CC BY
111Компоненты и технологии, № 4'2005
Заказные индикаторы AMPIRE
Дизайн и эргономичность прибора являются важными факторами успеха продукта на рынке. Устройство, обладающее при прочих равных условиях дружественным интерфейсом, несомненно, будет пользоваться большей популярностью. Взаимодействие сложного прибора с пользователем в основном осуществляется при помощи элементов управления и элементов отображения информации. Применение в качестве последних жидкокристаллических индикаторов позволяет повысить эргономичность устройства.
Александр Борисов
bor-alex@gamma.spb.ru
По типу отображаемой информации ЖКИ можно классифицировать следующим образом:
• сегментные индикаторы — видимая область индикатора чаще всего представляет собой набор семисегментных «восьмерок» и спецсимволов (рис. 1). Информация отображается путем засвечивания необходимых сегментов.
• графические индикаторы — видимая область индикатора представляет собой матрицу точек (пикселей). Информация отображается путем вывода алфавитно-цифровой и графической информации (рис. 2).
• знакосинтезирующие индикаторы — видимая область представляет собой набор матриц пикселей (в основном размер матрицы составляет 7x5), информация отображается путем вывода алфавитно-цифровых и знаковых символов (рис. 3). По типу конструктивного оформления индикаторы можно классифицировать следующим образом:
• индикаторы без драйвера — представляют собой две стеклянные пластины, в зазор между которыми заливается жидкость, а сверху и снизу на стеклянные пластины наклеиваются пленки поляризаторов. Индикатор соединяется с печатной платой устройства с помощью жестких выводов, токопроводящей резины или гибкого шлейфа. В данном случае тип драйвера ЖКИ выбирает разработчик устройства, а драйвер устанавливается на основную плату.
• индикаторы с драйвером на печатной плате (COB — Chip On Board LCD) — индикатор установлен на печатную плату, на которой сформированы необходимые цепи управления (драйвер сегментов, графический контроллер, инвертор). Опционально модуль может включать в себя подсветку.
• индикаторы с драйвером на шлейфе (COF — Chip On Flex LCD) — в этом случае индикатор соединяется с платой устройства с помощью гибкого шлейфа. Драйвер, осуществляющий управление индикатором, а также часть пассивных компонентов установлены на шлейфе.
• индикаторы TAB (TAB — Tape Automatic Bonding LCD) — как и в случае COF, индикатор соединяется с платой устройства с помощью гибкого шлейфа. Однако технология TAB позволяет устанавливать на шлейф несколько кристаллов, которые упакованы в один корпус. Таким образом, на шлейфе индикатора можно разместить не только драйвер
О
Рис. 2. Графический индикатор с драйвером на стекле TIC32 (128x32 пикселя)
Рис. 3. Знакосинтезирующий индикатор с драйвером на плате AC-162A
ЖКИ (или несколько драйверов, например, столбцовый и строковый для графического индикатора), но и, например, контроллер клавиатуры. индикаторы с драйвером на стекле (COG — Chip On Glass LCD) — технология COG предусматривает установку управляющего драйвера непосредственно на стекло. При этом минимизируется площадь, занимаемая ЖКИ в целом, и значительно уменьшается стоимость индикатора, так как отсутствуют дополнительные элементы (шлейф, внешний драйвер).
Компоненты и технологии, № 4'2005
Следует заметить, что классификация по типу отображаемой информации и классификация по типу конструктивного оформления являются абсолютно независимыми — производственные возможности компании AMPIRE позволяют изготовить любой тип индикатора в любом исполнении.
Сегментные индикаторы
Видимая область сегментных индикаторов представляет собой, как правило, набор семисегментных «восьмерок» и спецсимволов (рис. 1). Количество сегментов обычно не превышает 200-300, при этом в зависимости от количества сегментов выбирается способ управления и тип драйвера.
Применяется два способа управления сегментными индикаторами: статический и мультиплексный. В первом случае каждый вывод драйвера управляет одним сегментом. Данный вид управления следует использовать в том случае, когда количество сегментов не превышает 100-120, или когда основным требованием к индикатору является высокая контрастность во всем диапазоне рабочих температур. В случае статического управления угол обзора значительно шире, чем в случае мультиплексного, а контрастность при температуре -40 “С падает незначительно по сравнению с таковой при комнатной температуре. Технологии производства AMPIRE при статическом управлении позволяют добиться времени переключения сегментов, не превышающего 14-17 с на температуре -40 “С (время переключения сегментов при температуре -30 “С в этом случае не превышает 3-4 с).
Недостатком статического управления является большое количество выводов, которые необходимо разместить на стеклянной подложке. Эта проблема легко решается установкой статического драйвера на стекло (технология COG). Примером такого индикатора может служить широко распространенный ЖКИ TIC8148 (рис. 1). Драйвер, установленный на этом индикаторе, имеет последовательный SPI-подобный интерфейс управления, что позволяет использовать для управления им аппаратные модули микроконтроллера. Индикатор имеет диапазон рабочих температур от -40 до +70 “C и диапазон температур хранения от -50 “C до +80 “C, что позволяет применять его в устройствах промышленной автоматики. Ток потребления индикатора TIC8148 не превышает 55 мкА при включении всех сегментов.
Мультиплексное управление рекомендуется использовать, если количество сегментов превышает 100-120. Недостатками мультиплексного управления являются более низкая контрастность по сравнению со статическим, а также большее время переключения на низких температурах. Достоинство — как правило, более низкая цена.
Технологические возможности компании AMPIRE позволяют производить сегментные индикаторы со следующими характеристиками:
• максимальные габаритные размеры:
160x90 мм;
• толщина индикатора: 1,75; 2,05; 2,85 мм;
способ управления сегментами: статический, мультиплексный; угол зрения (угол наибольшей контрастности): 6:00; 12:00; 3:00; 9:00, произвольный угол (например, 10:30, применяется в приборах автомобильной электроники); диапазон рабочих температур: от -40 до +80 “C;
световая схема: позитивное (черные символы на светлом фоне), негативное (светлые символы на темном фоне, применяется только с подсветкой); тип нижнего поляризатора: только на отражение (reflective); на отражение и на просвет (transflective); только на просвет (transmissive);
нанесение дополнительного изображения на верхний или нижний поляризатор (рис. 4);
технология Multi-Color TN (многоцветное изображение, сформированное цветными фильтрами — в этом случае индикатор имеет световую схему «только на просвет», рис. 5);
Л ^Г' Т «. Л &JF' О П »)5=ц
§' •0.0 -7/
г р mx tooo
Е L
Рис. 5. Пример технологии Multi-color TN
• тип соединения индикатора с печатной платой: жесткие выводы; токопроводящая резина; гибкий шлейф;
• напряжение питания: от 2,5 до 5,5 В;
• ток потребления: от 1 до 80 мкА (в зависимости от площади индикатора и типа используемого драйвера).
Следует заметить, что наиболее перспективным является конструктивное оформление Chip On Glass. Это наиболее дешевое решение, позволяющее снизить размеры устройства и уменьшить трудоемкость монтажа. Кроме того, стоимость подготовки к производству индикаторов COG ниже, чем COB, COF и TAB. Стоимость индикатора COG, как правило, ниже, чем стоимость решения, в котором применяется индикатор без драйвера и внешний драйвер, устанавливаемый на плату управления.
Возможна установка на стекло любых драйверов в бескорпусном исполнении, предназначенных для разварки на стекло (with gold bumps). Эта возможность позволяет модифи-
цировать уже готовые устройства, отказавшись от драйвера, устанавливаемого на плату, и не изменяя программное обеспечение микроконтроллера, управляющего ЖКИ. Например, изготавливаются индикаторы с драйвером Holtek HT1621 и драйвером Philips PCF8576, которые довольно часто применяются в корпусном исполнении.
Графические индикаторы
Видимая область графического индикатора (рис. 2) представляет собой матрицу точек (пикселей), включение-выключение которых позволяет формировать как алфавитно-цифровую, так и графическую информацию.
Как правило, графические индикаторы изготавливаются по технологии FSTN с мультиплексным управлением. Это накладывает некоторые ограничения на диапазон рабочих температур — минимальная рабочая температура не может быть ниже -30 °C. Это не означает, что индикатор выйдет из строя при уменьшении температуры ниже обозначенного порога, однако время переключения сегментов будет очень большим (порядка 40-50 с при температуре -40 °C), что неудобно для восприятия информации.
Так как количество сегментов (пикселей) очень велико, а коэффициент мультиплексирования может достигать 1/480, ток потребления графических индикаторов (с учетом собственного тока потребления драйвера) составляет сотни микроампер — ток потребления графического COG-индикатора TIC32 с разрешением 128x32 пикселей (рис. 2) не превышает 700 мкА при всех включенных пикселях и напряжении питания 5 В. На индикаторе установлен драйвер Philips PCF8531, имеющий последовательный I2C интерфейс управления, встроенный умножитель напряжения и цепи организации смещения уровней. Для управления таким индикатором достаточно двух выводов микроконтроллера.
Возможно также изготовление комбинированных символьно-графических индикаторов (рис. 6), часть видимой области которых выполнена в виде сегментов, а часть — в виде графического поля.
Технологические возможности компании AMPIRE позволяют производить графические индикаторы со следующими характеристиками:
• максимальные габаритные размеры:
160x90 мм;
ппппппппппп
Рис. 6. Чертеж комбинированного символьно-графического ЖКИ с драйвером на стекле
Компоненты и технологии, № 4'2005
• толщина индикатора: 1,75; 2,05; 2,85 мм;
• угол зрения (угол наибольшей контрастности): 6:00; 12:00; 3:00; 9:00, произвольный угол (например, 10:30, применяемый в приборах автомобильной электроники);
• диапазон рабочих температур: от -30 до +70 °C;
• световая схема: позитивное (черные символы на светлом фоне), негативное (светлые символы на темном фоне, применяется только с подсветкой);
• тип нижнего поляризатора: только на отражение (reflective); на отражение и на просвет (transflective); только на просвет (transmissive);
• тип соединения индикатора с печатной платой: жесткие выводы; токопроводящая резина; гибкий шлейф;
• напряжение питания: зависит от типа используемого драйвера;
• ток потребления: от 50 до 700 мкА (в зависимости от площади индикатора, типа используемого драйвера и способа подачи питания).
Знакосинтезирующие индикаторы
Знакосинтезирующие индикаторы, выполненные по технологии COB, являются наиболее распространенными в мелкосерийном производстве, так как большинство моделей является типизированным и изготавливается многими производителями, в том числе и AMPIRE. Знакосинтезирующие индикаторы при достаточно низкой цене являются эффективным средством отображения алфавитно-цифровой информации.
Однако AMPIRE производит знакосинтезирующие индикаторы и по другим технологиям, в частности COG. В этом случае на стекло устанавливается либо стандартный драйвер, совместимый по системе команд с HD44780 или KS0066 (параллельное 4/8-битное управление), либо драйвер с последовательным PC-управлением (например, PCF2119). Как пра-
вило, драйвер имеет кириллический набор символов.
Технологические возможности АМРШБ по производству знакосинтезирующих индикаторов совпадают с технологическими возможностями по производству графических индикаторов.
Подсветка
Подсветка позволяет применять ЖКИ при недостаточном внешнем освещении. Кроме этого, подсветка является одним из важных дизайнерских решений, формирующих внешний вид прибора.
По типу используемых излучающих элементов подсветку можно разделить на следующие категории:
• Светодиодная подсветка — светоизлучающим элементом служат светодиоды с различной длиной волны. Наиболее часто применяются следующие цвета: желто-зеленый, красный, янтарный, зеленый, голубой, белый. Светодиодная подсветка может быть боковой (используется несколько светодиодов, устанавливаемых в торце индикатора и прозрачный световод, рис. 7) и фронтальной (светодиоды равномерно распределены по всей поверхности поля подсветки, рис. 8). Минимальная толщина боковой светодиодной подсветки — 1,5 мм (однако наиболее дешевый вариант — 4 мм), минимальная толщина фронтальной подсветки — 4 мм. Это нужно учитывать при разработке конструкции прибора. Напряжение питания светодиодной подсветки зависит от типа применяемых светодиодов и схемы их соединения и, как правило, составляет 2,0-10 В. Ток, потребляемый боковой подсветкой, обычно не превышает 150 мА, фронтальная подсветка потребляет 100-300 мА. Возможно уменьшение потребляемого тока, однако это приведет к уменьшению яркости под-
светки. Относительно большой ток потребления является единственным недостатком светодиодной подсветки и затрудняет ее применение в автономных устройствах с батарейным питанием.
• Электролюминесцентная (ЭЛ) подсветка представляет собой два пленочных электрода и алюминиевый отражатель. При приложении к электродам переменного напряжения частотой 50-400 Гц и амплитудой порядка 60-180 В подсветка излучает свет в диапазоне белого, голубого или желто-зеленого спектра. Ток потребления ЭЛ подсветки составляет порядка 0,1-0,6 мА на 1 квадратный сантиметр, что позволяет рекомендовать ее для применения в носимых устройствах. Однако ЭЛ-подсветка имеет множество недостатков — необходимость применения инвертора для питания, малый срок службы (от 2 до 5 тыс. часов), узкий диапазон рабочих температур (от -20 до +60 °С), высокая стоимость по сравнению с светодиодной.
• Подсветка на люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL) представляет собой модуль с миниатюрной высоковольтной лампой с холодным катодом (белое свечение). Амплитуда рабочего напряжения составляет 250-340 В (напряжение поджига — от 1 до 1,5 кВ) с частотой 30-40 кГц, потребляемая мощность — 1-15 В. ССБЬ-подсветка обладает очень высокой яркостью при сравнительно низком потреблении, поэтому ее можно рекомендовать для подсветки больших графических матриц. Срок службы ССБЬ-подсветки составляет 15-50 тыс. часов.
Технологические возможности компании АМР1ИБ позволяют производить подсветки всех вышеперечисленных типов. В настоящий момент подготавливается к производству трехцветная светодиодная ИОБ-подсветка для индикатора Т1С32. Конструкция подсветки позволит получить гомогенные оттенки путем смешения основных цветов в различных пропорциях. Кроме того, возможно производство двухцветных подсветок с независимым управлением.
В заключение можно сказать, что индикатор, изготовленный по заказу, позволит обойти ограничения, налагаемые доступным модельным рядом, будет обладать оптимальным сочетанием характеристик, и, как правило, более низкой ценой. Кроме того, заказной индикатор послужит замечательным дизайнерским решением, позволит выделить конечное устройство из ряда аналогов и привлечь внимание покупателей.
