Monitory CRT i LCD

Zasada działania, porównanie.

VS

Ogólne informacje

Monitor to ogólna nazwa jednego z urządzenia we-wy do bezpośredniej komunikacji operatora z komputerem. Zadaniem monitora jest natychmiastowa wizualizacja wyników pracy komputera.

Pierwszy polski komputer XYZ z 1958 r. używał synchroskopu, wyświetlającego na ekranie oscyloskopu, zawartość 16 słów pamięci w postaci 16 rzędów po 36 jasnych i ciemnych punktów. Następnie używany był dalekopis (np. ZAM 41) lub elektryczna maszyna do pisania (np. Odra 1305).

Synchroskop

Dalekopis

Elektryczna maszyna do pisania

Obecnie używany jest monitor - ekran komputerowy, obsługiwany przez komputer zwykle za pośrednictwem karty graficznej. Podłączany jest najczęściej do gniazda 15-pinowego. Do monitora sygnały przesyłane są w postaci analogowej (sygnały RGB). W monitorach profesjonalnych do zastosowań graficznych stosuje się specjalne karty graficzne i monitory, które podłączane są do karty graficzej za pośrednictwem złącz BNC, a każdy z kolorów jest przesyłany oddzielnie, co zmniejsza liczbę zniekształceń.Istnieją także monitory podłączane do gniazda cyfrowego, gdzie sygnał do monitora przesyłany jest w postaci cyfrowej.Podział:

Monitor CRT - Przypomina zasadą działania i po części wyglądem telewizor. Głównym elementem monitora CRT jest kineskop.

Monitor LCD - inaczej panel ciekłokrystaliczny. Jest znacznie bardziej płaski od monitorów CRT. Zasada generowania obrazu jest odmienna niż w monitorach CRT. (patrz wyświetlacz ciekłokrystaliczny)

Opis działania monitorów CRT

CRT - to przyjęte w języku polskim potoczne oznaczenie dla modeli monitorów komputerowych, których ekran oparty jest na kineskopie od którego pochodzi nazwa CRT.Właściwe określenie to monitory kineskopowe.W monitorach tego rodzaju do wyświetlania obrazu używa się wiązki elektronów wystrzeliwanej z działa elektronowego (najczęściej katoda), która odchylana magnetycznie (przy pomocy płytek odchylania poziomego i pionowego) pada na luminofor, powodując jego wzbudzenie do świecenia.Określenie CRT zaistniało w języku polskim po wprowadzeniu na rynek alternatywnych sposobów wyświetlana obrazu w monitorach komputerowych oraz odbiornikach telewizyjnych.

Kineskop

Kineskop jest rodzajem lampy obrazowej. Cechą odróżniającą kineskop od lampy oscyloskopowej jest magnetyczne odchylanie elektronów. Elektrony emitowane przez katodę są formowane w wąską wiązkę przez działo elektronowe następnie przyśpieszane przez anodę i uderzają w powierzchnię ekranu pokrytą luminoforem wywołując jego świecenie. Aby dało się rozświetlić każdy punkt powierzchni ekranu wiązka musi być odchylana w dwóch kierunkach - pionowym i poziomym.Do odchylenia wiązki elektronów wykorzystywane jest pole magnetyczne wytwarzane przez cewki odchylające. Kąt odchylenia wiązki elektronów od linii prostej jest proporcjonalny do natężenie pola magnetycznego, czyli do natężenia prądu elektrycznego płynącego przez cewki. Aby uzyskać liniowy przebieg wiązki po powierzchni ekranu (stałą prędkość przesuwania) pole a zatem i prąd w cewkach musi narastać liniowo. (ponieważ powierzchnia ekranu nie jest wycinkiem kuli, to kształt prądu musi nieco odbiegać od prostej)Zaletą odchylania magnetycznego jest możliwość uzyskania bardzo dużego kąta odchylenia, niemalże o 90°. umożliwia tworzenie to bardzo krótkich lamp o dużej powierzchni ekranu, odwrotnie niż w lampach oscyloskopowych. Wadą z kolei jest duża moc pobierana przez cewki w celu odchylenia strumienia oraz konieczność używania coraz wyższych napięć wraz ze wzrostem częstotliwości odchylania i rozmiaru ekranu - prędkość poruszania się plamki zależy od szybkości zmian pola magnetycznego, a zmieniające się pole generuje w cewkach odchylających napięcie - tym wyższe im szybciej się zmienia.

Elementem wykonawczym (zamieniającym sygnały w obraz) monitora CRT jest kineskop, czyli próżniowa bańka szklana zaopatrzona w działo elektronowe i płaską powierzchnię prezentacyjną (ekran). Wysyłane przez działo elektrony rozświetlają kolorowe plamki na ekranie, tworząc obraz.

Proces zaczyna się już w karcie graficznej, która odpowiednio interpretuje dane wysyłane do niej przez procesor i przekształca je w sygnały sterujące monitorem. Ponieważ sygnały generowane przez kartę graficzną są z natury rzeczy cyfrowe, a monitor wykorzystuje sygnały analogowe, gdzieś po drodze odbywa się konwersja. Jest ona realizowana przez zawarty w karcie graficznej układ konwersji analogowo-cyfrowej RAMDAC (ang. RAM digital-to-analog converter). Tak uzyskany sygnał analogowy jest przesyłany za pomocą kabli do monitora.

Główny element monitora to działo emitujące strumień elektronów. Strumień ten uderza w ekran. Działo uwalnia elektrony z ujemnej elektrody (katody) dzięki ciepłu - dlatego właśnie monitor nie jest zaraz po włączeniu gotowy do pracy i musi się rozgrzać. W rzeczywistości kineskop zawiera nie jedno działo, a trzy, i każde z nich wysyła strumień elektronów.

Zasada działania monitora kineskopowego

Najczęstsze wady obrazu monitorów CRT

Zniekształcenia poduszkowo-beczkowe (po lewej) i tzw. poduszkowo-zbalansowane (po prawej) należą do najczęstszych defektów obrazu, dlatego w OSD niemal każdego monitora znajdziemy opcje pozwalające je usunąć.

Obrócony obraz (po lewej) to typowy objaw zbyt "brutalnego" potraktowania monitora - np. gdy upadł on nam podczas transportu. Opcja regulacji odkształceń narożników obrazu (po prawej) występuje w ok. połowie spośród testowanych modeli.

Zniekształcenia trapezowe (po lewej) i równoległoboczne (po prawej) są stosunkowo łatwe do wyregulowania. Odpowiednie opcje znajdziemy w menu każdego monitora.

Opis działania monitorów LCD

Technologia LCD

Określenie "ciekłe kryształy" nie powstało w ubiegłym stuleciu. Termin ten powstał w roku 1889! Określenie to wywodzi się nie z elektroniki, a z botaniki. Tym niemniej, dopiero w 1969 roku zjawiskiem tym zainteresowała się firma Radio Corporation of America i to jej zawdzięczamy wynalezienie wyświetlacza ciekłokrystalicznego. W roku 1969 James Fergason odkrył efekt skręconego nematyka (twisted nematic - TN). Było to odkrycie o fundamentalnym znaczeniu, ponieważ wszystkie wyświetlacze LCD działają właśnie w oparciu o zasadę rotacji płaszczyzny polaryzacji. W roku 1973 George Gray odkrył ciekłe kryształy stabilne w normalnej temperaturze i pod normalnym ciśnieniem. Już w 1986 roku NEC wyprodukował pierwszy przenośny komputer z ekranem ciekłokrystalicznym (Liquid Crystal Display - LCD). W roku 1995 rozpoczęto produkcję paneli LCD dużych przekątnych - przekraczających 28'' (71 cm).

LCD (ang. Liquid Crystal Display) - to urządzenie wyświetlające dane lub obrazy oparte na mechanizmie zmiany polaryzacji światła na skutek zmian orientacji uporządkowania cząsteczek chemicznych, pozostających w fazie ciekłokrystalicznej, pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Wszystkie rodzaje wyświetlaczy ciekłokrystalicznych składają się z czterech podstawowych elementów:

1. komórek, w których zatopiona jest niewielka ilość ciekłego kryształu2. elektrod, które są źródłem pola elektrycznego działającego bezpośrednio na ciekły

kryształ 3. dwóch cienkich folii, z których jedna pełni rolę polaryzatora a druga analizatora4. źródła światła

Zasada działania monitora LCD

Każdy element (piksel) takiego obrazu to warstewka ciekłego kryształu, umieszczona pomiędzy dwoma filtrami polaryzacyjnymi o prostopadłych płaszczyznach polaryzacji. Cechą charakterystyczną stosowanych obecnie ciekłych kryształów nematcznych (twisted nematic) jest skręcanie płaszczyzny polaryzacji przepuszczanego światła; przy odpowiedniej - łatwej do ustalenia dla każdego rodzaju substancji ciekłokrystalicznej - grubości warstwy uzyskujemy skręcenie płaszczyzny polaryzacji o 90 stopni. Taki układ jest optycznie przezroczysty. Jeżeli jednak ciekły kryształ znajdzie się w polu elektrycznym, kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji przepływającego światła maleje wraz ze wzrostem natężenia pola elektrycznego - element staje się coraz mniej przezroczysty.Dalsza konstrukcja ekranu jest już "prosta" - odpowiednie źródło światła, podświetlające całą powierzchnię ekranu od spodu oraz filtry barwne, umożliwiające nadanie poszczególnym elementom barw podstawowych RGB. Ten uproszczony model pojedynczego piksela jest niezależny od technologii, w jakiej wykonano ekran - zarówno w przypadku DSTN (Dual Scan Twisted Nemetic), jak i w technologii TFT (Thin Film Transistor) zasada działania jest identyczna zmienia się tylko sposób sterowania przykładanym polem elektrycznym.

Piksel LCD, podobnie jak w przypadku innych technologii, składa się z trzech subpikseli barw podstawowych. Ciekawa jest za to zasada działania: LCD nie emituje światła, ale działa jak swego rodzaju przełącznik, co powoduje, że wyświetlacze LCD muszą być dodatkowo podświetlane. Światło jest emitowane przez lampę fluoroscencyjną i przechodzi przez ciekłe kryształy, w których przy pomocy filtra jest mu nadawany odpowiedni kolor. Każdy subpiksel jest zbudowany w ten sam sposób - różny jest tylko kolor filtra, w zależności od piksela. Ciekły kryształ, w każdym subpikselu można kontrolować jak zawór. Regulując ilość światła przechodzącego przez kryształ, można kontrolować jasność barw podstawowych emitowanych przez dany piksel.

Podstawowa konstrukcja panelu LCD

Najważniejsze pojęcia dotyczące monitorów

Co to jest monitor CRT?CRT - ogólnie przyjęta nazwa dla monitorów, których konstrukcja ekranu oparta jest o kineskopy - monitory kineskopowe.  W monitorach tego typu obraz powstaje poprzez wiązkę elektronów, która wystrzeliwana jest przez działo elektronowe. Przechodząc przez magnetyczne układy odchylania pionowego i poziomego wiązka ta pada na luminofor, który pobudzony (poprzez energię przekazaną przez elektrony) zaczyna świecić. Aktualnie monitory CRT stanowią coraz mniejszy odsetek sprzedawanych urządzeń i niebawem zostaną całkowicie wyeliminowane przez monitory LCD oraz plazmowe.

Co to jest monitor LCD?LCD - monitory, których zasada działania opiera się o tzw. ciekłe kryształy – monitory ciekłokrystaliczne. Między dwoma szklanymi płytami znajduje się substancja aktywna (właśnie ciekłe kryształy), która poddawana jest oddziaływaniu napięcia elektrycznego. Napięcie elektryczne pozwala kryształom na zmianę ułożenia w cieczy, a pozycja kryształu w cieczy określa przepuszczoną ilość światła pochodzącą z lampy podświetlającej. Na dzień dzisiejszy technologia LCD spowszedniała i jest już praktycznie dostępna dla wszystkich, a wolumen sprzedaży monitorów LCD z roku na rok praktycznie podwaja się.

Co to jest piksel?Piksel (rozmiar plamki w mm): jest to wielkość najmniejszej składowej cząstki obrazu, którą można wyświetlić na ekranie. Z reguły rozmiar plamki wynosi od 0,2 mm do 0,42 mm. Im mniejszy rozmiar piksela w danym monitorze, tym bardzie dokładny, ostry i bardziej kontrastowy obraz można uzyskać.

Co to jest rozdzielczość monitora?Rozdzielczość monitora (w pikselach): maksymalna ilość pikseli jaką może wyświetlić dany monitor. Wartość podawana jest następująco: ilość pikseli w poziomie na ilość pikseli w pionie. Typowe rozdzielczości to 640x480, 800x600, 1024x768,  1280x960, 1600x1200.

Co to jest tryb graficzny?Tryb graficzny: określony jest przez liczbę punktów w linii, liczbę linii na ekranie i częstotliwość odświeżania obrazu, np. 1024×768×75 oznacza 1024 punktów w linii, 768 wierszy na ekranie i odświeżanie obrazu na poziomie 75 Hz. Tryby graficzne monitora powinny zgadzać się z trybami graficznymi karty graficznej zainstalowanej w komputerze. Wyświetlenie przez kartę graficzną obrazu w trybie nieobsługiwanym przez monitor spowoduje zniekształcenie obrazu.

Co oznacza skrót TFT? TFT (Thin Film Transistor): tranzystor cienkowarstwowy. W tej technologii za włączenie lub wyłączenie każdego subpiksela w monitorze LCD odpowiada specjalny tranzystor. Technologia TFT (aktywna matryca) wykorzystana w monitorach ciekłokrystalicznych pozwala na uzyskanie jeszcze lepszych parametrów obrazu (czytelność obrazu, kąt widzenia) niż stosowana wcześniej matryca pasywna (dual scan).

Porównanie monitorów CRT i LCD

Porównanie LCD-CRT

Wady i zalety CRT / LCD