LCD, TFT, LED, OLED e outros. Sobre displays eletrônicos

Tipos de displays são um tópico amplo e complexo – enquanto isso, até mesmo o consumidor mais comum se depara com ele ao comprar um novo telefone, TV ou computador. Sem mencionar os entusiastas do faça-você-mesmo, para quem a seleção de componentes optoeletrônicos muitas vezes envolve equilibrar parâmetros, possibilidades e expectativas...

A construção e o princípio de funcionamento dos displays eletrônicos é um assunto que poderia facilmente preencher um livro grosso, então tentaremos resumir essas questões para as informações mais importantes aqui. O mais importante de duas perspectivas: o consumidor e o entusiasta de eletrônica. Portanto, dividiremos o artigo a seguir em duas partes: primeiro, descreveremos os tipos de displays atualmente disponíveis no mercado, em quais campos são usados e o que os distingue. Em seguida, em uma seção direcionada a entusiastas de eletrônica iniciantes, examinaremos essas tecnologias da perspectiva do construtor, considerando seus parâmetros, capacidades, limitações e métodos de implementação.

Neste artigo, respondemos às perguntas:

O principal objetivo de um display é comunicar-se com o usuário e apresentar informações – uma funcionalidade essencial mesmo no projeto mais simples.

Tipos de Displays Eletrônicos

Primeiro, vamos responder rapidamente à pergunta de como os displays nos permitem ver símbolos, figuras, fotografias, etc.

Como vemos uma imagem em um display?

Note que os displays eletrônicos usam 3 métodos de criação de imagem.

A técnica mais óbvia é emitir luz de cada segmento que compõe a forma exibida. Isso pode ser uma parte relativamente grande de um caractere alfanumérico, mas também um único ponto, ou seja, um pixel. Essa técnica foi usada em telas de tubo de raios catódicos, bem como em letreiros de neon publicitários ou sinais compostos por lâmpadas individuais.

O segundo método é o oposto de tal solução: a luz é emitida por um painel colocado sob uma matriz de pontos/campos, e a imagem é criada bloqueando essa luz (total ou parcialmente, por exemplo, em um intervalo selecionado do espectro de cores). Procurando as fontes dessa tecnologia, rapidamente notamos que ela se assemelha a um cinema clássico ou slides – exceto que, em vez de filme, há um módulo eletrônico aqui que muda sua transparência sob a influência de energia elétrica.

O terceiro método envolve absorver ou refletir ondas eletromagnéticas de outras fontes (sol, lâmpada, etc.). É assim que, por exemplo, a impressão funciona, onde a luz reflete no papel branco, mas é bloqueada por superfícies escurecidas com tinta. Da mesma forma, a imagem é produzida por um display em uma calculadora ou e-reader (embora usem tecnologias diferentes, que discutiremos em breve).

Pixels, Segmentos e Símbolos

Estamos acostumados a displays em telefones ou TVs, onde a imagem consiste em pixels individuais, ou seja, pequenos, às vezes microscópicos campos que mudam suas propriedades ópticas em grupos, fundindo-se na percepção humana em formas maiores. Mas nada impede que um display contenha segmentos muito maiores ou até mesmo formas em sua estrutura, ativadas da mesma forma que um único pixel, embora com uma função mais específica. Este método é usado em displays de segmento, que, graças à divisão dos dígitos em 7 linhas básicas, têm uma construção mais simples e operação mais fácil. No entanto, sete campos são suficientes para apresentar uma aproximação legível de todos os 10 algarismos arábicos (e até mesmo 16 caracteres do sistema hexadecimal).

Em eletrodomésticos ou carros, você pode encontrar displays onde o pictograma inteiro é um único segmento (por exemplo, um ícone representando uma nuvem em uma estação meteorológica ou um símbolo de freio de mão no painel de um veículo).

Cores

No final desta breve introdução, vamos notar que todos os métodos apresentados permitem a introdução de cor – única ou variável. Se campos individuais do display emitem luz, pode ser luz de diferentes comprimentos de onda, e assim diferentes cores. No mesmo princípio: pixels individuais podem bloquear seletivamente ondas, de modo que o olho do espectador registre a cor escolhida. Na maioria das vezes, é claro, uma ampla paleta é reproduzida misturando vermelho, verde e azul, que chamamos de abreviação RGB (de red, green, blue) – cada pixel de um display colorido consiste em tais partes.

Alternativamente, em dispositivos monocromáticos, é possível usar um painel de retroiluminação feito com um filtro ou componentes de uma cor específica (anteriormente o verde era o mais popular, e agora a cor azul, que está associada às tecnologias dominantes de diodo LED no mercado).

LCD, ou Displays de Cristal Líquido

Atualmente, duas tecnologias de display dominam o mercado: LCD e OLED. A primeira leva seu nome da abreviação em inglês Liquid-Crystal Display, que deve ser traduzida como display de cristal líquido.

O que significa que um display é "cristal líquido"?

Esses elementos usam materiais que existem em uma fase entre estados líquidos e totalmente cristalizados da matéria. Usando um campo elétrico, a ordem (orientação) das partículas de tal substância é direcionada, resultando em uma mudança em suas propriedades ópticas. Isso permite mudar a direção de polarização das ondas de luz usando pequenas correntes elétricas.

Portanto, um display LCD deve consistir em várias camadas:

• a camada inferior é um refletor ou painel emissor de luz;
• filtros polarizadores permitem apenas a passagem de ondas de uma polarização específica;
• a camada contendo o cristal líquido muda ou não muda a direção de polarização da luz, dependendo da tensão aplicada a…
• …os eletrodos que compõem a última camada do display.

A camada contendo os eletrodos, embora aparentemente transparente, se assemelha a um circuito impresso: é uma folha de vidro densamente coberta com uma rede de conexões. A tecnologia TFT (Thin-Film-Transistor) é usada aqui, permitindo que estruturas de transistores semicondutores que controlam os eletrodos sejam colocadas diretamente na construção transparente do display. Isso leva à miniaturização e limita a interferência entre as linhas de controle e os eletrodos.

Uma das aplicações mais populares de um display LCD: um relógio eletrônico.

Um display LCD é eficiente em termos de energia?

Vale notar que operar as partículas de cristal requer relativamente pouca energia. Portanto, um display LCD pode ser usado com sucesso em um relógio eletrônico, que funciona por muitos meses com uma única bateria de botão. Por que então um smartphone ou laptop esgota a bateria principalmente quando a tela permanece ligada? O problema é a emissão de luz do painel sob a camada de cristal líquido. Em um relógio simples, a luz ambiente é usada, refletida pelo refletor inferior (daí o mostrador será ilegível no escuro). O telefone produz sua própria luz: uma quantidade significativa de energia é usada para iluminar a imagem apresentada pelo LCD. Portanto, quando a bateria está baixa, a tela fica mais escura. Isso limita o fluxo de corrente.

LCDs Monocromáticos

Os modelos mais simples de displays de cristal líquido apresentam apenas uma cor: preto. Em outras palavras, onde a imagem deve aparecer, os displays bloqueiam as ondas de luz. Às vezes, são produzidos modelos que funcionam ao contrário: a imagem é apresentada com pontos brilhantes em um fundo escuro (polarização invertida). Alternativamente, uma matriz pode ser construída que bloqueia a luz com eficácia variável, alcançando assim tons de cinza. Mas essa técnica não é mais usada (foi usada pelos primeiros modelos de consoles de jogos portáteis, como o Game Boy), embora tenha ajudado na construção de displays coloridos – que discutiremos em breve.

Os LCDs monocromáticos são encontrados principalmente em dois tipos: segmento (onde os caracteres são representados por 7 blocos dispostos na forma do dígito 8, comumente usados em relógios, medidores, dispositivos RTV/AGD, etc.) e alfanuméricos. Neste último caso, o display é dividido em blocos retangulares, cada um consistindo em uma matriz de 5x7 pixels. Com a ajuda deles, todos os símbolos padrão (letras, números, sinais de pontuação) podem ser apresentados.

Se houver necessidade de exibir gráficos mais complexos, há dois caminhos. Um display especializado pode ser preparado, onde os eletrodos e o campo de cristal líquido têm uma forma específica (por exemplo, um pictograma de sino indicando que o alarme está ativado); ou uma matriz universal composta por pixels (semelhante a uma TV, mas em forma simplificada) pode ser usada. Displays desse tipo são simplesmente chamados de gráficos, e podem ser encontrados, entre outros, em calculadoras científicas – também são usados com entusiasmo por hobbistas de eletrônica, devido às suas amplas possibilidades e baixos custos de implementação.

Displays de Cristal Líquido Coloridos

Um display LCD colorido funciona de forma semelhante à matriz de cristal líquido descrita acima, exceto que cada pixel consiste em três campos, cada um coberto com um filtro de cor precisamente localizado (vermelho, verde e azul). Ao graduar a mudança na polarização das ondas para cada campo, qualquer mistura de cores pode ser obtida. Esta é, em um resumo muito breve, a construção de um display de cristal líquido colorido. Claro, inovações estão sendo constantemente feitas neste campo, principalmente na tecnologia de produção e miniaturização, permitindo imagens mais nítidas com melhor contraste, etc.

Pixels individuais, de três cores, vistos de perto.

Displays de LED

Nas aplicações mais simples (relógios, painéis de eletrodomésticos, etc.), displays baseados em diodos emissores de luz tradicionais (LEDs) são frequentemente usados. Eles consomem pouca energia (embora ainda demais para serem alimentados constantemente por fontes de bateria), produzem uma imagem nítida e legível – no entanto, devido ao seu tamanho e tecnologia de produção, não permitem a criação de matrizes compactas com alta densidade e resolução. Por outro lado, permitem a criação de displays de grande escala e baixo custo – por exemplo, displays de 7 segmentos com altura de várias centenas de milímetros usados em totens de postos de gasolina ou placares em ginásios esportivos. Focaremos nesses componentes optoeletrônicos na seção dedicada à construção independente de circuitos eletrônicos.

Os displays OLED descritos abaixo podem ser muito pequenos.

OLED, ou "Diodos Orgânicos"

A tecnologia OLED leva seu nome da abreviação Organic Light-Emitting Diode. Os OLEDs consistem em camadas orgânicas finas colocadas entre dois eletrodos. Ao contrário dos displays LCD tradicionais, que requerem retroiluminação, os pixels OLED emitem luz por si mesmos, permitindo pretos profundos e alto contraste (vale mencionar aqui que displays de LED também requerem retroiluminação. LEDs são usados para isso, não lâmpadas fluorescentes, como no caso dos LCDs). As aplicações da tecnologia OLED incluem principalmente telas em TVs, smartphones, tablets e monitores de computador. Além disso, devido à alta qualidade de imagem, essas telas também são usadas em soluções semelhantes aos displays LCD alfanuméricos clássicos e displays gráficos. Eles têm o mesmo controle e dimensões, mas do ponto de vista do usuário, a qualidade é significativamente melhorada. Graças à flexibilidade dos materiais orgânicos, os OLEDs podem ser usados em displays flexíveis e curvos, oferecendo novas possibilidades para os designers de dispositivos. Além disso, os diodos OLED têm um tempo de resposta mais rápido em comparação com os LCDs.

Displays OLED também têm bons parâmetros elétricos, consumindo pouca energia. Sua vantagem inegável é também seu tamanho muito pequeno, o que os torna populares entre entusiastas de eletrônica e fabricantes de dispositivos portáteis. Do ponto de vista do uso, a maior vantagem dessa tecnologia é o preto inatingível em outros displays. Sua qualidade resulta da falta de necessidade de retroiluminação e é o estado natural de tais tipos de telas. Também vale mencionar que a tecnologia está sendo constantemente desenvolvida e melhorada em termos de vida útil, o que era uma certa desvantagem.

E Ink, ou Papel Eletrônico

Essa forma de criar uma imagem tem duas vantagens. Primeiro: é "natural" para o olho humano porque durante a leitura, observa objetos físicos em vez de receber luz artificial e manipulada. O segundo aspecto está relacionado ao fornecimento de energia: um display E Ink consome energia apenas ao mudar a imagem. Em seguida, a fonte de energia é desconectada, e o escurecimento de cada ponto permanece inalterado. Portanto, essa tecnologia é perfeitamente adequada para apresentar imagens estáticas, por exemplo, páginas de livros ou displays de preços em mercados.

Tecnologias Menos Populares

Concluindo a visão geral das soluções de mercado disponíveis, vamos prestar atenção a duas tecnologias mais antigas: VFD e NIXIE. Elas ainda são encontradas em alguns dispositivos e desfrutam de popularidade de nicho entre entusiastas do faça-você-mesmo e hobbistas.

VFD, ou Display Fluorescente a Vácuo

VFD é um tipo de display em que a camada de fósforo é submetida à ação de elétrons fluindo de um cátodo de tungstênio formado na forma desejada (geralmente um segmento de dígito, pictograma, etc.). O fósforo excitado emite luz turquesa brilhante característica. Displays desse tipo são facilmente legíveis e agradáveis aos olhos. Infelizmente, sua produção é muito mais complicada do que no caso de displays LCD ou LED, então tais módulos são caros. No passado (dos anos 70 até o final do século 20), esses tipos de elementos eram bastante amplamente usados em dispositivos RTV e AGD (fornos de micro-ondas, fornos, players, equipamentos HiFi).

Atualmente, essa tecnologia está lentamente ganhando popularidade novamente, graças a módulos que exibem caracteres de maneira semelhante aos displays LCD alfanuméricos ou gráficos. Em termos de controle e experiência do usuário, ambas as tecnologias são muito semelhantes, mas displays VFD prevalecem sobre os LCDs devido a várias características:

• oferecem contraste inatingível em LCD ou OLED
• podem ser usados em plena luz do sol
• funcionam mesmo a -40°C sem perda de legibilidade
• mostram resistência geral maior.

Graças a isso, displays VFD são perfeitos para aplicações industriais, em armazéns ou em transporte público.

Tubos NIXIE de nicho, mas populares.

Tubos Eletrônicos NIXIE

Tubos eletrônicos NIXIE usam as propriedades de gases nobres, néon ou argônio, que começam a brilhar na presença de um campo elétrico quando uma tensão de ruptura é aplicada. Eletrodos independentes de tais tubos são feitos na forma de dígitos ou outros símbolos, então um único elemento pode exibir diferentes caracteres. Claro, esta é uma tecnologia anacrônica e atualmente subótima – mas suas qualidades estéticas são apreciadas por muitos compradores. Portanto, embora o uso de um tubo NIXIE requeira tensões superiores a 100V DC e circuitos especiais de alimentação/controle, relógios e outros gadgets feitos com seu uso ainda podem ser encontrados no mercado.

Escolhendo um Display para um Projeto

Agora é hora de olhar para o tópico dos displays da perspectiva de projetos amadores e dispositivos construídos individualmente. Pode acontecer que nossa ideia exija o uso de um display de alta qualidade, colorido, mas tais casos serão raros. Devido a vários aspectos, como economia de tempo, vale a pena considerar a seleção de um componente com antecedência, considerando sua função pretendida e o circuito em que operará. Focaremos aqui exclusivamente em circuitos digitais, implementados usando um microcontrolador ou outro módulo programável.

Escolhendo um Display com Base nas Capacidades Gráficas

Primeiro de tudo, vamos considerar quais informações o display deve apresentar. Vale lembrar que às vezes um único indicador – embora não muito impressionante – acaba sendo suficiente. Usando diferentes níveis de intensidade de luz, cores ou impulsos, nosso dispositivo poderá enviar mensagens variadas (em combinação com vários interruptores e um alto-falante piezoelétrico, uma interface multifuncional pode ser realizada).

Barras, Dígitos e Letras

Mesmo antes de começarmos a escolher um display, vamos notar que os fabricantes de optoeletrônicos oferecem conjuntos de diodos colocados em uma única carcaça (as chamadas barras), que podem representar claramente, por exemplo, nível de carga da bateria, nível de umidade, porcentagem de um valor regulado, etc. Uma variante mais complexa de tal componente é um display de LED 7 segmentos ou 14 segmentos (e matrizes de LED) usado para apresentar (respectivamente) dígitos ou qualquer caractere alfanumérico. Eles estão disponíveis em formatos contendo 2, 4 ou até mais blocos, que podem ser facilmente combinados em conjuntos ainda maiores. Para facilitar sua operação, são usados drivers de circuito integrado especializados, que se comunicam com o microcontrolador usando algumas linhas (por exemplo, interface I²C) e fornecem os segmentos com a corrente apropriada.

Módulos Alfanuméricos

Módulos alfanuméricos são uma solução conhecida no mercado há várias décadas, o que torna muito fácil encontrar informações sobre sua conexão e operação em fontes públicas. Eles são implementados em tecnologia LCD, OLED e até mesmo VFD. A informação básica sobre esse tipo de peça é o número de caracteres em uma única linha e o número de linhas. Os displays mais comuns são 16x2, ou seja, capazes de apresentar 32 símbolos (16 em 2 linhas) – mas os fabricantes também fornecem outros modelos contendo de 8x1 a 40x4 caracteres. Como cada letra, independentemente da forma, ocupa um campo, vale a pena considerar com antecedência quais mensagens serão apresentadas no display. Observe também que com um pouco de criatividade, módulos alfanuméricos podem alcançar certos efeitos gráficos: apresentar uma barra de progresso, dígitos compostos de segmentos maiores, molduras simples, etc.

Displays Gráficos

A maior complexidade é a operação de displays gráficos coloridos. Portanto, eles são raramente usados em projetos amadores, a menos que sejam baseados em uma plataforma mais eficiente, por exemplo, um computador de placa única (vide: seção posterior sobre Raspberry Pi). Um tópico separado são displays inteligentes, onde uma grande parte do controle e geração de imagens complexas ocorre localmente, de um sistema de controle especial, por exemplo, EVE. Eles podem frequentemente ser integrados com um painel de toque como um módulo único.

Interface

A questão da interface é atualmente menos complicada do que era há uma dúzia de anos, pois muitos displays são projetados para operação usando barramentos seriais populares, como I²C ou SPI. O display pode ser um dos muitos periféricos conectados ao microcontrolador ou placa de desenvolvimento usando apenas algumas linhas.

Nota: lojas eletrônicas também vendem módulos optoeletrônicos mais profissionais (de produção), cuja conexão (e operação!) pode se revelar muito mais complicada. Escolher um elemento adaptado para uso em condições amadoras é uma simplificação que vale a pena decidir, pois leva a enormes economias de tempo. A menos que aprender sobre interfaces e drivers seja o objetivo do nosso projeto em si.

Os campos na borda da PCB são principalmente conexões de interface paralela.

Uma exceção aqui são displays alfanuméricos, onde módulos operados usando a interface paralela "clássica", compatível com o driver HD44780, ainda desfrutam de grande popularidade. É muito fácil de operar e implementar.

Consumo de Energia

Deve-se lembrar que um display de LED ou mesmo um pequeno módulo LCD equipado com retroiluminação consome uma quantidade relativamente grande de energia. Certamente significativa quando se trata de um circuito alimentado por bateria. Se nosso objetivo é limitar a corrente necessária, será melhor considerar um pequeno display OLED ou um módulo LCD sem retroiluminação (ou controlar programaticamente o painel iluminador).

Outros Parâmetros Importantes

Vamos prestar atenção a dois outros aspectos importantes relacionados à escolha de um display.

Taxa de Atualização

Se quisermos apresentar dados em tempo real (por exemplo, um espectrograma, um monitor de valor de sensor), será importante qual é a taxa máxima de atualização do módulo (falando coloquialmente: o número de quadros por segundo). Para a maioria das aplicações, basta que esse valor atinja alguns Hz, mas em aplicações mais críticas (indicador de nível), valores ótimos começam em 20Hz.

Condições de Iluminação

Sempre considere as condições de iluminação em que a imagem deve ser visível. Esta questão parece óbvia, mas deve ser enfatizado que escolher um display para um local mergulhado em completa escuridão ou, inversamente, exposto diretamente à luz solar, não é simples. A faixa de temperatura também não é insignificante. É melhor fazer uma escolha com base em vários experimentos – caso contrário, podemos facilmente adquirir um módulo que é muito brilhante (ofuscante no escuro), ilegível devido a uma superfície reflexiva, ou com retroiluminação muito fraca.

Qual Display Escolher para Arduino?

Uma das muitas vantagens do Arduino é a disponibilidade de muitos produtos compatíveis, incluindo uma grande variedade de displays. Como já mencionado, muitos deles são construídos usando sistemas adicionais que permitem controlar o display usando as interfaces seriais do microcontrolador. Isso serve principalmente para simplificar o circuito. Além disso, funções definidas em bibliotecas fornecidas com os módulos geralmente têm sintaxe simples e não causarão dificuldades mesmo para programadores iniciantes.

Qual Display Escolher para Raspberry Pi?

Displays projetados para Raspberry Pi são principalmente sobreposições (os chamados hat), ou seja, PCBs montados na placa principal. Eles são conectados ao computador usando conectores GPIO (isso requer configuração do sistema e instalação de vários scripts) ou um conector HDMI especial. Em outros casos, serão painéis LCD conectados usando conector/interface DSI (soquete de cabo flat), muitas vezes caracterizados por qualidade de imagem impressionante.

A Transfer Multisort Elektronik (TME) é um dos maiores distribuidores globais de componentes eletrônicos, peças eletrotécnicas, equipamentos de oficina e automação industrial. O catálogo inclui mais de 1.500.000 de produtos de 1.300 fabricantes líderes. Os modernos centros logísticos da TME em Łódź e Rzgów (Polónia), com uma área total superior a 40.000 m², enviam quase 6.000 pacotes diariamente para clientes em mais de 150 países.

A TME também investe no desenvolvimento do conhecimento e das competências de jovens engenheiros e entusiastas da eletrónica através do projeto TME Education e apoia a comunidade tecnológica organizando a série de eventos TechMasterEvent, promovendo a inovação e a troca de experiências.