Рідкі кристали - це речовини, що проявляють в певному температурному інтервалі властивості як рідини, так і кристалів. Вони здатні в рідкому стані зберігати впорядкованість молекул (по-добно кристалів). Для створення індикатори на рідких кристалах використовуються так звані нематические рідкі кристали, які є структурною різновидом даного класу речовин. Матеріалом для них служать суміші органічних сполук, молекули яких формуються в впорядковані решітки.
Тонкий шар РК речовини (десятки мікрон), поміщений, наприклад, між двома скляними пластинами, досить добре пропускає світло. Однак товсті шари рідини кристалів (кілька міліметрів) практично непрозорі. Це пов'язано з помітними тепловими безладними коливаннями великих груп молекул, що призводить до змін показника заломлення і в кінцевому рахунку сильному розсіювання світла в жидкокристаллической середовищі. Особливий інтерес представляє зміна оптичних характеристик рідких кристалів під дією зовнішнього електромагнітного поля. Саме ця властивість використовується для побудови елементів індикації на основі тонких прозорих шарів рідкокристалічних речовин.
Мал. 1. Рідкокристалічний індикатор на ефекті динамічного відстані:
1-прокладка; 2 - рідкі кристали; 3 - покриття, що відбиває; 4 - заднє скло; 5 - загальний електрод; 6 - прозорі електроди сегментів; 7 - переднє скло
Мал. 2. Рідкокристалічний індикатор, заснований на ефекті обертання площини поляризації шаром рідких кристалів, зникаючий під дією електричного поля (твіст-ефект):
1 скляна осередок; 2 - покриття, що відбиває; 3-поляроїдним пластина з вертикальною площиною поляризації; 4-рідкі кристали; 5 - прокладка; б - прозорі електроди; 7 - поляроїдним пластина з горизонтальною площиною поляризації
Існують два принципи (ефекту) роботи індикатори на рідких кристалах. Перший з них полягає в тому, що при додатку електричного поля до тонкого шару РК речовини, укладеним між двома скляними пластинками, відбувається руйнування упорядкованої структури рідких кристалів, що викликає дифузне розсіювання світла в цій області (ефект динамічного розсіювання). В результаті прозорий рідкокристалічний шар стає каламутним і при зовнішньому освітленні виникає контраст між збудженою ділянкою рідини кристалів і незбудженим (фоном). При знятті зовнішнього електричного поля первісна структура рідких кристалів відновлюється і зазначений контраст зникає.
Як показано на рис. 1, принципово рідкокристалічні індикатори складаються з двох плоскопаралельних скляних пластин, між якими знаходиться шар рідких кристалів товщиною 12- 20 мкм. На одній зі скляних пластин прозорим струмопровідним покриттям нанесений малюнок цифри, який представляє собою конфігурацію у вигляді сегментів, за допомогою яких можна відтворити цифри від 0 до 9. На іншій пластині прозорим струмопровідним покриттям завдано електрод, який є загальним для цифр. Обидві пластини покритими поверхнями звернені один до одного.
Існують індикатори, що працюють у відбитому ( «на відображення») і проходить ( «на просвіт») світлі. У першому випадку на заднє скло ИЖК наноситься шар, що відображає, в другому - за індикатором повинен бути використаний додаткове джерело світла.
При подачі напруги рідкі кристали в зоні дії електричного поля втрачають прозорість, і якщо задня поверхня, що відбиває біла, то спостерігач бачить темну цифру на світлому фоні. Якщо задній відбивач має чорний колір і внутрішні поверхні корпусу також зачорнені, то матово-світле зображення цифри буде добре помітно на чорному тлі.
При роботі приладу на просвіт зображення цифри більш темне, ніж фон. Якщо при цьому потужність встановленого джерела світла становить 0,5 Вт, то яскравість рідко кристалічного інді катор стає порівнянної з яскравістю газоразрядного або світлодіодного табло, використовуваного в умовах звичайної освітленості.
Висновки від сегментів виконані у вигляді зносостійких струмопровідних доріжок на склі. З'єднання висновків табло з елементами схеми управління здійснюється за допомогою роз'єму.
Іншим принципом, використовуваним для створення табло на рідких кристалах, є ефект обертання площини поляризації поляризованого світла шаром рідких кристалів, зникаючий під дей-наслідком електричного поля (твіст-ефект). Індикатори, що працюють на цьому принципі, отримують, розміщуючи крапельку рідких кристалів між двома схрещеними поляроїдним пластинами, яка розтікається між ними у вигляді тонкої плівки. Самі схрещені поляроїди мають взаємно перпендикулярні площини поляризації світла і тому є абсолютно непрозорими. Але якщо між цими пластинами є шар неметалічних рідких кристалів, які п результаті технологічної обробки придбали властивість обертання площини поляризації світла, що проходить на 90 °, то вся ця оптична система виходить прозорою (рис. 2).
При додатку електричного поля всі молекули рідких кристалів орієнтуються уздовж поля і ефект обертання площини поляризації зникає. В результаті через систему, показану на рис. 2, пропускання світла припиняється. Якщо порушується не весь шар рідких кристалів, а певні ділянки у вигляді символів та цифр, то зображення даного символу (цифри) буде темним в світлі порівняно з збудженому областю (фоном). Цей принцип отримання індикації є більш прогресивним, так як дасть значний виграш в потужності споживання і дозволяє отримувати більш високий контраст. У більшості серійно випускаються типів рідкокристалічні індикатори використаний даний принцип.
Порушення ЖК шару в індикаторах здійснюється змінною напругою синусоїдальної форми або форми типу меандр, з ефективним значенням (в залежності від типу) від 2,7 до 30 В і частотою 30-1000 Гц. Постійна складова напруги не допускається через появу електролітичного ефекту, що веде до різкого скорочення терміну служби приладів індикатори. Основним параметром ИЖК, що відображає якість його роботи, є контраст знака по відношенню до фону К, який визначається як відношення інтенсивностей світла, що виходить з ИЖК, в вихідному (не збудженому) і збудженому станах. Контраст вимірюється за допомогою спеціальної оптичної системи на основі мікроскопа з вбудованим фотоелектронним помножувачем на виході. Для усунення зовнішнього засвічення об'єктив мікроскопа захищений зачорненим конусом, який спрямований на вимірюваний індіцікатор. Площина індикаторо. розташована перпендикулярно оптичної осі мікроскопа і висвітлюється спеціальною лампою підсвічування, потік якої через конденсатор спрямований до вимірюваного зразком під кутом 45 °. За допомогою мікроамперметра фіксують два значення струму ФЕП: при непрацюючому індикаторі і при доданому до сегментів керуючій напрузі. Контраст,%, обчислюється за формулою
де Iф - ток фону - фотострум фотоелектронного помножувача при непрацюючому індикаторі; I3 - струм знака - фотострум фотоелектронного помножувача при доданому до сегментів номінальному керуючій напрузі (зображення знака темніше фону). Значення К сучасні серійні індикатори мають близько 83-90%. Рідше контраст висловлюють в відносних одиницях (отн. Од.): К = I ф / I3.
Чим вище зовнішня освітленість, тим яскравіше зображення на індикаторі. Контраст від освітленості практично не залежить.
Основними параметрами рідкокристалічних цифро-знакових індикаторів є:
контраст знака по відношенню до фону К-відношення різниці коефіцієнта яскравості фону і знака індикатора до коефіцієнта яскравості фону, виражене у відсотках;
струм споживання Iпот - середнє значення змінного струму, що протікає через сегмент при додатку до нього номінальної напруги управління робочої частоти;
напруга управління Uупр - номінальне значення ефективного змінної напруги, прикладеного до сегментів індикаторо .;
робоча частота напруги управління fраб;
мінімальна напруга управління Uупр- мінімальне значення ефективного змінної напруги, прикладеного до сегментів індикаторо. при якому забезпечується заданий контраст знака по відношенню до фону;
максимально допустима напруга управління Uупрmax- максимальне значення ефективного змінної напруги, прикладеного до сегментів індикаторо. при якому забезпечується задана надійність індикатора при тривалій роботі;
час реакції tреак - інтервал часу при включенні, протягом якого струм споживання збільшується до 0,8 максимального значення;
час релаксації tрел - інтервал часу при виключенні, протягом якого струм споживання знижується до 0,2 максимального значення.
Найважливішою характеристикою цифро-знакового ИЖК як приладу відображення інформації є залежність контрасту знака від напруги керування. Зі збільшенням напруги контраст круто зростає до порогового значення, після чого збільшення контрасту зі збільшенням Uупр практично не відбувається. Значення Uупрmin вибирається на пологом ділянці кривої поблизу порога. Відзначимо, що контраст знака індикатора є функцією ефективного значення Uупр і практично не залежить від його форми.
Рідкокристалічний індик. як елемент електричного кола еквівалентний конденсатору. Внаслідок цього вольт-амперна характеристика Iпот = f (Uупр) при номінальній частоті керуючого напруги близька до лінійної, а частотна характеристика Uпотр = ф (fраб) має вигляд монотонно зростаючої кривої. Постійна складова напруги, що управляє не повинна перевищувати 1% ефективного значення Uупр.
Мал. 3. Тимчасова діаграма наростання і спаду струму споживання рідкокристалічного індикатора (б) при подачі керуючого змінної напруги (а)
Важливою особливістю РК індикатора є низький струм споживання - одиниці або сотні мікроампер (в залежності від принципу роботи). В інтервалі робочих температур струм споживання дещо збільшується зі зростанням температури. Рідкокристалічний індикаторо. має низьку швидкодію, пов'язане з інерційними процесами перебудови структур органічних кристалів. Швидкодія істотно залежить від температури. У зоні температур, близьких до нижньої межі, швидкодія різко падає. Вимірювання часових параметрів tpеак і tрел, що приводяться в таблицях, виробляються на рівні відповідно 0,8 і 0,2 сталого значення, як показано на рис. 3. Перевірку часу реакції і релаксації серійних приладів виробляють візуально по появі і зникнення (при прямому спостереженні) знаків при подачі на них переривчастого напруги управління з тривалістю впливу 800 мс і тривалістю паузи 800 мс.Такіе індикатори працюють в дуже вузькому інтервалі температур. Переважна більшість рідкокристалічних індикаторів не працює при температурі навколишнього середовища нижче +1 ° С, так як в цих умовах матеріал переходить в стан напівтвердого кристала. При наближенні до нижньому температурному межі індикаторо. реагує на додаток напруги все повільніше і в кінці кінців повністю втрачає працездатність. Індикатори відновлюють свої характеристики після повернення їх з середовища з низькою температурою в середу з температурою, що відповідає температурі робочого діапазону. У зв'язку з цим зберігання індикаторів дозволяється при температурі до -40 ° С.
За кількістю розрядів в одному корпусі цифро-знакові індикатори діляться на 1-розрядні, 4-розрядні, 6-розрядні, 9-розрядні. Нумерація розрядів прийнята зростаючої зліва направо.
Існують також табло, що відображають різні символи, спеціальні знаки і написи.
Цифро-знакові табло виготовляються в пластмасових корпусах або зі скла з компаундних зміцненням по периметру з висновками під розпаювання або під роз'єм.
В процесі експлуатації слід уникати потрапляння на контактну площадку вологи і пилу, що викликають міжелектродні замикання. Очищати поверхню індикатора рекомендується чистим батистом, злегка змоченим етиловим спиртом.
Система позначень рідкокристалічних індикаторів містить кілька букв і цифр. Поєднання ИЖК означає: індикаторо. рідкокристалічний. Четвертий елемент позначення: буква Ц означає-цифровий, а С - символьний. П'ятий елемент - цифра, яка вказує номер розробки. Цифра після дефіса вказує число розрядів індикатора, а число через косу дробову риску відповідає висоті в міліметрах цифри (символу) в розряді.
Прилади, розроблені до введення описаної системи, позначені інакше. Наприклад, найменування ЦІЖ-5 розшифровується так: цифровий індикатор рідкокристалічний, номер розробки 5, а ИЖК-2 - індикатор рідкокристалічний, номер розробки 2.
Використання рідкокристалічних індикаторів в радіоелектронної
апаратурі стимулюється низкою факторів: низькими струмами споживання і напруженнями управління, сумісністю роботи з інтегральними мікросхемами, низькою вартістю.
Можливими областями їх застосування є: індикаторні пристрої вимірювальної апаратури, електронний годинник і мікрокалькулятори, інформаційні панелі і покажчики. Дуже складним аспектом застосування рідкокристалічних приладів є засоби управління (особливо це відноситься до багаторозрядним індикаторами). На рис. 4 показана схема збудження сегментів сигналом змінної напруги. Пристрій складається з двох логічних схем І з двома входами DD2, DD3, інвертора DD1 і ключа-формувача з транзисторі VT. На колектор транзистора подається напруга, рівне подвійний амплітуді номінального змінної напруги збудження даного ЖК індикатора. З транзистора VT на сегмент індикатора знімається однополярної змінну напругу прямокутної форми амплітудою 40 В. Для знищення постійної складової імпульсного напруги живлення (вона неприпустима з фізичних умов роботи рідких кристалів) до загального електрода прикладається постійна напруга 20 В.
На вхід DD2 подається напруга збудження з частотою fв = 30-50 Гц, а на вхід DD3 - напруга гасіння з частотою fг = 10-40 кГц. При низькому логічному рівні керуючого сигналу відкривається DD2 і транзистор працює в імпульсному режимі з частотою, що відповідає частоті збудження ЖК сегмента. Керуючий сигнал з високим логічним рівнем, що надходить з дешифратора на керуючий вхід, відкриває DD3. В результаті пристрій формує напругу підвищеної частоти, на яку рідкокристалічний сегмент не реагує. З урахуванням того, що пристрій управління має бути порівнянна по споживаної потужності з рідкокристалічним індикатором, все логічні схеми виконані на основі КМОП-структур.
Мал. 4. Схема збудження сегментів РК індикатора змінним напругою різної частоти
Крім описаного використовується також інший тип пристрою збудження рідкокристалічних індикаторів. Його схема показана на рис. 5. На входи логічних схем І DD2 і DD3 від зовнішнього генератора подаються імпульсні напруги з частотою f = l5-25 Гц, зсунуті по фазі відносно один одного на 180град. Залежно від рівня керуючого сигналу на сегмент індикатора через ключ-формувач (транзистор VT1) прикладається напруга прямокутної форми, пряме або зрушене по фазі. На загальний електрод індикатора через інший ключ-формувач (транзистор VT2) постійно подається сигнал однієї фази.
При збігу фаз на електродах сегмента останній не порушується; при розходженні фаз відбувається збудження сегмента. Відзначимо, що фазовий спосіб управління дозволяє зменшити напругу живлення індикатора в 2 рази.
