Использование сенсорных экранов для управления устройствами облегчает и упрощает процесс взаимодействия с ними. В промышленном оборудовании повсеместно используется сенсорный человеко-машинный интерфейс, который становится стандартом — де факто современного оборудования. LCD-дисплеи широко распространены из-за своего низкого энергопотребления, простоты использования и компактных размеров.
Работа ЖК-экранов основана на способности жидких кристаллов поворачивать плоскость поляризации света пропорционально приложенному напряжению. Это позволяет управлять пропусканием света через экран с помощью поляризационного светофильтра и изменения напряжения, прикладываемого к жидким кристаллам.
В качестве сенсора используются либо резистивные, либо емкостные экраны. Резистивные сенсоры реагируют на нажатие на экран, емкостные — на привнесенную емкость пальцами оператора. Поскольку операторы промышленного оборудования могут работать в защитных перчатках, емкостные сенсоры могут не реагировать на прикосновения, поэтому в промышленных экранах используются, как правило, резистивные экраны.
Для обеспечения нормальной работы ЖК-ячеек требуется периодическая смена полярности напряжения на их электродах. В разработках панелей с использованием TFT-дисплеев используются микросхемы для формирования необходимых амплитуд положительного и отрицательного напряжений.
Яркость и стабильность изображения на дисплее определяются амплитудой и постоянной составляющей изменяемого напряжения (VCOM). Полярность напряжения регулируется сигналом полярности, из которого формируется VCOM. Этот сигнал и соответствующую инверсию данных можно производить с помощью микросхемы STVM100DS, функциональная схема которой показана на рис. 1
Рис. 1. Функциональная схема STVM100DS
STVM100 представляет собой настраиваемый калибратор напряжения VCOM, разработанный для устранения мерцания и эффекта двоения на TFT-дисплеях. Он обеспечивает цифровой интерфейс I 2 C для управления выходным током. Через внешний резистивный делитель с контролируемым током можно задать напряжение для VCOM. Наивысшее и наименьшее значение VCOM определяются тремя резисторами: R1, R2 и RSET. Схема подключения изображена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема подключения STVM100DS
Потребляемый ток вывода OUT рассчитывается по формуле:
где AVDD –– напряжение питания логической части драйверов столбцов.
Этот ток протекает через резистор R SET и должен составлять не менее 120 мкА.
Согласно схеме подключения микросхемы STVM100DS, для установки необходимого уровня напряжения требуется выбрать соответствующее значение резистора Rset и выполнить расчет резистивного делителя. Расчет резисторов выполняется согласно формуле:
При условии, что номинал резистора R1 составляет 1 кОм, значения номиналов резисторов Rset и R2 равны соответственно 4,87 кОм и 787 Ом. Сформированное напряжение подается на внешний VCOM-буфер, где происходит периодическая смена полярности напряжения.
TFT-дисплеи обычно имеют управляющий транзистор для каждой ЖК-ячейки, который располагается на пересечении строки и столбца (см. рисунок 3). Столбцы представляют собой истоки (Source) матрицы транзисторов TFT, а строки являются их затворами (Gate). Для управления истоками транзисторов используются сигналы, формируемые драйвером столбцов, а сигналы для управления затворами транзисторов формируются драйвером строк.
Рис. 3. Структура TFT-дисплея
Для подключения дисплея необходимы еще два управляющих напряжения, чей уровень определяется изготовителем дисплея. Для облегчения процесса разработки панелей производители предлагают разнообразные варианты драйверов питания, включающих несколько функциональных блоков для формирования различных уровней напряжения.
Один из таких драйверов — микросхема TPS65105PWPR, которая содержит повышающий преобразователь, отрицательный и положительный зарядовые насосы, а также буфер VCOM (см. рисунок 4).
Рис. 4. Структурная схема драйвера
Для снижения пульсаций напряжения, вызванных колебаниями тока, в драйвере применяется встроенный усилитель крутизны с источником тока. Буфер VCOM включает функцию плавного запуска, чтобы предотвратить падение напряжения на VO1 при запуске. Плавный запуск осуществляется путем поддержания VCOMIN на низком уровне до полного смещения буфера VCOM и достижения режима синфазной работы. Затем положительный вход сбрасывается, и выход буфера VCOM постепенно увеличивается. Для фильтрации высокочастотного шума от VO1 обычно используется конденсатор емкостью 1 нФ между VCOMIN и GND. Размер конденсатора и верхнее значение резистора обратной связи определяют время запуска: чем больше конденсатор, тем медленнее время запуска.
Максимальный ток нагрузки отрицательного заряда зависит от падения напряжения на внешних диодах Шоттки, внутреннего сопротивления МОП-транзисторов, накачки заряда и импеданса внутреннего конденсатора. Когда падение напряжения на этих компонентах больше, чем разность напряжений между VO1 и VO2, накачка заряда отключается для обеспечения максимально возможного выходного тока. Накачка отрицательного заряда требует двух внешних диодов Шоттки, причем пиковый ток диода Шоттки должен быть в два раза больше тока нагрузки на выходе.
Насос положительного заряда поддерживает работу в режиме удвоения или утроения напряжения. Максимальный ток нагрузки зависит от падения напряжения на внутренних диодах Шоттки, внутреннего сопротивления МОП-транзисторов накачки заряда и импеданса конденсатора. Если падение напряжения на этих компонентах превышает разницу напряжений от 2∙VO1 до VO3, зарядный насос отключается для обеспечения максимально возможного выходного тока.
Настройка выходных напряжений в положительном и отрицательном зарядовых насосах осуществляется с помощью внешних резистивных делителей. Серия TPS6510x включает контроллер линейного регулятора для создания шины 3,3 В при подаче питания системы от источника +5 В. Для обеспечения минимального базового тока возбуждения 13,5 мА требуется минимальное внутреннее падение напряжения 500 мВ от VI к V (BASE). Использование стандартного NPN-транзистора BCX54 обеспечивает выходной ток 1 А и ток нагрузки 340 мА для входного напряжения 5 В.
Таким образом, несмотря на необходимость использования различных напряжений в TFT-дисплеях, их реализация возможна с помощью пары дополнительных схем, которые не только имеют доступную стоимость, но и обеспечивают достаточную надежность для использования дисплеев в различных устройствах, таких как мобильные устройства, аппаратура и торговое оборудование, не подвергающиеся сильным механическим воздействиям.
Литература:
- Образцов С. А., Иванова А. С. Особенности применения дисплеев в микропроцессорных устройствах // Сборник: X Национальной научно-технической конференции с международным участием «Энергетика, информатика, инновации — 2020» Смоленск: «Универсум», 2020. С. 138–143.
- Дисплей TFT [электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.winstar.com.tw/ru/products.html
