Princip řízení zobrazovačů

Charakteristika

Řízení segmentových displejů je relativně jednoduché, protože počet indikačních ploch je redukován na minimální možnou míru, podle toho, jaké znaky se mají zobrazovat. Minimální počet segmentů pro zobrazení číslic 0 ... 9, případně několika málo znaků pro hexadecimální zobrazení A, B, C, D, E, F je s=7. Pro zobrazování většího počtu znaků je potřeba použít zobrazovače s vhodně uspořádaným větším počtem segmentů s=14, s=16. Příklady upořádání segmentů a jejich provedení je znázorněno na obrázku 1a. Tvar zobrazovaných znaků může být definován různě, podle počtu segmentů, vždy ale musí odpovídat předloze. Při malém počtu segmentů je možnost zobrazování znaků omezena, u většího počtu segmentů je samozřejmě možno zobrazit znaků více.

Obrázek 1a
Různá provedení segmentových zobrazovačů.

Společnou charakteristikou pro segmentové zobrazovače je to, že počet, poloha a tvar segmentů jsou pevně dané, neměnné. Toto omezení však zjednodušuje řízení a ovládání displeje. Umístění desetinné tečky závisí na provedení výrobce, umisťuje se vlevo nebo vpravo od znakových segmentů. Umístění vlevo "přidává" jedno desetinné místo v zobrazení, pokud je tolerováno, že vedoucí, respektive první "0" (nula) nebude zobrazována. Z hlediska řízení je nejvariabilnější řízení LED zobrazovačů (i jejich použití), zobrazovače VFD, LCD jsou technologicky koncipovány odlišně a řízení je méně variabilní. Na druhou stranu LED zobrazovače mají tu nevýhodu, že mají vyšší spotřebu elektrické energie ale mohou poskytovat vyšší svítivost.

U maticových, graficky orientovaných zobrazovačů je řízení složitější, vyžaduje ovládání a řazení zobrazování jednotlivých bodů v matici pomocí specifického generátoru znaků. Příklad maticových zobrazovačů je uveden na obrázku 1b.

Obrázek 1b
Různá provedení maticových zobrazovačů.

U maticových zobrazovačů je základní matice 5x7 bodů, která dovoluje zobrazení základních znaků ASCII tabulky. Pro zobrazování národních znaků a z hlediska umístění znaků na řádku tak, aby znaky "neposkakovaly", nebyly deformovány a byla zachována mezera mezi znakem a diakritickým znaménkem (čárka, háček, kroužek) je potřeba použít znakovou matici 9x12 bodů.

Řízení LED segmentu/bodu - monochromatické

Mimo rozdělení segmentových zobrazovačů podle počtu segmentů nebo podle počtu bodů u maticových zobrazovačů, se zobrazovače s LED diodami dělí na dvě skupiny, podle toho, jsou-li LED diody v zobrazovači zapojeny se společnou anodou nebo se společnou katodou. Toto zapojení určuje způsob buzení segmentů, nebo světelných bodů u maticových zobrazovačů, tedy přivedení napětí na segmenty nebo jejich uzemnění. Dvojí konstrukce vznikla vývojem podle potřeby řízení tak, aby nebylo nutno používat větší počet součástek, než je potřebné.

Segmentové zobrazovače

Na obrázku 1a je znázorněno zapojení 7 segmentového zobrazovače v provedení se společnou anodou a na obrázku 1b se společnou katodou (cathode) při shodném vnějším provedení.

Obrázek 1a
Zapojení se společnou anodou pro 7 segmentový zobrazovač.

Obrázek 1b
Zapojení se společnou katodou pro 7 segmentový zobrazovač.

Aktivace, tedy rozsvícení segmentu (konkrétní LED v zobrazovači) se tedy provádí ...
... pro zobrazovače se společnou anodou - uzemněním odpovídající svorky (pin) segmentu
... pro zobrazovače se společnou katodou - přivedením napětí na odpovídající svorku (pin) segmentu.

Z důvodu omezení proudu procházejícího LED diodou každého segmentu je nutno použít omezovací odpor R odpovídající velikosti ovládacího napětí a požadovaného proudu LED diody (I <= I_max). Velikost odporu se určí z ohmova zákona R = U / I, repektive R_min = (U_n - U_LED)/I_LEDmax, kde U_n je napájecí napětí, U_LED je napětí na diodě v propustném směru, I_LEDmax je maximální povolený proud diodou v propustném směru, pokud bychom chtěli být úplně přesní, je potřeba odečíst i napětí na spínacím prvku, například tranzistoru U_CE = 0,8V.

Velikostí procházejícího proudu LED diodou je možno řídit intenzitu jasu segmentu. Prakticky je možné jas řídit změnou velikosti napětí, nevýhodou je však výkonová ztráta na regulačním prvku napětí. Pro efektivnější řízení jasu je vhodné použít pulsní regulaci jasu. Tento způsob je popsán dále v odstavcích řízení spotřeby.

Pro vícesegmentové displeje je situace stejná, pouze se pracuje s větším počtem segmentů.

Maticové, znakové zobrazovače

U maticových zobrazovačů je situace složitější, realizováním propojení velkého množství LED diod. Pro minimální zobrazovač v matici 7x5 bodů se jedná o 35 LED a to není efektivní, proto jsou LED diody v zobrazovači vzájemně propojeny v řádcích a sloupcích, kdy postačí 12 propojovacích vodičů, což je srovnatelné s více segmentovými zobrazovači. Příklad pro maticové propojení je uveden na obrázku 2. Pro určení, jestli se jedná o řízení se společnou anodou nebo katodou záleží nejen na tom, jak jsou LED diody orientovány ale i na tom, jestli je potřebné řízení realizováno po řádcích nebo po sloupcích.

Obrázek 2a
Zapojení maticového zobrazovače.

Na obrázku 2a je uveden příklad principu řízení maticového zobrazovače s řízením "po řádcích", tedy zapojení se společnou anodou podle orientace LED diod. Řízení probíhá dynamicky tak, že zvolíme řádek matice a k tomuto řádku aktivujeme odpovídající přizemnění sloupců, těch LED diod, které mají být rozsvíceny. Následně se aktivuje další řádek atd... Podrobnější informace o způsobu řízení maticového zobrazovače jsou uvedeny v části o SW generátoru znaků nebo HW generátoru znaků.

Pro úplnost je na obrázku 2b zobrazen výřez 4 bodů maticového, znakově orientovaného, zobrazovače s propojením rádků a sloupců v matici.

Obrázek 2b
Výřez 4 bodů maticového, znakově orientovaného, zobrazovače.

Maticové, graficky orientované bloky

Maticové, graficky orientované bloky vycházejí konstrukčně ze znakových maticových zobrazovačů, i jejich obsluha je obdobná, tedy po řádcích a sloupcích. Na rozdíl od maticových, znakových, zobrazovačů je rozšířen počet bodů řádků i sloupců, v konkrétním případě podle obrázku 3 je blok sestaven (například) v matici 16x16 bodů. Dalším rozdílem je rozložení jednotlivých bodů "od kraje ke kraji" tak, že při sesazení dvou bloků těsně vedle sebe je rozteč bodů v bloku stejná, jako rozteč bodů mezi sousedními bloky. Tím je umožněno zobrazení znaků a symbolů přes více bloků.

Obrázek 3
Zapojení maticového graficky orientovaného bloku.

Řízení LED segmentu/bodu - barevné

Rozšíření pro barevné zobrazení představuje doplnění jednoho zobrazovacího segmentu nebo bodu u maticových zobrazovačů o další LED diodu s jinou vyzařovanou barvou. Podle vývoje technologie LED diod se nejprve pracovalo s barvami červená, zelená, žlutá, se zdokonalením technologií byla dostupná barva modrá a bílá. Podle provedení se kombinují červená a zelená barva (v kombinaci žluto-oranžová) nebo červená, zelená, žlutá (pro jednodušší řízení) a nebo červená, zelená a modrá barva (rozšířené barevné spektrum). Pro rozsvícení konkrétní barvy je možno přímo přepínat mezi těmito barvami, kombinovat je nebo využít nedokonalosti lidského okna a poměrem barevných impulsů dosáhnout i jiné barvy spektra, též barvy a jejich kombinace.

Segmentové zobrazovače

Příklad pro 7 segmentový vícebarevný zobrazovač se společnou anodou ve dvoubarevném provedení RG je uveden na obrázku 4a, v tříbarevném provedení RGY a RGB je uveden na obrázku 4b.

Obrázek 4a
Zapojení se společnou anodou pro 7 segmentový zobrazovač, dvoubarevné provedení.

Obrázek 4b
Zapojení se společnou anodou pro 7 segmentový zobrazovač, vícebarevné provedení.

V tomto provedení se volba barvy volí tak, že se pro přivede napětí na odpovídající napájecí vstup R, G a/nebo Y/B, případně v jejich kombinaci a poměru žádaného svitu barvy. Rozsvícení segmentů se provede přizemněním odpovídajících pinů zobrazovače stejně jako u jednobarevných zobrazovačů. V tomto zapojení platí, že všechny segmenty (celý znak) svítí stejnou barvou.

Pro více segmentové zobrazovače je rozšíření shodné, na větším počtu segmentů a řídících signálů.

Maticové, znakové zobrazovače

U maticových, znakově orientovaných, zobrazovačů je situace trochu složitější, protože se zpravidla používá skupinové řízení více matic po řádcích, které je z principu vhodné pro případy, kdy má celý řádek jednu zvolenou barvu. Maticový zobrazovač v barevném provedení má rozšířený počet řádků pro volbu zobrazované barvy R, G, Y (r0 => r0R, r0G, r0Y; r1 => r1R, ...), tedy podobně jako na obrázku 3. Ačkoliv je počet bodových řádků pouze 7, pro řízení 3 barev to je celkem 21 signálů. I toto je přiměřený počet, protože těchto 21 signálů je použitelných pro celý řádek maticových zobrazovačů, počet signálů pro řízení sloupců zůstává zachován v počtu 5 signálů/znak. Podrobněji je případ uveden v části řízení maticových zobrazovačů. Konstrukce barevných bodů maticového zobrazovače pro tento případ je znázorněna na obrázku 5a - řízení barvy po řádcích.

Obrázek 5a
Konstrukce bodu RGY v matici pro vícebarevné zobrazení, řízení po řádcích - shodná barva řádku.

Aktivace svitu jednotlivých diod je shodná s příkladem na obrázku 1b nebo 4b. Je ale nutno podle požadované barvy správně volit, která z anod bude aktivována.

Pro případ, kdy je požadováno, aby měl každý znak jinou barvu, např. informační panel: čas odletu (R), číslo letu (G), aerolinky (G), destinace (G) a výzva (Y), je potřeba tomuto uzpůsobit zapojení každého jednoho bodu maticového zobrazovače. V tomto případě dochází k navýšení počtu signálů pro řízení sloupců na 15 (5x3, c0 => c0R, c0G, c0Y; c1 => c1R, ...) a to pro každý znak. Počet signálů pro řízení řádků naopak zůstává zachován v počtu 7 signálů. Podrobněji je případ uveden v části řízení maticových zobrazovačů. Konstrukce barevných bodů maticového zobrazovače pro tento případ je znázorněna na obrázku 5b - řízení barvy po sloupcích.

Obrázek 5b
Konstrukce bodu RGY v matici pro vícebarevné provedení - shodná barva sloupce.

Aktivace svitu jednotlivých diod je shodná s příkladem na obrázku 1a nebo 2a. Je ale nutno podle požadované barvy správně volit, která z katod bude přizemněna.

Barevné spektrum těchto zobrazovačů RGY není úplné, viz obrázek 5c, protože chybí modrá barva. Výhodou pro znakově orientované displeje je to, že je možno barvy volit přímo aktivací konkrétní barvy (RGY) a není nutno barvy vytvářet skládáním.

Obrázek 5c
Neúplné barevné spektrum RGY.

Maticové, grafické zobrazovače

Maticové grafické zobrazovače již vyžadují širší a věrohodnější spektrum podání barev než je tomu o znakově orientovaných maticových zobrazovačů. Tomuto požadavku je uzpůsobena konstrukce jednotlivých světelných bodů matice. Prvotní uspořádání obsahovalo tři barevné LED diody (R-červená, G-zelená, B-modrá). Kombinací jejich svitu a poměru intenzity svitu jednotlivých LED diod je již možno generovat poměrně široké spektrum barev. Uspořádání diod pro body v matici je znázorněno na obrázku 6a.

Obrázek 6a
Konstrukce LED RGB bodu v matici.

Řízení každého barevného RGB bodu grafickém zobrazovači představuje složitější řešení a to v případě, že chceme u každého bodu separátně řídit jeho barvu. Tímto požadavkem trojnásobně narůstá nutný počet ovládacích signálů. V jednodušším případě, kdy by mohla mít celá plocha bloku jednu barvu, bylo by možno řízení zjednodušit sloučením signálů řádků nebo sloupců.

Uvedené řešení sice poskytuje dostatečné spektrum barev ale při generování bílého světla, musí svítit všechny tři RGB LED diody. Při velkém počtu bodů však toto již představuje enormní proudovou zátěž. Řešením po nástupu odpovídající technologie LED diod, byla přidána i bílá (W) LED dioda, která v případě požadavku na bílé světlo nahrazuje svit třech RGB diod, navíc spektrum bílé diody je přirozené oproti současnému svitu tří samostatných RGB LED diod. Zapojení a řízení jednoho bodu je pak složitější ale toto vyváží úspora energie. Znázornění bodů zobrazovače RGBW je na obrázku 6b.

Obrázek 6b
Konstrukce LED RGBW bodu v matici.

Generování základních a dalších barev je shodné s řízením barev segmentových zobrazovačů a to řízením poměru intenzity svitu jednotlivých barevných LED diod. Barevné spektrum těchto zobrazovačů RGB je úplné, viz obrázek 6c, d. Barvy je možno volit přímo aktivací konkrétní barvy nebo je možno další barvy vytvářet skládáním.

Obrázek 6c
Úplné barevné spektrum RGB.

Obrázek 6d
Úplné barevné spektrum RGB.