6.1 Les afficheurs LCD

S.T.I (Génie électronique)
FICHE DE REFERENCE
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Informatique industrielle
Partie C: Traitement de signaux logiques et/ou numériques
Chapitre 6.1: Les afficheurs LCD
6.1 LES AFFICHEURS LCD
LCD = Liquid Cristal Display (Afficheur à cristaux liquides)
1.
INTRODUCTION
Visualiser une information ou une donnée est une étape courante sur les appareils modernes.
Que ce soit avec un tube cathodique, un galvanomètre ou des afficheurs sept segments, la méthode est
des plus variées et doit être adaptée à la restitution de l'information.
L'utilisation d'afficheurs sept segments s'est avérée être la mieux adaptée pour la restitution
de valeurs numériques variant lentement dans le temps pour obtenir une lecture simple et rapide.
Malheureusement, la structure même de ces afficheurs est vite devenue son inconvénient
majeur par une forte consommation et un format figé.
Pour remédier à ces problèmes est apparu l'afficheur LCD, moins gourmand en énergie et
ayant le pouvoir de prendre très simplement toutes les formes possibles et inimaginables jusqu'a
même remplacer les tubes cathodiques.
2.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
2.1. Généralités
Tous les corps qui existent dans la nature peuvent se présenter sous trois formes différentes:
Solide, liquide ou gazeuse.
Le passage d'un état à l'autre s'opère grâce à la température. Exemple de transition matérielle
franche de l'eau:
* 0°C passage de l'état solide à l'état liquide,
* 100°C passage de l'état liquide à l'état gazeux.
L'intérêt des cristaux liquides réside dans la facilité avec laquelle on peut agir sur leur
structure. Les modifications qui apparaîtront dans l'orientation des molécules traduiront un
changement des propriétés optiques de la substance et plus particulièrement la transmission de la
lumière.
L'état nématique est celui qui est utilisé actuellement dans la majorité des afficheurs LCD.
Principe de fonctionnement:
En absence de champ électrique les molécules s'orientent dans le sens du champ, et la
substance devient parfaitement transparente.
Sous l'influence d'un champ électrique suffisamment élevé, on crée un désordre du milieu et
la substance s'obscurcit.
Ce mode de visualisation (DSM: Diffusion Scarttering Mode) présente l'inconvénient d'un
faible contraste, de tensions élevées et une durée de vie limitée. La technologie utilisée sera
l'afficheur nématique à hélice développé au paragraphe suivant.
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2.2. Technologie de l'afficheur nématique à hélice
Il existe plusieurs principes d'afficheurs LCD et le plus courant d'entre eux est le TNFELCD (Twisted Nematic Field Electrique - Liquid Cristal Display).
Principe de fonctionnement d'un afficheur nématique en hélice:
Lumière ambiante
Première lame polarisante
Direction de polarisation
Lame transparente recouverte
de 7 segments conducteurs
transparents (Oxide d'indium)
Parallélépipède figurant le
volume du cristal liquide qui
fait tourner de 90° la direction
de polarisation en l'absence de
champ électrique entre les
électrodes.
GBF
90°
Lame transparente
entièrement recouverte d'une
couche conductrice d'oxide
d'indium transparent
Deuxième lame polarisante
croisée par rapport à la
première
Miroir réfecteur
Le cristal liquide est inséré entre deux plaques de verre distantes de 10µm. Les plaques de
verre comportent des électrodes transparentes, électriquement conductrices.
En l'absence de champ électrique sur les électrodes,
les molécules du cristal sont orientées parallèlement aux plaques de verre. L'orientation des
molécules est déviée de 90° sur les deux plaques de façon à former une hélice. Des polariseurs
extérieurs en matière synthétique sont collés de part et d'autre de la cellule, dont le sens de
polarisation est généralement dévié de 90°, de sorte que la lumière puisse entrer par le polariseur de
dessous et sortir par le polariseur du dessus.
En présence d'un champ électrique de quelques volts sur les électrodes,
les molécules du cristal liquide s'alignent perpendiculairement aux plaques. La déviation de
lumière n'existe plus et la lumière est absorbée dans le second polariseur. L'affichage apparaît en
sombre.
Remarque:
On peut inverser l'affichage en positionnant les deux
polariseurs en parallèle soit une rotation de 90° du filtre.
* Fond noir  Contraste négatif.
* Fond blanc  Contraste positif.
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2.3. Propriétés et modes de fonctionnement
2.3.1.
Tension de commande
L'afficheur LCD doit être alimenté en tension alternative pour éviter les réactions
d'électrolyse sur le cristal liquide qui peuvent le détruire ou réduire fortement la durée de vie.
La fréquence est limitée vers le bas 30 hz par un effet de scintillement sur l'oeil est vers le
haut  200Hz par la constante de temps RC. R étant la résistance des pistes conductrices et de
l'alimentation et C la capacité des segments.
2.3.2.
Tension de seuil
Le contraste de l'affichage ne varie qu'à partir d'une certaine tension de fonctionnement. La
tension pour laquelle une variation du contraste de 0 à 10% apparaît est appelée tension de seuil. Elle
dépend du cristal liquide, des surfaces, des cellules et de la température. En général, la tension de
seuil baisse de quelque mV par °C d'élévation de température. Les valeurs typiques de la tension sont
d'environ 1 à 2 volts.
2.3.3.
Tension et courant de fonctionnement
Une augmentation de la tension de fonctionnement:
- augmente le contraste,
- diminue le temps de démarrage (ton) mais augmente d'autant le temps d'arrêt (toff),
- réduit considérablement la durée de vie.
L'afficheur LCD constitue une charge capacitive pour la source de tension; le courant de
fonctionnement est de ce fait, linéairement dépendant de la tension et de la fréquence de commande.
La faible capacité  1,5 nF/cm² entraîne une très faible consommation de courant  1 µA/cm².
2.3.4.
Contraste
Définition: Le contraste est le rapport de brillance pour une tension appliquée par rapport à
l'absence de tension. Il dépend de plusieurs paramètres définis ci-dessous.
* En fonction de la tension. Le contraste croît quand la tension de fonctionnement augmente.
* En fonction du mode d'éclairage, on en différencie trois types:
Les afficheurs transmissifs
L'afficheur est éclairé par l'arrière
(Neon, fibre optique, lampe ...
Les afficheurs réflectifs
Une feuille réfléchissante
placée derrière l'afficheur
Les afficheurs translectifs
est Une feuille semi-transparente est
placée derrière l'afficheur
Dessus
LCD
Dessous
Dessus
Dessus
LCD
Dessous Feuille réfléchissante
LCD
Dessous
* En fonction de la qualité des polariseurs. La transmission et le rendement de polarisation
définissent la luminosité et le contraste de l'afficheur. Plus la transmission est grande, plus l'affichage
est clair, mais le contraste maximal accessible est proportionnellement plus faible.
* En fonction de l'angle de vision.
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2.3.5.
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Réalisation des contacts et montage
Caoutchouc conducteur: Les afficheurs sans broches de connexion sont reliés à la plaque
conductrice simplement par un caoutchouc conducteur. Le cadre qui recouvre le bord de l'afficheur
presse le caoutchouc conducteur contre le circuit imprimé.
Contacts enfichables: Des afficheurs avec pistes conductrices au pas de 2,54 (1/10")
peuvent être prévus avec des broches "dual in line". De tels contacts sont soit rapportés soit collés.
2.3.6.
Temps de réponse
Le temps de réponse défini le retard à l'apparition ou à la disparition de l'affichage par rapport
à la présence de la commande U sur les électrodes de l'afficheur.
U (V)
t
Contraste (% )
100
90
10
0
td tr
ton
ts
tf
toff
t
td = Temps de retard au démarrage
tr = Temps de montée
ton = Temps de démarrage
ts = Temps de retard à l'arrêt
tf = Temps de retombée
toff = Temps d'arrêt
Remarque:
Les temps de réponse sont fonction de la
viscosité de la substance ainsi que de
l'épaisseur de la cellule.
La viscosité et les temps de réponse
décroissent quand la température croit.
A 25°C, le temps de réponse est d'environ 40ms pour le temps d'établissement et de 40 à 80ms
pour le temps de disparition. Ce paramètre représente un gros inconvénient des afficheurs LCD.
Comparaisons avec afficheur DEL avec un temps de réponse  500 ns
2.3.7.
Plage de température
Les afficheurs fonctionnent dans une plage de température typique pour le cristal liquide
(plage nématique).
Tableau récapitulatif
Plage de fonctionnement
Phase
solide
Phase cristal
liquide
Les afficheurs sont classés en deux
catégories:
Phase
liquide
température
Les molécules
sont figées
temps de
commutation élevé
2.3.8.
Mobilité
ordonnée
Les molécules
sont
désordonnées
- Gamme standard:
Fonctionnement de -10°C à +60°C
Stockage de -25°C à +70°C
- Gamme étendue:
Fonctionnement de -25°C à +80°C
Stockage de -40°C à +90°C
Maniement
- Température de stockage pouvant produire des effets irréversibles.
- Fragilité aux rayures et aux solvants des polariseurs en matière plastique qui se trouvent au
premier plan sur la face avant.
- Les segments non utilisés doivent être reliés à l'électrode arrière (Back-plane) pour
empêcher les allumages intempestifs.
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2.4. Mise en oeuvre
2.4.1.
Schéma équivalent d'un segment LCD
Commande
Segment d'un afficheur LCD
R1
V
R2
Cristal
C
R1: Résistance série des électrodes  10k.
R2: Résistance du cristal  1M/cm²
C: Capacité de la substance nématique  1,5nF/cm²
V: Tension de commande alternative +Vcc, -Vcc
Vcc est généralement compris entre 3 V et 6 V
Remarques:
- La composante continue de la tension alternative V ne doit pas dépasser 100mV pour éviter
la destruction de l'afficheur.
- La limite inférieure de la fréquence de commande V ne doit pas dépasser 30 Hz pour éviter
tout scintillement.
- La limite supérieure de la fréquence de commande V est donnée notamment par les limites
de consommation que l'on se fixe.
2.4.2.
Commande directe avec un décodeur BCD/7seg
cf page suivante.
2.4.3.
Commande directe avec un décodeur spécialisé
Plusieurs circuits spécialisés sont disponibles sur le marché pour piloter directement un
afficheur LCD. Soit à partir d'un convertisseur analogique numérique comme le 7106 ou tout
simplement à partir d'un simple décodeur BCD/7segments comme le 4543 ou à l'aide d'un circuit
contenant 3 ou 4 décodeurs intégrés comme le 7211.
Etude du 7211: (Lecture de la doc. constructeur)
Traduction de la description générale:
Le circuit 7211 appartient à la famille des décodeurs de "commande d'affichage" non
multiplexées pour 4 afficheurs 7 segments.
Le circuit 7211 est configuré pour piloter un afficheur LCD standard par la connexion d'un
oscillateur externe ou interne (par une division de fréquence), d'une commande backplane, et des 28
sorties des segments.
Les deux circuits LCD ou LED sont disponibles en deux versions, dont l'une à entrée de
commande multiplexé et l'autre interfaçé pour recevoir un microprocesseur.
- La version multiplexée offre une information d'entrée (data) sur 4 bits et la sélection d'un des
quatre digits (select input). Cette configuration (multiplexée) est convenable ...
- La version microprocesseur peut "mémoriser des données d'entrées" (data input latches) et
"mémoriser les adresses ou digits sélectionnés" (Digit address latches) sous le contrôle des entrées de
sélection des boîtiers (chip select) actives sur un front descendant. Ce circuit simplifie la mise en
oeuvre et l'exécution pour un moindre coût ...
Les circuits "standards" peuvent donner 2 configurations de décodages différents:
- Le circuit de base converti le code binaire naturel des 4 bits d'entrées en code 7 segments
pour un affichage hexadécimal en sortie,
- La version "A" converti les sortie en "code B", soit de 0 à 9, traits "Dash" E, H, L, P éteint
"blank".
2.5.4. Commande multiplexée
Ce type de commande a pour objectif de réduire le nombre de connexions sur l'afficheur
lorsque le nombre de digits est élevé. Les afficheurs multiplexé sont spécifiques et nécessitent une
autre mise en oeuvre plus complexe. Ils sont communément utilisés avec un multiplexage en trois
phases. Par cette méthode trois segments au moins sont reliés ensemble par le principe d'une matrice.
Soit 18 segments à mettre en oeuvre donne (18/3)+3=9 connexions.
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Commande directe d'un afficheur LCD 7 segments (suite du 2.4.2)
Schéma de commande d'un afficheur LCD avec un décodeur BCD / 7 segments (standard).
a
Afficheur LCD
BP
b
c
d
e
f
g
Interfaçe
a'
=1
Ua
=1
Ub
b'
BCD/7Seg
c'
d'
e'
f'
A
B
C
D
Uc
Ud
Ue
Uf
g'
Ug
=1
Horloge
H
Chronogrammes du 2.4.2.:
UBP (V)
5
0
Ua
5
UBP
(tension sur l'électrode arrière)
20
t (ms)
(V)
0
Ua'
5
t (ms)
(V)
0
Useg(a) (V)
5
t (ms)
Useg(a)=UBP-Ua'
0
t (ms)
-5
Segment a éteint
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Segment a allumé
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