Tela LCD

Princípio de Funcionamento

O processo de monitoração do Notebook é feito através de um painel de cristal líquido, chamado LCD (Liquid Crystral Display).

Os Cristais Líquidos são substâncias orgânicas que estão numa fase entre o estado líquido e sólido. Suas moléculas têm liberdade de se moverem, mas estão agrupadas de modo ordenado. Suas propriedades óticas podem ser influenciadas por campos elétricos, que permitem formações através de uma matriz de pontos que se dividem em: Linhas verticais e Colunas que estão associadas a um circuito de multiplicação.

As Telas de Cristal Líquido, LCD (Liquid Crystral Display) são componentes mais caros e os que mais energia consomem da fonte de alimentação e da bateria. A tecnologia empregada nos LCD é extremamente complexa, o conhecimento teórico relacionado ao seu funcionamento, isolar qualquer componente defeituoso seria um jogo de adivinhações. O estudo de cristais líquidos envolve teorias físicas, químicas e moleculares, razão pela qual, iremos nos limitar aos aspectos práticos da sua composição e do seu modo de operação. Estes cristais foram descobertos, há mais de 100 anos, por um botânico austríaco. São moléculas orgânicas que possuem as propriedades dos cristais, mas, em uma forma que não é nem líquida, nem sólida, têm a textura da espuma e é transparente. Como sua força de agregação intermolecular é muito fraca, e as moléculas dessa substância podem ser orientadas por campos eletromagnéticos fracos. Em seu estado natural, os cristais espalham os raios de luz incidentes, tornando a luminosidade difusa. Entretanto, se as suas moléculas forem re-orientadas por qualquer processo (por exemplo, se forem submetidas a uma diferença de potencial) elas podem permitir a passagem da luz, ou bloqueá-la completamente.

Distribuição dos Elementos de Imagem (Pixel)

As imagens apresentadas nos LCDS, em forma de caracteres alfanuméricos (texto) ou gráficos, são constituídas por pontos conhecidos como elementos de imagem (Pixel). Estes pontos estão ordenados em colunas e linhas de acordo com a ilustração da Fig 3.1.

Cada ponto ou pixel corresponde a um endereço na memória de vídeo (VRAM) nas quais ficam armazenados dados e programas. Na medida em que estes dados são transferidos a VRAM (ou são gravados nestas memórias) os pontos na tela do LCD também são alterados, passando aos estados de iluminado e não iluminado para formar as letras e gráficos. Cada caractere alfanumérico ou gráfico usa um padrão de pontos conforme ilustrado na Fig 3.2, mostrando a letra “A”.

Para gerar a letra “A”, foram ativados 16 elementos de imagem (pixel) ou 16 pontos. É evidente que o número de pixels utilizados para formar outras imagens, símbolos e gráficos varia de um estilo para outro. A resolução de um LCD é medida pela quantidade de pontos distribuídos na tela no sentido vertical e horizontal. Quanto mais pontos maior definição da tela. As telas de maior definição, monocromática ou a cores podem apresentar 307.200 pontos arranjados em uma matriz de 640 colunas por 480 linhas ou (640x480).

Abaixo segue as maiores definições:
720 x 480 = 345.600 pontos
800 x 600 = 480.000 pontos
1024 x 768 = 786.432 pontos
1280 x 1024 = 1.310.720 pontos

Outra variável que contribui para a definição da imagem nas telas LCD é a razão de forma ou “aspect ratio” e está relacionada à forma do pixel, quadrado, com razão de 1:1, ou retangular com razão de 1:1,2 ou maior, 1:1,4. Assim podemos concluir que: Quanto menor o pixel maior a definição de imagem.

Fontes de Luminosidade

A construção física de um painel, tela ou módulo de cristal líquido varia principalmente, pela utilização do processo de iluminação. Um LCD é um componente passivo e, como tal, precisa de uma fonte luminosa para ser visível. Esta fonte de luz é gerada por uma lâmpada fluorescente de catodo frio (CCFT), conforme ilustração da fig. 3.3, que são utilizados nos Notebooks atuais. Os tipos de iluminação à lâmpada fluorescente de catodo frio, CCFT – (Cold Cathode Fluorescent Tube), podem produzir uma iluminação de brilho bastante intenso sobre uma área razoavelmente grande.

Teoria de Operação dos LCD

O cristal líquido é o meio usado para a criação da imagem. Esta substância constituída de moléculas alongadas, e está contida em um reservatório formado por duas placas de vidro. A superfície interna destas placas apresenta sulcos paralelos, as placas são montadas de tal forma que os sulcos de uma placa fiquem dispostos perpendicularmente aos da outra. Veja a figura 3.4.

As moléculas da substância, quando confinadas entre duas placas, tendem a assumir um padrão em espiral. Se entre elas for aplicada uma diferença de potencial, estas moléculas se alinharão em um padrão retilíneo perpendicular às placas. Quando polarizados são fixados sobre a superfície externa das faces do reservatório onde está confinado o cristal líquido (fig. 3.5), determinadas áreas deste material quando ativadas por tensões elétricas, se tornam escuras e visíveis.
Quando as tensões são removidas, estas áreas voltam a ser claras e invisíveis.

Montagem das Placas e Confinamento do Cristal Líquido

Para melhor distribuição da luminosidade são usados elementos cujo nome é polarizador. O polarizador é na realidade uma folha de vidro ou filme cuja propriedade é a de permitir a passagem da luz em apenas uma direção (fig.3.4). As imagens ou símbolos (textos e gráficos) vistos na tela irão depender dos arranjos formados por eletrodos transparentes fixados às placas de vidro que constituem o reservatório de LCD.

Ativação dos Pixels

Observe, na fig. 3.5, a estrutura em corte de uma tela de cristal líquido e seus componentes internos. Eletrodos transparentes denominados de eletrodos X e Y estão soldados nas placas dos reservatórios, acompanhando a direção dos sulcos na superfície interna das placas.

Tipos de Matriz Colorida

Existem dois métodos para ativação dos pixels nas telas LCD, este processo vai definir se a tela é de matriz-passiva ou de matriz-ativa. A Matriz Passiva é a de menor custo de duas tecnologias. A outra tecnologia, chamada Transistor da Película Fina (TFT – Thin Film Transistor) ou Matriz Ativa, produz as imagens coloridas tão nítidas como o tradicional CRT (Cathode-Ray Tube), mas a tecnologia é cara. Apresentações recentes da Matriz Passiva usando novas tecnologias de CSTN (Color Super-Twist Nematic) e DSTN (Doublé-layer Super-Twist Nematic) que produzem cores nítidas rivalizam as apresentações da Matriz Ativa.

Notas

CSTN >> baseado em uma matriz passiva a qual é menos cara para ser produzida. Os monitores originais CSTN desenvolvidos no início dos anos 90 sofreram um baixo tempo de resposta e o aparecimento de “fantasmas” na tela. Recentes avanços na tecnologia, contudo, tem feito dos CSTN uma alternativa viável aos monitores de matriz ativa. Os novos monitores CSTN oferecem 100 ms de vezes em resposta, um ângulo de visão de 140 graus, e alta qualidade de cor contrapondo-se aos monitores TFT – pela metade do preço.

DSTN >> tela pequena com dupla camada supertwist nematic, matriz passiva tecnologia LCD que usa duas camadas de display que contrataram as mudanças de cores que ocorrem com os displays supertwist convencionais.

Princípio de Funcionamento das Matrizes

A matriz usada em notebook se divide em duas: Matriz Passiva e Matriz Ativa, como já vimos. Analisemos os seus funcionamentos.

Matriz Passiva

Os eletrodos fixados nas placas frontais são os das colunas, e os fixados nas placas traseiras, são os das linhas. É evidente que quando as duas placas são unidas, forma-se uma matriz de linhas e colunas. Cada ponto de cruzamento destas linhas e colunas dá origem ao um pixel ou elemento de imagem. Para que este pixel passe da condição de apagado para aceso, a linha e a coluna correspondente deverão ser ativadas. Para que o pixel (637,2) acenda, uma tensão deve ser aplicada entre a coluna 637 e a linha 2. Neste momento, as moléculas do cristal líquido existente entre estes eletrodos se orientam de acordo com o campo elétrico formado (ficam perpendiculares à superfície das placas de vidro), permitindo a passagem da luz apenas neste ponto. Cada eletrodo transparente é ativado pelo disparo de um transistor. Os transistores são comandados por sinais gerados em um circuito integrado, CI de controle da matriz. Quando um eletrodo de uma determinada coluna é selecionado, vários destes eletrodos podem ser ativados ao longo desta coluna. A varredura das telas de matriz-passiva é efetuada ativando-se cada coluna seqüencialmente, de tal forma que todos os pixels de uma linha possam ser vistos em uma freqüência de 30 vezes por segundo. (fig 3.5) o uso de Transistores tipo TFT (Thin Film Transistor) como elemento de operação das telas passivas e ativas em um LCD, consolida esta tecnologia como pioneira na área de fabricação de Notebooks. Para que as limitações da tela matriz-passiva pudessem ser reduzidas, foram desenvolvidas as telas de matriz-ativa.

Matriz Ativa

A tecnologia para a construção deste tipo de tela muda radicalmente uma vez que os transistores controladores dos pixels são depositados no próprio substrato da tela posterior. O processo é semelhante à fabricação de circuitos integrados. Para uma tela com resolução de 640 colunas por 480 linhas, isto é (640 x 480) teremos que utilizar um total de 307.200 TFTs (Thin Film Transistor). Um único eletrodo transparente cobrindo toda a área da tela é fixado na placa frontal.

Um transistor do pixel é ativado, quando for aplicada uma tensão ao eletrodo correspondente. Esta diferença de potencial estabelece um campo elétrico entre este eletrodo comum no painel frontal. Observando a fig. 3.6, notamos que o pixel na linha 2 e coluna 0 foi ativado simplesmente aplicando-se o sinal de comando ao seu transistor específico. Uma vez que cada pixel pode ser ativado individualmente não há necessidade de estarmos sempre atualizando as linhas e colunas por meio de varredura, como efetuado nas telas matriz-passivas.

O LCD de matriz-ativa, operação em quatro estágios:

1. Os diodos de chaveamento (Gates) integrados a primeira linha de TFT recebem as tensões apropriadas e selecionadas pelo processador de vídeo, enquanto que as tensões que não foram selecionadas são aplicadas aos disparadores de todas as demais linhas de TFT.
2. Informações de tensão, ao mesmo tempo, são aplicadas a todas as colunas de eletrodos para carregar cada PIXEL na linha selecionada com a tensão adequada.
3. Agora, a tensão selecionada, e aplicada aos disparadores na primeira linha de TFT, é mudada para um valor que desative esta linha.
4. Os estágios 1 e 3 são repetidos para cada linha subseqüente de TFT, até que todas tenham sido selecionadas, e os pixels tenham sido carregados com as tensões apropriadas. Todas às linhas são selecionadas em um período de varredura. Se tivermos e o tempo para carregar as informações em cada linha selecionada for de 50 microssegundos, então o período de varredura equivale a 25 milisegundos para que um campo completo seja explorado na freqüência de 40 Hz. Uma tela LCD, matriz-ativa,

Telas a Cores Ativas e Passivas

A tecnologia utilizada para operação em cores nas telas passivas e ativas é baseada no princípio de operação das substâncias NEMÁTICAS (substâncias que descreve a forma em espiral das moléculas do cristal líquido), mencionadas anteriormente. A principal diferença entre as telas monocromáticas e coloridas, é que as coloridas usam três vezes mais eletrodos do que as telas monocromáticas. Os pontos de cor, na realidade, são formados por três pixels menores ativados da mesma forma que nas telas monocromáticas. Para a geração de cores a tela frontal é recoberta com filtros R, G e B (vermelho, verde e azul) superpostos exatamente à frente dos pixels correspondentes a estas cores. (fig. 3.7, item nº 7)

Sinal de Vídeo

A alimentação do sinal de vídeo é feita através de um cabo que normalmente, é material de película filme ou fio 26 Awg, envolvidos por uma malha de aterramento para não deixar o sinal ser alterado por muitos ruídos externos. Nas telas, Dual Scan e HPA, o cartão CPU fornece um barramento de dados de vídeo, onde o controlador de vídeo (Chipset) faz todo o gerenciamento. As telas Matrizes Ativas, de 12‟, também usam o mesmo processo, porém as telas de 14‟ XGA em diante, recebem o sinal direto, já processado, ou seja, o próprio sinal de vídeo, e sendo assim, a tela tem autonomia para gerenciar os modos de exibição, proporcionando uma resposta mais rápida em suas imagens.

Controle de Brilho

O controle de brilho é feito por uma lâmpada fluorescente CCFT, que fica localizada na parte inferior da tela (caso dos LCD‟s de 14‟, 15‟ e 16‟) ou na lateral direita, a distribuição da luminosidade é feita por placas e películas refratárias que se localizam na parte de trás da matriz, gerando um brilho uniforme em toda a tela.

1. LCD Matriz
2. Hastes de Fixação
3. Guia de Luminosidade
4. Parafuso
5. Lâmpada

LCD INVERTER

O LCD Inverter é na realidade uma fonte de baixa para alta tensão que recebe em sua entrada, sinais como tensão de alimentação que gira entre 5 a 19 VDC, sinal de apagamento digital, apagamento analógico (que é acionado com o fechamento da tela, com o equipamento ligado, levando ao estado de hibernação) e o controle de brilho. Sendo assim, tem como resultado em sua saída uma alta tensão em torno de 450 a 1400 VAC com baixa corrente com uma freqüência de 15 Khz, mesmo assim, é necessário cuidado na hora da manutenção do mesmo.

O circuito do LCD Inverter, ou seja, circuito inversor da lâmpada é na realidade uma fonte que transforma a tensão de entrada que gira entre +5V a +19VDC em alta tensão que gira em torno de 450V a 1400VAC. O filtro de entrada conduz a tensão VDC até o oscilador de onde gera uma freqüência para que o circuito de chaveamento, na base do transformador de alta, entra uma tensão AC em torno de 150V a 350VAC VPP (Voltagem pico a pico) que este proporciona em sua saída uma alta tensão. O filtro de saída é tipo capacitivo, serve para evitar oscilações na luminosidade da lâmpada. O circuito de proteção serve para detectar na entrada variações das tensões ou ruídos, que imediatamente paralisam a freqüência do oscilador, desarmando o circuito, acontecendo o mesmo com a saída. O apagamento do circuito pode ser digital (Original do C.I. da Placa CPU) ou analógico (Acionado pelo Swicht da Tampa). Nos notebooks mais antigos, é utilizado um controle externo para o brilho que normalmente fica na lateral direta da tela, os mais modernos utilizam o sinal de apagamento digital para este controle.