HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. HOGYAN MŐKÖDIK A SZÍNES LCD KIJELZİ? ASKED BY STUDENTS I. HOW DOES THE COLOUR LCD MONITOR WORK? Bevezetı DR.

Átírás

1 VÉDELEMI ELEKTRONIKA DR. VERES GYÖRGY HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. ASKED BY STUDENTS I. HOW DOES THE COLOUR LCD MONITOR WORK? Az elmúlt évek során több alkalommal végrehajtott tantervi korrekciók következtében egyre kevesebb óra jutott az analóg és a digitális elektronikai ismeretek oktatására a Bolyai Karon. Ennek következtében egyes tananyagrészek oktatására nem vagy csak korlátozott terjedelemben van lehetıség. Ezért egy cikksorozatban szeretném hallgatóim és más érdeklıdık számára röviden, a lényeget összefoglalva ismertetni az általam fontosnak vélt ismereteket. Ez a cikk a szakmai körökben közismert LCD-k mőködését, fontosabb jellemzıit foglalja össze, hangsúlyozottan tudományos ismeretterjesztıi szándékkal. Due to the many modifications made in the curriculum over the past few years, there were fewer lessons available for the teaching of the analog and digital theory at our department of Bolyai. Therefore some parts of the lessons had to be excluded or limited from the teaching. In a series of articles, I would like to summarize briefly the basic principles of the theory for those who are either my students or interested in the subject. This article focuses on the operation and main characteristics of the wellknown LCDs in professional fields, emphasizing my point of view on the existing scientific knowledge. Bevezetı A monokróm kijelzık mőködésének tanulmányozása során megismertük, hogy a kijelzıben két, belsı felületén mikronmérető árkokkal ellátott, egymáshoz képest 90 o -kal elfordított, átlátszó lap közé folyadékkristályos anyagot helyeznek, amely nyugalmi állapotában igazodik a belsı felület által meghatározott irányhoz, így csavart állapotot vesz fel. A kijelzı elsı és hátsó oldalára egy-egy polárszőrıt helyeznek, amelyek a fény minden irányú rezgését csak egy 285

2 286 HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. meghatározott síkban engedik tovább. A csavart elhelyezkedéső folyadékkristály különleges tulajdonsága, hogy a rá esı fény rezgési síkját elforgatja. Ha hátul megvilágítják a panelt, akkor a hátsó polarizátoron átjutó fényt a folyadékkristályon áthaladva elfordul 90 o - kal (innen ered a Twisted Nematic, TN megnevezés), így a fény az elsı szőrın átjut és világos képpontot kapunk. Ha kristályra feszültséget kapcsolunk, nem forgatja el a fény polarizációs síkját, az eredmény pedig fekete képpont. Ha a külsı feszültséget megszüntetjük, akkor a fény ismét áthalad a kijelzın, tehát reverzibilis változásról van szó. Ebben a cikkben azt fogjuk megvizsgálni, hogy a már megismert kijelzési elv alapján, hogyan lehet színes megjelenítést produkálni? Mivel a színes megjelenítést mindennapjainkban legelterjedtebben a számítógépes monitoroknál és a lapos TV készülékeknél alkalmazzák, ezért a színes képpont, illetve a színes kép megjelenítését fogjuk tanulmányozni ezekre az eszközökre vonatkozóan. A színes képpont megjelenítése A hordozható számítógépek a kezdetektıl LCD-kijelzıkkel mőködtek és ez a mai napig változatlan, csupán a kijelzık minısége lett egyre jobb. Ugyanez a helyzet a mobiltelefonok esetében is. A gyártási technológia fejlıdése mára lehetıvé tette, hogy az LCD-alapú megjelenítık színesek, nagy felbontásúak legyenek, továbbá a korai modellekhez képest jóval nagyobb képméretet és sokkal jobb képminıséget biztosítsanak. Ezért már az utóbbi idıben (és napjainkban meg különösen) elterjedt a TV képernyık képmegjelenítı eszközeként történı alkalmazásuk is. A korszerő színes LCD-megjelenítık (tévék, monitorok) a korábban ismertetett alapelven mőködnek, de felépítésük jóval bonyolultabb. A kijelzı képpontjait (pixeljeit) a szokásos RGB-színkeverés alapszíneire osztott alképpontok (sub-pixelek) alkotják (a pixel szó az angol picture element szavakból alkotott mőszó, amely képelem pontot képpontot jelent). A három különbözı színő szubpixel színei összeadódva egy eredı színt hoznak létre. Ezek a szubpixelek olyan közel vannak egymáshoz, hogy az emberi szem nem tudja külön-külön érzékelni ıket, hanem egy eredı színt látunk. Az eredı szín milyensége attól függ, hogy az egyes

3 VÉDELEMI ELEKTRONIKA összetevık (a szubpixelek színei) milyen intenzitással vesznek részt benne. Additív (összeadó) színkeverés: ebben az esetben a három alapszín a vörös (Red), a zöld (Green) és a kék (Blue). Innen az RGB színtér elnevezése. A három különbözı színő fénysugár összeadódik és együttesen hozzák létre az adott színt, ezért nevezik additív, összeadó színkeverésnek. Ezzel az eljárással dolgozik a monitor és a tévékészülék 1. ábra. Ahol a három szín egyenlı arányban fordul elı, ott fehér, ahol pedig mindhárom szín hiányzik ott pedig a fekete színt kapjuk. Az elıbbi eset fordítva is igaz természetesen, vagyis a fehér fény három összetevıre, a pirosra, a zöldre és a kékre bontható színszőrık segítségével. Az 1. ábrából kiolvasható még, hogy például: vörös + zöld=sárga; zöld + kék=kékeszöld; kék + vörös=bíbor. 1. ábra: Additív színkeverés [1] Megállapítható tehát, hogy a színes LCD kijelzı (monitor, TV képernyı, stb.) egy darab színes pixeljének megjelenítéséhez három darab RGB színő szubpixelt kell tartalmaznia. Az már ismert, hogy az LCD kijelzı saját fényt nem tud kibocsátani, ezért bármilyen alakzat megjelenítéshez valamilyen fényforrásból származó megvilágítást kell alkalmazni. Az ebbıl a fénysugárból színszőrık segítségével állítják elı a szubpixelek színeit. A képernyı egy színes képpontját (pixelét) mutatja a 2. ábra. 287

4 HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I ábra: A színes LCD képernyı egy képpontja [2] A háttér világítású, színes, un. transzmissziós LCDmegjelenítık felépítése mőködése Az alképpontokhoz tartozó elektródákra kapcsolt feszültség finom változtatásával árnyalatok megjelenítésére képes a kijelzı. A hagyományos monitorok alpixelenként 8 bitet használnak az árnyalatok megkülönböztetésére, egyetlen alpixel tehát 2 8 =256 állapot képes felvenni.

5 VÉDELEMI ELEKTRONIKA Figyelembe véve, hogy egy pixelben három alpixel van, az összes variációk száma = , így egy pixel közel 16.8 millió színt képes elıállítani. Ezt a 24 bites színképzést hívjuk TrueColornak. (léteznek ettıl eltérı értékek is, pl billió színárnyalat). Kívülrıl befelé haladva (3. ábra) a következı rétegek vannak egy háttér világítású, színes LCD-megjelenítı ernyıjében: felsı védıréteg, vízszintes polárszőrı, felsı üveglap, színszőrı réteg, folyadékkristály réteg, alpixel elektródái, alsó üveglap, függıleges polárszőrı, háttérvilágítás. 3. ábra: A színes LCD képernyı szerkezeti felépítése [2] A különbözı színő képpontok elrendezése lehet háromszög (delta elrendezés), amikor az egyes szubpixelek egy képzeletbeli háromszög csúcspontjaiban helyezkednek el vagy egyenes vonal mentén (inline elrendezés). Két ilyen színpont-hármas távolsága határozza meg a maximális elérhetı felbontást 4. ábra. A pixel méret azonos a pixel távolsággal, ami két képpont (pixel) közepének távolsága mm-ben. Minél kisebb ez az érték, annál szebb a kijelzett kép. Jellemzı értékek: mm. Adott pontméretre a delta elrendezés nagyobb felbontású, ezért monitorokban inkább ezt alkalmazzák, míg az inline elrendezést fıleg TV készülékekben használják A képernyık pixeljei így az LCD típusú képernyı pixeljei is mátrix elrendezésőek. Felbontás alatt a képernyı képpontjainak számát értjük, amit OSZLOPOK SZÁMA X SOROK SZÁMA formában adunk meg. 289

6 HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. Jellemzı értékek: kis felbontás: 640x480 közepes felbontás: 800x600, 1024x768 nagy felbontás: 1280x1024, 1600x1200, stb. A mai modern televíziós készülékeknek már képesnek kell lenniük a HDTV (High Definition TV nagy felbontású televíziós rendszer) adásainak a vételére is. Ehhez vagy HD Ready vagy FullHD-s minısítésőnek kell lennie a képernyınek (és természetesen a hozzá tartozó elektronikának, de mi csak a képernyıt vizsgáljuk). 4. ábra: A szubpixelek egymáshoz képesti elrendezése és távolsága [3] [4] A HD Ready minısítéső képernyı felbontásának legalább 1280 x 720- asnak kell lennie, de jellemzıen 1366 x 768, ami 1 millió körüli képpontot jelent (és 3-szor ennyi szubpixelt). Full HD minısítésrıl beszélünk abban az esetben, ha felbontás értéke: 1920 x Ez kb. 2.1 millió képpontnak és több, mint 6 millió szubpixelnek, azaz 6 megapixelnek felel meg (a FullHD-s minısítést szokás még HD Ready 1080p-vel is jelölni). Jelenleg az 1980 x asnál már léteznek nagyobb felbontás értékek is. A katódsugárcsöves monitorral ellentétben a kép nem állandóan frissül, hanem csak akkor, amikor az adott képpont változik. Ezért az. LCD 290

7 VÉDELEMI ELEKTRONIKA paneles képernyık fontos jellemzıje a válaszidı, ami ezredmásodpercben (milli-secundum) mért idıegység. Azt az idıt jelöli, amennyi ahhoz kell, hogy egy képpont színe megváltozzon. A lassú válaszidı (12 ms-nál hosszabb) akkor lehet zavaró, ha a képernyın gyors mozgásokat kell megjeleníteni. Az LCD képernyık ezért lényegesen jobban kímélik a szemet, hiszen a folyamatos vibrálás ezeknél a képernyıknél nem létezik. Ha a pixelek lassan reagálnak a feszültségváltozásra, akkor a képpontok kirajzolása nem kellıen gyors, mozgalmas jeleneteknél homályos utánhúzás" az eredmény. Ez azt jelenti, hogy ha gyors mozgásokat kell megjeleníteni, akkor a lassú válaszidı esetén zavaró lehet a kép, ugyanis helyenként elfog mosódni és nem lesz teljesen éles. Az LCD monitorok sugárzása lényegében nulla. Az LCD monitorok kevesebbet is fogyasztanak és a képük is puhább, szebb mint a katódsugárcsöves monitoroké. A legújabb LCD-k pixelei már elegendıen gyors válaszidıvel rendelkeznek, ezért a mozgókép elmosódása manapság már ritkán jellemzı. A mai készülékeknél a 8 ms-os válaszidı már jónak minısíthetı. Elég jellemzı az 5 ms körüli válaszidı, bár egyes gyártók publikáltak már 2 ms-os válaszidıt is. A maximális frissítési frekvencia azt mondja meg, hogy 1 másodperc alatt a képernyı hány teljes képet képes kirajzolni. Minden kijelzı a mőködési elvétıl és a technikai megvalósításától függı módon másodpercenként többször is megjeleníti a képet. Ezt nevezzük képfrissítésnek. Minél nagyobb képfrissítési frekvencia értéke, annál jobb a kijelzın megjelenített képminıség, ami kellemesebb a szemünknek is. Megadása:felbontás/maximális frissítés (800x600/100Hz, 1024x768/85Hz, 1600x1200/75Hz). Lényeges tulajdonsága a tévéknek a kontrasztarány, mely a legvilágosabb és a legsötétebb szín közti arányt mutatja meg. Míg a fekete szint a legsötétebb árnyalatot, a fényerı az elérhetı legvilágosabbat határozza meg, a kettı aránya pedig a kontrasztot. Szokás ezt on/off kontrasztarányként is megadni. A gyártók ugyanis a fekete színtartományt a készülék kikapcsolt állapotában mérik (ezáltal ugyanis el lehet leplezni véletlen felvillanásokat, esetleges pixelhibákat, stb.) A TV kontrasztarány alsó értéke 500:1, míg a legfelsı általában :1. Az LCD-panellel épített monitorok és tévékészülékek vitathatatlan elınye, hogy helytakarékosak, elegáns megjelenésőek, laposak, könynyőek és alacsony fogyasztásúak. Az LCD-k nagy fejlıdésen mentek 291

8 HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. keresztül a hosszú évek alatt, de mindig vannak és lesznek megoldandó feladatok a minél tökéletesebb megjelenítés érdekében. Passzív mátrixos LCD képernyık Az egyes elemi képpontokat kezdetekben egy mátrixba rendezett vezérlı áramkörökkel kapcsolgatták, ahol kijelöltek egy sor cellát, és az oszlopokon végiglépkedve vezérelték egymás után a cellákat. Ezeket a kijelzıket neveztük passzív kijelzıknek. A passzív mátrixos LCD-knél egy egyszerő rácsot használnak ahhoz, hogy áramot vezessenek egy adott pixelbe. Egy ilyen rács elkészítése a következı lépésekbıl áll: elıször is kell két üvegréteg. Az egyikre valamilyen átlátszó vezetı anyagból (általában indium-ón-oxid) sorokat, a másikra oszlopokat helyeznek. A sorokat és az oszlopokat integrált áramkörökhöz kapcsolják, amelyek vezérlik a beléjük folyó áramot. A folyadékkristály-réteget a két üveg közé helyezik, valamint polarizáló réteggel vonják be a két üveglap külsı rétegeit 5. ábra ábra: passzív mátrix vezérlı felépítése [9]. Az X elektródák az alsó, az Y elektródák a felsı hordozón helyezkednek el. Az elektromos jeleket egy idıben bocsátják az X és Y vezetékekre a megfelelı idızítéssel. Egy pixel bekapcsolásához az integrált áramkör áramot vezet a megfelelı sorba, valamint leföldeli a hozzá tartozó oszlopot 6. ábra. A sor és az oszlop keresztezi egymást a címzett pixelnél így a folyadékkristály-réteg feszültség alá kerül, kicsavarodásra késztetve ezzel a molekulaláncot annál a pixelnél.

9 VÉDELEMI ELEKTRONIKA Ezeket egy külön vezérlı chip irányítja. Az egyes LCD elemek segítségével szabályozható, hogy az adott ponton a fény áthaladjon-e vagy sem, illetve a feszültség nagyságával szabályozható a folyadékkristály molekulái elcsavarodásának a mértéke és ezáltal a kiválasztott pixelen áthaladó fényerı nagysága és így a pixel fényessége. 6. ábra: Egy pixel bekapcsolása [6] A 6. ábra mutat példát a mátrix címzésre: ha minden sorhoz és minden oszlophoz tartozó elektródát nulla potenciálra állítunk, csak például a 3. oszlop és a 3. sor elektródájára kapcsolunk jelet, úgy a 3. sor 3. pixelje kap vezérlést. Látható azonban az is, hogy a 3. oszlop összes sorában és a 3 sor összes oszlopában lévı pixeleken a hasznos vezérlı jel értékének felével lép fel vezérlés. Ahhoz, hogy ez ne okozzon hamis fényjelenséget a képmegjelenítı fény/vezérlı-jel karakterisztikájának olyan meredeknek kell lennie, hogy a példa szerinti 1/2 vezérlı jelnél még ne jöjjön létre kimenı jel, azaz fényjelenség változás. Ez az egyszerő mátrix címzés nagy hátránya, melyet a különbözı technológiák más-más módon igyekeznek kiküszöbölni. 293

10 294 HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. A passzív mátrixos kijelzık egyszerősége figyelemre méltó, azonban jelentıs hiányosságai vannak: észrevehetıen hosszú reakcióidıvel és pontatlan feszültségszabályozással kell számolni. A reakcióidı ez esetben a képfrissítésnél játszik szerepet. A hosszú reakcióidı megtapasztalható, ha az egérmutatót gyorsan elmozdítjuk a képernyı egyik végébıl a másikba. Egy csomó "szellemmutató" észlelhetı a mozgás során. A passzív mátrixos kijelzıket (mint ahogy az egész témát sem) nem a teljesség igényével mutattam be. Léteznek a bemutatottnál jobb képminıséget biztosító kijelzık is (pl. STN 180/260 o -s elforgatással, TSTN/FSTN típusok, ahol a jó kontraszt és színhőség biztosítása céljából a cella alá és fölé kompenzáló filmet helyeznek, stb.). Az aktív mátrixos LCD képernyık A lassúságot a TFT (Thin Film Transistor vékonyfilm, vékony réteg tranzisztor) megjelenítık kifejlesztése oldotta fel, melynél minden elemi cellát egy-egy tranzisztor vezérelt közvetlenül (az aktív mátrixos képernyık is többféle változatban léteznek, ezek közül csak ezt a típust vizsgáljuk). Az aktív LCD kijelzıkben minden kijelzı pixelhez tartozik egy tranzisztor és egy az elı és hátlap fémezésbıl kialakított kondenzátor 7. ábra. A tranzisztornak átlátszónak kell lennie, ezért ún. vékonyréteg tranzisztorokat alkalmaznak. A tranzisztor kapcsolóként viselkedik, és tölti, vagy kisüti a kapacitást. A kapacitás feszültségétıl függıen kapcsol be vagy ki a pixel. A tranzisztor megfelelı vezérlésével árnyalatos kép is kialakítható. A tranzisztornak van egy nagy hátránya, a vezérléséhez áramra és feszültségre egyaránt szükség van. A fogyasztás alacsony szinten tartása érdekében térvezérléső tranzisztort alkalmaznak (Field Effect Tranzisztor, FET). Egy pixel megcímzéséhez áramot kell vezetni az adott sorba és oszlopba, így csak az azok találkozásánál található kondenzátor kap töltést 8. ábra. A kondenzátor megtartja töltését a következı frissítési ciklusig. Az X és az Y elektródák ugyanazon a hordozón helyezkednek el, mint a tranzisztor-mátrix. A vezérlıjeleket az X, míg a videojeleket az Y elektródákra csatlakoztatják.

11 VÉDELEMI ELEKTRONIKA 7. ábra: A TFT monitor szerkezete és egy cella szimbolikus jelölése [9] 8. ábra: Az aktív mátrixcímzéses LCD kijelzık vezérlése [7] 295

12 296 HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. Ha elég óvatosan vezéreljük a folyadékkristályba juttatott feszültséget, akkor elérhetjük, hogy az ne teljesen egyenesedjen ki, így kevesebb fényt kisugározva szürkés színt kaphatunk. A legtöbb kijelzı pixelenként 256 különbözı erısségő fény kibocsájtására képes. A TFT képernyık világosabbak és olvashatóbbak a "passzív-mátrixos", vagyis a hagyományos LCD-knél, de többet is fogyasztanak és általában drágábbak. Aktív mátrixos kijelzıkkel nagyobb kontrasztot lehet elérni, mivel egy képpont bekapcsolási ideje közel azonos a képfrissítési idıvel. A fent elmondottak a fekete-fehér kijelzıkre érvényesek. A kijelzı felbontása meghatározza a tranzisztorok számát is, mivel minden ponthoz külön-külön tranzisztor tartozik. Amennyiben színes megjelenítésre is szükségünk van, akkor a pontok számát meg kell háromszorozni. Ha ezek a pontok megfelelıen közel vannak, egy pontnak fognak látszódni. A három pont az RGB színkeverési eljárásnak megfelelıen itt is piros, zöld és kék színő. A pont színét az additív színkeverésnek megfelelıen a három pont együttesen határozza meg. Az ilyen kijelzıkben tehát háromszor annyi tranzisztorra van szükség, mint amennyi a kijelzı felbontása. A monitorvezérlı kártya feladata a monitoron megjelenítendı kép elıállítása. A korszerő grafikus kártyák minden pixelt önállóan képesek vezérelni. A megjelenítésre elıkészített kép digitális változatát a kártya RAM memóriájában tárolják, amely így egy képkeret puffer (frame buffer) szerepét tölti be 9. ábra. Ebben a videó-memóriában minden pixelnek egy n bites bejegyzés felel meg, amelynek a hossza (a színmélység) meghatározza az ábrázolható színek számát (2 n ). A 16 bites színmélységet High Colour -nak neveznik, a 24 bitest pedig amely valósághő megjelenítést tesz lehetıvé True Colour -nak. (A három alapszínnek megfelelıen minden bejegyzés három, ez utóbbi esetben egy-egy bájtos mezıre oszlik.) Egy aktívmátrixos struktúra az üveglap külsı oldalán elhelyezett optikai polarizátorral indul, az üveglap másik oldalán vannak a TFT forrás hozzávetései, majd a sor-vezetékek, melyek a TFT kapu elektródáihoz kapcsolódnak. A sor-vezetékek között vannak az LCD pixelek (3 szupbixel az R, G, B, színeknek megfelelıen), a kapcsoló TFT tranzisztorokkal és az LCD pixeleken a folyadékkristályok orientációját megszabó irány-beállító rétegekkel. A cellát a színszőrık, újabb üveglemez és az analizáló polarizátor zárja le. Ahhoz, hogy a képernyın a kép jól

13 VÉDELEMI ELEKTRONIKA látható legyen háttér megvilágítást (back-light) és a kontrasztot javító reflexió csökkentı homlokréteget szoktak a panelre helyezni. 9. ábra: A megjelenítendı kép digitális tárolása [5] 10. ábra: Egy aktívmátrixos képernyı szerkezete [8] 297

14 HALLGATÓK KÉRDEZTÉK I. Felhasznált irodalom =79%3Alcd-monitor&catid=39&Itemid=70 3. nimrud.eet.bme.hu:8080/elektronika/ppt/06_kijelzok.ppt =view&id=479&itemid=