• Leonardo Ritter

Óptica - Display de plasma


Todos os detalhes sobre o display de Plasma, utilizado muito em TVs e monitores, mas que perdeu mercado para o LCD e LED.

Antes de estudarmos o funcionamento do display, um pouco de história sobre ele.

A tela de Plasma foi desenvolvida em 1964 para os computadores da PLATO Computer System com a parceria da Universidade de Illinois. Os envolvidos neste projeto foram Donald Bitzer, Robert Wilson e H. Gene Slottow. Não vingaram no mercado pois, os semicondutores estavam ficando mais acessíveis e as TVs de tubo transistorizadas ganharam mercado por serem mais baratas. Em 1997, a Fujitsu lançou uma TV de plasma por cerca de 15 mil dólares e a tecnologia voltou a ser estudada para só no começo deste século começar a ganhar mercado e substituir os televisores de tubo.

Foi uma tecnologia que teve uma fama reduzida pois, os monitores e televisores LCD apresentaram uma qualidade melhor em questões como espessura, peso e consumo do aparelho.

Assim como no display LCD e AMOLED / PMOLED, há uma matriz de pixels e cada pixel com três subpixels no sistema de cores RGB (Red / Green / Blue - Vermelho / Verde / Azul). Diferente dos outros tipos de displays, o display de plasma usa a mesma ideia de lâmpadas fluorescentes para funcionar. Como assim? Vou explicar!

Para que uma lâmpada fluorescente emita luz, é necessário que haja um gás inerte que irá conduzir ao ser polarizado, gerando assim raios ultravioletas que entrarão em contato com o elemento químico fósforo depositado na parte interna da cápsula de vidro da lâmpada. O fósforo, ao receber raios ultravioleta (ou descargas elétricas, como no caso do CRT), emite fótons de luz no espectro visível, isto é, na faixa de frequências sensíveis a visão humana.

Gás e Plasma

O gás, como dito acima, passa a conduzir ao ser polarizado. Mas como que um gás pode conduzir elétrons? Primeiro vamos dissertar sobre o plasma:

A matéria possui três estados de conservação: o líquido, sólido e gasoso. Não, pera! tem mais um, o Plasma é considerado o quarto estado da matéria! Quando aplicado uma diferença de potencial bastante alta em um gás, a força que mantém os elétrons na órbita dos átomos é superada e, os elétrons começam a se soltar, formando assim, íons positivos e, desta forma, o gás passa a ser um grande concentrador de energia e também um grande condutor.

O plasma e o gás não são idênticos. O plasma conduz elétrons melhor que o cobre, pode interagir com campos elétricos (DDP) e eletromagnéticos além de, fluir como um líquido bastante viscoso, diferente do gás, que não conduz energia. Mesmo assim, eles possuem características em comum, como por exemplo, capacidade de fluir e baixa densidade.

Íons

Um átomo é eletricamente neutro pois, ele possui a mesma quantidade de prótons, que são positivos e de elétrons, que são negativos. Quando um átomo perde ou ganha elétrons, ele passa a ser um íon, isto é, um átomo que possui quantidade de elétrons e prótons diferentes. Caso o átomo tenha ganhado elétrons, ele será chamado de "ânion" e caso tenha perdido elétrons, será chamado de "cátion".

Um gás é eletricamente neutro pois, seus átomos possuem a mesma quantidade de prótons e de elétrons. O que faz o gás conduzir são as condições descritas no próximo parágrafo. Veja:

Para um gás conduzir, ele precisa estar entre dois eletrodos (ânodo e cátodo) e a uma determinada pressão, que é medida em atm (atmosfera). A distância entre os eletrodos, a diferença de potencial aplicada e a pressão do gás vão definir se ele irá conduzir elétrons ou não. Por exemplo, não irá adiantar colocar dois eletrodos a 2 metros de distância um do outro, aplicando-se uma tensão de 50 volts e uma pressão extremamente baixa. Tudo deve ser muito bem calculado para que, a pressão, a tensão e a distância sejam perfeitas para o determinado elemento químico em estado gasoso conduzir elétrons. Veja o esboço de um dispositivo fluorescente abaixo:

Mas o como que a condução de elétrons é feita? Simples!

Como foi descrito o plasma, ao ser aplicado uma determinada diferença de potencial (se há DDP, há corrente elétrica nos eletrodos), elétrons serão arrancados dos átomos, formando assim íons positivos que serão atraídos para o cátodo (polo positivo). Esta atração fará com que aumente a energia cinética dos cátions. Durante o percurso até o cátodo, eles também podem se chocar com átomos eletricamente neutros, fazendo com que estes átomos percam elétrons e se tornem íons positivos também. Os elétrons soltos são atraídos para o ânodo (polo negativo).

Este processo contínua acontecendo enquanto houver DDP: átomos se transformando em cátions, que são atraídos para o polo positivo e que podem se chocar com átomos durante e percurso, fazendo com que estes também percam elétrons. Estes elétrons são atraídos para o polo negativo e, assim é gerada a corrente elétrica.

Raios Ultravioleta

Quando a tensão aplicada é cortada, os átomos voltam a ficar neutros (os elétrons voltam aos seus lugares) e a energia excedente deste processo de transformação do gás em plasma é liberada em forma de ondas eletromagnéticas com frequências muito altas. Estas frequências são do espectro de raios ultravioleta (UV). Caso você tenha lido o primeiro artigo sobre óptica, se lembra que raios ultravioleta estão abaixo da faixa de 390 nm, numa frequência a partir de 7,69 TeraHertz.

Raios ultravioleta não fazem bem para o nosso organismo. Um bom exemplo é o Sol, que também emite raios UV e a exposição a ele em excesso provoca câncer de pele. Mas então estamos desprotegidos ao ter uma TV de plasma ou uma lâmpada fluorescente em casa? Não! Continue lendo!

O Fósforo

Os raios UV provenientes do plasma não chegam até nós pois, eles se chocam com a camada de fósforo presente na superfície interna da cápsula de vidro da lâmpada e, no caso das TVs de plasma, também há películas RGB feitas a base de fósforo para que as cores sejam criadas no display.

Quando aplicado uma corrente elétrica ou um campo eletromagnético muito alto sobre o fósforo, ele absorve a energia e a descarrega em forma de fótons de luz dentro do espectro visível. Este fenômeno é chamado de fluorescência. Você entenderá melhor quando ler o artigo sobre o funcionamento da lâmpada fluorescente.

Leia o terceiro capítulo da série sobre óptica no Hardware Central para entender as pequenas diferenças entre fosforescência e fluorescência, dois fenômenos da luminescência.

A matriz de pixels

Mas se os raios ultravioleta são gerados apenas quando se corta a diferença de potencial, como que as lâmpadas fluorescentes e TVs de plasma ficam emitindo luz enquanto estão ligadas? a resposta está abaixo.

Assim como nos televisores e monitores CRT, há uma matriz de pixels com uma camada de fósforo nas cores vermelho, verde e azul (sistema RGB). Cada pixel da tela possui estas três cores, ou seja, cada pixel é subdividido em três subpixels.

Veja a imagem abaixo:

Imagem do pixel RGB presente nos displays de Plasma

No display de plasma, cada subpixel é como se fosse uma micro lâmpada fluorescente em que é aplicado pulsos elétricos em duas DDPs: nos eletrodos "Y" e "Z" em torno de 200 Volts, ionizando o gás, e no eletrodo "X" de 0 a 80 Volts, dando o tom de cor e o contraste do subpixel. Quando os pulsos são aplicados, os elétrons se soltam e íons positivos são formados. Quando a tensão acaba, os elétrons voltam aos seus lugares nos átomos e a energia excedente deste processo é liberada em forma de raios UV. O gás utilizado nestes displays é uma mistura de Xenônio (Xe) e Neônio (Ne).

Nas lâmpadas fluorescentes é aplicado uma tensão também pulsante e bastante alta para que haja o mesmo efeito, só que utilizando o gás Argônio (Ar) com vapor de mercúrio (Hg).

A distribuição de energia em cada subpixel é feita por dois eletrodos (Z e Y). Estes dois eletrodos fazem a ionização do gás. Quem faz a modulação do tom de cor e contraste de cada subpixel para cada frame são colunas de eletrodos (X) responsáveis por distribuir os pulsos de sinais RGB.

Dependendo da sequencia de pulsos aplicados em cada subpixel, uma determinada quantidade de energia excedente será liberada em forma de raios UV. No subpixel verde, um tom de verde é gerado, No subpixel vermelho, um tom de vermelho é gerado. No subpixel azul, um tom de azul é gerado. A combinação destas três cores em tons diferentes gera milhões de outras cores. Resumidamente, dependendo da quantidade de pulsos aplicados em cada subpixel, a intensidade do raio UV liberado em cada subpixel varia e a cor do pixel muda.

Imagem ilustrativa de um display de plasma desmontado

Você está vendo as placas "Z SUS", "Placa X" e "Y SUS"? Elas são conhecidas como "circuito de trama" da TV.

A placa "Z SUS", ou simplesmente placa Z, gera pulsos em torno de 200 Volts. A placa Y SUS", ou simplesmente placa Y, também gera tensões na faixa de 200 Volts. Quando o pulso proveniente da placa "Z SUS" é 0 Volt, o pulso proveniente da placa "Y SUS" é 200 Volts. Quando o pulso proveniente da placa "Z SUS" é 200 Volt, o pulso proveniente da placa "Y SUS" é 0 Volts. Percebeu que as duas trabalham de forma alternada?

Enquanto uma placa está liberando 200 V a outra está em 0 então, há diferença de potencial nessa alternância de tensões entre as duas, portanto os elétrons fluem.

Os pulsos da placa Y e da placa Z em sincronismo

A placa Y possui mais potência e alimenta cada linha de subpixels de forma individual, já a placa Z alimenta todas as linhas de subpixels de uma vez só. A placa Y, quando vai iniciar a atualização da linha, larga primeiramente um pulso para sinalizar o início da varredura. Este pulso é uma tensão de aproximadamente -180 volts. Peço que analise bem este texto e o diagrama acima para entender tudo da melhor forma possível.

Mas e a "Placa X", faz o que? É a "Placa X" a responsável pelo tom de cor de cada subpixel e o contraste da tela. Para cada frame exibido, deverá haver um tom de cor em cada subpixel do display então, é aplicado uma tensão pulsante (os famosos sinais RGB, sequencias de pulsos elétricos que geram as cores na tela) que pode ser regulada entre 0 e 80 Volts (os limites desta tensão podem variar de acordo com o modelo da TV) em todas as colunas, pixel a pixel, para que o gás de cada subpixel tenha uma certa ionização além da ionização feita através das placas Y e Z, gerando um determinado brilho, um determinado nível de cor.

Esta placa, assim como a placa Y e a Z, é ligada ao display por vários cabos flat. Nestes cabos estão os CI's driver que vão controlar o envio de sinais para os subpixels. Por estes CI's estarem no flat cable, eles são chamados de CoF, sigla para "Chip on Film". Estes CI's também podem estar soldados diretamente na placa X.

Vou citar um exemplo: um display de plasma que tenha uma resolução de 1920 x 1080 pixels (resolução Full HD). O subpixel verde, vermelho e azul estão um ao lado do outro, portanto com 1920 colunas de pixels, dará 5760 trilhas que distribuem os pulsos para modular a cor e contraste (3 colunas para cada pixel). São 1080 linhas de subpixels, portanto 2160 trilhas (dois eletrodos em cada linha) são responsáveis por distribuírem as descargas elétricas nos subpixels e gerarem a ionização da mistura de gases.

O ascendimento dos subpixels é individual, ou seja, uma sequência de pulsos elétricos é aplicada em cada pixel (através da placa X) e da mesma forma que os monitores tubo: intercalada, isto é, primeiro as linhas de pixel ímpares e depois as linhas pares para que então um quadro esteja completo. Monitores de plasma podem exibir no mínimo 60 quadros a cada segundo. A atualização também pode ser progressiva, isto é, começa na linha 1 e vai até a última para formar um frame.

Quando a varredura de uma linha termina, um sinal de reset é aplicado. Dois pulsos são largados em sequência: um pulso crescente que começa em 0 V e vai até 200 Volts (chamam este pulso de setup) e um outro pulso de decrescente que começa em 0 V e vai a -180 Volts (chamam este pulso de setdown) são largados nos subpixels para "limpar" os resquícios de energia e garantir que no frame seguinte não haverá distorções. Estes dois pulsos são gerados pela placa controladora (que será detalhada mais abaixo) e amplificados pela placa "Y SUS" para então serem jogados nos subpixels.

Imagem do sinal de reset da placa Y

A placa controladora também gera o reset para a placa Z, isto é, gera um pulso que será amplificado pela placa Z para limpar resquícios de energia em cada linha. Este pulso já amplificado começa em 0 V e vai a 200 Volts, permanece alguns instantes em 200 V e cai para 0 V, lembrando que, os pulsos de reset da placa Y e Z em cada linha são dados em sincronismo.

Imagem do sinal de reset Z

Imagem do sinal de reset Y e Z em sincronismo

O resquícios de energia voltam para o circuito e são reutilizados. Para que esse reuso aconteça, além dos dois pulsos ao final da atualização de cada linha de subpixels, um circuito de armazenamento e filtragem é adicionado na placa "Z SUS" e "Y SUS" do aparelho.

Lembre que, há o sinal de sincronismo para que ocorra a atualização dos pixels numa determinada sequência! Em breve, falaremos das interfaces de vídeo e do sinal de sincronismo para cada padrão de resolução. Aguarde!

Os monitores de plasma são os que mais sofrem com o efeito burn in que é quando uma imagem estática é exibida por um longo período de tempo. Quando o aparelho é desligado, uma mancha na tela pode ser visto pois, o fósforo de cada subpixel recebeu a mesma carga por um longo período de tempo, o que fez ele esquentar e demorar a descarregar. Este processo pode fazer com que o subpixel tenha seu fósforo deteriorado com o tempo e possivelmente poderá queimar. Monitores LED e LCD sofrem processos químicos diferentes, por isso que o burn in é menos notável e atualmente extinguido nos aparelhos novos.

O circuito de controle

O diagrama de blocos de uma TV de plasma é mostrado abaixo:

A placa que recebe os sinais pode ter entradas de vídeo composto, vídeo componente, separate vídeo, VGA, DVI e HDMI ou o seletor Varicap para sintonizar canais de TV. É a placa marcada com a sigla "SSB", que significa "Small Signal Board".

Por uma interface LVDS (Low Voltage Differential Signal), os dados são transmitidos para a placa CONTROLADORA que possui um DSP (Digital Signal Processor). Os dados são processados e o resultante deste processamento, isto é, os sinais de endereço e pulsos e reset são enviados para a placa Y, os pulsos e o reset para a placa Z e os sinais RGB para a placa X. Como você pode ver, a placa controladora coordena o funcionamento das placas de trama. Quem gera a sequência de pulsos que serão largados em cada subpixel é a placa de controle! A placa X, a Y e a placa Z apenas amplificam estes pulsos para fazerem a descarga necessária nos subpixels.

Como foi dito, a placa X distribui sinais nas colunas de subpixels e a placa Y e Z distribui sinais nas linhas.

É valido lembrar que, a ligação entre a placa X, Y, Z e a placa de controle pode ser feita por dois ou três cabos com interface especial para enviar a sequência de pulsos, o pulso de endereço e o reset.

A fonte de alimentação fornece as tensões necessárias para o funcionamento de cada placa da TV de plasma.

Considerações

O display de plasma é construído a partir da chapa de vidro inferior, onde a camada as trilhas (eletrodos positivos) são adicionadas, as cavidades (subpixels) são construídos, os gases são depositados dentro, o revestimento de filtros de fósforo RGB é adicionado e lacrados com a camada superior de trilhas (eletrodos negativos) e a placa de vidro superior. Nas telas de plasma, podem ser adicionados filtros extras sobre a camada dianteira de vidro para melhorar o contraste e o brilho da tela.

Displays de plasma possuem um ângulo de visão próximo ao da TV tubo, resoluções Full HD ou inferiores, contraste excelente e tamanhos a partir de 32 polegadas. Perderam muito mercado pois, o consumo de energia, a espessura e o peso do aparelho são relativamente maiores que o das TVs LCD e AMOLED. O mesmo aconteceu com as lâmpadas fluorescentes, que perderam muito espaço para as de LED.

Ao contrário do que falam, displays de plasma não possuem riscos de vazamento e os materiais utilizados não são extremamente prejudiciais a nossa saúde mas, não é por isso que devemos descarta-los em qualquer lugar pois, poluem a natureza. Para lâmpadas fluorescentes que utilizam vapor de mercúrio (elemento extremamente tóxico), deve-se ter o máximo de cuidado ao manusear e ao descarta-las.

Neste artigo, expliquei o funcionamento da TV de Plasma e suas semelhanças com a lâmpada fluorescente. Ainda nesta série sobre óptica, será detalhado o funcionamento da lâmpada fluorescente para que você a entenda melhor pois, nestes dispositivos há algumas peculiaridades!

Em artigos futuros também vamos estudar as placas da TV de Plasma e de outros equipamentos! Fique sempre atento na nossa página do Facebook!

É um pouco complicado mas, se você se concentrar e entender o texto, vai descobrir como funciona uma TV de plasma e as lâmpadas fluorescentes. Se você notar a falta de alguma coisa neste texto, sinta-se a vontade para deixar suas palavras nos comentários ou envia-las para hardwarecentrallr@gmail.com

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FONTES e CRÉDITOS

Imagens e texto: Leonardo Ritter

Fontes: TecMundo; Como Funciona?; Brasil Escola; Mundo Educação; e-física; Mundo Vestibular; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!); Burgos Eletrônica.


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