Wyświetlacze w dobie Internetu Rzeczy

Wyświetlacze w dobie Internetu Rzeczy
Wyświetlacze elektroniczne ciągle ewoluują, bo cały czas, w dosyć stałym tempie, rozwijają się technologie, na których bazują. W ostatnich latach nie mamy do czynienia z żadną rewolucją w tej dziedzinie, ale zmieniające się zastosowania sprawiły, że na rynku przybyło wiele ciekawych konstrukcji, które świetnie sprawdzają się w nowych, dawniej niespotykanych zastosowaniach. Ponadto technologie, które zaczęły wschodzić kilka lat temu, stały się już dojrzałe i można po nie sięgać bez obaw, że się nie sprawdzą. To sprawia, że obecnie przed konstruktorem szukającym wyświetlacza, stoi całkiem pokaźny wybór.

Temat wyświetlaczy to z punktu widzenia autora Elektroniki Praktycznej jedno z przyjemniejszych zagadnień do opisywania. Każdego roku, w dziedzinie tej pojawia się wiele nowości, które nie tylko są interesujące z technologicznego punktu widzenia, ale też bardzo łatwe do zobrazowania. W końcu dotyczą produktów, w których różnice widać gołym okiem. Jednocześnie jest to zagadnienie, w którym zwraca się uwagę na coraz więcej szczegółów. Dawno temu, szukając "dobrego" wyświetlacza patrzyło się przede wszystkim na wymiary, rozdzielczość i liczbę obsługiwanych kolorów. Oczywiście wpływ na wybór miał też rodzaj matrycy, zastosowany sterownik i pobierany prąd. Obecnie można znacznie bardziej doprecyzować swoje oczekiwania, sięgając po różnorodne technologie. Wymagać ekstremalnie wysokiej jasności, odporności na skrajne temperatury, znakomitych kątów obserwacji, adekwatnego ekranu dotykowego, odpowiedniej klasy szczelności, estetycznej ramki, wytrzymałości na drgania czy intensywne pole elektromagnetyczne, wandaloodporności, zaawansowanych powłok antyrefleksyjnych, a nawet antybakteryjnych. Do tego nowoczesne wyświetlacze są dostępne w bardzo szerokim wyborze rozmiarów, proporcji czy kształtów. Czasy, w których każdy ekran graficzny miał proporcje prostokąta o bokach 4:3 i przekątną od kilku do kilkunastu cali dawno minęły.

Cztery typy

Projektując nowoczesne urządzenie (czy może cały system) elektroniczne mamy do wyboru cztery technologie, w oparciu o które może być zbudowany wyświetlacz:

  • LCD,
  • OLED,
  • LED,
  • EPD.

Wyświetlacze LCD to najbardziej klasyczne rozwiązanie, z którym elektronicy spotykają się od wielu lat. Ekrany ciekłokrystaliczne wciąż odpowiadają za większość wyświetlaczy w nowych urządzeniach elektronicznych, ale stopniowo tracą na znaczeniu na rzecz innych technologii, które mają przewagę w niektórych specyficznych zastosowaniach. A że dotyczy to przede wszystkim systemów typowych dla Internetu Rzeczy, a więc wymagających jedynie prostej sygnalizacji lub bardzo oszczędnego energetycznie prezentowania informacji, trend sięgania po inne technologie niż LCD nabiera na znaczeniu.

Technologia OLED przez długie lata raczkowała, przede wszystkim ze względu na swoją nietrwałość. Gdy ich żywotność się poprawiła, z czasem na rynku pojawił się wysyp niezbyt dużych ekranów tego typu, cechujących się średnimi parametrami, ale pozwalających uzyskać ciekawe efekty - szczególnie ze względu na brak zastosowania podświetlenia, a więc na bardzo duży kontrast. Obecnie OLEDy to nie tylko małe, standardowe panele, ale cała masa produktów, zarówno zupełnie miniaturowych, jak i całkiem dużych. OLEDy cenione są za niewielką grubość, mały pobór energii oraz za - w niektórych przypadkach - fizyczną elastyczność konstrukcji.

Diody LED przez lata były podstawą wyświetlaczy segmentowych, gdzie pozwalały bardzo niskim kosztem prezentować dane w postaci cyfr lub pokazywać całe ciągi alfanumeryczne. Z czasem rolę tego typu wyświetlaczy przejęły LCD, a teraz też dołączyły do tego OLEDy. Za to dzięki popularyzacji Internetu Rzeczy, pojedyncze lub wielokolorowe diody LED stanowią świetny sposób na prezentację prostych informacji, odczytywanych w oparciu o szybkość i kolor zapalania diod. Drugi obszar zastosowań to duże matryce diodowe, budowane najczęściej z diod średniej mocy. Pozwalają one tworzyć wyświetlacze wielkoformatowe, często cechujące się nie tylko ogromną jasnością, ale i zaskakująco dużą rozdzielczością. Umożliwiła to miniaturyzacja LEDów mocy oraz fantastyczne zwiększenie ich sprawności.

Ostatnią z technologii, którą od jakiegoś czasu należy już całkiem poważnie traktować jako jedną z alternatyw do wyboru, jest papier elektroniczny, czyli wyświetlacze EPD (Electronic Paper Display). Pojawiły się jako własnościowa technologia jednej firmy i były produkowane praktycznie wyłącznie z myślą o użyciu w czytnikach książek elektronicznych. Z czasem, gdy technologia się rozwinęła, staniała i zaczęła być bardziej dostępna, na rynku pojawiły się zarówno znacznie mniejsze, jak i większe wyświetlacze EPD. Ze względu na swoją specyfikę, a więc z uwagi na fakt, że prąd pobierany jest tylko w trakcie zmieniania prezentowanej treści, elektroniczny papier używany jest w różnego rodzaju znacznikach, etykietach i… tak - także w IoT. To także sprawia, że EPD zyskują na popularności.

LCD

Zastosowanie wyświetlacza LCD można obecnie nazwać podejściem tradycyjnym. Wybór ekranów tego typu jest po prostu przeogromny. Technologia ciekłokrystaliczna często stanowi złoty środek pomiędzy zużyciem mocy, jasnością, kontrastem, rozmiarem, rozdzielczością i ceną. Przez lata wyświetlacze LCD były, a właściwie nadal są, domyślnym rozwiązaniem, po które sięgają konstruktorzy. Zmienia się tylko stopień zaawansowania wyświetlaczy. Dawniej popularne były modele alfanumeryczne, ale - choć są to konstrukcje sprawdzone i wystarczające do wielu zastosowań - obecnie projektanci starają się raczej używać modeli graficznych, dzięki którym gotowy produkt wygląda bardziej atrakcyjnie i nowocześnie.

To także za sprawą wyświetlaczy LCD spopularyzował się interfejs dotykowy. Szybkie, estetyczne, kolorowe animacje oraz duże powierzchnie ekranów pozwoliły na tworzenie ergonomicznych i ciekawych interfejsów użytkownika, jakich nie da się przygotować za pomocą tradycyjnych klawiszy. Co więcej, w przypadku złożonych urządzeń, sięgnięcie po ekran dotykowy jest tak naprawdę tańsze niż integrowanie mnóstwa oddzielnych przycisków albo dużej klawiatury. Stąd bardzo wiele nowoczesnych wyświetlaczy jest zintegrowanych z panelami dotykowymi lub specjalnie przystosowanych do pracy w takiej konfiguracji.

Kolejnym trendem, jaki wyraźnie dało się obserwować w wyświetlaczach w ostatnim czasie to zwiększenie poziomu abstrakcji, na którym odbywa się sterowanie nimi. Staje się to możliwe dzięki coraz bardziej zaawansowanym sterownikom, w efekcie czego w niektórych konstrukcjach użytkownik może bezpośrednio przesyłać do sterownika pliki graficzne i za pomocą prostych komend decydować o ich prezentacji w określonych obszarach wyświetlacza. Pozwala to na bardzo łatwe i szybkie przygotowywanie animacji, rysowanie atrakcyjnych wizualnie interfejsów użytkownika i prezentowanie dowolnego rodzaju danych. Wraz z postępem w technologiach cyfrowych układów scalonych, wbudowanie zaawansowanego sterownika wiąże się z coraz mniejszym kosztem. Jednocześnie wzrasta koszt i trudność znalezienia programistów, którzy byliby w stanie pracować z firmwarem na niskim poziomie. Sam czas potrzebny na zaprogramowanie własnych funkcji do prezentacji treści z plików graficznych również jest cenny i sięgnięcie po gotowe, sprawdzone mechanizmy pozwala zmniejszyć koszty oraz przyspieszyć wprowadzenie gotowego produktu na rynek.

W ostatnim czasie, poza rozwojem IoT, przybyło też dużych maszyn, które instalowane są w miejscach dostępnych publicznie, często na otwartym powietrzu. Narzucają one inne wymagania na montowane w nich wyświetlacze niż typowa elektronika konsumencka. Ekran musi być bardzo jasny, by mógł pracować także przy dużym nasłonecznieniu, musi znosić bardzo niskie i wysokie temperatury, a do tego być wandaloodporny. Całkiem niedawno na rynku pojawiły się ekrany z powłokami antybakteryjnymi, które choć jeszcze nie stanowią standardu, mogą niebawem zacząć być coraz bardziej popularne. Naniesienie jonów srebra na powierzchnię szkła wyświetlacza skutkuje uzyskaniem niemal stuprocentowej bakteriobójczości, a ponadto skutecznie zabijane jest też wiele rodzajów grzybów powodujących choroby. Naturalnie podstawowym rynkiem dla takich rozwiązań jest przemysł medyczny, ale zalety w postaci redukcji rozprzestrzeniania się bakterii są doceniane także w innych branżach, w tym w spożywczej.

OLED

Technologia OLED w obecnych czasach podlega największym zmianom, względem innych technik budowy wyświetlaczy. OLEDy znajdują już zastosowanie w tysiącach produktów i wciąż zyskują na popularności. Z OLEDami wiąże się też wiele błędnych przekonań, które wciąż zniechęcają do ich stosowania.

Wielu projektantów myśli, że OLEDy są mało czytelne w jasnym słońcu, a to dlatego, że w przeciwieństwie do ekranów LCD, wyświetlacze oparte o diody organiczne nie są przystosowane do pracy w trybie półprzepuszczalnym. Zamiast tego wykorzystuje się dodatkowe filtry polaryzacyjne, które poprawiają czytelność, a ponadto mają przewagę nad technikami wykorzystywanymi w LCD, gdyż nie pogarszają zdolności do odwzorowywania barw ani kontrastu.

Błędne jest też założenie, że na wyświetlaczach OLED obraz nie może wyglądać bardzo dobrze. A przecież nawet wizyta w pierwszym-lepszym sklepie RTV pozwala zobaczyć, o ile lepiej prezentują się materiały wideo na telewizorach OLEDowych. Diody organiczne nie tylko pozwalają uzyskać rewelacyjne kontrasty, ale też wspaniałe kąty obserwacji. Do tego mogą mieć mikrosekundowe czasy potrzebne na odświeżenie treści - o rzędy wielkości lepsze niż w przypadku ekranów LCD.

Kolejna zaleta OLEDów to bardzo małe wymiary i masa. Wyświetlacz OLED jest również cieńszy i lżejszy niż LCD, ponieważ nie wymaga podświetlenia i polaryzatorów, a uwzględniając kompatybilność z elastycznymi podłożami, otrzymujemy bardzo cienkie, elastyczne wyświetlacze. Mały jest też pobór mocy. Podświetlenie LCD w normalnym trybie pracy pobiera maksymalną moc, żeby wyświetlić jakikolwiek obraz (niezależnie od jego kolorów). Wyświetlacze typu OLED zużywają energię w zależności od wyświetlanego obrazu. Czarne elementy pobierają najmniejszą ilość energii, a białe największą.

Wiele osób zniechęca się do OLEDów jeszcze zanim spojrzą na oferty rynkowe. Wydaje się, że są to wyświetlacze drogie i że ich koszt wyklucza je od zastosowania w typowych aplikacjach. To prawda, że wciąż są nieco bardziej kosztowne niż porównywalne wyświetlacze LCD, ale pozwalają uzyskać lepsze wrażenia wizualne. Warto też wspomnieć, że cały czas tanieją i zainteresowanie się tą technologią już teraz ułatwi skorzystanie z niej także, gdy ceny spadną jeszcze bardziej.

Nowoczesne OLEDy to także wyświetlacze całkiem żywotne. Problemy mało trwałych substancji tworzących struktury świecące zostały już w znacznej mierze wyeliminowane. Trudnością pozostają tylko sytuacje, w których na ekranie ma być prezentowana przez długi czas dokładnie ta sama treść. Może ona spowodować wypalenie się konkretnego wzoru na matrycy, w czego konsekwencji będzie on widoczny jako stały cień. Można temu zapobiec modyfikując sposób prezentowania treści. Dobrym zabiegiem jest wprowadzanie niewielkiej losowości w rysowane wzory, tak by nie znajdowały się one zawsze w tych samych miejscach. Do tego adekwatny dobór kolorów pozwoli doprowadzić do bardziej równomiernego zużywania pikseli, dzięki czemu powidok się nie pojawi lub zostanie znacząco zminimalizowany.

Warto także zadbać o korzystne temperatury pracy wyświetlacza OLEDowego. Zależność pomiędzy temperaturą a czasem życia jest logarytmiczna, przy czym specyfika obecnych technologii sprawia, że różne barwy wypalają się w różnym tempie. Najdłużej swoją sprawność zachowują ekrany, na których prezentowanych jest dużo żółtych treści, a najkrócej te, które korzystają z dużej ilości koloru niebieskiego. Różnica pomiędzy nimi wynosi nawet rząd wielkości!

LED

Technologia LED świetnie sprawdza się tam, gdzie pożądany rozmiar wyświetlacza jest bardzo duży. Jest też niezastąpiona, gdy potrzebna jest ogromna jasność ekranu, a gęstość upakowania pikseli nie ma takiego znaczenia. Wyświetlacze tego typu buduje się z matryc diod LED, czyli w praktyce składa z wielu segmentów. Te z założenia w większości przypadków projektowane są z myślą o zastosowaniach na zewnątrz budynków, choć różnią się między sobą szczegółami odnośnie wytrzymałości i odporności na trudne warunki środowiskowe. Ekrany LEDowe są najczęściej wykorzystywane do systemów informacyjnych lub do tworzenia multimedialnych billboardów. To dlatego, że stanowią bardzo rzucające się w oczy medium reklamowe, szczególnie w tych rejonach, gdzie nie są powszechnie stosowane. I choć w Polsce bardzo często słyszy się narzekania odnośnie nadmiaru powierzchni reklamowych w mieście i przy drogach, pod względem użytkowania reklam multimedialnych jesteśmy rynkiem słabo rozwiniętym, w porównaniu do centr wielkich zachodnich miast, a tym bardziej względem krajów azjatyckich, gdzie tzw. szum świetlny wieczorami jest niezwykle duży. Oznacza to, że w naszym kraju ta forma promocji wciąż pozwala bardzo skutecznie dotrzeć do dużego grona odbiorców, choć może być negatywnie postrzegana - nierzadko bardzo dużej jasności wyświetlacze diodowe oślepiają kierowców, odwracają ich uwagę oraz uprzykrzają życie okolicznym mieszkańcom.

Na rynku jest wiele firm, które dostarczają wyświetlacze tego typu, i duża część z nich nie funkcjonuje jako wyspecjalizowani dostawcy elektroniki, lecz jako przedsiębiorstwa z branży reklamowej. Ekrany diodowe oferowane są w wersjach monochromatycznych i kolorowych i te pierwsze właśnie służą raczej jako tablice informacyjne, używane do prezentacji prostych informacji, nazw firm, reklam tekstowych, kursów walut i podobnych. Tablice kolorowe są najczęściej używane do wyświetlania reklam graficznych. Kształt ekranów LEDowych u wielu producentów może być swobodnie dobierany, co wynika z ich modularnej budowy. Dostępne są też ekrany o popularnych, nietypowych kształtach - np. w postaci krzyży używanych jako symbole dla aptek.

Co ciekawe, rozmiary ekranów diodowych definiuje się w innych jednostkach niż w przypadku pozostałych rodzajów wyświetlaczy. Sprzedawcy posługują się raczej ich powierzchnią niż przekątną. Ekran o proporcjach 16:9 i przekątnej 100", a więc bardzo duży, jak na LCD, ma powierzchnię zaledwie 2,8 m2, co klasyfikuje go jako nieduży wśród wyświetlaczy LEDowych. Typowe rozmiary matryc LED stosowanych w reklamie to kilka lub kilkanaście metrów kwadratowych. Nierzadko spotyka się wyświetlacze o powierzchni kilkudziesięciu metrów kwadratowych, a największe przekraczają nawet 100 m2.

Dobierając wyświetlacz LEDowy, należy zwrócić uwagę też na inne parametry niż w przypadku LCD czy OLED. W matrycach LED znaczenie mają przede wszystkim jasność i gęstość upakowania diod. Istotne są też: dostępna liczba kolorów (zależna głównie od sterownika), pobór mocy, wytrzymałość temperaturowa, klasa odporności na wilgoć i kurz, a nawet masa całkowita oraz masa w przeliczeniu na metr kwadratowy. Cechy te zależą przede wszystkim od rodzaju zastosowanych diod, a w dominującej mierze od tego, czy użyto komponentów przewlekanych, czy też montowanych powierzchniowo. Ważne jest również, czy poszczególne kolory składowe uzyskiwane są w ramach trzech diod scalonych w jednej obudowie, czy z użyciem oddzielnych diod czerwonych, zielonych i niebieskich. Oba podejścia mają swoje zalety i wady. Modele z oddzielnymi diodami składowymi nie pozwalają uzyskać tak dużej gęstości upakowania pikseli, jak ekrany ze zintegrowanymi diodami RGB. Jednakże zazwyczaj to właśnie modele o oddzielnych diodach czerwonych, zielonych i niebieskich cechują się większą jasnością. Dochodzi ona nawet do kilkunastu tysięcy cd/m2.

Co ciekawe, tak duże jasności uzyskuje się dzięki zastosowaniu diod LED średniej mocy. Użycie obecnie dostępnych modeli bardzo dużej mocy pogorszyłoby w praktyce parametry wyświetlacza. Najmocniejsze diody wymagają bardzo efektywnego chłodzenia, więc trudno byłoby je tak samo gęsto upakować. Co więcej, obraz w przypadku wyświetlaczy o jasności rzędu kilku tysięcy kandeli na metr kwadratowy jest i tak wystarczająco jasny, by był w pełni czytelny z dużej odległości, nawet w silnym świetle słonecznym. Poza tym diody dużej mocy cechują się najczęściej znacznie gorszymi parametrami niż diody mocy średniej. Mają mniejszą skuteczność świetlną, a więc uzyskanie tego samego strumienia świetlnego wymaga dostarczenia większej mocy. Do tego gorzej odwzorowują kolory, a szeroka paleta barw jest dosyć istotna w wielu zastosowaniach reklamowych. Diody średniej mocy są bardziej żywotne, łatwiejsze w użyciu i tańsze, dzięki czemu idealnie nadają się do tworzenia wysokiej jakości matryc LEDowych.

W nowych konstrukcjach, dzięki zastosowaniu wysoce skutecznych diod LED, matryce nie wymagają chłodzenia, a więc nie zawierają wentylatorów - elementów mechanicznych, które są bardziej podatne na uszkodzenia i skracają czas poprawnej pracy wyświetlacza. Celem ograniczenia zużycia energii oraz dostosowania sposobu pracy matrycy do warunków otoczenia instaluje się też czujniki natężenia światła. Pozwalają one dopasowywać jasność świecenia diod, tak by były równie dobrze czytelne w środku dnia, co w nocy, a także by nie oślepiać przechodniów wieczorami.

Duże pole do popisu mają twórcy sterowników do matryc LEDowych. Podzespoły te będą się różniły, w zależności od budowy ekranów. Poszczególne sterowniki umożliwiają kontrolę pracy ekranów o różnych wielkościach, proporcjach, a przede wszystkim rozdzielczościach. Różnią się też głębią obsługiwanej palety barw - najlepiej, gdy jest ona 24-bitowa, co pozwala na osiągnięcie 16 milionów kolorów. Nowoczesne modele pozwalają stosować strefowe przyciemnianie, by zaoszczędzić energię.

Typowa grubość wyświetlaczy z matryc LED to kilka centymetrów. Ponieważ często składają się one z segmentów, z których każdy ma osobne połączenie kablem do sterownika, najczęściej mają postać cienkiej, płytki o grubości kilku centymetrów, z wystającymi na każdym segmencie, kilkucentymetrowymi obudowami układów elektronicznych. Pobierana moc również przeliczana jest na jednostkę powierzchni. Jej wartość silnie jednak zależy od prezentowanych treści - im one jaśniejsze, tym konieczna jest większa moc. Moc maksymalna mieści się najczęściej w zakresie do kilkuset watów na metr kwadratowy. Oczywiście moc maksymalna będzie tym większa, im gęściej upakowane są diody i im diody te mocniejsze. Typowa gęstość upakowania dla segmentów dużych matryc LEDowych wynosi od ok. 0,5 do ponad 4 diod na cal. Odpowiada to rastrowi od około 50 mm do 6 mm. Przy dużych konstrukcjach istotna może być też ich masa. Tę zwyczajowo podaje się z uwzględnieniem aluminiowych ram, potrzebnych do montażu lub po prostu w przeliczeniu na mały segment.

W przypadku prostych tablic monochromatycznych, przeznaczonych do wyświetlania znaków, sterowniki mogą mieć zintegrowaną małą klawiaturę i wyświetlacz tekstowy, za pomocą których wprowadza się ustawienia prezentowanych treści. Mogą też być wyposażone w interfejs szeregowy, który służy do przesyłania aktualnie prezentowanych treści, np. z komputera. Większe i nowocześniejsze ekrany mają sterowniki podłączane do komputerów oraz oferowane są z zaawansowanym oprogramowaniem. Umożliwia ono sterowanie jasnością LEDów z poziomu komputera (włączanie i wyłączanie automatycznego dopasowania, harmonogramowanie) oraz wygodne odtwarzanie dowolnych treści na panelach. Ekran może być traktowany po prostu jak zwykły monitor podłączony do komputera. Wielu producentów oferuje też oprogramowanie do zarządzania kampaniami reklamowymi - programy te automatycznie, cyklicznie prezentują treści graficzne i multimedialne z zadanych katalogów, zliczają liczbę odtworzeni i pozwalają dokonywać kalkulacji i obliczać statystyki.

Ekrany diodowe, a tym bardziej sterowniki do nich, są dostępne od rodzimych producentów. Jest to duże pole do popisu dla polskich inżynierów, gdyż rozwój technologii matryc LED jest aktualnie bardzo szybki, a zapotrzebowanie na tego typu powierzchnie reklamowe rośnie. Co prawda rynek jest bardzo konkurencyjny - istnieje multum firm, które albo sprowadzają panele i oprogramowanie z Azji, albo tworzą polskie aplikacje do zagranicznych paneli, albo wykonują całe panele i oprogramowanie od zera, oferując je następnie w kraju i w Europie. Wynika to z faktu, że budowa panelu nie wymaga bardzo zaawansowanej technologii. Kluczowe jest zastosowanie dobrych diod LED i rozsądne, pomysłowe połączenie wszystkich komponentów, tak by uzyskać uniwersalny, niedrogi i łatwy w instalacji produkt. Ponadto tworzone są nowe formy interaktywnej reklamy audiowizualnej, które opierają się na innowacyjnych pomysłach, zachęcających przechodniów do zwrócenia uwagi na prezentowane treści.

EPD

Technologia papieru elektronicznego sprawia, że jest on użyteczny niestety tylko w niektórych zastosowaniach, tj. tam, gdzie nie ma potrzeby prezentować obrazów podlegających szybkim zmianom. Problem leży w odświeżaniu zawartości ekranu, które po prostu długo trwa. Wynika to z dwóch czynników. Po pierwsze sam proces przemieszczenia pigmentów z jednej strony wyświetlacza na drugą, co skutkuje zmianą obserwowanego koloru, trwa niemało czasu. Po drugie, w czasie tej operacji konieczne jest utrzymanie odpowiedniej polaryzacji pojedynczej komórki wyświetlacza, która odpowiada za pojedynczy piksel. Ponieważ wyświetlacze EPD są zazwyczaj wykorzystywane do prezentacji tekstu i muszą być czytelne podobnie jak treści wydrukowane na papierze, konieczne jest zapewnienie dużej rozdzielczości. A jeśli ta jest duża, nie ma możliwości doprowadzenia do ekranu tak wielkiej liczby niezależnie sterowanych elektrod, by można było całkowicie określać, które piksele mają być zmieniane jednocześnie w danym momencie. Tymczasem zastosowanie mechanizmów przemiatania, jakie świetnie sprawdzają się w wyświetlaczach LEDowych oraz w LCD tu nie znajdzie zastosowania, gdyż czas przez jaki trzeba utrzymywać polaryzację jest zbyt długi.

W praktyce za sprawne działanie takiego wyświetlacza odpowiada złożony kontroler, który ma określoną liczbę wyprowadzeń, jakimi może jednocześnie sterować. Odpowiednio napisany kod pozwala na skoncentrowanie się np. na małej strefie wyświetlacza, w której można wtedy szybko odświeżyć treść. Jest to szczególnie użyteczne w przypadku różnych interfejsów użytkownika, w którym można w ten sposób łatwo i dynamicznie zobrazować np. wciśnięcie przycisku. Niestety, już w przypadku multimediów, czyli gdy zmianom podlega cała zawartość ekranu w praktycznie każdej klatce filmu wideo, technologia EPD nie będzie nadążać za podawaną do wyświetlenia treścią.

Opisany powyżej problem to jeden z ważnych powodów, jaki spowolnił tempo rozwoju papieru elektronicznego. Zainteresowanie tą technologią było ograniczone, bo nie było sensu jej stosować w tych dziedzinach elektroniki użytkowej, która rozwijała się najszybciej. Konsumenci lubią multimedia, a zastąpienie wyświetlacza LCD lub OLED modelem EPD całkowicie te multimedia zabija. Stąd producenci elektroniki woleli inwestować w rozwój bardziej energooszczędnych wersji ekranów LCD i przede wszystkim OLEDów.

Teraz sytuacja się zmienia, bo Internet Rzeczy wykreował szereg nowych aplikacji, w których elektroniczny papier może być idealnym wyborem. Elektroniczny papier to świetny sposób na zaprezentowanie prostych danych w urządzeniach, które wzbudzane mają być tylko raz na długi czas. Zamiast zapalać diodę, która musi się wciąż świecić, albo tworzyć przyciski, które spowodują wyświetlenie informacji przez krótką chwilę, dane można zaprezentować w trwały sposób, przy minimalnym koszcie energetycznym, bez konieczności wyłączania wyświetlacza. Dobrym przykładem będą np. etykietki cenowe w sklepach, które muszą być trwale widoczne, a nie powinny pobierać energii. Elektroniczny papier nieźle się sprawdza też w aplikacjach przemysłowych, gdzie może pokazywać dane - np. informować o stanie urządzeń w szafie. Wtedy wystarczy jedno spojrzenie operatora, by błyskawicznie zauważyć ewentualne problemy, na które wskazują niektóre z danych na wyświetlaczach.

Sama idea elektronicznego papieru daje też pewne możliwości, które nie mają uzasadnienia w przypadku innych technologii. Na rynku pojawiają się moduły z elektronicznym papierem, na które można w bardzo łatwy sposób przesyłać konkretne treści do wyświetlenia, bez konieczności klasycznego łączenia ekranu z mikrokontrolerem. Dane można przesyłać bezprzewodowo - np. przez NFC, Bluetooth, Wi-Fi lub sieć komórkową.

Wraz z rozwojem sterowników do elektronicznego papieru, na rynku pojawiły się rozwiązania pozwalające na pracę w różnych trybach o odmiennych częstotliwościach odświeżania ekranu, które wpływają na dokładność odwzorowania treści. Inżynier może dzięki temu uzyskać bardziej płynną, ale mniej dokładną prezentację obrazu. Innym trybem będzie przełączenie się w kolor jednobitowy, tj. taki, w którym nie ma odcieni szarości. Dzięki temu sterownik może bardziej "energicznie" przełączać piksele, redukując czas odświeżania nawet 4- czy 5-krotnie, względem 4-bitowej palety szarości. Dalsze ograniczenie precyzji pozwala na dalsze 2-krotne zmniejszenie czasu odświeżania i w konsekwencji już nawet na prezentowanie prostych, monochromatycznych animacji.

Pewnym problemem z technologią EPD jest trudność pracy w ujemnych temperaturach, kiedy to barwnik zawieszony w poszczególnych komórkach wyświetlacza zaczyna wolniej się poruszać przez gęstnienie zawiesiny. Niemniej na rynku pojawia się coraz więcej wyświetlaczy, które w różne sposoby radzą sobie z tym zjawiskiem. Można więc dostać już papier elektroniczny, przeznaczony do pracy na zewnątrz budynków czy też papier w bardzo cienkich obudowach (open frame), umożliwiających montaż w ciasnych przestrzeniach.

Podsumowanie

Stojąc przed wyborem wyświetlacza, konstruktor już w założeniach projektowych powinien mieć opisane, jakiego rodzaju wyświetlacz ma być zastosowany. Choć poszczególne technologie nachodzą na siebie obszarami zastosowań, w większości aplikacji już w ramach podstawowej specyfikacji podaje się kluczowe parametry wyświetlacza. Rolą inżyniera jest znalezienie odpowiedniego modelu, który najlepiej spełni wymogi i w tym zakresie wybór produktów, obecnie dostępnych na rynku może onieśmielać. Znajomość obecnych trendów i kluczowych parametrów wyświetlaczy na pewno ułatwi zadanie stojące przed konstruktorem.

Marcin Karbowniczek, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
wrzesień 2019
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów