COMO FUNCIONA LA PANTALLA DE CRISTAL LÍQUIDO

Transcripción

1 FUNCIONAMIENTO GENERAL INTRODUCCIÓN Vivimos en la era de la información. Esto hace referencia al boom tecnológico que supuso el ordenador, pero hay otro aspecto en este desarrollo imprescindible para la comunicación de esa información de la máquina a los seres humanos, como por ejemplo, las pantallas de visualización, bien sean gráficas o alfanuméricas, sin ellas los usuarios no podríamos beneficiarnos de las capacidades que posee el ordenador. Además de ser útiles en los ordenadores, las pantallas se montan en equipos de audio, electrodomésticos, en el equipamiento de un automóvil, etc. Por tanto, no es sorprendente que el rápido desarrollo en tecnología de visualización haya acompañado a los avances en tecnología informática. Las pantallas de cristal líquido han jugado un papel importante en este desarrollo y parece ser que tendrán un papel más importante en el futuro COMO FUNCIONA LA PANTALLA DE CRISTAL LÍQUIDO La velocidad de propagación de la luz polarizada cuando pasa a través del cristal líquido -que a su vez determina la orientación de los planos de polarización- dependerá del ángulo de polarización: la luz es polarizada paralelamente al cristal líquido o en ángulo recto al eje de la molécula. La capacidad que tiene un compuesto de rotar los planos de polarización, lo que puede manipularse con un campo eléctrico, es la base del funcionamiento del cristal líquido que se usa en los diferentes aparatos. Una pantalla de cristal líquido consiste en una fina capa de un cristal líquido, alrededor de 10 micrómetros de espesor, colocado entre dos placas de vidrio. El área de las placas determina el tamaño del aparato: los mayores, utilizados por las pantallas de televisión, tienen una longitud diagonal de 360 milímetros. Los fabricantes evaporan electrodos transparentes en la superficie interna de las placas de vidrio, y delgadas capas de "polimida" en los electrodos, para formar la celda del aparato de cristal líquido. Las capas de polimida son tratadas especialmente para orientar las moléculas de cristal líquido, de modo que, en planos paralelos, los que están a un lado de la celda se ubiquen a 90 grados con respecto a los que están en el lado opuesto. Esto se conoce como celda 1

2 "nemática torcida", porque la orientación molecular se "tuerce" de un lado de la celda a otro. Finalmente, los filtros polarizantes flanquean la celda con sus ejes de polarización en forma paralela. Esto quiere decir que la luz se polariza en la medida en que entra a la celda y escapa por el otro lado sólo si su plano de polarización está lo suficientemente rotado en ángulo recto. Cuando los electrodos no aplican un campo eléctrico, la orientación torcida de las moléculas rota el plano de polarización de la luz y ésta pasa a través de la celda. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico las moléculas son forzadas a disponerse paralelas a él y paralelas a la dirección de la luz. Esto significa que el plano de polarización, que está en ángulo recto a la polarización de la luz, no se afecta por las moléculas: y la luz no puede pasar a través de la célula (ver figura) En los relojes, el filtro polarizador ubicado detrás de la célula -conocido como analizador- está generalmente combinado con un reflector, de modo que el aparato puede verse por el mismo lado de la luz incidente. Fig Esquema del giro de las moléculas en un LCD. El funcionamiento global de esta estructura sería: Sin polarización en los electrodos. 2

3 La luz externa incide sobre el polarizador superior y tras él nos encontramos luz polarizada de forma lineal en la dirección que permite el filtro. La luz linealmente polarizada atraviesa el sustrato de vidrio, el electrodo y la capa de orientación molecular sin ningún cambio. En el interior del cristal líquido la luz sufrirá un giro del eje de polarización de 90º. Tras el filtro la luz atraviesa de nuevo el sustrato de vidrio, el electrodo y la capa de orientación molecular sin ningún cambio. El siguiente filtro ha sido colocado de forma que permita pasar la luz polarizada a 90º respecto al primer filtro y como es el caso la luz lo atravesará. La luz se refleja en el espejo inferior. Recorre el camino de vuelta desandando los pasos descritos y sale al exterior y por tanto si lo miramos se ve claro. Con polarización en los electrodos. Hasta llegar al cristal líquido el proceso es el mismo. El cristal al estar polarizado se ha reorientado de forma que ya no gira el eje de la luz por lo que ésta lo atraviesa sin cambiar su polarización. Cuando la luz llega al segundo polarizador no está orientada a 90º ya que no ha girado y por tanto no atravesará el segundo. No queda luz que reflejar en el espejo y por tanto desde el exterior se ve algo oscuro. De la misma forma si evitamos el reflector trasero se podría hacer una pantalla trasmisiva como en el caso de una pantalla de ordenador VISUALIZADORES DE INFORMACIÓN Todos los visualizadores de información utilizan la capacidad de controlar la luz para funcionar. Controlando qué partes del visualizador se iluminan y cuales quedan oscuras, la información se comunica al usuario. El ejemplo más sencillo de este 3

4 funcionamiento es un visualizador numérico de siete segmentos. La luz de la superficie de cada uno de los siete segmentos se controla independientemente, pudiendo producir cada uno de los diez dígitos. Si se quieren representar dígitos y letras, se puede usar una matriz de cinco por siete. Se controla la luz proveniente de treinta y cinco áreas distintas, produciendo todas las letras y dígitos con más detalle. Requiere considerablemente mayor número de áreas a controlar. El arquetipo de flexibilidad es una pantalla de gran escala donde el campo entero de visión se compone de pequeñas áreas (llamadas píxeles), cada una de las cuales se controlan independientemente. Con una pantalla de 600 filas y 800 columnas (480píxeles), podemos visualizar información tanto alfanumérica como gráfica. Fig Visualizador de 7 segmentos y matriz de 7x5 píxeles. Sin atender a la complejidad de la pantalla de visualización, el principio básico de funcionamiento se basa en el control de la iluminación de los píxeles. Esto se puede hacer de dos formas. De la primera, cada área (píxel) debe tener capacidad para generar luz, a esto se le llama pantalla activa, y dos buenos ejemplos de ello son el tubo de rayos catódicos (CRT) y los diodos emisores de luz (LED). La pantalla CRT emite desde atrás un haz de electrones que al golpear sobre la pantalla de fósforo emite luz. En una pantalla de LEDs, cada área tiene un pequeño LED, que se ilumina cuando se le aplica una diferencia de potencial. Controlando qué diodos reciben el voltaje aplicado, se pueden crear letras y números. La segunda forma de controlar la luz en una pantalla no es generándola por sí misma, sino controlando la cantidad de luz que pasa a través de la pantalla o que es reflejada por la pantalla. A este tipo se le llama pantalla pasiva. En algunas pantallas pasivas la luz la genera un dispositivo colocado detrás o al lado de la pantalla; en otros casos se usa la luz ambiente. 4

5 Tanto las pantallas activas como las pasivas que se iluminan desde atrás o desde el lateral deben usar energía eléctrica para generar luz. Las pantallas pasivas que utilizan la luz ambiente no consumen electricidad para generar luz y por lo tanto consumen mucha menos energía. Esta es la mayor ventaja de las pantallas de cristal líquido que sólo necesitan luz ambiente para funcionar. La cantidad de energía necesaria para que funcionen estas pantallas es mucho menor que para otras pantallas, haciendo a los LCDs ideales para equipos que funcionan a batería, como los relojes de pulsera, radios, grabadoras portátiles, y calculadoras de bolsillo. Con ambas pantallas, activas y pasivas, el control de la luz de cada área se consigue normalmente aplicando una diferencia de potencial mediante un dispositivo a esa área (el CRT es una excepción). El buen funcionamiento del dispositivo como pantalla depende de cómo responda al aplicarle un voltaje. Por ejemplo, la siguiente figura muestra como el brillo de la luz de un dispositivo depende del valor del voltaje aplicado: BRILLO (%) TENSIÓN (V) Fig Característica de un visualizador típico. Se indican el voltaje umbral, el 10% y el 90% del voltaje nominal. Hay dos características de la respuesta que son importantes. La primera es la cantidad de voltaje necesaria para conseguir un cambio en el brillo, este es llamado el voltaje umbral (threshold voltaje, V th ) que se indica en la figura. La segunda característica es el incremento de voltaje necesario para hacer la respuesta del dispositivo ir del 10% de brillo al 90% (V 90 -V 10 ). Mientras menor sea esta cantidad, 5

6 más brusca es la respuesta. Esta forma es muy ventajosa para pantallas en blanco y negro, pero no para pantallas en escala de grises, puesto que para conseguir niveles de brillo intermedios se necesitan niveles de voltaje intermedios entre el que corresponde al blanco y el que corresponde al negro (por debajo del umbral), por lo que no interesa que la gráfica sea muy brusca. Otra característica de las pantallas es la rapidez con la que responde el dispositivo cuando se enciende o se apaga, es decir, la velocidad de respuesta. BRILLO (%) TIEMPO (ms) Fig Característica de encendido de una pantalla de cristal líquido. BRILLO (%) TIEMPO (ms) Fig Característica de apagado de una pantalla de cristal líquido. 6

7 El tiempo de encendido, T ON, es igual al tiempo que hay entre que se aplica el voltaje y se alcanza el 90% de la respuesta. De la misma forma, el tiempo de apagado, T OFF, es igual al tiempo entre que se quita la alimentación y se alcanza el 90% del valor final. En la mayoría de las pantallas de cristal líquido, T ON y T OFF son diferentes porque el dispositivo se enciende respondiendo a la aplicación de un voltaje, pero al apagarse, simplemente vuelve a su situación de reposo. La característica más importante de los cristales líquidos para determinar la rapidez de la respuesta es su viscosidad direccional, que es la resistencia que ofrece el cristal líquido cuando es forzado a cambiar su dirección. El tiempo que tarda el cristal líquido en relajarse después de que el voltaje aplicado se suprima depende de su viscosidad. De la misma forma, el tiempo de encendido cuando se aplica un voltaje es afectado por la viscosidad, pero en menor grado. Quizá una de las características más importantes de una pantalla es la diferencia de brillo entre un área apagada y un área encendida. A esta diferencia se le suele llamar contraste; de forma específica se define como la diferencia de brillo entre un punto apagado y otro encendido dividida por el mayor de los dos valores de brillo. Obviamente, el valor de contraste más cercano a 1 es el mejor. Otro término usado habitualmente para describir pantallas de cristal líquido es la tasa de contraste, y se define como el mayor de los dos valores de brillo dividido por el menor de los dos valores. Suelen variar de 10 a 100 según el dispositivo a considerar. Un rasgo interesante de algunas pantallas es que el voltaje umbral y la tasa de contraste dependen del ángulo de visualización de la pantalla. Esto hay que tenerlo en cuenta, sobre todo en las pantallas pasivas, y es una desventaja que tienen los LCDs DIRECCIONAMIENTO DE PANTALLAS Debemos decir como pueden ser aplicados los voltajes a los dispositivos que forman una pantalla. Si cada área de la pantalla se conecta directamente a un circuito que le proporciona voltaje, llamamos a este esquema direccionamiento directo. La ventaja es que cada área está constantemente bajo control, pero la desventaja es que estas conexiones individuales deben hacerse para cada área. Otro método es la 7

8 multiplexación. Por lo tanto, para excitar las pantallas tenemos dos posibilidades principales que son la excitación estática o direccionamiento directo y la de matriz activa o multiplexada Excitación estática Puede aplicarse cuando cada electrodo se activa de forma diferenciada, es decir, tiene su propia línea de señal, esta puede aplicarse, por ejemplo, a los visualizadores de siete segmentos, en ese caso las formas de onda típicas con las que nos encontraríamos serían del tipo de la figura 6, en ella podemos ver que no se excita con una señal continua, esto es debido a que la señal continua degrada el cristal líquido. Vemos que se aplica una señal pulsada al electrodo común y aparte en cada electrodo tendremos también una señal pulsada de forma que si está en fase con la del electrodo común el segmento estará en APAGADO y si está en contrafase estará en ENCENDIDO (suponiendo un LCD normalmente APAGADO). Fig Electrodos segmentados de excitación estática. 8

9 Fig Ejemplos de formas de onda para excitación estática Excitación multiplexada Un píxel individual se enciende proporcionando el voltaje necesario al mismo tiempo a la fila y a la columna correspondiente a ese píxel. Obviamente, los píxeles que estén en esa misma fila y columna también recibirán el voltaje, pero debe ser lo suficientemente bajo para que no se enciendan. La ventaja de este método más notable es que hay que hacer muchas menos conexiones a la pantalla. Además, la multiplexación no te permite aplicar voltajes adecuados a todas las áreas al mismo tiempo. Hay que aplicar un voltaje a la fila 1 mientras simultáneamente se aplica el voltaje adecuado a cada una de las columnas. Esto haría a todas las áreas de la primera fila encenderse. Después aplicaríamos un voltaje a la fila 2 y simultáneamente aplicaríamos los voltajes adecuados a cada una de las columnas. Así se encenderían todas las áreas de la segunda fila. En otras palabras, deberíamos hacer un ciclo con las n filas que haya, cambiando los voltajes de las columnas cada vez que estemos en una fila distinta. Esto significa que cualquier área que esté encendida recibe el voltaje adecuado sólo una vez en cada ciclo de n columnas, y recibe cambios de voltajes cada vez más pequeños durante el resto del tiempo. Cualquier área que esté apagada recibe durante todo el tiempo pequeños cambios de voltaje cada vez menores. La fracción de tiempo en la que un área individual recibe el voltaje de encendido es llamada ciclo duty y es igual a 1/n. Las pantallas de cristal líquido responden al voltaje medio aplicado en un ciclo. Aplicar un voltaje elevado cuando un área se va a encender es una forma de hacer el voltaje medio en un ciclo para áreas encendidas mayor que para apagadas. Desafortunadamente, mientras mayor es n, menor es la fracción de 9

10 tiempo que se aplica el voltaje mayor, y menor es la diferencia entre el voltaje medio para áreas encendidas y apagadas. Hay, por tanto, un límite en el número de filas, ya que la diferencia en el voltaje medio baja a medida que el número de filas sube. Una respuesta de voltaje brusca (pequeño V 90 -V 10 ) es el único remedio para esta situación, ya que haría posible tener un voltaje medio aplicado a áreas apagadas justo por debajo de la tensión umbral mientras que la tensión media en las áreas encendidas (que es ligeramente superior si n es grande) está alrededor de V 90. De esta forma se puede conseguir un buen contraste con un alto grado de multiplexación (n). Un último comentario sobre la multiplexación: se tarda muy poco tiempo en aplicar tensiones a una sola fila y todas las columnas, de forma que el tiempo requerido para un ciclo entero a través de todas las filas aumenta a medida que n aumenta. Si la duración se hace lo suficientemente larga, las áreas que están encendidas empezarán a parpadear. Por lo tanto, resulta ventajoso para pantallas multiplexadas tener un tiempo de conmutación largo cuando un área va a cambiar su estado de encendido a apagado. Esto mantendrá el área encendida durante parte del ciclo y disminuirán los parpadeos. Incluso sería mejor una pantalla que se mantuviera encendida después de que la alimentación se quitara hasta que se apagara por otro valor de tensión aplicada, este visualizador se denomina visualizador de almacenamiento y se podría construir usando cristales líquidos. Un ejemplo de este tipo de direccionamiento es un visualizador donde todas las áreas de una fila se conectan juntas y todas las de una columna también se conectan juntas, tal como aparece en las siguientes figuras: Fig Dos tipos de visualizadores multiplexados. 10

11 Fig Señales para activación por multiplexación temporal (las X son filas y las Y son columnas, en consecuencias los XY son píxeles). 11