Budowa, rodzaje, gniazda i zasada działania
monitorów CRT, LCD, OLED i innych.
Jakub Misiak kl. 2L
Monitory CRT.
Schemat budowy działa elektronowego.
Większość monitorów CRT ma podobną głębokość, jak szerokość ekranu, ponieważ CRT jest szklaną zamkniętą bańką próżniową (nie ma w niej powietrza). Bańka ta zaczyna się wąską szyjką, a następnie rozszerza do rozmiarów, jakie ma obszar ekranu, na którym wyświetlany jest obraz. Ekran pokrywa od środka matryca składająca się z tysięcy fosforowych punktów. Fosfor ma zdolność emisji światła w momencie pobudzenia go wiązką elektronów. Różne punkty emitują światło o odmiennej barwie. Każdy punkt składa się z trzech podpunktów koloryzowanego fosforu: czerwonego, zielonego i niebieskiego. Grupa ta tworzy jeden piksel. W wąskiej szyjce umieszczone jest działo elektronowe, składające się z katody, źródła ciepła i elementów skupiających wiązkę elektronów. Monitory kolorowe mają trzy działa elektronowe, każde do innego koloru. Obrazy są generowane w momencie, gdy elektrony wystrzelone z działa elektronowego zbiegają się i uderzają w odpowiednie punkty fosforu. Działo uwalnia elektrony z ujemnej elektrody (katody) dzięki ciepłu.
Zbieżność
Zbieżność jest zdolnością trzech dział elektronowych do uderzenia w jeden punkt na powierzchni kineskopu. Precyzyjna zbieżność w monitorach CRT jest konieczna, bo wyświetlacz pracuje na zasadzie dodatniej korelacji: kombinacje zielonego, czerwonego i niebieskiego fosforu o różnej intensywności tworzą iluzję milionów kolorów. W momencie, gdy każdy z kolorów podstawowych występuje w identycznej ilości, tworzy się biały punkt. Brak któregokolwiek z trzech kolorów podstawowych powoduje pojawienie się czarnego punktu. Błędy zbieżności przejawiają się cieniami wokół tekstu i obrazów graficznych.
Rola maski perforowanej w koncentracji strumienia elektronów.
Działo elektronowe wystrzeliwuje elektrony wówczas, gdy temperatura jest na tyle wysoka, aby uwolnić od katody elektrony o ujemnym ładunku. Aby elektrony mogły dotrzeć do fosforu, najpierw muszą przejść przez elementy skupiające. W momencie wystrzelenia strumień elektronów ma kształt okrągły, lecz im bliżej do fosforu, tym bardziej jest zniekształcany i przyjmuje kształt eliptyczny. Jest to zjawisko analogiczne do astygmatyzmu. W związku z tym prowadzenie strumienia elektronów jest w nowoczesnych monitorach tak pomyślane, aby te zniekształcenia wyeliminować. Elementy skupiające mają sprawić, aby na początku drogi strumień elektronów był możliwie cienki, a następnie, po korekcji astygmatyzmu, został skierowany ściśle tam, gdzie w fazie finalnej uderza w specyficzny punkt pokryty fosforem.
Cewki odchylające wokół szyjki kineskopu tworzą pole magnetyczne, które kontroluje kierunek strumieni elektronów. Dodatnio naładowana anoda ściąga ujemne ładunki wytwarzane przez działo. Elektrony podążają w jej kierunku ze stałą prędkością, ale nigdy do niej nie docierają, bo kierowane są siłą cewek odchylających w stronę ekranu ulokowanego naprzeciw działa.
Moduł odchylania kieruje strumień kolejno z lewej strony na prawą, z powrotem do lewej krawędzi i znów z lewej strony na prawą, tylko jeden rząd niżej, zapewniając w ten sposób całkowite pokrycie ekranu strumieniem. Kiedy strumień dotrze do prawego dolnego rogu, cały proces zaczyna się od nowa od lewego górnego rogu.
Omiatanie ekranu strumieniem odbywa się tak szybko i często, że triady fosforyzujące nie zdążą jeszcze zgasnąć, kiedy są znów rozświetlane.
Powierzchnia kineskopu nie jest kulista, więc strumienie elektronów muszą mieć różne długości. Są krótsze w centrum ekranu i dłuższe w miarę docierania do jego narożników. To oznacza również, że czas, przez który strumienie podlegają odchyleniu, jest różny w zależności od kierunku ich promieniowania. Aby zniwelować to zjawisko, monitory CRT mają układ odchylania dynamicznie dopasowujący siłę swojego działania do miejsca, w którym strumień elektronów uderzy w powierzchnię kineskopu.
Zanim jednak strumień elektronów dotrze do punktów fosforu, przechodzi przez perforowany materiał umieszczony bezpośrednio przed fosforem. Nazywa się go maską.
W nowoczesnych monitorach element ten ma różną budowę, dopasowaną do określonych technologii CRT. Maska pełni kilka istotnych funkcji: filtruje strumień elektronów, formuje mniejsze, mniej okrągłe punkty, które mogą uderzać w poszczególne punkty fosforu bardziej precyzyjnie. Pozwala też wychwycić zabłąkane elektrony, dzięki czemu strumień uderza tylko w te punkty, w które powinien. Prowadząc elektrony do powłoki fosforowej o odpowiedniej barwie, pozwala na niezależną kontrolę jasności podstawowych kolorów.
W momencie, gdy strumień rozbija się na przodzie kineskopu, elektrony pobudzają fosfor odpowiadający pikselom obrazu, który ma zostać odtworzony na ekranie. Wtedy też następuje rozjaśnienie obrazu, światło jest emitowane przez indywidualne punkty fosforu. Ich bliskość sprawia, że oko ludzkie widzi tę kombinację jako jeden kolorowy piksel.
Maska szczelinowa
W 1960 roku Sony opracowało alternatywną technologię Trinitron. Jej innowacyjność polega na połączeniu trzech oddzielnych dział elektronowych w jedno urządzenie, które producent nazwał Pan Focus gun. Kolejną nowością było to, że kineskopy Trinitrona były wykonane z wycinka walca, płaskiego w pionie i wygiętego w poziomie (inaczej niż tradycyjne kineskopy, które są wycinkiem kuli wygiętym w obu płaszczyznach). Zamiast umieszczać punkty fosforu w triadach, Sony pokryło wewnętrzną warstwę kineskopu pionowymi pasami fosforu o określonych kolorach. W związku z tym, zamiast stosować perforowane maski, Trinitron korzysta z masek szczelinowych wydzielających całe pasy, a nie pojedyncze punkty fosforu. Maska tego typu pokrywa mniejszą powierzchnię ekranu, więc obraz jest jaśniejszy i bardziej dynamiczny. Maska szczelinowa pozwala także na uzyskanie lepszej ostrości obrazu.
Ponieważ paski maski są bardzo wąskie, mogą się przesunąć. Aby temu zapobiec, stosuje się poziome druty wzmacniające, zwiększające stabilność konstrukcji. Właśnie ten element przeszkadza niektórym użytkownikom podczas pracy z monitorami typu Trinitron czy Diamondtron NEC/Mitsubishi. Na jasnych powierzchniach widzą oni bowiem cień elementu wzmacniającego. W monitorach 17-calowych drut jest jeden, w większych kineskopach stosuje się dwa.
Maska paskowa
Chcąc połączyć zalety masek szczelinowych i perforowanych, NEC opracował maskę paskową. Jej budowa różni się tym, że fosforowe punkty ustawione pionowo rzędami przedzielane są poziomo. Standardowe okrągłe perforacje zastąpiono cięciami pionowymi. Dzięki temu więcej elektronów może się przebić przez maskę. Maska tego typu jest stabilna, lecz aktywuje więcej fosforu niż tradycyjne rozwiązania. Rezultat to jasny obraz (chociaż ciemniejszy niż w maskach szczelinowych).
Monitory LCD.
Działanie ciekłych kryształów
Technologia ciekłokrystaliczna pozwala na transmisję sygnału. Wyświetlacz emituje różną ilość białego światła o stałej intensywności, które przepuszczane jest przez aktywny filtr. Czerwone, zielone oraz niebieskie subpiksele są uzyskiwane dzięki filtrowaniu białego światła. Większość ciekłych kryształów to związki organiczne złożone z molekuł, które w stanie naturalnym są luźno rozmieszczone, lecz ustawione równolegle względem swojej dłużej osi. Można jednak precyzyjniej kontrolować położenie molekuł, pozwalając ciekłym kryształom przepływać przez odpowiednio uformowaną powierzchnię.
Położenie molekuł zmienia się wtedy względem kształtu tej powierzchni.
Ekran LCD składa się z dwóch warstw ciekłych kryształów umieszczonych pomiędzy dwiema odpowiednio wyprofilowanymi powierzchniami, z których jedna jest ustawiona pod kątem 90 stopni wobec drugiej. Jeśli molekuły na jednej powierzchni ustawione są z północy na zachód, to na drugiej powierzchni już ze wschodu na zachód. Molekuły znajdujące się między nimi muszą się przemieścić o 90 stopni, podobnie jak światło podążające za ich położeniem. Wystarczy jednak przyłożyć do ciekłych kryształów napięcie elektryczne, a molekuły zaczną się przemieszczać pionowo, pozwalając przejść światłu bez zmiany położenia o 90 stopni.
Kolejną istotną kwestią budowy panelu LCD są własności filtrów polaryzacyjnych i samego światła. Naturalne fale świetlne promieniują pod określonym kątem. Filtr polaryzacyjny jest po prostu zestawem idealnie równoległych linii. Linie te działają na zasadzie siatki, blokując wszystkie fale światła oprócz tych, które przypadkiem są do nich ułożone równolegle. Drugi filtr polaryzacyjny, którego linie są rozmieszczone do nich pod kątem 90 stopni, blokuje z kolei fale światła idealnie równoległe do siatki pierwszego filtru lub pasujące do układu drugiego filtru.
Typowy filtr TN (Twisted Nematic) składa się z dwóch filtrów polaryzacyjnych o ułożeniu opisanym powyżej, lecz między nimi znajdują się skręcone pod kątem 90 stopni ciekłe kryształy. W konsekwencji światło polaryzowane jest przez pierwszy filtr, następnie "skręcane" o 90 stopni przez ciekłe kryształy i całkowicie przepuszczane przez drugi filtr polaryzacyjny. Pamiętać jednak należy, że w momencie przyłożenia napięcia do ciekłych kryształów molekuły zmieniają układ na pionowy, pozwalając na blokowanie światła przez drugi filtr polaryzacyjny. Jak widać, w momencie braku impulsu elektrycznego światło przechodzi przez filtry, a w momencie pojawienia się napięcia jest blokowane.
Monitory OLED.
Panel OLED zbudowany jest z kilku elementów. W stosunku do matrycy LCD jego konstrukcja jest zdecydowanie prostsza. Dwa polimerowe półprzewodniki typu p i n muszą zostać złączone, a następnie należy przez nie przepuścić prąd. Skutkiem zachodzących w tym procesie zmian jest emisja światła, problemem jest za to uzyskanie równomiernego rozświetlania powierzchni tworzywa. Różnice w szybkości przepływów ładunków dodatnich i ujemnych sprawiają, że w prosty sposób nie jest możliwe równomierne rozświetlenie ekranu. W celu zapewnienia równomierności rozprowadzania ładunków elektrycznych stosuje się specyficzne substancje. Innego rodzaju środki chemiczne niezbędne są do uzyskania powierzchni świecącej kolorami czerwonym, zielonym i niebieskim (czyli barwami podstawowymi). W wyświetlaczach OLED spotykamy konstrukcje aktywne i pasywne. Obecnie azjatyccy producenci telefonów komórkowych stosują prawie wyłącznie tańsze w produkcji, niewielkie ekrany pasywne. W wypadku konstrukcji aktywnych niezbędne jest zastosowanie tranzystorów, które pozwolą pikselom na długotrwałe świecenie. Ponieważ materiał ten świeci samoczynnie, do jego "wysterowania" potrzeba napięcia o nieporównywalnie mniejszej mocy niż w panelach LCD.
Lumileds Luxeon
Standardowy monitor LCD wyposażony jest w matrycę ciekłokrystaliczną podświetlaną od spodu, najczęściej przy użyciu dwóch dobrze znanych świetlówek katodowych. Powoduje to, że podczas pracy monitor nie jest podświetlany jednakowo na całej powierzchni ekranu. W dobrych modelach nie są to różnice wielkie, jednak praktycznie zawsze występujące. Kilka miesięcy temu Philips zaprezentował pierwsze monitory ciekłokrystaliczne wykonane w nowej technologii Lumileds Luxeon. Panele tego typu są rozświetlane przez dziesiątki lampek umieszczonych bezpośrednio z tyłu matrycy. Znaczne zwiększenie liczby źródeł światła powoduje, że równomierność rozświetlania jest prawie doskonała. Korzyści płynących z tego rozwiązania jest jednak więcej. Obraz staje się jaśniejszy, a kolory soczyste i żywe. Poprawić można też naturalność odwzorowania barw "na drodze sprzętowej". Natężenie światła emitowanego przez lampy Lumiled można kontrolować, więc łatwo tak skalibrować ekran, żeby na przykład poszczególne partie pikseli zostały podświetlone mocniej, a inne słabiej. Jasność matrycy nie zmienia się przez cały czas jej użytkowania, bo natężenie emitowanego światła każdej żarówki jest monitorowane i w razie potrzeby korygowane. Ostatnią zaleta Lumiled ma być trwałość elementów podświetlających. Tradycyjna świetlówka powinna działać zadowalająco przez mniej więcej 50 tys. godzin. Lumiled ma pracować dwa razy dłużej.
Inne rodzaje monitorów.
· UFB LCD (z ang. Ultra Fine and Bright) to technologia wyświetlaczy LCD stosowana w telefonach komórkowych, wprowadzona przez firmę Samsung w 2002 roku. Jest alternatywną technologią w stosunku do stosowanej obecnie technologii TFT LCD. Do pracy wymaga niskiego poboru prądu ok. 3 mW, co jest wartością dużo mniejszą niż dla wyświetlaczy TFT LCD. Niski pobór prądu ma zdecydowany wpływ na żywotność baterii. Dodatkowym atutem jest mniejsza grubość wyświetlaczy UFB (ok. 2,2 mm) co ma wpływ na grubość telefonu komórkowego.
· LTPS LCD (z ang. Low Temperature Poly Silicon) to technologia wyświetlaczy LCD stosowana w notebookach, telefonach komórkowych. Jest alternatywną technologią w stosunku do stosowanej obecnie technologii TFT LCD. Panele wykonane w technice LTPS LCD są cieńsze i lżejsze zużywając jednocześnie mniej prądu, niestety obecnie technologia LTPS jest droższa niż technologia TFT LCD.
· FED (SED) (Field Emission Display, wyświetlacz z emisją polową) to rodzaj wyświetlacza opartego na zasadzie zderzenia przyśpieszonych elektronów z ekranem pokrytym luminoforem, a więc na zasadzie znanej ze zwykłych telewizorów i monitorów CRT, z tą różnicą, że pojedyncze działo elektronowe zostało zastąpione wykorzystującymi zjawisko tunelowe katodami z emisją polową. Katody są wykonane w postaci nanorurek węglowych i pracują na zimno, dzięki czemu mogą być bardzo gęsto upakowane.
Zalety:
ü duży kontrast i jasność
ü duża szybkość działania
ü bardzo mały pobór mocy
ü prosta produkcja wykorzystująca technologię nadruku
ü Przewiduje się zastosowanie wyświetlaczy FED w wielkoekranowych telewizorach.
Gniazda.
· D-sub (pełna nazwa: D-subminiature) to określenie rodziny wtyków i gniazd wykorzystywanych w urządzeniach i zakończeniach przewodów dla potrzeb połączeń w transmisji sygnałów pomiędzy urządzeniami elektronicznymi. Standardowe złącza D-sub mają 9, 15, 25, 37, 50 lub 60 pinów. Standard D-sub jest określeniem sposobu fizycznej budowy, nie przeznaczeń komunikacyjnych.
DVI (ang. Digital Visual Interface) - standard złącza pomiędzy kartą graficzną a monitorem komputera.
Standard Digital Visual Interface został zaprojektowany przez grupę Digital Display Working Group (DDWG). Do grupy lobbującej za DVI można zaliczyć wiele firm związanych początkowo z DFP. Mimo że DVI nie zostało zaakceptowane jako standard przez VESA, ma ono bardzo dobrą perspektywę na przyszłość, ponieważ protokołem przesyłu danych cyfrowych jest również TMDS (PanelLink). W porównaniu z P&D i DFP, które posiadają tylko jeden kanał przesyłowy, DVI zawiera również drugi, co podwaja maksymalne pasmo przenoszenia (pixel rate). Pozwala to na osiągnięcie rozdzielczości ponad 1280x1024 pikseli. Inną zaletą DVI jest fakt, że może być również przenoszony sygnał analogowy. Dzięki temu, w razie potrzeby, mogą być podłączone również starsze monitory CRT.
Złącze DVI występuje w 3 wariantach:
Ø DVI-I - przesyła zarówno dane cyfrowe jak i analogowe. Po zastosowaniu właściwej przejściówki można je połączyć ze zwykłym złączem D-Sub karty graficznej
Ø DVI-D - przesyła tylko dane cyfrowe; w najnowszych kartach graficznych jest w pełni (również przesyła dane dźwiękowe) kompatybilne z HDMI[1]
Ø DVI-A - przesyła tylko dane analogowe.
Rodzaje złącz DVI
· P&D (ang. Plug and Display) jest standardem interfejsu stworzonym i promowanym przez organizację VESA (Video Electronics Standards Association). Do jego zalet należy możliwość przesyłania zarówno sygnałów analogowych (a więc podłączenia tradycyjnego monitora ), jak i cyfrowych, w tym także transmisji USB czy FireWire. 30-pinowe złącze P&D, choć drogie, ma największe możliwości. Jego uniwersalność okupiona została jednak wysoką ceną, więc jest ono stosunkowo rzadko stosowane.
· DFP (ang. Digital Flat Panel) – interfejs video przeznaczony dla urządzeń z wyświetlaczami LCD, plazmowymi, itp.
Interfejs mniej skomplikowany, a przy tym znacznie tańszy niż Plug & Display. Opracowany w firmie Compaq, a następnie zaakceptowany przez VESA. Wspierany przez takich producentów, jak Nvidia, ATI czy 3dfx, interfejs ten niewiele różni się od P&D. Zrezygnowano jedynie z drogich funkcji dodatkowych (USB, FireWire, transmisji analogowej). Podobnie jak w przypadku P&D, maksymalna rozdzielczość obrazu ograniczona jest do 1280x1024. Chociaż obecnie standard ten zdobywa przewagę na rynku, jego ograniczenia nie wróżą mu długiego życia.
· HDMI (ang. High Definition Multimedia Interface - multimedialny interfejs wysokiej rozdzielczości) jest cyfrowym interfejsem dla sygnału audio/wideo zdolnym przesyłać pełen strumień danych bez kompresji. Dane wideo przesyłane są z wykorzystaniem technologii TMDS. HDMI pozwala łączyć ze sobą dowolne, zgodne ze standardem, urządzenia audio/wideo takie jak odtwarzacze DVD, Blu-ray, konsole gier, komputery, monitory i telewizory cyfrowe. Obecnie zaczyna wypierać starsze standardy zarówno analogowe (np.: S-Video, SCART, VGA) jak i cyfrowe (DVI)[potrzebne źródło]. Maksymalna odległość transmisji to 15 metrów przy zastosowaniu przewodów wykonanych zgodnie z zaleceniami HDMI Working Group. W większości wykonań kabli dostepnych na rynku odległość nie przekracza 3-5 metrów. W przypadku większych długości konieczne jest stosowanie repeaterów (regenaratorów sygnału).
Chomik_szymon_1225