Šķidro kristālu displejs (LCD): definīcija, darbības princips un pielietojums

Uzzini visu par šķidro kristālu displejiem (LCD): definīcija, darbības princips, energoefektivitāte un pielietojums — no digitālajiem pulksteņiem līdz plakanajiem televizoriem.

Šķidro kristālu displejs ir plāns, plakans panelis, kas pats par sevi neizstaro gaismu, bet tā caurlaidību kontrolē — tas var caurlaist gaismu vai to bloķēt. (Atšķirībā no gaismas diodes tas pats nerada gaismu.) Panelis sastāv no daudzām mazām zonām — pikseļiem vai bloku veidā — un katrs bloks var būt dažādas formas. Katrs bloks ir piepildīts ar šķidrajiem kristāliem, kuru optiskās īpašības mainās, kad uz tiem iedarbojas elektriskā lauka vadība. Mainot elektriskās strāvas vai sprieguma padevi uz noteiktu bloku, šie kristāli var padarīt zonu caurspīdīgu vai necaurspīdīgu, tādējādi kontrolējot, vai caur paneli nonāk gaisma. Šķidro kristālu displejus bieži saīsināti dēvē par LCD.

Darbības princips

Galvenais LCD darbības princips balstās uz gaismas polarizāciju un šķidro kristālu molekulu orientāciju. Tipiskā veidā panelī ir divi polarizatori — viens priekšā un viens aizmugurē — un starp tiem atrodas šķidro kristālu slānis. Bez elektriskā lauka šķidro kristālu molekulas var pagriezt polarizētā gaismas plūsmu tā, ka tā iziet cauri otrajam polarizatoram. Kad uz kristāliem tiek pielikts spriegums, molekulas sakārtojas citādi, un polarizētā gaisma vairs neiziet cauri, tādējādi zona kļūst tumša.

Krāsu attēlu veido, sadalot katru pikseli trīs subpikseļos — sarkanā, zaļā un zilā krāsā —, kuriem katram ir savs krāsu filtrs. Regulējot katra subpikseļa caurlaidību, tiek iegūtas dažādas krāsas un toņi.

Uzbūve — galvenās sastāvdaļas

• Glāzes vai cietie substrāti: divi plāni stikla paneļi, uz kuriem ir caurspīdīgas elektrodes (piemēram, oksīds Indija-cīlijs).
• Elektrodes: sadala paneļa virsmu pikseļos un ļauj vietēji pielietot spriegumu.
• Šķidro kristālu slānis: plāns slānis starp substrātiem, kura molekulārā orientācija tiek mainīta ar elektrisko lauku.
• Alīnēšanas (alignment) slāņi: plānas kārtas, kas nosaka sākotnējo molekulu virzienu.
• Polarizatori: optiskie filtri, kas nosaka, kura gaisma tiek caurlaista.
• Krāsu filtri: katram RGB subpikselim nodrošina vajadzīgo krāsu.
• Aizmugures apgaismojums: LED vai aukstā katoda luminiscences gaisma (CCFL), ja panelis nav paredzēts tikai reflektīvam darbam.

LCD tehnoloģiju veidi

• TN (Twisted Nematic): vienkāršāka un lētāka tehnoloģija ar ātru reakcijas laiku, taču šaurākiem skatīšanās leņķiem un zemākām krāsu precizitātēm.
• IPS (In-Plane Switching): labāka krāsu atveide un plašāks skatīšanās leņķis; bieži izmantota monitoros un viedtālruņos.
• VA (Vertical Alignment): nodrošina labāku kontrastu un tumšākas melnās krāsas, taču var būt nedaudz lēnāks reakcijas laiks nekā TN.
• Aktīvā matrica (TFT — Thin Film Transistor): katram pikselim ir atsevišķs tranzistors un kondensators, kas ļauj precīzu un ātru vadību; tas ir standarts mūsdienu monitoros un televizoros.
• Pasīvā matrica: vienkāršāks vadības veids, tiek izmantots zemas cenas vai vienkāršās ierīcēs (piem., daži digitalie pulksteņi, kalkulatori).

Priekšrocības un trūkumi

• Priekšrocības:
  • Zems enerģijas patēriņš, īpaši reflektīvajos vai transflektīvajos paneļos; piemērots baterijām darbināmām ierīcēm.
  • Plāns un viegls formfaktors, viegli integrējams plakanos ekrānos.
  • Laba izšķirtspēja un attēla asums ar augstas izšķirtspējas paneļiem.
• Trūkumi:
  • Nevienmērīgs melno toņu attēlojums bez kvalitatīva aizmugures apgaismojuma (kontrasta ierobežojumi salīdzinājumā ar OLED).
  • Atkarīgs no apgaismojuma avota — bez aizmugures apgaismojuma tumšās telpās attēls var nebūt redzams.
  • Dažas LCD tehnoloģijas (piem., TN) var radīt šaurus skatīšanās leņķus un krāsu izkropļojumus, kā arī kustības dubultošanos ātrās ainas laikā.

Pielietojums

LCD paneļi tiek plaši izmantoti daudzās ierīcēs un nozarēs:

• Digitālie pulksteņi, kalkulatori un vienkāršas baterijās darbināmas ierīces (zems enerģijas patēriņš).
• Viedtālruņi, planšetdatori un portatīvie datori (bieži ar IPS vai citu uzlabotu LCD tehnoloģiju).
• Datora monitori, televizori un profesionālie displeji (TFT aktīvā matrica ar dažādiem paneļu tipiem).
• Instrumentu paneļi automobiļos, medicīniskajās ierīcēs, rūpniecības kontrolsistēmās, POS terminālos u.c.
• Produkti ar reflektīviem vai transflektīviem paneļiem, kas labi strādā spilgtā dienasgaismā (piemēram, GPS ierīces, viedpulksteņi ar zemu enerģijas patēriņu).

Papildus piezīmes

• Daudzi mūsdienu LCD ekrāni izmanto LED aizmugures apgaismojumu, kas ir energoefektīvāks un ļauj iegūt vienmērīgāku apgaismojumu nekā vecākie CCFL risinājumi.
• Skatīšanās kvalitāte (kontrasts, krāsas, reakcijas laiks) ir atkarīga gan no paneļa virziena, gan no vadības elektronikas — tāpēc ir liela atšķirība starp budžeta un augstas klases LCD displejiem.
• LCD tehnoloģija joprojām tiek attīstīta, tomēr pēdējos gados konkurence ar OLED un citiem emisijas paneļiem ir palielinājusies, jo tie spēj nodrošināt labāku kontrastu un melno krāsu dziļumu.

Kopumā LCD ir universāla un plaši izplatīta displeju tehnoloģija, kas piedāvā labu balansu starp izmaksām, enerģijas patēriņu un attēla kvalitāti dažādos pielietojumos — no vienkāršiem displejiem pulksteņos līdz augstas izšķirtspējas monitoriem un televizoriem.

Būvniecība

LCD izmanto tehnoloģiju, ko sauc par elektrooptisko modulāciju. Tas nozīmē, ka tas izmanto elektroenerģiju, lai mainītu gaismas caurlaidību.

Katru LCD ekrāna pikseli (bloku) veido plāns molekulu slānis starp diviem elektrodiem un diviem polarizācijas filtriem. Elektrodi nodrošina šķidro kristālu slāni ar elektroenerģiju un neaizslēdz gaismu. Gaisma pārvietojas ar "polaritāti" jeb virzienu, un polarizācijas filtrs caur to izlaiž tikai viena veida polaritātes gaismu, līdzīgi kā mēģināt izslidināt lineālu caur šauru atveri. Tikai tad, ja lineāls ir pareizi izvietots, tas būs piemērots. Šie divi filtri ir viens otram perpendikulāri, tāpēc šaurās atveres ir dažādos virzienos. Tas nozīmē, ka, ja starp tiem nebūtu šķidro kristālu, tie bloķētu visas gaismas iekļūšanu - visa gaisma, kas izkļūst cauri pirmajam filtram, neiekļūs cauri otrajam filtram.

Šķidro kristālu slānis starp abiem filtriem var "pagriezt" gaismu tā, ka mainās polaritāte. Tas nozīmē, ka gaisma var iziet cauri abiem filtriem, un pikseļi parādās skaidri. Pievadot elektrisko strāvu šķidrajiem kristāliem, molekulas nesavijas un nemaina gaismu. Tad filtri bloķē gaismu, un pikseļi izskatās tumši.

Ja displejā ir nepieciešams liels pikseļu skaits, kļūst grūti nodrošināt pietiekamu skaitu vadu un elektrodu, lai kontrolētu katru pikseli un saglabātu tīru displeju. Tā vietā displejs tiek multipleksēts. Multipleksētā displejā elektrodi vienā displeja pusē ir sagrupēti un savienoti kopā (parasti kolonnās). Otrā pusē elektrodi arī ir sagrupēti (parasti rindās), un katrai grupai ir savs sprieguma uztvērējs. Ieslēdzot vienu rindu un vienu kolonnu, katru pikseli var kontrolēt pa vienam.

LCD modinātājs


LCD displejs ar no ierīces noņemtu augšējo polarizatoru un novietotu uz tā, lai augšējais un apakšējais polarizators būtu paralēli.

Meklēt pēc burta