Выбор редакции

Что такое сенсорный дисплей: принципы работы — подробное руководство

Наверняка все из вас пользуются компьютерами и мобильными устройствами, и лишь единицы в общем способны рассказать, как работают их процессоры, операционные системы и прочие компоненты.

В эру мобильных гаджетов у всех есть смартфон или планшет с сенсорным (ещё его называют интеллектуальным) экраном, и почти никто не знает, что такое этот сенсорный дисплей, как он работает и какие его виды существуют.

Содержание:

Что это такое

Сенсорный дисплей (экран) – это устройство для визуализации цифровой информации с возможностью оказывать управленческое воздействие посредством прикосновений к поверхности дисплея.

Основываясь на различных технологиях, разные дисплеи реагируют только на определенные факторы.

Одни считывают изменение ёмкости или сопротивления в области соприкосновения, другие на перепады температуры, некоторые сенсоры реагируют только на специальное перо, чтобы избежать случайных нажатий.

Рис. 1 – Сенсорная панель

Рис. 1 – Сенсорная панель

Мы рассмотрим принцип действия всех распространённых видов дисплеев, области их применения, сильные и слабые стороны.

Среди всех существующих принципов управления устройством посредством чувствительной к каким-либо факторам матрицы, обратим внимание на следующие технологии:

  • резистивная (4-5-ти проводная);
  • матричная;
  • ёмкостная и её варианты;
  • поверхностно-акустическая;
  • оптическая и иные менее распространённые и практичные.

В общем схема работы следующая: пользователь прикасается к области экрана, датчики передают контроллеру данные об изменении какой-либо переменной (сопротивления, ёмкости), тот рассчитывает точные координаты места соприкосновения и отправляет их процессору.

Последний, основываясь на программе, соответствующим образом реагирует на нажатие.

вернуться к меню ↑

Резистивные

Самый простой сенсорный экран – резистивный. Он реагирует на изменение сопротивления в области касания постороннего предмета и экрана.

Это самая примитивная и распространённая технология. Устройство состоит из двух основных элементов:

  • токопроводящая прозрачная подложка (панель) из полиэстера или иного полимера толщиной в несколько десятков молекул;
  • светопроводящая мембрана из полимерного материала (как правило, используется тонкий слой пластика).

На оба слоя напылен резистивный материал. Между ними расположены микроизоляторы в виде шариков.

Во время этапа эластичная мембрана деформируется (прогибается), соприкасается со слоем подложки и замыкает её.

Контроллер посредством аналого-цифрового преобразователя реагирует на замыкание. Он высчитывает разницу между исходным и текущим сопротивлением (или проводимостью) и координаты точки или области, где это осуществляется.

Практика быстро выявила недостатки таких устройств, и инженеры приступили к поиску решений, которые вскоре были найдены путём добавления 5-го провода.

Четырёхпроводной

Верхний электрод находится под напряжением 5В, а нижний заземлён.

Левый с правым соединены напрямую, они и являются индикатором изменения напряжения по оси Y.

Затем верхний с нижним закорачиваются, а на левый с правым подается 5В, чтобы считать X-координату.

Рис. 2 – Схема четырехпроводного интеллектуального экрана

Рис. 2 – Схема четырехпроводного интеллектуального экрана

Недостаток – при повреждении мембраны, что часто бывает при падении мобильного устройства, его ударах, сенсор перестаёт работать. Здесь на помощь приходит 5-й электрод.

Пятипроводной

Надёжность обусловлена заменой резистивного покрытия мембраны на токопроводящее.

Панель же изготавливается из стекла и остается покрытой резистивным материалом, а на её углах размещаются электроды.

Сначала все электроды заземляются, а мембрана находится под напряжением, которое постоянно мониторится тем же аналого-цифровым преобразователем.

Во время прикосновения контроллер (микропроцессор) улавливает изменение параметра и проводит расчёты точки/области, где напряжение изменилось по схеме с четырьмя проводами.

Рис. 3 – Пятипроводной сенсорный экран

Рис. 3 – Пятипроводной сенсорный экран

Важное преимущество – возможность наносить на выпуклые и вогнутые поверхности.

На рынке встречаются и 8-ми проводные экраны. Их точность выше, чем рассмотренные, но на надёжность это ни коим образом не влияет, а цена заметно отличается.

Заключение

Рассмотренные сенсоры используются повсеместно ввиду низкой себестоимости и стойкости к влиянию факторов внешней среды, таких как загрязнение и пониженные температуры (но не ниже нуля).

Они отлично откликаются на прикосновение практически любым предметом, но не острым.

Площади карандаша или спички, как правило, недостаточно для вызова реакции контроллера.

Ставятся такие дисплеи на терминалы для пополнения счета и перевода денег, используются в сфере обслуживания (офисы, банки, магазины), медицине и образовании.

Везде, где устройства изолированы от внешней среды, а вероятность быть повреждённым минимальна.

Невысокая надёжность (экран легко повредить) частично компенсируется защитной плёнкой.

Плохое функционирование на морозе, низкое светопропускание (0,75 и 0,85 соответственно), ресурс (не более 35 миллионов нажатий для терминала, которым постоянно пользуются, совсем немного) – слабые стороны технологии.
вернуться к меню ↑

Матричные

Более упрощенная резистивная технология, возникшая ещё до неё.

Мембрана покрыта рядами вертикальных проводников, а подложка – горизонтальными.

При нажатии происходит вычисление области, где сомкнулись проводники и полученные данные передаются в процессор.

Он уже вырабатывает управляющий сигнал и устройство определённым образом реагирует, например, выполняет закреплённое за кнопкой действие).

Рис. 4 – Схема матричного экрана

Рис. 4 – Схема матричного экрана

Особенности:

  • очень низкая точность (количество проводников весьма ограничено);
  • самая низкая цена среди всех;
  • реализации функции мультитач из-за опроса экрана по строчкам.

Используются только в устаревшей электронике и почти вышли из обихода ввиду наличия прогрессивных решений.

вернуться к меню ↑

Ёмкостные

Принцип основан на способности объектов большой ёмкости становиться проводниками переменного электрического тока.

Экран изготовлен в виде стеклянной панели с тонким слоем напыленного резистивного вещества.

Электроды по углам дисплея подают небольшое напряжение переменного тока на проводящий слой.

Рис. 5 – Схема ёмкостного экрана

Рис. 5 – Схема ёмкостного экрана

В момент соприкосновения осуществляется утечка тока, если предмет имеет большую электрическую ёмкость, чем экран.

По углам экрана регистрируется ток, а сведения с датчиков отправляются контроллеру на обработку. На их основании происходит вычисление области контакта.

В первых прототипах использовалось напряжение постоянного тока. Решение делало конструкцию проще, но часто возникали сбои, когда пользователь не соприкасался с землёй.

Данные девайсы очень надёжны, их ресурс превышает резистивные ~ в 60 раз (порядка 200 млн. нажатий), влагостойкие и отлично терпят загрязнения, не проводящие электрический ток.

Прозрачность находится на уровне 0,9, что немного выше, резистивных, и работают при температуре до — 150 С.

Недостатки:

  • не реагирует на перчатку и большинство посторонних предметов;
  • проводящее покрытие находится в верхнем слое и очень уязвимо к механическим повреждениям.

Используются в тех же банкоматах и терминалах под закрытым небом.

Проекционно-ёмкостные

На внутреннюю поверхность наносится электродная сетка, образующая с телом человека ёмкость (конденсатор). Электроника (микроконтроллер и датчики) работают над расчётом координат при соприкосновении пальца с дисплеем и отправляет расчёты центральному процессору.

Рис. 6 - Принцип работы проекционно-ёмкостного дисплея

Рис. 6 — Принцип работы проекционно-ёмкостного дисплея

Обладают всеми особенностями ёмкостных.

Вдобавок могут оснащаться толстой пленкой до 1,8 см, что повышает защиту от механических воздействий.

Токопроводящие загрязнения, где их тяжело или невозможно устранить, без проблем убираются программным методом.

Чаще всех иных устанавливаются в персональные электронные устройства, банкоматы и различную технику, установленную фактически под открытым небом (под накрытием). Apple также отдают предпочтение проекционно-ёмкостным дисплеям.
вернуться к меню ↑

Поверхностно-акустическая волна

Изготавливается в виде стеклянной панели, оснащённой пьезоэлектрическими преобразователями ПЭП, расположенными на противоположных углах, и приёмниками.

Их тоже пара и находятся на противоположных углах.

Генератор отправляет электрический сигнал ВЧ на ПЭП, тот превращает череду импульсов в ПАВ, а отражатели распространяют её.

Отраженные волны улавливаются датчиками и поступают на ПЭП, который преобразовывает их обратно в электричество.

Сигнал отправляется на контроллер, который анализирует его.

При касании параметры волны изменяются, в частности поглощается часть её энергии в определённом месте. На основании этой информации производится расчёт области касания и его силы.
Рис. 7 – Условная схема акустического дисплея

Рис. 7 – Условная схема акустического дисплея

Весьма высокая прозрачность (выше 95%) обусловлена отсутствием проводящих/резистивных поверхностей.

Порой для устранения бликов отражатели света вместе с приёмниками монтируются непосредственно на экран.

Сложность конструкции никоим образом не отражается на эксплуатации девайса с таким экраном, а число прикосновений в одной точке равняется 50 млн раз, что немного превышает ресурс резистивной технологии (65 млн. раз в общем).

Выпускаются с тонкой плёнкой порядка 3 мм и утолщенной – 6 мм. Благодаря такой защите дисплей выдерживает несильный удар кулаком.

Слабые стороны:

  • плохая работа в условиях вибрации и тряски (в транспорте, при ходьбе);
  • отсутствие стойкости к загрязнениям – любой посторонний предмет влияет на функционирование дисплея;
  • помехи при наличии акустических шумов определённой конфигурации;
  • точность немногим ниже, чем в ёмкостных, из-за чего непригодны для рисования.

вернуться к меню ↑

Иные разновидности

Что такое сенсорный экран и как он работает, мы разобрались. Напоследок познакомимся с малораспространёнными технологиями их функционирования.

Оптический

Верхняя панель оснащена подсветкой в инфракрасном диапазоне, из-за чего на границе воздух-стекло появляется эффект полного отражения, а между стеклом и пальцем или иным предметом свет рассеивается.

Для достижения эффектов либо устанавливается 4-й субпиксель ЖК-дисплея или же в проекционный экран монтируется камера.

Поддерживает мультитач и работу с большими поверхностями, вплоть до размеров полноценной школьной доски.

Рис. 8 – Многослойный оптический экран

Рис. 8 – Многослойный оптический экран

 Инфракрасный

Экран покрыт парами фотодиод-светодиод.

Светодиоды генерируют инфракрасные лучи, которые поглощаются соседними фотодиодами.

В момент прикосновения свет перестает поглощаться или его интенсивность падает, что отражается на снижении тока в светодиоде.

Событие фиксируется микроконтроллером, который и вычисляет координаты точки.

Рис. 9 – Оптопары очень точно определяют координаты прикосновения к стеклу

Рис. 9 – Оптопары очень точно определяют координаты прикосновения к стеклу

Из-за отсутствия подложек и прочих слоев, изменение цветопередачи, яркости, контраста и иных параметров картинки исключено. Оптопары очень чувствительны к влаге и загрязнениям, а также имеют небольшой срок службы. Прямые солнечные лучи могут вызывать сбои.

Индукционный

В экране находится катушка индуктивности и сеть чувствительных проводников, реагирующих только на перо, питающееся за счёт эффекта электромагнитной индукции.

Устанавливаются в дорогие планшеты, которыми пользуются, например, сотрудники банков.

Рис. 10 – Индукционная схема откликается только на специальный стилус

Рис. 10 – Индукционная схема откликается только на специальный стилус

Что такое сенсорный дисплей: принципы работы — подробное руководство
Проголосовать

Выбор редакции

Дмитрий Самолюк

«Только инновация отличает лидера от догоняющего»

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.
GEEK-NOSE.COM
Узнай первым о новых гиковских записях и фишках!
ПОДПИСАТЬСЯ
Закрыть
Geek-Nose
Register New Account
Пароль