Файл: Характеристики и типы мониторов для персональных компьютеров (Типы мониторов и принцип их действия).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Монитор — конструктивно законченное устройство, предназначенное для визуального отображения информации[11]. Данное устройство – одно из важнейших составляющих компьютера, монитор является визуальным каналом связи со всеми прикладными программами, относится к внешним устройствам, подключаемым к персональному компьютеру.

Нынешняя скорость развития ИТ-технологий требует разработки новых моделей мониторов большего размера, большего разрешения и возможностей, так как внедрение информационных технологий затрагивает все большее количество слоёв общества. Новые технологии приходят на смену друг другу, вследствие чего, возрастает запрос пользователей на новые технологии и возможности персональных компьютеров, в том числе и такого их компонента как монитор.

Данная тема актуальна, так как чтобы приобрести более или менее качественный монитор желательно предварительно хотя бы в общих чертах изучить его устройство и разбираться в его характеристиках[1].

Цель данной работы рассмотреть основные характеристики и типы мониторов для персонального компьютера. Будут проанализированы результаты и сделаны соответствующие выводы.

В соответствии с темой были выделены следующие задачи:

1. Изучение источников информации по данной теме;
2. Рассмотрение разных типов мониторов и принцип их работы;
3. Изучить характеристики мониторов.

Объект исследования – мониторы для современных пк.

Предмет исследования – характеристики и типы мониторов.

Курсовая работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Типы мониторов и принцип их действия

Мониторы с электронно-лучевой трубкой

Монитор на основе электронно-лучевой трубки (CRT (Cathode Ray Tube) – мониторы) совсем недавно, буквально 5–7 лет назад, был самыми распространенными (рис.1). Из названия становится понятно что, в основе всех подобных мониторов лежит катодно-лучевая трубка, или как технически правильно говорить "электронно-лучевая трубка" (ЭЛТ)[2].

Рис.1. Мониторы с электронно-лучевой трубкой

Данная технология, используемая в этом типе мониторов, была создана много лет назад и первоначально создавалась в качестве специального инструментария для измерения переменного тока, проще говоря, для осциллографа. Развитие данной технологии применительно к созданию мониторов за последние несколько лет привело к производству качественных, больших по размеру и низких по стоимости экранов. Сегодня найти в магазине 14" монитор очень сложно, а всего три четыре года назад это был стандарт. Сегодня стандартными являются 15" мониторы и наблюдается явная тенденция в сторону 17" экранов. Пройдёт немного времени и 17" мониторы станут стандартным устройством, особенно в свете существенного снижения цен на них, а на горизонте уже 19" мониторы и более[6].

Принципы работы CRT–мониторов. CRT–или ЭЛТ–монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой создан вакуум.

Устройство ЭЛТ цветного изображения (рис.2)[10]:

1. Электронные пушки.

2. Электронные лучи.

3. Фокусирующая катушка.

4. Отклоняющие катушки.

5. Анод.

6. Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и т. д.

7. Красные, зелёные и синие зёрна люминофора.

8. Маска и зёрна люминофора (увеличено).

Рис.2. Устройство ЭЛТ цветного изображения

С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором (7). В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и т.п. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами.

Для создания изображения в CRT–мониторе используется электронная пушка(1), которая испускает поток электронов(2) сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора(6), которая покрыта разноцветными люминофорными точками[2].          Глаз человека реагируют на 3 основных цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) а так же на их комбинации, из которых создаётся бесконечное число цветов. Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть электронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов[6].  Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. В цветном CRT–мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся и мало кому интересны.

Жидкокристаллические мониторы

LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы(рис.3)) сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча проходящего сквозь них. Впервые жидкие кристаллы нашли свое применение в кварцевых часах и в дисплеях для калькуляторов, и только спустя некоторое время их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров[7].

Рис.3. Жидкокристаллический монитор

Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли в среднем 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров актуальны 19.5", 24" и 27" и более LCD мониторы. С увеличением размеров увеличивается и разрешение, следствие чего появляются новые проблемы, преодолеть которые помогли новые специальных технологий. 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. STN это акроним, означающий "Super Twisted Nematic". Технология STN позволяет увеличить угол кручения ориентации кристаллов внутри LCD дисплея с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.

В наше время наблюдается расширение вторжения LCD мониторов на рынок, так как что технология развивается, то конечная цена устройств понижается, это что дает возможность большему числу пользователей приобретать новые продукты [10].

Жидкокристаллический дисплей состоит из следующих элементов:

• ЖК-матрицы (первоначально — плоский пакет стеклянных пластин, между слоями которого и располагаются жидкие кристаллы; в 2000-е годы начали применяться гибкие материалы на основе полимеров);
• источников света для подсветки;
• корпуса, чаще пластикового, с металлической рамкой для придания жёсткости;
• контактного жгута (проводов).

Состав пикселя ЖК–матрицы (рис.4):

• два прозрачных электрода;
• слой молекул, расположенный между электродами;
• два поляризационных фильтра, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны [11].

Рис.4. Пиксел цветного ЖК–дисплея

Если бы между фильтрами не было жидких кристаллов, то свет, пропускаемый первым фильтром, почти полностью блокировался бы вторым фильтром. Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, обработана специальным образом для ориентации молекул в начальный этап времени в одном направлении. В TN–матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Данная структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если к электродам приложить напряжение, то молекулы выстроятся по направлению электрического поля, что исказит винтовую структуру. Силы упругости противодействуют этому, поэтому при отключении напряжения молекулы возвратятся в исходное положение. Если величина электрического поля достаточно большая то практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Поэтому контролируя напряжение, можно управлять уровнем прозрачности.

Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, то жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Эта проблема решается применением переменного тока или же изменением полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Каждой из ячеек матрицы можно управлять индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как возрастает число необходимых для этого электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам[4].

Источник света, проходящий через ячейки, может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но наиболее часто используют искусственный источник света. Это даёт независимости от внешнего освещения а также стабилизирует свойства полученного изображения.

Таким образом жидкокристаллический монитор состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, жидкокристаллической-матрицы, источника света, блока питания и корпуса с элементами управления. Однако существуют различные типы матриц, разнящихся по качеству и области применения.

TN - самый старый тип матрицы, который все еще занимает значительную долю рынка и не собирается с него уходить. Именно TN в продаже уже давно нет — в основном продаются улучшенные модификации, TN+film: улучшение позволило довести горизонтальные углы обзора до 130-150 градусов, но вот с вертикальными все плохо: даже при отклонении на десяток градусов цвета начинают меняться, вплоть до инвертирования. К тому же в большинстве своем такие мониторы не охватывают и 70% sRGB, а значит для цветокоррекции они не подойдут. Еще один минус — достаточно низкая максимальная яркость, обычно она не превышает 150 Кд/м^2: этого хватит разве что для работы в помещении.

Казалось бы — все, TFT TN безнадежно устарели и их пора списывать. Однако не все так просто — эти матрицы имеют наименьшее время отклика, и поэтому прочно обосновались в дорогом игровом сегменте. Увы —стоимость таких мониторов от 500 долларов только начинается, так что использовать их имеет смысл только тем, кому критично важна минимальная задержка.

Тип матриц TFT IPS начал свой путь на пользовательский рынок с телефонов, где низкие углы обзора у TN-матриц достаточно сильно мешали нормальному использованию. В последние несколько лет цена на IPS мониторы значительно снизилась, и их теперь можно купить даже для бюджетного компьютера. У этих матриц есть два основных плюса: углы обзора достигают почти 180 градусов как по горизонтали, так и по вертикали, и они обычно имеют хороший цветовой охват прямо из коробки — даже в мониторах дешевле 10 тысяч рублей нередко есть профиль с охватом в 100% sRGB. Но, увы, минусов тоже хватает: это невысокая контрастность, обычно не выше 1000:1, из-за чего черный выглядит не как черный, а как темно-серый, и так называемый glow-эффект: при взгляде с определенного угла матрица кажется розоватой (или фиолетовой). Так же раньше была проблема с невысоким временем отклика — до 40-50 мс (что позволяло честно вывести на экран всего 20-25 кадров, остальные смазывались). Однако сейчас такой проблемы нет, и даже дешевые IPS-матрицы имеют время отклика не выше 4-6 мс, что позволяет спокойно вывести 100-150 кадров — этого более чем хватает для любого использования, даже игрового.

Всего подвидов IPS много, разберем основные:

• TFT S-IPS (Super IPS) — самое первое улучшение IPS: увеличены углы обзора и скорость реакции пикселя. В продаже уже давно нет.
• TFT H-IPS (Horizontal IPS) — почти не встречается в продаже. Этот тип IPS появился в 2007 году и в сравнении с S-IPS немного увеличилась контрастность, поверхность экрана выглядит более однородной.
• TFT UH-IPS (Ultra Horizontal IPS) – улучшенная версия H-IPS. Благодаря уменьшению размера полосы, разделяющей субпиксели, на 18 % было увеличено пропускание света. На сегодняшний момент этот тип IPS-матриц так же устарел.
• TFT E-IPS (Enhanced IPS) — еще один устаревший тип IPS. Имеет другую структуру пикселя и пропускает больше света, что позволяет снизить яркость подсветки, что приводит к уменьшению цены монитора и снижению энергопотребления. Имеет достаточно низкое время отклика (меньше 5 мс).
• TFT P-IPS (Professional IPS) — достаточно редкие и очень дорогие матрицы, созданные для профессиональной обработки фото: они обеспечивает великолепную цветопередачу (глубина цвета 30 бит и 1.07 миллиарда цветов).
• TFT AH-IPS (Advanced High Performance IPS) — новейший тип IPS: улучшена цветопередача, увеличено разрешение и PPI, повышена яркость и понижено энергопотребление, время отклика не превышает 5-6 мс. Именно этот тип IPS сейчас активно продается.