Moderní displeje

Část 1. Technologie LED a LCD

V dílu volného seriálu o displejích nazvaném Displeje historické přesto aktuální (ELEKTRO č. 7/2021) byly připomenuty sice staré, přesto i dnes mnohými nadšenci používané techniky pro zobrazování informací. Jednalo se o předchůdce dnešních displejů založených na technice nazvané elektromechanický dělený překlápěcí displej a na skleněných digitronech. Tento článek připomene novější způsoby zobrazování informací založené na technologiích LED a LCD.

Charakteristika LED

LED (Light-Emitting Diode), tedy elektroluminiscenční dioda nebo světelná dioda či ledka je dioda emitující světlo případně infračervené či ultrafialové záření, čímž se liší od běžné diody. Z cenových důvodů a vyšší účinností převodu elektrické energie na světlo se LED staly v současné době náhradou za žárovky a zářivky v široké řadě aplikací.

     
Obr. 1. Schematická značka světelné diody LED, Obr. 2. Vnitřní uspořádání běžné diody LED

Princip činnosti

Prochází-li přechodem PN takové diody elektrický proud v propustném směru, přecházejí volné elektrony z části N (s přebytkem volných elektronů) do části P (s nedostatkem volných elektronů, s „dírami“). Když excitovaný volný elektron z části N zapadne do orbity atomu v polovodiči P, dostane se na nižší energetickou hladinu. Přebytečná energie je vyzářena mimo materiál různými druhy záření, jako je např. viditelné, infračervené nebo ultrafialové. Při vhodné volbě příměsí v polovodičovém materiálu je v LED na odhaleném PN přechodu přebytečná energie vyzářena ve viditelném spektru jako nekoherentní světlo s úzkým vlnovým rozsahem (spektrem). Pásmo spektra záření je závislé na příměsích polovodiče. LED jsou vyráběny s pásmy od ultrafialových, přes různé barvy viditelného spektra, po infračervené pásmo.

Protože nelze přímo emitovat bílé světlo, bílé LED využívají luminoforu. Některé průhledné LED emitují modré světlo, část tohoto světla je na polovodiči luminoforem transformována na žluté světlo a díky mísení barev vzniká bílá. Jiné typy bílých LED emitují ultrafialové záření, to je přímo na čipu luminoforem transformováno na bílé světlo.

Se zkracující se vlnovou délkou emitovaného světla roste napětí v propustném směru (U_F). U křemíkové diody je to asi 0,6 V, u zelené LED z GaP 1,7 V a u modré z SiC 2,5 V.

Oproti jiným zdrojům světla (žárovka, výbojka, doutnavka) LED pracují s malými hodnotami proudu a napětí. Nabízí se tak užití v displejích (ve tvaru číslic a písmen). Kombinací LED základních barev (červená, zelená, modrá) lze vyrobit barevné obrazovky (OLED).

Konstrukčně je kontaktovaný čip (nebo kombinace čipů) v LED zastříknut materiálem s optickými vlastnostmi (pro bodové či rozptylné provedení, pro různý vyzařovací úhel). Kontakty mohou být v provedení pro montáž SMD nebo s ohebnými přívody. Sestavy více čipů LED v jednom pouzdře mohou mít samostatně vyvedeny kontakty na každý čip, společnou anodu či katodu, či antiparalelně, anebo mohou mít na čipu řídicí elektroniku (např. LED měnící barvy či blikající).

  
Obr. 3. Matice 64 LED segmentů i dnes vhodná pro řadu aplikací, Obr. 4. Sedmisegmentovka v podobě sdruženého displeje a samostatné provedení

Zobrazování pomocí LED

Nejdříve vytlačily LED diody na trhu nejrůznější typy žárovkových a doutnavkových kontrolek a po poklesu ceny naprosto dominovaly v elektrických a elektronických zařízení (např. sloupcové zobrazovače úrovně signálu). Poté přišly maticové zobrazovací jednotky (jednoduché displeje). Ty umožňují samostatně zobrazit jednotlivé body uspořádané do matice. Z těchto bodů se zobrazovaly číslice, písmena nebo jakékoliv znaky či údaje. Používaly se opět v mnoha elektronických přístrojích (měřicí přístroje, informační panely, spotřební elektronika atd.). Ve vývojových platformách (Arduino a další) se používají dodnes).

Segmentové zobrazovací jednotky

Umožňují zobrazit číslice, „pseudopísmena“ a také libovolné předchystané symboly poskládané z jednotlivých samostatně ovládaných segmentů.

Konkrétnímu velmi rozšířenému typu se říkalo digitální osmičky nebo sedmisegmentovky (sedmisegmentová zobrazovací jednotka). Byly běžné v kapesních kalkulačkách, digitálních hodinkách, měřicích přístrojích atd. Jednotka má sedm segmentů, které se označují písmeny A až G, od horního vodorovného po směru hodinových ručiček, prostřední vodorovný je poslední. Většina sedmisegmentovek má vstupů osm: poslední je desetinná tečka, nebo dvojtečka. Sedmisegmentovek byla řada různých provedení, sdružené displeje po dvou, čtyřech nebo po osmi číslicích, „hodinové“ displeje, které mají jeden a půl pozice atd. Skládají se ze sedmi (s tečkou z osmi) svítících diod (LED), které jsou paralelně spojené katodami nebo anodami. Zapojení sedmisegmentovky je se společnou katodou (CC, Common Cathode) nebo anodou (CA, Common Anode). V případě společné katody se společný vývod zapojuje na zem, a segmenty svítí jen tehdy, když je na příslušný vstup přivedeno kladné napětí (log. 1). U společné anody je to obráceně – anoda je zapojena na kladné napájecí napětí, a segment, který svítí, má na vstupu log. 0, je uzemněný.

Rozsvícením příslušných segmentu se vytvářejí číslice 0 až 9 a některá písmena. Pokud chtěl výrobce lépe ztvárnit písmena i číslice, použil zobrazovače se 14 nebo 16 segmenty, pro nejlepší a nejvariabilnější vykreslení bylo třeba použít matici bodů.

Oblíbený displej byl „bublinkový“ kdy bylo několik sedmisegmentovek spojených do bloku (po 4, 8 nebo 9). Nad nimi byly plastové „bublinky“, které jako čočky zvětšovaly symboly. Používaly se převážně v kalkulačkách.

  
Obr. 5. Zapojení se společnou katodou a se společnou anodou, Obr. 6. Bublinkový displej v některých kalkulačkách

Charakteristika LCD

Displej z tekutých krystalů, (Liquid Crystal Display) je tenké, ploché zobrazovací zařízení skládající se z barevných nebo monochromatických pixelů umístěných před zdrojem světla. Stačí mu malé množství elektrické energie a je vhodné pro přístroje napájené z baterie.

Princip činnosti

Každý pixel LCD se skládá z molekul tekutých krystalů uložených mezi dvěma průhlednými elektrodami a polarizačními filtry, kdy osy polarizace jsou na sebe kolmé. Bez krystalů mezi filtry by bylo světlo procházející jedním filtrem blokováno filtrem druhým. Molekuly tekutých krystalů jsou bez vnějšího elektrického pole ovlivněny mikroskopickými drážkami na elektrodách. Drážky na elektrodách jsou vzájemně kolmé, takže molekuly jsou srovnány do spirálové struktury a stáčí polarizaci procházejícího světla o 90 stupňů, což mu umožňuje projít i druhým filtrem. Polovina světla je absorbována prvním polarizačním filtrem, jinak je ale sestava průhledná.

Se vznikem pole jsou molekuly tekutých krystalů taženy rovnoběžně s elektrickým polem, což snižuje rotaci vstupujícího světla. Pokud nejsou tekuté krystaly stočené, procházející světlo bude polarizováno kolmo k druhému filtru, bude zcela blokováno a pixel se bude jevit jako nerozsvícený. Pomocí ovlivnění stočení krystalů v pixelu lze kontrolovat množství procházejícího světla a celkovou svítivost pixelu. Obvykle jsou srovnány polarizační filtry tak, že bez elektrické energie jsou pixely průhledné a až při průchodu proudu se stanou neprůhledné. Někdy je pro dosažení určitých efektů uspořádání opačné.

Pro úsporu v elektronice jsou LCD multiplexovány, v displeji jsou elektrody na jedné straně displeje seskupeny typicky po sloupcích a každá skupina má svůj zdroj napětí. Na druhé straně jsou elektrody seskupeny typicky po řádcích, kdy každá tato skupina má svůj spotřebič. Skupiny jsou navrženy tak, aby každý pixel měl unikátní kombinaci zdroje a spotřebiče. Elektronika řídí zapínání zdrojů a spotřebičů.

Mezi polarizační filtry se ještě přidává aktivní nebo pasivní matice. Pasivní matici tvoří dva substráty skla, kdy jeden tvoří sloupce a druhý řady. Ty jsou napojeny na obvody, které přivádějí elektrický náboj k určitému bodu v určité řadě a sloupci. Aktivní displeje mají matici složitější, tvořenou tenkovrstvými tranzistory (TFT). Tak lze přesně ovládat velikost napětí na krystalech a ovládat jas displeje. LCD lze rozdělit na pasivní STN (Supertwist Nematic) a aktivní TFT (Thin-Film Transistors). Aktivní displeje TFT se dále dělí na TN+Film (Twisted nematic), IPS (In-Plane Switching), MVA (Multi-domain Vertical Alignment), PVA (Patterned Vertical Alignment), S-PVA (Super-PVA) a S-IPS (Super-IPS).

V barevných LCD je každý pixel rozdělený do tří subpixelů, červeného, zeleného a modrého (RGB). Svítivost každého subpixelu lze kontrolovat nezávisle na ostatních díky tranzistorům, jejich kombinací lze dosáhnout milionů barev. Obdobně pracovaly CRT monitory. Barevné složky (subpixely) lze sestavit v různých geometriích, v závislosti na použití monitoru. Pokud software zná geometrii monitoru, lze zvýšit viditelné rozlišení pomocí metody subpixel rendering, což je výhodné pro vyhlazování písma.

  
Obr. 7. Buňka LCD, Obr. 8. Schéma barevné TFT-LCD buňky

Zobrazování pomocí LCD

Zobrazovače s LCD vytlačily LED diody na trhu především v oblastech ovládání veškeré elektroniky ať již domácí tak i průmyslové. Jmenovat všechny oblasti, kde se s nimi lze setkat by bylo nošením dříví do lesa. A nelze zapomenout na TV přijímače a obecně monitory, které zcela změnily vzhled kanceláří, ale i domácností s všudypřítomnými „plochými“ obrazovkami televizí a domácími počítačovými monitory obecně. Přenosné počítače (notebooky) jsou asi nejtypičtějším příkladem.

Obr. 9. Dvouřádkový LCD displej jako periferie např. do prostředí Arduina

Transparentní LCD displej

Jde o zajímavou a atraktivní variantu displeje umožňující uživateli prohlédnout skrz obrazovku, a přitom sledovat i zobrazované údaje. Úroveň transparentnosti u pixelů v klidovém stavu (pixely vypnuté a nezobrazují) se udává 70 až 85 %, proto lze průhledné displeje používat např. v brýlích, čelních sklech, oknech atd.

Klasický LCD displej (Liquid Crystal Display) je složen z vrstvy průhledných elektrod, vrstvy tekutých krystalů a vrstvy polarizačních filtrů. Tekuté krystaly se natáčejí při průchodu elektrického náboje, a dochází tak k řízení průchodu světla. Uspořádání samotné je transparentní. Aby LCD displej zobrazoval obraz, musí být podsvícený. TN matrice (Twisted Nematic + film) funguje na principu šroubovitého stočení pixelu a zamezení prostupu světla v případě, že je na elektrody krystalu vedeno napětí. V případě nevedení napětí pixel propouští světlo.

(pokračování)