7.4.3. Воспроизводящие устройства плазменного типа
Основным физическим явлением, используемым в воспроизводящих устройствах плазменного типа, является газовый разряд. Газы становятся электропроводными в результате их ионизации.
Самостоятельный газовый разряд возникает, когда между двумя электродами создан достаточно большой электрический потенциал. Когда он достигает некой критической величины Uпp, происходит пробой и зажигается газовый разряд.
При пробое газа (поджиге) формируются каналы, т.е. стримеры, или зона, содержащая ионизированный газ, - плазму. Разряд всегда сопровождается светоизлучением, видимым и ультрафиолетовым, которое часто является основной составляющей излучения. Механизм излучения заключается в рекомбинации ионов плазмы до нейтральных молекул при столкновении с электронами. Переходные процессы, связанные с пробоем и формированием плазмы, протекают достаточно быстро (10-7 с и менее).
В плазменных панелях ультрафиолетовое излучение плазмы преобразуется в видимое с помощью люминофоров. Плазменная панель любого типа разбита на ячейки прямоугольной формы, причем каждая ячейка соответствует одному пикселю. Общее число ячеек плазменной панели превышает 1 млн. Например, плазменная панель формата 16:9 обычно имеет по горизонтали 853 пикселя, в каждом из которых содержится по три RGB-ячейки. Таким образом, в горизонтальном направлении плазменной панели располагаются 2559 ячеек. Соответственно, в вертикальном направлении плазменной панели формируются 480 пикселей. В целом, такая панель содержит 1 228 320 ячеек. Конкретные размеры отдельной ячейки зависят от величины диагонали плазменной панели. Например, при диагонали 42 дюйма (107 см) шаг пикселей составит 1,1 мм. В этом случае на каждую ячейку с учетом толщины перегородки приходится всего 0,37 мм.
Любая элементарная ячейка плазменной панели представляет собой миниатюрный газоразрядный прибор (рис. 7.31). При этом сотовая структура ячеек размещена между двух близкорасположенных пластин. Практически пластины находятся друг от друга на расстоянии 100...200 мкм. Одна из которых является задней стенкой панели, а другая - передней, т.е. выходной, и поэтому должна быть прозрачной в видимой части спектра и иметь антибликовое покрытие. К пластинам прикреплены продольные перегородки, которые, собственно, и формируют боковые стенки камер ячеек. В целом, совокупность двух пластин и продольных перегородок образует достаточно жесткую конструкцию плазменной панели.
Рис. 7.31. Устройство ячеек плазменной панели
Рис. 7.32. Базовая конструкция ячейки плазменной панели
Устройство плазменной панели, разработанной фирмой Pioneer (Япония) (см. рис. 7.31), представляет собой «вафельную» структуру (технология Waffle или Deep Waffle) [33]. В этом случае каждая элементарная ячейка плазменной панели представляет собой «каверну» в подложке (рис. 7.32). Достоинство подобной конструкции заключается в полной изоляции отдельных «каверн».
На внутренние поверхности пластин, выполняющих функции передней и задней стенок плазменной панели, нанесены диэлектрические слои, изолирующие совокупность электродов плазменной панели. Причем диэлектрический слой, нанесенный на переднюю (прозрачную) пластину плазменной панели, дополнительно покрывается защитным слоем, изготовленным из оксида .магния. Непосредственно на внутренних поверхностях пластин расположены горизонтальные и вертикальные электроды, образующие систему из двух взаимно ортогональных решеток (см. рис. 7.31). Нижние (в соответствии с рис. 7.31 вертикальные) металлические электроды расположены на задней непрозрачной пластине. Они называются адресными (address electrode) или электродами данных. Горизонтальные электроды изготавливаются из прозрачного токопроводящего материала. Они сгруппированы по два и расположены на внутренней поверхности передней прозрачной пластины, как правило, стеклянной. Данные электроды называются разрядными (display electrode - электроды отображения), а также питающими, сканирующими, инициирующими. Люминофор покрывает заднюю и частично боковые стенки камеры каждой ячейки. Естественно, в плазменной панели используются люминофоры трех разных составов, соответственно, излучающие световой поток трех основных цветов: R, G, В. Все ячейки заполнены инертным газом, это неон или ксенон, реже гелий. Используются также и смеси этих газов. Газы находятся в разряженном состоянии. Пониженное давление - это и пониженные потенциалы поджига и равновесного разряда.
В точке пересечения двух разрядных и адресного электродов формируется элементарная ячейка - субпикселя, которая может обеспечивать как R, G, так и В свечение. Три субпикселя R, G и В образуют пиксель. При появлении в субпикселе сильного электрического поля происходит газовый разряд. Образовавшаяся при разряде плазма испускает фотоны ультрафиолетового диапазона, которые, бомбардируя люминофор, заставляют его испускать свет уже видимого диапазона. Это излучение распространяется во все стороны. Значительная его часть направлена не к наблюдателю, а в глубь панели, к задней пластине. Для использования этой части излучения диэлектрический слой, нанесенный на заднюю пластину плазменной панели, дополнительно покрывается специальным отражающим световое излучение слоем. В принципе, передняя (выходная) пластина, изготовленная из стекла, в совокупности с нанесенными на нее диэлектрическим и защитным слоями, а также с прозрачными разрядными электродами не пропускает ультрафиолетовые лучи и потому препятствует проникновению ультрафиолетового излучения «во внешний мир». Например, только выходная стеклянная пластина поглощает до 97% вредного для человека ультрафиолетового излучения.
Интенсивность излучения элементарных ячеек плазменной панели зависит от напряжения на разрядных электродах и, что важно, может регулироваться лишь в очень небольших пределах. Нижнее значение напряжения на разрядных электродах ограничено напряжением удержания разряда, а верхнее значение - напряжением зажигания, при котором происходит образование плазмы в ячейке при отсутствии поджигающего импульса на адресном электроде. К тому же при большом значении интенсивности разряда происходит выгорание люминофора, что приводит к быстрому старению плазменной панели. Таким образом, изменяя интенсивность разряда, нельзя добиться регулировки яркости плазменной панели в широких пределах. Поэтому для этой цели используется метод ШИМ, суть которого заключается в изменении соотношения длительностей включенного («светится») и выключенного («не светится») состояния ячейки.
Плазменная панель обладает достаточно низким КПД. Например, каждая элементарная ячейка (субпиксель) размером в 0,37 мм потребляет ток порядка 1,5 мкА. Это достаточно значительный ток для одного субпикселя. Стандартная плазменная панель, содержащая один миллион или более элементарных газоразрядных ячеек, потребляет ток, превышающий 1,5 А. При потенциале равновесного разряда 20 В плазменная панель размером 40 дюймов (101 см) потребляет приблизительно 300 Вт электрической мощности. Увеличение в 1,5 раза диагонали экрана с 40 до 60 дюймов, т.е. с 101 до 152 см, ведет к соответствующему увеличению размеров каждой ячейки и к квадратичному (в 2,25 раза) росту энергопотребления. Следовательно, общее энергопотребление должно возрасти с 300 до 675 Вт.
Сопоставление плазменной панели с воспроизводящим устройством на базе кинескопов показало, что при равных 32-дюймовых (81 см) экранах энергопотребление плазменной панели в три раза выше. Поэтому на практике с целью облегчения теплового режима плазменной панели необходимо решить проблему отвода тепла. Для этого плазменные панели оснащаются процессором, распределяющим мощность источника питания по всем пикселям пропорционально требуемой от них яркости в соответствии с сигналами из кадровой памяти, специально введенной в состав устройства отображения плазменного типа. Подобный процессор, выпускаемый фирмой NEC, носит название - Peak Luminance Enhancement (PLE).
Сегодня первостепенное значение приобретают работы по энергосбережению и устранению таких принципиальных недостатков плазменных устройств, как шум встроенной вентиляционной системы и остаточные изображения, которые могут сохраняться на экране после длительного просмотра неподвижных кадров.
Контрольные вопросы
7.1. Сформулируйте основные принципы построения программных телецентров.
7.2. Перечислите основные требования к преобразователям свет-сигнал.
7.3. Поясните особенности работы передающих трубок с внутренним фотоэффектом.
7.4. В чем заключаются достоинства ПЗС структур в качестве преобразователей свет-сигнал?
7.5. Каким образом классифицируются матричные преобразователи свет-сигнал?
7.6. Объясните принципы кадрового переноса зарядов в матричных преобразователях свет-сигнал.
7.7. Как осуществляется построчный перенос зарядов в матричных преобразователях свет-сигнал?
7.8. Расскажите о технологии кадрово-строчного переноса зарядов в матричных преобразователях свет-сигнал.
7.9. Приведите структурную схему современной видеокамеры.
7.10. Поясните принципы работы камерной головки.
7.11. Объясните принципы преобразования видеосигнала в изображение.
7.12. Чем конструкция цветного масочного кинескопа отличается от черно-белого?
7.13. Перечислите основные электрооптические эффекты в жидких кристаллах.
7.14. Как устроен просветный жидкокристаллический экран?
7.15. Каким образом осуществляется адресация телевизионных жидкокристаллических экранов?
7.16. В чем заключаются особенности работы воспроизводящих устройств плазменного типа?