668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

Разные фирмы – производители ЖКЭ в условных графических изображениях драйверов применяют различные символьные названия для столбцовых и строчных выводов. Например, фирма Philips для строчных выводов использует наименование BPi (Back Plane). Столбцовые (сегментные) выводы именуются символами COLi (Column), SEGi (Segment) или просто Si. Число строк ЖКЭ, адресуемых одним драйвером строк, определяет коэффициент мультиплексирования. Для низкомультиплексных ЖКЭ данный коэффициент имеет значения 1:2, 1:3, 1:4. Более сложные варианты адресации типа 1:5 или 1:6 теоретически возможны, но на практике не реализуются.

В некоторых микросхемах драйверов есть возможность программно выбирать тип генератора уровней напряжения, используемых для формирования уровней напряжений строк и столбцов. Этот параметр, называемый bias, фактически определяет тип схемы формирования напряжений для строк и столбцов. Тип схемы определяется числом уровней напряжений. Для bias 1:2 это 3 уровня, а для 1:3 – 4 уровня. В матричных ЖКЭ может использоваться до 6 уровней напряжений. Однако в драйверах низкомультиплексных ЖКЭ параметр bias принимает значения, не превышающие 1:3.

Для примера на рис. 7.9 приведены осциллограммы сигналов управления ЖКЭ с коэффициентом мультиплексирования 1:3, на которых используются следующие обозначения [32]:

Tк – период кадровой развертки; VDD – напряжение питания логики драйвера;

– напряжение смещения, питающее выходные формирователи управляющих сигналов строк и столбцов; Vop = VDD – VLCD –максимальное действующее напряжение на драйвере, состоящее из напряжения питания логики и напряжения смещения для выходных формирователей строк и столбцов; BP0…BP2 – сигналы строчных выходов; Sn…Sn+2 – сигналы столбцовых выходов.

7.3. Структура модуля жидкокристаллического экрана

Модуль жидкокристаллического экрана состоит непосредственно из ЖКЭ со схемой управления. На рис. 7.10 показана типовая схема модуля ЖКЭ. Для матричных ЖКЭ на плате модуля могут находиться только драйверы строк и столбцов, а также схема формирователей напряжений для драйверов. Контроллер и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), как правило, устанавливаются вне платы модуля.

Формирование изображения (регенерация отдельных кадров на основе данных ОЗУ) и управление разверткой для ЖКЭ матричного типа производится внешним контроллером.

ЖКЭ имеет на подложках (на одной или на обеих) выводы управления строками и столбцами, представленные пленочными контактами из In2O3. Контакты соединяют выводы ЖКЭ со схемой управления. Они могут быть выполнены в виде металлических гребенок – клипс, которые с одной стороны одеваются на стекло подложки ЖКЭ и с помощью проводящей пасты (клея) контактируют с пленочными выводами, а с другой могут распаиваться на печатную

Рис. 7.10. Структура модуля жидкокристаллического экрана

плату. Таким образом, ЖКЭ устанавливается на печатной плате как обычный компонент. В большеформатных ЖКЭ контакты изготавливаются на основе гибких шлейфов.

Схема преобразователя напряжений обеспечивает для драйверов строк и столбцов формирование специальных уровней напряжений. Уровни напряжений определяются числом мультиплексированных строк и типом жидкокристаллического материала.

7.4. Устройство и принципы функционирования жидкокристаллического экрана

7.4.1. Конструкция просветного жидкокристаллического экрана

Жидкокристаллические ячейки, использующие TN (Twisted Nematic) или STN материалы относятся к пассивному типу устройств, которые лишь модулируют внешний световой поток под действием электрического поля.

Возможная конструкция ЖКЭ, работающего на просвет, показана на рис. 7.11 [33]. Он состоит из отражателя 1; одной или нескольких люминесцентных ламп повышенной яркости и долговечности 2; светофильтра 3, выполненного в виде мозаики R, G и B цветных фильтров; параллельных поляризатора 4 и анализатора 11; стеклянных подложек 5 и 10, на которые соответственно напылены прозрачный электропроводящий слой 6 и тонкопленочная матрица управляемых элементов 9; изолирующей прокладки 7, одновременно выполняющей функции спейсера (зазорозадающего распорного элемента); слоя ЖК 8, который в отсутствие управляющего напряжения обеспечивает поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного света на 90 . Поляризатор 3

Рис. 7.11. Конструкция просветного жидкокристаллического экрана

предназначен для выделения из неполяризованного белого света колебаний с линейной поляризацией.

Отражатель, входящий в состав просветного ЖКЭ, представляет собой акриловую пластинку с микропризматическими бороздками, обеспечивающими отражение света непосредственно на жидкокристаллическую панель (матрицу) без дополнительного рассеяния. Иногда для обеспечения более равномерного освещения жидкокристаллической панели выходным излучением ламп подсветки непосредственно перед панелью (см. рис. 7.11) устанавливается рассеиватель 12, выполненный из специальной пластмассовой пленки.

В исходном состоянии (без подачи управляющих напряжений) ЖКЭ не пропускает свет от люминесцентных ламп, так как слой ЖК 8 поворачивает плоскость поляризации линейно-поляризованного света на 90 , он задерживается анализатором 11.

При подаче управляющего напряжения на элементарный участок слоя ЖК устраняется вращение плоскости поляризации света и он не задерживается анализатором. Это приводит к появлению на выходной плоскости ЖКЭ локально окрашенной элементарной точки, цвет которой определяется неуправляемым оптическим фильтром, находящимся напротив данного элементарного участка ЖК.

Одним из основных недостатков первых моделей ЖК-мониторов была зависимость качества воспринимаемых изображений от направления рассматривания. При отклонении направления взгляда от перпендикуляра к плоскости экрана воспринимаемое изображение становилось все менее контрастным с ухудшенной цветопередачей. Однако такие условия наблюдения характерны только для ЖКЭ типа TN (Twisted Nematic), то есть, использующего нематические ЖК в режиме твист-эффекта.

Для уменьшения зависимости контрастности и цветопередачи от изменения угла наблюдения было предложено несколько вариантов решения. Самый простой способ заключается в нанесении на переднюю поверхность ЖКЭ рассеивающих пленок. В этом случае световые лучи, излучаемые монитором перпендикулярно его фронтальной плоскости, окажутся переориентированными и будут распространяться от экрана под разными углами. Практически все мониторы, использующие ЖК-матрицы типа TN, имеют покрытие из подобных пленок. Вот почему такие ЖКЭ имеют обозначения TN + Film (пленка) или FTN.

Кроме того, широкий угол обзора воспроизводимых ЖКЭ изображений (практически в пределах 170 ) обеспечивается за счет применения прогрессивных технологий WVA (Wide-Viewing Angle) ориентации молекул ЖК-материа- ла, таких как IPS (In Planar Switching – планарная ориентация молекул ЖК между электродами ячейки), MVA (Multi-Domain Vertical Alignment – многодо-

менная вертикальная ориентация молекул ЖК в пределах одного пикселя за счет использования «негативных» ЖК, молекулы которых разворачиваются более длинной стороной не вдоль линий электрического поля, а поперек), а также

PVA (Patterned Vertical Alignment – разновидность MVA). Метод PVA позволил в 1,5 раза повысить контрастность воспроизводимых изображений (до 800:1).

7.4.2. Практическая реализация устройств задней подсветки жидкокристаллических экранов

Классификация источников излучения модулей подсветки. Для созда-

ния светового потока в ЖКЭ применяют устройство задней подсветки, содержащее источник излучения, светораспределитель или светорассеиватель и отражатель. Светораспределитель может содержать ультрафиолетовый и инфракрасный фильтры. В качестве источника излучения могут использоваться одна или несколько ламп накаливания, электролюминесцентные панели, миниатюрные люминесцентные лампы и, наконец, массивы светодиодных излучателей, которые из-за преимуществ их использования в устройствах подсветки ЖКЭ вытесняют люминесцентные лампы с холодным катодом.

Электролюминесцентная подсветка. В качестве источника излучения задней подсветки ЖКЭ иногда используется электролюминесцентная панель. Панель может быть выполнена на подложках из стекла или пластика и иметь толщину от 1,5 до 0,3 мм. Площадь панели варьируется от нескольких десятков мм2 до нескольких десятков см2. В основном используются электролюминесцентные панели, работающие на переменном токе, хотя существуют конструкции таких панелей, работающих на постоянном токе, но срок службы их невелик. Для питания электролюминесцентной панели требуется использовать специальный преобразователь напряжения. Преобразователь (инвертор) входное постоянное напряжение (1,5...12 В) преобразует в переменное частотой от 400 до 800 Гц. Амплитуда рабочих напряжений находится в пределах от 70…80 до 200 В. Срок службы электролюминесцентной панели меньше, чем у светодиодов или чем у люминесцентной лампы с холодным катодом, и составляет от 3 до 5 тысяч часов. Яркость свечения электролюминесцентных панелей лежит в диапазоне

50…200 кд/м2. Рабочий ток зависит от площади панели. Для площади панели в несколько десятков см2 ток потребления составит несколько мА.

Устройство подсветки с люминесцентной лампой. В качестве источника излучения подсветки достаточно часто применяются миниатюрные люминесцентные лампы. В основном используются безнакальные двухэлектродные люминесцентные лампы, работающие на переменном токе. Эти лампы имеют цилиндрическую или U-образную форму.

На рис. 7.12 и 7.13 показаны типовые конструкции модулей подсветки с прямым (фронтальным) и торцевым расположением люминесцентной лампы [32].

Яркость потока света от цилиндрической люминесцентной лампы имеет наибольшее значение в центре (напротив лампы) и затем постепенно убывает к краям рабочей поверхности модуля подсветки. Для обеспечения равномерного распределения яркости в модуле подсветки зеркальная поверхность отражателя имеет форму зеркала Френеля. При этом внутренняя поверхность светорассеивателя также имеет специальное рифление, соответствующее профилю линзы Френеля (рис. 7.14). Грани канавок рифления (микропризмы) обеспечивают сложное переотражение света по определенным траекториям и перераспределение светового потока от центра, где яркость свечения цилиндрической лампы сильнее всего к периферии. Фактически светорассеиватель обеспечивает диффузное рассеяние света, приходящего от лампы и от зеркальных стенок отражателя. Известны конструкции светорассеивателей, в которых используются специальные корректирующие фильтры, имеющие подобранное двумерное распределение коэффициента пропускания в соответствии с конструкцией лампы и отражателя. Цель всех этих устройств – максимально использовать энергию светового потока и обеспечить равномерное распределение яркости в рабочей зоне подсветки жидкокристаллического дисплея.

Рис. 7.12. Конструкция задней подсветки с прямым расположением источника света

Рис. 7.13. Конструкция модуля задней подсветки ЖКЭ с боковым расположением одной лампы

Рис. 7.14. Схема использования линз и зеркал Френеля в устройстве задней подсветки

Повышение эффективности использования светового потока. Большая часть светового потока теряется за счет поглощения на цветных фильтрах (до 30%) и 50% теряется за счет того, что свет от источника подсветки не поляризован, то есть имеет равномерную поляризацию по всем плоскостям. После прохождения через нижний поляроид около 50% светового потока бесполезно теряются. Таким образом, если найти метод для получения изначально поляризованного света с вектором поляризации, в основном совпадающего с вектором поляризации нижнего поляроида, то можно значительно увеличить эффективность использования светового потока от источника подсветки, соответственно,

повысить КПД использования электрической энергии всего устройства. И такой метод был найден. На рис. 7.15 показана конструкция световода, в котором используется микроструктура, позволяющая получить анизотропную поляризацию исходного светового потока [32].

Анизотропный отражающий слой получен посредством нанесения на поверхности PMMA (PolyMetilMetaAcrilat) полиметилметаакрилата микроканавок глубиной около 10 мкм и шагом 100 мкм, с определенной ориентацией. При отражении от такой поверхности происходит частичная анизотропная поляризация исходного потока. В итоге часть светового потока изменяет плоскость поляризации на ту, которая уже совпадает с плоскостью ориентации нижнего поляроида. Конечно, не все 100% света удается конвертировать в нужную ориентацию, что было бы идеальным решением. Но даже при достижении коэффициента конвертирования, равного 0,75, получается выигрыш энергии в 1,5 раза.

Другой способ повышения эффективности светового потока основан на использовании голографического диффузного рассеивателя. В «обычном» световом рассеивателе, как показано на рис. 7.16, используется система из двух рассеивателей на основе линз Френеля с взаимно перпендикулярным расположением призматических бороздок. Такая конструкция приводит к неизбежной потере части светового потока за счет поглощения материалом обоих фильтров и к тому же сложная и дорогая. Предложенный вариант гораздо проще – для достижения аналогичного рассеивания света применяется голографический микроструктурный рассеиватель. Структура в виде выпуклых микролинз может быть получена штамповкой. Топология расположения микролинз рассчитывается с учетом физических размеров световода [32].

Рис. 7.15. Конструкция световода с анизотропной поляризацией светового потока

Рис. 7.16. Схема использования голографического рельефа для диффузного рассеяния светового потока в световоде

Люминесцентные лампы с холодным катодом. Люминесцентные лампы

схолодным катодом получили свое название благодаря отсутствию нитей накала на электродах. Это двухэлектродная конструкция, и оба электрода равноправны, поскольку лампы этого типа работают на переменном токе. Эффективность и ресурс работы люминесцентных ламп, работающих на переменном токе, выше, чем у ламп, работающих на постоянном токе. Физика работы ламп этого класса близка неоновым лампам.

Люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL – Cold Cathode Fluorescent Lamp), используемые в устройствах подсветки жидкокристаллических дисплеев, могут иметь цилиндрическую, U-образную и Г-образную формы. Типичная конструкция цилиндрической люминесцентной лампы с холодным катодом представляет собой стеклянную колбу, наполненную парами ртути при определенном давлении. Электрический разряд в парах ртути сопровождается излучением в ультрафиолетовой области (длина волны около 257 нм). Коэффициент преобразования электрической мощности в ультрафиолетовое излучение для люминесцентных ламп, работающих на переменном токе, составляет до 60%. На стенках цилиндрической колбы нанесено люминофорное покрытие, которое преобразует ультрафиолетовое излучение в излучение видимого спектра. Характеристики люминофора ламп подсветки подбираются в соответствии

схарактеристиками цветных фильтров ЖКЭ. В конструкциях переносных телевизоров использовались в основном лампы, имеющие U-образную форму. Для подсветки ЖКЭ ноутбуков и мониторов в настоящее время применяются цилиндрические лампы. Длина и диаметр ламп бывает различной. Диаметр колбы лампы может быть от 2,6 до 9 мм, а длина составлять от 25 до 360 мм.

Напряжение зажигания зависит от длины лампы, чем длиннее лампа, тем больше напряжение пробоя. Питание и начальный пуск ламп обеспечиваются специальным преобразователем напряжения. В начальный момент на выходе преобразователя напряжения (холостой ход – лампа погашена) формируется

напряжение в несколько кВ (1500…2000 В). После пробоя разрядного газового промежутка начинается генерация преобразователя на частотах от 30 до 75 кГц. Следует заметить, что лампа в зажженном состоянии представляет собой индуктивную нагрузку для генератора напряжения, и параметры этой индуктивности отчасти и определяют частоту генератора. В рабочем режиме амплитуда переменного напряжения составляет от 165 до 800 В, а яркость свечения – от

7000 до 35 000 кд/м2.

Цилиндрические лампы могут использоваться как для торцевой, так и для задней подсветки. Торцевая схема подсветки обычно применяется для матричных ЖКЭ небольших размеров. В ноутбуках и цветных ЖКЭ больших размеров используется группа цилиндрических люминесцентных ламп вместе со специальной оптической системой – отражателем, диффузным светорассеивателем и светораспределителем. Для того чтобы избежать излишнего нагрева жидкокристаллического материала, в конструкции светорассеивателя используется инфракрасный фильтр.

Деградация люминесцентных ламп сопровождается уменьшением яркости свечения и связана с действием следующего фактора: часть люминофора под действием бомбардировки тяжелыми ионами ртути разрушается. Номинальный срок службы люминесцентной лампы, при котором яркость уменьшается вдвое, составляет около 20 000 часов.

Напряжение пробоя при зажигании лампы в сильной степени зависит от температуры окружающей среды. При понижении температуры напряжение пробоя увеличивается. Поскольку преобразователь может обеспечивать только определенное максимальное пусковое напряжение, то эта величина может оказаться недостаточной при низких температурах и лампа не будет зажигаться.

Схемотехника преобразователей напряжения для люминесцентных ламп с холодным катодом. Схема реализации конвертора для питания люминесцентной лампы с холодным катодом показана на рис. 7.17 [32]. Преобразователь напряжения для люминесцентной лампы с холодным катодом представляет собой автогенератор, работающий на частоте 30…65 кГц. В момент запуска на выходе повышающей обмотки трансформатора формируется импульс напряжением более 1 кВ. Импульс высокого напряжения обеспечивает начальную ионизацию разрядного промежутка и лавинный пробой. После перехода лампы в рабочий режим на выходах обмотки W1 трансформатора Т1 можно наблюдать сигнал переменного напряжения амплитудой Uрр около 300 В (для длины разрядного промежутка около 100 мм). Конденсатор С2 высоковольтный с рабочим напряжением не менее 2 кВ. Транзисторы, должны быть высокочастотными и для получения максимального КПД преобразователя должны иметь как можно меньшее напряжение насыщения. Чтобы избежать пробоя между витками высоковольтной вторичной обмотки, трансформатор должен иметь каркас, состоящий из нескольких секций. Первичная обмотка W2/W3 должна быть намотана на отдельной секции, а вторичная обмотка размещена на нескольких (2…4) соседних секциях каркаса. Магнитопровод трансформатора Ш-образный, с зазором. Схема контроллера фирмы Linear Technology LT1182 обеспечивает регулировку яркости за счет возможности управления током в цепи лампы (рис. 7.18).

Рис. 7.17. Схема конвертора для питания люминесцентных ламп с холодным катодом

Рис. 7.18. Практическая схема преобразователя для управления люминесцентной лампой с холодным катодом (с функцией регулировки яркости)