LCD con caratteri a matrice

La tecnologia LCD

Non trattiamo qui la teoria e il funzionamento dei visori LCD, sui quali esiste una mole enorme di materiale in rete; ci limiteremo a tratteggiamo le linee essenziali necessarie per comprendere il componente ed utilizzarlo al meglio.

Su questa tecnologia diciamo solamente che si tratta di un pannello di vetro che racchiude un materiale speciale, detto liquido nematico, che ha la particolarità di diventare trasparente o opaco a seconda della tensione applicata. Una superficie riflettente o una retro illuminazione rendono visibili le aree polarizzate in chiaro su uno sfondo scuro o viceversa.
Organizzando le aree in forme opportune, si potranno ottenere cifre a sette segmenti o a matrice di punti , barre, quadranti e qualsiasi altra geometria utile alla presentazione di dati o informazioni.

Quindi, una prima importante considerazione:

A seconda del sistema di luce sfruttato per rendere visibili le aree polarizzate.

• Trasmissivi, che richiede una retro illuminazione.
   
• Riflettenti, che sfruttano la luce ambiente incidente sul pannello. Non richiede retro illuminazione
   
• Transriflettivi, che può funzionare sia a luce ambiente che con retro illuminazione 

Un display a luce ambiente sarà meglio visibile quanto questa è più forte; per contro, in condizioni di bassa illuminazione, sarà di difficile lettura, non essendoci un contrasto sufficiente nelle aree polarizzate rispetto allo sfondo. Non richiedendo retro illuminazione, il consumo è minimo (2-5 milliampere o meno).

Un display a retro illuminazione, invece, sarà più visibile in ambiente con bassa luminosità, ma richiederà una corrente elevata per i LED nel caso di forte luce ambiente.

Ci sono poi altre denominazioni specifiche che è utile conoscere.

• TN (Twisted Nematic): liquidi che ruotano il piano della luce polarizzata da 90 °. 
• STN (Super Twisted Nematic) ruotano il piano della luce polarizzata di almeno 180 °, il che fornisce un migliore contrasto.
• FSTN (Film compensated Super Twisted Nematic) che  utilizza uno strato aggiuntivo, migliorando la qualità del carattere, ma richiedendo una retro illuminazione.

Una ulteriore considerazione importante riguarda il fatto che, siccome ogni cella è una struttura simile a quella di un condensatore, il consumo di energia da parte di questi display è veramente minimo, dell' ordine dei uA, mentre l' intero componente ha un consumo dell' ordine di pochi mA, principalmente da addebitare alla logica di controllo. Questo ne fa elementi ideali per sistemi a batteria.
Va detto che questi controller hanno clock di frequenze ridotte, sull' ordine dei 200-300 kHz, sia perchè non occorre una prestazione superiore, dato che la risposta del liquido nematico è abbastanza lenta, sia perchè basse frequenze di clock riducono drasticamente il consumo di energia.

Per contro, i modelli con retro illuminazione utilizzano normalmente LED per questa funzione, con correnti da 50 a 150 mA o più a seconda delle dimensioni del pannello.

I display di queste categorie sono generalmente monocromatici, con un fondo di colore grigio/giallo/verde e caratteri in colore scuro, ma anche con la possibilità di avere fondi diversi e caratteri in chiaro, specialmente nei modelli retro illuminati, che possono avere punti bianchi su fondo blu, oppure bianco su nero o nero su rosso o su verde o ambra, oppure gli opposti. Alcuni pannelli particolari possono essere programmati per presentare i caratteri scuri su fondo chiaro o viceversa.

	In generale i display non retro illuminati hanno questo genere di visualizzazione: il fondo è più chiaro del carattere. I colori comuni sono fondo grigio o giallo/verde con carattere scuro, ma anche fondo grigio/verde con caratteri violetto scuro o fondo argentato con caratteri blu scuro o neri oppure fondo bianco/grigio con caratteri neri.
	La presentazione invertita è possibile con una diversa realizzazione dei pannelli non retro illuminati e con i colori precedenti, ma è più comune nei modelli a retro illuminazione, dove i punti, diventati trasparenti, fanno passare la luce dei LED posti al di sotto. Sono comuni il giallo/verde con luce giallo/verde, il blu con luce bianca, il rosso con luce bianca, il nero con luce bianca.

Il DOG Simulator di Electronic Assembly è utile per dare una idea delle varie combinazioni e dei loro effetti.

Nell' immagine sotto, un pannello a presentazione invertita, ma basato su una tecnologia completamente diversa dagli LCD.

Si tratta di un VFD (Vacuum Fluorescent Display) di Noritake.  La più evidente differenza tra LCD e VFD è il fatto che, in questa tecnologia, gli elementi "accesi" sono essi stessi a generare luce e non è più necessario un controllo di contrasto come per gli LCD. Sono stati costruiti inizialmente in formati analoghi e con interfacce compatibili, sia a caratteri che in formati grafici, proprio per sostituire gli LCD nelle condizioni di uso in cui questi presenterebbero una visibilità limitata.

Infatti, si propongono come una soluzione per ottenere il massimo della visibilità in ogni condizione, da buio alla piena luce del giorno. 
La compatibilità con i driver utilizzati per gli LCD dot matrix ne permettono la sostituzione immediata, anche se le elevate prestazioni incidono significativamente sul costo di questi display.
Inoltre essi contengono on board un convertitore che eleva la tensione al valore necessario all' accensione dei segmenti luminosi e quindi hanno un consumo maggiore degli LCD senza retro illuminazione, ma paragonabile a quello dei modelli con retro illuminazione.

Esistono poi altre tecnologie non LCD per la realizzazione di pannelli del genere, ad esempio LED e OLED, ma queste solitamente sono riservate a sistemi grafici a colori.

Alcune note la costruzione in vetro, di sottile spessore, rende questi display delicati da maneggiare. Urti e cadute sono da evitare. In particolare i COG sono realizzati in spessori minimi e occorre una cura particolare nel maneggiarli, sopratutto durante l' inserzione e disinserzione dagli zoccoli. I modelli destinati all' uso più pesante hanno il fronte in vetro. Altri modelli, principalmente i display a colori, hanno il fronte in materiale flessibile. In ogni caso, l' esercitare una eccessiva pressione sul pannello, specialmente per quest' ultimo tipo, porta alla rottura delle parti interne, con la formazione di macchie che possono impedire completamente l' uso del componente. Come detto, il pannello è composto come un condensatore, da elettrodi con interposto il dielettrico costituito dal liquido nematico. Gli spessori di queste parti sono minimi (ad esempio lo strato di metallizzazione superiore è così sottile da essere trasparente). Questo rende possibile il funzionamento con bassissime tensioni e bassissime correnti, ma, nello steso momento, rende elettricamente delicatissimi questi pseudo-condensatori ed i loro circuiti di controllo, che possono essere distrutti da sovratensioni e da elettricità statica.

Alcune note aggiuntive

Solitamente il pannello LCD è fissato al circuito stampato con una serie di linguette a torsione, facilmente smontabili.

Chi fosse tentato di smontare il display per vedere come è costruito, è consigliato vivamente di fare l' esperienza su un display guasto, in quanto potrebbe trovarsi in serie difficoltà al momento di rimontarlo.

Infatti la connessione tra il pannello LCD e il circuito stampato del controller comporta un elevatissimo numero di connessioni. Queste sono effettuate con un connettore in elastomero, un materiale plastico in cui sono alternate zone conduttive, più scure, e zone isolanti, più chiare, e per questo chiamato zebra-connector. Questo genere di connettori arriva alla densità di oltre 200 contatti per pollice, che, quindi, hanno dimensioni minime. La connessione tra i componenti avviene a pressione, basandosi sull' elasticità del materiale dello zebracon

L' uso di questo sistema offre molti vantaggi rispetto pin a innesto: alta densità di contatto, piccole dimensioni e spessori, basso costo per ogni connessione, assemblaggio senza saldature.
Per contro, costituisce un insieme di piccole parti di precisione difficile da trattare al di fuori della catena di montaggio o di un laboratorio specializzato.  

Ne deriva che, una volta smontato, si possono incontrare serie difficoltà a rimontarlo allineando correttamente i contatti. E una causa di segmenti mancanti sul display è proprio dovuta normalmente a problemi di contatto sullo zebracon. Quindi, se non siete sicuri di cosa state facendo, evitate di smontare un display funzionante per "vedere come è costruito" in quanto è probabile che, dopo il riassemblaggio, non funzioni più.

Va anche considerato seriamente il fatto che i pannelli LCD soffrono il freddo e il caldo: temperature eccessivamente basse congelano il liquido, danneggiandolo irreparabilmente, come pure temperature elevata. 
Questi sono i limiti imposti dai costruttori:

• STN/FSTN standard
  Operating Temperature:  0°C to +50°C
  Storage Temperature: -10°C to +60°C

• STN/FSTN a temperatura estesa
  Operating Temperature:  -20°C to +70°C
  Storage Temperature: -30°C to +80°C  

Attenzione: anche se i valori indicati sembrano elevati, non è così. Temperature peggiori si hanno facilmente sul cruscotto della macchina lasciata al sole in estate o all' aperto in montagna durante l' inverno. In queste condizioni 0°C o +50°C sono superabili con gran facilità.

Dimenticando il cellulare o il navigatore, al ritorno si possono avere brutte sorprese.

Ultima nota riguarda il pannello LCD vero e proprio: le matrici, come detto, sono simili a condensatori, ma NON è possibile applicare una tensione continua, in quanto il liquido nematico verrebbe polarizzato in una sola direzione, perdendo le sue caratteristiche e rendendo il display inutilizzabile. I controller LCD, infatti, applicano tra backplane e metallizzazioni degli impulsi bipolari rispetto alla massa e non una corrente continua.
Quindi un pannello LCD NON si verifica con un tester, ma con un circuito opportuno, del tutto diverso.