Как работает матрица жк телевизора

Устройство LCD дисплея

Жидкие кристаллы были открыты еще в конце 19 века, но первые устройства отображения на основе жидких кристаллов появились только в конце шестидесятых годов 20 века. В восьмидесятых годах были предприняты первые попытки применения LCD экранов в компьютерах. Монохромные ЖК мониторы сильно «проигрывали» по качеству изображения экранам на основе ЭЛТ. Но с развитием прогресса, были разработаны новые технологии производства ЖК мониторов с применением инновационных материалов. Новые вещества со свойствами жидких кристаллов позволили очень сильно улучшить характеристики ЖК дисплеев.

Сегодня технология ЖК мониторов является одной из наиболее перспективных. Этот сектор рынка самый быстро растущий (65% в год), несмотря на то, что на долю ЖК экранов приходится всего 10% продаж по всему миру.

Устройство жидкокристалического экрана

Жидкие кристаллы – это смесь определенных веществ, находящихся в кристаллическом и жидком состоянии одновременно. Как жидкость эта смесь является текучей и заполняет собой пространство, а как кристалл – образуется из молекул, которые расположены с четкой структурой.

Устройство практически всех LCD дисплеев идентично. Конструкция любого ЖК-дисплея включает следующие составляющие:

• ЖК-матрица;
• Светоисточник;
• Контактный жгут;
• Корпус.

Жидкие кристаллы, используемые в LCD экранах, состоят из стержнеобразных молекул, располагающихся параллельно друг другу. Так как они являются жидкостными – могут «течь», меняя свою пространственную ориентацию в зависимости от поступления электрического напряжения.

Основным структурным элементом любого LCD дисплея является пиксель, который состоит из субпикселей (три ячейки). Каждый субпиксель состоит из жидких кристаллов, расположенных послойной, образующих из внутренних молекул спираль. Такая структура кристаллов зажимается двумя электродами и цветными пластинами с покрытием из поляризационной пленки. Красные пластины находятся в первой ячейке, зеленые – во второй, синие – в третьей.

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.

Контроль качества LCD мониторов

Все ЖК дисплеи тестируются по стандартам ТСО. Испытания проводятся на расстоянии 30 сантиметров от передней части экрана и вокруг него в радиусе 50 сантиметров. Проверка монитора осуществляется и по другим параметрам:

• Насколько удобен экран в использовании;
• Как дисплей воздействует на окружающую среду;
• Какой уровень излучения у экрана (магнитного и электрического);
• Какой уровень пожаробезопасности;
• Какова степень энегосбереения и т.д.

Также любой ЖК-экран проходит проверку на содержание тяжелых металлов.

Технология LCD, принцип работы. Устройство TFT матрицы

LCD-матрица. Принцип работы жидкокристаллической панели.

«Сердцем» любого жидкокристаллического монитора является LCD-матрица (Liquid Cristall Display). ЖК-панель представляет из себя сложную многослойную структуру. Упрощенная схема цветной TFT LCD-панели представлена на Рис.2.

Принцип работы любого жидкокристаллического экрана основан на свойстве жидких кристаллов изменять (поворачивать) плоскость поляризации проходящего через них света пропорционально приложенному к ним напряжению. Если на пути поляризованного света, прошедшего через жидкие кристаллы, поставить поляризационный светофильтр (поляризатор), то, изменяя величину приложенного к жидким кристаллам напряжения, можно управлять количеством света, пропускаемого поляризационным светофильтром. Если угол между плоскостями поляризации прошедшего сквозь жидкие кристаллы света и светофильтра составляет 0 градусов, то свет будет проходить сквозь поляризатор без потерь (максимальная прозрачность), если 90 градусов, то светофильтр будет пропускать минимальное количество света (минимальная прозрачность).

Принцип работы LCD-панели

Рис.1. ЖК-монитор. Принцип работы LCD-технологии.

Таким образом, используя жидкие кристаллы, можно изготавливать оптические элементы с изменяемой степенью прозрачности. При этом уровень светопропускания такого элемента зависит от приложенного к нему напряжения. Любой ЖК-экран у монитора компьютера, ноутбука, планшета или телевизора содержит от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов таких ячеек, размером долей миллиметра. Они объединены в LCD-матрицу и с их помощью мы можем формировать изображение на поверхности жидкокристаллического экрана.
Жидкие кристаллы были открыты еще в конце XIX века. Однако первые устройства отображения на их основе появились только в конце 60-х годов XX века. Первые попытки применить LCD-экраны в компьютерах были предприняты в восьмидесятых годах прошлого века. Первые жидкокристаллические мониторы были монохромными и сильно уступали по качеству изображения дисплеям на электронно-лучевых (ЭЛТ) трубках. Главными недостатками LCD-мониторов первых поколений были:

• — низкое быстродействие и инерционность изображения;
• — «хвосты» и «тени» на изображении от элементов картинки;
• — плохое разрешение изображения;
• — черно-белое или цветное изображение с низкой цветовой глубиной;
• — и т.п.

Однако, прогресс не стоял на месте и, со временем, были разработаны новые материалы и технологии в изготовлении жидкокристаллических мониторов. Достижения в технологиях микроэлектроники и разработка новых веществ со свойствами жидких кристаллов позволило существенно улучшить характеристики ЖК-мониторов.

Устройство и работа TFT LCD матрицы.

Одними из главных достижений стало изобретение технологии LCD TFT-матрицы – жидкокристаллической матрицы с тонкопленочными транзисторами (Thin Film Transistors). У TFT-мониторов кардинально возросло быстродействие пикселей, выросла цветовая глубина изображения и удалось избавиться от «хвостов» и «теней».
Структура панели, изготовленной по TFT технологии, приведена на Рис.2

Структура ЖК-панели

Рис.2. Схема структуры TFT LCD матрицы.
Полноцветное изображение на ЖК-матрице формируется из отдельных точек (пикселей), каждая из которых состоит обычно из трех элементов (субпикселей), отвечающих за яркость каждой из основных составляющих цвета — обычно красной (R), зеленой (G) и синей (B) — RGB. Видеосистема монитора непрерывно сканирует все субпиксели матрицы, записывая в запоминающие конденсаторы уровень заряда, пропорциональный яркости каждого субпикселя. Тонкопленочные транзисторы (Thin FilmTrasistor (TFT) — собственно, поэтому так и называется TFT-матрица) подключают запоминающие конденсаторы к шине с данными на момент записи информации в данный субпиксель и переключают запоминающий конденсатор в режим сохранения заряда на все остальное время.
Напряжение, сохраненное в запоминающем конденсаторе TFT- матрицы, действует на жидкие кристаллы данного субпикселя, поворачивая плоскость поляризации проходящего через них света от тыловой подсветки, на угол, пропорциональный этому напряжению. Пройдя через ячейку с жидкими кристаллами, свет попадает на матричный светофильтр, на котором для каждого субпикселя сформирован свой светофильтр одного из основных цветов (RGB). Рисунок взаиморасположения точек разных цветов для каждого типа ЖК-панели разный, но это отдельная тема. Далее, сформированный световой поток основных цветов поступает на внешний поляризационный фильтр, коэффициент пропускания света которого зависит от угла поляризации падающей на него световой волны. Поляризационный светофильтр прозрачен для тех световых волн, плоскость поляризации которых параллельна его собственной плоскости поляризации. С возрастанием этого угла, поляризационный фильтр начинает пропускать все меньше света, вплоть до максимального ослабления при угле 90 градусов. В идеале, поляризационный фильтр не должен пропускать свет, поляризованный ортогонально его собственной плоскости поляризации, но в реальной жизни, все-таки небольшая часть света проходит. Поэтому всем ЖК-дисплеям свойственна недостаточная глубина черного цвета, которая особенно ярко проявляется при высоких уровнях яркости тыловой подсветки.
В результате, в LCD-дисплее световой поток от одних субпикселей проходит через поляризационный светофильтр без потерь, от других субпикселей — ослабляется на определенную величину, а от какой-то части субпикселей практически полностью поглощается. Таким образом, регулируя уровень каждого основного цвета в отдельных субпикселях, можно получить из них пиксель любого цветового оттенка. А из множества цветных пикселей составить полноэкранное цветное изображение.
ЖК-монитор позволил совершить серьезный прорыв в компьютерной технике, сделав ее доступной большому количеству людей. Более того, без LCD-экрана невозможно было бы создать портативные компьютеры типа ноутбуков и нетбуков, планшеты и сотовые телефоны. Но так ли все безоблачно с применением жидкокристаллических дисплеев?

Понравился материал? Поделитесь им в соцсетях:

Все о жидкокристалических дисплеях

Вы раньше знали что в большинстве настольных мониторов на основе TN матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом, а 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом?

В 70-х годах ХХ столетия компанией Radio Corporation of America был впервые представлен жидкокристаллический монохромный экран. Эффект жидкокристаллических дисплеев начал использоваться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах. Потом стали появляться матричные дисплеи, воспроизводящие черно-белое изображение. В 1987 году компания Sharp разработала первый цветной жидкокристаллический дисплей диагональю 3 дюйма. Гигантский скачок в развитии этой технологии произошел с появлением первых ноутбуков. Сначала матрицы были черно-белыми, потом цветными, но только «пассивного» типа. Они довольно сносно отображали статические изображения и рабочий стол ноутбука, но при малейшем движении «картинка» превращалась в сплошную мазню – на экране невозможно было что-либо разобрать. Естественно, это ограничивало сферы использования нового типа дисплеев. Дальнейшая эволюция жидкокристаллических матриц привела к созданию нового их типа – «активного». Такие дисплеи уже лучше справлялись с отображением на экране движущих объектов, и это способствовало появлению стационарных мониторов. В начале ХХI столетия появились первые ЖК телевизоры. Диагональ их была еще маленькой – около 15 дюймов.

Устройство

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости. Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. Если бы жидких кристаллов не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром. Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности. Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности). Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Преимущества и недостатки

• В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией.
• По сравнению с ЭЛТ, ЖК-мониторы имеют малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.
• Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки) — на некоторых мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах), связанная с использованием блоков линейных ртутных ламп.
• Фактическая скорость смены изображения также остаётся заметно ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев. Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично. Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.В ЭЛТ дисплеях эта проблема полностью отсутствует.
• Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от механических повреждений. Особенно чувствительна матрица, не защищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация.
• Существует проблема дефектных пикселей. Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России — ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий — 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих.ЭЛТ этой проблеме не подвержены.
• Пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев, вообще не подверженных ей.
• Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED-дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила много сложностей в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

В начале 2010-х получили распространение ЖК-дисплеи, имеющие подсветку из одного или небольшого числа светодиодов (LED). Такие ЖК-дисплеи (в торговле нередко называемые LED TV или LED-дисплеями) не следует путать с настоящими LED-дисплеями, в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрным светодиодом.

Как работает ЖК телевизор

Современные технологии в производстве телевизоров позволяют производителям выпускать высококачественные, надежные, ультрасовременные устройства, которые к тому же могут иметь действительно огромные размеры экранов. В частности, наибольшим распространением пользуются жидкокристаллические экраны. Устройство ЖК телевизора позволило достичь отличной глубины цвета, высокой четкости изображения, и при этом такие устройства потребляют мало электроэнергии.

В данной публикации речь пойдет об устройстве, а также принципе работы LCD телевизора, но для начала стоит разобрать, что же такое LCD-дисплей и какими преимуществами он обладает.

Что такое LCD телевизор

Для того чтобы понять, как работает ЖК телевизор, стоит понять, что вообще такое ЖК или LCD экран.

LCD – это сокращение от Liquid Crystal Display, что в переводе на русский язык означает – жидкокристаллический дисплей. Таким образом, ЖК и LCD телевизор – это одно и то же.

Что такое телевизор знает каждый, а вот принцип работы ЖК телевизора известен далеко не всем. Заключается он в использовании специальных молекул, получивших название – жидкие кристаллы, за свои уникальные особенности. Они находятся в жидком состоянии и под воздействием электромагнитного поля способны принимать цилиндрическую форму и менять свое положение. Кроме этого такое вещество имеет оптические свойства присущие кристаллам, они способны преломлять лучи света, и в зависимости от своего положения пропускать или поглощать тот или иной световой спектр.

Другими словами они являются светофильтрами (поляризаторами), которыми можно управлять при помощи электричества. Благодаря этому появляется возможность управлять процессом поляризации, то есть управлять тем, какой спектр видимого излучения будет проходить через слой жидких кристаллов, а какой спектр будет поглощаться. Так и возникает изображение на экране.

Устройство LCD телевизора

Главным элементом в ЖК телевизорах является матрица. Она представляет собой некий массив их огромного множества мельчайших элементов, которые именуются – пиксели. Именно пиксели и формируют изображение. Благодаря современным технологиям производители достигли возможности управлять каждым пикселе в отдельности. Матрица ЖК телевизора имеет несколько слоев. Ключевая роль принадлежит двум первым слоям. Они сделаны из абсолютно чистого и прозрачного, а также свободного от натрия стеклянного материала, именуемого субстратом (или подложка). Между этими слоями и располагаются молекулы жидких кристаллов, а точнее тончайший слой из этих молекул.

Суть работы матрицы заключается в том, что эти молекулы пропускают только определенный спектр излучения, оставляя основные три цвета – синий, зеленый и красный. В зависимости от технологии, освещение молекул жидких кристаллов может осуществляться двумя способами:

• Отражение света;
• Прохождение света.

Проще говоря, принцип работы LCD матрицы заключается в фильтрации света миллионами отдельных затворов (пикселей). Они собраны в сетку (если посмотреть на экран телевизора через мощное увеличительное стекло, то можно увидеть эту сетку) и являются неким фильтром, который пропускает только три основных цвета – синий, зеленый и красный, из которых в дальнейшем и формируется многоцветная картинка.

В качестве источника света в первых LCD телевизорах использовались люминесцентные лампы, одна на сегодняшний день эта технология освещения считается устаревшей. Вместо ламп сегодня производители используют светодиоды – так называемая LED подсветка ЖК матрицы.

Частота обновления экрана ЖК телевизора

Очень часто в момент покупки телевизора мы сталкиваемся с таким показателем, как частота обновления экрана. Этот параметр определяет, сколько кадров в секунду способен отобразить экран телевизора. Стоит отметить, что на качество изображения в фильмах это никак не влияет, так как даже минимальный показатель на сегодняшний день составляет не менее 60 Гц (60 кадров в секунду), что значительно больше, чем частота обычной киносъемки – 24 Гц, и даже частоты видео-контента в европейских странах – 50 Гц.

Высокая частота обновления экрана ЖК телевизора необходима только при подключении к компьютеру. Это отображается на плавности анимации элементов рабочего стола и приложений. Кроме этого, частота обновления экрана ни на что не влияет.

Но от чего же тогда зависит качество изображения? А зависит она от времени отклика матрицы ЖК. Отклик матрицы – это время, которое необходимо для того чтобы жидкие кристаллы смогли отреагировать на поступившие сигналы и изменить свое положение, тем самым изменить цвет передаваемого изображения. Благодаря современным технологиям, ЖК матрицы имеют достаточно быстрый отклик, благодаря чему они практически не уступают своим прямым конкурентам – плазменным панелям, но при этом LCD телевизоры имеют существенной больший ресурс.

Присоединяйтесь к нашему каналу ‘