1.9 Displays.

1.9.1 LED´s (7 segmentos)

El display de 7 segmentos, consta de 7 LEDs (diodos emisores de luz), dispuestos geométricamente de forma tal que forme un 8. Encendiendo los distintos segmentos del mismo se logra mostrar todas las cifras decimales: 1, 2, 3, 4, …9. Como se muestra en la figura 1.31 A.

 

Figura 1.31: a) Apariencia física de un display de 7 segmentos, b) estructura interna del display.

 

La configuración interna de los LEDs, se muestra en la figura 1.31 B, se observan dos configuraciones, la de cátodo común, en donde las terminales de cátodo de los LEDs están unidas a un nodo común, es decir, el potencial nulo llegará a todos los LEDs a través de una sola terminal. La configuración de ánodo común, se presenta cuando todas las terminales de  ánodo de los LEDs están unidas en un solo punto. Para facilitar su conexión,  a cada terminal del display se le denomina con una letra tal como se observa en la figura 1.32 A, así por ejemplo, si tenemos un display de cátodo común y queremos representar el número 1, deberemos mandar señal de 5v mediante resistencias limitadoras de corriente a las terminales b y c, y los otros diodos deben de tener tensión cero. Esto lo podemos escribir digitalmente así: 0110000. El primer dígito representa al diodo a, el segundo al b, el tercero al c,... y así sucesivamente. Un cero representa que no polarizamos el diodo, es decir, no le aplicamos tensión. Un uno representa que el diodo está polarizado, y por lo tanto, emite luz. Si el display con el que  contamos fuera de ánodo común, tendríamos que hacer el cambio correspondiente de bits para lograr que aparezca un 1 en el display de la siguiente forma: escribiríamos 1001111.

 

La elección de entre una u otra configuración, depende de las necesidades y requerimientos de nuestro diseño, salvo esa diferencia, ambas configuraciones cumplen la misma función. Por otro lado, existen circuitos integrados especiales que facilitan la escritura en un display de 7 segmentos,  por que en vez de usar 7 bits como en el ejemplo anterior, con un circuito decodificador (CD4511BC por ejemplo) usaremos solo 4 bits de acuerdo al cuadro 1.3.

 

 

Figura 1.32: a) Terminales del display. b) Decodificador de 7 segmentos.

 

En la figura 1.32, se puede observar que en realidad el dispositivo posee 10 pines, ya que  el 3 y 8 representan la terminal común; y el pin 5 nos permitirá colocar un punto decimal (DP) cuando sea necesario.

 

            En el mercado actual, existen diferentes modelos de este tipo de display,  pero su funcionamiento es análogo al que acabamos de ver.

 

 

	A	B	C	D		a	b	c	d	e	f	g
0	0	0	0	0	à	1	1	1	1	1	1	0
1	0	0	0	1	à	0	1	1	0	0	0	0
2	0	0	1	0	à	1	1	0	1	1	0	1
3	0	0	1	1	à	1	1	1	1	0	0	1
4	0	1	0	0	à	0	1	1	0	0	1	1
5	0	1	0	1	à	1	0	1	1	0	1	1
6	0	1	1	0	à	1	0	1	1	1	1	1
7	0	1	1	1	à	1	1	1	0	0	0	0
8	1	0	0	0	à	1	1	1	1	1	1	1
9	1	0	0	1	à	1	1	1	1	0	1	1
	1	0	1	0		Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø
	1	0	1	1		Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø
	1	1	0	0		Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø
	1	1	0	1		Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø
	1	1	1	0		Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø
	1	1	1	1		Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø	Ø

 

 

Cuadro 1.3: Uso de un circuito decodificador para display de 7 segmentos.

 

 

            1.9.2 Alfanuméricos

Como hemos visto, la conexión de un display de 7 segmentos no presenta demasiada complejidad, y puede ser una solución sencilla cuando se tenga que mostrar dígitos, sin embargo, al momento de representar caracteres alfabéticos presenta serias limitaciones  ya que con un único display no pueden representarse todos los caracteres alfanuméricos (por ejemplo, la M, la Z o la Ñ) y hay caracteres que tienen la misma representación (el 9 no se diferencia en nada de una g, el 5 de una S, etc.). Cuando se precise de un mayor conjunto de caracteres a visualizar e incluso de forma simultánea, por un pequeño incremento de dinero en el total del montaje podemos pasar a un display alfanumérico de 16 segmentos como el que se muestra en la figura 1.33 A.

 

 

Figura 1.33: Apariencia de un display alfanumérico de 16 segmentos.

 

En esencia, el funcionamiento de este tipo de dispositivos es similar al display de 7 segmentos, la única diferencia es que en este caso, se cuenta con  16 segmentos o LEDs los cuales están arreglados de tal forma  que permiten visualizar tanto los números de 0 a 9 como caracteres alfabéticos de la A a la Z. Así pues dispone de un mayor número de terminales para ser operado como se observa en la figura 1.33 B. Dicha operación a menudo se realiza por medio de microcontroladores o memorias que cuentan con suficientes salidas, así como con la capacidad de realizar barridos a tal velocidad que el parpadeo es imperceptible para el ojo humano, dando la sensación que todos los displays están encendidos simultáneamente

 

1.9.3 Matriz 

 

Un display de matriz, consiste en un arreglo de LED montados sobre un panel, y dispuestos de tal forma que al  momento de encenderlos conforme a un patrón establecido, se pueden formar todo tipo de caracteres alfanuméricos, así como caracteres especiales y figuras, ya que este tipo de paneles se pueden agrupar para obtener un área mayor. 

 

 

Figura 1.34: Display de matriz comercial.

 

 

La figura 1.34, muestra la fotografía de un display de matriz comercial (del fabricante KingBright) que contiene un arreglo 5 x 7 LED. El nombre de matriz, le sobreviene precisamente gracias a la manera en que internamente están conectados todos los LED que conforman este panel, a este tipo de arreglo  se les conoce como matriz.

 

El arreglo en matriz de los diodos, es con la finalidad de ahorrar el numero de líneas al momento de operar el panel, en otras palabras, si se utilizará una línea por cada LED presente, serian necesarias 35 líneas de salida para tener el control de todos; esto además de costoso, resultaría difícil de manejar, sin embargo mediante el arreglo en matriz solo son necesarias 12 líneas de control correspondientes a las filas y columnas como se ve en la figura 1.35.

 

 

Figura 1.35: Arreglo interno del display de matriz y conexión de un decodificador 3 a 8.

 

En la figura 1.35, se puede observar que se ha colocado un CI decodificador o multiplexor de 3 a 8 el cual esta disponible en el mercado y cuya función no es otra que la de economizar más el numero de líneas a utilizar para el control del modulo display mediante un microcontrolador, así como también nos permite colocar mas secciones en caso de que sea necesario extender nuestra pantalla, ya que este tipo de decodificadores poseen por lo general una terminal conocida como Enabled con la que se pueden multiplexar los paneles completos de 5x7 cuando agregamos secciones adicionales, figura 1.36. Hay que recordar que como en realidad los LEDs que forman un mensaje no están encendidos permanentemente, sino que son refrescados, la frecuencia de barrido debe estar entre 50 y 60 hz para que el parpadeo, no sea perceptible a la vista.

 

Figura 1.36: pantalla formada por 5 módulos de 5x7.

1.9.4 LCDs

 

Las pantallas de cristal líquido (LCD) poseen la ventaja distintiva de tener un requerimiento de potencia más bajo que los LED. Es típicamente del orden de microwatts para la pantalla, en comparación al orden de miliwatts para los LED. Sin embargo, requieren una fuente de iluminación externa o interna y están limitadas a un rango de temperatura que va de cerca de 0° a 60°C. El tiempo de vida es otra área de preocupación, debido a que las LCD pueden degradarse químicamente. En la actualidad, los tipos que reciben el mayor interés son las unidades de dispersión dinámica y de efecto de campo.

 

Unidades de dispersión dinámica: Un cristal líquido es un material (normalmente orgánico para las LCD) que fluye como un líquido, pero cuya estructura molecular tiene algunas propiedades asociadas normalmente con los sólidos. Para las unidades de dispersión de luz el mayor interés está en el cristal líquido nemático, teniendo el cristal la estructura que se muestra en la figura 1.37 A. Las moléculas individuales tienen apariencia de varillas, tal como se ve en el perfil de la figura. La superficie conductora de óxido de Indio es transparente y, bajo las condiciones mostradas en la figura A, la luz incidente simplemente atraviesa y la estructura de cristal líquido aparecerá de forma clara.

 

Figura 1.37: A) Cristal liquido Nemático sin polarización aplicada B) Con polarización aplicada

 

Si se aplica un voltaje (para unidades comerciales el nivel de umbral está actualmente entre los 6 y 20 V) a través de las superficies conductoras, como se muestra en la figura 1.37 B, el acomodo molecular queda perturbado, con el resultado de que se establecerán regiones con diferentes índices de refracción. La luz incidente es, por tanto, reflejada en diferentes direcciones en la interfaz entre diferentes regiones de diferentes índices de refracción (mencionados como dispersión dinámica), de lo cual resulta que la luz dispersada tiene una apariencia de vidrio congelado. Sin embargo, obsérvese en la figura B que el aspecto opaco ocurre solo donde las superficies de conducción son opuestas y las áreas remanentes permanecen translúcidas.

 

Un dígito en una pantalla LCD puede tener la apariencia de segmentos como se muestra en la figura 1.38. El área negra es, de hecho, una superficie conductora clara conectada a las terminales que se encuentran abajo para el control externo. Dos máscaras similares se ponen en lados opuestos de una capa gruesa sellada del material de cristal líquido. Por ejemplo si se quisiera el número 2, las terminales 8, 7, 3,4 y 5, serian energizadas y sólo esas regiones serían congeladas mientras las otras áreas permanecerían claras.

 

Figura 1.38: Indicador de dígitos de 8 segmentos LCD

 

Como se dijo anteriormente, la LCD no genera su propia luz, sino que depende de una fuente externa o interna. Bajo condiciones oscuras será necesario que la unidad tenga su propia fuente de luz interna, ya sea por detrás o a un lado de la LCD. Durante el día, o en áreas iluminadas, se puede poner un reflector atrás de la LCD para reflejar la luz a través de la pantalla para una intensidad máxima. Para una operación óptima, los actuales fabricantes de relojes están usando una combinación de modos trasmisivo (su propia fuente de luz) y reflectivos llamada transflectiva.

           

            Unidades de efecto de campo: La LCD de efecto de campo o nemático de giro tiene la misma apariencia de segmentos y capa delgada de cristal líquido encapsulado, pero funciona diferente que el de dispersión dinámica, también de modo transmisivo y reflectivo con fuente interna, figura 1.39. En la imagen de perfil, la fuente de luz interna está a la derecha y quien la ve está a la izquierda. Esta figura se nota más diferente que la de la figura 1.37 porque se agrega un polarizador de luz. Solamente el componente vertical de la luz que entra por la derecha puede pasar a través del polarizador de luz vertical de la derecha. En la LCD de efecto de campo, la superficie conductora clara de la derecha es tratada químicamente, o se aplica una película orgánica para orientar las moléculas del cristal líquido en el plano vertical, paralelas a la pared de la celda. Obsérvense las varillas a la extrema derecha en el cristal líquido.

 

La superficie conductora opuesta también está tratada para asegurar que las moléculas estén 90° fuera de fase en la dirección mostrada (horizontal), pero todavía paralelas a la pared de la celda. Entre las dos paredes del cristal líquido hay un cambio general de una polarización a la otra, como se muestra en la figura. El polarizador de luz del lado izquierdo también permite el paso de la luz incidente polarizada verticalmente. Si no hay voltaje aplicado a las superficies conductoras, la luz polarizada verticalmente entra a la región de cristal líquido y sigue la desviación de 90° de la estructura molecular. Su polarización horizontal ante el polarizador de luz vertical del lado izquierdo no le permite cruzar, y quien la observa ve un patrón oscuro uniforme en toda la pantalla. Cuando se aplica un voltaje de umbral (para unidades comerciales de 2 a 8 V), las moléculas similares a varillas se alinean por sí mismas con el campo (perpendicular a la pared) y la luz pasa directamente sin la desviación de 90°.

 

 

Figura 1.39: LCD de efecto de campo transmisivo sin polarización aplicada

 

La luz incidente vertical puede entonces pasar directamente por la segunda pantalla de polarización vertical y quien observa puede notar un área iluminada. Mediante una excitación adecuada de los segmentos de cada dígito.

                 

                  En la figura 1.40 se describe  la LCD de efecto de campo de tipo reflectivo. En este caso, la luz que se polariza horizontalmente en el extremo derecho encuentra un filtro polarizado horizontalmente y pasa a través de él hasta el reflector, en donde se refleja de regreso al cristal líquido, deflexionando de nuevo en la otra polarización vertical y regresando al observador del mismo lado. Si no hay voltaje aplicado, existe una pantalla alumbrada uniformemente. La aplicación de un voltaje da como resultado una luz incidente vertical que encuentra un filtro de polarización vertical a la izquierda, el cual no permitirá que pase y sea reflejado. Resultado de esto es un área oscura en un cristal.

 

Figura 1.40: LCD de efecto de campo reflectivo sin polarización aplicada

 

Las LCD de efecto de campo son usadas por lo general cuando la fuente de energía es un factor principal (por ejemplo, en relojes, instrumentación portátil, etc.), debido a que consumen una potencia considerablemente menor que las de tipo de dispersión de luz, del rango de microwatts, comparado con el de pocos miliwatts. Por lo general, el costo es mayor para las unidades de efecto de campo y su altura está limitada a cerca de 2 pulgadas, mientras que en las unidades de dispersión de luz están disponibles en unidades de hasta 8 pulgadas de altura.

 

                  Una consideración adicional en las pantallas es su tiempo de encendido y apagado. Las LCD son mucho más lentas que los LED. Las LCD tienen tiempos de respuesta típicos en el rango de 100 a 300 ms, mientras que se dispone de LED con tiempos de respuesta inferiores a 100 ns. Sin embargo, hay varias aplicaciones, como los relojes, en donde la diferencia entre 100 ns y 100 ms es de pocas consecuencias. Para tales aplicaciones la menor demanda de potencia de las LCD es una característica muy atractiva. El tiempo de vida de las unidades LCD se incrementa en forma sostenida, más allá del límite de 10,000 horas. Debido a que el color generado por las unidades LCD depende de la fuente de iluminación, hay un mayor rango de alternativas de color.