Chương 5: Led_light emitting diode Chương LED-LIGHT EMITTING DIODE 5.1 Nguyên tắc hoạt động cấu tạo 5.1.1 Hiện tượng phân cực ánh sáng Ánh sáng sóng điện từ có độ dài từ 0.4 μm đến 0.75 μm Một nguồn sáng đèn, lửa gồm vô số hạt phát ánh sáng Các hạt phân tử, nguyên tử hay ion Hình 5.1 Lan truyền sóng điện từ Các sóng điện từ phát hạt có vectơ cường độ điện trường E hướng theo tất phương thẳng góc với phương truyền tia sáng Ánh sáng gọi ánh sáng tự nhiên Vậy ánh sáng tự nhiên coi gồm vô số dao động thẳng, phân bố theo tất phương thẳng góc với phương truyền tia sáng Khơng có phương ưu đãi Nếu cách ta làm đối xứng phương dao động sáng ánh sáng gọi ánh sáng phân cực Có thể có ánh sáng phân cực phần hay ánh sáng phân cực hoàn toàn Sự phân cực (Polarization): tượng vector dao động bị giới hạn phương dao động Ánh sáng tự nhiên: Vector E dao động theo phương Ánh sáng phân cực: Phương dao động vector E không cịn tính đối xứng xung quanh phương truyền Chương 5: Led_light emitting diode Hình 5.2 Ánh sáng khơng phân cực hay phân cực phần Hiện tượng phân cực phản xạ Ánh sáng tự nhiên bị phản xạ qua bề mặt với góc thích hợp bị phân cực Định luật Brewster Để có ánh sáng phân cực hoàn toàn phản xạ bề mặt mơi trường suốt, góc tới i phải có trị số xác định tùy thuộc vào chất mơi trường tính công thức tg i =n n chiết suất mơi trường Góc i gọi góc Brewster (iB) Nếu mơi trường tới thủy tinh có n = 1,5 tg iB = 1,5 Suy iB = 570 Hình 5.3 Ánh sáng phân cực Brewster Hiện tượng phân cực truyền qua môi trường dị hướng Chương 5: Led_light emitting diode Hình 5.4 Ánh sáng phân cực truyền qua môi trường dị hướng (ảnh minh hoạ) 5.1.2 Mặt thị tinh thể lỏng (LCD - Liquid Crystal Display) LCD có lợi điểm sau  tốn điện, khoảng 10Uw  chữ số rõ ràng dễ đọc nơi có nhiều ánh sáng  cấu trúc phẳng, dẹp, có độ bền học cao  điều khiển trực tiếp linh kiện TTL, hay CMOS  thị dấu hiệu phức tạp Tuy nhiên, LCD có bất lợi sau:  đời sống tương đối ngắn so với LED  trời tối đọc với ánh đèn từ bên hay chiếu từ phía sau  thời gian tắt mở tương đối chậm Với tính chất trên, LCD dùng làm mặt thị cho đồng hồ, máy tính, máy đo digital, đồng hồ xe hơi, trò chơi trẻ em… LCD linh kiện thụ động, khơng phát sáng, dễ đọc chung quanh sáng Ngày có LCD màu Thời gian tắt mở LCD loại cải tiến nhanh để dùng làm mặt hình Tivi, máy tính cá nhân… Khái niệm Chương 5: Led_light emitting diode Mặt hiển thị tinh thể lỏng LCD ( Liquid Crystal Display ) linh kiện tạo ảnh khả kiến nhờ điều khiển truyền sáng qua trình phân cực Các đèn điện phát quang thường dùng nguồn ánh sáng đen cho ứng dụng hiển thị tinh thể lỏng Mặt thị tinh thể lỏng – LCD – linh kiện bán dẫn quang điện tử LCD chế tạo dạng chấm – ma trận LCD có tuổi thọ cao từ 10000 đến 100 000 ngày thay dần mặt thị loại LED, Plasma hay huỳnh quang Vật liệu Tinh thể lỏng sử dụng LCD hợp chất hữu Các phân tử tinh thể lỏng phân bố cho trục dọc chúng nằm song song với Hiệu ứng quang học dùng cho LCD hạn chế khoảng "không đẳng hướng", dải nhiệt độ làm việc LCD bị hạn chế xác định hai điểm nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ suốt Hiện nay, có nhiều hãng điện tử chế tạo loại LCD Hitachi, Sharp, Seiko, Samsung, Hanntronic, Optex, Phillip, Powertip,… Thông dụng LCD hãng Hitachi Các LCD có khác  Kích thước: có loại kích thước nhỏ, trung bình lớn Loại kích thước nhỏ cho thiết bị điện tử số dùng gia đình Loại kích thước thước trung bình cho thiết bị điện tử số dụng công nghiệp ti vi Loại kích thước lớn dành cho hình đồ họa biển quảng cáo  Cách trao đổi tin: song song ( cho thiết bị gần ) nối tiếp ( cho thiết bị xa )  Hiển thị: Chữ/ số hay hình ảnh ( đồ họa ) Chương 5: Led_light emitting diode Hình 5.5 Các loại hình tinh thể lỏng (LCD) Cấu tạo LCD: Cấu tạo LCD gồm có kính đặt cách khoảng 10μm Mặt phía kính tráng lớp oxit kẽm (ZnO) suốt làm hai điện cực Xung quanh bên cạnh hai kính hàn kín, sau đổ tinh thể lỏng vào khoảng kính gắn kín lại Hai nhựa có tính phân cực ánh sáng dán bên ngồi hai kính cho hình ảnh phản chiếu mặt thị nhìn từ phía nhờ gương phản chiếu Chương 5: Led_light emitting diode Hình 5.6 Cấu tạo LCD Nguyên lý làm việc Chế độ phản chiếu:  Khi chưa có điện áp đặt vào, LCD khơng làm việc ánh sáng qua nhựa phân cực thứ nhất, qua chất tinh thể lỏng, qua nhựa phân cực thứ đến gương phản chiếu phản chiếu trở phía người quan sát LCD khơng nhìn thấy - Mặt thị suốt  Khi có điện áp cung cấp cho LCD, trục dài phân tử chất tinh thể lỏng định hướng theo hướng điện trường Như vậy, ánh sáng qua nhựa phân cực thứ bị thay đổi chất tinh thể hoạt hóa, đó, ánh sáng khơng thể qua phân cực thứ để phản chiếu lại gương phản chiếu Như tinh thể lỏng chịu tác động điện trường bị tối Với màng lọc phân cực 900 ta có mặt thị suốt chữ, số, dấu hiệu tối đen Đây mặt thị hoạt động chế độ phản chiếu Nhược điểm chế độ phản chiếu mặt thị phải dựa vào nguồn sáng từ bên ngồi Nếu khơng có ánh sáng ngồi hay phịng tối mặt thị khơng nhìn thấy Chế độ thơng sáng:  Nếu màng lọc phân cực song song ta có mặt thị có tối chữ, số dấu hiệu suốt Loại thích hợp với việc chiếu sáng từ phía sau mặt thị ta gọi chế độ thông sáng Ở chế độ này, ánh sáng qua phần không hoạt hóa đưa vào khn hoạt hóa Vì chữ số chọn nhìn thấy Để ánh sáng chiếu đều, cần có kính tán xạ đặt LCD nguồn sáng LCD dùng điện áp xoay chiều từ 3V đến 8V, thời gian số 100 msec thời gian tắt từ 200 msec đến 300 msec Chương 5: Led_light emitting diode Hình 5.7 Chế độ làm việc LCD Cấu tạo LCD màu Hình 5.8 Cấu tạo LCD màu Polarizing filter (Bộ lọc phân cực) Điều khiển ánh sáng vào thoát Glass substrate (Hợp chất thuỷ tinh đặc biệt) Lọc chặn điện từ điện cực Transparent electrodes (Điện cực suốt) Là dẫn điện suốt cho phép ánh sáng xuyên qua Alignment layer (Sắp xếp lớp) Là hai bề mặt có rãnh, phân o tử tinh thể lỏng, Các phân tử xếp theo hình soắn ốc 90 Liquid crystals (Các tinh thể lỏng) Spacer (Khoảng trống) Duy trì khoảng cách kính Chương 5: Led_light emitting diode Color filter (Bộ lọc màu) Màu lọc thể dùng lọc R, G B Backlighting (Ánh sáng phía sau) Ánh sáng chiếu từ phía sau hình xun qua lớp trên, hình điện thoại, người ta sử dụng ánh sáng chiếu từ xung quanh sau dùng lớp phản xạ để hướng ánh sáng chiếu thẳng góc với hình từ sau phía trước Màu hiển thị nhờ lọc màu dành cho thành phần hiển thị, hệ thống ma trận điểm, điểm màu đỏ (R) , xanh (G), xanh dương (B) nhận sử dụng lọc màu, ba màu kết hợp lại cho ta điểm ảnh, điểm màu cho màu có cường độ sáng khác nhau, điểm ảnh cho vơ số màu màu tổng hợp từ ba màu LCD với hiệu ứng trường Màn ảnh LCD dùng cho máy tính tivi chế tạo với kỹ thuật màng mỏng transistor TFT – ( thin film transistor ) hay kỹ thuật cấu trúc hình sợi xoắn STN ( super twisted nematic ) Với kỹ thuật STN, hai kính lớp mỏng chất lỏng hữu đặc biệt có phân tử với kích thước dài Chất lỏng tinh thể lỏng dùng để ngắt mở ánh sáng Với lớp phủ hai kính, người ta tạo khe cực bé với kỹ thuật mài đặc biệt Các khe chạy dọc theo hướng dùng để định hướng phần tử tinh thể lỏng theo cách học Các phân tử tinh thể lỏng xếp theo hướng khe Vì lực phân tử tác dụng lẫn nhau, phân tử định hướng theo phân tử kế bên Sự định hướng bắt đầu tiếp diễn từ khe cực nhỏ kính Vì hướng khe kính thẳng góc với hướng khe kính dưới, phần tự bị cững theo hai hướng Hướng trục phân tử theo lớp bị làm lệch từ kính sang kính Bên ngồi hai kính phủ hai màng lọc phân cực cho ánh sáng xuyên qua theo mặt phẳng định hướng Vì định hướng kính lọc phân cực trùng với hướng khe cho kính, hai hướng kính lọc phân cực xoay góc 90o Vì mặt phẳng ánh sáng xuyên qua kính lọc phân cực xoay theo hướng trục phân tử tinh thể lỏng, mặt phẳng dao động ánh sáng xoay góc 90o ánh sáng xuyên qua kính lọc phân cực thứ hai Ở trạng thái khơng có điện áp ảnh suốt cho ánh sáng qua Dưới tác dụng điện trường phân tử tinh thể lỏng định hướng theo chiều điện trường – đường thẳng Khi mặt kính phủ lớp dẫn điện dùng điện cực, có điện áp, phân tử xoay nằm theo trục thẳng góc với hai kính Chương 5: Led_light emitting diode Như mặt phẳng ánh sáng khơng bị xoay, hai kính lọc có chiều phân cực thẳng góc khơng cho ánh sáng xuyên qua Ở điểm hai kính có chồng lắp hai điện cực, cho ta điểm tối theo hình thù độ lớn chồng lắp hai điện cực Trong ảnh LCD, điện cực phân đoạn hay điểm ma trận Cho ảnh LCD màu, trước điểm ảnh kính lọc màu Ba điểm màu đỏ, xanh cây, xanh da trời tạo nên điểm ảnh màu Như ảnh LCD màu với độ phân giải ảnh màu có số điểm Pixel nhiều gấp lần Các ảnh LCD cần chiếu sáng từ phía sau đèn huỳnh quang, dẫn quang, sợi dẫn quang chất dẻo hay màng nhựa điện phát quang Để cho ánh sáng chiếu đều, cần có kính tán xạ đặt LCD nguồn sáng Chỉ có khoảng 3% đến 5% ánh sáng đến mắt người xem 50% ánh sáng bị hấp thu kính lọc phân cực 30% kính lọc màu Hãng 3M chế tạo màng nhựa có hang triệu lăng kính cực nhỏ đưa ánh sáng từ nguồn sáng chiếu thẳng góc với ảnh Điều quan trọng cho thiết bị cầm tay cần tiết kiệm điện Màn ảnh LCD nêu loại thụ động STN Nó điều khiển ma trận hai chiều gồm đường dẫn điện suốt Ở vị trí cắt đường dẫn điện hai kính cho ta điểm ảnh Ma trận vận động theo phương pháp quét vận tốc chậm Nếu hình ảnh thay đổi nhanh, bóng hình ảnh tạo Để tránh nhược điểm này, loại ảnh LCD tích cực TFT phát triển Mỗi điểm ảnh transistor riêng biệt hai kính tạo nên với kỹ thuật màng mỏng Với kỹ thuật người ta đạt độ phân giải cao, hình ảnh thay đổi nhanh với điện trường cao cho ta hình ảnh có độ tương phản rõ nét Với kỹ thuật TFT có hàng triệu transistor hình thành kính Một nhược điểm ảnh LCD góc nhìn bé ( 15 đến 40 grad, vòng tròn = 400 grad = 3600 ) Với kỹ thuật IPS ( in – Plane Switching – Mode ) hay Super – TFT ta đạt góc nhìn đến 140 grad Với kỹ thuật điện cực transistor cho điểm ảnh chế tạo kính Điện trường hình thành khơng hai kính mà hai điện cực kính Nếu khơng có điện cực phân tử nằm song song với khe cực nhỏ mặt kính Sự xoay theo hình xoắn ốc phân tử tinh thể lỏng không tạo theo phương pháp Vì màng lọc phân cực có định hướng 900 khơng có điện áp điểm ảnh tối Khi có điện áp, phân tử tinh thể lỏng nằm song song với mặt kính xoay góc 900 mặt phẳng nằm ngang điện trường Chương 5: Led_light emitting diode hai điện cực nằm thẳng góc với khe kính Điện trường lớn, xoay phân tử mạnh ánh sáng lọt qua nhiều 10 Chương 5: Led_light emitting diode 5.2 Mạch điện điều khiển LCD Phân đoạn tinh thể lỏng mạch điện tương đương mơ tả hình 8- 21a,b Trong hình vẽ có - a: điện cực phân đoạn - b: điện cực chung - RK : điện trở vật liệu nguồn điện phân đoạn tinh thể lỏng (khoảng vài KΩ) - RS : điện trở tinh thể lỏng (khoảng vài MΩ) - CS : điện dung hai cực điện phân đoạn tinh thể lỏng (khoảng từ 100pF  200pF , 300pF cho LCD loại lớn) Điện dung CS không gây ảnh hưởng tần số làm việc từ 30 Hz đến 150 Hz, 200 Hz Hình 5.9 Mạch điện điều khiển LCD a- Phân đoạn LCD với chân điện cực b- Mạch điện tương đương phân đoạn LCD c- Hai điện cực a b có điện áp pha 11 Chương 5: Led_light emitting diode d- Hai điện cực a b có điện áp ngược 12 Chương 5: Hệ thống thông tin di dộng Với tần số < 30 Hz chữ số bị chập chờn; với tần số > 100 Hz với điện áp cao phân đoạn khơng có điện áp bị chập chờn Để hạn chế tượng này, phân đoạn không sử dụng phải nối với điện cực mặt sau (Back -plane) Trong hình (c) cho ta thấy, điện áp hai điện cực a b phân đoạn LCD pha hiệu phân đoạn 0V nên khơng có kích hoạt Trong hình (d) Khi hai điện cực a b có điện áp ngược hiệu điện cực a điện cực b điện áp xoay chiều với biên độ 2Ub phân đoạn LCD kích thích hoạt động Như biết, để LCD làm việc ta cần điện áp xoay chiều khơng có lẫn điện áp chiều Với điện áp chiều lớn, màng điện cực suốt từ chất Indium/ oxit kẽm bị khử thành Indium/kẽm Màng điện cực tối LCD bị mù Hình 5.10 Hoạt động LCD với giải mã đoạn sáng cổng X-OR (CMOS) LCD thông thường, yêu cầu điện áp chiều lẫn vào phải < 100mV; LCD màu yêu cầu điện áp chiều lẫn vào phải < 50mV Do vậy, ta 13 Chương 5: Hệ thống thông tin di dộng nên dùng mạch điều khiển với IC họ CMOS cho ta điện áp méo Vì LCD có cơng suất thấp nên dùng cổng CMOS điều khiển tốt Hình mơ tả hoạt động mặt thị LCD đoạn với giải mã BCD thành đoạn Theo hình trên, phân đoạn mặt thị LCD trở nên đen ngược pha với B.P.( điện cực Back plane); trở nên suốt điện áp pha với điện áp B.P e Các tham số LCD: Hình 5.11 Bảng tham số LCD  Thời gian lên: Thời gian lúc có tín hiệu đến LCD hiển thị  Thời gian xuống: Thời gian từ lúc khơng cịn tín hiệu đến LCD khơng cịn hiển thị Ngun tắc điều khiển hiển thị LCD 14 Chương 5: Hệ thống thơng tin di dộng Hình 5.12 Sơ đồ khối nguyên tắc điều khiển hiển thị LCD Các LCD hãng khác có cấu trúc tính thống hệ lệnh cách lập trình Sơ đồ khối Trên hình ta thấy LCD có sơ đồ khối gồm  Màn hình tinh thể lỏng ma trận điểm (dot matrix LCD panel)  Vi mạch điều khiển (controller & driver IC)  Các điều khiển đoạn (segment driver) Segment driver dùng IC 4543 BCD to 7-segment latch/decoder/driver HEF4543B DESCRIPTION The HEF4543B is a BCD to 7-segment latch/decoder/driver for liquid crystal and LED displays It has four address inputs (DA to DD), an active HIGH latch disable input (LD), an active HIGH blanking input (BI), an active HIGH phase input (PH) and seven buffered segment outputs (Oa to Og) The circuit provides the function of a 4-bit storage latch and an 8-4-2-1 BCD to 7segment decoder/driver It can invert the logic levels of the output combination The phase (PH), blanking (BI) and latch disable (LD) inputs are used to reverse the function table phase, blank the display and store a BCD code, respectively For liquid crystal displays a square-wave is applied to PH and the electrical common back-plane of the display The outputs of the device are directly connected to the segments of the liquid crystal 15 Chương 5: Hệ thống thông tin di dộng FUNCTION TABLE Notes H = HIGH state (the more positive voltage) L = LOW state (the less positive voltage) X = state is immaterial For liquid crystal displays, apply a square-wave to PH For common cathode LED displays, select PH = LOW For common anode LED displays, select PH = HIGH Depends upon the BCD-code previously applied when LD = HIGH 16 Chương 5: Hệ thống thông tin di dộng 5.3 Hiển thị số đo số liệu dạng tương tự dùng IC 7106 ICL7106, ICL7107, ICL7107S 31/2 Digit, LCD/LED Display, A/D Converters The Intersil ICL7106 and ICL7107 are high performance, low power, 31/2 digit A/D converters Included are seven segment decoders, display drivers, a reference, and a clock The ICL7106 is designed to interface with a liquid crystal display (LCD) and includes a multiplexed backplane drive; the ICL7107 will directly drive an instrument size light emitting diode (LED) display The ICL7106 and ICL7107 bring together a combination of high accuracy, versatility, and true economy It features autozero to less than 10μV, zero drift of less than 1μV/oC, input bias current of 10pA (Max), and rollover error of less than one count True differential inputs and reference are useful in all systems, but give the designer an uncommon advantage when measuring load cells, strain gauges and other bridge type transducers Finally, the true economy of single power supply operation (ICL7106), enables a high performance panel meter to be built with the addition of only 10 passive components and a display 17 Chương 5: Hệ thống thông tin di dộng 18 ... từ 30 Hz đến 150 Hz, 200 Hz Hình 5. 9 Mạch điện điều khiển LCD a- Phân đoạn LCD với chân điện cực b- Mạch điện tương đương phân đoạn LCD c- Hai điện cực a b có điện áp pha 11 Chương 5: Led_light... 5. 2 Mạch điện điều khiển LCD Phân đoạn tinh thể lỏng mạch điện tương đương mơ tả hình 8- 21a,b Trong hình vẽ có - a: điện cực phân đoạn - b: điện cực chung - RK : điện trở vật liệu nguồn điện phân... ngang điện trường Chương 5: Led_light emitting diode hai điện cực nằm thẳng góc với khe kính Điện trường lớn, xoay phân tử mạnh ánh sáng lọt qua nhiều 10 Chương 5: Led_light emitting diode 5. 2