Rezystancyjne ekrany dotykowe były jednym z pierwszych typów ekranów dotykowych rozpowszechnionych na rynku. Dzięki prostej budowie i względnej ekonomiczności stały się one częstym elementem sprzętu technicznego w wybranych branżach. Ich mechanizm działania nie jest jednak do końca jasny dla wielu użytkowników.
Rezystancyjny ekran dotykowy składa się z dwóch warstw pokrytych przewodzącym prąd związkiem metali i rozdzielonych podkładkami dystansowymi w celu prawidłowego rejestrowania dotyku. W chwili zetknięcia warstw system dokonuje pomiaru napięcia w określonym punkcie, a następnie określa współrzędne x i y punktu styku.
W tym artykule omówimy wszystko, co warto wiedzieć na temat anatomii tych ekranów i dokładnego sposobu pomiaru sygnału dotykowego. Przyjrzymy się też głównym podtypom rezystancyjnych ekranów dotykowych i porównamy je z nowoczesnymi alternatywami.
Konstrukcja
Typowy rezystancyjny ekran dotykowy składa się z czterech warstw połączonych przewodami elektrycznymi i przedzielonych podkładkami dystansowymi. Poniżej przedstawimy opisy poszczególnych warstw.
Warstwa górna
Górna warstwa rezystancyjnego ekranu dotykowego składa się zazwyczaj z cienkiego, elastycznego materiału, takiego jak politereftalan etylenowy (PET) lub polinaftalan etylenu (PEN). Warstwa jest przezroczysta i stanowi powierzchnię, której fizycznie dotyka użytkownik.
Podkładki dystansowe
Pod górną warstwą znajdują się niewielkie podkładki dystansowe lub siatka wykonana z materiału izolacyjnego, takiego jak szkło lub akryl. Podkładki pozwalają utrzymać stałą odległość między górną a warstwą przy braku nacisku na ekran. Siła nacisku wymagana do wywołania „zdarzenia dotyku” jest w większości podyktowana rozmiarem i przestrzenią pomiędzy podkładkami.
Warstwy przewodzące (ITO)
Poniżej i powyżej podkładek lub siatki dystansowej znajdują się powłoki przewodzące wykonywane zwykle z przezroczystego związku metali, jakim jest tlenek cynowo-indowy (ITO). Powłoki przewodzące prąd są nakładane na spodnią część warstwy górnej i wierzchnią część podłoża ekranu.
Warstwa dolna (podłoże)
Dolna warstwa pełni rolę swoistego fundamentu ekranu dotykowego. Zapewnia ona wsparcie strukturalne i pełni rolę podstawy dla warstw przewodzących prąd. Zazwyczaj jest ona wykonana ze szkła.
Połączenia elektryczne
Każda warstwa przewodząca jest połączona ze sterownikiem ekranu dotykowego przy pomocy przewodów elektrycznych. Rolą sterownika jest „odczytywanie” sygnału z układu elektrycznego w celu precyzyjnej identyfikacji punktu styku z ekranem.
Ponadto w cztero- i ośmioprzewodowych rezystancyjnych ekranach dotykowych stosuje się dodatkowo przeciwległe szyny zbiorcze. Każda szyna zawiera parę przewodów elektrycznych połączonych ze sterownikiem.
W pięcioprzewodowych ekranach dotykowych szyny zbiorcze zostały zastąpione elektrodami umieszczanymi w każdym rogu podłoża. Te elektrody są połączone przewodami biegnącymi po obwodzie dolnej warstwy ekranu. Ten typ ekranów zawiera również piąty przewód zintegrowany z górną warstwą z tworzywa PET.
Typy rezystancyjnych ekranów dotykowych
Na przestrzeni lat rezystancyjne ekrany dotykowe były poddawane wielu adaptacjom. Poniżej omówimy cztery najistotniejsze warianty.
Ekrany czteroprzewodowe
Czteroprzewodowe ekrany dotykowe zawierają pary przewodów z lewej i prawej strony górnej warstwy PET, które określa się mianem szyn zbiorczych. Górna warstwa szkła również zawiera po dwa przewody od strony spodniej i wierzchniej. Oznacza się je jako X+ (lewy), X- (prawy), Y+ (górny) i Y- (dolny).
Do powłoki ITO na warstwie górnej doprowadzane jest stałe napięcie różnicowe. Przykładowo, przyjmijmy, że do lewego przewodu (X+) doprowadzane jest 5 V, a do prawego (X-) 0 V. W momencie styku górnej i dolnej warstwy, wykrywane w środkowym punkcie napięcie wyniesie 2,5 V. W ten sposób układ może ustalić, że współrzędna x leży dokładnie na środku ekranu. Wyznaczenie współrzędnej y punktu styku odbywa się w ten sam sposób z udziałem przewodów Y+ i Y-. Kolejność doprowadzania napięcia może być odwrócona w zależności od konfiguracji układu.
Ekrany pięcioprzewodowe
Pięcioprzewodowe ekrany dotykowe odróżniają się od czteroprzewodowych tym, że nie dokonują pomiaru punktu styku na dwóch warstwach (górnej i dolnej). Zamiast tego współrzędne x i y są wyznaczane na warstwie dolnej. Naturalnie różnią się one także pod względem budowy.
Warstwa górna w pięcioprzewodowych ekranach dotykowych pełni funkcję sondy napięciowej. Sonda mierzy odległość od przewodów X- i X+, aby uzyskać współrzędną x oraz od Y- i Y+ w celu uzyskania współrzędnej y. W efekcie zarówno cztero- jak i pięcioprzewodowe ekrany dotykowe wyznaczają współrzędne w podobny sposób, acz z drobnymi różnicami.
Ekrany ośmioprzewodowe
Ośmioprzewodowe ekrany dotykowe są w dużym stopniu podobne do czteroprzewodowych, z tą różnicą, że z każdej strony ekranu znajduje się dodatkowy przewód podłączony do elektrody. W kwestii rejestrowania dotyku ten typ wyświetlacza działa identycznie do ekranów czteroprzewodowych.
Głównym zamysłem projektantów ośmioprzewodowych ekranów dotykowych było rozwinięcie koncepcji ekranów czteroprzewodowych i załatanie ich słabych stron. Wcześniejsze generacje ekranów czteroprzewodowych wymagały zarówno wstępnej, jak i okresowych kalibracji przez cały cykl użytkowy produktu.
Dodatkowe okablowanie w ośmioprzewodowych ekranach dotykowych służy do ponownego pomiaru napięcia. Uzyskane w ten sposób wartości są wykorzystywane do automatycznej kalibracji ekranu w przypadku występowania wahań w pomiarach z pozostałych czterech przewodów.
Warto jednak zaznaczyć, że ośmioprzewodowe rezystancyjne ekrany dotykowe zostały wdrożone tylko na niewielką skalę. Wynikało to głównie ze wzrostu jakości ekranów czteroprzewodowych i wprowadzenia na rynek pięcioprzewodowych ekranów dotykowych.
Matryca cyfrowa
Poprzednikiem opisanej wyżej gałęzi ekranów dotykowych są rezystancyjne ekrany dotykowe z matrycą cyfrową, które nie są już wykorzystywane we współczesnych technologiach.
Ekrany dotykowe z matrycą cyfrową rozpoznawały sygnał dotykowy tylko w określonych punktach, co znacząco zawężało ich możliwości w nowoczesnych funkcjach, takich jak rysowanie. Wspomniane ograniczenia wynikały przede wszystkim z faktu, że górna i dolna warstwa w tych ekranach nie była w całości pokryta ITO (jak w przypadku innych ekranów rezystancyjnych).
Zamiast tego, ekrany dotykowe z matrycą cyfrową wykorzystywały pionowe i poziome linie powłoki ITO. Przykładowo, warstwa dolna mogła być pokryta pionowymi pasami ITO, a górna poziomymi. Pod wpływem nacisku na ekran linie ITO przecinały się w określonych punktach, rejestrując w ten sposób sygnał dotykowy. Naturalnie, takie rozwiązanie pozostawiało problem sporej ilości „martwej przestrzeni”.
Zalety
Rezystancyjne ekrany dotykowe wyróżniają się szeregiem zalet, które gwarantują ich przydatność do wybranych współczesnych zastosowań.
Po pierwsze, wykorzystują one względnie prostą technologię w porównaniu do innych typów ekranów dotykowych, co przekłada się na ich ekonomiczność i wszechstronność w sytuacjach, gdzie koszt wykonania odgrywa istotną rolę. Oznacza to, że można je powszechnie spotkać w budżetowej elektronice użytkowej czy wdrażanych na szeroką skalę kioskach i stanowiskach obsługowych.
Ponadto, zważywszy na ich sposób rejestrowania dotyku, rezystancyjne ekrany dotykowe sprawdzają się w sytuacjach, gdy użytkownicy noszą rękawiczki. Oznacza to, że można je często spotkać w środowiskach przemysłowych, gdzie obowiązuje wymóg stosowania odzieży ochronnej.
Wady
Rezystancyjne ekrany dotykowe są obarczone istotnymi wadami, które wykluczają możliwość stosowania ich w wymagających środowiskach komercyjnych lub przemysłowych.
Po pierwsze, zastosowanie elastycznych warstw do rejestrowania dotyku wiąże się z dużym ryzykiem zużywania i degradacji ekranu. Z biegiem czasu może to skutkować spadkiem czułości lub precyzji sterowania, przez co ekrany tego typu gorzej sprawdzają się w krytycznych funkcjach i sytuacjach wymagających dużej dokładności gestów.
Po drugie, rezystancyjne ekrany dotykowe mają generalnie mniejszą przejrzystość optyczną niż np. ekrany pojemnościowe. Wynika to z faktu, że ekrany rezystancyjne składają się z zaledwie dwóch warstw rozdzielonych szczeliną powietrzną, co utrudnia osiągnięcie wysokiej przejrzystości.
Po trzecie, rezystancyjne ekrany dotykowe z reguły nie są w stanie rejestrować wielu sygnałów dotykowych jednocześnie, co ponownie wynika ze specyfiki ich konstrukcji.
Niektóre ekrany tego typu potrafią obecnie rozpoznawać dotyk w dwóch punktach, co umożliwia obsługę gestu ściskania (powiększenia), jednak dziesięciopunktowe sterowanie wielodotykowe jest nadal domeną ekranów pojemnościowych. W efekcie rezystancyjne ekrany dotykowe nie są wykorzystywane w sytuacjach wymagających jednoczesnego rejestrowania wielu sygnałów dotykowych, które występują dość często w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych.
Ekrany rezystancyjne a pojemnościowe
Choć na rynku istnieje wiele rodzajów ekranów dotykowych, w dzisiejszych czasach w większości zastosowań najczęściej spotyka się ekrany pojemnościowe i rezystancyjne. Rezystancyjne ekrany dotykowe były poprzednio standardem na rynku, ale od około 2010 roku wyparły je ekrany pojemnościowe.
Obecnie ekrany rezystancyjne pojawiają się głównie w niszowych rolach, np. w środowiskach przemysłowych, gdzie wymagane jest stosowanie rękawic ochronnych. Z kolei pojemnościowe ekran dotykowe stały się w dzisiejszych czasach normą we wszystkich zastosowaniach komercyjnych, przemysłowych i konsumenckich.
Ich główną przewagą jest brak problemów z postępującą degradacją, ponieważ składają się wyłącznie z pojedynczej warstwy szkła, zamiast dwóch elastycznych warstw. Ponadto pojemnościowe ekrany dotykowe oferują często opcję obsługi wielodotykowej, a także są generalnie bardziej czułe. Z tych względów ekrany pojemnościowe uznawane są za lepszy produkt w wielu różnych zastosowaniach.
