Простой принцип работы
Принцип работы плазменных дисплеев довольно прост: каждый суб-пиксель представляет собой микроскопическую флуоресцентную лампу, излучающую только один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Регулируя яркость свечения лампы можно получить различные оттенки.
И свечение в плазменных дисплеях достигается точно так же, как у люминесцентных ламп, которые мы повсеместно наблюдаем: внутри трубки запаян инертный газ (к примеру, аргон), использующийся в качестве стабилизатора дугового разряда. Также внутри находятся пары ртути (именно бомбардировка тяжёлыми ионами ртути и вызывает свечение люминофора в ультрафиолетовом диапазоне). Кстати, сегодня есть и люминесцентные лампы без ртути. На концах трубки находятся электроды, к которым подводится высокое напряжение (несколько тысяч вольт. Но реально в люминесцентных лампах такое напряжение образуется только при поджиге за счёт выброса с балластного дросселя. Когда образуется дуговой разряд, то напряжение падает до 80-240 В в зависимости от режима и прочих характеристик). Инертный газ в нормальном состоянии электрически нейтрален, но под действием тока он превращается в плазму - газ, состоящий из свободных электронов и положительных ионов (в результате суммарный заряд остаётся нейтральным). Из-за разницы потенциалов в несколько тысяч вольт электроны перетекают к положительному катоду, а электроны - к отрицательному аноду трубки. Подобное движение приводит к столкновению с атомами. При каждом столкновении атом набирает энергию, и электроны переходят на более высокую орбиту. Когда они возвращаются на изначальную орбиту, то испускают фотон: квант света.
Излучаемый свет является результатом движения плазмы в условиях сильного электрического поля. Но приложения постоянного потенциала к полюсам трубки недостаточно. Внутри плазмы должно постоянно существовать движение, чтобы излучать свет, поэтому к полюсам прикладывается переменный ток. В итоге ионы газа движутся то в одну сторону, то в другую.
Но здесь возникает проблема. Дело в том, что излучаемый плазмой свет невидим: это ультрафиолет, который человеческий глаз не способен воспринимать. (Ультрафиолет здесь, кстати, излучается не по случайности. Он имеет длину волны короче видимого спектра, поэтому его удобно с помощью разных люминофоров превращать в любой цвет). Поэтому свет нужно превратить в видимый. Для этого на стенки трубки наносят порошок, чувствительный к ультрафиолету и излучающий белый свет (вспомните обычные лампы дневного света). Этот порошок является люминофором, то есть преобразует одну форму излучения в другую.
Люминофоры давно используются в дисплеях. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) тоже применяют люминофоры, преобразующие поток электронов в зелёный, красный или синий свет.
От светящейся трубки к пикселю плазменной панели
Переложение этой технологии на пиксели плазменного дисплея тоже довольно логично. Каждый пиксель состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено сильное напряжение, плазма начнёт перемещаться. При этом она излучает ультрафиолетовый свет (показан на рисунке фиолетовым), который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости. Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя.
Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают, подобно люминесцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность - размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному. Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что при протекании больших токов на сопротивлении проводников будет падение напряжения, которое сильно уменьшит и исказит сигналы. Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома - он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен.
Наконец, требуется подобрать правильные люминофоры. Они зависят от требуемого цвета:
Зелёный: Zn2SiO4:Mn2+ / BaAl12O19:Mn2+
Красный: Y2O3:Eu3+ / Y0,65Gd0,35BO3:Eu3
Синий: BaMgAl10O17:Eu2+
Три этих люминофора дают свет с длиной волны между 510 и 525 нм для зелёного, 610 нм для красного и 450 нм для синего.
Последней проблемой остаётся адресация пикселей, поскольку, как мы уже видели, чтобы получить требуемый оттенок нужно менять интенсивность цвета независимо для каждого из трёх суб-пикселей.
На плазменной панели 1280x768 пикселей присутствует примерно три миллиона суб-пикселей, что даёт шесть миллионов электродов. Как вы понимаете, проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления суб-пикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать. Передние дорожки обычно выстраивают в цельные строчки, а задние - в столбцы. Встроенная в плазменную панель электроника с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро, поэтому пользователь ничего не замечает, - подобно сканированию лучом на ЭЛТ-мониторах.
Существуют и другие виды плазменных панелей, но здесь мы не будем подробно их рассматривать. Наиболее известная альтернатива - панель ACC (alternative coplanar current, переменного копланарного тока). В каждом суб-пикселе такой панели используется три электрода, а не два.
Передние электроды (scan и sustain) должны быть прозрачными, поэтому их тоже напыляют из оксида индия и олова.
Управление панелями ACC сложнее, но их преимущество заключается в способности обеспечивать течение плазмы дольше, чем у традиционной панели. На первом этапе между электродами scan и data прикладывается разница потенциалов в 300 В (+100 В и -200 В). Затем заряды электродов scan и sustain постоянно меняются, в результате чего они попеременно образуют разность потенциалов. Преимущество подобного подхода заключается в том, что поток плазмы не прекращает своё движение, а электрод data остаётся свободным, в результате параллельно можно адресовать другой пиксель. Подобным способом, с помощью электрода data, свечение суб-пикселя прекращается.
Преимущества и недостатки плазменных дисплеев
Преимущества
Добавлено через 3 минуты
Плазменная технология имеет отдельные преимущества над ЖК. Во-первых, люминофоры для плазменного телевизора обеспечивают более сочные цвета в более широком диапазоне. Цветовой диапазон плазменных экранов намного шире, чем у ЖК-телевизоров. Если сравнивать с ЭЛТ-мониторами, то цветовой диапазон "плазмы" в ряде случаев бывает хуже, поскольку у ЭЛТ условия для возбуждения люминофора гораздо лучше: энергия электронов выше, чем у УФ-излучения.
Затем, углы обзора шире, чем у ЖК-дисплеев. Основной причиной является то, что пиксели в "плазме" как бы сами излучают свет, а у ЖК-мониторов свет от лампы подсветки проходит через кристалл пикселя. Кроме того, плазменным панелям не нужен поляризатор.
Наконец, контрастность "плазмы" аналогична лучшим ЭЛТ-телевизорам. Основная тому причина - глубокий чёрный цвет. Выключенный пиксель не излучает цвет совсем, в отличие от пикселей ЖК. Кроме того, плазменные телевизоры обладают большей яркостью, чем ЭЛТ-мониторы, обеспечивая от 900 до 1000 кд/м². Здесь есть нюанс. В отличие от ЭЛТ и ЖК в "плазме" физически невозможно обеспечить такую яркость по всему экрану. Только на отдельных площадях. Дело в том, что для запитки такого "кипятильника" потребуется источник мощностью несколько киловатт. А мощные драйверы микросхем управления просто расплавятся! Поэтому то в плазме используется принудительное охлаждение вентиляторами. К сожалению, КПД преобразований "электрическая энергия - излучение" в плазме невысокий. Чтобы избежать этого явления применяется "военная хитрость" - анализируется суммарная потребляемая мощность. И если есть опасность превышения лимита - идёт принудительный сброс средней яркости экрана.
Также следует заметить, что плазменные дисплеи могут достигать больших размеров (с диагональю от 32" до 50") с минимальной толщиной. Это очень важное преимущество по сравнению с ЭЛТ-дисплеями, когда большой диагонали сопутствуют громоздкие габариты. Сейчас, кстати, есть приличные модели ЭЛТ-телевизоров с относительно небольшой толщиной.
Весомые недостатки
У плазменных панелей есть характерное свойство: большой размер пикселей. Достичь размера пикселя меньше 0,5 или 0,6 мм практически невозможно. Поэтому плазменные телевизоры с диагональю меньше 32" (82 см) попросту не существуют. Для обеспечения достойного разрешения у производителей плазменных панелей нет другого выбора, кроме как повышать размер дисплея с 32 до 50 дюймов (с 82 до 127 см).
Что касается качества картинки, то и здесь не всё гладко. Проблемы связаны с природой пикселей. Для излучения света пиксель плазмы требует электрического разряда. Он может либо гореть, либо не гореть, но промежуточного состояния нет. Потому для управления яркостью свечения производители используют метод импульсно-кодовой модуляции.
Метод такой. Чтобы пиксель горел ярко, его нужно часто зажигать. Для получения более тёмного оттенка зажигать пиксель можно реже. Глаз человека не заметит отдельные вспышки и усреднит значение яркости. Этот метод хорошо работает, но и не свободен от недостатков. Если средние и яркие оттенки отображаются вполне прилично, то тёмные оттенки страдают от недостатка света - их очень трудно отличить друг от друга.
Если получающаяся картинка с расстояния выглядит цельной, то на близком расстоянии вы вряд ли сможете ей наслаждаться. Установлено, что человеческий глаз не замечает мерцания с частотой выше 85 Гц, но это не всегда так.
По своей природе зрительная система состоит из собственно датчиков и "программы обработки" в мозге. Датчики относятся к интеграционному типу (с химической природой: разложение веществ под действием светового излучения, преобразование в электрические потенциалы и передача сигналов в мозг). Интегрирование параметров яркости и цвета происходит по времени и по площади. Если площадь объектов мала, то мерцание объектов мало заметно. Но если в поле зрения попадут объекты большей площади с модуляцией по яркости 85 Гц, то они будут обнаружены глазом! То есть датчиками, а не мозгом! Особую роль в деле обнаружения высокочастотных составляющих играет периферическое зрение. Именно оно и позволяет отлавливать компоненты 85-90 Гц.
Утомление глаз происходит вследствие того, что создаются некомфортные условия для спорадического сканирования поля зрения. Если обнаруживаются "опасные" объекты (с модуляцией, например, 85 Гц) то глазные мышцы стараются просканировать именно периферийную часть, которая имеет наибольшую чувствительность для локализации таких объектов. В обычной ситуации мышцы не рассчитаны на такие предельные нагрузки. Отсюда и накапливается усталость глаз. Дополнительная усталость возникает и в мозге. Принятые стимулы от "вибрирующих" пространственных объектов относятся к категории опасных, на фильтрацию событий тратятся дополнительные "мощности".
Чтобы избежать появления в изображении на плазменном экране артефактов и мерцания, связанных с ШИМ модуляцией, применяются изощрённые методы нелинейной импульсной модуляции с равномерным "размазываем" стимулов яркости по всему полю экрана.
К сожалению, полностью избавиться от мерцания на плазменных панелях не удаётся, особенно во время просмотра с близкого расстояния. Так что картинка на плазменном телевизоре больше, но и сидеть от экрана придётся дальше. Следовательно, большего погружения в фильм не получится.
Кроме того, у пикселей плазмы выгорает люминофор. На ЭЛТ-мониторе при долговременном выводе одной и той же картинки, она станет заметна на экране. После этого даже при смене картинки предыдущая будет видна, как будто она выгравирована на экране. Этот феномен связан с преждевременным старением люминофоров. Если они постоянно работают, то люминофоры стареют и становятся менее эффективными. Так как плазменные дисплеи тоже используют люминофоры, они выгорают точно так же, как и трубки телевизоров.
Впрочем, при стандартных условиях эксплуатации телевизора проблем возникнуть не должно, так как картинка на экране постоянно меняется, и пиксели стареют, более-менее, одинаково. Но для некоторых бизнес-применений (экран в магазине) могут возникнуть проблемы. Например, если на экране отображается один и тот же канал в режиме 24/7, то на нём могут выгореть пиксели логотипа (МТВ, НТВ и т.д.) - ведь они отображаются почти в каждом кадре. То же самое относится и к рекламным экранам, когда на них долго демонстрируется какая-либо картинка.
Именно этот феномен и ограничивает срок службы плазменных дисплеев. Несмотря на слухи, плазменные панели не "текут" и их не надо подзаряжать. Но люминофоры стареют, и с этим, к сожалению, ничего не поделаешь. Что ещё хуже, не все сцинтилляторы стареют одинаково: синий канал всегда выгорает раньше (хотя, надо сказать, ситуация сегодня намного улучшилась по сравнению с первыми плазменными панелями).
Наконец, отметим ценовой фактор: плазменные дисплеи довольно дороги. И здесь следует учитывать не только себестоимость самих панелей, которые трудно производить, но и то, что электроника панелей требует высоковольтных полупроводниковых схем, которые работают на пределах возможностей материалов. Контрольные цепи электродов должны выдерживать несколько сотен вольт на высоких частотах. Одним из последствий высоких напряжений является энергопотребление плазменных дисплеев, которое всегда выше, чем у ЖК-мониторов. Например, 42" (107 см) плазменный дисплей потребляет 250 Вт или даже выше, а ЖК-панель с той же диагональю будет потреблять всего 150 Вт.
Сферы применения плазменных панелей
Плазменные панели чаще всего встречаются в высококачественных видеосистемах большого формата. Их большой размер и хорошее качество картинки прекрасно подходят для просмотра DVD или телевидения высокого разрешения. Плазменные панели традиционно позиционируются на high-end сектор рынка, где проблемы высокой цены, старения люминофора и высокого энергопотребления вторичны по сравнению с качеством. Хотя, надо сказать, последние поколения ЖК-телевизоров начали вытеснять "плазму" и с этого рынка.
Если заглянуть дальше в будущее, то вполне очевидно, что ЖК будут "отъедать" рынок плазменных панелей, поскольку их диагональ продолжает увеличиваться. И причина проста: по мере наработки технологии производить ЖК-панели становится проще, да и стоят они дешевле.
Если ситуацию не изменят какие-либо инновации, плазменные панели останутся прерогативой специфических сфер использования, когда нужно выводить очень большую картинку для просмотра с большого расстояния, что сильно сужает область использования.
Проблема мерцания плазменных панелей также объясняет, почему эта технология мало подходит для компьютерных мониторов.
Технология ЖК
Перспективная технология
Понятие "жидкие кристаллы" относится не прошлому, а к позапрошлому веку - оно появилось ещё в 1889 году! И причём не в электронике, а в ботанике. В электронику жидкие кристаллы пришли только в 1963 году, когда ими заинтересовалась RCA и начала работу с DSM-эффектом динамического рассеяния в ЖК. В 1969 году Джеймс Фергюссон (James Fergason) обнаружил эффект скручивания жидких кристаллов-нематиков (twisted nematic effect, TN effect). Фергюссон работал в Кентском университете и патент на твист-нематические кристаллы он получил в 1971 году совместно со специалистами известной фирмы Hoffman La Roche, мирового производителя 90% всех ЖК-материалов. Это открытие было фундаментальным, поскольку многие ЖК-дисплеи используют принцип вращения кристалла в плоскости поляризации (Надо отметить, есть и другие принципы и эффекты. В частности, Kent Display выпускает ЖК-дисплеи на холестерических ЖК.) В 1973 году Джордж Грей (George Gray) изобрёл бифениловый (biphenyl) жидкий кристалл, который стабильно работал в условиях нормального давления и температуры. Ещё в 1986 году NEC выпустила первый портативный компьютер с ЖК-дисплеем (LCD, Liquid Crystal Display). В 1995 году диагональ ЖК-панелей превысила 28" (71 см).
ЖК-мониторы приобрели свою зрелость благодаря портативным бытовым устройствам и телевизорам. Первый цветной телевизор ЖК в часах был сделан фирмой Casio ещё в 1981 году! Потом, в течение 12-13 лет все старания фирм в данной сфере крутились в сфере портативных телевизоров. А уже в начале 90-х их стали потихоньку продвигать в компьютеры. Определённые качества могут рано или поздно привести к тому, что ЖК-дисплеи займут лидирующее положение и в этой области.
ЖК: любопытный принцип работы
Основное различие между технологиями плазмы и ЖК состоит в том, что пиксели ЖК-панели, сами по себе, свет не излучают. И все качества и недостатки этой технологии автоматически выходят из этого ключевого принципа.
