Prof. Miszalok - Plasma-Displays

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Plasma-Displays

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Prinzip

Multiplexschaltung

Objectives

Understanding ionizing pixel cells, phosphor coating and the necessity of multiplexed row addressing.

Summary

Each pixel is a tiny fluorescent lamp.

Visible color is produced by coating pixels with red, green and blue emitting phosphor.

The pixels cannot be dimmed, dark colors need short pulses.

Plasma displays are power consuming and tend to burn-in.

Prinzip

Principle of a Plasma Display with Micro-Drillings

Das Display ist eine flächige Anordnung mikroskopisch kleiner Leuchtstofflampen. Kleine Bohrungen oder Wannen mit ionisierbarem Leuchtgas bilden eine Pixelmatrix und emittieren ultraviolettes Licht. Frequenzumsetzung in sichtbares farbiges Licht durch je einen RGB-Leuchtstoff in oder vor den Röhren / Wannen. Die gesamte Displayfläche steht dauernd unter gleichmäßiger Spannung knapp unterhalb des Grenzwertes, wo das Edelgasgemisch = Plasma zu leuchten beginnt. Es verbraucht also auch beträchtiliche Energie bei schwarzem Bildschirm, wenn es nichts anzeigt

Vorteile: intensiv selbst leuchtend, hohe Leuchtstärke, brilliante Fraben, große Formate.
Nachteil 1: Ein Plasma-Pixel hat nur zwei die Zustände An oder Aus und ist nicht dimmbar. Es gibt also nur schwarz oder volle Farbe. Alle Zwischenstufen müssen über die Leuchtdauer (Pulslänge) simuliert werden. Beispiel: Dunkles Grau simuliert man durch Blitze von kurzer Dauer mit langen (schwarzen) Pausen dazwischen. Folge: Die graue Fläche erscheint unruhig flirrend → Plasma-typisches Pixelflimmern.
Nachteil 2: Ein Plasma-Pixel ist ziemlich groß (Drei-Wannen-RGB-Pixel ca.: 1.0x0.5 mm) und kaum verkleinerbar. Folge: Plasma ist nur für große, aber nicht für kleine Displays geeignet. Faustregel: Plasma gut für Bilddiagonalen > 100 cm, darunter besser LCD.
Nachteil 3: Der Stromverbrauch steigt steil an, wenn das Bild hell wird bis zu Spitzenwerten von 500 Watt. Folgen:
3.1: Der Phosphor altert vorzeitig bei zu hohem Dauerbeschuss mit UV-Licht.
3.2: Plasma Displays brauchen deshalb einen Überlastungsschutz (Bildhelligkeit-Begrenzung).
3.3: Wegen der Bildhelligkeits-Begrenzung ist der Kontrast nur bei dunklem Bild in dunklem Zimmer richtig gut.
3.4: Standbilder können dauerhaft einbrennen = Burn-In-Effekt.
3.5: Wegen der Phosphor-Alterung werden Plasma-Displays über die Jahre deutlich dunkler.
Nachteil 4: Insgesamt hoher Energieverbrauch erzeugt viel Abwärme, Lüfter notwendig.

Produktion 2008: 12 Mio Plasma Displays (zum Vergleich: 400 Mio LCD Displays)
Hersteller: Panasonic = Matsushita, Samsung SDI, LG Electronics.

Prognose: Plasma Displays haben Zukunft überall da, wo schiere Größe gefordert wird, nicht aber als TV-Geräte im Wohnzimmer.

Spitzenprodukt von Panasonic: Life Screen mit 4k x 2k Ortsauflösung, Diagonale 381 cm für Digitalkinos.

Plasma Display with Micro-Tubs
Image from: NEC Cat.No.E72030, 2002

Guter Artikel (338 KB):
Vergleich von Plasma und LCD-Display von Ulrike Kuhlmann in c't 26, 2007

Das Bild rechts zeigt das Funktions-Schema eines Plasma-Pixels.
Es ist aus diesem Artikel entnommen.

Siehe auch: Wikipedia

Multiplexschaltung

Um eine Zelle Z0 in Spalte x0 und Zeile y0 zum leuchten zu bringen, muss man nur den vertikalen Draht x0 und den horizontalen Draht y0 unter Spannung setzen.
Problem: Will man gleichzeitig eine zweite Zelle Z1 in Spalte x1 und Zeile y1 zum Leuchten zu bringen, und setzt gleichzeitig mit x0/y0 den vertikalen Draht x1 und den horizontalen Draht y1 unter Spannung, dann leuchten nicht wie erwartet zwei Zellen, sondern vier, nämlich auch x1/y0 und x0/y1.
Lösung: Man setzt zuerst Zeile A unter Spannung, überträgt alle Spalten (xi,A), dann Zeile B alle Spalten (xi,B) usw.
Allgemein: Es darf immer nur eine Zeile eingeschaltet werden, nacheinander in der Reihenfolge von oben nach unten.

Multiplexschaltung = zeitversetzte Spannungszuführung zu den Zeilen eines Displays so, dass zuerst die Zeile A des Displays geschaltet werden, dann die Zeile B usw, bis zur letzten Zeile. Jede Zeile bekommt somit einen eigenen Zeitslot.
Vorteil: So wird verhindert, dass alle an den Ecken eines Rechtecks stehende Zellen ungewollt gemeinsam gleichzeitig geschaltet werden.
Nachteil: Für jede Zelle steht nur die extrem kurze Schaltzeit von 1 sec dividiert durch ( Anzahl der Zeilen des Displays * Refresh ) zu Verfügung.

Je kürzer die Schaltzeit pro Pixel umso höher muss man die Spannung wählen, um die Gasentladung auszulösen.
Bei einem Refresh von T und einer Zeilenzahl von N ergibt sich eine Schaltzeit von 1/(T*N) [sec] pro Pixel.
Je kürzer die Schaltzeit pro Pixel umso höher muss man die Spannung wählen, um die Gasentladung auszulösen. Die maximal mögliche Spannung begrenzt also die maximal mögliche Zeilenzahl des Displays.
Zusammenfassung: Die Problemkette: unerwünschtes Leuchten über Eck stehender Zellen -→ Zwang zur Multiplexansteuerung -→ kurze Schaltzeit pro Zeile -→ hohe Schaltspannungen -→ begrenzte Zeilenzahl betrifft nicht nur Plasmadisplays, sondern alle Flat Panel Displays.
Die Lösung des Problems ist teuer: Active Matrix Displays mit Feldeffekttransitoren auf jeder Zelle (siehe LCDs). Dann bleibt wie bei einem dynamischen RAM ein Pixel bis zum nächsten Programmierimpuls erhalten und man muss nur noch die Pixel ansteuern, die sich verändern.
In Abgrenzung zu dieser modernen "Active Matrix" nennt man die alte Multiplexschaltung heute "Passive Matrix".

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