Устройство и принцип работы ЖК монитора

Как устроен ЖК монитор

Конструкция ЖК-монитора похожа на бутерброд. Это означает, что различные слои укладываются друг на друга. Сердцевина состоит из стеклянных или, реже, пластиковых панелей. А между этими панелями находится «начинка»:

• тонкопленочный транзистор,
• цветной фильтр, который содержит основные цвета — красный, зеленый и синий,
• слой жидких кристаллов.

Источником света в ЖК-мониторах служат люминесцентные лампы или светодиоды.

ЖК матрица

Основой ЖК-дисплея является матрица. ЖК-матрица состоит из различных слоев:

• рассеиватель света,
• электроды,
• стекло,
• поляризаторы,
• слой жидких кристаллов.

Изображение строится с использованием всего массива пикселей. Они, в свою очередь, оснащены красными, зелеными и синими светодиодами.

Пассивная матрица

ЖК-мониторы с небольшим количеством сегментов, например, используемые в карманных калькуляторах и цифровых часах, имеют один электрический контакт для каждого элемента. Внешняя специальная схема обеспечивает электрический заряд, необходимый для управления каждым сегментом. При большом количестве элементов экрана эта структура становится слишком громоздкой.

Небольшие монохромные дисплеи, например, используемые в старых ноутбуках, имеют пассивную матричную структуру с использованием технологии сверхскрученного нематического элемента (STN) или двухслойного STN (DSTN) для устранения проблемы смещения цвета. В каждой строке или столбце имеется одна электрическая цепь. Каждый пиксель поочередно адресуется по адресу строки и столбца. Этот тип дисплея называется пассивной матрицей, поскольку состояние каждой ячейки должно поддерживаться без электрического заряда. По мере увеличения количества элементов (а также строк и столбцов) отображение становится все более сложным. Пассивные матричные дисплеи характеризуются слишком медленным временем отклика и низкой контрастностью.

Активная матрица

Этот тип датчиков решает проблему энергопотребления за счет использования технологии TFT. Тонкопленочные транзисторы управляют током, проходящим через светодиод. Это означает, что они контролируют яркость одного пикселя. В этом случае через матрицу может протекать более слабый ток, что снижает яркость экрана.

Таким образом, яркость, контрастность и цветопередача у этих матриц лучше. И энергопотребление ниже.

Модуль подсветки

Каждый ЖК-дисплей оснащен модулем подсветки, который создает свет. Потому что без дополнительного внутреннего освещения человеческий глаз просто не сможет распознать изображение.

На базе флуоресцентных ламп

Этот тип подсветки позволяет использовать различные цвета, включая белый цвет экрана, который чаще всего используется в ЖК-дисплеях. Энергопотребление люминесцентного освещения низкое. Однако для стабильной работы требуется источник переменного напряжения 80-100 В.

Дисплеи с такой подсветкой потребляют меньше энергии, но имеют меньший срок службы.

На базе светодиодов

В отличие от предыдущей схемы освещения, светодиоды обеспечивают более длительный срок службы. А также более яркий экран. Подсветка может работать и без преобразователей. Но необходимо установить токоограничивающие транзисторы.

Модуль управления

Плата управления является важным компонентом дисплея.
Он содержит основную распиновку и два микропроцессора, которые отвечают за функционирование дисплея.

Первый микропроцессор является восьмибитным микропроцессором. Он отвечает за ряд простых, но очень полезных функций:

• управление кнопочной панелью,
• включение и выключение монитора,
• функция подсветки.

К этому микроконтроллеру подключен чип памяти, чтобы настройки монитора не сбивались.

Назначение второго микропроцессора гораздо шире. Фактически, он отвечает за обработку аналогового сигнала и подготовку его вывода на ЖК-панель.

Таким образом, плату управления можно назвать мозгом дисплея. Потому что все управление ЖК-дисплеем осуществляется в цифровом виде. Сигнал от видеокарты передается сюда, где он достигает дисплея.

Блок питания

Блок питания ЖКИ преобразует сетевое напряжение AC — 220V в постоянное напряжение, но небольшой величины, от 4 до 12V.

Стоит отметить, что часть отказов ЖК-мониторов связана с проблемами питания. Потому что транзисторы сгорают при сильном перенапряжении.

Корпус

Все вышеперечисленное упаковано в корпус монитора. Что касается характеристик корпуса, то здесь все зависит от фантазии разработчиков. Будь то форма или материал, из которого он сделан.

Интересным элементом корпуса является панель управления монитором. На экране есть как обычные механические кнопки, так и интерактивные иконки. Каждый монитор оснащен всеми необходимыми контактами. Некоторые даже имеют гнезда для подключения аудиосистемы.

Принцип работы

Управление поляризацией в ЖК мониторах при помощи электродов

Исходя из этого, разработчики оснастили дисплеи достаточным количеством электродов, которые создают различные электромагнитные поля в разных частях экрана (в каждом пикселе). Благодаря этому решению они получили возможность, при соответствующем управлении потенциалами этих электродов, воспроизводить на экране дисплея буквы и даже сложные многоцветные изображения. Эти электроды могут быть любой формы и помещены в прозрачный пластик.

Благодаря современным инновациям в технологии, электроды очень малы и практически незаметны невооруженным глазом. В результате на относительно небольшой площади дисплея можно разместить относительно большое количество электродов, что увеличивает разрешение ЖК-дисплея. Это, в свою очередь, улучшает качество отображаемых изображений и воспроизводит даже самые сложные изображения.

Получение цветного изображения

Принцип работы ЖК-мониторов включает в себя довольно сложные процессы. Однако это гарантирует, что пользователь получит высококачественное изображение на своем мониторе. Для отображения цветного изображения ЖК-дисплей нуждается в подсветке, которая позволяет свету светить с задней стороны экрана. Это позволяет пользователям наблюдать максимальное качество изображения даже в затемненном помещении.

Принцип работы ЖК-мониторов для отображения цветных изображений основан на использовании одних и тех же трех основных цветов:

• Синий;
• Зеленый;
• Красный.

Для получения этих спектров используются три фильтра, которые отфильтровывают остальную часть видимого спектра. Комбинируя эти цвета для каждого пикселя (ячейки), можно получить полноцветное изображение.

На сегодняшний день существует два способа получения цветного изображения:

• Использование нескольких фильтров, расположенных один за другим. Это приводит к небольшой доле проходящего света.
• Использование свойств жидкокристаллических частиц. Для того чтобы отразить (или поглотить) излучение нужной длины, можно изменять интенсивность электромагнитного поля, что влияет на выравнивание частиц жидкого кристалла и, таким образом, на фильтрацию излучения.

Каждый производитель выбирает свой вариант цветопередачи изображения. Стоит отметить, что первый метод более простой, но второй — более эффективный. Стоит также отметить, что для улучшения качества изображения современных ЖК-дисплеев, имеющих высокое разрешение экрана, используется технология STN, которая позволяет поворачивать плоскости поляризации света в кристаллах на 270˚. Также были разработаны такие типы матриц, как TFT и IPS.

Наиболее распространенными матрицами сегодня являются TFT и IPS.

TFT означает тонкопленочный транзистор. Другими словами, это тонкопленочный транзистор, который управляет пикселем. Толщина такого транзистора составляет 0,1 — 0,01 мкм. С помощью этой технологии можно добиться еще более высокого качества изображения, контролируя каждый пиксель.

Технология IPS — это новейшая разработка для достижения максимально возможного качества изображения. Он обеспечивает максимальные углы обзора, но имеет большее время отклика. Другими словами, он медленнее реагирует на изменения напряжения. Однако разница во времени между 5 мс и 14 мс абсолютно незаметна.

Контроль качества

В ЖК-экранах могут быть неисправны транзисторы, что приводит к появлению постоянно открытых или закрытых областей, в которых пиксели остаются либо ярко освещенными, либо черными. Хотя для интегральных схем это было бы недостатком, дисплеи с несколькими неработающими точками широко используются. Это не может быть запрещено по экономическим причинам, поскольку ЖК-панели намного больше, чем чипы. Производители используют различные стандарты для определения максимально допустимого количества дефектных пикселей. В ноутбуках ThinkPad, например, для панели с разрешением 2048 x 1536 это 16. Из них 15 пикселей могут быть светлыми и 16 темными.

Дефект в ЖК-экране более вероятен, чем в большинстве микросхем. Например, 12-дюймовый SVGA-дисплей может иметь 8 дефектов, а 6-дюймовая пластина — только 3. Однако из 137 матриц 134 будут приемлемыми с практически нулевыми дефектами ЖК-дисплея. Стандарты качества сегодня намного выше, чем раньше, благодаря жесткой конкуренции между производителями и улучшенному контролю. Экран SVGA с 4 дефектными пикселями теперь считается дефектным, и покупатели имеют возможность заменить его на новый.

Преимущества LCD-мониторов

• Низкая стоимость. Это объясняется тем, что материалы и электроэнергия для ЖК-дисплеев используются в меньших количествах и стоят дешевле. В результате легко найти недорогой ЖК-телевизор с разрешением 4K. А цена устройств с таким экраном примерно в 10 раз ниже, чем аналогичных устройств с OLED-экраном.
• Более четкая картина. По сравнению с OLED-дисплеями, которые также пользуются спросом на рынке, ЖК-мониторы гораздо более четкие. Поэтому они лучше передают цвета, четкость и контрастность. Прежде всего, это связано со сроком службы отдельных светодиодов. В конце концов, в OLED-дисплеях они изнашиваются гораздо быстрее. Причина — равномерность светового потока.
• Отсутствие статистической напряженности. У каждого в жизни был телевизор с ламповым дисплеем. На нем обычно всегда скапливается много пыли, а при прикосновении к экрану можно получить легкий удар током. Эти проблемы не возникают с ЖК-мониторами. А напряжение, приложенное к жидкому кристаллу, настолько мало, что не может даже вызвать статическое напряжение.
• Меньшие размеры устройства. Жидкокристаллический экран не занимает много места в устройстве. Пиксели занимают очень мало места. А по толщине такие экраны составляют максимум 5 сантиметров. В отличие от них, трубчатые дисплеи занимали много места.
• Антибликовое покрытие. Встроенная поляризационная пленка устраняет любые блики. Это очень полезно, когда экран находится под прямыми солнечными лучами. В результате вы не увидите ни бликов, ни отражений. В итоге экран будет казаться немного темнее, чем есть на самом деле.
• Низкое энергопотребление. Подсветка пикселей и доступ к напряжению являются основными источниками энергопотребления ЖК-монитора. Таким образом, эти экраны и дисплеи потребляют значительно меньше энергии, чем другие типы экранов.
• Срок службы. Срок службы ЖК-мониторов намного дольше, чем у других экранов — OLED, LED или CRT. Это связано с тем, что срок службы подсветки варьируется от 25 000 часов и даже больше.

Характеристики ЖК мониторов

Компьютерные мониторы LCD имеют ряд присущих им технических особенностей. И по этой причине выбрать подходящий монитор не так-то просто. Каждый тип дисплея имеет свои преимущества и недостатки. Однако определить явного фаворита практически невозможно.

Тип ЖК матрицы

Преимущества и недостатки ЖК-мониторов во многом зависят от типа матрицы. И при выборе нового монитора для вашего компьютера стоит подумать о том, чем вы зарабатываете на жизнь. Потому что каждая матрица так или иначе отличается по качеству изображения.

• TN Matrix. Это самый распространенный и самый старый из представленных типов матриц. Экраны с такой матрицей имеют самую низкую цену среди конкурентов. Кроме того, у них быстрое время отклика. Однако они страдают от низких углов обзора, плохой цветопередачи и контрастности.
• IPS матрица. Такие дисплеи подходят для тех, кто работает с фотографиями и видео. А также просто те, кто любит смотреть фильмы или телепередачи. Поскольку матрица IPS, она обеспечивает приемлемую цветопередачу и углы обзора. Недостатком можно считать высокую цену и увеличенное время отклика экрана.
• Матрица MVA. Это нечто среднее между технологиями IPS и TN. Такие экраны имеют отличную контрастность и достойное время отклика. Однако углы обзора заметно меньше, чем у IPS. Поэтому эти мониторы хорошо подойдут для геймеров.

Отдельно стоит отметить новую прогрессивную технологию LTPS. Он обеспечивает невероятно быстрое время отклика, что в два раза быстрее, чем IPS.

Разрешение монитора

Разрешение монитора определяется отношением количества пикселей к физическому размеру экрана. И чем выше разрешение, тем больше деталей он отображает.

Яркость

Этот параметр зависит как от типа подсветки, так и от типа самой матрицы. А матрицы со светодиодной и IPS-подсветкой считаются самыми яркими мониторами.

Контрастность

Эта функция отвечает за баланс черного и белого в изображении. И чем выше контрастность, тем глубже воспроизводятся цветовые оттенки. Например, мониторы с матрицей MVA обеспечивают хорошую контрастность.

Угол обзора

Угол обзора определяет, из какого положения монитор будет оставаться читаемым. На самом деле, при малых углах обзора цвета начинают отображаться неправильно (затемняются). И тогда мы должны смотреть на монитор только под прямым углом. IPS-матрицы практически лишены этого недостатка.

Время реакции пикселя

Этот параметр определяет плавность перемещения изображения. А если его значение низкое, то динамическое изображение отображается некорректно. Что проявляется в появлении шлейфов, полос и артефактов. Да, конечно, при просмотре обычного видео это не так заметно. Но когда вы играете в видеоигры в быстром темпе, этот недостаток быстро станет заметным.

Количество отображаемых цветов

Помимо цветных мониторов, и по сей день живы монохромные ЖК-дисплеи. Такие экраны отображают только один цвет в различных оттенках. Они используются, в частности, в бортовых компьютерах станков, бытовой техники и автомобилей.

Что касается обычных ЖК-мониторов, то в каждом из них используется цветовая система RGB. Красный — красный, зеленый — зеленый и синий — синий. В то же время разнообразие и качество цветовой гаммы зависит от типа матрицы. Матрицы IPS обладают наилучшей цветопередачей.

Иногда цветные мониторы отображают неправильные цвета. Например, инверсия ЖК-дисплея — распространенное явление. Это приводит к неправильному отображению цветов или даже к их инверсии.

Интерфейс монитора

Эта функция напрямую зависит от модели и производителя. В результате мониторы оснащаются дополнительным интерфейсом аудиосистемы в дополнение к стандартным органам управления и регуляторам мощности. А также управление подсветкой монитора и многое другое.

Экраны нулевой мощности

Двойные зенитные элементы (ZBD), разработанные компанией QinetiQ, способны сохранять свою ориентацию без внешнего электрического поля. Принцип работы этого типа ЖК-мониторов основан на том, что кристаллы могут находиться в одном из двух положений, «черном» или «белом». Питание требуется только для переключения состояния ЖК-элемента. Экраны, основанные на этой технологии, производятся компанией ZBD Displays. Компания предлагает как черно-белые, так и цветные дисплеи ZBD.

Французская компания Nemoptic разработала другую технологию, которая не требует питания для сохранения изображения. Бумажные ЖК-дисплеи производятся на Тайване с июля 2003 года. Технология предназначена для мобильных устройств с низким энергопотреблением, таких как ноутбуки и устройства для чтения электронных книг. ЖК-дисплеи с нулевым энергопотреблением конкурируют с электронной бумагой.

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

Частота обновления экрана ЖК монитора

Частота обновления экрана — это характеристика, которая относится к количеству возможных изменений изображения в секунду — количеству кадров в секунду. Он измеряется в Гц. Частота обновления экрана влияет на качество изображения, особенно на плавность движения. Максимальный предел кажущейся частоты составляет 120 Гц. Частота выше этого предела не наблюдается, поэтому нет смысла ее увеличивать. Однако для того, чтобы монитор работал на такой частоте, необходима мощная видеокарта, способная выдать те же 120 Гц в качестве резервной.

Кроме того, частота обновления экрана влияет на органы зрения и даже на психику. Этот эффект проявляется, прежде всего, в усталости глаз. Если частота обновления низкая, глаза будут быстро уставать и болеть. Кроме того, припадки могут быть спровоцированы у людей, склонных к эпилепсии. Однако современные ЖК-мониторы используют специальные лампы для подсветки матрицы с частотой более 150 Гц, и указанная частота обновления в большей степени влияет на скорость смены изображения, но не на мерцание дисплея. Поэтому ЖК-мониторы в меньшей степени влияют на органы зрения и организм человека.