РК-монітори: принцип роботи, будову, особливості догляду, діагностика, ремонт, переваги і недоліки

Рідкокристалічний дисплей (LCD) являє собою тонке плоске пристрій, що складається з деякого числа кольорових і монохромних пікселів, розташованих перед джерелом світла або дзеркалом. У чому перевага РК-монітора? Його високо цінують інженери, тому що він споживає незначну кількість електроенергії, що робить його придатним для використання в електронних пристроях, що живляться від батарейок. Крім того, він може мати практично будь-яку форму та розміри, мало нагрівається і не виділяє шкідливих електромагнітного випромінювання. Також він є однією з причин успіху портативних комп'ютерів – інакше вони б не були такими компактними. Деякі з ранніх моделей портативних ПК включали невеликий ЕПТ-монітор і були досить громіздкими. Згодом РК-дисплеї стали використовуватися не тільки в ноутбуках, але і в телевізорах високої чіткості. Оскільки з часом технологія і виробництво стають більш дешевими, вартість моніторів з плоским екраном або HD-телевізорів продовжувала знижуватися. В кінцевому підсумку РК-панелі повністю замінили традиційні електронно-променеві трубки, так само, як транзистори змінили вакуумні лампи.

Принцип роботи РК-монітора

Пікселі дисплея складаються з РК-молекул, побудованих між прозорими електродами, а також з пари поляризаційних фільтрів з перпендикулярними один одному осями полярностей. У відсутність рідкого кристала світло, проходячи через поляризатор, блокується іншим. Поверхня електродів, що контактують з речовиною, що знаходиться в ЖК-фазі, оброблена так, щоб молекули шикувалися в певному напрямку. Як правило, вони покриваються тонким шаром полімеру, спрямованого в одну сторону методом протирання його тканиною (рідкі кристали шикуються в тому ж напрямку). Принцип роботи РК-монітора наступний. До накладення електричного поля РК-молекули побудовані згідно напрямку вирівнювання поверхонь. У найпоширенішому типі РК-екрану – крученном нематическом – напрямки побудови поверхонь електродів перпендикулярні, завдяки чому молекули утворюють спіралевидну структуру, тобто скручуються. Так як властивістю рідких кристалів є різна швидкість руху світла з різною поляризацією, промінь, який проходить через один поляризаційний фільтр, обертається РК-спіраллю так, що може пройти крізь другий. При цьому половина світла поглинається в першому поляризаторе, але в іншому вся збірка прозора.


Коли на електроди подається напруга, починає діяти крутний момент, який вирівнює молекули скрученого нематического кристала вздовж електричного поля і випрямляє спіралевидну структуру. Цьому перешкоджають пружні сили, так як молекули на поверхнях не вільні. Обертання поляризації зменшується, і піксель виглядає сірим. Але завдяки властивості рідких кристалів вирівнюватися при досить високій різниці потенціалів, що проходить крізь них світ не обертається. В внаслідок напрямок поляризації стає перпендикулярним другого фільтру, він повністю блокується, і піксель виглядає чорним. Зміна напруги між електродами по обидві сторони РК-шару кожного елемента зображення регулює кількість минаючого світла і, відповідно, його яскравість.
Скручені нематичні рідкі кристали містяться між схрещеними поляризаційними фільтрами для того, щоб світ був максимально яскравим без витрат електроенергії, а одержуване при подачі напруги затемнення - було рівномірним. Можливий випадок використання паралельних поляризаційних фільтрів. При цьому темні і яскраві стану змінюються на протилежні. Однак у такій конфігурації чорний не буде рівномірним. Речовина рідкого кристала і вирівнюючий шар містять іонні з'єднання. Якщо тривалий час діє електричне поле певної полярності, іонний матеріал притягається поверхнями, погіршуючи характеристики РК-монітора. Уникнути цього можна, застосовуючи або змінний струм, або змінюючи полярність електричного поля під час звернення до пристрою (реакція РК-шару не залежить від полярності).

Мультиплексорный екран

Коли дисплей складено з великого числа пікселів, управляти кожним з них безпосередньо неможливо, оскільки всім їм знадобляться незалежні електроди. Замість цього монітор мультиплексируется. При цьому електроди групуються і з'єднуються (як правило, у стовпцях), і кожна група харчується окремо. З іншого боку комірки електроди також згруповані (як правило, по рядах) і підключені окремо. Групи створюються таким чином, щоб кожен піксель володів унікальною комбінацією джерела і приймача. Електроніка або програмне забезпечення, яке керує нею, послідовно включає групи і керує ними.
Важливими факторами, які слід враховувати при оцінці РКД, є дозвіл, видимий розмір, час відгуку (швидкість синхронізації), тип матриці (пасивний чи активний), кут огляду, підтримка кольору, коефіцієнт яскравості і контрастності дисплея, співвідношення сторін і вхідні порти (наприклад, DVI або VGA).

Кольорові екрани

У кольорових ЖК-дисплеях кожен окремий піксель ділиться на три клітинки або субпікселя, які за допомогою додаткових фільтрів (пігментних і метал-оксидних) пофарбовані в червоний, синій і зелений кольори. Кожним субпикселем можна керувати незалежно, щоб отримати тисячі або мільйони можливих кольорів. У старих ЕПТ використовується аналогічний метод. В залежності від використання монітора, колірні компоненти можуть розміщуватися в різних піксельних геометріях. Якщо програмне забезпечення знає, який тип геометрії використовується на даному дисплеї, це може бути використано для збільшення видимого дозволу допомогою субпіксельної візуалізації. Цей метод особливо корисний для згладжування тексту.

Пасивна матриця

Пристрій РК-моніторів з невеликою кількістю сегментів, наприклад, використовуваних в кишенькових калькуляторах і цифрових годинниках, передбачає для кожного елемента один електричний контакт. Зовнішня виділена схема забезпечує електричний заряд, необхідний для управління кожним сегментом. При великій кількості екранних елементів така структура стає занадто громіздкою.

Малі монохромні дисплеї, що використовуються, наприклад, у старих ноутбуках, мають структуру пасивної матриці, в якій використовується технологія суперскрученных нематичних елементів (STN) або двошарова STN (DSTN), яка коригує проблему зсуву кольорів. Кожен рядок або стовпець мають одну електричну ланцюг. Адресація кожного пікселя проводиться по черзі за адресою рядка і стовпця. Такий тип дисплея називають пасивною матрицею, оскільки стан кожної комірки повинна зберігатися без електричного заряду. Із зростанням числа елементів (а також рядків і стовпців) відображення стає все більш складним. Дисплеї з пасивною матрицею характеризуються занадто повільним відгуком і поганою контрастністю.

Активні матричні технології

У кольорових екранах високого дозволу, якими обладнуються сучасні телевізори та монітори, що застосовується активна матриця. В ній до кольорових і поляризаційним фільтрів додано шар тонкоплівкових транзисторів (TFT). При цьому кожен піксель керується своїм власним виділеним напівпровідниковим елементом. Транзистор забезпечує доступ в кожному стовпці тільки до одному пікселю. При активації рядка до неї підключаються всі стовпці, і на них подається напруга. Потім рядок деактивується, і активується наступна. При оновленні дисплея послідовно активуються всі рядки. Активно-матричні екрани значно чіткіше і яскравіше пасивних того ж розміру, і зазвичай відрізняються більш швидким відгуком, який забезпечує набагато кращу якість зображення.

Скручений нематик (TN)

TN-екрани містять РК-елементи, які для регулювання кількості світла, що пропускається різною мірою скручуються і розкручуються. Якщо напруга на електроди РК-комірки TN-матриці не подається, то промінь поляризується таким чином, що може пройти крізь неї. Рідкі кристали скручуються пропорційно прикладеної різниці потенціалів до 90°, змінюють поляризацію і блокують підсвічування. При подачі напруги певного рівня можна домогтися практично будь-якого відтінку сірого.

3LCD-технологія

Являє собою систему відеопроекції, в якій для створення зображення використовуються 3 микродисплейные панелі. У 1995 р. завдяки компактності і високої якості технологія почала застосовуватися багатьма виробниками фронтальних проекторів, а з 2002 р. і у проекційних телевізорах. Активна матриця забезпечує відмінну передачу кольору, високу яскравість і чітке зображення, а використання високотемпературного полікремнію дозволяє отримати велику глибину чорного.

IPS-технологія

Абревіатура IPS розшифровується як «площинне переключення». Принцип роботи РК-монітора даного типу заснований на вирівнюванні рідкокристалічних комірок в горизонтальній площині. Метод полягає в тому, що електричне поле проходить через обидва кінця кристала, але вимагає двох транзисторів на кожен піксель замість одного, як в стандартному TFT-екрані. Наслідком цього є велика блокування ділянки дисплея, що вимагає більш яскравого підсвічування, яка витрачає більше енергії. Це накладає обмеження у використанні даного виду РК-монітора в ноутбуках.

Екрани нульової потужності

Зенітальні елементи з двома стійкими станами (ZBD), розроблені компанією QinetiQ, здатні зберігати свою орієнтацію без зовнішнього електричного поля. Принцип роботи РК-монітора даного типу заснований на тому, що кристали можуть знаходитися в одному з двох положень – чорному або білому. Харчування потрібно лише для зміни стану РК-елемента на протилежне. Створені на основі даної технології екрани виробляє компанія ZBD Displays. Вона пропонує як чорно-білі, так і кольорові ZBD-дисплеї. Французька компанія Nemoptic розробила ще одну технологію, не вимагає живлення для збереження зображення. Схожі на папір РК-екрани виробляються на Тайвані з липня 2003 року. Ця технологія орієнтована на такі малопотужні мобільні пристрої, як переносні комп'ютери та електронні книги. РКД з нульовою потужністю споживання складають конкуренцію електронному папері. Компанія Kent Displays теж розробила екран з нульовим енергоспоживанням, в якому використовуються стабілізовані полімерні рідкі кристали ChLCD. Основним недоліком цієї технології є невисока частота оновлення, яка ще більше сповільнюється при низьких температурах.

Контроль якості

РК-екрани можуть мати дефектні транзистори, результатом чого є постійно відкриті або закриті ділянки, на яких пікселі залишаються або яскраво освітленими, або чорними. Якщо у випадку інтегральних схем це б означало шлюб, то дисплеї з кількома непрацюючими точками, як правило, використовуються. Це неможливо заборонити з економічних міркувань, оскільки ЖК-панелі значно більше мікросхем. Для визначення максимально допустимого числа дефектних пікселів виробники використовують різні стандарти. Наприклад, ноутбуки ThinkPad для панелі з роздільною здатністю 2048 х 1536 воно дорівнює 16. З них яскравими можуть бути 15 пікселів, а темними – 16. Дефект РК-екрана більш імовірний, ніж для більшості мікросхем. Наприклад, 12" SVGA-дисплей може мати 8 дефектів, а 6" пластина – тільки 3. Разом з тим з 137 штампів прийнятними будуть 134 при практично нульовому шлюб РКД. Стандарти якості сьогодні набагато вище, ніж раніше, завдяки жорсткій конкуренції між виробниками і поліпшеному контролю. SVGA-екран з 4 дефектними пікселями тепер вважається дефектним, і клієнти мають можливість обміняти його на новий.

100% гарантія

Ряд виробників, особливо південнокорейських, оскільки там знаходяться одні з найбільших фабрик з виробництва РК-панелей (наприклад, LG), сьогодні гарантують відсутність несправних пікселів і проводять заміну екрану навіть з єдиним дефектом. Навіть якщо така гарантія не надається, важливо розташування дефектних ділянок. Екрани з кількома несправними осередками можуть бути непридатні, якщо вони розташовані поруч один c іншому. Крім того, виробники можуть провести заміну панелі в тому випадку, якщо дефект розташований в центрі дисплея.

Діагностика і ремонт моніторів

Нижче наведені найбільш часто зустрічаються несправності і методи їх усунення. Індикатор живлення горить постійно, але зображення відсутнє. Ймовірна поломка підсвічування або її інвертора. Найпростіший спосіб діагностики РК-монітора – включити відтворення відео і направити яскравий промінь або майже паралельно екрану, або перпендикулярно. Це дозволить побачити зображення навіть без підсвічування. Ремонт монітора полягає в заміні лампи підсвічування або, швидше за все, її інвертора. Індикатор живлення блимає. У цьому випадку необхідно перевірити, чи надходить в дисплей сигнал – ймовірно пошкодження кабелю або роз'єму. Якщо все в порядку, то основну причину несправності для конкретної марки монітора слід пошукати в інтернеті. Наприклад, для Dell 1702FP – це вихід з ладу деяких конденсаторів. Найпростіший вихід в цьому випадку – замінити всі ємності. Також можна шунтувати несправний конденсатор свідомо справним. Індикатор живлення не загоряється. Ймовірна причина – несправність блоку живлення монітора. Можна спробувати замінити його, купивши новий або скориставшись запчастинами від старого дисплея. Інша можлива причина – КЗ конденсатора (його легко знайти візуально) і перегорання запобіжника. В цьому випадку їх слід замінити. Вертикальні або горизонтальні лінії. Якщо монітор працює, але має лінії, що тягнуться на всю ширину або висоту екрана або раздваивание зображення по вертикалі або горизонталі, то ймовірним винуватцем є транзистор або з'єднання дисплея. Якщо один із сотень роз'ємів несправний або закорочений, то це позначається на всьому ряду пікселів. Для ноутбуків іноді досить стиснути проблемну ділянку і проблема піде на роки. Для дисплея ПК потрібно зняти задню панель, щоб дістатися до несправного з'єднання і прикласти до нього тиск.

Особливості догляду

Іноді якість зображення можна відновити за допомогою простої серветки для РК-моніторів. Вона усуне пил, плями від їжі, відбитки пальців, сліди комах, бруд і розводи. Краще використовувати професійні засоби, такі як чистячі аерозолі та піни-аерозолі, але їх можна замінити розведеним у рівних пропорціях ізопропиловим спиртом або оцтом. Не слід використовувати засоби на основі спирту, аміаку або ацетону, оскільки вони здатні завдати шкоди екрану, особливо покриттю антивідблиску. Чистячий засіб слід наносити на серветку, а не на забруднення. Протираючи дисплей, не можна застосовувати силу. Не можна включати монітор до повного його висихання.

Недоліки

ЖК-технологія як і раніше відрізняється деякими недоліками у порівнянні з іншими підходами: Якщо електро-променеві трубки можуть працювати з різною роздільною здатністю, не привносячи спотворень, РКД забезпечують чіткість тільки у разі їх «рідного дозволу». При спробі встановити непідтримувані параметри екрана, зображення масштабується, стає розмитим або «блоковим». РК-панелі забезпечують більш низьку контрастність, ніж плазмові або світлодіодні. Причиною цього є те, що світло часто проникає через поляризаційний фільтр і замість чорного кольору відображається сірий. Однак при яскравому зовнішньому освітленні контрастність РК може перевищувати даний показник деяких інших дисплеїв з причини більшої максимальної яскравості. РК-екрани відрізняються великим часом відгуку, ніж плазмові аналоги, створюючи видимі ореоли при швидкому русі зображення, хоча цей показник у міру розвитку технології постійно поліпшується і в сучасних РК-панелях практично непомітний. Більшість TN - і IPS-дисплеїв мають час реакції 5-8 мс. Овердрайв, що застосовується в деяких панелях, призводить до того, що на ділянках змінюється зображення виникають артефакти у вигляді підвищеного шуму або ореолів. Причиною цього побічного ефекту є прагнення пікселів досягти передбачуваної яскравості (або напруги, яке потрібно для проходження потрібної кількості світла), після чого вони повертаються до цільового рівня, забезпечуючи найкращий час відгуку. РК-дисплеї відрізняються обмеженими кутами огляду, із-за чого одночасно дивитися на екран може менша кількість глядачів. При досягненні граничного кута контрастність і перенесення кольорів погіршуються. Але деякі виробники використовують цей ефект, пропонуючи навмисно обмежений огляд РК-монітора з метою забезпечення більшої конфіденційності, наприклад, при користуванні ноутбуком в громадських місцях. Крім того, це дозволяє створити для одного спостерігача 2 різних зображення, створюючи стереоскопічний ефект. Деякі старі РК-монітори можуть викликати мігрень і проблемами із зором через мерехтіння ламп підсвічування, що працюють з частотою мережі 50 Гц. В сучасних екранах це усунуто з переходом на харчування високочастотним струмом. РК-дисплеї іноді страждають від вигоряння. У міру розвитку технології дана проблема знижується, оскільки з'являються нові методи її усунення. Іноді екран можна відновити шляхом тривалого відображення білого зображення. Деякі РКД не здатні працювати в режимі низького дозволу (наприклад, 320 х 200). Але це пов'язано зі схемою управління, а не особливостями РК-монітора. Плоскі дисплеї дуже вразливі. Але їх легкий вага знижує ймовірність пошкодження, а деякі моделі захищені склом.