Течнокристален дисплей (LCD): определение, принцип на работа и приложения

Дисплеят с течни кристали е специален тънък плосък панел, който може да пропуска светлина или да я блокира. (За разлика от светодиода той не произвежда собствена светлина). Панелът е съставен от няколко блока, като всеки блок може да има всякаква форма. Всяко блокче е изпълнено с течни кристали, които могат да станат прозрачни или твърди, като се промени електрическият ток към това блокче. Течнокристалните дисплеи често се наричат съкратено LCD.

Течнокристалните дисплеи често се използват в устройства, захранвани с батерии, като например цифрови часовници, тъй като използват много малко електроенергия. Използват се и за телевизори с плосък екран. Много LCD дисплеи работят добре сами, когато наоколо има друга светлина (например в осветена стая или навън при дневна светлина). За смартфони, компютърни монитори, телевизори и някои други цели в продукта е вградена подсветка. Това е светодиод или флуоресцентна лампа със студен катод (CCFL).

Как работи LCD — основната идея

Принципът на работа на LCD се базира на свойствата на течните кристали да променят ориентацията си под влияние на електрическо поле. В типичен LCD панел има два поляризатора (единият на входа на светлината, другият на изхода), стъклени подложки с прозрачни електроди, тънък слой от течни кристали и често цветни филтри за цветни дисплеи. Без електрическо поле молекулите на течния кристал могат да завъртат поляризацията на преминаващата светлина така, че тя да премине през втория поляризатор. Когато се приложи електрическо поле, молекулите се подреждат различно и светлината се блокира — резултатът е промяна в яркостта на отделния пиксел.

Основни компоненти на LCD панела

• Поляризатори: два слоя, които контролират посоката на осцилация на светлината.
• Стъклени подложки и електроди: прозрачен ITO (индий-оловен оксид) слой, за да се подаде електрическо поле към пикселите.
• Слоят течни кристали: отговаря за модулирането на поляризацията на светлината.
• Изравняващи (alignment) слоеве: задават началната ориентация на молекулите.
• Цветни филтри и матрица от субпиксели: за получаване на пълен цветови спектър (червено, зелено, синьо).
• Подсветка: при трансмисивни (пропускащи) дисплеи е необходима — LED или CCFL.

Типове LCD конструкции

• TN (Twisted Nematic): популярни заради бързото време на отговор и по-ниската цена, но с по-тесни ъгли на виждане и по-слаби цветове.
• IPS (In-Plane Switching): осигуряват по-добри цветове и широки ъгли на видимост — предпочитани за смартфони, монитори и професионална цветова обработка.
• VA (Vertical Alignment): комбинират по-висок контраст със средни ъгли на виждане; използват се при телевизори и някои монитори.
• Отражателни и трансфлективни дисплеи: използват външна светлина (рефлективни) или комбинират рефлексия и подсветка (трансфлективни) за по-добра четливост на слънчева светлина.
• Пасивна и активна матрица: пасивните са за прости графики (калкулатори), докато активните (TFT — thin-film transistor) позволяват независим контрол на всеки пиксел за висока резолюция и бързо опресняване.

Предимства и ограничения

• Предимства: тънък профил, ниска консумация на енергия (особено при пасивни и при LED-подсветка), добра разделителна способност и ниска цена за масово производство.
• Ограничения: при някои технологии — ограничени ъгли на виждане, по-нисък контраст при силна външна светлина (освен при трансфлективни дизайни), възможно забавяне при много бързо движещи се изображения (motion blur). Някои стари подсветки (CCFL) съдържат живак и изискват правилна рециклизация.

Приложения

LCD технологиите са навсякъде около нас. Типични приложения:

• Дигитални часовници, калкулатори, дистанционни и други малки устройства с ниска консумация.
• Смартфони, таблети и преносими устройства, където се използват висококачествени IPS или подобни панели.
• Компютърни монитори и лаптопи — TFT IPS/VA/TN панели в различни ценови и качествени класове.
• Телевизори — големи LCD панели с LED подсветка (много по-рядко CCFL в съвременните модели).
• Инструментални панели в автомобили, медицинска техника, индустриални дисплеи и външна информация (информационни табла).

Подсветка и енергийна ефективност

Както е посочено по-горе, някои LCD работят самостоятелно при достатъчно околна светлина, но повечето цветни и големи дисплеи изискват подсветка. Днес най-разпространена е LED подсветката (по-енергийно ефективна и екологична в сравнение с флуоресцентната лампа със студен катод). Изборът на подсветка влияе на контраста, цветопредаването и консумацията на енергия.

Практически съвети при избор

• За работа с цветове и широки ъгли — търсете IPS панели.
• За игри с много висока честота на опресняване — TN или специализирани бързи IPS панели.
• За външни условия и устройства с батерии — трансфлективни или дисплеи с добра яркост и антирефлексно покритие.

LCD технологията навлезе масово и продължава да е ключова за много електронни продукти, въпреки появата на алтернативи като OLED. Всеки вид LCD има своите силни и слаби страни, затова при избор е добре да се прецени кое е най-важно за конкретното приложение — енергийна ефективност, цветова точност, контраст или ъгъл на виждане.

Строителство

LCD дисплеят използва технология, наречена електрооптична модулация. Това означава, че той използва електричество, за да променя количеството светлина, което преминава през него.

Всеки пиксел (блок) на LCD дисплея се състои от тънък слой молекули между два електрода и два поляризиращи филтъра. Електродите осигуряват електрическо захранване на течнокристалния слой и не блокират светлината. Светлината се движи с "полярност" или посока, а поляризационният филтър пропуска през себе си само светлина с един вид полярност, подобно на опит да се прокара линийка през тесен отвор. Само когато линийката е подредена правилно, тя ще се побере. Тези два филтъра са перпендикулярни един на друг, така че тесните отвори са в различни посоки. Това означава, че без течните кристали между тях, те биха блокирали преминаването на цялата светлина - каквато и светлина да премине през първия филтър, тя няма да се побере през втория филтър.

Слоят от течни кристали между двата филтъра може да "усуква" светлината, така че полярността да се променя. Това означава, че светлината може да премине и през двата филтъра и пикселът изглежда ясен. При подаване на електрически ток към течните кристали молекулите се развъртат и не променят светлината. Тогава филтрите блокират светлината и пикселът изглежда тъмен.

Когато в един дисплей са необходими голям брой пиксели, става трудно да се осигурят достатъчно проводници и електроди, за да се контролира всеки пиксел и да се получи чист дисплей. Вместо това дисплеят се мултиплексира. При мултиплексирания дисплей електродите от едната страна на дисплея са групирани и свързани (обикновено в колони). От другата страна електродите също са групирани (обикновено в редове), като всяка група получава поглътител на напрежение. Чрез включването на един ред и една колона всеки пиксел може да се контролира един по един.

LCD будилник


LCD дисплей с горен поляризатор, свален от устройството и поставен отгоре, така че горният и долният поляризатор да са успоредни

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява течнокристалният дисплей?

В: Произвежда ли LCD дисплеят собствена светлина?

В: Защо LCD дисплеите често се използват в устройства, захранвани с батерии?

В: Как често се съкращават LCD дисплеите?

В: Къде обикновено се използват LCD дисплеите?

В: Всички LCD дисплеи ли изискват задно осветление?

В: Какво е вградено в продукти като смартфони, компютърни монитори и телевизори, за да се осигури подсветка?

Търсене по буква