1.8.6.Структура ячейки
При пробое газа (поджиге) формируются каналы-стримеры или зона, содержащая ионизированный газ, - плазму. Разряд всегда сопровождается светоизлучением, видимым и ультрафиолетовым, которое часто является основной составляющей излучения. Механизм излучения – рекомбинация ионов плазмы до нейтральных молекул при столкновении с электронами.
Переходные процессы, связанные с пробоем и формированием плазмы, протекают достаточно быстро (10-7 нс и менее). После этого тлеющий разряд становится равновесным, т.е. процессы рекомбинации и ионизации в нем уравновешены. В фазе аномального разряда начинается стягивание его положительного столба. При этом столб отрывается от стенок сосуда, ограничивающего разряд. В точке G (рис. 3.6,б) разряд становится дуговым.
Ультрафиолетовое (УФ) излучение плазмы преобразуется в видимое с помощью люминофоров. В принципе, переизлучение с понижением энергии фотонов в природе широко распространено. Плазменная панель разбита на ячейки прямоугольной формы. Общее число ячеек - свыше 1 млн. В частности панель формата 16:9 обычно имеет по горизонтали 853 пикселя, в каждом по три RGB-ячейки. Всего - 2559 ячеек. Соответственно, по вертикали ей положено 480 пикселей. В целом такая панель содержит 1228320 ячеек. Конкретные размеры ячейки зависят от величины диагонали. Например, при диагонали 42" (1107 см), шаг пикселей составит 1,1 мм. Так что на каждую ячейку с учетом толщины перегородки приходится всего 0,37 мм.
По существу, каждая ячейка плазменной панели — миниатюрный газоразрядный прибор. Сотовая структура ячеек размещена между двух пластин. Одна является задней стенкой панели, другая - выходной и потому должна быть прозрачной в видимой, части спектра. Между пластинами размещена достаточно жесткая конструкция, которая, собственно, и формирует боковые стенки камер ячеек. Заметим, что в своей конструкции ПП фирма Pioneer применила "вафельную" структуру (технологии Waffle или Deep Waffle). Каждая ячейка - это каверна в подложке, имеющая прямоугольную форму. Достоинство - полная изоляция каверн. Типичная конструкция ячейки и базовая конструкция панели представлены на рис. 18.6.
Рис. 18.6. Устройство ячейки плазменной панели.
Диэлектрические слои отделяют электроды от камер. Нижний (на рис. 18.6) электрод примыкает к задней глухой стенке, поэтому он металлический. Электроды со стороны выходной пластины изготовлены из прозрачного токопроводящего материала.
В принципе, защитный слой, стеклянная выходная пластина и другие "прозрачные" элементы конструкции ультрафиолет не пропускают и потому .препятствуют проникновению УФ-излучения ,во «внешний мир". Люминофор покрывает заднюю и частично боковые стенки камеры ячейки. Естественно, используются люминофоры трех разных составов, соответственно, излучающие основные цвета: красный, зеленый, синий. Ячейки заполнены инертным газом, это неон или ксенон, реже гелий. Используются также и смеси этих газов. Газы
находятся в разреженном состоянии. Пониженное давление - это и пониженные потенциалы поджига и равновесного разряда.
Рассмотренная конструкция ячеек сложилась далеко не сразу. Плазма способна, особенно на стадии нормального тлеющего разряда, довольно быстро разрушить люминофорное покрытие. Поэтому поиск оптимальной конфигурации ячейки велся методом проб и ошибок, пока не была решена проблема эффективного отделения зоны плазмы от люминофора. И все же "выгорание" и, как следствие, изменение, в частности, цветовых температур было и остается проблемой.
Еще одна проблема, связанная с ПП, и также принципиальная - высокое энергопотребление. Плазма — это машина по переработке электрического тока в УФ с очень низким коэффициентом полезного действия. Каждая ячейка плазменной панели размером в 173 мм потребляет порядка 1,5 мкА. Это приличный ток для такой "малютки". Стандартные панели 1 млн. (или более) ячеек потребуют тока более 1,5 А. При потенциале равновесного разряда: 20В это выливается в 300 Вт потребляемой мощности (расчет выполнен для 40" панелей), примерно столько же или немного больше (350 Вт) потребляют ПП с экраном 42" по диагонали. Увеличение в 1,5 раза диагонали экрана с 40" до 60" ведет к соответствующему увеличению размеров каждой ячейки и квадратично, т.е. в 1,5x1,5=2,25 раз, энергопотреблению. Следовательно, общее энергопотребление должно возрасти с З00 до 675 Вт, что мы примерно, и отражено в таблице 3.6.
Сопоставление ПП с кинескопным отображением показывает, что при равных 32יִיִ экранах энергопотребление ПП в три раза выше. А ведь это еще и проблема отвода тепла, что при меньших объемах панелей превращается в очень трудную задачу. Впрочем, проблемы известны, и с ними, так или иначе, борются. Один из подходов - оснащение плазменного устройства кадровым накопителем, который управляет распределением мощности источника: по всем пикселям пропорционально соответствующей яркости. Фирма Nee называет такой процессор PLE (Peak Luminance Enhancement).
Устройства отображения на основе процессов, протекающих в плазме, - приборы сложные и капризные. Но главное, у них сохраняются огромные резервы улучшения параметров за счет разного рода технико-технологических ухищрений на некоторых, из которых полезно остановиться.
Рис.19.6. Базовая конструкция плазменной панели.
Фирма Nee (10 сентября 2002 г.) провела в Москве семинар, на котором, среди прочего, рассказала об интересном методе управления ячейками, позволяющем высвечивать ячейки не друг за другом, как это традиционно делается, а большими блоками, именно с этой целью на рис. 19.6 для ячейки предусмотрен электрод данных. Полный цикл управления - восемь стадий переключения состояний. Эти стадии поясняются блоком рисунков (20.6) номера которых соответствуют номеру стадии.
1.Исходное состояние. Все электроды находятся под условно нулевым потенциалом.
2. Начальный разряд. Поджигается тлеющий разряд, устанавливается ток в плазме, соответствующий нижнему потенциалу нормального разряда. Потенциал шины Sustain (поддерживающего электрода) положителен. Излучение из ячейки практически отсутствует. На этой стадии создается первичная ионизация газа; обеспечивающая на следующей стадии включение -разряда без поджига (несамостоятельный разряд).
3. Разряд записи данных. Шина Sustain отключается. На шины Scan (управления) и Data (адресная) подаются короткие импульсы с размахом, соответственно. -180 и +70 В. Разряд формируется в зоне между шинами Scan и Data. Коммутация ячеек выполняется в обычном режиме вдоль строк и прогрессивно по вертикали. Время коммутации строки - 3 мкс или 1 не на строку с 1 тыс. пикселей.
4. Сохранение данных. Все шины отключены. На шинах Scan и Data сохраняются электрические заряды в тех ячейках, на которые напряжения в -стадии 3 поступали одновременно. Эти заряды создают поле, поддерживающее ионизацию с потенциалом 250 В.
Первая часть основного разряда. На шину Scan подается потенциал +40 В, на шину Sustain - -180 В. Этим инициируется равновесный тлеющий разряд с общим потенциалом 250+220=470 В, достаточным для плазменного излучения интенсивного УФ-излучения.
Рис. 20.6. Цикл состояний ячейки в режиме записи.
Вторая часть основного разряда. Осуществляется режим поддержки плазменного разряда. Для этого через каждые 2,5 мкс переключается полярность потенциалов -Scan—и Sustain. Размах переключающих импульсов - 220 В.
5. Гашение разряда. На шинах Scan и Sustain снижаются потенциалы до уровня, использованного на стадии 2. Ультрафиолетовое излучение исчезает.
Ячейка в исходном состоянии. Шины Scan и Sustain замкнуты, ионизация прекращается.
Рассмотренный выше цикл приведения ячеек ПП в светоизлучающее состояние достаточно громоздок и требует пояснений. А все затеяно ради того, чтобы сначала записать в ячейки данные и только затем одновременно высветить их. А это - путь к существенному повышению качества изображения, которое в известных отношениях приближается к кино. Но, скажем, по отношению к телевизионному полю это не вполне удается. Расчеты показывают, что при приведенных выше параметрах на поддержку излучающего состояния в 15,26 мс (активная часть ТВ-поля) приходится только 6100 импульсов изменения полярности на стадии 6. В этом случае ячейки могут находиться: а) либо во включенном, б) либо в выключенном состоянии. А это означает, что не передается шкала серого, и воспроизводятся только шесть цветовых оттенков. Выход - в «дроблении» идеи. Процедуру записи и отображения можно разбить, например, на восемь суб-полей. А это, в частности, означает трехкратное уменьшение яркости.
С самого начала увлечения плазменными панелями было замечено, что цветовые характеристики их излучения далеко не те, что требуются для устройств отображения цветных изображения. Для коррекции обычно применялись разделительные фильтры RGB. Специалисты Nec додумались прикрыть ячейки RGB-фильтрами CCF (Capsulated Color Filter). Такая фильтрация, которая, на первый взгляд, может показаться фантазией на тему "масло масляное", на деле полезна тем, что позволяет убрать из излучения люминофоров все лишнее, а также отсечь излучение плазмы в видимой части спектра. В результате световой поток внешней засветки ослабляется только в 1,6 раза, а не в три, как это происходило бы при идеальных (спектрально нe перекрывающихся) разделительных фильтрах. Позже Nec стал комбинировать эту технологию ССР с фильтром цветовой избирательности (Aссu Сrimson) для коррекции красного смещения цветовой палитры.
Очень изобретательно подошла Matsushita к улучшению параметров ПП марки Panasonic. Plasma AI (Adaptive-Brightness Intensifier) - это технология, в которой использовано двойное сканирование при записи с адаптивной дискретизацией на 10-12 суб-полей. Она зависит от типа изображения (кино или фотография) и от среднего уровня сигнала на суб-поле. Число импульсов Sustain на самых темных участках отслеживается функцией Real Black. В числе оригинальных предложений Matsushita - асимметричные по размерам ячейки первичных цветов - это технология ACSP (Asymmetrical Cell Structure Panel). Известно, что в уравнение баланса белого цвета первичные цвета входят с разными весовыми коэффициентами. В панелях с одинаковыми ячейками это обстоятельство приходится учитывать соответствующей коррекцией импульсов. Matsushita предложила иное: коррекцию за счет размера ячеек (Toshio Walachia. Matsushita PDPs offer high contrast compare well with CRTs. JEY, 2000, №12), К этому добавим, что по такой схеме самой большой оказалась ячейка синего цвета, что позволяет ей слегка подсвечивать соседей просачивающимся ультрафиолетом, и это придает экрану приятный синий оттенок. Правда, производство панелей с тремя размерами ячеек становится сложнее, но это уже другая история.
В 1998 г. Fattiest, один из столпов панельных устройств отображения разработала, технологию Allis (Alternate Lighting of Surface). Разработчики ПП постоянно сталкиваются с проблемой увеличения разрешения при заданных размерах экрана. Прямой путь наращивания числа пикселов сопряжен с необходимостью уменьшения размеров ячеек, а значит и объема плазмы, и, в конечном итоге, яркости пикселов.