Плазменные экраны коллективного пользования, информация с которых легко считывается с достаточно большого расстояния, отнюдь не новинка. Экраны такого класса представляют собой наборную конструкцию из десятков отдельных ячеек – газоразрядных индикаторных панелей (ГИП). Информационная емкость ГИП, как правило, равна 64х64 пиксела размером 3х3 мм или 32х32 пиксела размером 6х6 мм, хотя возможны и другие форматы. Достоинства экрана — малая толщина (сама ГИП — не более 1 см, электронная схема управления — еще несколько сантиметров), большой угол обзора (не менее 160о), отсутствие мерцания, геометрических искажений и необходимости юстировки изображения, а также широкий диапазон рабочих температур и высокая механическая прочность. До последнего времени плазменные экраны коллективного пользования выполняли на ГИП постоянного тока. Основной недостаток таких экранов — интенсивная эрозия выходящих непосредственно в разрядную область электродов, вызванная физикой происходящих там процессов. Это заметно снижает срок их службы и яркость свечения (в среднем число оттенков цвета не превышает 16 градаций). Недостаточная яркость и быстродействие не позволяют выводить на экран полноценное телевизионное или компьютерное изображение. В результате применение их ограничено воспроизведением алфавитно-цифровой и графической информации.
Разработчики газоразрядных индикаторных панелей, в том числе и головное предприятие по этому направлению — НИИ ГРП “Плазма” (г. Рязань), проблему повышения яркости и быстродействия ГИП решили путем нанесения на разрядные электроды диэлектрического защитного покрытия. Это на первый взгляд простое решение в корне изменило принцип работы индикаторной панели. Диэлектрик не только защищает электроды, но и препятствует протеканию постоянного разрядного тока. Электроды с диэлектрическим покрытием образуют конденсатор, через который в момент перезарядки проходят импульсы тока сложной формы длительностью порядка сотни наносекунд и амплитудой в десятки ампер. Частота повторения импульсов может достигать 200 кГц. Все это значительно усложнило электронную систему экрана и потребовало разработки принципиально нового способа управления на основе импульсного перезаряда приэлектродных емкостей. Но игра стоила свеч, поскольку яркость и долговечность экрана повышались на порядок и устранялись все препятствия для отображения полноцветного телевизионного и компьютерного изображения со стандартными кадровыми частотами.
Эту задачу успешно решили специалисты НИИ ГРП и ученые НИИ ядерной физики МГУ им. Ломоносова (ООО “Микроэлектронные системы” — “МикС”), где велись теоретические и экспериментальные работы по исследованию физики газового разряда переменного тока (или так называемого барьерного разряда) и созданию средств управления им. Большой опыт разработки сложных электронных систем (ООО “МикС” — разработчик первого отечественного школьного компьютера “Корвет” и вычислительных систем по заказам оборонной промышленности СССР) позволил создать эффективную схему управления панелью переменного тока. Результат совместных усилий “МикС” и НИИ ГРП — устройство отображения информации коллективного пользования на ГИП переменного тока, не имеющее аналогов в мире. В ходе проведенных экспериментальных и теоретических исследований были выявлены эффекты, существенно влияющие на качество работы панелей.
Был создан испытательный стенд для доработки технологии их изготовления. Все это помогло специалистам НИИ ГРП повысить качество панели, улучшить ее электрофизические параметры и управляемость, усовершенствовать конструкцию и технологию изготовления. Так, установив расстояние между близлежащими краями электродов индикации не более 1,6 расстояния между покрытиями электродов, расположенных на противолежащих диэлектрических подложках, разработчики значительно повысили долговечность индикаторной панели. Благодаря применению пасты на основе свинецсодержащего легкоплавкого стекла для формирования электродов удалось значительно снизить трудоемкость процесса изготовления панелей.
В результате трехлетней совместной работы создан фрагмент экрана коллективного пользования на ГИП переменного тока, полностью подготовленный к серийному производству. Экран состоит из автономных модулей, содержащих ГИП размером около 200х200 мм и емкостью 64х64 3-мм полноцветных пиксела, а также одноплатное устройство управления. Толщина экрана не превышает 10 см, причем основная ее часть приходится на вентиляционный канал, отделяющий от ГИП электронные схемы. ГИП соединена с платой управления гибким шлейфом, что в совокупности с креплением элементов модуля на простейшей металлической раме обеспечивает высокую ремонтопригодность экрана.
Каждая плата управления соответствует “своей” ГИП, благодаря чему в процессе изготовления модуля можно зашивать параметры ГИП в ПЗУ системы управления работой экрана и тем самым компенсировать значительный технологический разброс по отдельным модулям. Успешно решена проблема обеспечения работоспособности панели при изменении управляющего напряжения – одна из самых сложных в ходе отработки схемотехники и алгоритмов управления. В результате отпала необходимость в электрической регулировке напряжения. Проблема разброса по цветности решена путем аппаратной компенсации в реальном масштабе времени по индивидуальным для каждой панели калибровочным кривым, зашитым в схему управления модулем.
Размер платы, на которой размещаются вторичный источник питания, генератор аналоговых управляющих сигналов и цифровые устройства, составляет 190х190 мм. Одноплатная схема управления выполнена на зарубежной элементной базе с использованием монтируемых на поверхность компонентов и перепрограммируемых БИС фирмы Xilinx. Команды управления изображением вырабатывает контроллер верхнего уровня, представляющий собой съемную плату ПК и обеспечивающий передачу программно генерируемых компьютером данных по шине PCI-стандарта. Контроллер имеет разъем для подключения к специально разработанной плате интерфейса, обеспечивающей оцифровку выходного сигнала видеоадаптера ПК, а также отображение телевизионного или видеосигнала в стандартах PAL, SECAM или NTSC. Благодаря этому экран может воспроизводить генерируемую компьютером картинку, телевизионное изображение или компьютерное изображение в RGB-формате. В последнем случае не требуется специального программного обеспечения, что, с точки зрения пользователя, обеспечивает полную “прозрачность” работы системы.
Внешняя система управления соединена с модулем двумя разъемами: один предназначен для подачи первичного стабилизированного напряжения 185 В, второй (модульный телефонный) — для дуплексного обмена данными с контроллером верхнего уровня по витой паре длиной до 10 м на частоте 10 МГц. Поскольку экран может быть составлен более чем из 100 модулей и радиальный способ управления по индивидуальным витым парам не всегда рационален, предусмотрена возможность выполнения канала передачи цифровых данных от контроллера верхнего уровня к модулю с помощью оптоволоконной линии связи со скоростью пропускания 4 Гбит/с. В этом случае конструкцию модуля дополняют устройствами демультиплексирования.
Благодаря усовершенствованию ГИП и разработке сложных алгоритма и схемы управления удалось увеличить величину импульсного тока газового разряда и тем самым значительно повысить светоотдачу. В результате образовался существенный (50%) запас по яркости, а число отображаемых градаций яркости и оттенков стало вполне достаточным для воспроизведения полноцветного телевизионного изображения. Яркость нового экрана достигает 600 кд/м2, тогда как в нормальных условиях работы достаточна яркость в 300 кд/м2. Для сравнения: яркость ГИП постоянного тока с аналогичным размером пиксела — 80 кд/м2, обычного экрана телевизора или монитора — около 120 кд/м2. Нет никаких препятствий для создания ГИП с пикселами больших размеров и большей яркостью. Благодаря модульности конструкции размеры экрана практически не ограничены.
Экран воспроизводит полноцветные телевизионные или компьютерные изображения с 64 градациями каждого из основных цветов (полное число оттенков – 262144) при частоте кадров 60 Гц. Это позволяет рассматривать его именно как экран, а не обычное табло. Конструктивные особенности ГИП переменного тока обусловливают другое важное достоинство экрана — его высокую надежность. Долговечность таких панелей составляет несколько десятков тысяч часов против 10 тыс. для панелей постоянного тока. Благодаря невысокому энергопотреблению (в среднем не более 40 Вт на модуль), а также самой конструкции экрана он может работать при комнатной температуре без принудительного охлаждения, при этом надежность системы не снижается.
Экран на основе ГИП переменного тока — цифровое устройство, поэтому в нем не нужно регулировать размер изображения, как в большинстве других проекционных систем коллективного пользования. Нет нужды и в сведении цвета, обеспечении его чистоты и однородности освещения по полю изображения. Параметры изображения стабильны во времени и меняются только в результате старения люминофоров.
Упрощенно, ГИП представляют собой сборку из двух склеенных стекол толщиной 5 мм каждое, промежуток между которыми заполнен смесью инертных газов при давлении, близком к атмосферному. Собранные из них конструкции очень прочны. В разобранном виде такие экраны можно перевозить любым видом транспорта без дополнительных предосторожностей и быстро монтировать на новом месте. Как уже говорилось, никакой специальной регулировки экрана при этом не потребуется.
Важное достоинство нового экрана — защищенность отображаемой информации от несанкционированного считывания. В традиционных экранах с растровой разверткой, работающих при высоких напряжениях, для обеспечения скрытности воспроизводимой информации приходится применять специальные меры противодействия радиоэлектронной разведке. Экран на ГИП переменного тока практически ничего не излучает, поскольку рабочее напряжение не превышает 200 В. К тому же алгоритм управления его работой не предусматривает растровой развертки. Благодаря этому отображаемая на экране информация недоступна даже для самых современных радиоэлектронных средств, а не в меру любопытным придется удовлетвориться разве что данными о средней яркости его свечения за кадр.
Фрагмент экрана размером 1,0х0,8 м с информационной емкостью 320х256 пикселов (базовый размер полноформатного экрана — 2,4х1,8 м, информационная емкость – 768х576 пикселов) демонстрировался на выставках “Евромонитор’98” и ‘99, “ЭкспоЭлектроника’98” и “Образование’98”, региональной выставке Юга России и на ряде специализированных выставок. По мнению разработчиков, уже сегодня можно легко освоить его мелкосерийное производство. Следует подчеркнуть, что зарубежные фирмы в основном работают над созданием панелей переменного тока для плоских телевизоров и наборные системы не выпускают.