Все статьи на QRZ.RU Экспорт статей с сервера QRZ.RU Все статьи
категории "История телевидения"
Источник: сайт "625-net"
Когда-то телевизоры были полностью ламповыми и весь "ящик" - плотно забит шасси с платами и многочисленными элементами навесного монтажа. При этом главная лампа телевизора - кинескоп терялась в паутине жгутов с соединительными проводниками. Казалось, разобраться в таком хозяйстве невозможно, а телевизионные мастера, которые, ткнув туда-сюда щупами тестера, быстро находили "погорельца", выглядели кудесниками, за что и брали приличные чаевые. Потом на смену лампам пришли транзисторы, навесной монтаж сменили печатные платы, внутри телевизора появился "воздух" и, наконец, последняя лампа телевизора - кинескоп предстала во всем своем мастодонтском величии - тем более, что к этому времени кинескоп заметно увеличился по объему и массе.
У транзистора "был век не долог", его очень быстро сменили корпоративные элементы - интегральные микросхемы, на стандартной площади чипа которых нашли прописку сотни, затем тысячи, а теперь и миллионы транзисторов. В приличном по объему и размерам корпусе современного телевизора скучает всего несколько микросхем и пара силовых блоков, также основательно усохших со времен лампового буйства плоти. Все остальное заполняет пустотелая огромность кинескопа. Поэтому не стоит удивляться тому, что с момента появления внутри телевизора первого "воздуха" и по наши дни идут упорные поиски идей и конструкций для нового типа воспроизводящих экранов. И с первых шагов этой работы стало ясно, что перспективной заменой кинескопу должны стать плоские экраны. А лучшим свидетельством трудности задачи является то обстоятельство, что кинескоп и поныне главенствует в телевизоростроении.
Мне довелось перечитать огромное число обзорных "прожектов" по самым разным идеям осуществления телевизионной развертки вне кинескопных рамок. Разнообразие предложений и идей от смешных до глобальных - они исчислялись тысячами - так и кануло в Лету. К нашему времени практическое воплощение нашли только три подхода к плоским экранам. Дисплеи на жидких кристаллах, о которых было рассказано в прошлом номере, - одно из апробированных и перспективных направлений, другое - плоская матрица светоизлучающих элементов. Для огромных видеостен здесь годится любой источник света, который можно достаточно быстро включать/выключать. Для плоских экранов бытовых телевизоров выбор не велик и одним из реальных претендентов выступают полупроводниковые светодиоды. Это тем более интересно, что технология изготовления плоских светодиодных экранов может опираться на отработанные технологии производства интегральных микросхем. Все дело по этому направлению стопорится только сверхстоимостью светодиодного экрана.
Из числа активно излучающих экранов наиболее продвинуты в направлении практического воплощения, а точнее уже реализованы и серийно выпускаются, хотя пока и относительно малыми тиражами, плоские плазменные экраны. По отечественной терминологии их называют экранами с газоразрядными элементами.
Современная цивилизация достаточно часто сталкивается с применением газоразрядных источников света. Это, например, "неоновые" светильники в форме прямых и изогнутых трубок, широко применяемые в рекламных табло. Эпитет "неоновые" к таким светильникам прилеплен давно - с появления первых газоразрядных элементов с неоновым наполнением и розовым свечением газа. Теперь используется самое разное газовое наполнение, а сам эпитет - сленговое определение светильника - хранит память о первом "свидании". Известны и лампы "дневного" освещения, газовое наполнение которых - пары ртути, которые излучают в ультрафиолетовой части спектра. А вот состав излучения самих ламп определяется люминофором, преобразующим опасный ультрафиолет в безопасный свет видимого диапазона. По схеме работы именно эти лампы наиболее близки к тем газоразрядным элементам и плоским экранам на их основе, о которых речь пойдет ниже.
Газовый разряд
В плоских телевизорах на основе газоразрядных элементов используется естественное свойство плазмы излучать электромагнитные волны видимого диапазона и ультрафиолетовые.
Плазма - частично или полностью ионизированный газ. В равновесном состоянии число положительно и отрицательно заряженных элементов плазмы (ионов, электронов) взаимно уравновешено, поэтому для стороннего наблюдателя плазма представляется телом, не имеющим электрического заряда. Поскольку плазма - газ, дух бродяжничества естественен для всех его элементов. Удержать плазму в ограниченном пространстве можно с помощью полей. Во вселенной основную роль тюремщика плазмы, упакованной в звездах, туманностях, играют гравитационные поля, а в некоторых случаях и магнитные. Так, магнитное поле Земли удерживает в своих ловушках потоки высокоэнергичных космических частиц, особенно многочисленные в моменты взрывов на Солнце и способные "спалить" все сущее на нашей планете.
В своих рукотворных наземных специализациях, а их очень много, плазма удерживается исключительно электромагнитными полями и стенками ячеек, сосудов и другими, непроницаемыми для газов баллонами.
В нормальных условиях, существующих у поверхности Земли, молекулы газов электрически нейтральны. Поэтому для превращения этих газов в плазму надо потрудиться. Физических процессов, ведущих к ионизации газов и превращающих их в плазму достаточно много. Самым естественным и растиражированным в многочисленных звездах процессом ионизации является нагрев до температур, когда средняя кинетическая энергия молекул превысит потенциальную энергию внешних электронов атомных оболочек. Дальнейший нагрев газа приводит к срыву электронов с все более глубоких слоев. В звездах этот процесс может продолжаться до предела, когда от атомов остаются только ядра, а в нейтронных звездах и при гравитационном коллапсе разрушаются даже ядра. Еще один эффективный процесс ионизации газов - бомбардировка его молекул достаточно энергичными заряженными частицами. Именно этот процесс ведет к образованию в атмосфере Земли ионизированных слоев, отражающих электромагнитные волны СВ и КВ радиодиапазонов. О фотоионизации, как возможном процессе образования плазмы, стоит упомянуть по той причине, что обратный ему процесс деионизации обеспечивает свечение плазмы, так широко используемое людьми. Однако исходя из задач этой статьи нам особенно интересен тот процесс ионизации, который называют газовым разрядом.
С позиций физики газовый разряд возникает вследствие уже упомянутой бомбардировки молекул газа электронами, разогнанными приложенным электрическим полем. Поэтому физические особенности газового разряда существенно зависят от приложенного потенциала. Надо сказать, что возможные реализации электрического разряда в газах или, иными словами, прохождения электрического тока через газовую среду, многочисленны и существенно зависят от состава и давления газа, от материала, формы и размещения электродов, конфигурации электрического поля в газе. Физика прохождения токов через газы сложна и, в общем, не подчиняется закону Ома.
Различают самостоятельные и несамостоятельные разряды. В случае несамостоятельного или, так называемого, тихого разряда ионизация газа поддерживается внешними процессами, а электрическое поле управляет лишь током разряда. Нас же интересует самостоятельный разряд, который создается и поддерживается достаточно высоким электрическим потенциалом. Потенциал, с которого возникает самостоятельный разряд, называют потенциалом пробоя, а электрическое напряжение, обеспечивающее этот потенциал, называют напряжением зажигания. Тихие разряды можно наблюдать по ночам, особенно в предгрозовые часы, вокруг острия металлических предметов. Молния - это эффектное природное проявление самостоятельного газового разряда.
Напряжение зажигания зависит, конечно, от состава газа и, в однородных электрических полях, от произведения расстояния между электродами и давления газа. В неоднородных полях эта зависимость несколько сложнее, но основной характер сохраняется. При относительно низком давлении газа (несколько миллиметров ртутного столба) возникает тлеющий разряд - именно он и используется в газоразрядных источниках света.
В определенном интервале токов интенсивность свечения тлеющего разряда зависит от тока разряда более или менее линейно. Надо особо подчеркнуть одно свойство тлеющего разряда, важность которого для обсуждаемой здесь темы станет понятной ниже: потенциал, способный поддерживать тлеющий разряд, заметно меньше потенциала пробоя. Именно поэтому в конструкциях газоразрядных светильников предусмотрены специальные устройства поджига разряда, которые в момент включения вырабатывают импульс с амплитудой больше напряжения зажигания.
При достаточно высоких давлениях, например, атмосферном в процессе пробоя образуется один или несколько каналов (стримеров), заполненных плазмой. Молния - типичный пример такого разряда через стримеры.
Взаимодействие электрически заряженных элементов плазмы, главным образом, определяется дальнодействующими электромагнитными полями, а не короткодействующими силами молекулярного притяжения. Поэтому физические процессы в плазме принципиально носят коллективный характер. Хотя пути свободного пробега электронов и ионов в плазме велики, столкновение электронов с молекулами газа происходят достаточно часто. Электрон, разогнанный электрическим полем, выбивает коллегу из внешней оболочки атома, создавая противоположно заряженный ион, который под воздействием электрического поля разгоняется в сторону, противоположную движению электронов. На это действие затрачивается определенная энергия, которая не может быть ниже потенциала электрона в атоме. Отсюда и возникает пороговый характер зависимости тока тлеющего разряда от напряжения. Взаимное притяжение отрицательно заряженных электронов и положительно - ионов ведет к их частым "встречам", которые заканчиваются рекомбинацией. Образуется нейтральная молекула - мишень для следующей бомбардировки - и фотон, уносящий избыток энергии, возникающей при водворении электрона на свободное место в атоме.
Обычно, в газоразрядных приборах используется газовая среда определенного состава. При этом энергия электронов, бомбардирующих молекулы газа, достаточна только для срыва электронов, наиболее слабо связанных в атомах молекул газа. Потенциал этой самой тонкой "нити" и определяет энергию излучаемого фотона, а, значит, и его "окраску". Вот почему газоразрядные лампы, как правило, излучают в достаточно узкой области спектра.
Газоразрядные ячейки
Экран плоского телевизора или дисплея на газоразрядных элементах составлен из большого числа ячеек, каждая из которых - самостоятельный излучающий элемент. Есть две базовые конструкции таких ячеек. В той, что попроще в изготовлении, используется объемный разряд. Электроды в этой конструкции, получившей в качестве международной маркировки аббревиатуру DC, размещены на противоположных подложках. Эта конструкция поясняется рис. а. DC ячейки найдут - это теперь ясно - относительно узкое поле применения из-за малого срока службы. Дело в том, что в такой конструкции, неизбежно, подвергается ионной бомбардировке слой люминофора, который из-за этого довольно быстро выгорает. По этой причине в дисплейно-телевизионном применении предпочтены конструкции с поверхностным разрядом, маркируемые аббревиатурой AC. Эта конструкция поясняется рис. б. Принципиальная особенность этого варианта заключена в размещении дисплейных (поддерживающих разряд) электродов на одной подложке. Ионные потоки, связывающие электроды, не достигают противоположной подложки с люминофорным покрытием и поэтому не разрушают его.
Конструкция ячеек довольно проста. Ее основными несущими элементами являются стеклянные пластины - подложки. Через одну из них световое излучение выводится. В варианте с объемным разрядом на выводной пластине помещен прозрачный электрод, прикрытый слоем диэлектрика - окиси магния. И, наконец, на поверхность диэлектрика нанесен слой люминофора. В конструкции с поверхностным разрядом люминофор наносится непосредственно на стеклянную пластину. Нижние стеклянные пластины с внутренней стороны покрыты слоем проводника и диэлектрика (объемный разряд) или двумя слоями проводника и диэлектрика (поверхностный разряд). Назначение элементов описанных конструкций достаточно очевидно и комментариев требует лишь присутствие слоя люминофора.
Газоразрядная ячейка излучает электромагнитные волны ультрафиолетового диапазона. Люминофор активно поглощает это излучение, для которого является непрозрачной средой. Последнее замечание важно в том отношении, что ультрафиолет достаточно вреден для человека. Поэтому одной из дополнительных функций люминофора является отсечение опасного излучения. В атомах люминофора, поглотившего ультрафиолетовые фотоны, соответствующие по энергии перехода уровни (метастабильные, т. е. относительно долго живущие) возбуждаются и часть энергии возбуждения за счет перехода, в котором не происходит излучения фотона. Избыточная часть энергии удаляется тепловым квантом, передается на меньшие по потенциалу нестабильные (короткоживущие) уровни, которые быстро возвращаются в исходное состояние, излучив фотоны видимого диапазона. Так и происходит преобразование ультрафиолета в видимый свет. В плоских газоразрядных экранах, воспроизводящих цветное изображение, применяются три разновидности люминофоров, излучающих красный, зеленый и синий свет.
Экран стандартного телевизора содержит более 300000 независимых элементов - в каждом RGB излучающие ячейки. Таков же состав экрана плоского телевизора. Итак, плоский телевизор с экраном из газоразрядных элементов должен содержать около миллиона маленьких неоновых лампочек, собранных в триады RGB. С помощью напыления или электролитических технологий на стеклянные пластины в соответствующих местах наносятся электроды, слои диэлектрика (MgO) и люминофоров, создаются перегородки, отделяющие одну газоразрядную ячейку от другой, пространство между пластинами заполняется рабочим газом, по периметру все заливается газонепроницаемым веществом - и экран готов. Электроды формируются в виде двух взаимно пересекающихся решеток. Первый такой экран с поверхностным газовым разрядом фирма Fujitsu выпустила еще в 1979 г. Надо сказать, что уже два десятилетия эта фирма была и остается главным энтузиастом и источником идей по улучшению конструкций плоскоэкранных плазменных телевизоров.
Десятилетие потребовалось для улучшения конструкции газоразрядного экрана. Первой проблемой стало время наработки. Переход к поверхностному разряду существенно продлил время жизни люминофора, но не снял проблему полностью, поскольку бомбардировка люминофора ионами ослабла, но не исчезла полностью. Надо было сделать поверхностный разряд более плоским, для чего следовало расположить электроды разряда на одной поверхности. Но как тогда создать скрещенную структуру электродов коммутации видеосигнала? Окончательное решение было найдено в трехэлектродной структуре, которая была впервые создана в 1986 г. Она приведена на рис. в. Третий электрод - адресный. Именно адресные электроды создают штриховую электродную систему, ортогональную штрихам разрядных электродов. На разрядные электроды постоянно подается напряжение, достаточное для поддержания разряда, но меньше напряжения зажигания. На адресные электроды подаются импульсы, размах которых достаточно велик, чтобы зажечь разряд. Коммутационная система телевизора с поэлементной тактовой частотой переключает потенциалы, подаваемые на адресные электроды, и со строчной - на электроды разряда. При этом разность потенциалов между парой разрядных электродов поддерживается постоянной.
Это решение сняло множество проблем и практически открыло пути реализации серийного производства. Но осталась проблема более эффективного использования излучения люминофора. Дело в том, что атомам люминофора совершенно безразлично, в каком направлении пульнуть фотоном. А вот от плоского экрана требуется, чтобы он посылал фотоны преимущественно в сторону зрителя. По этой причине и было решено "перевернуть" ячейку, как показано на рис. г.
Итак, люминофор и адресный электрод перекочевали на нижнюю пластину, а электроды разряда, которым пришлось стать прозрачными, переместились на верхнюю. Адресный электрод вместе с основной функцией проводника выполняет и вторую - зеркала, отражающего половину света, излучаемого люминофором, в сторону зрителя. Заодно, разрядные электроды приобрели выступы, более компактно локализующие разряд.
Эта структура ячеек газоразрядного экрана была реализована в 1989 г. все той же фирмой Fujitsu. С этого момента, в принципе, стало возможным практическое применение газоразрядных экранов в телевизорах, дисплеях и видеостенах.
Плазменный телевизор
В 1993 г. на NAB фирма Fujitsu показала плоский телевизионный приемник с экраном 86 см по диагонали, который содержит 640 х 480 триад газоразрядных ячеек. Телевизор обеспечивал воспроизведение 260000 цветовых оттенков, что соответствует шестиразрядному уровневому квантованию - качество цветовоспроизведения несколько более низкое предусмотренного стандартом. Это объясняется недостаточно широким линейным интервалом газоразрядных ячеек. Однако резервы дальнейшего улучшения качества воспроизведения еще есть.
Толщина газоразрядного телевизора всего 3,5 см. Трудно поверить, что такая плоская, почти лишенная толщины, конструкция способна заменить ящик более чем в полметра по длине, высоте и ширине! Масса плоского телевизора также неприлично мала - менее 5 кг! А вот срок службы в сравнении с первыми версиями вырос до 30000 часов. Угол обзора 140 град. не уступает этому параметру телевизоров на кинескопах.
Телевизоры - не единственная область применения газоразрядных панелей. Предполагается, что наиболее массовое применение, по крайней мере по первопутку, они найдут в компьютерной технике в качестве графических дисплеев. Это обстоятельство нашло отражение, в частности, в размещении RGB ячеек. В масочных кинескопах телевизоров они имеют круглую форму и размещаются в вершинах равностороннего треугольника - дельта-конструкция. В дисплеях компьютеров принята квадратная форма триад и линейное (по горизонтали или вертикали) их размещение. То же самое сделано и в плоской плазменной панели. Каждая триада 86-сантиметровой панели - квадрат со стороной 0,66 мм и состоит из трех прямоугольных элементов с размерами 0,66 по вертикали и 0,22 по горизонтали. Всего в строке 3 х 640 = 1920 ячеек. Яркость свечения панели достаточно высока - 180 кандел на квадратный метр. Контрастность 60:1.
Существенным недостатком газоразрядных панелей, к сожалению принципиальным, является достаточно высокое коммутируемое напряжение в десятки и сотни вольт. Оно определяется потенциалом пробоя и, к сожалению, не может быть понижено. Это приводит к высокому энергопотреблению устройства. Высокочастотные системы с таким большим размахом сигналов - достаточно сложные и капризные устройства. Менее принципиален, но существенен другой недостаток - слишком высокая цена - 10000 долларов. Она исключает, пока, массовое применение плоских панелей. Столь высокая цена - следствие технологических трудностей, в том числе и только что упомянутых. С расширением серийного производства вполне можно рассчитывать на снижение стоимости газоразрядных панелей. Однако маловероятно, что она станет сопоставимой со стоимостью воспроизводящих устройств на кинескопах. Впрочем, подобные предсказания чреваты ошибками.
Им нет числа
Точнее, общее число фирм, подхвативших вызов Fujitsu и разрабатывающих свои версии воспроизводящих устройств, в которых вакуумную лампу - кинескоп заменит плазменная панель, уже превысило три десятка. Так, фирма Mitsubishi Electric, лишь на год отстав от Fujitsu, представила свою версию панели с экраном 81 см и уже начинает серийное производство панелей с метровым экраном. С подобной заявкой на выпуск метровых экранов типа AC выступила и, пожалуй, самая авторитетная среди "дисплейных" фирм - NEC.
Но самую большую бучу устроила NHK, которая рискнула вложить средства в разработку систем типа DC, т. е. с применением объемного газового разряда. Фирму привлекло главное достоинство системы с объемным разрядом - простота конструкции, за которой тенью следует относительно низкая стоимость. Разработчикам NHK, естественно, были известны основные недостатки - малая надежность из-за быстрого выгорания люминофора. Итогом работ стала панель с метровым экраном. Ее толщина всего 6 мм, масса 8 кг. Панель еще не дотягивает до лучших показателей по четкости, но поразила всех неожиданно высокой надежностью - 15000 часов гарантированной работы. Удивленные Hitachi, Sharp, Toshiba, Pioneer и еще два десятка фирм быстро организовали консорциум, цель которого - доведение до ума и выпуск метрового плазменного экрана типа DC, конструкции NHK в виде телевизоров, дисплеев и других подходящих устройств воспроизведения видеоизображений. Сама NHK не остается в стороне от страстей, вызванных ее инициативой, и планирует на зимних Олимпийских играх в Ногано в 1988 г. установить метровые плазменные экраны, содержащие более двух миллионов элементов, на объектах Олимпиады. В 1999 г. предполагается выпуск экранов с диагональю 1,2 ... 1,3 м.
Россия также не оставалась в стороне. Еще в 1975 г. появились первые отечественные разработки с газоразрядными экранами. Они предназначались для больших экранов коллективного пользования. Сейчас наибольших успехов добилась, по нашему мнению, фирма НИИ ГРП "Плазма", которая работает на базе МГУ. Фирма готова предложить панели "телевизионного" размера в один или около того метра или большие видеостены с диагональю 2 ... 5 м. Это не идеи ученых, а предложения разработчиков, ищущих рынок сбыта.
Не ведаю, каким будет плоский телевизор будущего. Знаю - будет, уверен - скоро! Нынешние претенденты хороши, но не очень! Впрочем, "мы за ценой не постоим"!