Wyświetlacze do urządzeń przenośnych

Projektowanie urządzenia przenośnego nakłada na elektronika dodatkowe ograniczenia, które nie pojawiają się w przypadku sprzętu stacjonarnego. Wymiary, ciężar i pobór mocy stają się kluczowe do osiągnięcia sukcesu rynkowego produktu. Jednocześnie klienci oczekują, że jakość i parametry urządzeń przenośnych nie będą odbiegały zbytnio od tego, czego można doświadczyć w "dużym" sprzęcie.

Najlepszym przykładem tej tendencji są nowoczesne smartfony, wyposażone w kilkurdzeniowe mikroprocesory oraz wyświetlacze o rozdzielczości typowego, kilk udziesięciocalowego telewizora. Oczywiście, komponentów o takich parametrach nie stosuje się w tańszym sprzęcie elektronicznym, ale wyznaczają one kierunek, w którym ewoluują produkty z "niższych półek".

Wyświetlacz dla mobilnych

Jaki więc powinien być dobry wyświetlacz do urządzenia przenośnego?

Generalnie, powinien być nieduży z tym, że jego długość i szerokość są dobierane w zależności od konkretnej aplikacji i nie da się powiedzieć, że najlepsza jest jakaś jedna wielkość. Ważniejsza jest natomiast grubość, przy czym trzeba pamiętać, że odchudzanie wierzchniej warstwy ekranu odbywa się kosztem jej wytrzymałości.

Ponadto, ze względów konstrukcyjnych, im mniejszą przekątną ma wyświetlacz, tym może być cieńszy, choć nie zawsze tak jest. Warto też pamiętać, że do grubości wyświetlacza często jest doliczana grubość panelu dotykowego. Jeśli wyświetlacz nie jest w niego standardowo wyposażony, a chcemy w projekcie zaimplementować obsługę dotyku, trzeba będzie doliczyć grubość i ciężar panelu.

Oczywiście, jak w przypadku każdego urządzenia przenośnego, istotny może też być ciężar wyświetlacza, jednak najczęściej nie jest on głównym kryterium jego wyboru.

Bardzo duże znaczenie w aplikacjach przenośnych będą miały: pobór mocy oraz napięcie zasilania. Ograniczona dostępność energii wymaga minimalizacji jej zużycia. Dobierając wyświetlacz warto też zwrócić uwagę na możliwość łatwego i szybkiego wygaszania lub wyłączania go, gdy nie jest akurat używany.

Bardzo często prąd pobierany w czasie spoczynku ma kluczowe znaczenie dla czasu pracy urządzenia na baterii. Trzeba też pamiętać o napięciu zasilania dostępnym w urządzeniu. Nierzadko wyświetlacze wymagają wyższego napięcia, niż dostarczane przez akumulator i w efekcie staje się konieczne zastosowanie dodatkowej przetwornicy, która nie tylko zwiększa koszt i ciężar urządzenia, ale również powoduje dodatkowe straty mocy.

Dlatego do urządzeń mobilnych najkorzystniej jest stosować wyświetlacze wymagające niskiego napięcia zasilania, np. LCD z podświetleniem diodowym zamiast z lampą CCFL.

Wydawałoby się, że pobór prądu przez układ podświetlający można ograniczyć wybierając model o małej jasności, ale trzeba pamiętać, że urządzenia przenośne bardzo często są użytkowane na otwartym powietrzu, w świetle słonecznym.

Wtedy to, jeśli wyświetlacz nie ma wystarczająco dużej jasności, staje się zupełnie nieczytelny. Dlatego w praktyce, w przypadku urządzeń mobilnych, bardzo ważne jest stosowanie wyświetlaczy o dużej jasności, które w razie potrzeby można skutecznie przyciemniać.

Alternatywą jest używanie wyświetlaczy w ogóle niemających aktywnego podświetlenia, tj. takich, które działają w oparciu o światło padające z otoczenia. Przykładem są wyświetlacze LCD z warstwą refleksyjną lub tzw. elektroniczny papier. Niestety, w praktyce większość tego typu konstrukcji staje się nieczytelna w przypadku, gdy w otoczeniu jest mało światła.

Czytelność, to nie tylko jasność

Czytelność w otoczeniu o zróżnicowanym oświetleniu ograniczają natomiast refleksy świetlne. Te zależą głównie od zastosowanych warstw antyrefleksyjnych. Jakiś czas temu pojawił się nawet wyraźny podział na wyświetlacze matowe i błyszczące, z czego te pierwsze były bardziej czytelne, bo mniej odbijały światło, ale te drugie pozwalały uzyskać znacznie bardziej nasycone kolory.

Na szczęście prawdziwie błyszczące ekrany nie zyskały trwałej popularności w urządzeniach mobilnych, a producenci polepszyli parametry stosowanych warstw antyrefleksyjnych, jednocześnie zwiększając nasycenie uzyskiwanych kolorów. Obecnie, dla dobrych wyświetlaczy, współczynnik odbicia światła z otoczenia nie przekracza 2%, a bywają też sytuacje, gdy wynosi jedynie 0,5%.

Przyjmując jako kryterium doboru wyświetlacza jakość powłoki antyrefleksyjnej trzeba jednak pamiętać, że ważna jest wierzchnia warstwa urządzenia. Jeśli na wyświetlacz będziemy nakładali samodzielnie panel dotykowy, ilość odbijanego światła znacznie się zmieni, a warstwa antyrefleksyjna na wyświetlaczu przestanie spełniać swoje zadanie. Dlatego najczęściej, gdy projekt zakłada zastosowanie ekranu dotykowego, warto jest kupować wyświetlacze zintegrowane z panelem dotykowym przez producenta komponentu.

Niemałe znaczenie mogą mieć też kąty obserwacji ekranu. O ile zazwyczaj im są one większe, tym lepiej, to zdarzają się sytuacje, gdy producent celowo je ogranicza. W przypadku większości urządzeń, korzystne jest, by ekran z danymi był widoczny nie tylko na wprost, ale również z szerokiego kąta. Bywa jednak i tak, gdy ważne jest, by osoby postronne, poza użytkownikiem sprzętu, nie były w stanie odczytać treści prezentowanych na wyświetlaczu. Wtedy warto poszukać ekranu o odpowiednio niskim kącie obserwacji.

Sama rozdzielczość wyświetlacza powinna być oczywiście dobrana do wymagań projektu, ale warto mieć na uwadze fakt, jakie ma ona znaczenie dla użytkownika. Ze względu na ograniczoną rozdzielczość oka ludzkiego, ta sama rozdzielczość przy danej wielkości ekranu będzie różnie odbierana w zależności od odległości, z której widz patrzy na wyświetlacz.

Na rynku pojawiły się już bardzo drogie, nowoczesne wyświetlacze o gęstości upakowania pikseli przekraczającej 300 punktów na cal, przy której pojedyncze punkciki ekranu przestają być odróżnialne z odległości kilkudziesięciu centymetrów. Jeśli przewidywana odległość oka użytkownika od ekranu będzie większa, zastosowanie wyświetlacza o mniejszej gęstości rozmieszczenia pikseli będzie dawało takie samo wrażenie.

W praktyce przyjmuje się, że im ekran większy, tym użytkownik będzie na niego patrzył z większej odległości, co pozwala zredukować wymaganie odnośnie współczynnika PPI (pixels per inch) wyświetlacza. Trzeba też pamiętać, że większa rozdzielczość ekranu wymaga obsłużenia większej liczby pikseli, a więc i większej mocy obliczeniowej, której uzyskanie powoduje zwiększenie poboru mocy.

Wybrane modele

Aktualne trendy na rynku w Polsce wskazują, że wyświetlacze OLED, pomimo że wciąż są mniej popularne niż LCD, stanowią coraz częstszy wybór w przypadku aplikacji mobilnych. W efekcie, to wśród nich znajdziemy najwięcej modeli należących do grupy najchętniej kupowanych do urządzeń przenośnych.

Dobrym przykładem jest model OLED-PM096MA z oferty firmy Maritex. Jest to wyświetlacz graficzny o przekątnej jedynie 0,96 cala i rozdzielczości 128×64 piksele. Monochromatyczny - bursztynowy. Cechuje się dobrym kontrastem (2000:1), a jego kąt obserwacji to 160°. Co więcej, może bezpiecznie pracować w temperaturach od -40 do + 70°C. Jego wyprowadzenia znajdują się na taśmie FPC przeznaczonej do bezpośredniego lutowania na płytce drukowanej. Ma sterownik SSD1308Z.

Drugim z bardzo popularnych produktów u tego dystrybutora jest PM154MB-C o rozdzielczości 128×64 pikseli. Jest monochromatyczny - niebieski, i ma takie same: kontrast, kąty obserwacji i temperatury pracy jak PM096MA. Różni się sterownikiem (SSD1305) i sposobem montażu. Zastosowano w nim tasiemkę do gniazda ZIF.

Od lat, do najbardziej popularnych wyświetlaczy stosowanych w urządzeniach elektronicznych należą alfanumeryczne LCD z dwiema liniami po 16 znaków. Są one też wykorzystywane w sprzęcie przenośnym, w związku z czym na rynku pojawiły się już nowsze alternatywy - wyświetlacze graficzne o niskim poborze mocy i wymiarach identycznych z typowymi LCD 2×16.

Dobrym przykładem jest LCD-AG-C128032-FHW K/W E6 PBF o rozdzielczości 128×32 piksele. Może być zasilany napięciem 3,3 V, a jego podświetlenie zbudowane jest w oparciu o jedną diodę LED, pobierającą jedynie 18 mA prądu. Korzysta ze sterownika UC1601, dzięki czemu może być obsługiwany poprzez interfejsy I²C i SPI.

Bogatą ofertę wyświetlaczy do urządzeń przenośnych ma firma Ampire. Szczególnie interesujące wydają się być modele o wymiarach 3,5" i 4,3", które cechują się dużą jasnością i mają specjalne powłoki antyrefleksyjne. Wynosi ona 500 cd/m². Przykładem może być model AM-320240L8TNQW-C0H-F, którego współczynnik odbicia wynosi od 0,5% do 2%.

Alternatywą może być zastosowanie jaśniejszego wyświetlacza, takiego jak AM-480272H7TMQW-02H, którego jasność sięga 800 cd/m2, bez zastosowania panelu dotykowego. Jego rozdzielczość to 480×272 piksele, przy przekątnej 4,3 cala. Wymaga zasilania napięciem 3,3 V dla obwodów logicznych oraz 16 V dla diod LED podświetlenia. Zaletą jest także duża, 24-bitowa paleta kolorów. Warto dodać, że żywotność podświetlenia w temperaturze 25°C wynosi 20 tysięcy godzin.

Dużą ofertę monochromatycznych, energooszczędnych wyświetlaczy OLED, ma firma Winstar. Za przykład może posłużyć model WEX012864QLPP3N00000 o rozdzielczości 128×64 piksele i wymiarach 73×41,86 mm. Jego grubość to 3 mm, a ciężar 20,5 g. Ma pasywną, monochromatyczną matrycę koloru żółtego. Wymaga jednak podwójnego zasilania: 3,3 V dla układów logicznych i 15 V dla diod świecących. Może pracować w temperaturze od -30 do +70°C.

Wyświetlacze OLED oferuje też Densitron, który jeszcze do niedawna produkował modele z aktywną matrycą. Obecnie skoncentrował się na wersjach pasywnych, takich jak np. kolorowy DD-128128FC-6A. Charakteryzuje się on kwadratową matrycą o rozdzielczości 128×128 pikseli i wymiarach 26,855 mm×26,864 mm. Waży niecałe 4 gramy i można się z nim komunikować za pomocą interfejsu równoległego lub szeregowego.

Co ważne, jego napięcie zasilania wynosi tylko 2,8 V. Warto dodać, że stosując kwadratowy ekran uzyskujemy maksymalną powierzchnię wyświetlania, przy minimalizacji wymiarów zewnętrznych i choć format ten nie jest często stosowany, w niektórych specyficznych urządzeniach może być bardzo korzystnym wyborem.

Do dosyć popularnych w Polsce producentów wyświetlaczy zaliczyć należy także firmę Display Elektronik. Interesującym, choć niezbyt tanim modelem z jej oferty jest DEP128064K-Y, żółty pasywny OLED. Jego rozdzielczość ot 128×64 piksele, a wymiary zewnętrzne modułu to 70,9 mm×41,86 mm×2,01 mm.

Ramka naokoło ekranu jest wąska, a czas życia szacowany jest na 30 tysięcy godzin przy jasności 80 cd/m². Jak większość OLED-ów, cechuje się dobrym kontrastem, który wynosi 2000:1. Jego kąt obserwacji to 160°. Niestety, wymaga dwóch napięć zasilania: 2,7 V dla układów logicznych i 15 V dla diod świecących.

Podsumowanie

Dostępna oferta wyświetlaczy dosyć szybko się zmienia, przy czym to względnie nowe modele są częściej zastępowane jeszcze nowszymi wersjami, podczas gdy niektóre stare, stanowiące pewnego rodzaju standard przemysłowy, produkowane są od lat w praktycznie ten sam sposób.

Najwięcej nowości widać teraz w segmencie jasnych, ale energooszczędnych wyświetlaczy o dużym kontraście, czego efektem jest silny rozwój OLEDów. W trakcie pisania tego artykułu, kilku producentów pytanych o polecane lub popularne wyświetlacze informowało, że właśnie zamierzają wprowadzić nowe rodziny produktów, ale ich pełne karty katalogowe nie są jeszcze dostępne.

Część z tych modeli zostało już zaprezentowanych na niedawnych targach Embedded World w Norymberdze, ale nie trafiły one jeszcze do seryjnej produkcji. Niemniej, należy się spodziewać, że za miesiąc lub dwa wiele z nich pojawi się na rynku.

Marcin Karbowniczek, EP