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Verfahren zur Ansteuerung einer multiplexierbaren, bistabilen Flussigkristallanzeige
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Ein solches Verfahren ist bekannt aus US-A-4 317 115.
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Eine bistabile Flüssigkristallanzeige unterscheidet sich von der üblichen
Flüssigkristallanzeige durch ein Hysterese verhalten in der Helligkeit-Spannungskurve.
Das bedeutet, dass es in einem bestimmten Bereich der angelegten Betriebsspannung
zwei mögliche optische Zustände gibt. Die Flüssigkristalle, die für eine solche
Anzeige verwendet werden, bestehen beispielsweise aus einem nematischen Flüssigkristall
mit einem chiralen Zusatz. Wird nun die obenerwähnte Betriebsspannung angelegt,
so befindet sich der FlUssigkri stall in einem von zwei optisch unterscheidbaren
Zuständen, so dass die Anzeige z.B. entweder dunkel oder hell ist, je nachdem, auf
welchem Zweig der Hysterese-Schleife sich das betreffende Anzeigeelement bei dem
genannten Betriebsspannungswert befindet.
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In US-A-4 317 115 wird von dem obengenannten Bistabilitätseffekt Gebrauch
gemacht. Das dort beschriebene Ansteuerverfahren verwendet eine Haltespannung, bei
welcher die Anzei-
geelemente einer Flüssigkristallmatrixanzeige
zwei verschie dene optische Zustände (hell oder dunkel) annehmen können Durch Anlegen
einer Schreibspannung an bestimmte Elemente gehen diese Anzeigeelemente in den hellen
optischen Zustand über. Dann wird die Haltespannung wieder angelegt und die betreffenden
Anzeigeelemente verbleiben in diesem (hellen) Zustand. Dabei ist die Haltespannung
der quadratische Mittelwert der an einem Anzeigeelement angelegten Spannung differenz
der Multiplexsignale. Da diese Haltespannung und die Schreibspannung bei einem hohen
Multiplexgrad sehr nah zusammenliegen müssen, ist der Kontrast bei dieser Betriebsspannung
nicht besonders gut. Aus diesem Grunde ist die Anzeigefläche unterteilt in ein Schreibgebiet,
das fünf Zeilen umfasst, und in ein Halte- Gebiet, das geschriebene und noch zu
schreibende Zeilen umfasst. Die Anzeige-Elemente des Schreibgebietes liegen an einer
höhen ren Haltespannung als die Anzeige-Elemente des Halte Ge; bietes. Ueber eine
Schreibspannung, deren Amplitude grösser ist als die höhere Haltespannung, werden
nur die ausge wählten Anzege-Elemente in den optisch hellen Zustand versetzt. Die
nicht-ausgewählten Anzeige-Elemente vebleiben in dem optisch dunklen Zustand.
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Abgesehe-n vom schaltungstechnischen Aufwand, den die Un terteilung
in die verschiedenen Gebiete mit sich bringt, hat das bekannte Verfahren den Nachteil,
dass nur jeweils gebietsweise geschrieben werden kann. Dies geht relativ langsam,
da die Anzeige-Elemente des Schreibgebietes zunächst auf die angelegte Betriebsspnnung
ansprechen müssen, bevor das nächste Gebiet geschrieben werden kann.
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Ein zweiter erheblicher Nachteil besteht darin, dass die Anzeige beim
bekannten Verfahren trotzdem keinen optimalen Kontrast vorweisen kann Eingehende
Untersuchungen haben ergeben, dass je nach Höhe der Haltespannung der optisch helle
Zustand nach einiger Zeat spontan in den optisch dunklen Zustand übergeht, wobei
die Speicherzeit von der
Haltespannung abhängig ist. Insbesondere
wird mit abnehmender Haltespannung die Speicherzeit des optisch hellen Zustandes
kleiner. Die Anzeige muss deshalb ständig aufgefrischt werden, etwa alle zehn Sekunden,
auch wenn die angezeigte Information weiter nicht geändert wird. Dadurch entstehen
aber unerwünschte Flicker-Erscheinungen.
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Der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet
ist, liegt die Aufgabe zugrunde, das obengenannte Verfahren derart zu verbessern,
dass die Information nicht mehr gebietsweise, d . h. zeitlich gestaffelt, geschrieben
wird und auch nicht mehr aufgefrischt werden muss, sondern eine sofortige, stete
und kontrastreiche Anzeige der gesamten Anzeigefläche erreicht wird.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einer
bistabilen Flüssigkristallanzeige Betriebsspannungen gibt, bei denen zwei verschiedene
optische Zustände der Anzeige auftreten, jedoch nur einer dieser Zustände zeitlich
stabil ist. Dies bedeutet, dass der andere Zustand nach einer bestimmten Zeit, die
von der angelegten Betriebsspannung abhängig ist, in d.en einen Zustand Ubergeht,
Diese Eigenschaft bistabiler Flüssigkristalle wird von der Erfindung ausgenützt,
wobei die Schaltzeit zwischen zwei verschiedenen optischen Zuständen hauptsächlich
von der Speicherzeit des optisch metastabilen Zustandes bestimmt wird. Eine weitere
Erkenntnis der Erfindung ist es, dass der erste optische Zustand nur oberhalb einer
ersten Grenzspannung und der zweite optische Zustand nur unterhalb einer zweiten
Grenzspannung stabil sind.
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Die Erfindung bietet den erheblichen Vorteils dass nunmehr die gesamte
Anzeigefläche einer Flüssigkristallanzeige mit Hysterese-Effekt gleichzeitig (d.h.
seitenweise) zur Anzeige gebracht wird. Die alte Information wird mit einem Schreibspannungspu-s
gelöscht und die neue Information wird nach dem üblichen Multiplexverfahren, wie
es bei nicht-
bistabilen Flüssigkristallanzeigen verwendet wird,
zur Anzeige gebracht, so dass die Anzeige nicht mehr zeitlich aufgefrischt weiden
muss Zudem wird ein optimaler Kontrast erreicht, da für die ausgewählten und die
nicht-ausgewählten Anzeige-Eemente zwei verschiedene Betriebsspannungen verwendet
werden. Ein solches Verfahren ist deshalb besonders geeignet für Videotext-Anwendungen
oder für Speicheroszilloskope.
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Die Erfindung wird rd nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Beispiele näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. l den Graphen des prinzipiellen Verlaufs
der Helligkelts-Spannungskurve einer bistabilen Flüssigkri stallanzeige; Fig. 2
eine Schaltungsanordnung mit zwei Flüssigkristallzelien zur Verdeutlichung der Wirkungsweise
der Erfindung; Fig. 3 das Blockschaltbild einer beispielsweisen Schaltung anordnung
zur Anwendung des erfindungsgemässen Ansteuerverfahrens für Multiplex-Betrieb; Fig.
4 die Rechteckspannungen zur Erzeugung der Schreib spannung; Fig. 5 den Graphen
der Helligkeit-Spannungskrve einer für das erfindungsgemässe Ansteuerverahren hergestellten
Flüssigkristallanzeige, und Fig. 6 einen Graphen welcher die Abhängigkeit zwischen
Betriebsspannung und minimaler Schreibzeit der vorgenannten Flüssigkristallanzeige
zeigt.
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In Figur 1 ist die Abszisse die Spannung V> die Ordinate die Intensität
I der Helligkeit. Im Bereich der Hysterese-
Schleife weist die Anzeige
bei einer bestimmten Betriebsspannung einen von zwei möglichen optischen Zustände
auf.
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Bei einer Betriebsspannung V1 oberhalb einer Grenzspannung Vgl ist
nur der erste optische Zustand 1 (hell) stabil.
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Der zweite optische Zustand 2 (dunkel) ist bei dieser Betriebsspannung
metastabil und geht daher nach einer -bestimmten Zeit in den Zustand 1 über. Die
Speicherzeit des metastabilen Zustandes ist von der Betriebsspannung abhängig und
ist umso kürzer, je weiter die Betriebsspannung V1 von der Grenzspannung Vgl entfernt
ist. Bei einer Betriebsspannung V2 unterhalb der Grenzspannung Vg2 ist nur der zweite
optische Zustand 2 (dunkel) stabil. Der erste Zustand 1' (hell) ist hier metastabil
und geht daher nach einer bestimmten Zeit in den Zustand 2 über. Es gelten ferner
die analogen Ueberlegungen wie für die Betriebsspannung V1. Je weiter die Betriebsspannung
V2 von der Grenzspannung V entfernt ist, desto kürzer ist die Speicherg2 zeit des
ersten optischen Zustandes 1'. Durch Anlegen einer ausserhalb der Hysterese-Schleife
liegenden Schreibspannung V5 an ein Anzeigeelement und durch anschliesserdes Anlegen
einer Betriebsspannung, V1 oder V2 wird das Anzeigeelement in einen definierten
optischen Zustand 1 oder 2 versetzt.
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Es versteht sich, dass z.B. durch geeignete Wahl des Flüssigkristalls
oder durch Verwendung von Polarisatoren auch der erste optische Zustand 1 dunkel
und der zweite optische Zustand 2 hell sein können.
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Die Grenzspannungen Vgl und Vg2 lassen sich durch Beobachtungen unter
einem Mikroskop äusserst genau bestimmen.
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Dazu wird die angelegte Betriebsspannung von 0 Volt an langsam erhöht.
In dem Gebiet zwischen den Grenzspannungen V und Vg2 treten streifenförmige optische
Erscheinungen gl g2 auf, die unmittelbar verschwinden, sobald die Betriebsspannung
oberhalb der ersten Grenzspannung Vgl oder unterhalb der zweiten Grenzsp-nnung Vg2
liegt. Es gibt aber auch Flassigkristallmisclungen mit Hysterese-Verhalten, bei
denen die soeben erwähnten streifenförmigen optischen Er-
scheinungen
nicht auftreten. Dann fallen V und V zu gl g2 einer Grenzspannung zusammen, unterhalb
derer der eine optische Zustand und oberhalb derer der andere optische Zustand stabil
ist.
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Die prinzipielle Wirkungsweise des erfindungsgemässen Ver fahren soll
zunächst anhand einer stark vereinfachten Flüs sigkristallanzeige erläutert werden.
In Fig. 2 sind mit A und B zwei gleichartig aufgebaute Flüssigkristallzellen bezeichnet.
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Die Zelle A liegt an einer Spannung V1 und die Zelle B an der Spannung
V2. V1 und V entsprechen dabei den Betriebs-V2 1 2 spannungen 7 wie sie mit Fig.
1 definiert wurden. Durch einen doppelten Umschalter U (Taster) lassen sich beide
Flüssigkristallzellen A B mit einer Spannung V5 beaufschlagen, wobei die Spannung
V so gross ist, dass sie 5 rechts von der Hysterese-Schleife (Fig. 1) liegt (}erstes
Ansteuerverfahrenl'). Nach kurzzeitigem Betätigen des doppelten Umschalters U, wodurch
während z.B. 30 msec an bei den Zellen die Spannung Vs liegt, weisen beide Zellen
A, B die optischen Zustände 1, 1' (Fig. 1) auf. Die Zelle B befindet sich jedoch
im metastabilen optischen Zustand (Punkt 11 auf der Kurve Fig. 1). Je nach Höhe
der Span nungsdifferenz V2 - Vg2 geht dieser metastabile Zustand mehr oder weniger
rasch und ohne äusseres Zutun in den stabilen Zustand (Punkt 2 der Kurve Fig. 1)
huber, während die Zelle A in dem stabilen Zustand 1 bleibt.
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Wie vorstehend dargelegt ist der Zustandswechsel in Zelle B zeitlich
von der Spannungsdifferenz Vg2 - V2 abhängig Je näher V2 an V liegt, desto langsamer
erfolgt der Ueberg2 gang von Punkt 1' nach Punkt 2.
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Aus den vorstehenden Ausführungen erhellt, dass die Ansteuerung auch
in der Weise erfolgen kann, dass mit einer Schreibspannung V = 0 geschrieben wird
("1zweites Ansteuer
verfahren"). Nach kurzzeitigem Betätigen des
doppelten Umschalters U wodurch während z.B. 100 msec an beiden Zellen die Spannung
V5 = 0 liegt, weisen beide Zellen A, B die optischen Zustände 2, 2' (Fig. 1) auf.
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Die Zelle A befindet sich dann jedoch im metastabilen optischen Zustand
(Punkt 2' auf der Kurve Fig. 1). Je nach Höhe der Spannungsdifferenz V1 - Vgl geht
dieser metastabile Zustand mehr oder weniger rasch und ohne äusseres Zutun in den
stabilen Zustand (Punkt 1 der Kurve Fig. 1) über, während die Zelle B in dem stabilen
Zustand 2 bleibt.
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Wie vorstehend dargelegt ist der Zustandswechsel in Zelle A zeitlich
von der Höhe der Spannungsdifferenz Vgi V1 abhängig. Je näher V1 an Vgl liegt, desto
langsamer erfolgt der Uebergang von Punkt 2' nach Punkt 1.
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Beim für Flüssigkristallanzeigen üblichen Multiplexbetrieb ist man
in der Wahl der Betriebsspannungen V1 und V2 nicht frei. Durch Vorgabe des Multiplexgrades
ist das Verhältnis V1/V2 festgelegt und nähert sich mit zunehmendem Multiplexgrad
dem Wert 1 (vgl. IEEE Trans. on El.- Dev. Vol ED 21, No. 2, Februar 1974, Seiten
146-155).
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Im vorliegenden Fall bedeutet dies, dass nur V1- oder nur V2 frei
gewählt werden kann. Bei dem ersten Ansteuerverfahren (VsH Y1) wird die Betriebsspannung
V1 möglichst nahe Vg1 gelegt. Bei dem zweiten Ansteuerverfahren (V5« V2) liegt V2
möglichst nahe bei Vg2 Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemässen
Ansteuerverfahrens einer Punktmatrix-Flüssigkristallanzeige 9. Dazu ist eine Eingabestelle
1, z.B ein Telefon mit Modem, an eine Speichereinheit 2 angeschlossen. Ein Zwischenspeicher
3 ist mit der Speichereinheit 2 verbunden. Der Zwischenspeicher 3 ist mit einem
Schieberegister 4 veßrbunden, das seinerseits mit einem Zeilenspeicher 5 unt einem
Spalten-Treiber 6 verknüpft
ist. Die Ausgänge des Spalten-Treibers
6 sind über eine erste Schalteinheit 7 mit den Spaltenelektroden 8 der Punkt matrix-Flüssigkristallanzeige
9 verbunden. Ein Taktgenerator 10 ist mit der Speichereinheit 2s dem Zwischenspeicher
3, dem Schieberegister 4 und einem Pulsgenerator 11s der zeitlich verschobene Fulssignale
17 erzeugt, verknüpft Der Pulsgenerator 11 ist verbunden mit einem Zeilen-Treiber
12, dessen Ausgänge über eine zweite Schalteinheit 13 mit den Zeilenelektroden 14
verbunden sind. Die Schalteinheiten 7 und 13 bestehen aus mehreren Umschaltern,
die synchron mit einem Schreibspannungspuls 18 geschaltet werden der von der Speichereinheit
2 erzeugt wird. Die Schalteinheit 7 ist weiterhin mit einer Spannungsquelle 159
die Schalt einheit 13 mit eier Spannungsquelle 16 verbunden. Die Schalteinheiten
7 und 13 bestehen bevorzugt aus Halbleiterschaltern, wie beispielsweise CMOS-Transistoren.
Selbstverständlich können das Schieberegister 4, der Zeilenspeicher 5, der Spaltentreiber
6 und die Schalteinheit 7 als integrierter Baustein angeordnet sein. Analoges gilt
für den Pulsgenerator 11, den Zeilen-Treiber 12 und die Schalteinheit 13.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist besonders zweckmäs sig für
das erfindungsgemässe Ansteuerverfahren. Die Daten werden über die Eingabestelle
1 in der Speichereinheit 2 seitenweise gespeichert. Die nächste anzuzeigende Seite
wird dann in den Zwischenspeicher 3 gespeichert. Um diese Information auf der Anzeige
darzustellen, wird zuerst ein Schreibspannungsimpuls von ca. 30 ms Dauer auf die
Schalteinheiten 13 und 14 gegebene so dass die Spannungsquelle 16 mit allen Zeilenelektroden
14 verbunden ist und die Spannungsquelle 15 mit allen Spaltenelektroden 8. Wird
das erste Ansteuerverfahren angewendet, so liefert z.B.
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die Spannungsquelle 15 die in Fig. 4 dargestellte Rechteckspannung
VA und die Spannungsquelle 16 die Rechteckspannung VB. Sie sind zeitlich verschoben,
so dass über jedes An zeigeelement der Flüssigkristallanzeige 9 die Schreibspan
nung
V5 anliegt. Die Schreibspannung V5 ist eine Wechselspannung, um die Zersetzung des
Flüssigkristalls zu vermeiden.
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Beim zweiten Ansteuerverfahren sind keine Spannungsquellen 15, 16
nötig. Die zu den Spannungsquellen führenden Leitungen sind mit der Masse verbunden,
so dass die Schreibspannung Vs gleich Null ist.
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Unmittelbar nach dem Schreibspannungsimpuls werden die gespeicherten
Zeilen der Seite vom Zwischenspeicher 3 in das Schieberegister 4 geschoben. Die
Seite wird dann nach dem üblichen Zeitmultiplexverfahren geschrieben. Dazu werden
zeitlich verschobene Pulssignale benötigt, die vom Pulsgenerator 11 geliefert werden.
Diese Signale werden dem Zeilen-Treiber 12 zugeführt, sa dass über die Anzeigeelemente
einer Matrixzeile die gewünschten Betriebsspannungen liegen (vgl. 'Elektroniker",
CH Nr. 2/1980 , Seiten EL1 - EL5). Damit wird die Anzeige nach dem oben verdeutlichten
Verfahren geschrieben. Mit Hilfe des Taktgenerators 10 wird dafür Sorge getragen,
dass die verschiedenen Abläufe in der richtigen Zeitfolge stattfinden.
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Das erfindungsgemässe Ansteuerverfahren-hat sich insbesondere bei
einer bistabilen Flüssigkristallanzeige der cholesterinischen-zu-nematischen Zustandsänderung
ausgezeichnet bewährt. Die dazu verwendete Anzeigezelle besteht aus zwei Trägerplatten
aus Glas mit Abstandshaltern aus Glasfasern, wie es bei den Drehzellen gebräuchlich
ist. Der Abstand zwischen den Trägerplatten beträgt 8,1 rm. Eine Oberflächenorientierung
der Flüssigkristallmoleküle durch die Trägerplatten mit einem Kippwinkel der optischen
Achse von 28 Grad wurde durch schräges Aufdampfen einer 10 nm dicken SiO- Schicht
unter einem Winkel von 5 Grad erreicht. Die Trägerplatten sind in der Zelle so zusammengestellt,
dass antiparallele Orientierungsschichten entstehen Die optischen Achsen des Flilssigkristalls
an den oberen und unteren Trägerplatten sind ieshalb parallel. Die Zelle wird reflek-
tiv
betrieben und besitzt dazu einen internen Reflektor aus Aluminiumpigmenten. Als
Flüssigkristall ist 98,25 Volu-.
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men-% der schwarzen Gast-Wirt-Mischung ZLI 1841 der Firma Merck, BRD,
mit einem chiralen Zusatz von 1,75 Volumen-% CB 15 der Firma British Drug House,
England, in die Zelle eingefüllt. Die interne Schraubensteigung der Mischung ist
dann 7,03 um und die cholesterische Wendel macht eine volle Drehung in der Zelle.
Die Zelle besitzt eine Punkt matrixanzeige mit 45 cm2 Anzeigefläche und 35 Zeilen,
und die Flüssigkristallschicht hat eine Dicke von 8 1 + 0,2 pm Die 35 Zeilen können
nach dem erfindungsgemässen Verfahren mit sehr gutem Kontrast zur Anzeige gebracht
werden, wobei das Umschalten der Anzeige bei Informationswechsel kaum störend wirkt
und keinerlei Flicker-Erscheinungen auftreten.
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Die gemessene Helligkeits-Spannungskurve dieser Zelle ist in Figur
5 gezeigt, und wurde aufgenommen bei einer Abtastrate von 30 mV/s und bei einer
Temperatur von 20°C.
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Auf der X-Achse ist die angelegte Betriebsspannung in Volt aufgezeichnet
auf der Y-Achse die Helligkeit in willktrlichen Einheiten.
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In Figur 6 ist die minimale Schreibzeit bei den verschiedenen Betriebs
spannungen der obengenannten Zelle aufgezeichnet. Die X-Achse bezeichnet die angelegte
Betriebsspannung in Volt, die Y-Achse die minimale Schreibzeit in Sekunden (logarithmische
Skala). Die Kurve A zeigt die minimale Schreibzeit des zweiten optischen Zustandes
(dunkel) Die Kurve B zeigt die minimale Schreibzeit des ersten optischen Zustandes
(hell) Zur Bestimmung der minimalen Schreibzeit des zweiten optischen Zustandes
(Kurve A) wird ein Schreibspannungsimpuls V5 von 8,0 Volt und 21 ms Pulsdauer angelegt
Die betreffende minimale Schreibzeit bei der angelegten Betriebsspannung
ist
dann die Zeit, die verläuft bis 90 % der Intensität des zweiten optischen Zustandes
(dunkel) erreicht ist.
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In Figur 6 ist dazu noch die Schreibspannungspulsdauer von 21 ms addiert,
so dass eigentlich die für das Schreiben der Anzeige massgebende Zeit - die effektive
Schreibzeit -auf der Y-Achse dargestellt ist. Bei dieser Anzeigezelle lässt sich
die erste Betriebsspannung V1, die gleich der ersten Grenzspannung Vgl ist, leicht
zu 2,15 Volt bestimmen. Wenn eine bestimmte minimale Schreibzeit verlangt wird,
er gibt sich die maximale Anzahl N der zu schreibenden Zeilen einfach anhand der
Formel
aus dem genannten Artikel in IEEE Trans. on El. Dev. Bei einer minimalen Schreibzeit
von beispielsweise einer Sekunde folgt aus Fig. 6 für die Betriebsspannung V2 =
1,82 Volt, so dass maximal 37 Zeilen nach dem erfindungsgemässen Verfahren angesteuert
werden können.
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Zur Bestimmung der minimalen Schreibzeit des ersten optischen Zustandes
(Kurve B) wird ein Schreibspannungspuls von 0 Volt und 100 ms Pulsdauer angelegt.
Analoge Ueberlegungen wie für den Fall der Kurve A gelten auch hier.
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Bei der oben erwähnten Anzeigezele sind die zweite Grenzspannung Vg2
- und somit die zweite Betriebs spannung V2 - und die erste Grenzspannung Vgl gleich,
und zwar 2,15 Volt. Wird in diesem Fall eine minimale Schreibzeit von einer Sekunde
verlangt, dann ist die erste Betriebsspannung 2,48 Volt, so dass maximal 50 Zeilen
nach dem erfindungsgemässen Verfahren angesteuert werden können6