Werking plasma TV

1. Inleiding plasma-tv

Al 20-30 jaar wacht de wereld op de beloofde vlakke televisie. Bestaande televisies zijn gebaseerd op kathodestraalbuizen die helaas een grote diepte met zich meebrengen. De industrie heeft al die tijd gezocht naar een waardige opvolger van de beeldbuis. Veel principes zijn uitgeprobeerd. Een belangrijke randvoorwaarde is dat een groot scherm met een aanvaardbare lichtopbrengst voor een betaalbare prijs geproduceerd moet kunnen worden.

2. PDP ten opzichte van CRT

De voorbije 75 jaar draaiden in de televisiewereld alle televisies rond dezelfde technologie, namelijk CRT. De laatste jaren beginnen plasma-TV's hun opmars te maken. Dit is duidelijk te verklaren waarom als we even de voordelen van PDP's op een rijtje zetten:

• Een groter beeldscherm is mogelijk zonder dat de diepte vergroot.
• Heel dun (1/10 CRT), dus geschikt om aan de muur te hangen.
• Het gewicht is 1/6 van een CRT.
• We hebben geen beïnvloeding meer door magnetische velden.
• Geen geometrische vervormingen. Geen convergentieproblemen.
• De beeldkwaliteit is superieur.
• 16,7 miljoen kleuren
• Flikkervrije werking.
• In vergelijking met een LCD heeft een PDP een hele grote kijkhoek.

3. Definities plasma-tv

• Screen size = beeldgrootte

Screen size is de diagonale lengte (in inch) van de effectieve displayoppervlakte.
Screen size wordt berekend met Pythagoras:

 

De beeldgrootte van een CRT is de gehele beeldbuisdiagonaal.

• Display pixel

Eén pixel bestaat uit een set van een R, G, B-eenheid. Een pixel wordt ook soms een cel genoemd.

• Pixel pitch

De pixel pitch is de afstand van de ene pixel naar de volgende pixel.

• Effective display area = effectieve displayoppervlakte

 

De effectieve display area is de zichtbare oppervlakte van het scherm (H, V).

• Display Aspect Ratio

 

Dit is de verhouding van de vertikale tot de horizontale schermlengte. Hedendaagse televisies hebben als schermverhouding 4:3 of 16:9.

• Grayscale = grijsschaal

De grijsschaal zijn de verschillende stappen van helderheidsniveau.

2 1 = 2 grayscale

2 2 = 4 grayscale

2 4 = 16 grayscale

2 6 = 64 grayscale

2 8 = 256 grayscale

De macht van 2 bepaald het aantal lijnen die nodig zijn voor de input data.

• Het aantal kleuren

 

256 grijsschalen voor iedere R, G en B betekent 16,7 miljoen kleuren

• Brightness = helderheid

Dit is de luminantie van de display. De spot brightness is de piek brightness in het centrum van een dot. Surface average brightness is de gemiddelde brightness van lichtgevende en niet lichtgevende dots in de gemeten cirkel van het scherm. Bij PDP wordt cd/m² gebruikt als eenheid voor brightness.

• Contrast ratio = contrastverhouding

Dit is de verhouding van de brightness van verlicht en niet verlicht. Er is een verschil tussen donkere kamer contrast en gewoon (daglicht) kamer contrast.

• Kleurtemperatuur

De kleurtemperatuur wordt uitgedrukt in Kelvin (K). In het chromaticiteitsdiagram zien we de driehoek van kleuren die een display kan weergeven. In het bovenstaande diagram is A de oppervlakte van alle mogelijke kleuren en B de oppervlakte gespecifieerd door NTSC.

• Viewing angle = kijkhoek

Dit is de hoek van waar men het scherm correct kan zien zonder kleurverandering of helderheidsverschil.

• Geïnterlinieerd (interlaced) en niet-geïnterlineerd (non-interlaced = progressive) scan

• Analoge en digitale interface

Analoge signalen veranderen continu. Digitale signalen zijn 0 of 1.

• Digitale RGB

Iedere R, G, B data heeft twee stappen (0 of 1). Acht kleuren kunnen gedisplayed worden door combinaties van 0 en 1. Het aantal kleuren kan verhoogd worden door het aantal ingangslijnen te verhogen.

• Analoge RGB

Ieder R, G, B data kan continu veranderen.

4. Wat is plasma?

Het basisidee van een plasma-TV zijn allemaal aparte lichtjes van rood, groen en blauw die oplichten en het beeld vormen. Ieder pixel bestaat uit drie lichtjes: een rood, een groen en een blauw. Door de intensiteit van die lichtjes te regelen, kunnen alle kleuren gemaakt worden.

Het centrale element in zo'n lichtje is plasma. Plasma is een bepaald gas dat UV-licht exciteert door een elektrische spanning die erdoor passeert (vrije elektronen worden toegevoerd). Een botsing met een bewegend deeltje exciteert een atoom. Hierdoor springt het atoom naar een hoger energieniveau. Het elektron valt dan terug naar zijn normale energieniveau waardoor energie vrijkomt onder de vorm van een UV-lichtfoton. Die UV-lichtfotonen zijn onzichtbaar voor de mens, maar zullen gebruikt worden om zichtbare lichtfotonen te exciteren.

5. Binnen in de plasma display

Het plasma is één cel is gepositioneerd tussen twee glazen platen. Aan de boven- en onderkant van de cellen lopen elektroden. De adreselektroden lopen achter de cellen. De transparante displayelektroden lopen voor de cellen. Die displayelektroden zijn omgeven door een isolerend diëlektricum. Er is ook nog een beschermende magnesium-oxide-laag.

Die elektroden lopen langs het gehele scherm. De displayelektroden lopen horizontaal over het scherm en de adreselektroden vertikaal. Samen vormen ze een rooster.

Om het plasma in een bepaalde cel te doen exciteren, laadt de PDP-computer die elektrodes die elkaar kruisen in die cel. Er zijn telkens 2 displayelektrodes per cel en 1 adreselektrode per cel. De computer laadt eerst de displayelektrodes op om de cel op te laden, vervolgens wordt de adreselektrode gebruikt om het commando te geven licht te exciteren.

Wanneer de gekruiste elektroden opgeladen zijn (met een potentiaalverschil tussen beide), zal een elektrische stroom vloeien door het plasma van die cel. Die stroom veroorzaakt een snelle stroom van geladen deeltjes die de gasatomen stimuleren om UV-fotonen los te laten.

Die UV-fotonen komen dan terecht op fosforen (aan de binnenwand van de cel) die het UV-licht omzetten in zichtbaar licht.

Ieder pixel bestaat uit 3 dots, met telkens rood, groen en blauw gekleurd fosfor. Door de stroom die door de cellen vloeit te veranderen, veranderen we tevens de intensiteit van het uitgestraalde licht.

6. Constructie AC-PDP en DC-PDP

Ionisatie speelt de hoofdrol in het ganse proces. Door het aanbrengen van een spanning op de 2 elektroden wordt een elektron onttrokken door de anode. Door botsingen, splitsingen en ionisatie ontstaat er een elektronenstroom. Als de aangebrachte spanning groot genoeg is, resulteert dit in een zelfontsteking. Er ontstaat excitatie die als resultaat dat UV-licht geeft. Het grote nadeel van dit DC-type is het niet volledig oplichten van het gasvolume.

Men werkt dus in de hedendaagse PDP's met AC-PDP's. In een AC-type wordt hetzelfde principe toegepast, enkel krijgen we nu een wisselend vld op de elektroden waardoor dat we een gelijke lichtverdeling krijgen in de cel. De diëlektrische laag die aangebracht is op de elektroden is om de stroom te beperken en de elektroden te beschermen tegen beschadigingen bij de gasontlading.

Dat UV-licht botst dan op de fosforlaag die oplicht en zichtbaar licht afgeeft zoals hiervoor reeds volledig uitgelegd staat.

7. Elektrodenstructuur en aanstuursequentie

Ieder drievoud van kolomelektroden (adreselektroden) samen met het koppel rijelektroden (displayelektroden) vormen een cel. Op die manier kunnen we 3 x 852 x 480 = 1,2 miljoen pixels adresseren. We kunnen dus een PDP beschouwen als een verzameling van 1,2 miljoen lampjes die enkel aan of uit kunnen worden geschakeld.

Een beeld wordt opgebouwd uit 50 beelden (frames) per seconde. Ieder frame heeft dus een frametijd van 1/50 Hz (20 ms) of bij NTSC 1/60 Hz (16,7 ms), die verdeeld wordt in 8 subframes. Ieder subframe bestaat uit 2 fasen:

• Adressering

Alle pixels worden geadresseerd. Ze worden als het ware geprogrammeerd dat ze in de volgende stap licht moeten produceren of niet. Tussen de adreselektrode en de common-elektrode wordt een spanning aangelegd van 70 V die de cel in een "net-niet-ontsteek" toestand zet.

• Lichtgeneratie

In deze fase worden alle cellen gelijktijdig aangestuurd. Tussen de sustain- en de common-elektrode wordt een spanning gezet van 170 V. Enkel de pixels die geselecteerd werden in de adresfase lichten of.

Deze manier noemen we "subframe adressing".

1. Adresseren van de cellen die in de volgende fase moeten oplichten = cellen voorladen.
2. Een wisselspanning aanleggen op de displayelektroden X en Y zoveel perioden als er subframes zijn = enkel de cellen met voorlading ontsteken, de andere niet.
3. Rustperiode = cel ontlaadt zich

Hieronder is duidelijk de subframestructuur te zien.

Het aansturen van de cellen gebeurd dus in subframes. Ieder adres wordt al dan niet geprogrammeerd in subframes. Op adreslijn 1 wordt bijvoorbeeld een spanning gestoken. Indien er dan een spanning komt op lijnelektrode 1, dan licht cel 1 op. Kolom per kolom wordt geprogrammeerd. In 1,5 ms wordt het gehele scherm geprogrammeerd. Die 1,5 ms blijft altijd hetzelfde. Met T (de tijd dat de geselecteerde pixels oplichten) kunnen we spelen.

Het programmeren in subframes is nodig omdat een plasmacel enkel kan oplichten of gedoofd zijn. Er zijn geen grijsschaal in om het zo te zeggen. Om een grijsschaal te creëren moeten cellen korter of langer oplichten. We spelen met de lichthoeveelheid. Het oog zal dat uitmiddelen. We spelen a.d.h.v. een digitale versleuteling. Bijvoorbeeld lichthoeveelheid 1 = enkel SF1 laten oplichten; lichthoeveelheid 3 = SF1 en SF2 laten oplichten; lichthoeveelheid 15 = alle SF laten oplichten. Dit noemt men de lineaire codering.

 

Met die lineaire codering kunnen er problemen ontstaat als er een kleine helderheid en een grote helderheid na elkaar komen, dat de tijd ertussen te groot wordt (bv. 40 ms). Men zal een ingewikkelder codering toepassen, nl. niet-lineaire codering. Men werkt vanuit het midden.

Een voordeel van die subframes is dat we geen flikkering meer hebben zoals bij CRT's.

 

8. ALIS

Om tot een grotere lichtopbrengst zonder een hogere kostprijs te komen ontwikkelde men ALIS (Alternate Lighting of Surfaces). ALIS is gebaseerd op 3 principes:

• Even en oneven lijnen worden apart gedisplayed.
• De dode zone tussen de cellijnen wordt gebruikt (beeldvullend systeem).
• Het aantal elektrodes = het aantal displaylijnen + 1 (vroeger: aantal displaylijnen x 2)

Vergelijking ALIS met het conventioneel systeem:

• Met ALIS wordt de dode zone tussen de cellen gebruikt. We krijgen een meer beeldvullend systeem.
• Grotere lichtopbrengst.

• Minder elektrodes nodig om hetzelfde aantal lijnen te tonen. Dus ALIS is goedkoper.
• In het conventioneel systeem moeten ze dual scan gebruiken. Bij dual scan wordt het bovenste en het onderste stuk van de display gelijktijdig geprogrammeerd om niet te veel tijd te verliezen. Bij ALIS kan single scan gebruikt worden. ALIS is dus ook hier weer goedkoper omdat we vroeger 2 scancircuits en 2 adrescircuits nodig hadden.

9. Plasma-tv tegenover lcd-tv

• Bij PDP's is de brightness minder dan bij LCD's.
• Maar het contrast is hoger bij PDP's dan bij LCD's

Deze twee eigenschappen hebben beiden te maken met het feit dat:
Bij PDP's het beeld gemaakt wordt door allemaal aparte lichtjes. Als een plaats zwart is in het beeld, licht dat lichtje niet op.
Bij LCD's hebben we leakage light door de lampen die constant branden.

• Ook de kijkhoek (view angle) is nog een probleem bij LCD's, niet bij PDP's. Dit heeft te maken met het feit dat bij LCD's het beeld slechts goed is indien je in het gepolariseerde licht kijkt en dat wordt momenteel enkel naar voren uitgestraald. De kijkhoek van een PDP is meer dan 160° !

 

 
Bron: Stereo House (Frans Van Eeckhout)