Структура и принцип работы индикаторов
По своей структуре все индикаторы делятся на различные виды и типы. На сегодняшний день одним из самых распространенных типов индикаторов считается жидкокристаллические индикаторы.
Жидкие кристаллы, с одной стороны, обладает текучестью как изотропная жидкость, с другой стороны, сохраняет определенный порядок в расположении молекул, как кристалл. В отдельных случаях мезофаза оказывается стабильной в широкой области температур, тогда говорят о жидких кристаллах. Большинство жидких кристаллов образуются стержневыми молекулами. Обычно жидкокристаллический дисплей представляет собой стеклянную кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую помещен жидкий кристалл. Направление молекул жидкого кристалла может быть задано обработкой поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы выстраивались в определенном направлении – параллельно плоскости кюветы или перпендикулярно к ней. Один из способов обработки поверхности заключается в нанесении на нее тонкого слоя твердого полимера и последующего «натирания» его в одном направлении. Используя различные ориентации направления молекул жидкого кристалла первоначально с помощью поверхностного упорядочения, а затем с помощью электрического поля, можно сконструировать простейший дисплей.
1 – выводы, 2 – полимерная уплотнительная прокладка, 3 – стекло, 4 - покрытие из окиси олова, 5 – жидкокристаллическая смесь
Рис. 1.7.Структура ячейки жидкокристаллического индикатора
Жидкокристаллический дисплей состоит из несколько слоев, где ключевую роль играют две стеклянные панели, между которыми помещён жидкий кристалл. На панели наносятся бороздки. Бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны бороздкам соседней панели. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково по всей поверхности. В результате направление ориентации молекул жидкого кристалла поворачивается от верхней панели к нижней на 90°, вращая, таким образом, плоскость поляризации света. Изображение формируется при помощи поляризационных плёнок, размещённых над и под жидкокристаллическим дисплеем. Если оси поляризации этих плёнок перпендикулярны друг другу, то дисплей будет прозрачным. На стеклянные панели наносится тонкий слой металла, образующий электроды. Если теперь к электродам подвести напряжение, то молекулы жидкого кристалла развернутся вдоль электрического поля, вращение плоскости поляризации исчезнет, и свет не сможет пройти через поляризационные плёнки. Важно, что действие электрического поля не связано с дипольным моментом молекулы и поэтому не зависит от направления поля. Это позволяет использовать для управления индикатором переменное поле. Постоянное поле может приводить к электролизу жидкого кристалла и, в конечном итоге, выходу прибора из строя. Электроды на жидкокристаллический индикатор наносятся в виде точек, пиктограмм или сегментов для отображения различных видов информации, как это уже обсуждалось ранее.
Жидкокристаллические индикаторы используются в двух режимах работы: в режиме отражения света и в режиме просвечивания. Наиболее экономичный режим использования жидкокристаллического индикатора – это режим отражения. В этом режиме используются внешние источники света, такие как солнце или осветительные лампы помещения. Сами жидкокристаллические индикаторы ток практически не потребляют. При использовании режима отражения прозрачным оставляют весь дисплей. Информация же формируется непрозрачными участками жидкого кристалла, образующимися между электродами при подаче на них переменного напряжения.
В режиме просвечивания возможны два вида использования жидкокристаллического дисплея: формирование обычного изображения, как и в режиме отражения и формирование негативного изображения.
В режиме негативного изображения весь дисплей остаётся непрозрачным, а свет проходит только через участки изображения, которые в этом случае кажутся нарисованными краской. Негативный режим формируется поляризационными плёнками с совпадающей поляризацией.
1 – электрофоретические пигментные частицы, 2 – суспеция с окрашенной жидкостью, 3 – стеклянная пластина, 4 – прозрачный электрод, 5 – прокладка, 6 – электрод, 7 – источник питания, 8 – основная пластина
Рис. 1.8.Схема индикаторной панели на электрофоретической основе
Для подсветки жидкокристаллического индикатора обычно используется газоразрядные лампы или светодиоды, так как эти источники света не выделяют тепла, способного вывести из строя жидкокристаллический индикатор. Важным параметром индикатора является время релаксации – время, необходимое для возвращения молекул жидкого кристалла в исходное состояние после выключения поля. Такое время достаточно для работы различных индикаторов, но на несколько порядков превышает время, необходимое для работы компьютерного монитора. Время релаксации резко зависит от температуры жидкокристаллического индикатора. Именно временем релаксации определяется минимальная температура использования жидкокристаллических индикаторов. Время релаксации современных жидкокристаллических индикаторов при температуре –25°C достигает нескольких секунд. Это время смены информации неприемлемо для большинства практических приложений.
Не менее важным параметром жидкокристаллического индикатора является контрастность изображения. При нормальной температуре контрастность изображения достигает нескольких сотен. При повышении температуры контрастность изображения падает и при температуре порядка +50°C изображение становится практически неразличимым.
Следующий параметр, характеризующий жидкокристаллический индикатор – это угол обзора. Угол обзора жидкокристаллического индикатора существенно зависит от скважности динамического режима индикации. Чем больше скважность – тем меньше получается угол обзора индикатора. В современных жидкокристаллических компьютерных мониторах используется специальный метод формирования статического формирования изображения при динамическом способе его подачи на дисплей. При использовании новой технологии около каждого элемента изображения формируется запоминающий конденсатор и ключевой транзистор, который подключает этот конденсатор к цепям формирования изображения только в момент подачи информации именно для этого элемента изображения. Жидкокристаллические индикаторы обычно выполняют в виде матрицы, то есть на них можно сформировать любые изображения. Для формирования цветного изображения в основном используется режим просвечивания. При этом один пиксель изображения состоит из трёх элементов, напротив каждого из них располагается свой светофильтр: синий, красный и зеленый.
Электролюминесцентный индикатор представляет собой конденсатор, обкладками которого служат токопроводящая пленка, нанесенная на стекло, и подложка между которой расположен диэлектрик с взвешенным люминофором.
1 – непрозрачный электрод, 2 – изолированный материал, 3 – люминофор, 4 – прозрачный электрод, 5 – световой луч
Рис 1.9.Конструкция порошкового электролюминесцентного индикатора
В настоящие время порошковые электролюминесцентные индикаторы изготавливаются по средствам напыления прозрачного электрода на стеклянную пластину и последующего нанесения на электрод светоизлучающего слоя. В качестве связи используется материал с высокой диэлектрической проницаемостью. Введением активаторов в люминофор можно получить разные цвета свечения – синий, желтый, зеленый, красный. Белое свечение получается при использовании каскадной люминесценции, синее люминесцентное свечение возбуждает примешанный желтый органический краситель и получается белый цвет. Если через такой конденсатор пропустить переменный ток, то вследствие преобразования электрической энергии в световую энергию, могут светиться зеленым, голубым, оранжевым, желтым и другими цветами. Яркость свечения зависит от частоты и напряжения питающего тока. С повышением напряжения яркости свечение увеличивается. Верхний предел напряжения ограничивается величиной противного напряжения диэлектрика электролюминесцентного слоя, а частота – предельно допустимым током через него. В соответствии с этим выделяют люминесцентные индикаторы и полупроводниковые индикаторы, известны как светодиоды.
1 – непрозрачный электрод, 2 – изолирующий материал, 3 – люминофор, 4 – изоляционный материал, 5 – прозрачный электрод, 6 – стеклянная пластина, 7 – световой луч
Рис. 1.10.Конструкция пленочного электролюминесцентного индикатора
Газоразрядный индикатор — это ионный прибор для отображения сложной информации, использующий тлеющий разряд.
вид сбоку вид сверху
1 – стеклянные пластины, 2 – диэлектрическая матрица, 3 - электроды
Рис. 1.11.Конструкция газоразрядного индикатора
По сравнению с единичным индикатором неоновой лампой, обладает более широкими возможностями. Для изготовления отображающего устройства заданной сложности газоразрядных индикаторов потребуется меньше, чем потребовалось бы для сопоставимого по сложности устройства единичных неоновых ламп.
1 – анод индикации, 2 – диэлектрические стенки ячейки, 3 – катод, 4 – анод
Рис. 1.12.Схематическое изображение газоразрядного индикатора
Еще одну структуру индикаторы мы рассмотрим на примере семисегментного индикатора. Для отображения цифровой информации в системах на базе микроконтроллеров используются светодиодные семисегментные индикаторы. Они просты в управлении, имеет высокую яркость, широкий диапазон рабочих температур и низкую стоимость. К недостаткам светодиодных индикаторов относятся – высокое энергопотребление, отсутствие управляющего контроллера и скудные возможности по выводу буквенной информации. Светодиодный семисегментный индикатор представляет собой группу светодиодов расположенных в определенном порядке и объединенных конструктивно.
Рис. 1.13. Схема цифрового индикатора с размерами
Зажигая одновременно несколько светодиодов можно формировать на индикаторе символы цифр, состоящие из сегментов индикатора.
Рис 1.14.Внешний вид платы индикации и принципиальная схема
Индикаторы различаются по типу соединения светодиодов – общий анод, общий катод, по количеству отображаемых разрядов – однораразрядные, двух разрядные и по цвету – красные, зеленые, желтые. Семисегментным индикатором можно управлять статически или динамически.
При статическом управлении разряды индикатора подключены к микроконтроллеру независимо друг от друга и информация на них выводится постоянно. Этот способ управления проще динамического, но без использования дополнительных элементов, как-то сдвиговые регистры, подключить многоразрядный семисегментный индикатор к микроконтроллеру будет проблематично - может не хватить выводов.
Динамическое управление или динамическая индикация подразумевает поочередное зажигание разрядов индикатора с частотой, не воспринимаемой человеческим глазом. Схема подключения индикатора в этом случае на порядок экономичнее благодаря тому, что одинаковые сегменты разрядов индикатора объединены.
Рис. 1.15. Комбинационная схема управления семисегментным индикатором
Семисегментный индикатор — устройство отображения цифровой информации. Это наиболее простая реализация индикатора, который может отображать арабские цифры. Семисегментный индикатор, как говорит его название, состоит из семи элементов индикации, то есть сегментов, включающихся и выключающихся по отдельности. Включая их в разных комбинациях, из них можно составить упрощённые изображения арабских цифр. Часто семи сегментные индикаторы делают в курсивном начертании, что повышает читаемость. Цифры, 6, 7 и 9 имеют по два разных представления на семи сегментном индикаторе. Сегменты обозначаются буквами от A до G; восьмой сегмент H — десятичная запятая, предназначенная для отображения дробных чисел. Изредка на семисегментном индикаторе отображают буквы.
Рис. 1.16. Схема семисегментного индикатора с размерами
Для отображения букв появились четырнадцатисегментные индикаторы и шестнадцатисегментные индикаторы, но сейчас их почти повсеместно заменили точечно-матричные экраны. И лишь там, где нужно отображать только цифровую информацию, семисегментные индикаторы остались незаменимыми — из-за простоты, контраста и узнаваемости. В большинстве индикаторов используются светодиоды. Но существуют альтернативы — лампы тлеющего разряда, электровакуумные индикаторы, катодолюминесцентные, накаливаемые, лампы накаливания, жидкие кристаллы.
Светодиодные индикаторы имеют предельно простую форму, так как в них применяются светодиоды, отлитые в форме сегментов, и чем меньше разных типов светодиодов, тем дешевле устройство.
| № | X1 | X2 | X3 | X4 | Y1 | Y2 | Y3 | Y4 | Y5 | Y6 | Y7 |
Таблица истинности работы семисегментного индикатора
В обычном светодиодном индикаторе девять выводов, один идёт к катодам всех сегментов, и остальные восемь — к аноду каждого из сегментов. Эта схема называется схема с общим катодом, существуют также схемы с общим анодом.
Рис. 1.17. Схемы подключения с общим анодом и катодом сегментов
Многоразрядные индикаторы часто устроены по матричному принципу. Выводы всех одноимённых сегментов всех разрядов соединены вместе. Чтобы выводить информацию на такой индикатор, управляющая микросхема должна циклически подавать ток на общие выводы всех разрядов, в то время как на выводы сегментов ток подаётся в зависимости от того, зажжён ли данный сегмент в данном разряде.
Таким образом, чтобы получить десятиразрядный экран микрокалькулятора, нужны всего восемнадцать выводов. Сходным образом сканируется клавиатура калькулятора. Существуют специальные микросхемы семисегментных дешифраторов, переводящие четырёхбитный код в его семисегментное представление.
Рис. 1.18. Схема контроллера жидкокристаллического индикатора
Иногда дешифраторы встраивают прямо в индикатор. Кроме десяти цифр, семисегментные индикаторы способны отображать буквы. Но лишь немногие из букв имеют интуитивно понятное семисегментное представление. Поэтому семисегментные индикаторы используют только для отображения простейших сообщений. На перевёрнутом микрокалькуляторе можно получить некоторый диапазон букв, на этом основаны игры с калькулятором.
Девятисегментный индикатор — устройство отображения цифровой и буквенной информации. Это продолжение простого семисегментного индикатора, имеющее два дополнительных диагональных или вертикальных сегмента между верхним, средним, и нижним горизонтальными сегментами. Это обеспечивает самый простой способ вывода буквенно-цифровых символов