Dokunmatik ekranlar nasıl çalışıyor?

Dokunmatik ekranlar nasıl çalışıyorlar?
Dokunmatik ekranların çalışma prensipleri, kullanım amaçlarına ve bulunacakları yere göre birkaç farklı çeşitte olabiliyor. Bu tür ekranlarda günümüzde kullanılan üç temel teknoloji mevcut: Dirençli (Rezistif) Teknoloji, Yüzey Dalgası (Surface Wave) Teknolojisi ve Kızılötesi (Infrared) teknolojisi.

Dirençli Teknoloji 
Rezistif ve kapasitif teknolojiler, dokunmayı algılamak için bir nevi devre anahtarlama sistemiyle çalışırlar. İçi açılmış bir uzaktan kumanda veya hesap makinesi gördüyseniz, tuşların temasını sağlamak üzere basınç noktalarında birbirine çok yakın iki yüzey yerleştirildiğini ve bunların
üzerine baskı uygulandığında temas ederek devreyi tamamladıklarını görmüşsünüzdür. İşte rezistif ve kapasitif dokunmatik ekran teknolojilerinin de dokunulan yeri algılamak için kullandıkları prensip
aynıdır.
Rezistif teknolojide önemli olan, öncelikle tüm ekranı basınçla çalışan bir anahtarlama sistemi haline dönüştürebilmek. Bunun için özel bir yapıya sahip kaplama ekran üzerine sıkı bir şekilde yerleştirilir. Bu kaplama iki katmandan oluşur: Üstte dış etkilere dayanıklı polyester panel, altta ise direnç özelliği gösteren panel. Üstteki panelin de ön ve arka yüzeyleri de farklı özelliklere sahiptir. Ön yüzey dış etkilere dayanıklı bir yapı sunarken, arka yüzey ise yarı iletkendir. Dokunma
işleminin algılanması için, öncelikle üst kaplamadaki iletken yüzey ve alttaki dirençli kaplamanın bir şekilde birbiriyle temas etmesi gerekir. Ancak bunun bir dokunma etkisiyle olması gerektiğinden dolayı, her iki kaplama arasına yerleştirilen yüzlerce şeffaf ayıraç sayesinde paneller
arasından bir hava boşluğu oluşturarak iki kaplamanın durup dururken birbiriyle temas etmesini engellenir.

Dirençli dokunmatik ekranlarda kullanılan kaplamanın yapısı 

Ekranı kocaman bir anahtar haline getirdikten sonra sıra dokunulan pozisyonun nasıl algılanacağını ayarlamaya gelir. Alttaki dirençli kaplama, dört adet tel tarafından sürekli olarak sırayla düşey ve yatay eksenler üzerinde hareket eden +5 volt gerilimle beslenmektedir ve kaplamanın direnç özelliği sayesinde bu voltaj bir taraftan diğer tarafa doğru azalan bir değerle ilerler. Yani dirençli kaplamaya voltajı verdiğinizde bir tarafta +5 volt ile yola çıkan voltaj, diğer tarafa doğru yol alırken giderek azalır ve diğer uçta topraklamayla sonlanor. Ancak X ve Y eksenlerinde dönüşümlü olarak verilen bu elektrik akımının voltajındaki azalma, dirençli kaplamanın özelliği sayesinde ekran üzerinde öyle düzenli bir dağılım oluşturur ki, örneğin X ekseni üzerinden akım verilirken +2.5 volt ölçüm yaptığınız bir noktanın ekranın X ekseni üzerinde tam olarak nereye denk geldiği konusunda tutarlı bir tahmin yapabilir hale gelirsiniz.

Gelelim iletken kaplamaya. Herhangi bir dokunma olmadığı zaman iletken kaplama üzerindeki voltaj değeri doğal olarak sıfırdır ve bu değer bir kontrolcü tarafından sürekli olarak takip edilir. Ancak ekranın herhangi bir yerine dokunarak iletken ve dirençli kaplamalar arasındaki teması
sağladığınızda, bir anda iletken yüzey üzerindeki voltaj değişir ve kontrolcü bunun farkına varır. Daha sonra kontrolcü, koordinatları belirlemek için sırayla şu işlemleri gerçekleştirir:

1. Öncelikle X ekseni üzerinde hareket eden bir elektrik akımı oluşturarak iletken yüzeye bağlı kontrolcüde beliren voltaj değerini okunur ve kontrol kartındaki işlemci tarafından X konumu belirlenir.
2. İkinci olarak aynı işlem bu kez Y ekseni üzerinde hareket eden bir elektrik akımı üzerinde gerçekleştirilir ve Y konumu belirlenir.

Özetle elde edilen X ve Y konumlarına dair elde edilen voltaj ölçümleri kontrolcü tarafından ölçülüp yorumlandığında, iletken kaplamanın dirençli kaplamaya hangi noktada değdiği anlaşılır ve bu bilgi sayısal hale çevrilerek ilgili yazılıma gönderilip, ilgili işlemin yapılması sağlanır.

Bu teknolojinin kullandığı kaplama görüntü kalitesini bir miktar etkilemekle birlikte, yine kaplamanın özelliklerinden ileri gelen ciddi avantajları mevcuttur. Örneğin kaplama olarak ullanılan polyester malzeme, dış ortam koşullarına ve ağır kirlilik şartlarına camdan daha fazla dayanıklılık gösterebilir. Ayrıca üzerine yapışan toz, kir gibi etkenler dokunma etkisi yaratmadığından dolayı ve eldiven, kalem gibi ekrana baskı uygulayabileceğiniz her türlü dokunma etkisiyle çalışabilirler. Bu özelliği nedeniyle açık alan uygulamalarında ve ağır kirlilik koşullarında çalışılması gereken durumlarda; örneğin endüstride, hastanelerde, sürekli yanınızda dere tepe gezdireceğiniz el bilgisayarlarının ekranlarında ve kamuya açık alanlarda kullanılan
cihazlarda bu teknolojiden faydalanılır.

Yüzey dalgası Teknolojisi 
Yüzey dalgası teknolojisi, dokunmayı algılamak için nispeten daha ilginç bir prensip kullanır: Ekran yüzeyini ultrasonik ses dalgalarından oluşan bir ızgarayla kaplamak ve olası bir dokunmanın ızgarada oluşturacağı kesintinin yerini tespit ederek konum belirlemek.
Bu ilginç prensip, yine taşıdığı fikirle paralel olarak ilginç bir şekilde işler. Öncelikle ekran üzerine yüzey dalga sistemini oluşturmak üzere, özel bir şekilde üretilmiş cam bir plaka yerleştirilir. Bu cam plakanın her iki tarafında, X ve Y eksenleri üzerinde iki adet yaklaşık
5,53KHz’lik ultrasonik ses dalgaları oluşturan vericiler yerleştirilir. Cam kaplamanın dört bir yanına ise, gelen ultrasonik ses dalgasını direkt ekran üzerine yönlendirecek şekilde 45 derece açıyla yerleştirilmiş gümüş kabartma yansıtıcılar bulunur. Bu kabartma yansıtıcılar, aynı zamanda üzerlerine gelen ses dalgasının yaklaşık %99’unu geçirirken, geri kalan %1’lik bir kısmı ekranın üzerine yansıtma özelliğine sahiptirler. Böylece sıra sıra dizilmiş yansıtıcılardan, ilk sırada olanının sesin bütününü yansıtması engellenmiş olur.
Vericiden çıkan ses dalgası, yansıtıcıya çarpıp ekranın üzerinde bir uçtan diğer uca geçerek karşı tarafa ulaştığında bu kez ters açıyla yerleştirilmiş diğer bir yansıtıcı grubuyla karşılaşır ve ekranın bir diğer ucundaki alıcıya yönlendirilir. Bu verici ve alıcı sisteminden hem X ekseni için, hem de Y ekseni için birer tane mevcuttur. Böylece ekran üzerinde ultrasonik seslerden bir ızgara oluşur.

Yüzey dalgalarının X ekseninde nasıl dolaştığını gösteren şema. Aynısı Y ekseninde de tekrarlanır

Gelelim algılamanın nasıl yapıldığına… Vericiden yansıtıcılara gönderilen tek bir ultrasonik ses dalgası, tek tek tüm yansıtıcılardan geçerek alıcıya ulaşır. Ancak her yansıtıcı, ultrasonik ses kaynağına olan uzaklığına bağlı olarak değişen sürelerde bu cevabı alıcıya ulaştırır. Örneğin ekran üzerinde toplam 10 adet yansıtıcı olduğunu düşünürseniz; vericiye en yakın yansıtıcıdan ekrana yönlendirilen ultrasonik ses dalgasının alıcıya ulaşması diğerlerine oranla en kısa zamanı alır ve en uzaktaki yansıtıcıdan gelen ses dalgası vericiye en uzun sürede ulaşır. Dolayısıyla alıcı, tek bir ultrasonik ses dalgasına karşılık birbirinden farklı zamanlarda kendisine ulaşan 10 farklı cevapla karşılaşır. Yani ses dalgasının vericiden çıktığı yerdeki ilk yansıtıcıdan ekranı dolaşıp alıcıya ulaşması 1 saniye sürse, 2. yansıtıcıdan gelen ses dalgası için 2 saniye ve 3. yansıtıcıdan gelen için 3 saniye sürer.

Alıcıya bağlı olan kontrol kartında, kullanılan cam kaplamanın boyutu gibi özelliklere bağlı olarak kaç yansıtıcı olduğu ve her yansıtıcıdan ekrana yönlendiren ses dalgasının alıcıya ne kadar sürece ulaşacağı baştan tanımlanmıştır. Dolayısıyla ultrasonik ses dalgası vericiden bir kez gönderildikten sonra alıcı bunun yansımalarını kontrol etmeye başlar: A süresinde ulaşması gereken birinci yansıma yerine ulaştı mı?
Ulaştı… B süresinde ulaşması gereken ikinci yansıma ulaştı mı?
Ulaştı… C süresinde gelmesi gereken 3. yansıma yerine ulaştı mı?
Ulaşmadı… Bu durumda alıcı, 3. yansıtıcının ekrana gönderdiği ses dalgasının bir engelle karşılaştığını düşünüp bu noktada bir dokunma gerçekleştiğini anlar. Aynı işlem Y eksenine de uygulanarak hangi yansıtıcıdan cevap gelmediği belirlendiğinde dokunmanın koordinatı belirlenmiş olur ve bu bilgi kontrol yongalarında işlenerek yazılıma gönderilir. Bu süreç, yani vericinin ses dalgaları göndermesi ve alıcı tarafından yansıtıcılardan gelen bütün cevapların kontrol edilmesi
işlemi her saniye 25-50 kez tekrarlanır.

Yüzey dalgası teknolojisinde kullanılan cam kaplama.
Ekranda ultrasonik seslerden oluşan bir ızgara oluşturmak üzere yerleştirilen gümüş yansıtıcıları resimde görebilirsiniz.
Bu teknoloji, dirençli teknolojiye oranla daha modern bir tekniğe sahiptir ve ekranın üzerinde polyester bir kaplama olmadığından dolayı bu teknolojiye sahip dokunmatik ekranlar kullanıcılarına daha canlı bir görüntü sunarlar. Bu nedenle sunumun ön plana çıktığı durumlarda,örneğin pazarlama, bilgi sağlama, oyun, elektronik katalog gibi uygulamalarda bu teknoloji tercih edilir. Ancak ses dalgalarının uzun mesafede giderek etkisini yitirmesi yüzünden, belli bir boyutun üzerindeki ekranlar için bu teknolojinin kullanılması uygun değildir.

Kızılötesi Teknolojisi 
Bu teknoloji, diğerlerine oranla anlaşılması en basit olanıdır. Kızılötesi teknolojisini kullanan dokunmatik ekranlarda X ve Y eksenlerine belli sayılarda kızılötesi diyot, bunların tam karşılarına
da birer kızılötesi algılayıcı yerleştirilir. Sonrası tahmin ettiğiniz gibi; elinizi bu ekranın bir yerine dokundurduğunuzda, algılayıcının karşısındaki kızılötesi ışığı görmesini engellemiş olursunuz ve X-Y eksenlerindeki algılayıcılardan hangilerinin bağlantısının kesildiği bulunarak kesişme noktalarındaki koordinat hesaplanır. Bu teknolojiye sahip cihazlar, geniş mesafede dokunma algılama yeteneğine sahipler ve direkt güneş ışığından veya sudan etkilenmezler. Bu nedenle özellikle dev plazma ekranların dokunmatik hale getirilmesinde tercih edilirler.Infrared teknolojisi, kolay monte edilen bir çerçeve sayesinde hemen her ortama kolayca adapte edilebilme özelliğine sahiptir. Hatta bu işe özgü yazılımı geliştirmek şartıyla bu tarz bir çerçeveyi vitrine yerleştirilerek dokunmatik bir vitrin bile oluşturabilirsiniz. Örneğin vitrindeki bir ürün hakkında bilgi almak isteyen müşteri, vitrinde o ürünün karşısına dokunarak yine vitrine yerleştirilmiş özel bir yazılıma sahip bilgisayar ekranından fiyat ve garanti bilgilerine bile ulaşabilir.

Bazı durumlarda malzemenin dışarıdan montajıyla, dokunmatik özelliği olmayan ekranları dokunmatik ekran haline çevirmek mümkün.
Son olarak, anlattığımız bu dokunma algılayıcı teknolojilerin aslında basit fizik temellerine dayanan mekanizmalardan ibaret olduğunu bilmek lazım. Ancak bunların arkasında bunlar kadar önemli iki unsur daha var: Birincisi aldığı fiziksel verileri yorumlayarak sayısal koordinat bilgilerine dönüştüren ve bunun yanında ortalama hesabı ve tolerans kontrolü gibi tüm işlem yükünü üzerinde barındıran kontrolcü, ikincisi de teknolojinin işletim sistemiyle entegrasyonunu kurarak yazılımlarla uyumlu hale gelmesini sağlayan sürücü.

Yarcan Tüner

Yarcan Tüner

Elektronik mühendisliği için kitaplarla savaşan ve arası hiç iyi olmayan kişi. Kendi gibi elektronik ile ilgileneler için devre arşiv’i kuran Yarcan TÜNER..

See author's posts