Procesamiento de la señal de video en los receptores de televisión de pantalla plana

Introducción

La radiodifusión televisiva constituye el principal medio de comunicación masiva. A través de la señal audiovisual los usuarios reciben información de diversos tipos, ya sea técnica, informativa o de entretenimiento. Su importancia es tal que casi no existen hogares que no dispongan de un receptor de televisión, ya sea en su versión analógica, digital o híbrida. (Codoni et al., 2015)

Desde finales del pasado siglo la introducción de la televisión digital y el formato de pantalla utilizado en los receptores han ido revolucionando la manera en la que se realiza el procesamiento de la señal video. El desarrollo de pantallas planas del tipo LCD, LED y Plasma exige que la forma de presentar el video sea completamente diferente a la que existía hasta el momento. Ya no existe el TRC, por tanto, desaparecen el yugo de deflexión y el transformador de alto voltaje, conocido por los técnicos como el flyback.

Los receptores de pantalla plana demandan otro tipo de procesamiento de la señal de video, ahora todo cambia manteniendo siempre como premisa que la sincronización tiene que ser mantenida. La ausencia de yugo de deflexión y transformador de alto voltaje y por tanto la exploración de una pantalla completamente plana obligan a que se realice otro tipo de procesamiento que incluirá circuitos que no estaban presentes en los receptores del tipo TRC.

En Cuba se ensamblan actualmente dos tipos de receptores de pantalla plana.(Cabrera Álvarez and Fernández Bezanilla, 2015) Están actualmente a disposición de la población en las tiendas recaudadoras de divisas, el modelo ATEC-Haier modelo LM2SA V1.0 y el Konka.(Cabrera Álvarez et al., 2015) (Shanghai Kitking Electronic Co., 2015).[1] Conjuntamente se venden desde el pasado año cajas decodificadores de diversos modelos que utilizan la norma china DTMB adoptada en nuestro país.(Capote Albernas and Fumero Valdés, 2013) (Guillén Nieto and Acosta Cintado, 2015)

En este contexto la presente investigación científica tiene como objetivos planteados los siguientes:

Objetivo General:

Analizar el procesamiento de la señal de video en los receptores de televisión de pantalla plana.

DESARROLLO

Pantallas planas: LCD, LED y plasma

El procesamiento de la señal de video obedece a la estructura de la pantalla donde se va a presentar la información visual. Actualmente existen tres tipos básicos de pantallas planas utilizadas en los receptores de televisión: las del tipo LCD, LED y Plasma. En los tres casos, independientemente del principio de operación la estructura de las pantallas es del tipo matricial, es decir, análogamente a las pantallas del tipo TRC aquí hay también luminóforos que reciben el nombre de pixel, cada uno de los cuales contiene tres subpixeles correspondientes a los colores rojo, azul y verde. ("Introducción a la Televisión LCD-Plasma," 2015) Para comprender bien este concepto vamos a tomar como referencia una pantalla del tipo LCD activa por ser la de uso más extendido en el mercado, atendiendo a su durabilidad.

La pantalla de cristal líquido (LCD) se clasifica dentro del conjunto de pantallas que no emiten luz propia. Para que el usuario pueda percibir la imagen es necesario el empleo de una fuente de luz ubicada en la parte posterior del panel de cristal líquido. Para la retroiluminación generalmente son empleadas lámparas fluorescentes de cátodo frío ó CCFL, por sus siglas en inglés, ubicadas en las partes inferior, superior o lateral de la pantalla y en modelos más avanzados se emplean LEDs equiespaciados a lo largo y ancho de la pantalla.

Cualquiera que sea la variante a emplear ambas se auxilian de difusores y reflectores ópticos para lograr una iluminación homogénea.

La imposibilidad de generar luz del LCD tiene como limitante fundamental que se ve afectado el ángulo de visión cuando el televidente se encuentra desplazado respecto a la parte frontal de la pantalla un ángulo mayor de 60 grados, inconveniente que será más inteligible a medida que se avance en el estudio del principio de funcionamiento de esta tecnología.(Gutiérrez González, Rodolfo, 2015)

Composición de una pantalla de cristal líquido (LCD).

Existen varias formas de diseñar una pantalla del tipo LCD. Generalmente estas tienen seis elementos fundamentales las cuales son: Tubos Fluorescentes de Cátodo frío o Leds ambos con reflector en la parte posterior, un difusor, polarizador trasero, una lámina cristal trasero el cual contiene un arreglo de controladores de fila y columna, una capa de cristal líquido, un cristal delantero con los filtros de colores primarios y un polarizador delantero.(Águila Pacheco, 2015). La disposición de estos elementos puede observarse en la figura 1 y una breve descripción del funcionamiento de cada uno se presenta a continuación.

Lámparas fluorescentes o LEDs.

La pantalla de cristal líquido por su naturaleza es incapaz de producir luz propia. Por esta razón emplean un elemento dispositivo emisor de luz en su parte trasera. La primera variante empleada en los LCD para generar retroiluminación fue las Lámparas Fluorescentes de Cátodo Frío (CCFL, por sus siglas en inglés). Estos tubos a diferencia de una lámpara fluorescente convencional no requieren un filamento que caliente el gas contenido en su interior, sino que se aplica una diferencia de potencial suficientemente alta como para producir una emisión espontánea de electrones que al precipitarse al electrodo positivo en su trayectoria ocurran choques produciéndose así la ionización del gas contenido dentro de la lámpara. Este gas entra en estado de plasma generando ondas electromagnéticas en el espectro ultravioleta que al impactar en el recubrimiento de fósforo generan luz blanca visible. Requieren de un circuito inversor capaz de generar voltajes alrededor de los 600V, para ello se utilizan técnicas similares a las de los circuitos de alto voltaje de un receptor del tipo TRC aunque en mucha menor escala.("CCFL Backlight|LCDPARTS.net," n.d.)

La segunda variante es el empleo de diodos emisores de luz blanca. Estos tienen un menor consumo energético y proporciona colores más brillantes. En este caso el voltaje que demanda la estructura de leds es inferior, en el intervalo de los 35 a 60V. Su uso es el más difundido actualmente.(Picerno, Alberto, 2008)

Difusor.

Cuando se construye una pantalla LCD las CCFL suelen ubicarse en los laterales de la pantalla. En los casos en que se emplean leds, estos también pueden ser ubicados en cualquiera de los lados que conforman el perímetro de la pantalla o equiespaciados a lo largo y ancho de la misma en forma de matriz. Estas geometrías podrían ocasionar que el espectador perciba algunas zonas de la pantalla más iluminadas y otras más oscuras. Independientemente de la ubicación de la iluminación es necesaria que la luz sea proyectada hacia delante y con la mayor uniformidad posible. Para contrarrestar este inconveniente se emplea el difusor óptico.

El difusor es una lámina de plástico hecha de un material llamado Luxite. Esta tiene propiedades similares a una fibra óptica que permite conducir la luz incidente por todo el material. A la cara frontal del plástico se le practica una alta granulosidad, que al incidir la luz sobre uno de estos pequeños "granos" proyecta la luz hacia el frente. En la parte trasera se coloca una lámina de papel metalizado impidiendo así que la luz escape del plástico rígido. (Picerno, Alberto, 2008).

1.1.3 Láminas polarizadoras.

Polarizador trasero:

La luz existente en el panel LCD es luz blanca por lo cual emite componentes en todas direcciones. Sin embargo, para controlarla es necesario lograr que esta tome una polarización específica que puede ser horizontal o vertical. El polarizador trasero por tanto tiene la función de dejar pasar solamente las componentes de luz con la polarización predeterminada por el fabricante. Esto evidentemente trae consigo una pérdida en la intensidad de la luz, que supera en todos los casos el 50%.

Polarizador Delantero:

Al igual que su homónimo, el polarizador delantero tiene la función de dejar pasar solamente la componente de luz que tiene la polarización predeterminada por el fabricante. La polarización se toma perpendicular a la del polarizador trasero.("Displays de Cristal Líquido," 2006)

1.1.4 Conformación de los pixeles.

Intuitivamente se puede pensar que si contamos con dos polarizadores con polaridades perpendiculares sería imposible que la luz fluyera hacia la parte frontal de la pantalla. Aquí es donde entran en escena las capas contenidas entre ambos polarizadores y que expondremos a continuación.

Placa de vidrio trasera. Electrodos de descarga.

Sobre la placa trasera de vidrio se despliegan una serie de filas o columnas de material conductor. Este material funciona como electrodo de descarga. A estos electrodos van conectados los circuitos controladores de fila y de columna que son placas electrónicas exteriores a las capas del panel y conectados a este a través de cintas flex. Sobre ellos se adhiere una capa aislante.("Composición de la Pantalla LCD," n.d.)

Capa de cristal líquido.

La expresión cristal líquido suena contradictoria, dado que lo que define que una sustancia sea líquida es la capacidad de sus moléculas de adaptarse al recipiente que la contiene y cuando observamos un cristal en la vida real tiene una forma definida. El cristal líquido es una sustancia que reúne propiedades de los elementos sólidos y líquidos, sin embargo, es una sustancia que físicamente sus moléculas ocupan una posición fija, pero son muy sensibles bajo ciertas circunstancias, como puede ser la aplicación de un campo eléctrico, a cambiar la orientación de su eje mayor, caso en el cual toman la dirección de las líneas de campo eléctrico aplicado y la sustancia se comporta más como un cristal.

Ante la ausencia de un campo eléctrico en la sustancia predominan las propiedades de un líquido como la fluidez, y sus moléculas se alinean paralelamente unas con respecto a las otras.

Estudios científicos demostraron que haciendo incidir luz polarizada sobre una capa de cristal líquido se puede lograr rotar la polarización incidente en un número de grados dependiente del grado de rotación que presenten las moléculas de cristal líquido. Estas ventajas son aprovechadas para controlar la cantidad de luz que debe pasar a través del panel LCD.(Salgado, n.d.)

Placa de cristal delantero. Electrodo de cebado y filtro de color.

La placa de cristal delantero contiene los electrodos de cebado, los cuales también están conectados a una lógica electrónica responsable de activarlos y desactivarlos en el momento preciso. Los electrodos están protegidos por una capa dieléctrica que los envuelve. Los electrodos de cebado y los de descarga son los encargados de proporcionar el campo eléctrico requerido para controlar la orientación de las moléculas de cristal líquido.

En la extensión de la dimensión de la pantalla del receptor LCD formando pequeñas filas y entre los electrodos de descarga y cebado se encuentran también los filtros de color. La función de esto es dejar pasar solamente la luz con longitudes de onda correspondiente a las componentes de los colores rojo (620–750 nm), verde (495–570 nm) y azul (450–495 nm); abreviados como RGB por sus siglas en inglés. Los diminutos fragmentos de rojo, verde o azul forman los sub-pixeles y la combinación de estos tres forman un pixel. (Picerno, Alberto, 2008)

Tecnología tornado nemático.

Una de las fases de los cristales líquidos es la fase nemática, en la cual las moléculas de cristal no presentan una posición ordenada como en los sólidos; sin embargo, tienden a alinearse, organizándose de modo que sus ejes longitudinales permanezcan más o menos paralelos. Las moléculas del cristal tienen la libertad fluir libremente, pero manteniendo su orden direccional. La incidencia directa de un campo eléctrico o magnético sobre el cristal líquido de tipo nemático puede re-direccionar el eje y orientación de sus moléculas, de ahí que sean muy útiles en el diseño de pantallas LCD. (Mora González, 2002)

Una pantalla LCD que implementa la técnica tornado nemático (Twisted Nematic), tiene dos capas de vidrio y cercanas a estas se depositan electrodos formando un matriz. Ambas capas de vidrio son rellenadas con cristal líquido. A los electrodos se les aplica un campo eléctrico de modo que las moléculas de cristal líquido apiladas forman una estructura en forma de espiral, donde el ángulo formado entre la molécula más cercana al cristal inferior está rotada 90 grados con respecto a la más cercana al cristal superior. Cuando incide luz polarizada por una cara del cristal esta sale por el otro lado, pero con polarización rotada 90 grados, aunque el ángulo de rotación está en dependencia del campo aplicado.("Displays de Cristal Líquido," 2006)

Ahora supongamos que tenemos una fuente de luz blanca, seguidamente un filtro polarizador que solamente permite el paso de la componente vertical. A continuación, colocamos el cristal líquido con los electrodos correspondientes y exterior a estas capas un filtro con polarización horizontal. El cristal líquido entonces es encargado de rotar la luz que incide por una cara del conjunto para que esta sea capaz de atravesar también el segundo filtro. En caso de que la luz que atravesó el primer filtro no sea rotada, al llegar al segundo filtro esta no pasará. Pueden obtenerse ángulos de rotación intermedio para lograr niveles de iluminación comprendidos entre un máximo y un mínimo. Así puede ser controlada la intensidad de luminosidad de un panel de cristal líquido.(Sang Soo, 2001)

Tecnologías de matriz activa.

Las actuales pantallas LCD emplean una estructura de matriz activa, la cual les confiere una mayor eficiencia y permite además la implementación de mejores niveles de calidad en la imagen. El empleo de matrices activas permite erradicar las desventajas presentes en las viejas matrices pasivas, que aún son empleadas en dispositivos electrónicos con requerimientos de calidad menos ambiciosos como calculadoras y relojes digitales.("Principio de funcionamiento de las pantallas de cristal líquido," 2009)

Como se expuso anteriormente dentro del cristal líquido se tienen electrodos dispuestos en filas y columnas. El hecho de que un pixel en una pantalla LCD se muestre transparente (encendido) u opaco (apagado) depende del potencial aplicado a la fila y la columna dentro de la matriz implícita en el panel, en cuya intersección actúa el campo eléctrico que modifica la orientación de las moléculas de cristal líquido.

En la celda donde se interceptan dichas fila y columna se produce un campo eléctrico que idealmente debería ejercer influencia sobre el área correspondiente a un único pixel, pero dado que el campo eléctrico produce también líneas no perpendiculares, los pixeles adyacentes puede verse afectados por estas líneas no deseadas, las cuales modifican la orientación de las moléculas de cristal líquido de pixeles que deberían mantenerse en reposo.

La influencia en los pixeles adyacentes de las líneas no perpendiculares del campo eléctrico produce variaciones en las celdas circundantes que se manifiestan como pixeles difusos.

Los arreglos activos incluyen un dispositivo electrónico conocido como Transistor de Película Plana (Thin Film Transistor), que es un transistor de efecto de campo construido por el depósito de finas películas de un semiconductor activo, una capa de material dieléctrico y contactos metálicos sobre un sustrato de soporte. A diferencia de los arreglos pasivos, en los cuales la fuente aplicaba tensión a todos los elementos de una fila y de una columna, siendo la intersección de estos donde el campo eléctrico era más fuerte; ahora con el empleo de TFT solamente es alimentada el segmento de área correspondiente al pixel y no una fila o columna completas, posibilitando esto que los píxeles adyacentes no se energicen y por tanto mantienen su estado de reposo. ("Pantalla TFT, características y capacidades .: www.informaticamoderna.com?::.," 2015).

La activación/desactivación del pixel depende de si su correspondiente transistor se encuentra en estado de corte o saturación (si conduce o no conduce). Producto de que no es viable disponer de una conexión para cada uno de los millones de elementos contenidos en una pantalla se mantiene la idea de la alimentación a través del empleo de filas y columnas empleadas en matrices pasivas.

Se conecta el terminal de drenador a una fila, el terminal de compuerta a una columna (aunque estos terminales pueden invertirse su conexión) y el terminal de fuente a tierra. Para que un MOSFET conmute de su estado de corte a activo y de esta manera se encienda el pixel que lo contiene, es necesario que exista una tensión en los terminales de compuerta y drenador, lo cual depende de que exista tensión de fuente en la fila y columna justas a la que están conectados estos terminales. La lógica electrónica detrás de este panel se encarga de energizar de forma ordenada, de izquierda a derecha y a arriba hacia abajo, una fila y una columna a la vez, que es lo mismo que encender un pixel a la vez.(Park et al., 2016)

Las ventajas que aporta el uso de arreglos activos son: permiten una mayor intensidad en la iluminación del pixel ya que la energía generada por la fuente de una fila o columna es empleada por solo un elemento y no se comparte entre todos los elementos contenidos en la fila o columna mejorando así la calidad de la imagen.

Los receptores de televisión que emplean un panel de pantalla de plasma o Plasma Display Panel (PDP), como se le conoce por sus siglas en inglés, emplean una matriz de celdas que contienen gases nobles tales como Neón y Xenón, las cuáles son eléctricamente excitadas, llevando el gas contenido en las mismas a estado plasma para producir luz.

La celda de plasma está compuesta por dos placas de vidrio, una frontal y la posterior. Encima de la placa de vidrio posterior se ubican uno o dos electrodos de descargas y un tercer electrodo de control físicamente transparente debido a que la luz generada en la celda debe atravesarlo hacia la pantalla. Los electrodos están cubiertos por una sustancia de óxido de magnesio (MgO) que actúa como dieléctrico.

El encendido de una celda de plasma depende de los niveles voltajes aplicados a cada uno de sus electrodos o más específicamente, de una combinación de potenciales adecuada aplicados a estos. Un revestimiento de fósforo existente en cada celda del PDP define el color de la luz emitida por la celda. (N. Mayer, 1976)

Estos paneles se caracterizan por proporcionar un ángulo de visión máximo y no requieren de polarización. La luminosidad sobre la superficie de la pantalla es uniforme y muestra colores caracterizados por su brillantez, naturalidad y una escala de grises óptima. Los PDP tienen una reflexividad elevada, lo cual constituye un impedimento para su uso en ambientes muy cargados de iluminación.

En las pantallas de plasma al igual que las de los tipos LCD los principios de construcción conllevan a una estructura matricial, es decir, la activación de los pixeles está garantizada por la excitación simultanea de los controladores de filas y columnas. Ahora bien, teniendo en cuenta las características de las estructuras matriciales tendríamos que preguntarnos como habría que procesar la señal de video para que en cada uno de los pixeles sea aplicada una amplitud de señal proporcional al color que se desea presentar.

De la explicación realizada es importante notar un aspecto que debemos tener en cuenta para la correcta presentación de la señal de video en una pantalla plana del tipo LCD y lo constituye el número de líneas en las direcciones vertical y horizontal que deben estar asociadas a la pantalla y el desafío práctico que esto representa, sobretodo el cableado y sus características. Cuando la resolución de receptor es mayor la complejidad del cableado es más exigente y también la dificultad de llegar a una reparación eficaz cuando se presenta una rotura. Este es una de las conclusiones que aparentemente sencillas se derivan de este capítulo, entre otras.

Conclusiones

El presente monográfico permite:

• Se expone con carácter práctico los elementos que componen una pantalla plana, fundamentalmente la del tipo LCD con iluminación LEDs, ilustrando con ejemplos concretos la forma en la que los fabricantes logran lo que la teoría establece.

• Se destacan los elementos de circuito que intervienen en el procesamiento de la señal de video, énfasis en el circuito de acoplamiento con la pantalla, tanto la parte transmisora como receptora de la sección LVDS, incluyendo la denominada tarjeta T-CON y los excitadores que la acompañan, ilustrando con ejemplos prácticos como las diseñan los fabricantes y su ubicación dentro de la pantalla plana.

Recomendaciones

• Divulgar los resultados obtenidos a las instituciones interesadas en el funcionamiento y reparación de receptores de televisión de pantalla plana.

• Profundizar en el estudio y aplicación de los FIRMWARE en el ajuste, reparación y actualización de los receptores de TV teniendo en cuenta que no son de son de fácil acceso, cada fabricante tiene la forma de acceder a ellos y en ocasiones resuelven problemas similares a los que los modos de servicio en los TV actuales realizan, sobre todo después que en alguna reparación se cambia o altera una componente por otra.

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Autor:

Joel Eliezer Ruiz Figueroa

Msc. Hiram del Castillo Sabido

Enviado por:

Daylanis Figueroa Verdecía

Institución: Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas"

2016

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