Съвременни дисплеи

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 2/2019 • 12.04.2019

Съвременни дисплеи
Съвременни дисплеи

Стефан Куцаров

Сред характерните особености на настоящото десетилетие е бързото технологично развитие при дисплеите, които са важен компонент на средствата за обмен и съхранение на информация. Постоянното усъвършенстване разширява техните възможности и удобството при употреба (типичен пример са дисплеите с докосване - Touch Display). Към това се прибавя масовото ползване на дисплеи в устройства и системи за контрол и управление на производствени процеси и машини, в сградни системи и автомобили. Усъвършенстването на електронните прибори за диагностика и лечение в медицината също е практически невъзможно без подходящи дисплеи. От многобройните статистики и прогнози за бързото нарастване на производството на нови типове дисплеи е достатъчно да се спомене, че през 2014 г. са били произведени 6 млн. гъвкави дисплеи, а през 2023 г. се очаква те да бъдат 560 млн.

 

Течнокристални дисплеи с тънкослойни транзистори

Независимо че относителният дял на течнокристалните дисплеи намалява, те продължават да са най-масово произвежданите. Двете основни групи на класическите им разновидности за изписване на букви и цифри (Character Display, Alphanumeric Display) и на графични изображения (Graphic Display) продължават да имат своите многобройни приложения и да се предлагат на пазара, но новите модели са твърде малко. Типичен техен представител са произвежданите от компанията Orient Display модели JASS Graphic LCD с диагонал 6,86 cm и разделителна способност 128x64.

 

 

 

 

Съвременните модели с тънкослойни транзистори (TFT LCD) дължат наименованието си на използването на транзистор от аморфен силиций (a-Si Thin Film Transistor) във всеки субпиксел, благодарение на което се увеличава ъгълът за наблюдение на изображението в сравнение с класическите LCD, получава се по-голям контраст и се елиминира влиянието на светлината от един пиксел върху съседните (по-ясно могат да се различават малки детайли). Прието е един от параметрите на дисплеите да са стойностите на максималния ъгъл на наблюдение (Viewing Angle) спрямо перпендикуляра към повърхността на дисплея от четирите посоки с последователност на изписване L/R/U/D, които стойности са в границите от 60° до 88°. Така например на дадения с №2 в табл. 1 те са 88/88/88/88. Разделителната способност или резолюция (Resolution) се дава чрез броя на пикселите в един ред x броя на редовете, като при цветните дисплеи обикновено се прибавя RGB, например 360(RGB)x240. Съществена особеност е, че при максималния ъгъл контрастът е няколко десетки пъти по-малък от давания като параметър на дисплея.

Сравнително малък е относителният дял на едноцветните графични дисплеи (Graphic Monochrome TFT Display), какъвто е даденият с №3 в табл. 1. Най-често цветът на излъчената светлина се задава с 24b число и съответно има 224»16,7М негови стойности, но се ползват и 16b, 18b и 30b числа - пример за последното е дисплеят с №2 в табл. 1. Параметрите контраст (Contrast Ratio) и яркост (Brightness) нямат никакви специфични особености. Постояннотоковото захранване обикновено се дава поотделно за дисплея чрез захранващото му напрежение VDD и консумирания от него ток IDD, и напрежението VBL и токът IBL на подсветката, която при цветните дисплеи е реализирана с бели светодиоди. По-рядко вместо токовете се ползва консумираната от дисплея мощност, например в този с №12 тя е 1 W. Разнообразни са начините за управление на дисплеите - чрез интерфейс (обикновено един), от микроконтролер или с двоични числа за всеки от трите основни цвята, означавано като RGB интерфейс.

 

 

Като конструкция този тип дисплеи представляват модули, които освен матрицата със светодиоди (LCD Array, TFT Array/Cell) съдържат блок за захранването й (LCD Driver), реализиран в зависимост от модела с една интегрална схема (ИС) или отделни ИС за гейтовете и сорсовете на TFT. Отделен блок е осигуряващият подсветката (Back Light Unit) BLU, а практически винаги модулите включват и дискретни елементи, например куплунги за връзка и индикаторни светодиоди. Част от моделите, например №6 в табл. 1, са с гъвкава печатна платка (Flexible Printed Circuit) FPC.

В табл. 1 са дадени някои основни данни за TFT LCD, като особеност на тези с №5 и №6 е възможността чрез управлението да се задава броят на цветовете - в първия 262К или 16,7М и 65К/262К във втория. Наличието на интерфейс HDMI в дисплей №9 позволява работата му с компютри с Windows и Linux. Освен това той се произвежда и в разновидностите NHD-5.0-HDMI-N-RTXL-CTU с капацитивен сензорен екран и NHD-5.0-HDMI-N-RTXL-RTU с резистивен сензорен екран. Дисплеят с №13 е от типа 16:9, има разновидности за всеки от дадените в табл.1 интерфейси и освен със светодиодна се предлага и с подсветка чрез флуоресцентна лампа със студен катод (CCFL). Полезно е да се има предвид, че производителите обикновено предлагат набор от дисплеи от даден тип с диаметри в широки граници – например в TFT LCD на Holitech Europe те са между 10,9 cm и 39,6 cm при контраст от 350 до 1000 и яркост между 250 и 450 cd/m2.

Преносимите и стационарни прибори с възможност за ползване при произволно външно осветление е желателно да притежават дисплеи, осигуряващи качествено изображение дори при непосредствено попадане на слънчева светлина. Тези модули са известни като Sunlight Readable Module и примери за такива с TFT LDC са MI0350BT-5 на производителя Multi-Inno Technology и WF43HSIAEDNNB на Winstar.

 

Дисплеи с органични светодиоди

Органичните светодиоди (Organic LED, OLED) са основното засега направление в развиващата се органична електроника, като най-голямо е приложението им в дисплеите с органични светодиоди (OLED Display). Тези дисплеи излъчват светлина и не се нуждаят от подсветка, което е принципна предпоставка за намаляване на постояннотоковата им консумация, за опростяване на структурата и постигане на по-малка дебелина и тегло в сравнение с LCD дисплеите. Освен това непосредственото излъчване е предпоставка за висококачествено изображение по няколко причини, първата от които е принципната възможност за реализиране на големи ъгли на наблюдение. Към нея се прибавя получаването на по-висок контраст (в някои модели до стотина пъти) в сравнение с TFT LCD и запазване на сравнително големи негови стойности (например не по-малка от 1000 в дисплея на ред 4 в табл. 2) при максималния ъгъл на наблюдение. Качеството на изображението е свързано и с неговата равномерност (Uniformity) по цялата площ на дисплея, оценявана чрез яркостта в различни негови точки. Следващо предимство на някои модели е много по-малкото време на реакция и запазването му в целия работен температурен обхват, което очевидно е възможност за изобразяване на бързо движещи се обекти. И не на последно място е типичната дебелина на структурата от няколко десети от микрометъра.

 

 

Същността на действието на OLED дисплеите е, че протичащият през тях ток от захранващия източник предизвиква електролуминесценция в органичния излъчващ слой (Emissive Layer) и съответно превръщане на част от въведената електрическа енергия в светлина. Пасивните дисплеи (Passive Matrix OLED, Passive OLED) PMOLED не съдържат транзистори и основните им приложения са като буквено-цифрови и по-рядко като графични. Всеки пиксел при едноцветните или субпиксел при цветните дисплеи с активна матрица (Active Matrix OLED) AMOLED съдържа MOS транзистор. За сметка на това усложнено устройство те са подходящи за графика и изображения, осигуряват по-голяма яркост, възможност за работа при непосредствено попадане на слънчева светлина, имат по-голям контраст и намалена постояннотокова консумация. Като особеност при ползването на каталожна информация трябва да се отбележи, че в някои модели ъглите на наблюдение не се задават както при TFT LCD, а като общия във вертикала (V)q и общия по хоризонтала (H)φ - например (V)θ=160° означава 80° нагоре и 80° надолу. Съществена особеност е значителният относителен дял на новопроизвежданите едноцветни OLED дисплеи, обикновено предлагани като набор от модули с два или повече различни цвята. Специфична особеност на OLED дисплеите са по-малките им размери в сравнение с TFT LCD с минимален диагонал около 0,4" (вж. дадения на ред 5 в табл. 2) и максимален рядко надхвърлящ 8". От гледна точка на конструкцията може да се отбележи, че ИС на управляващия драйвер (Driver IC) обикновено е вградена в модула, той все по-често е снабден с FPC и куплунг на нея за лесно свързване в устройството, където ще работи.

В табл. 2 са дадени основни параметри на класически OLED дисплеи, чиято конструкция и начин на използване нямат принципни различия от LCD. В колона 4 за буквено-цифровите са дадени броят на символите в един ред и броят на редовете, а на тези за изображения (вкл. графични) – разрешаващата им способност. Захранващото напрежение VOLED на светодиодите обикновено, но не задължително, е по-голямо от VDD на драйвера и нерядко е двойно.

Специфични типове OLED дисплеи. Един от тях са появилите се през настоящето десетилетие прозрачни дисплеи (Transparent OLED Display) TOLED или T-OLED, всички слоеве на чиято структура позволяват преминаването на светлина и съответно освен изображението им се наблюдават и разположените зад тях обекти. Един от примерите от типа PMOLED е 4.1" Transparent OLED на WiseChip Semiconductor със символи с червен, оранжев, зелен и син цвят, яркост 1000 cd/m2, работен температурен обхват от -40 до +105°С и размери 106x37,9x1,4 mm. Засега едно от основните приложения на TOLED е в т. нар. Head-Up Display (HUD), позволяващи освен изписваните на тях букви, цифри и символи да се наблюдава и околният свят. Те твърде бързо навлизат в автомобилите, като все повече автомобилни фирми започват да ги считат като задължителен елемент в новите си модели. Други приложения на TOLED са в технологията “допълнена реалност” (Augmented Reality) и в управлението на медицински прибори. Полезно е да се има предвид, че част от TOLED могат да се огъват (Flexible Display).

Наименованието на микродисплеите се дължи на диагонала им (до 25,4, а според някои източници до 38,1 mm) при запазване на висока разделителна способност и съответно качествено възпроизвеждане на цветни изображения. Това логично изисква пикселите им да са с много малки размери – те трябва да са не повече от 0,025 mm и съответно най-малко 1000 ppi. Засега микродисплеите се реализират почти изцяло на базата на OLED, Очевидните им приложения са за наблюдаване от непосредствена близост (Near-to-eye) в областта на т. нар. носима електроника (например M3000 Smart Glasses на Vuzix), в медицината и индустрията. Първите серийни модели се очакват на пазара през настоящата година, а според някои прогнози през 2025 г. ще бъдат произведени 330 млн. броя. Експериментират се и двупосочни OLED микродисплеи (Bidirectional OLED Microdisplay) с добавен фотоприемник.

Интерес буди изследователската работа в областта на дисплеите с квантови точки (Quantum Dot Display, QD Display), които мнозина специалисти считат за следващата революция в създаването на изображения. Тези точки представляват полупроводникови кристали с диаметър до 10 nm (nanocrystal) с две разновидности за формиране на светлината – субпикселите са сини и чрез филтри се създават червеният и зеленият, или съществуват отделни субпиксели за непосредствено излъчване на трите цвята.

 

Дисплеи с докосване

Ежедневното ползване на смартфони, таблети и лаптопи напомня за мястото на дисплеите с докосване Освен в бита не по-малко сериозни са приложенията им в индустрията, сградната автоматизация, медицината и т. н.

В зависимост от принципа на действие съществуват два основни типа, първият от които са резистивните дисплеи (Resistive Touch Display). Върху твърдата им базова повърхност (обикновено стъклена) са поставени две тънки и гъвкави пластини с нанесен индиево-калаен окис от едната страна и приложено между тях напрежение. При натиск с достатъчна сила с пръст или острие се осъществява електрически контакт между тях и електронният управляващ блок установява неговото положение. Този принцип не позволява задействане от случайни докосвания или въздействия на околната среда и определя основните приложения на резистивните дисплеи в индустрията и ползването на публични места, което не изключва смартфони, таблети и монитори. За предпазване от надраскване и влияние на прах докосваната страна има предпазно покритие. Специфичен параметър е гарантираният брой задействания с пръст (Hitting Duration) с типична стойност 107 и с “писец” (Pen Sliding Durability) типично 105.

Четирипроводните дисплеи (4-wire Analog) имат успоредни проводящи ленти в двата края на едната плоскост и подобни перпендикулярни на тях на другата. Петпроводните (5-wire Analog) имат по една лента на всяка от страните на долната си плоскост и Sensing Wire на горната. С повишена чувствителност и най-сигурно действие са осемпроводните дисплеи (8-wire Analog), които продължават функционирането си и при повреда на част от лентите.

В зависимост от начина на реакция при въздействие съществуват дисплеи регистриращи докосване в една точка (Resistive Single-Touch Display) и такива от няколко близко разположени точки (Resistive Multi-Touch Display), например от пръстите на ръката. Масовото използване на резистивните дисплеи се дължи на сигурността на действието им, включително при наличие на влага и топлина, а недостатъците са необходимостта от определена сила на натиск и реалната невъзможност да се ползват с ръкавици. Специфична особеност е, че често се предлагат серии TFT LCD дисплеи, една от разновидностите на които е с докосване, реализирани чрез поставяне на допълнителен блок (Touch Panel) – такива са дадените на редове 1, 2, 4 и 5 в табл. 3. Предлагат се и отделно изработени панели с докосване (без дисплей), каквато е QST Series на производителя DMC, чиято повърхност е устойчива на попадане на течни храни и някои химични субстанции. Серията позволява 105 задействания с писец и 107 с пръст. Компанията Holitech Europe произвежда такива дисплеи с диагонал между 6,1 cm и 38,1 cm и работен температурен обхват от -10°С до +60°С. Полезно е да се има предвид, че се предлагат и резистивни дисплеи с кутии като прибори – пример е даденият на ред 1 в табл. 3.

Капацитивните дисплеи с докосване (Capacitive Touchscreen) предшестват с появата си резистивните и действието им се основава на паразитния капацитет на човешкото тяло. С най-голямо приложение са Projective Capacitive Touchscreen (PCAP Touchscreen). Възможно е да се използва многоточков капацитивен дисплей, тъй като при работата си те разчитат на едновременното въздействие в няколко съседни точки (multi touch). Това се вижда от устройството им на фиг. 1.

 

 

 

Стъклената основа е устойчива на повишени температури и много химикали, но е сравнително по-чуплива и не се огъва, които недостатъци при запазване не са характерни за дисплеите с основа от пластична материя. Към предимствата на многоточковите капацитивни дисплеи са и дългият експлоатационен срок заедно с възможността за ползването им с тънки ръкавици. Много тънкият предпазен слой на тяхната повърхност позволява практически цялата светлина да преминава през него, което е предпоставка за много добри оптични качества. Всичко това определя многоточковите капацитивни дисплеи като основните ползвани в лаптопи, таблети и смартфони, но с приложения и в индустрията, търговски терминали (POS), игрални автомати и др.

В табл. 3 са представени основни сведения за дисплеи с докосване, като даденият интерфейс е за изображението, например означените с RGB 24b имат 3 групи по 8 проводника, всяка за 8b число на един от основните цветове. В някои модели има друг интерфейс за данните от въздействието, например RS-232 за дисплея на ред 1 и USB за този на ред 3. Интересна особеност са произвежданите от Holitech Europe многоточкови капацитивни дисплеи с диагонал между 8,9 и 140 cm.

 

Дисплеи за автомобили

Функционалността на съвременните автомобили е немислима без масовото използване на електроника. През настоящото десетилетие тя вече включва и дисплеи (Automotive Display). Диагоналът им зависи от предназначението и съответно мястото в автомобила, като най-често е между 15 cm и 30 cm и по-рядко по-малко (до 4 cm). Цветовете са между 262К и 16,7М, типичната разрешаваща способност е между 800x480 и 1920x1080 с нарастваща тенденция за използване на 2К и 4К дисплеи. Яркостта е не по-малка от 300 cd/m2 с възможност за нейното регулиране в някои модели с цел адаптиране към околното осветление, например АМХ072 на Ampire. Сред специфичните изисквания са широк ъгъл на видимост, по-голям температурен обхват (например от -40°С до 105°С), издръжливост на вибрации и експлоатационен срок не по-малък от гаранционния на автомобила. Основният тип са TFT LCD, за които се предлагат и специализирани контролери (например TW8845 на Renesas Electronis). Очаква се нарастващо приложение на прозрачните OLED дисплеи за монтиране под предното стъкло.

В зависимост от предназначението съществуват 3 типа дисплеи, първият от които могат да бъдат наречени индикаторни дисплеи (Car Dash Board Display), тъй като заместват класическите прибори на таблото пред водача, представящи функционирането на различните системи на автомобила, скоростта на движение и др. Сред последните новости (ноември 2018 г.) са Car Cockpit Display на Tianma Microelectronics. Реалното избягване на криещото опасност отклоняване (макар и за кратко време) на вниманието на водача от пътя се осигурява от разновидността HUD дисплеи (Automotive Head-Up Display, Auto HUD). Дисплеите представляват прозрачно покритие върху част от предното стъкло непосредствено пред погледа на водача, върху което чрез оптична система се прожектира изображение. То може да представя множество данни, сред които скорост на движение и обороти на двигателя, допустима максимална скорост, телефонни обаждания и др.

Друг тип са електронните огледала (E-mirror, Digital Mirror), които са съвкупност от дисплей (обикновено OLED), поставен на мястото на класическото огледало за обратно виждане и камери на задната страна на автомобила. Основните предимства са по-ясно виждане при дъжд, сняг и нощем, без пътниците на задната седалка да пречат. За камерата се предлагат специализирани процесори за обработка на изображения например GW5200 на GEO Semiconductor. Съществува и разновидност с допълнителни камери от двете страни на автомобила и дисплей за всяка от тях за следене на страничното движение. Електронните огледала все по-широко се прилагат при камиони, автобуси и селскостопански машини.

Третият тип са дисплеите за осигуряване на развлечение и информация на пътниците в автомобила - отново TFT LCD. Сред типичните примери е MI0840АТ на Multi-Inno Technology с диагонал 21,3 cm, формат 16:9, разделителна способност 1440х234, контраст 350 и яркост 400 cd/m2. От контролерите за такива дисплеи може да бъде отбелязан SAT0096 на Texas Instruments.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top