Vego's geïllustreerde encyclopedie van de elektronica


vorige woord     volgende woord     index van de letter L    algemene index    

LCD

Letterwoord voor 'Liquid Crystal Display', letterlijk vertaald 'uitlezing met behulp van vloeibare kristallen'. De term 'vloeibaar kristal' slaat op een bepaalde uitzonderlijke fysische toestand van sommige stoffen. Wil men de fundamentele werking van een liquid crystal display begrijpen, dan is het noodzakelijk eerst wat fysische achtergronden over het gedrag der materie te verduidelijken. De meeste chemische stoffen kennen drie zogenaamde aggregatietoestanden: vast, vloeibaar en gasvormig.

Fysische werking

In de vaste fase vormen de meeste stoffen kristallen. Dat betekent dat de moleculen waaruit de stof bestaat zich volgens strikt driedimensionale patronen ordenen in de stof. De enkelvoudige kristallen haken in elkaar en vormen zodoende zich in de ruimte periodisch herhalende kristalpatronen.
Men heeft ontdekt dat er bepaalde organische verbindingen bestaan die een soort van vierde aggregatietoestand kennen. Deze bevindt deze zich tussen de vaste en de vloeibare fase en beslaat een gebied van maar enige tientallen graden. Deze toestand wordt 'het vloeibare kristal' genoemd. In deze toestand zullen de moleculen hun kristalstructuren verlaten, maar zich nog niet ongestoord vrij door de stof bewegen. Afhankelijk van het soort stof zullen de moleculen tweedimensionale structuren aannemen met een specifieke vorm. Met onderscheidt drie verschillende molecuulstructuren bij stoffen die deze vloeibare kristal fase kennen:
- stoffen met smectische fase;
- stoffen met nematische fase;
- stoffen met cholesterische fase.
Bij stoffen met smectische fase zullen de moleculen zich in de vloeibare kristal fase groeperen in lagen, waarbij de lengte-assen van de moleculen allemaal evenwijdig staan. Bij de nematische fase groeperen de moleculen zich in de lengterichting van de stof. Bij vloeibare kristallen met cholesterische fase zullen de moleculen zich laagsgewijs net zo gedragen als nematische of smectische vloeibare kristallen. Als men echter meerdere molecuullagen bekijkt, dan stelt men vast dat de lengte-assen van de moleculen in de verschillende lagen een bepaalde kleine hoek ten opzichte van elkaar vertonen. Er ontstaat in de derde dimensie van de materie een soort schroefvormige beweging in de lengterichting van de opeenvolgende molecuullagen. Een en ander is toegelicht in onderstaande figuur.

In de figuur is een draaiing van 90 ° voorgesteld. Bij de meeste materialen is deze draaiing echter veel groter, gemiddeld kan men spreken van vijf hele draaiingen per 10 µm stof. Men kan de uitlijning van de moleculen beïnvloeden door een zeer dunne laag van de stof op te sluiten tussen twee glazen plaatjes, waarvan het oppervlak op een bepaalde manier is behandeld.
Etst men bijvoorbeeld op deze plaatjes een submicroscopisch patroon van evenwijdige lijntjes, dan zullen de moleculen van een vloeibaarkristallijne stof met nematische eigenschappen zich tegen de glazen plaatjes in dezelfde richting gaan uitlijnen als de geëtste lijntjes. Door de elasticiteit tussen de moleculen onderling zullen alle moleculen van de stof zich in deze richting uitlijnen. De Brownse beweging van de moleculen wordt daardoor onderdrukt, er ontstaat een dunne laag met homogeen uitgelijnde moleculen. Op dezelfde manier kan men ervoor zorgen dat de moleculen van een dunne laag cholesterische stof zich over precies 90 ° draaien. Daarvoor is het voldoende de twee glazen plaatjes te etsen met lijnpatronen die onder een hoek van 90 ° staan. Door de elasticiteit tussen de moleculen onderling zal er in de laag een homogene draaiing ontstaan tussen 0 en 90 °. Zet men over de geschetste sandwichconstructie een elektrische spanning, dan stelt men vast dat naarmate de spanning groter wordt de parallelle uitlijning van de moleculen van de vloeibaarkristallijne stof verstoord wordt. Hoe hoger de spanning, hoe groter de hoek die ontstaat tussen de glasplaatjes en de moleculen. Bij een bepaalde spanning zal de hoek zelfs gelijk worden aan 90 °. Dit is voorgesteld in onderstaande figuur.

De spanning moet echter een bepaalde drempel overschrijden alvorens er van enig effect op de moleculen sprake is. Dat is logisch, omdat de elektrische veldkrachten die op de moleculen worden uitgeoefend eerst de elasticiteitskracht tussen de moleculen onderling en tussen de moleculen en het lijnenpatroon in de glasplaatjes moet overwinnen. De aanwezigheid van deze drempel is een belangrijk gegeven, waarvan dankbaar gebruik wordt gemaakt bij de elektronische aansturing van LCD's.
Er moet nu nog één belangrijk fysisch gegeven behandeld worden alvorens de werking van liquid crystal display's duidelijk kan worden en dat is de aard van het licht en de manier waarop licht zich door tussenstoffen voort plant. Zoals bekend is licht een elektromagnetisch golfverschijnsel. Dat wil zeggen dat er afwisselend elektrische en magnetische velden worden opgebouwd. Deze velden hebben een bepaalde richting en staan loodrecht op elkaar. In de vrije ruimte zullen deze onderling loodrecht gerichte velden er voor zorgen dat de golf zich rechtlijnig voortplant. Het is echter al lang bekend dat de voortplantingsrichting van een elektromagnetische golf kan beïnvloed worden door de materie waarin de golf zich beweegt. Als een lichtgolf invalt in een stof met vloeibaarkristallijne eigenschappen, dan zal de golf zich alleen kunnen verplaatsen langs en tussen de lange sigaarvormige moleculen. Zo zal een cholesterisch opgebouwde sandwich van twee glasplaten, die een draaiing in de moleculen heeft van 90 ° er voor zorgen dat het golffront van een er doorheen bewegende lichtstraal deze draaiing van de lengte-as van de moleculen volgt. Met andere woorden: ook het golffront van de lichtgolf krijgt een fasedraaiing van 90 °! Als echter een lichtgolf door een vloeibaarkristallijne stof wil dringen waarin de lengte-assen van de sigaarvormige moleculen volledig verstrooid zijn in alle mogelijke richtingen, dan zal het licht volledig gedempt worden. De stof is dan niet langer transparant maar wordt ondoorschijnend.
Dat is de reden waarom men de overgang van de vloeistofkristallijne naar de vloeistof fase het helderheidspunt noemt. Bij deze temperatuur zal de stof echt vloeibaar worden, de moleculen verliezen iedere onderlinge structuur en de lichtgolven worden door de willekeurig gerichte lengte-assen van de moleculen volledig in de stof verstrooid.

Praktische uitvoeringsvormen

Er bestaan twee praktische uitvoeringsvormen van liquid crystal display's:
- de nematische LCD's;
- de cholesterische of twisted nematische LCD's.
Het zal nu wel duidelijk zijn waar deze namen op slaan!
De nematische liquid crystal display maakt, hoe kan het anders, gebruik van een vloeibaarkristallijne stof die nematische eigenschappen heeft. Deze stof wordt op de reeds beschreven manier aangebracht tussen twee voorbewerkte glazen plaatjes die op ongeveer 10 µm van elkaar staan. Een doorsnedetekening van een dergelijk liquid crystal display is getekend in onderstaande figuur.

De glazen plaatjes zijn aan de binnenkant voorzien van een laag uit siliciumoxide SiO2. In deze laag wordt het lijnenpatroon geëtst dat zorgt voor het uitlijnen van de moleculen. Bovendien zorgt deze laag ervoor dat er geen chemische reactie kan ontstaan tussen de verontreinigingen in het glas en de vloeibaarkristallijne stof.
Op de laag SiO2 worden de elektroden opgedampt. Deze bestaan uit een zeer dunne laag goud. Deze laag is zo dun dat zij volledig transparant is. Op een van de glazen platen (achterzijde van het LCD) wordt de gemeenschappelijke elektrode geëtst, de zogenaamde backplane. De meeste display's beschikken over meer dan een backplane. In dat geval worden er op de achterste glazen plaat verschillende elektroden geëtst die op een specifieke manier met elkaar verbonden worden tot drie of vier groepen. Op de andere plaat wordt de vorm van de segmenten (alfanumerieke display's) of de vorm van de pictogrammen geëtst. Alle elektroden worden door middel van dunne gouden sporen verbonden met de connectoren aan de randen van het liquid crystal display. Eventueel wordt de buitenzijde van de glazen plaatjes voorzien van een reflecterende laag (achterzijde van het LCD) en van een antireflecterende laag (voorzijde van het display).
Nadat de twee glazen platen op de juiste afstand van elkaar zijn gebracht en het vloeibaarkristallijne medium is aangebracht wordt de constructie luchtdicht afgesloten met een afdichting, meestal een prop indium.

Elektrische werking

De elektrische werking van een nematisch LCD volgt uit onderstaande figuur. Als het LCD-segment niet onder spanning staat dan zullen alle moleculen van de vloeibaarkristallijne stof evenwijdig geordend staan. Het licht kan tussen de sigaarvormige moleculen zijn weg vervolgen, het segment is transparant. Wel is het zo dat de evenwijdig gerichte moleculen het golffront van de elektromagnetische velden in één richting dwingt. Het uittredende licht is gepolariseerd, de richting van alle velden is gelijk.

Als het segment wordt aangesloten op een wisselspannning van voldoende grootte, dan zal de evenwijdige structuur van de moleculen verbroken worden. Het elektrisch veld veroorzaakt krachten op de moleculen, het gevolg is dat de stof in een hydrodynamische turbulentie terecht komt. De nematische ordening van de moleculen blijft slechts bestaan binnen zeer kleine gebieden van de stof. Deze gebieden zijn slechts enige µm2 groot. Door de turbulentie in de stof zullen deze gebieden wel steeds kleiner en groter worden, waardoor er steeds andere grensvlakken ontstaan. Het licht zal nu tussen deze willekeurig gerichte en steeds variërende grensvlakken volledig verstrooid worden. Het gevolg is dat het segment niet transparant wordt. Vanwege het steeds wisselende, dus dynamische, gedrag in de stof worden deze display's ook wel DSM-LCD's genoemd. Dat letterwoord staat voor 'Dynamic Scattering Mode', vrij vertaald een methode voor het dynamisch verstrooiën van de moleculen.
Bij cholesterische of twisted nematische LCD's wordt gebruik gemaakt van vloeibaarkristallijne stoffen die een cholesterische zöne hebben. Zoals uit onderstaande figuur blijkt is de samenstelling in grote lijnen identiek aan deze van de DSM-LCD's.

Te herkennen zijn de twee glazen plaatjes 3 en 6 en de molecuulstructuur 5 van de cholesterische vloeistofkristallijne stof. Groot verschil is echter dat de twee glazen plaatjes aan de buitenzijde voorzien zijn van polarisatoren 2 en 7. Dat zijn kunststoffolies die tot eigenschap hebben dat zij golfvormen van slechts één richting doorlaten. Bovendien staan de twee polarisatoren loodrecht op elkaar. In niet geactiveerde toestand (linker tekening) zullen de golfvormen die door de bovenste polarisator doorgelaten worden en allemaal in de lengterichting van de bovenste moleculen liggen zich langs de wenteltrapstructuur van de moleculen voortplanten. Het gevolg is dat de golffronten over 90 ° gedraaid worden en via de onderste glasplaat en de onderste polarisator het liquid crystal display weer verlaten. Deze polarisator is immers ook over 90 ° gedraaid ten opzichte van de bovenste!
Als het segment wordt aangesloten op een blokspanning van voldoende grootte zullen de moleculen als gevolg van de grote spanning zich allemaal in één lijn gaan opstellen die loodrecht staat ten opzichte van de glazen plaatjes.
Het gevolg is nu dat de golffronten van het licht zich langs de moleculen gaan voortbewegen en niet meer gedraaid worden. Zij worden dus niet doorgelaten door de onderste polarisator. Het segment wordt niet transparant, er word geen licht doorgelaten. Dit soort liquid crystal display's gaat door het leven onder verschillende benamingen:
- de cholesterische LCD;
- de twisted nematische LCD;
- de Schadt-Helfrich LCD;
- de TN-FEM LCD, afkorting van 'Twisted Nematic Field Effect Mode'.

Zeven segment display's

Het zeven segment display, voorgesteld in onderstaande figuur, is het meest bekende liquid crystal display en wijkt in elektrische functie nauwelijks af van soortgelijke display's die met LED's zijn uitgevoerd. Ook deze uitlezingen hebben een gemeenschappelijke aansluiting voor alle segmenten.

Maar er is nu uiteraard geen sprake van een gemeenschappelijke anode (CA) of gemeenschappelijke kathode (CC), maar van een backplane. Deze wordt bij alle fabrikanten gecodeerd met de letters 'BP' of 'COM'. Als het aantal cijfers toeneemt zal men in de meeste gevallen werken met verschillende backplanes. Het is dan niet zo dat ieder cijfer een eigen BP heeft, zoals dat wel geldt bij LED-indicatoren (vervang dan uiteraard BP door CA of CC). Deze display's worden altijd gemultiplexed gestuurd, waarbij de verschillende BP's op een zeer ingewikkelde manier samen met de segmenten uit maar enkele lijnen worden aangestuurd.

Aansturing

LCD's mogen nooit met gelijkspanningen worden aangestuurd! Weliswaar is de elektrische geleiding zo laag dat men een LCD voornamelijk door een capacitieve belasting kan voorstellen, maar de vloeistofkristallijne stof is toch geen zuivere isolator. De kleine gelijkstroom die door de sandwich gaat vloeien heeft tot gevolg dat de vloeistofkristallijne stof een elektrolyse gaat ondergaan. Reeds na enige uren gaan de prestaties van het LCD merkbaar achteruit. Omdat in de meeste praktische toepassingen alleen een gelijkspanning voorhanden is, zal men met behulp van een oscillator een blokgolf moeten produceren. Dit is echter niet voldoende! Deze blokgolf wisselt tussen de voedingsspanning en de massa en bevat dus nog steeds een gelijkspanning die gelijk is aan de helft van de voedingsspanning. Men zal dus op de een of andere manier deze blokspanning die schommelt tussen +Ub en de massa moeten omvormen in een blokspanning die varieert tussen +1/2Ub en -1/2Ub.
De frequentie van deze blokgolf wordt aan de lage kant begrensd door het knipperen van de uitlezing. Vanwege de traagheid van een LCD heeft men daar in de praktijk echter erg weinig last van en kan men werken met een frequentie van 30 Hz. Aan de hoge kant speelt de capacitieve belasting van het LCD een rol. De capaciteit van een LCD van 8 mm cijferhoogte en zeer hoogwaardige vloeistofkristallijne stof bedraagt ongeveer 150 pF. Bij grotere uitlezingen is het echter niet zinvol met meer dan 100 Hz aan te sturen. De belasting van de stuurschakelingen wordt alleen maar groter, hetgeen schakeltechnische problemen kan veroorzaken.
Heeft men in de praktijk te maken met enkelvoudige LCD's, zoals symbolen die aan of uit moeten worden geschakeld, dan kan men rechtstreeks aansturen met een blokgolf. Men moet dan echter de gelijkspanning blokkeren en dat kan met een van de schakelingen die in onderstaande figuur getekend zijn.

In de linker figuur wordt de backplane van het LCD aan de massa gelegd. De blokgolf wordt via een complementaire CMOS-eindtrap uit een CD4007 of CD4009 en via een scheidingscondensator aan de voorste elektrode van het LCD aangeboden. De topwaarde van de wisselspanning die aan het LCD wordt aangeboden is gelijk aan de helft van de voedingsspanning van de schakeling. De complementaire eindtrap is noodzakelijk om er zeker van te zijn dat de impedantie van de blokgolf zowel voor 'H' als voor 'L' constant is. Zou dit niet het geval zijn, dan zou de RC-kring die gevormd wordt door de uitgangsimpedantie van de stuurschakeling en de scheidingscondensator twee verschillende tijdconstanten hebben, waardoor er toch nog een gelijkspanningscomponent zou ontstaan. Complementaire CMOS-schakelingen hebben een constante uitgangsimpedantie van ongeveer 400 Ohm en deze schakelingen voldoen dus uitstekend voor dergelijke toepassingen. Het is uiteraard ook mogelijk gebruik te maken van gebufferde NAND- of NOR-poorten uit de CD-serie. De tweede ingang van deze poort kan dan gebruikt worden voor het in- en uitschakelen van het LCD. Omdat condensatoren grote en dure onderdelen zijn kan men natuurlijk veel beter gebruik maken van de rechter schakeling. Zowel de voorste elektrode als de backplane worden gestuurd uit een complementaire eindtrap. Beide schakelingen moeten nu door ten opzichte van elkaar geïnverteerde blokgolven worden gestuurd. Dit systeem is een beetje te vergelijken met de brugbesturing van luidsprekers in laagfrequent versterkers. Door de aansturing in tegenfase van de twee elektroden zal de ene op massapotentiaal staan als de andere op +Ub staat en vice versa. Hoewel op beide elektroden een gelijkspanning van +1/2Ub aanwezig is zal over het LCD dus géén gelijkspanning staan. Over de elektroden staat een wisselspanning waarvan de topwaarde nu gelijk is aan de grootte van de voedingsspanning.

Interessante elektronica links
Klik hier ... Kattenschrikdraad installatie houdt katten in of uit uw tuin
Klik hier ... Boeken voor de elektronicus
Klik hier ... Software voor schema tekenen, print ontwerpen en simulatie
Klik hier ... Goedkope digitale oscilloscopen, via USB aan te sluiten op uw PC
Klik hier ... Goedkope meetapparatuur voor het testen van uw onderdelen
Klik hier ... Draadloze elektronica in uw huis
Klik hier ... Inbraakalarm van Marmitek en KlikAanKlikUit
Klik hier ... Bespaar energie met PowerSafer
Klik hier ... Goedkope dataloggers voor t, RH, CO, V en I
Klik hier ... Educatieve producten voor het basisonderwijs