Aktuální vydání

celé číslo

12

2019

Automatizace v energetice a pro efektivní využívání energie

Bezpečnost strojů a zařízení, bezpečnostní PLC moduly

celé číslo

Moderní zobrazovací jednotky

Automa 3/2000

Ing. Ivo Lattenberg,
Ústav telekomunikací, FEI VUT v Brně (latt@cis.vutbr.cz)

Moderní zobrazovací jednotky

Zobrazovací jednotky jsou nedílnou součástí moderních zařízení. Zobrazují stav a konfiguraci přístroje a prezentují výsledky jeho činnosti. Nahrazují velké množství indikačních zařízení a koncentrují velkou část informace na jednu plochu. S rostoucí složitostí přístrojů je používání zobrazovacích jednotek stále více aktuální. V tomto článku budou přehledově popsány základní informace o druzích zobrazovacích jednotek a podrobněji budou popsány vlastnosti perspektivních modulů LCD.

Rozdělení zobrazovacích jednotek podle možností zobrazování

  1. Číslicové displeje
    Jsou to historicky nejstarší zobrazovací jednotky. Umožňují zobrazovat pouze číslice 0 až 9, popř. znaky +, – a 1. O části, která zobrazuje pouze znaky +, – či 1, říkáme, že je půlmístná. V současné době se užívají pro zobrazení číslic sedmisegmentové displeje na bázi LED (light emitting diode) – obr. 1 nebo LCD (liquid crystal display). Díky uspořádání segmentů je možné na takovýchto displejích zobrazovat i písmena A až F, což je vhodné pro zobrazování čísel v hexadecimálním tvaru.

    Obr. 1.

  2. Alfanumerické displeje
    Tyto displeje umožňují zobrazovat písmena i číslice. Jednotlivé znaky jsou obvykle zobrazovány v matici 5 × 8 nebo 5 × 7 bodů (obr. 2). V menší míře se pro zobrazení znaku používá i displej se čtrnácti nebo šestnácti segmenty. Pro své uspořádání však neumožňuje zobrazovat českou diakritiku a znaky zobrazené na tomto displeji nejsou tak „věrné“ jako u matice 5 × 8 bodů. Alfanumerické displeje bývají vyráběny na bázi LED nebo LCD.

  3. Grafické displeje
    Grafické displeje poskytují možnost zobrazovat libovolné grafické obrazce. Bývají složeny z matice M × N bodů. Jsou vyráběny nejrůznějšími technologiemi (na bázi žárovek, feromagnetických terčíků, LED – obr. 3, LCD – obr. 4 a obr. 5, či jako obrazovkové displeje). Grafické displeje se v poslední době stávají velmi populární, používají se v mnoha aplikacích – od mobilních telefonů, přes měřicí techniku až po ploché monitory počítačů či televizní přijímače. Díky moderní technologii grafických modulů LCD je možné vyrábět např. kapesní osciloskopy či kapesní televizní přijímače.

Rozdělení podle technologie zobrazování

  1. Zobrazovací jednotky na bázi žárovek
    Zobrazovací jednotky na bázi žárovek patří mezi nejjednodušší zobrazovací jednotky. Vlastní jednotka se skládá z žárovek uspořádaných do matice M × N bodů. S těmito jednotkami se můžeme setkávat např. na fotbalových stadionech, informačních a reklamních panelech. Pro jejich velkou svítivost jsou vhodné pro rozměrné panely, v současné době je již ale vytlačují LED s vysokou svítivostí, které mají nižší spotřebu a delší dobu života.

    Obr. 2.

  2. Zobrazovací jednotky na bázi LED
    LED (light emitting diode) se používají jako součást zobrazovacích panelů. V současné době se vyrábějí ve čtyřech barvách: červená, žlutá, zelená a v poslední době i modrá (ta je však stále ještě řádově dražší než LED v ostatních barvách). Jsou k dispozici LED různé velikosti a různé svítivosti. Firma Hewlett Packard přišla na trh s vysokosvítivými LED, které svými přednostmi a už i dostupnou cenou vytlačují žárovky. Vyrábějí se také vícebarevné LED v jediném pouzdře. Je to vlastně více diod na jednom čipu, které jsou zality do jednoho pouzdra. Tyto LED tvoří součásti moderních zobrazovacích panelů. Pro velké a střední panely se používají právě tyto diody uspořádané do matice. Menší panely se konstruují jako monolitické součástky. LED se sdružují do modulů. Jsou to např. sedmisegmentové moduly, které umožňují zobrazovat čísla, někdy také některé znaky (při prezentaci výsledku v hexadecimálním formátu lze zobrazit i znaky A až F). Chceme-li zobrazit celou abecedu, použijeme čtrnáctisegmentový či šestnáctisegmentový displej. Ten však pro své uspořádání neumožňuje zobrazovat českou diakritiku, proto, chceme-li háčky a čárky zobrazovat, použijeme spíše displej v podobě matice (obvykle 5 × 8 bodů). Z takovýchto bloků můžeme složit celou zobrazovací jednotku. Jednotlivé segmenty LED mohou být napájeny stejnosměrným proudem, řádově desítek miliampérů (jeho velikost je závislá na velikosti segmentu a použité technologii), s výhodou se však často využívá nedokonalosti lidského oka, a jednotlivé segmenty se napájejí impulsně.

  3. Zobrazovací jednotky na bázi LCD
    V malých zobrazovacích jednotkách s výhodou použijeme displeje z kapalných krystalů – LCD (liquid crystal display) pro jejich velmi nízkou spotřebu proudu. LCD se vyrábějí jako numerické zobrazovače – monolitické displeje obsahující několik sedmisegmentových bloků. Obvykle se vyrábějí třiapůlmístné nebo čtyřiapůlmístné. Alfanumerické jednotky jsou složeny z několika alfanumerických bloků, kde jeden blok obvykle obsahuje 5 × 8 bodů. Jsou vyráběny též LCD složené z několika bloků se čtrnácti nebo šestnácti segmenty. Třetí skupinou jsou grafické jednotky, které mají možnost zobrazovat nejen text, ale i grafiku. V poslední době se již vyrábějí barevné grafické LCD s bodovým rastrem až 1 024 × 768 bodů [5]. Jejich cena oproti obrazovkovým zobrazovacím jednotkám je však stále vyšší. Tyto LCD se používají v noteboocích, plochých monitorech, a dokonce i v televizních přijímačích (ovšem stále patřících do kategorie velmi drahých přístrojů – televizní přijímače s úhlopříčkou okolo 1 m se pohybují v cenových relacích řádově sto tisíc korun).

Obr. 3.

Klasická technologie LCD vychází ze dvou skleněných destiček, mezi kterými je prostor s náplní kapalných krystalů. Na vnitřní straně skleněných destiček je napařena průhledná kovová vrstva, tvořící na jedné destičce reliéf požadovaných zobrazených segmentů, na druhé destičce společnou elektrodu. Vývody jednotlivých segmentů a společné elektrody jsou zhotoveny technikou tlusté kovové vrstvy na skle. Z obou stran úplného modulu jsou nalepeny polarizační fólie. Bez těchto fólií není zobrazení patrné.

Protože kapalné krystaly nevyzařují světelnou energii (princip funkce spočívá ve změně kontrastu působením elektrického pole), potřebují oba typy zobrazovačů ke své unkci osvětlení denním nebo umělým světlem.

K zobrazení segmentů se využívá elektrooptických vlastností nematických kapalných krystalů, proto pro dokonalé vybuzení postačí velmi malý proud (řádově desetiny mikroampérů na segment).

LCD vyžadují buzení střídavým proudem s nulovou stejnosměrnou složkou. Výrobci povolují maximálně řádově desítky milivoltů. Efektivní hodnota budicího napětí bývá řádově v jednotkách voltů (např. 5 V). Kmitočet se pohybuje v rozmezí 20 až 200 Hz.

Moduly LCD se vyrábějí ve dvou kategoriích: alfanumerické a grafické. Grafické moduly nabízejí nesporně více možností, jsou však dražší než alfanumerické. V rámci dané kategorie se moduly liší množstvím a uspořádáním zobrazovacích entit.

Obr. 4.

U alfanumerických modulů se za entitu považuje pozice jednoho znaku (5 × 8 bodů). Parametrem těchto modulů je tedy počet zobrazovaných znaků a jejich uspořádání do řádků. Vyrábějí se zpravidla v těchto formátech: 16 × 1, 16 × 2, 20 × 2, 40 × 2, 16 × 4, 20 × 4, 40 × 4 znaků (první číslice znamená počet znaků na řádku, druhá počet řádků). U grafických modulů se za entitu považuje jeden bod (pixel). Formáty grafických displejů bývají 120 × 64, 240 × 64, 128 × 128, 160 × × 128, 240 × 128, 320 × 240, 640 × 480 bodů.

Pracovní teploty se běžně pohybují v rozmezí 0 až 50 °C. Vyrábějí se však i jednotky s rozšířeným rozsahem pracovních teplot (–10 až +70 °C).

Napájení logické části displeje bývá +5 V, napájení vlastního LCD bývá u alfanumerických modulů v rozsahu +1 až +5 V. Vzhledem k nízkému proudovému odběru LCD se pro získání tohoto napětí používá odporový dělič. Změnou velikosti napájení LCD lze měnit kontrast displeje. U grafických modulů a alfanumerických modulů s rozšířeným teplotním rozsahem se LCD napájejí záporným napětím –5 až –10 V.

Celkový příkon modulů se pohybuje řádově v desítkách miliwattů.

Moduly se liší směrem pohledu na displej (viewing direction). Výrobci jej udávají v hodinách. Směr pohledu „šest hodin“ znamená, že displej je konstruován pro pohled zdola, zatímco „dvanáct hodin“ znamená, že displej je konstruován pro pohled shora.

Obr. 5.

Mezi důležité optické vlastnosti patří podsvětlení. Displeje, které podsvětlení nemají, jsou konstruovány tak, aby využívaly dopadajícího světla, a mají na zadní straně reflexní vrstvu, která odráží světlo dopadající na displej. Jsou nazývány reflexní a bývají levné. Displeje s podsvětlením se nazývají transmisní. Na zadní straně mají světelný zdroj. Takovýto displej je čitelný i za snížené intenzity okolního světla, tedy v přítmí či ve tmě. Pro podsvětlení se používají různé zdroje světla. LED jsou používány u nejmenších a nejlevnějších displejů. Mají však malou světelnou intenzitu a ve srovnání s velikostí displeje je můžeme považovat za bodový zdroj světla, a tudíž takovýchto diod musíme použít více. Ale i přesto je displej nerovnoměrně prosvětlen. Žárovka má mnohem větší svítivost, stále ji však musíme považovat za bodový světelný zdroj. Díky její vyšší svítivosti můžeme pro podsvětlení použít světlovod a displej téměř rovnoměrně podsvítit. Nevýhodou je relativně velká proudová spotřeba a vyzařování tepla. Elektroluminiscenční podsvětlovací panely se používají u větších displejů. Vynikají svou nízkou spotřebou (méně než 50 % spotřeby žárovky), nižším tepelným vyzařování než žárovka, jsou tenké a ploché a vydávají rovnoměrné osvětlení, a jsou tedy ideální pro umístění pod displej. Vyrábějí se v barvách bílá, modrozelená a zelená. Nevýhodou je potřeba střídavého napájení napětím přibližně 100 V s kmitočtem kolem 400 Hz. Při použití síťového kmitočtu 50 Hz vykazují tyto lampy pouze desetinu svítivosti, které dosahují při napájení střídavým proudem o kmitočtu 400 Hz. Je tedy nutné použít měniče, které se s těmito jednotkami dodávají. Fluorescenční panely CFL (cold cathode flourescent lamp) se používají pro displeje s větší zobrazovací plochou. Mají vysokou svítivost při nízké spotřebě proudu. Vyžadují střídavý proud (200 až 1 000 V při kmitočtu 25 až 75 kHz). Kladou přísné elektrické požadavky, výrobci proto většinou přímo s těmito jednotkami dodávají i vhodné měniče.

Obrazovkové zobrazovací jednotky
Obrazovkové jednotky CRT (cathode ray tube) se používají v náročnějších aplikacích. Mají větší rozměry a hmotnost než jiné zobrazovače a potřebují vysoké anodové napětí, vyzařují škodlivé záření, avšak stále se používají, neboť mají vysoký kontrast, jsou rychlejší a hlavně levnější něž srovnatelné LCD (barevný displej LCD se stejnou zobrazovací plochou je přibližně dvakrát až třikrát dražší než obrazovková zobrazovací jednotka).

Terčíkové zobrazovací jednotky
Používají se zejména pro velké displeje. Základem terčíkových panelů, jež nalezly využití hlavně v městské hromadné dopravě, jsou otočné terčíky z feromagnetického materiálu, uspořádané maticově ve sloupcích a řadách. Tyto terčíky mají dvě krajní polohy, mezi kterými jsou překlápěny krátkými proudovými impulsy. Barva jedné polohy je černá, barva druhé polohy je obvykle žlutá. Větší odběr energie v tomto případě je pouze v okamžiku překlápění terčíku, jinak nevyžadují napájení.

Literatura:

[1] GM Electronic, Praha: Součástky pro elektroniku, říjen 1996.

[2] Toshiba: Firemní dokumentace k LCD modulům TLX-1021, TLX-1013, TLX-1391, TLX-711 a TLX-1301.

[3] Sharp: Katalogové listy k LCD modulům LM16155 a LM24014.

[4] Tesla Rožnov: Příruční katalog elektronek, obrazovek a polovodičových prvků. 1974.

[5] Chip, tematické číslo časopisu, červen 1997. Praha.

[6] Conrad Electronic GmbH, Hirschau: katalog 98. 1998. 6] Conrad Electronic GmbH, Hirschau: katalog 98. 1998.

[7] S. O. S Electronic, Brno: Součástky pro elektroniku 1995/96. 1995.

[8] Toshiba: Dokumentace k T 6963 C. 1997.

[9] Tesla – elektronické součástky, koncern Rožnov: Optoelektronické součástky. 1990.

Proč svítí?

Žárovka
Žárovka je teplotní zdroj optického záření. Základem žárovky je vlákno, obvykle wolframové, umístěné v baňce, ve které je vakuum (u menších žárovek) nebo inertní plyn. Toto vlákno je rozžhaveno protékajícím proudem na teplotu přibližně 2 300 až 3 000 K. Termický pohyb částic rozžhaveného vlákna způsobuje emisi fotonů. Úplná fyzikální teorie tohoto jevu je poměrně složitá. Výsledné záření je superpozicí záření jednotlivých elementárních zdrojů (atomů) a má gaussovský náhodný charakter. Spektrální hustota záření je dána Planckovým zákonem.

Luminiscenční dioda, LED
LED (light emitting diode) využívá rekombinace elektronů a děr v polovodiči v blízkosti přechodu PN. Při kompenzaci kladného náboje díry elektronem při jeho přechodu z valenčního do vodivostního pásu je vyzářeno kvantum energie. Aby byl tento jev patrný a dostatečně účinný, musí mít materiál vhodnou šířku zakázaného energetického pásu. Dále je nutné přechod uspořádat tak, aby maximum záření vycházelo z přechodu do okolního prostoru. Luminiscenční diody pro osvětlovací účely bývají nejčastěji zhotoveny z GaP a GaAs s dotací Zn, O a N. Dotace ovlivňuje barvu diody. Protože křemíkové polovodiče nemají z hlediska použití v luminiscenčních diodách vyhovující vlastnosti, dosud se pro tyto účely nepoužívaly. V posledních letech je však uskutečňován intenzivní výzkum, jehož výsledkem mají být LED na bázi křemíku. To by umožnilo integrovat LED na čipy jako součást integrovaných obvodů.
LED mají na rozdíl od žárovek malou setrvačnost a dlouhou dobu života.

Displeje s tekutými krystaly
Tekutý krystal je olejovitá organická sloučenina, která má vlastnosti kapalin, ale zachovává si i některé vlastnosti charakteristické pro krystaly: anizotropii, určitý stupeň uspořádání apod. Jsou tři druhy kapalných krystalů: smetic, nematic a cholesteric. Liší se od sebe uspořádáním molekul. Pro LCD se většinou používají krystaly typu cholesteric, které mají podlouhlé molekuly uspořádané ve vrstvách. Jednotlivé molekuly v každé vrstvě jsou rovnoběžné, jejich směrování v jednotlivých vrstvách je pootočeno o určitý úhel. Polarizované světlo při průchodu tekutým krystalem stáčí rovinu své polarizace. Velikost stočení roviny lze ovlivnit elektrickým polem. Umístíme-li vrstvu tekutých krystalů mezi dvě polarizační fólie s rovinami polarizace natočenými tak, aby soustavou procházelo světlo, vlivem působení elektrického pole se stočí rovina polarizace a světlo přestane procházet.
U LCD nemá otázka, jak displej svítí, smysl. LCD sám nesvítí, musí být buď podsvětlen odraženým světlem, nebo musí mít vlastní zdroj světla. Odražené světlo se používá u malých a levných displejů, u větších a kvalitnějších displejů se používají nejrůznější způsoby podsvětlení, od LED nebo miniaturní žárovky (např. pro displeje mobilních telefonů) až po speciální ploché světelné zdroje pro velké monitory LCD.