Жидкокристаллический дисплей принцип работы

Жидкокристаллический дисплей (ЖКД) представляет собой тонкое плоское устройство отображения, составленное из некоторого числа цветных или монохромных пикселей, расположенных перед источником света или зеркалом.

В чем преимущество ЖК-монитора? Его высоко ценят инженеры, потому что он потребляет незначительное количество электроэнергии, что делает его пригодным для использования в электронных устройствах, питающихся от батареек. Кроме того, он может иметь практически любую форму и размеры, мало нагревается и не выделяет вредного электромагнитного излучения.

Также он является одной из причин успеха портативных компьютеров – иначе они бы не были такими компактными. Некоторые из ранних моделей переносных ПК включали небольшой ЭЛТ-монитор и были довольно громоздкими. Впоследствии ЖК-дисплеи стали использоваться не только в ноутбуках, но и в телевизорах высокой четкости. Поскольку со временем технология и производство становятся более дешевыми, стоимость мониторов с плоским экраном или HD-телевизоров продолжала снижаться. В конечном итоге ЖК-панели полностью заменили традиционные электронно-лучевые трубки, так же, как транзисторы сменили вакуумные лампы.

Принцип работы ЖК-монитора

Пиксели дисплея состоят из ЖК-молекул, выстроенных между прозрачными электродами, а также из пары поляризационных фильтров с перпендикулярными друг другу осями полярностей. В отсутствие жидкого кристалла свет, проходя через один поляризатор, блокируется другим.

Поверхность электродов, контактирующих с веществом, находящимся в ЖК-фазе, обработана так, чтобы молекулы выстраивались в определенном направлении. Как правило, они покрываются тонким слоем полимера, направленного в одну сторону методом протирания его тканью (жидкие кристаллы выстраиваются в том же направлении).

Принцип работы ЖК-монитора следующий. До наложения электрического поля ЖК-молекулы выстроены согласно направлению выравнивания поверхностей. В наиболее распространенном типе ЖК-экрана – крученном нематическом – направления выстраивания поверхностей электродов перпендикулярны, благодаря чему молекулы образуют спиралевидную структуру, т. е. скручиваются. Так как свойством жидких кристаллов является разная скорость движения света с разной поляризацией, луч, который проходит через один поляризационный фильтр, вращается ЖК-спиралью так, что может пройти сквозь второй. При этом половина света поглощается в первом поляризаторе, но в остальном вся сборка прозрачна.

Когда на электроды подается напряжение, начинает действовать крутящий момент, который выравнивает молекулы скрученного нематического кристалла вдоль электрического поля и выпрямляет спиралевидную структуру. Этому препятствуют упругие силы, так как молекулы на поверхностях не свободны. Вращение поляризации уменьшается, и пиксель выглядит серым. Но благодаря свойству жидких кристаллов выравниваться при достаточно высокой разности потенциалов, проходящий сквозь них свет не вращается. В результате направление поляризации становится перпендикулярным второму фильтру, он полностью блокируется, и пиксель выглядит черным. Изменение напряжения между электродами по обе стороны ЖК-слоя каждого элемента изображения регулирует количество проходящего света и, соответственно, его яркость.

Скрученные нематические жидкие кристаллы помещаются между скрещенными поляризационными фильтрами для того, чтобы свет был максимально ярким без расхода электроэнергии, а получаемое при подаче напряжения затемнение — являлось равномерным. Возможен случай использования параллельных поляризационных фильтров. При этом темные и яркие состояния изменяются на противоположные. Однако в такой конфигурации черный не будет равномерным.

Вещество жидкого кристалла и выравнивающий слой содержат ионные соединения. Если длительное время действует электрическое поле определенной полярности, ионный материал притягивается поверхностями, ухудшая характеристики ЖК-монитора. Избежать этого можно, применяя либо переменный ток, либо изменяя полярность электрического поля во время обращения к устройству (реакция ЖК-слоя не зависит от полярности).

Мультиплексорный экран

Когда дисплей составлен из большого числа пикселей, управлять каждым из них напрямую невозможно, поскольку всем им понадобятся независимые электроды. Вместо этого монитор мультиплексируется. При этом электроды группируются и соединяются (как правило, по столбцам), и каждая группа питается отдельно. С другой стороны ячейки электроды также сгруппированы (как правило, по рядам) и подключены отдельно. Группы создаются таким образом, чтобы каждый пиксель обладал уникальной комбинацией источника и приемника. Электроника или программное обеспечение, управляющее ею, последовательно включает группы и управляет ими.

Важными факторами, которые следует учитывать при оценке ЖКД, являются разрешение, видимый размер, время отклика (скорость синхронизации), тип матрицы (пассивный или активный), угол обзора, поддержка цвета, коэффициент яркости и контрастности монитора, соотношение сторон и входные порты (например, DVI или VGA).

Цветные экраны

В цветных ЖК-дисплеях каждый отдельный пиксель делится на три ячейки или субпикселя, которые с помощью дополнительных фильтров (пигментных и металл-оксидных) окрашены в красный, синий и зеленый цвета. Каждым субпикселем можно управлять независимо, чтобы получить тысячи или миллионы возможных цветов. В старых ЭЛТ используется аналогичный метод.

В зависимости от использования монитора, цветовые компоненты могут размещаться в различных пиксельных геометриях. Если программное обеспечение знает, какой тип геометрии используется на данном дисплее, это может быть использовано для увеличения видимого разрешения посредством субпиксельной визуализации. Этот метод особенно полезен для сглаживания текста.

Пассивная матрица

Устройство ЖК-мониторов с небольшим количеством сегментов, например, используемых в карманных калькуляторах и цифровых часах, предусматривает для каждого элемента один электрический контакт. Внешняя выделенная схема обеспечивает электрический заряд, необходимый для управления каждым сегментом. При большом количестве экранных элементов такая структура становится слишком громоздкой.

Малые монохромные дисплеи, используемые, например, в старых ноутбуках, имеют структуру пассивной матрицы, в которой используется технология суперскрученных нематических элементов (STN) или двухслойная STN (DSTN), которая корректирует проблему смещения цвета. Каждая строка или столбец имеют одну электрическую цепь. Адресация каждого пикселя производится поочередно по адресу строки и столбца. Такой тип дисплея называют пассивной матрицей, поскольку состояние каждой ячейки должно сохраняться без электрического заряда. С ростом числа элементов (а также строк и столбцов) отображение становится все более сложным. Дисплеи с пассивной матрицей характеризуются слишком медленным откликом и плохой контрастностью.

Активные матричные технологии

В цветных экранах высокого разрешения, которыми оборудуются современные телевизоры и мониторы, применяется активная матрица. В ней к цветным и поляризационным фильтрам добавлен слой тонкопленочных транзисторов (TFT). При этом каждый пиксель управляется своим собственным выделенным полупроводниковым элементом. Транзистор обеспечивает доступ в каждом столбце только к одному пикселю. При активации строки к ней подключаются все столбцы, и на них подается напряжение. Затем строка деактивируется, и активируется следующая. При обновлении дисплея последовательно активируются все строки. Активно-матричные экраны значительно четче и ярче пассивных того же размера, и обычно отличаются более быстрым откликом, который обеспечивает гораздо лучшее качество изображения.

Скрученный нематик (TN)

TN-экраны содержат ЖК-элементы, которые для регулирования количества пропускаемого света в разной степени скручиваются и раскручиваются. Если напряжение на электроды ЖК-ячейки TN-матрицы не подается, то луч поляризуется таким образом, что может пройти сквозь нее. Жидкие кристаллы скручиваются пропорционально приложенной разнице потенциалов до 90°, изменяют поляризацию и блокируют подсветку. При подаче напряжения определенного уровня можно добиться практически любого оттенка серого.

3LCD-технология

Представляет собой систему видеопроекции, в которой для создания изображения используются 3 микродисплейные панели. В 1995 г. благодаря компактности и высокому качеству технология начала применяться многими производителями фронтальных проекторов, а с 2002 г. – и в проекционных телевизорах. Активная матрица обеспечивает отличную цветопередачу, высокую яркость и четкое изображение, а использование высокотемпературного поликремния позволяет получить большую глубину черного.

IPS-технология

Аббревиатура IPS расшифровывается как «плоскостное переключение». Принцип работы ЖК-монитора данного типа основан на выравнивании жидкокристаллических ячеек в горизонтальной плоскости. Метод заключается в том, что электрическое поле проходит через оба конца кристалла, но требует двух транзисторов на каждый пиксель вместо одного, как в стандартном TFT-экране. Следствием этого является большая блокировка участка дисплея, что требует более яркой подсветки, которая расходует больше энергии. Это накладывает ограничения в использовании данного вида ЖК-монитора в ноутбуках.

Экраны нулевой мощности

Зенитальные элементы с двумя устойчивыми состояниями (ZBD), разработанные компанией QinetiQ, способны сохранять свою ориентацию без внешнего электрического поля. Принцип работы ЖК-монитора данного типа основан на том, что кристаллы могут находиться в одном из двух положений – «черном» или «белом». Питание требуется лишь для изменения состояния ЖК-элемента на противоположное. Созданные на основе данной технологии экраны производит компания ZBD Displays. Она предлагает как черно-белые, так и цветные ZBD-дисплеи.

Французская компания Nemoptic разработала еще одну технологию, не требующую питания для сохранения изображения. Похожие на бумагу ЖК-экраны производятся на Тайване с июля 2003 года. Данная технология ориентирована на такие маломощные мобильные устройства, как переносные компьютеры и электронные книги. ЖКД с нулевой мощностью потребления составляют конкуренцию электронной бумаге.

Компания Kent Displays тоже разработала экран с нулевым энергопотреблением, в котором используются стабилизированные полимерные жидкие кристаллы ChLCD. Основным недостатком этой технологии является невысокая частота обновления, которая еще больше замедляется при низких температурах.

Контроль качества

ЖК-экраны могут иметь дефектные транзисторы, результатом чего являются постоянно открытые или закрытые участки, на которых пиксели остаются либо ярко освещенными, либо черными. Если в случае интегральных схем это бы означало брак, то дисплеи с несколькими неработающими точками, как правило, используются. Это невозможно запретить по экономическим соображениям, поскольку ЖК-панели значительно больше микросхем. Для определения максимально допустимого числа дефектных пикселей производители используют разные стандарты. Например, в ноутбуках ThinkPad для панели разрешением 2048 х 1536 оно равно 16. Из них яркими могут быть 15 пикселей, а темными – 16.

Дефект ЖК-экрана более вероятен, чем для большинства микросхем. Например, 12” SVGA-дисплей может иметь 8 дефектов, а 6” пластина – только 3. Вместе с тем из 137 штампов приемлемыми будут 134 при практически нулевом браке ЖКД. Стандарты качества сегодня намного выше, чем раньше, благодаря жесткой конкуренции между производителями и улучшенному контролю. SVGA-экран с 4 дефектными пикселями теперь считается дефектным, и клиенты имеют возможность обменять его на новый.

100% гарантия

Ряд производителей, особенно южнокорейских, поскольку там находятся одни из крупнейших фабрик по производству ЖК-панелей (например, LG), сегодня гарантируют отсутствие неисправных пикселей и производят замену экрана даже с единственным дефектом. Даже если такая гарантия не предоставляется, важно расположение дефектных участков. Экраны с несколькими неисправными ячейками могут быть непригодны, если они расположены рядом друг c другом. Кроме того, производители могут произвести замену панели в том случае, если дефект расположен в центре дисплея.

Диагностика и ремонт мониторов

Ниже приведены наиболее часто встречающиеся неисправности и методы их устранения.

Индикатор питания горит постоянно, но изображение отсутствует. Вероятна поломка подсветки или ее инвертора. Простейший способ диагностики ЖК-монитора – включить воспроизведение видео и направить яркий луч либо почти параллельно экрану, либо перпендикулярно. Это позволит увидеть изображение даже без подсветки. Ремонт монитора заключается в замене лампы подсветки или, скорее всего, ее инвертора.

Индикатор питания мигает. В этом случае необходимо проверить, поступает ли в дисплей сигнал – вероятно повреждение кабеля либо разъема. Если все в порядке, то основную причину неисправности для конкретной марки монитора следует поискать в интернете. Например, для Dell 1702FP – это выход из строя некоторых конденсаторов. Простейший выход в этом случае – заменить все емкости. Также можно шунтировать неисправный конденсатор заведомо исправным.

Индикатор питания не загорается. Вероятная причина – поломка блока питания монитора. Можно попробовать его заменить, купив новый или воспользовавшись запчастями от старого дисплея. Другая возможная причина – КЗ конденсатора (его легко найти визуально) и перегорание предохранителя. В этом случае их следует заменить.

Вертикальные или горизонтальные линии. Если монитор работает, но имеет линии, простирающиеся на всю ширину или высоту экрана или раздваивание изображения по вертикали или горизонтали, то вероятным виновником является транзистор или соединение дисплея. Если один из сотен разъемов неисправен или закорочен, то это сказывается на всем ряду пикселей. Для ноутбуков иногда достаточно сжать проблемный участок и проблема уйдет на годы. Для дисплея ПК потребуется снять заднюю панель, чтобы добраться до неисправного соединения и приложить к нему давление.

Особенности ухода

Иногда качество изображения можно восстановить с помощью простой салфетки для ЖК-мониторов. Она устранит пыль, пятна от еды, отпечатки пальцев, следы насекомых, грязь и разводы.

Лучше использовать профессиональные средства, такие как чистящие спреи и пены-аэрозоли, но их можно заменить разведенным в равных пропорциях изопропиловым спиртом или уксусом.

Не следует использовать средства на основе спирта, аммиака или ацетона, поскольку они способны нанести вред экрану, особенно антибликовому покрытию.

Чистящее средство следует наносить на салфетку, а не на загрязнение.

Протирая дисплей, нельзя применять силу.

Нельзя включать монитор до полного его высыхания.

Недостатки

ЖК-технология по-прежнему отличается некоторыми недостатками в сравнении с другими подходами:

• Если электро-лучевые трубки могут работать с разным разрешением, не привнося искажений, ЖКД обеспечивают четкость только в случае их «родного разрешения». При попытке установить неподдерживаемые параметры экрана, изображение масштабируется, становится размытым или «блочным».
• ЖК-панели обеспечивают более низкую контрастность, чем плазменные или светодиодные. Причиной этого является то, что свет часто проникает через поляризационный фильтр и вместо черного цвета отображается серый. Однако при ярком внешнем освещении контрастность ЖКД может превышать данный показатель некоторых других дисплеев по причине большей максимальной яркости.
• ЖК-экраны отличаются большим временем отклика, чем плазменные аналоги, создавая видимые ореолы при быстром движении изображения, хотя этот показатель по мере развития технологии постоянно улучшается и в современных ЖК-панелях практически незаметен. Большинство TN- и IPS-дисплеев имеют время отклика 5–8 мс.
• Овердрайв, применяемый в некоторых панелях, приводит к тому, что на участках изменяющегося изображения возникают артефакты в виде повышенного шума или ореолов. Причиной этого побочного эффекта является стремление пикселей достичь предполагаемой яркости (или напряжения, которое требуется для прохождения нужного количества света), после чего они возвращаются к целевому уровню, обеспечивая лучшее время отклика.
• ЖК-дисплеи отличаются ограниченными углами обзора, из-за чего одновременно смотреть на экран может меньшее число зрителей. При достижении предельного угла контрастность и цветопередача ухудшаются. Но некоторые производители используют этот эффект, предлагая намеренно ограниченный обзор ЖК-монитора с целью обеспечения большей конфиденциальности, например, при пользовании ноутбуком в общественных местах. Кроме того, это позволяет создать для одного наблюдателя 2 различных изображения, создавая стереоскопический эффект.
• Некоторые старые ЖК-мониторы могут вызвать мигрени и проблемами со зрением по причине мерцания ламп подсветки, работающих с частотой сети 50 Гц. В современных экранах это устранено с переходом на питание высокочастотным током.
• ЖК-дисплеи иногда страдают от выгорания. По мере развития технологии данная проблема снижается, поскольку появляются новые методы ее устранения. Иногда экран можно восстановить путем длительного отображения белого изображения.
• Некоторые ЖКД не способны работать в режиме низкого разрешения (например, 320 х 200). Но это связано со схемой управления, а не особенностями ЖК-монитора.
• Плоские дисплеи очень уязвимы. Но их легкий вес снижает вероятность повреждения, а некоторые модели защищены стеклом.

Сейчас технологии плоскопанельных и жидкокристаллических мониторов являются наиболее перспективными. Хотя в настоящее время на долю ЖК-мониторов приходится лишь около 10% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).

Принцип работы

Экраны LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 году. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот, в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD — цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975-го уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 году Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет. Этот эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

Рисунок 1. Конструкция ЖК-дисплея.

Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD для настольных компьютеров.

Рисунок 2. Плоскость поляризации.

Экран LCD представляет собой массив маленьких сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой (см. рис. 1). На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу.

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). Как видно на рисунке 2, плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели. При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы (см. рис. 3).

Рисунок 3. Плоскость поляризации.

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем (см. рис. 4а).

Рисунок 4. Поляризация светового луча.

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) (см. рис. 4б). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD-монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.
Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки — при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.

Первые LCD были очень маленькими, около 8 дюймов по диагонали, в то время как сегодня они достигли 15-дюймовых размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся LCD с диагональю 20-дюймов и более. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN технологии.

Технологии STN, DSTN, TFT, S-TFT

STN — сокращение от Super Twisted Nematic. Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.

Часто STN ячейки используются в паре. Такая конструкция называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в «запертом» состоянии, теряет большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки — их обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало (см. рис. 5), поэтому большинство LCD-матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям (это не относится к настольным ЖК мониторам).

Рисунок 5. Конструкция ЖК-матрицы.

Также STN ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.
Термин пассивная матрица (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча, независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD дисплеев, которая была описана выше, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения.
Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные технологии, Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых подматриц (Dual Scan DSTN — два независимых поля развертки изображения), каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время инерции ЖК.
Также лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже.
В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (то есть при угле обзора 120–140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160° (см рис. 6), и есть все основания предполагать, что технология будет совершенствоваться и в дальнейшем. Активная матрица может отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, кроме того, контрастность мониторов с активной матрицей выше, чем у ЭЛТ-мониторов. Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофором ЭЛТ-монитора сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD мониторов достаточной является частота вертикальной развертки, равная 60 Гц.

Для того чтобы починить ЖК монитор своими руками, необходимо в первую очередь понимать, из каких основных электронных узлов и блоков состоит данное устройство и за что отвечает каждый элемент электронной схемы. Начинающие радиомеханики в начале своей практики считают, что успех в ремонте любого прибора заключается в наличии принципиальной схемы конкретного аппарата. Но на самом деле, это ошибочное мнение и принципиальная схема нужна не всегда.

Итак, вскроем крышку первого попавшегося под руку ЖК монитора и на практике разберёмся в его устройстве.

ЖК монитор. Основные функциональные блоки.

Жидкокристаллический монитор состоит из нескольких функциональных блоков, а именно:

Жидкокристаллическая панель представляет собой завершённое устройство. Сборкой ЖК-панели, как правило, занимается конкретный производитель, который кроме самой жидкокристаллической матрицы встраивает в ЖК-панель люминесцентные лампы подсветки, матовое стекло, поляризационные цветовые фильтры и электронную плату дешифраторов, формирующих из цифровых сигналов RGB напряжения для управления затворами тонкоплёночных транзисторов (TFT).

Рассмотрим состав ЖК-панели компьютерного монитора ACER AL1716. ЖК-панель является завершённым функциональным устройством и, как правило, при ремонте разбирать её не надо, за исключением замены вышедших из строя ламп подсветки.

Маркировка ЖК-панели: CHUNGHWA CLAA170EA

На тыльной стороне ЖК-панели расположена довольно большая печатная плата, к которой от основной платы управления подключен многоконтактный шлейф. Сама печатная плата скрыта под металлической планкой.

ЖК-панель компьютерного монитора Acer AL1716

На печатной плате установлена многовыводная микросхема NT7168F-00010. Данная микросхема подключается к TFT матрице и участвует в формировании изображения на дисплее. От микросхемы NT7168F-00010 отходит множество выводов, которые сформированы в десять шлейфов под обозначением S1-S10. Эти шлейфы довольно тонкие и на вид как бы приклеены к печатной плате, на которой находиться микросхема NT7168F.

Печатная плата ЖК-панели и её элементы

Плату управления по-другому называют основной платой (Main board). На основной плате размещены два микропроцессора. Один из них управляющий 8-битный микроконтроллер SM5964 с ядром типа 8052 и 64 кбайт программируемой Flash-памяти.

Микропроцессор SM5964 выполняет довольно небольшое число функций. К нему подключена кнопочная панель и индикатор работы монитора. Этот процессор управляет включением/выключением монитора, запуском инвертора ламп подсветки. Для сохранения пользовательских настроек к микроконтроллеру по шине I2C подключена микросхема памяти. Обычно, это восьмивыводные микросхемы энергонезависимой памяти серии 24LCxx.

Основная плата (Main board) ЖК-монитора.

Вторым микропроцессором на плате управления является так называемый мониторный скалер (контроллер ЖКИ) TSU16AK. Задач у данной микросхемы много. Она выполняет большинство функций, связанных с преобразованием и обработкой аналогового видеосигнала и подготовке его к подаче на панель ЖКИ.

В отношении жидкокристаллического монитора нужно понимать, что это по своей сути цифровое устройство, в котором всё управление пикселями ЖК-дисплея происходит в цифровом виде. Сигнал, приходящий с видеокарты компьютера является аналоговым и для его корректного отображения на ЖК матрице необходимо произвести множество преобразований. Для этого и предназначен графический контроллер, а по-другому мониторный скалер или контроллер ЖКИ.

В задачи контроллера ЖКИ входят такие как пересчёт (масштабирование) изображения для различных разрешений, формирование экранного меню OSD, обработка аналоговых сигналов RGB и синхроимпульсов. В контроллере аналоговые сигналы RGB преобразуются в цифровые посредством 3-х канальных 8-битных АЦП, которые работают на частоте 80 МГц.

Мониторный скалер TSU16AK взаимодействует с управляющим микроконтроллером SM5964 по цифровой шине. Для работы ЖК-панели графический контроллер формирует сигналы синхронизации, тактовой частоты и сигналы инициализации матрицы.

Микроконтроллер TSU16AK через шлейф связан с микросхемой NT7168F-00010 на плате ЖК-панели.

При неисправностях графического контроллера у монитора, как правило появляются дефекты, связанные с правильным отображением картинки на дисплее (на экране могут появляться полосы и т.п). В некоторых случаях дефект можно устранить пропайкой выводов скалера. Особенно это актуально для мониторов, которые работают круглосуточно в жёстких условиях.

При длительной работе происходит нагрев, что плохо сказывается на качестве пайки. Это может привести к неисправностям. Дефекты, связанные с качеством пайки нередки и встречаются и у других аппаратов, например, DVD плееров. Причиной неисправности служит деградация либо некачественная пайка многовыводных планарных микросхем.

Блок питания и инвертор ламп подсветки.

Наиболее интересным в плане изучения является блок питания монитора, так как назначение элементов и схемотехника легче в понимании. Кроме того, по статистике неисправности блоков питания, особенно импульсных, занимают лидирующие позиции среди всех остальных. Поэтому практические знания устройства, элементной базы и схемотехники блоков питания непременно будут полезны в практике ремонта радиоаппаратуры.

Блок питания ЖК монитора состоит из двух. Первый – это AC/DC адаптер или по-другому сетевой импульсный блок питания (импульсник). Второй – DC/AC инвертор. По сути это два преобразователя. AC/DC адаптер служит для преобразования переменного напряжения сети 220 В в постоянное напряжение небольшой величины. Обычно на выходе импульсного блока питания формируются напряжения от 3,3 до 12 вольт.

Инвертор DC/AC наоборот преобразует постоянное напряжение (DC) в переменное (AC) величиной около 600 — 700 В и частотой около 50 кГц. Переменное напряжение подаётся на электроды люминесцентных ламп, встроенных в ЖК-панель.

Вначале рассмотрим AC/DC адаптер. Большинство импульсных блоков питания строится на базе специализированных микросхем контроллеров (за исключением дешёвых зарядников для мобильного, например).

Так в блоке питания ЖК монитора Acer AL1716 применена микросхема TOP245Y. Документацию (datasheet) по данной микросхеме легко найти из открытых источников.

В документации на микросхему TOP245Y можно найти типовые примеры принципиальных схем блоков питания. Это можно использовать при ремонте блоков питания ЖК мониторов, так как схемы во многом соответствуют типовым, которые указаны в описании микросхемы.

Вот несколько примеров принципиальных схем блоков питания на базе микросхем серии TOP242-249.

Рис 1 .Пример принципиальной схемы блока питания

В следующей схеме применены сдвоенные диоды с барьером Шоттки (MBR20100). Аналогичные диодные сборки (SRF5-04) применены в рассматриваемом нами блоке монитора Acer AL1716.

Рис 2. Принципиальная схема блока питания на базе микросхемы из серии TOP242-249

Заметим, что приведённые принципиальные схемы являются примерами. Реальные схемы импульсных блоков могут несколько отличаться.

Микросхема TOP245Y представляет собой законченный функциональный прибор, в корпусе которого имеется ШИМ – контроллер и мощный полевой транзистор, который переключается с огромной частотой от десятков до сотен килогерц. Отсюда и название — импульсный блок питания.

Блок питания ЖК монитора (AC/DC адаптер)

Схема работы импульсного блока питания сводится к следующему:

Выпрямление переменного сетевого напряжения 220В.

Эту операцию выполняет диодный мост и фильтрующий конденсатор. После выпрямления на конденсаторе напряжение чуть больше чем сетевое. На фото показан диодный мост, а рядом фильтрующий электролитический конденсатор (82 мкФ 450 В) – синий бочонок.

Преобразование напряжения и его понижение с помощью трансформатора.

Коммутация с частотой в несколько десятков – сотен килогерц постоянного напряжения (>220 B) через обмотку высокочастотного импульсного трансформатора. Эту операцию выполняет микросхема TOP245Y. Импульсный трансформатор выполняет ту же роль, что и трансформатор в обычных сетевых адаптерах, за одним исключением. Работает он на более высоких частотах, во много раз больше, чем 50 герц.

Поэтому для изготовления его обмоток требуется меньшее число витков, а, следовательно, и меди. Но необходим сердечник из феррита, а не из трансформаторной стали как у трансформаторов на 50 герц. Те, кто не знает, что такое трансформатор и зачем он применяется, сперва ознакомьтесь со статьёй про трансформатор.

В результате трансформатор получается очень компактным. Также стоит отметить, что импульсные блоки питания очень экономичны, у них высокий КПД.

Выпрямление пониженного трансформатором переменного напряжения.

Эту функцию выполняют мощные выпрямительные диоды. В данном случае применены диодные сборки с маркировкой SRF5-04.

Для выпрямления токов высокой частоты используют диоды Шоттки и обычные силовые диоды с p-n переходом. Обычные низкочастотные диоды для выпрямления токов высокой частоты менее предпочтительны, но используются для выпрямления больших напряжений (20 – 50 вольт). Это нужно учитывать при замене дефектных диодов.

У диодов Шоттки есть некоторые особенности, которые нужно знать. Во-первых, эти диоды имеют малую ёмкость перехода и способны быстро переключаться – переходить из открытого состояния в закрытое. Это свойство и используется для работы на высоких частотах. Диоды Шоттки имеют малое падения напряжения около 0,2-0,4 вольт, против 0,6 – 0,7 вольт у обычных диодов. Это свойство повышает их КПД.

Есть у диодов с барьером Шоттки и нежелательные свойства, которые затрудняют их более широкое использование в электронике. Они очень чувствительны к превышению обратного напряжения. При превышении обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя.

Обычный же диод переходит в режим обратимого пробоя и может восстановиться после превышения допустимого значения обратного напряжения. Именно это обстоятельство и является ахиллесовой пятой, которое служит причиной выгорания диодов Шоттки в выпрямительных цепях всевозможных импульсных блоках питания. Это стоит учитывать в проведении диагностики и ремонте.

Для устранения опасных для диодов Шоттки всплесков напряжения, образующихся в обмотках трансформатора на фронтах импульсов, применяются так называемые демпфирующие цепи. На схеме обозначена как R15C14 (см.рис.1).

При анализе схемотехники блока питания ЖК монитора Acer AL1716 на печатной плате также обнаружены демпфирующие цепи, состоящие из smd резистора номиналом 10 Ом (R802, R806) и конденсатора (C802, C811). Они защищают диоды Шоттки (D803, D805).

Демпфирующие цепи на плате блока питания

Также стоит отметить, что диоды Шоттки используются в низковольтных цепях с обратным напряжением, ограниченным единицами – несколькими десятками вольт. Поэтому, если требуется получение напряжения в несколько десятков вольт (20-50), то применяются диоды на основе p-n перехода. Это можно заметить, если просмотреть datasheet на микросхему TOP245, где приводятся несколько типовых схем блоков питания с разными выходными напряжениями (3,3 B; 5 В; 12 В; 19 В; 48 В).

Диоды Шоттки чувствительны к перегреву. В связи с этим их, как правило, устанавливают на алюминиевый радиатор для отвода тепла.

Отличить диод на основе p-n перехода от диода на барьере Шоттки можно по условному графическому обозначению на схеме.

Условное обозначение диода с барьером Шоттки.

Условное обозначение диода на основе p-n перехода.

После выпрямительных диодов ставятся электролитические конденсаторы, служащие для сглаживания пульсаций напряжения. Далее с помощью полученных напряжений 12 В; 5 В; 3,3 В запитываются все блоки LCD монитора.

По своему назначению инвертор схож с электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА), которые нашли широкое применение в осветительной технике для питания бытовых осветительных люминесцентных ламп. Но, между ЭПРА и инвертором ЖК монитора есть существенные различия.

Инвертор ЖК монитора, как правило, построен на специализированной микросхеме, что расширяет набор функций и повышает надёжность. Так, например, инвертор ламп подсветки ЖК монитора Acer AL1716 построен на базе ШИМ контроллера OZ9910G. Микросхема контроллера смонтирована на печатной плате планарным монтажом.

Микросхема контроллера OZ9910G

Инвертор преобразует постоянное напряжение, значение которого составляет 12 вольт (зависит от схемотехники) в переменное 600-700 вольт и частотой 50 кГц.

Контроллер инвертора способен изменять яркость люминесцентных ламп. Сигналы для изменения яркости ламп поступают от контроллера ЖКИ. К микросхеме-контроллеру подключены полевые транзисторы или их сборки. В данном случае к контроллеру OZ9910G подключены две сборки комплементарных полевых транзисторов AP4501SD (На корпусе микросхемы указано только 4501S).

Сборка полевых транзисторов AP4501SD и её цоколёвка

Также на плате блока питания установлено два высокочастотных трансформатора, служащих для повышения переменного напряжения и подачи его на электроды люминесцентных ламп. Кроме основных элементов, на плате установлены всевозможные радиоэлементы, служащие для защиты от короткого замыкания и неисправности ламп.

Плата инвертора и её элементы

Информацию по ремонту ЖК мониторов можно найти в специализированных журналах по ремонту. Так, например, в журнале “Ремонт и сервис электронной техники” №1 2005 года (стр.35 – 40), подробно рассмотрено устройство и принципиальная схема LCD-монитора “Rover Scan Optima 153”.

Среди неисправностей мониторов довольно часто встречаются такие, которые легко устранить своими руками за несколько минут. Например, уже упомянутый ЖК монитор Acer AL1716 пришёл на стол ремонта по причине нарушения контакта вывода розетки для подключения сетевого шнура. В результате монитор самопроизвольно выключался.

После разборки ЖК монитора было обнаружено, что на месте плохого контакта образовывалась мощная искра, следы которой легко обнаружить на печатной плате блока питания. Мощная искра образовывалась ещё и потому, что в момент контакта заряжается электролитический конденсатор в фильтре выпрямителя. Причина неисправности — деградация пайки.

Деградация пайки, вызвавщая неисправность монитора

Также стоит заметить, что порой причиной неисправности может служить пробой диодов выпрямительного диодного моста.