет | Неприменимо в условиях плохой освещенности | Наилучшее (не потребляет по своей природе) | Наименьшая | Отсутствует | Не используется | |
EL | Очень хорошее 30 мВт | Средняя | Незначительная (на малых частотах) | Фиксированная яркость | Предпочти тельна для устройств с батарейным питанием |
|
LED | Применяется при любых условиях освещенности | Хорошее 60 мВт | Средняя | Отсутствует | Регулируется в широком диапазоне | Чаще всего используется в небольших дисплеях |
CCFL | Не применяется в условиях яркого освещения | Существенное 700 мВт | Самая высокая | Иногда (на высокой частоте) | Регулируется в ограниченном диапазоне | Чаще всего используется в больших графических дисплеях |