Принцип действия и конструктивные модификации
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 составляет несколько единиц мкВт/см2);
· низкие рабочие напряжения (1,5(5 В) и хорошая совместимость с КМОП- микросхемами;
· 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 коэффициент отношения их плотностей 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 различные электрооптические эффекты:
· связанные с движением вещества - динамическое рассеяние (ДР);
· с поворотом молекул в электрическом поле - твист-эффект (ТЭ);
· эффект гость - хозяин (Г - X).
Конструктивные схемы ЖКИ показаны на рисунках 5.2 и 5.3.
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;
· индикаторы, работающие на отражение.
 Рисунок 5.2 - Конструкция ЖКИ, работающего на просвет: 1,3 - стеклянные пластины; 2 - склеивающее соединение; 4 - задний прозрачный электрод; 5 - передний прозрачный электрод; 6 - жидкий кристалл |  Рисунок 5.3 - Конструкция ЖКИ, работающего на отражение: 1,3 - стеклянные пластины; 2 - склеивающее соединение; 4 - задний отражающий электрод; 5 - передний прозрачный электрод; 6 - ЖК |
У первого типа (рис 5.2)обе стеклянные пластины прозрачны, электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова), между которыми помещено ЖК вещество. За индикатором помещается источник света. Цвет и ярость индикатора определяются цветом и яркостью источника света.
У второго типа (рис 5.3) «задний» электрод изготовлен в виде зеркала, на соответствующую пластину наносится прозрачная проводящая и отражающая свет пленка (например, пленка алюминия, никеля, золота). Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).
Пример ЖК-индикатора со сложным структурным рисунком, применяемого в устройствах бытовой аппаратуры, с указанием реальных размеров, приведен на рисунке 5.4.
Рисунок 5.4 - ЖК индикатор со сложным структурным рисунком
На рисунке 5.5 показан набор букв, знаков и цифр, которые можно получить на 16-сегментном знакосинтезирующем ЖК индикаторе.
 |  |
Рисунок 5.5 - Изображения букв, знаков и цифр, получаемых на 16 сегментном ЖК индикаторе
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 Динамического Рассеяния (ДР), при приложении электрического поля напряженностью около 5 кВ/см (примерно 30 В - к пленке ЖК толщиной 0,25 мм) молекулы переориентируются, возникает турбулентность и сильное оптическое рассеяние. Материал, прозрачный в отсутствии 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. Заднюю стеклянную пластину индикатора чернят, тогда на черном фоне возникает белое изображение.
В ЖКИ с использованием Твист-Эффекта (ТЭ), работающем на отражение, стеклянные пластины расположены между двумя скрещенными поляризаторами, за задним из которых помещен диффузный отражатель. Поверхности пластин, обращенные к ЖК, полируются так, чтобы молекулы ЖК в слоях, прилегающих к ним, ориентировались во взаимно перпендикулярных направлениях, в промежуточных слояхосуществляется постепенный поворот направления ориентации.
В отсутствии электрического поля свет в индикаторе следует за вращением молекул и на выходе индикатора плоскость его поляризации оказывается повернутой на 90°; свет проходит через индикатор. Поляризатор пропускает свет только определенной поляризации. При наличии электрического поля ориентация молекул изменяется, все молекулы ориентируются вдоль электрического поля. Плоскость поляризации света, проходящего в этом случае через индикатор, не вращается, и свет не проходит через индикатор. Так как отражатель диффузный, на слабоокрашенном 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 пропускает при подаче напряжения.
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).
· Рабочее напряжение ЖКИ на эффекте ДР не превышает 20 В.
· Для индикаторов на основе ТЭ удельная потребляемая мощность составляет не более 20 мкВт/см2 (менее 2 мкА/см2).
· Рабочее напряжение ЖКИ на эффекте ТЭ не превышает 5 В.
· Долговечность при эксплуатации на переменном токе составляет более 40 тысяч часов.
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. Они имеют удобное конструктивное оформление. Индикаторы плоские; толщина индикатора практически определяется толщиной двух стекол и может составлять 0,6 - 0,8 мм.
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 Гость - Хозяин 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, а под воздействием электрического поля он обесцвечивается. В этом случае на окрашенном фоне возникают участки, имеющие другой цвет.
Но существуют также вещества гостя и хозяина, в которых окрашивание происходит под воздействием электрического поля. Цветовые различия в индикаторах на эффекте Г-X хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности даже при небольшом яркостном контрасте.
Управление ЖКИ
Способы управления индикаторными панелями (ИП) на основе ЖК материалов определяются особенностями их физических свойств. 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 этого 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 (рисунок 5.6 а) одинаковой полярности, но сдвинутые по фазе так, что управляющее напряжение представляет собой биполярный сигнал, не имеющий постоянной составляющей (рисунок 5.6 б).
Рисунок 5.6 - Знакопеременное управляющее напряжение ЖКИ:
а - импульсы напряжения прямоугольной формы;
б - напряжения, сдвинутые по фазе
Принципиальная схема возбуждения ЖКИ переменным током (фазовым методом) приведена на рисунке 5.7. В схеме предусматривается подача на входы вентилей ИЛИ импульсов напряжения с частотой 15... 20 Гц, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 180°. В зависимости от уровня управляющего сигнала на сегмент с выхода формирователя подаются напряжения различных фаз. Сегмент не возбуждается при совпадении фаз на электродах ЖКИ, возбуждение происходит при различных фазах.
Рисунок 5.7 - Принципиальная схема возбуждения ЖКИ фазовым методом
Управление многоразрядными ЖКИ может осуществляться в статическом или динамическом режиме.
Структурная схема управления индикатором в статическом режиме показана на рисунке 5.8. Каждое знакоместо индикатора З1 - Зn подключено к регистру оперативной памяти. 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.
Рисунок 5.8 - Структурная схема управления индикатором в статическом режиме
При динамическом управлении пространственно разделенные разряды работают последовательно во времени. Возможны разные типы динамического управления. На рисунке 5.9 приведена структурная схема управления ЖКИ в динамическом режиме с последовательной выборкой знакоместа.
Рисунок 5.9 - Структурная схема управления индикатором в динамическом режиме
Счетчик Ст2 формирует через дешифратор Дш импульсы активизации знакомест З1 - Зn. Информация с регистра памяти проходит через дешифратор знаков Дш Зн и поступает на индикаторы знакомест. Каждый индикатор работает небольшую часть общего времени. Достоинство схемы - в малом числе компонентов схемы управления и более низкое энергопотребление.
Частота тактов должна быть выше или равной некоторой критической частоты fкр, при которой мерцание разрядов незаметно.
Долговечность ЖКИ
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 являются 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 потребляемый индикатором ток.
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.
Индикаторы следует возбуждать переменным напряжением. Значение постоянной составляющей не должно превышать 250 мВ. Для контактирования выводов индикатора со схемой рекомендуется применять разъемы. Необходимо защищать кромку индикатора по всему периметру (место герметизации) от воздействия влаги.