Принцип работы монитора компьютера

Монитор для персонального компьютера

Монитор (дисплей) компьютера – это устройство, предназначенное для вывода на экран текстовой и графической информации. Конечно, монитор — важная часть персонального компьютера, но важна она именно для человека, а не для работы самого компьютера.

По типу внутреннего устройства (технологии) мониторы разделяют на:

ЭЛТ — на основе электронно-лучевой трубки (англ. CRT — cathode ray tube)
ЖК — жидкокристаллические мониторы (англ. LCD — liquid crystal display)

По типу интерфейсного кабеля в мониторах разделяют на:

LCD мониторы

В общих чертах конструкция жидкокристаллической панели выглядит следующим образом. Это слоеный пирог из двух стекол (или гибких прозрачных полимеров) по совместительству выполняющих роль электродов и слоя жидких кристаллов между ними, а по краям пирога расположены два линейных поляризационных фильтра с взаимно перпендикулярной ориентацией.

matrica lcd

Свет от неполяризованного источника света проходит через первый поляризационный фильтр и становится поляризованным по горизонтали, дальше он попадает в слой жидких кристаллов. Кристаллы при этом расположены относительно друг друга и поляризационных фильтров строго определенным образом, они закручены в спираль. Таким образом свет пройдя через них меняет угол на 90 градусов и беспрепятственно выходит через верхний поляризационный фильтр расположенный с другой стороны панели и ориентированный вертикально. В итоге мы видим свет или по-другому точка светится.

Однако, если на электроды подать напряжение, то под действием электрического поля жидкие кристаллы начинают менять свою ориентацию в пространстве раскручивая спираль и свет уже не может пройти через второй поляризационный фильтр и получается черный цвет. Если дополнить эту систему цветными фильтрами, то получится цветной монитор. В дисплеях без подсветки принцип тот же, но используется отраженный свет от внешних источников.

У ЖК мониторов есть несколько важных характеристик. Одной из основных является физический размер экрана, который принято измерять в длине диагонали и обозначать в дюймах. Однако одной диагонали недостаточно, чтобы понять размеры дисплея и поэтому используется еще такой параметр как соотношение сторон.

Наиболее распространенными являются 4:3, 5:4, 16:9, 16:10. Соотношение показывает, насколько ширина экрана отличается от высоты. Соотношения сторон 4:3 означает, что ширина составляет 4 условных единицы, а высота только 3 или по-другому ширина в 1,33 раза больше высоты. Если за условную единицу взять 10 сантиметров, то получится ширина равна 40 см, а высота 30 см. Первые два соотношения относятся к так называемым прямоугольным, а вторые два к широкоформатным мониторам.

Изначально мониторы выпускались, как и старые телевизоры в пропорциях близких к квадрату, что довольно удобно для повседневной работы за компьютером. Однако с развитием технологий и появления HD видео производители решили, что для большего погружения в атмосферу фильма или игры экран следует делать более вытянутым в ширину, что якобы задействует периферийное зрение. Со временем пошли еще дальше и появились сверхширокоформатные мониторы с соотношением сторон 21:9.

Другой характеристикой, тесно связанной с диагональю, является разрешение монитора, выражаемое в количестве ячеек (пикселей) содержащихся в матрице по ширине и высоте. Например, 1280×768, 1366×768, 1280×1024, 1920×1080, 2460×1440 и так далее. Чем их больше, тем четче и детальней будет изображение. Поскольку размер пиксела должен быть достаточно маленьким, чтобы оставаться неразличим для человеческого глаза, то увеличение диагонали автоматически требует увеличения разрешения матрицы. Узнать разрешение своего монитора онлайн вы можете здесь.

Таким образом каждый монитор имеет физическое разрешение так же называемое наитивным. Это важный момент так, как только в этом разрешении изображение получается наиболее четким. Если изменить разрешение в меньшую сторону программным способом, например, 1920×1080 превратить в 1366×768 то качество картинки заметно ухудшится. Это происходит из-за того, что теперь точку, которая раньше показывалась одним пикселем теперь надо показывать дробным числом пикселей, и чтобы этого избежать применяются различные алгоритмы, но они ухудшают качество изображения.

Конечно мониторы имеют еще множество других характеристик, влияющих на их потребительские свойства, но их мы рассмотрим отдельно в другой раз. Компьютерные мониторы и экраны ноутбуков можно выключать программным способом по собственному желанию, не используя кнопку питания на корпусе.

Принцип работы LCD дисплея

В производстве LCD экранов используются цианофенилы – вещества, пребывающие в жидком состоянии, но обладающие свойствами, присущими кристаллическим телам. Принцип работы ЖК дисплеев основан на поляризационных свойствах кристаллических молекул, которые пропускают составляющую света с вектором электрической магнитной индукции расположенным в параллельной оптической плоскости поляроида. Что касается каких-либо других световых спектров, то их кристаллы не пропускают. Цианофенил – светофильтр, который пропускает только один световой спектр (один из основных цветов). Этот эффект получил название «поляризация света».

Управление поляризацией стало возможным за счет смены расположения длинных жидкокристаллических молекул в зависимости от электрического магнитного поля. Смена формы и расположения циенофенилов осуществляется в зависимости от того, с какой силой воздействует на них электромагнитное поле. Происходит смена углов преломления света и поляризация.

Это основные свойства, раскрывающие вопрос о том, как работает LCD монитор. Смена силы электромагнитного поля молекул жидких заставляет молекулы жидких кристаллов менять свое положение, в результате чего и формируется изображение.

Как работает LCD-дисплей: Видео

4.1. Требуемая частота монитора для просмотра 3D

Для использования активных и поляризационных 3D очков используются LCD матрицы, имеющие частоту обновления экрана 120 Гц. Это необходимо для того, чтобы разделить изображения для каждого глаза, при этом частота для каждого глаза должна составлять не менее 60 Гц. Мониторы с частотой 120 Гц можно использовать и для обычных 2D фильмов или для игр. При этом плавность движений заметно лучше, нежели в мониторах с частотой 60 Гц.

Помимо этого, в таких мониторах используются специальные лампы или LED (светодиоды) подсветка, имеющая еще более высокую частоту мерцания, которая составляет около 480 Гц. Это в свою очередь существенно уменьшает нагрузку на органы зрения.

В современных мониторах можно встретить два метода реализации подсветки матрицы:

LED – светодиодная подсветка;
Люминесцентные лампы.

Все крупные производители переходят на использование LED подсветки, так как она имеет значительные преимущества перед люминесцентными лампами. Они ярче, компактнее, экономичнее и позволяют достичь более равномерного распределения света.

Благодаря использованию новейших технологий ЖК-мониторы абсолютно не уступают своим прямым конкурентам – плазменным панелям, а в некоторых случаях даже превосходят их.

Отличие монитора от телевизора

От телевизора монитор принципиально отличается отсутствием встроенного ТВ-тюнера и декодера телевизионного сигнала. К тому же, в обычном мониторе нет встроенных колонок. Изображение на монитор передаётся с видеокарты компьютера, которая может быть встроена в материнскую плату или представлена отдельной платой. Мощные видеокарты могут поддерживать одновременную работу нескольких мониторов.

Современные телевизоры могут иметь разъёмы для подключения к компьютеру, подключаем и смотрим фильмы. Однако постоянно использовать телевизор в качестве монитора не очень удобно. Как правило, компьютерные мониторы обладают более высокой строчной и кадровой частотой и чёткостью, чем телевизоры. На монитор мы смотрим с более близкого расстояния, низкая частота может приводить к усталости глаз, потере остроты зрения, головной боли. Подробнее в блоке «Компьютерный синдром» ниже.

И да, существуют специальные мониторы для телевидения, которые называют видеомониторами. Они отображают телевизионный растр полностью в режиме Underscan, к ним повышены требования к точности цветопередачи. Такие видеомониторы часто выполняются в корпусе для установки в стандартную 19-дюймовую стойку.

Углы обзора

Одним из недостатков жидкокристаллических дисплеев является ухудшение изображения при взгляде на экран под острым углом: падает контрастность и снижается точность передачи цветов. Малые углы обзора делают невозможным комфортный просмотр изображения на мониторе одновременно несколькими людьми, да и для одного пользователя могут создавать проблемы: на экранах с большой диагональю картинка по краям дисплея всегда наблюдается под некоторым углом. Хорошее значение углов обзора, позволяющее пользоваться монитором без особых ограничений, – 160 градусов по вертикали и столько же по горизонтали.
Если внимательно изучить технические характеристики современных мониторов, то окажется, что почти все из них вписываются в этот стандарт. Однако в данном случае используется тот же трюк, что и с методиками измерения. Изначально максимальные углы обзора регистрировались на таком уровне, когда контрастность изображения падала до 10:1. Но некоторые производители используют более «либеральную» методику, позволяющую контрастности опускаться до 5:1. Кроме того, измерение контрастности не позволяет оценить искажение цветопередачи при изменении угла зрения, а оно в большинстве случаев выражено гораздо сильнее. Поэтому данные об углах обзора, которые указывают разработчики, полностью лишены практического смысла. Необходимо либо оценивать углы обзора «на глазок» – при самостоятельном осмотре дисплея, либо руководствоваться профессиональными тестами.

Представляет собой диапазон цветов, которые может воспроизвести монитор. Обычно производитель не дает таких данных, но их можно почерпнуть из тестов. Количество оттенков, которые способен воспроизводить монитор, измеряется в процентах от какого-либо цветового пространства, как правило – sRGB. Большинство современных дисплеев способны воспроизвести 105–110% цветового охвата sRGB, и этого вполне достаточно. Только пользователям, профессионально работающим с графикой, имеет смысл ориентироваться на стандарт AdobeRGB, который предполагает передачу более насыщенных оттенков. У лучших моделей мониторов цветовой охват приближается к границам AdobeRGB или даже превышает их. Но имейте в виду: для корректного отображения графики стандарта sRGB на таком мониторе нужно использовать программы, поддерживающие управление цветом. Не все приложения обладают такой возможностью, поэтому пользователь периодически будет сталкиваться с искажениями цветов.

Типы мониторов

Мониторы для компьютера различаются между собой по нескольким характеристикам.

Вид выводимой информации. По этому признаку выделяют 2 категории изделий:

графические. Они способны выводить на экран как текстовую, так и графическую информацию;
алфавитно-цифровые. В них присутствует система символьного дисплея.

Размерность изображения может быть только 2 типов:

двумерная. В данном случае для обоих глаз формируется единая картинка;
трехмерная. Картинка для каждого глаза формируется своя.

Согласно внутреннему устройству выделяют несколько подтипов приборов:

ЖК;
ЭЛТ;
OLED (или светодиодные);
плазменные;
проекционные.

При этом наиболее распространенными считаются первые 3 вида устройств.

Виды мониторов могут отличаться типом портов (port) и видеоадаптеров. Сюда относят:

Можно также приобрести беспроводной монитор, который подходит для разных целей.

ЭЛТ мониторы

Что такое ЭЛТ монитор?

Под монитором ЭЛТ принято понимать устройство, в основу которого входит электронно-лучевая трубка (или кинескоп). Один конец лучевой трубки имеет широкое основание, другой заканчивается узкой трубкой. Внутри кинескопа находится вакуум. Фронтальная внутренняя часть кинескопа покрыта люминофором. Это сложный состав, основанный на редких металлах, например, эрбия и иттрия. Особенность люминофоров заключается в том, что их бомбардировка заряженными частицами вызывает свечение.

Для того чтобы на экране ЭЛТ монитора возникло изображение, из электронной пушки выпускается поток электронов. Эти частицы приводятся в движение посредством электростатического поля. Распространение потока по всей поверхности экрана обеспечивает отклоняющая система. Она способна отклонять лучи по горизонтали и вертикали.

С появлением новых технологий такие экраны стали использоваться крайне редко.

ЖК мониторы

Что такое ЖК монитор?

Жидкокристаллические мониторы называются также LCD. А работают они на основе вещества, которое обладает свойствами кристаллических тел, но при этом сохраняет жидкое состояние. После воздействия электрическим током ориентация молекул этих жидких кристаллов изменяется. Поэтому изменяются и свойства лучей, проходящих через кристаллы.

В числе преимуществ таких экранов называют:

отсутствие видимого мерцания;
воспроизведение четкой картинки;
малый размер и вес.

Наряду с этим можно указать и на несколько недостатков:

возможность передачи картинки только в штатном разрешении. Например, Full HD 1920×1080 . А другие варианты будут передаваться с потерей четкости;
зависимость контраста изображения от угла обзора;
низкая защищенность от повреждений.

Светодиодные мониторы

Светодиоидный монитор

Технология OLED базируется на использовании органического светоизлучающего диода. Это устройство представляет собой полупроводниковый диод на основе органических соединений.

Чтобы создать такой монитор, требуется несколько тончайших органических пленок, которые располагаются между 2 проводниками. Дисплей начинает светиться после того, как на проводники подается напряжение величиной 2-8 вольт. Такой OLED display состоит из диодов нескольких цветов (2 или 3).

Мониторы, созданные по этой технологии, обеспечивают большой угол обзора. А также четкость и яркость картинки. Однако главным недостатком является срок службы. Он ограничивается 2-3 годами.

Предисловие

Жил-был на свете Антон Городецкий.
Бросила жена, он грустил не по-детски…

Так начинается известная песня группы Уматурман. Так же начинается и история с исследованием дисплеев. После первой публикации на Хабре пришёл ко мне мой друг-аспирант ФНМ МГУ и говорит: «Я тут свой мобильник разбил, не хочешь ли ты его распилить?» Я удивился, потому что этот человек всегда носил с собой китаефон, который я считал практически не убиваемым. Придя однажды домой, Антон по привычке кинул телефон в шкаф, но, видимо, что-то не рассчитав попал аккурат дисплеем в ребро полки.

Осознавая свои смехотворные потери от утраты мобильного и ввиду общего плохого настроения в тот день, он поступил, как истинный джентльмен, швыряя вновь и вновь бездыханное тело телефона о бетонную стену. Когда же останки дошли до меня, то половина китаефона просто отсутствовала, дисплей был покрыт мелкой паутинкой трещин.
Пришлось отложить его до лучших времён (как я тогда полагал, пока кто-нибудь таким же образом не поступит с iPhone или другим сенсорным смартфоном) и начать заниматься HDD и CD, потом лампочками, флешками и т.д.

Через некоторое время уже мой сосед приносит мне треснувший E-Ink дисплей. Его друг разбил тонкое стекло в небезызвестной читалке с порядковым номером 601 во время игры в страйкбол, кажется, и отдал читалку практически даром для ремонта и восстановления.

Вот это уже было интереснее, две технологии можно сравнить между собой, попытаться разглядеть RGB-субпиксели и микрокапсулы, в которых плавают заряженные частицы. Но я надеялся на получение смартфона с ёмкостным сенсором, чтобы сравнить заодно его и резистивный сенсор китаефона.

И вот Василий (научный коллега по одной из лабораторий факультета), приехав к нам на ХимФак из Черноголовки и увидев, чем я собственно занимаюсь с электронным микроскопом, сказал, что готов пожертвовать телефон известного корейского производителя с несколько побитым дисплеем для разборки и распила с пометкой «ради науки ничего не жалко».

Несмотря на все заверения, что сенсор ёмкостной, он оказался резистивным, пусть и более продвинутой конструкции, нежели сенсорная панель китаефона. Из этого телефона была добыта важная деталь, которая ждёт своего часа распила – матрица фото/видео камеры…

Недостатки

ЖК-технология по-прежнему отличается некоторыми недостатками в сравнении с другими подходами:

Если электро-лучевые трубки могут работать с разным разрешением, не привнося искажений, ЖКД обеспечивают четкость только в случае их «родного разрешения». При попытке установить неподдерживаемые параметры экрана, изображение масштабируется, становится размытым или «блочным».
ЖК-панели обеспечивают более низкую контрастность, чем плазменные или светодиодные. Причиной этого является то, что свет часто проникает через поляризационный фильтр и вместо черного цвета отображается серый. Однако при ярком внешнем освещении контрастность ЖКД может превышать данный показатель некоторых других дисплеев по причине большей максимальной яркости.
ЖК-экраны отличаются большим временем отклика, чем плазменные аналоги, создавая видимые ореолы при быстром движении изображения, хотя этот показатель по мере развития технологии постоянно улучшается и в современных ЖК-панелях практически незаметен. Большинство TN- и IPS-дисплеев имеют время отклика 5–8 мс.
Овердрайв, применяемый в некоторых панелях, приводит к тому, что на участках изменяющегося изображения возникают артефакты в виде повышенного шума или ореолов. Причиной этого побочного эффекта является стремление пикселей достичь предполагаемой яркости (или напряжения, которое требуется для прохождения нужного количества света), после чего они возвращаются к целевому уровню, обеспечивая лучшее время отклика.
ЖК-дисплеи отличаются ограниченными углами обзора, из-за чего одновременно смотреть на экран может меньшее число зрителей. При достижении предельного угла контрастность и цветопередача ухудшаются. Но некоторые производители используют этот эффект, предлагая намеренно ограниченный обзор ЖК-монитора с целью обеспечения большей конфиденциальности, например, при пользовании ноутбуком в общественных местах. Кроме того, это позволяет создать для одного наблюдателя 2 различных изображения, создавая стереоскопический эффект.
Некоторые старые ЖК-мониторы могут вызвать мигрени и проблемами со зрением по причине мерцания ламп подсветки, работающих с частотой сети 50 Гц. В современных экранах это устранено с переходом на питание высокочастотным током.
ЖК-дисплеи иногда страдают от выгорания. По мере развития технологии данная проблема снижается, поскольку появляются новые методы ее устранения. Иногда экран можно восстановить путем длительного отображения белого изображения.
Некоторые ЖКД не способны работать в режиме низкого разрешения (например, 320 х 200). Но это связано со схемой управления, а не особенностями ЖК-монитора.
Плоские дисплеи очень уязвимы. Но их легкий вес снижает вероятность повреждения, а некоторые модели защищены стеклом.

Сейчас технологии плоскопанельных и жидкокристаллических мониторов являются наиболее перспективными. Хотя в настоящее время на долю ЖК-мониторов приходится лишь около 10% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).

Принцип работы

Экраны LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 году. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот, в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD — цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975-го уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 году Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет. Этот эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

Рисунок 1. Конструкция ЖК-дисплея.

Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD для настольных компьютеров.

Рисунок 2. Плоскость поляризации.

Экран LCD представляет собой массив маленьких сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой (см. рис. 1). На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу.

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). Как видно на рисунке 2, плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели. При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы (см. рис. 3).

Рисунок 3. Плоскость поляризации.

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем (см. рис. 4а).

Рисунок 4. Поляризация светового луча.

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) (см. рис. 4б). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD-монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.
Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки — при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.

Первые LCD были очень маленькими, около 8 дюймов по диагонали, в то время как сегодня они достигли 15-дюймовых размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся LCD с диагональю 20-дюймов и более. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN технологии.

Технологии STN, DSTN, TFT, S-TFT

STN — сокращение от Super Twisted Nematic. Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.

Часто STN ячейки используются в паре. Такая конструкция называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в «запертом» состоянии, теряет большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки — их обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало (см. рис. 5), поэтому большинство LCD-матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям (это не относится к настольным ЖК мониторам).

Рисунок 5. Конструкция ЖК-матрицы.

Также STN ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.
Термин пассивная матрица (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча, независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD дисплеев, которая была описана выше, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения.
Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные технологии, Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых подматриц (Dual Scan DSTN — два независимых поля развертки изображения), каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время инерции ЖК.
Также лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже.
В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (то есть при угле обзора 120–140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160° (см рис. 6), и есть все основания предполагать, что технология будет совершенствоваться и в дальнейшем. Активная матрица может отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, кроме того, контрастность мониторов с активной матрицей выше, чем у ЭЛТ-мониторов. Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофором ЭЛТ-монитора сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD мониторов достаточной является частота вертикальной развертки, равная 60 Гц.

Для того чтобы починить ЖК монитор своими руками, необходимо в первую очередь понимать, из каких основных электронных узлов и блоков состоит данное устройство и за что отвечает каждый элемент электронной схемы. Начинающие радиомеханики в начале своей практики считают, что успех в ремонте любого прибора заключается в наличии принципиальной схемы конкретного аппарата. Но на самом деле, это ошибочное мнение и принципиальная схема нужна не всегда.

Итак, вскроем крышку первого попавшегося под руку ЖК монитора и на практике разберёмся в его устройстве.

ЖК монитор. Основные функциональные блоки.

Жидкокристаллический монитор состоит из нескольких функциональных блоков, а именно:

Жидкокристаллическая панель представляет собой завершённое устройство. Сборкой ЖК-панели, как правило, занимается конкретный производитель, который кроме самой жидкокристаллической матрицы встраивает в ЖК-панель люминесцентные лампы подсветки, матовое стекло, поляризационные цветовые фильтры и электронную плату дешифраторов, формирующих из цифровых сигналов RGB напряжения для управления затворами тонкоплёночных транзисторов (TFT).

Рассмотрим состав ЖК-панели компьютерного монитора ACER AL1716. ЖК-панель является завершённым функциональным устройством и, как правило, при ремонте разбирать её не надо, за исключением замены вышедших из строя ламп подсветки.

Маркировка ЖК-панели: CHUNGHWA CLAA170EA

На тыльной стороне ЖК-панели расположена довольно большая печатная плата, к которой от основной платы управления подключен многоконтактный шлейф. Сама печатная плата скрыта под металлической планкой.

ЖК-панель компьютерного монитора Acer AL1716

На печатной плате установлена многовыводная микросхема NT7168F-00010. Данная микросхема подключается к TFT матрице и участвует в формировании изображения на дисплее. От микросхемы NT7168F-00010 отходит множество выводов, которые сформированы в десять шлейфов под обозначением S1-S10. Эти шлейфы довольно тонкие и на вид как бы приклеены к печатной плате, на которой находиться микросхема NT7168F.

Печатная плата ЖК-панели и её элементы

Плату управления по-другому называют основной платой (Main board). На основной плате размещены два микропроцессора. Один из них управляющий 8-битный микроконтроллер SM5964 с ядром типа 8052 и 64 кбайт программируемой Flash-памяти.

Микропроцессор SM5964 выполняет довольно небольшое число функций. К нему подключена кнопочная панель и индикатор работы монитора. Этот процессор управляет включением/выключением монитора, запуском инвертора ламп подсветки. Для сохранения пользовательских настроек к микроконтроллеру по шине I2C подключена микросхема памяти. Обычно, это восьмивыводные микросхемы энергонезависимой памяти серии 24LCxx.

Основная плата (Main board) ЖК-монитора.

Вторым микропроцессором на плате управления является так называемый мониторный скалер (контроллер ЖКИ) TSU16AK. Задач у данной микросхемы много. Она выполняет большинство функций, связанных с преобразованием и обработкой аналогового видеосигнала и подготовке его к подаче на панель ЖКИ.

В отношении жидкокристаллического монитора нужно понимать, что это по своей сути цифровое устройство, в котором всё управление пикселями ЖК-дисплея происходит в цифровом виде. Сигнал, приходящий с видеокарты компьютера является аналоговым и для его корректного отображения на ЖК матрице необходимо произвести множество преобразований. Для этого и предназначен графический контроллер, а по-другому мониторный скалер или контроллер ЖКИ.

В задачи контроллера ЖКИ входят такие как пересчёт (масштабирование) изображения для различных разрешений, формирование экранного меню OSD, обработка аналоговых сигналов RGB и синхроимпульсов. В контроллере аналоговые сигналы RGB преобразуются в цифровые посредством 3-х канальных 8-битных АЦП, которые работают на частоте 80 МГц.

Мониторный скалер TSU16AK взаимодействует с управляющим микроконтроллером SM5964 по цифровой шине. Для работы ЖК-панели графический контроллер формирует сигналы синхронизации, тактовой частоты и сигналы инициализации матрицы.

Микроконтроллер TSU16AK через шлейф связан с микросхемой NT7168F-00010 на плате ЖК-панели.

При неисправностях графического контроллера у монитора, как правило появляются дефекты, связанные с правильным отображением картинки на дисплее (на экране могут появляться полосы и т.п). В некоторых случаях дефект можно устранить пропайкой выводов скалера. Особенно это актуально для мониторов, которые работают круглосуточно в жёстких условиях.

При длительной работе происходит нагрев, что плохо сказывается на качестве пайки. Это может привести к неисправностям. Дефекты, связанные с качеством пайки нередки и встречаются и у других аппаратов, например, DVD плееров. Причиной неисправности служит деградация либо некачественная пайка многовыводных планарных микросхем.

Блок питания и инвертор ламп подсветки.

Наиболее интересным в плане изучения является блок питания монитора, так как назначение элементов и схемотехника легче в понимании. Кроме того, по статистике неисправности блоков питания, особенно импульсных, занимают лидирующие позиции среди всех остальных. Поэтому практические знания устройства, элементной базы и схемотехники блоков питания непременно будут полезны в практике ремонта радиоаппаратуры.

Блок питания ЖК монитора состоит из двух. Первый – это AC/DC адаптер или по-другому сетевой импульсный блок питания (импульсник). Второй – DC/AC инвертор. По сути это два преобразователя. AC/DC адаптер служит для преобразования переменного напряжения сети 220 В в постоянное напряжение небольшой величины. Обычно на выходе импульсного блока питания формируются напряжения от 3,3 до 12 вольт.

Инвертор DC/AC наоборот преобразует постоянное напряжение (DC) в переменное (AC) величиной около 600 — 700 В и частотой около 50 кГц. Переменное напряжение подаётся на электроды люминесцентных ламп, встроенных в ЖК-панель.

Вначале рассмотрим AC/DC адаптер. Большинство импульсных блоков питания строится на базе специализированных микросхем контроллеров (за исключением дешёвых зарядников для мобильного, например).

Так в блоке питания ЖК монитора Acer AL1716 применена микросхема TOP245Y. Документацию (datasheet) по данной микросхеме легко найти из открытых источников.

В документации на микросхему TOP245Y можно найти типовые примеры принципиальных схем блоков питания. Это можно использовать при ремонте блоков питания ЖК мониторов, так как схемы во многом соответствуют типовым, которые указаны в описании микросхемы.

Вот несколько примеров принципиальных схем блоков питания на базе микросхем серии TOP242-249.

Рис 1 .Пример принципиальной схемы блока питания

В следующей схеме применены сдвоенные диоды с барьером Шоттки (MBR20100). Аналогичные диодные сборки (SRF5-04) применены в рассматриваемом нами блоке монитора Acer AL1716.

Рис 2. Принципиальная схема блока питания на базе микросхемы из серии TOP242-249

Заметим, что приведённые принципиальные схемы являются примерами. Реальные схемы импульсных блоков могут несколько отличаться.

Микросхема TOP245Y представляет собой законченный функциональный прибор, в корпусе которого имеется ШИМ – контроллер и мощный полевой транзистор, который переключается с огромной частотой от десятков до сотен килогерц. Отсюда и название — импульсный блок питания.

Блок питания ЖК монитора (AC/DC адаптер)

Схема работы импульсного блока питания сводится к следующему:

Выпрямление переменного сетевого напряжения 220В.

Эту операцию выполняет диодный мост и фильтрующий конденсатор. После выпрямления на конденсаторе напряжение чуть больше чем сетевое. На фото показан диодный мост, а рядом фильтрующий электролитический конденсатор (82 мкФ 450 В) – синий бочонок.

Преобразование напряжения и его понижение с помощью трансформатора.

Коммутация с частотой в несколько десятков – сотен килогерц постоянного напряжения (>220 B) через обмотку высокочастотного импульсного трансформатора. Эту операцию выполняет микросхема TOP245Y. Импульсный трансформатор выполняет ту же роль, что и трансформатор в обычных сетевых адаптерах, за одним исключением. Работает он на более высоких частотах, во много раз больше, чем 50 герц.

Поэтому для изготовления его обмоток требуется меньшее число витков, а, следовательно, и меди. Но необходим сердечник из феррита, а не из трансформаторной стали как у трансформаторов на 50 герц. Те, кто не знает, что такое трансформатор и зачем он применяется, сперва ознакомьтесь со статьёй про трансформатор.

В результате трансформатор получается очень компактным. Также стоит отметить, что импульсные блоки питания очень экономичны, у них высокий КПД.

Выпрямление пониженного трансформатором переменного напряжения.

Эту функцию выполняют мощные выпрямительные диоды. В данном случае применены диодные сборки с маркировкой SRF5-04.

Для выпрямления токов высокой частоты используют диоды Шоттки и обычные силовые диоды с p-n переходом. Обычные низкочастотные диоды для выпрямления токов высокой частоты менее предпочтительны, но используются для выпрямления больших напряжений (20 – 50 вольт). Это нужно учитывать при замене дефектных диодов.

У диодов Шоттки есть некоторые особенности, которые нужно знать. Во-первых, эти диоды имеют малую ёмкость перехода и способны быстро переключаться – переходить из открытого состояния в закрытое. Это свойство и используется для работы на высоких частотах. Диоды Шоттки имеют малое падения напряжения около 0,2-0,4 вольт, против 0,6 – 0,7 вольт у обычных диодов. Это свойство повышает их КПД.

Есть у диодов с барьером Шоттки и нежелательные свойства, которые затрудняют их более широкое использование в электронике. Они очень чувствительны к превышению обратного напряжения. При превышении обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя.

Обычный же диод переходит в режим обратимого пробоя и может восстановиться после превышения допустимого значения обратного напряжения. Именно это обстоятельство и является ахиллесовой пятой, которое служит причиной выгорания диодов Шоттки в выпрямительных цепях всевозможных импульсных блоках питания. Это стоит учитывать в проведении диагностики и ремонте.

Для устранения опасных для диодов Шоттки всплесков напряжения, образующихся в обмотках трансформатора на фронтах импульсов, применяются так называемые демпфирующие цепи. На схеме обозначена как R15C14 (см.рис.1).

При анализе схемотехники блока питания ЖК монитора Acer AL1716 на печатной плате также обнаружены демпфирующие цепи, состоящие из smd резистора номиналом 10 Ом (R802, R806) и конденсатора (C802, C811). Они защищают диоды Шоттки (D803, D805).

Демпфирующие цепи на плате блока питания

Также стоит отметить, что диоды Шоттки используются в низковольтных цепях с обратным напряжением, ограниченным единицами – несколькими десятками вольт. Поэтому, если требуется получение напряжения в несколько десятков вольт (20-50), то применяются диоды на основе p-n перехода. Это можно заметить, если просмотреть datasheet на микросхему TOP245, где приводятся несколько типовых схем блоков питания с разными выходными напряжениями (3,3 B; 5 В; 12 В; 19 В; 48 В).

Диоды Шоттки чувствительны к перегреву. В связи с этим их, как правило, устанавливают на алюминиевый радиатор для отвода тепла.

Отличить диод на основе p-n перехода от диода на барьере Шоттки можно по условному графическому обозначению на схеме.

Условное обозначение диода с барьером Шоттки.

Условное обозначение диода на основе p-n перехода.

После выпрямительных диодов ставятся электролитические конденсаторы, служащие для сглаживания пульсаций напряжения. Далее с помощью полученных напряжений 12 В; 5 В; 3,3 В запитываются все блоки LCD монитора.

По своему назначению инвертор схож с электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА), которые нашли широкое применение в осветительной технике для питания бытовых осветительных люминесцентных ламп. Но, между ЭПРА и инвертором ЖК монитора есть существенные различия.

Инвертор ЖК монитора, как правило, построен на специализированной микросхеме, что расширяет набор функций и повышает надёжность. Так, например, инвертор ламп подсветки ЖК монитора Acer AL1716 построен на базе ШИМ контроллера OZ9910G. Микросхема контроллера смонтирована на печатной плате планарным монтажом.

Микросхема контроллера OZ9910G

Инвертор преобразует постоянное напряжение, значение которого составляет 12 вольт (зависит от схемотехники) в переменное 600-700 вольт и частотой 50 кГц.

Контроллер инвертора способен изменять яркость люминесцентных ламп. Сигналы для изменения яркости ламп поступают от контроллера ЖКИ. К микросхеме-контроллеру подключены полевые транзисторы или их сборки. В данном случае к контроллеру OZ9910G подключены две сборки комплементарных полевых транзисторов AP4501SD (На корпусе микросхемы указано только 4501S).

Сборка полевых транзисторов AP4501SD и её цоколёвка

Также на плате блока питания установлено два высокочастотных трансформатора, служащих для повышения переменного напряжения и подачи его на электроды люминесцентных ламп. Кроме основных элементов, на плате установлены всевозможные радиоэлементы, служащие для защиты от короткого замыкания и неисправности ламп.

Плата инвертора и её элементы

Информацию по ремонту ЖК мониторов можно найти в специализированных журналах по ремонту. Так, например, в журнале “Ремонт и сервис электронной техники” №1 2005 года (стр.35 – 40), подробно рассмотрено устройство и принципиальная схема LCD-монитора “Rover Scan Optima 153”.

Среди неисправностей мониторов довольно часто встречаются такие, которые легко устранить своими руками за несколько минут. Например, уже упомянутый ЖК монитор Acer AL1716 пришёл на стол ремонта по причине нарушения контакта вывода розетки для подключения сетевого шнура. В результате монитор самопроизвольно выключался.

После разборки ЖК монитора было обнаружено, что на месте плохого контакта образовывалась мощная искра, следы которой легко обнаружить на печатной плате блока питания. Мощная искра образовывалась ещё и потому, что в момент контакта заряжается электролитический конденсатор в фильтре выпрямителя. Причина неисправности — деградация пайки.