Рідкі кристали - це речовина, що виявляється в широкому температурному інтервалі з властивостями рідини і кристалів. Вони містять у рідкому стані впорядкованість молекул (подібних до кристалів). Для створення індикаторів на рідких кристалах використовують такі нематичні рідкі кристали, які є структурними збудниками захворювань даного класу. Матеріалом їхнього масового споживання є сполуки, у яких утворюються впорядковані грати.

Тонкий шар РК речовини (десятки мікронів), вміщений, наприклад, між двома скляними пластинами, досить добре пропускає світло. Однак товсті шари рідини кристалів (кілька міліметрів) практично непрозорі. Це з явищами, що з тепловими неупередженими потребами великих груп молекул, що зумовлює змін показників заломлення й у природному рахунку сильному розсіянню світла рідкокристалічному середовищі. Особливий інтерес є зміною оптичних характеристик рідких кристалів під дією зовнішнього електромагнітного поля. Ця властивість використовується для побудови елементів індикації на основі тонких волокон прозорих рідкокристалічних з'єднань.

Рис. 1. Рідкокристалічний індикатор на ефект динамічної відстані:

1-прокладка; 2 - рідкі кристали; 3 - покриття, що відображає; 4 - заднє скло; 5 - загальний електрод; 6 - прозорі електроди сегментів; 7 - переднє скло

Рис. 2. Рідкокристалічний індикатор, заснований на ефекті обертання площини поляризації шаром рідких кристалів, що зникає під дією електричного поля (твіст-ефект):

1-скляна осередок; 2 - покриття, що відображає; 3-поляроїдна пластина з вертикальною площиною поляризації; 4-рідкі кристали; 5 - прокладання; б - прозорі електроди; 7 - поляроїдна пластина з горизонтальною площиною поляризації

Існують два принципи (ефекти) роботи індикатори на рідких кристалах. Перший полягає в тому, що при додатку електричного поля до тонкого шару РК речовини, укладеному між двома скляними пластинками, відбувається руйнування впорядкованої 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 та незбудженим (фоном). При знятті зовнішнього електричного поля початкова структура рідких кристалів відновлюється і цей 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 є конфігурацією у вигляді сегментів, за допомогою яких можна відтворити цифри від 0 до 9. На іншій пластині прозорим струмопровідним покриттям нанесений електрод, що є загальним для цифр. Обидві пластини покритими поверхнями звернені одна до одної.

Існують індикатори, що працюють у відбитому («на відображення») і проходить («на просвіт») світлі. У першому випадку на заднє скло ІЖК наноситься шар, що відображає, у другому - за індикатором повинен бути використаний додаткове джерело світла.

При подачі керуючого напруги рідкі кристали в зоні дії електричного поля втрачають прозорість, і якщо задня біла, що відображає поверхню, то спостерігач бачить темну цифру на світлому тлі. Якщо задній відбивач має чорний колір і внутрішні поверхні корпусу також зачорніли, то матово-світле зображення цифри добре помітне на чорному тлі.

При роботі приладу на просвіт зображення цифри темніші, ніж фон. Якщо при цьому потужність встановленого джерела світла становить 0,5 Вт, то яскравість рідкого кристалічного індикатора стає порівнянною з яскравістю газорозрядного або світлодіодного табло, що використовується в умовах звичайної освітленості.

Висновки від сегментів виконані у вигляді зносостійких струмопровідних доріжок на склі. З'єднання висновків табло з елементами схеми керування здійснюється за допомогою гнізда.

Іншим принципом, що використовується для створення табло на рідких кристалах, є ефект обертання площини поляризації поляризованого світла шаром рідких кристалів, що зникає під дією електричного поля (твіст-ефект). Індикатори, що працюють на цьому принципі, отримують, поміщаючи крапельку рідких кристалів між двома схрещеними поляроїдними пластинами, яка розтікається між ними у вигляді тонкої плівки. Самі схрещені поляроїди мають взаємно перпендикулярні площини поляризації світла і тому абсолютно непрозорими. Але якщо між цими пластинами є шар неметалевих рідких кристалів, які в результаті технологічної обробки придбали властивість обертання площини поляризації світла, що проходить на 90°, то вся ця оптична система виходить прозорою (рис. 2).

При застосуванні електричного поля всі молекули рідких кристалів орієнтуються вздовж поля та ефект обертання площини поляризації зникає. Через війну через систему, показану на рис. 2, пропускання світла припиняється. Якщо збуджується не весь шар рідких кристалів, а певні ділянки у вигляді символу або цифри, то зображення даного символу (цифри) буде темним у світлі, що проходить в порівнянні з незбудженою областю (фоном). Цей принцип отримання індикації є прогресивнішим, оскільки дасть значний виграш у потужності споживання і дозволяє отримувати вищий контраст. У більшості типів, що серійно випускаються рідкокристалічні індикатори використаний даний принцип.

Порушення РК шару в індикаторах здійснюється змінною напругою синусоїдальної форми або форми типу меандр, з ефективним значенням (залежно від типу) від 2,7 до 30 В та частотою 30-1000 Гц. Постійна складова напруги не допускається через появу електролітичного ефекту, що веде до різкого скорочення терміну служби приладів індикатори. Основним параметром ІЖК, що відображає якість його роботи, є контраст знака по відношенню до фону К, який визначається як відношення інтенсивностей світла, що виходить з ІЖК, у вихідному (незбудженому) та збудженому станах. Контраст вимірюється за допомогою спеціальної оптичної системи на основі мікроскопа із вбудованим фотоелектронним помножувачем на виході. Для усунення зовнішнього засвічення об'єктив мікроскопа захищений зачорненим конусом, який спрямований на вимірюваний індицикатор. Площина індикатора. розташована перпендикулярно до оптичної осі мікроскопа і висвітлюється спеціальною лампою підсвічування, потік якої через конденсатор спрямований до вимірюваного зразка під кутом 45°. За допомогою мікроамперметра фіксують два значення струму ФЕУ: при непрацюючому індикаторі і при прикладеному до сегментів керуючій напрузі. Контраст, %, обчислюється за такою формулою

К=(Iф-Із)100/Iф,

де Iф - струм фону - фотострум фотоелектронного помножувача при непрацюючому індикаторі; I3 - струм знака - фотострум фотоелектронного помножувача при доданій до сегментів номінальній керуючій напрузі (зображення знака темніше фону). Значення До сучасних серійних індикаторів мають близько 83—90 %. Рідше контраст виражають у відносних одиницях (отн. од.): К=Iф/I3.

Чим вище зовнішнє освітлення, тим яскравіше зображення на індикаторі. Контраст від освітленості майже залежить.

Основними параметрами рідкокристалічних цифро-знакових індикаторів є:

контраст знака по відношенню до фону К-відношення різниці коефіцієнта яскравості фону та знака індикатора до коефіцієнта яскравості фону, виражене у відсотках;

струм споживання IПОТ - середнє значення змінного струму, що протікає через сегмент при додатку до нього номінального напруження управління робочої частоти;

напруга управління Uупр - номінальне значення ефективної змінної напруги, прикладеного до сегментів індикатор.;

робоча частота напруги керування fраб;

мінімальна напруга управління Uупр - мінімальне значення ефективної змінної напруги, прикладеного до сегментів індикат., при якому забезпечується заданий контраст знака по відношенню до фону;

максимально допустима напруга управління Uупрmax - максимальне значення ефективної змінної напруги, прикладеного до сегментів індикат., 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 вимкненні, протягом якого струм споживання знижується до 0,2 максимального значення.

Найважливішою характеристикою цифро-знакового ІЖК як приладу відображення є залежність контрасту знака від напруги управління. Зі збільшенням напруги контраст круто зростає до порогового значення, після чого збільшення розмаїття зі збільшенням Uупр практично не відбувається. Значення Uупрmin вибирається на пологій ділянці кривої поблизу порога. Зазначимо, що контраст знака індикатора є функцією ефективного значення Uупр та практично не залежить від його форми.

Рідкокристалічний індикатор як елемент електричного ланцюга еквівалентний конденсатору. Внаслідок цього вольт-амперна характеристика Iпот=f(Uупр) при номінальній частоті керуючої напруги близька до лінійної, а частотна характеристика Uпотр = ф(fраб) має вигляд монотонно зростаючої кривої. Постійна складова керуючого напруги має перевищувати 1 % ефективного значення Uупр.

Рис. 3. Тимчасова діаграма наростання та спаду струму споживання рідкокристалічного індикатора (б) при подачі керуючого змінної напруги (а)

Важливою особливістю РК індикатора є низький струм споживання одиниці або сотні мікроампер (залежно від принципу роботи). В інтервалі робочих температур струм споживання дещо збільшується із зростанням температури. Рідкокристалічний індикат. має низьку швидкодію, пов'язану з інерційними процесами розбудови структур органічних кристалів. Швидкодія суттєво залежить від температури. У зоні температур, близьких до нижньої межі, швидкодія різко знижується. Вимірювання часових параметрів tpеак і tрел, що наводяться в таблицях, виробляються на рівні відповідно 0,8 і 0,2 значення, як показано на рис. 3. Перевірку часу реакції та релаксації серійних приладів проводять візуально за появою та зникненням (при прямому спостереженні) знаків при подачі на них переривчастої напруги управління з тривалістю дії 800 мс та тривалістю паузи 800 мс. Такі індикатори працюють у вельми вузькому інтервалі температур. Переважна більшість рідкокристалічних індикаторів не працює при навколишній температурі нижче +1 °С, оскільки в цих умовах матеріал переходить у стан напівтвердого кристала. Коли наближається до нижньої температурної межі, індикат. реагує на додаток напруги дедалі повільніше і зрештою повністю втрачає працездатність. Індикатори відновлюють свої характеристики після повернення з середовища з низькою температурою в середу з температурою, що відповідає температурі робочого діапазону. У зв'язку з цим зберігання індикаторів дозволяється за температури до -40 °С.

За кількістю розрядів в одному корпусі цифро-знакові індикатори поділяються на 1-розрядні, 4-розрядні, 6-розрядні, 9-розрядні. Нумерація розрядів прийнята зростаючою зліва направо.

Існують також табло, що відображають різні символи, спеціальні знаки та написи.

Цифрознакові табло виготовляються в пластмасових корпусах або зі скла з компаундним зміцненням по периметру з висновками під розпаювання або під роз'єм.

У процесі експлуатації слід уникати попадання на контактний майданчик вологи та пилу, що викликають міжелектродні замикання. Очищати поверхню індикатора рекомендується чистим батистом злегка змоченим етиловим спиртом.

Система позначень рідкокристалічних індикаторів містить кілька літер та цифр. Поєднання ІЖК означає: індикат. рідкокристалічний. Четвертий елемент позначення: буква Ц означає цифровий, а С символьний. П'ятий елемент — цифра, яка вказує на номер розробки. Цифра після дефісу вказує число розрядів індикатора, а число через косу дробову межу відповідає висоті міліметрах цифри (символу) в розряді.

Прилади, розроблені до запровадження описаної системи, позначені інакше. Наприклад, найменування ЦИЖ-5 розшифровується так: цифровий індикатор рідкокристалічний, номер розробки 5, а ІЖК-2 - індикатор рідкокристалічний, номер розробки 2.

Використання рідкокристалічних індикаторів у радіоелектронній

апаратурі стимулюється рядом факторів: низькими струмами споживання та напругами управління, сумісністю роботи з інтегральними мікросхемами, низькою вартістю.

Можливими областями їх застосування є: індикаторні пристрої вимірювальної апаратури, електронні годинники та мікрокалькулятори, інформаційні панелі та покажчики. Дуже складним аспектом застосування рідкокристалічних приладів є засоби управління (особливо це стосується багаторозрядних індикаторів). 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 транзистора VT. На колектор транзистора подається напруга, що дорівнює подвійній амплітуді номінальної змінної напруги збудження даного РК індикатора. З транзистора VT на сегмент індикатора знімається однополярна змінна напруга прямокутної форми амплітудою 40 В. Для знищення постійної складової імпульсної напруги живлення (вона неприпустима з фізичних умов роботи рідких кристалів) до загального електрода прикладається постійна напруга 20 В.

На вхід DD2 подається напруга збудження із частотою fв=30-50 Гц, але вхід DD3 — напруга гасіння із частотою fг = 10-40 кГц. При низькому логічному рівні сигналу, що управляє, відкривається DD2 і транзистор працює в імпульсному режимі з частотою, що відповідає частоті збудження РК сегмента. Керуючий сигнал з високим логічним рівнем, що надходить з дешифратора на вхід, що управляє, відкриває DD3. В результаті пристрій формує напругу підвищеної частоти, на яку рідкокристалічний сегмент не реагує. З урахуванням того, що пристрій управління має бути порівнянно з споживаною потужністю з рідкокристалічним індикатором, всі логічні схеми виконані на основі КМОП-структур.

Рис. 4. Схема збудження сегментів РК індикатора змінною напругою різної частоти

Крім описаного використовується також інший тип пристрою збудження рідкокристалічних індикаторів. Його схема показано 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 сегмент індикатора через ключ-формувач (транзистор VT1) прикладається напруга прямокутної форми, пряме чи зсунуте 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 збуджується; за відмінності фаз відбувається збудження сегмента. Зазначимо, що фазовий спосіб керування дозволяє зменшити напругу живлення індикатора вдвічі.

При використанні багаторозрядних індикаторів потрібна велика кількість зовнішніх з'єднань, необхідних управління сегментів. Це змушує вдаватися до створення мультиплексного керування. На рис. 6 показаний принцип управління 4-розрядним цифровим індикатором з розділеними загальними електродами для кожного розряду, який полягає в об'єднанні ідентичних сегментів по всіх розрядах та послідовної адресації даних відповідні розряди. Процес відображення 4-розрядного числа здійснюється за тактами У кожному такті змінна керуюча напруга прикладається до шини управління сегментів і лінії загального електрода того розряду, який збуджується в даному такті. Завдяки великому часу» релаксації рідких кристалів цифри розрядів у період між тактами збудження продовжують читатись без додатка напруги.

Рис. 5. Схема збудження сегментів РК індикатора за методом зсуву фаз керуючої напруги

Рис. 6. Схема з'єднань сегментів при мультиплексному управлінні багаторозрядним цифровим рідкокристалічним індикатором