等离子屏放电单元（子像素）的放电发光控制原理

一、放电单元（子像素）的构造

在CRT显示屏上，产生像素的亮点；是由图像信号通过CRT的阴极控制电子束轰击屏荧光粉而产生的；最终在扫描的作用下组成图像。等离子屏产生像素的亮点；是由图像信号通过对等离子屏放电单元的地址电极（D）；控制放电单元的放电激发放电单元内部的荧光粉发光；产生亮度像素点；最终；众多的有一定亮度的像素点在矩阵电路排列下组成图像。

CRT屏和等离子屏虽然都是由图像信号控制荧光粉发光组成图像，但是荧光粉产生亮点的方式、原理；却截然不同。图1是一个基色像素（子像素）三电极交流等离子放电管断面结构图。

图1是等离子屏的断面图，图中标注“射出光线”部分是屏幕正面，下面的两个“隔离墙”之间是一个单色放电体内部放电腔体，腔体内部充有一定压力的混合惰性气体；腔体的下部涂敷有荧光粉（图中显示是绿色放电腔体的结构），上部有“X电极”和“Y电极”，下部是“地址电极”，电极的表面涂敷一层绝缘的电解质层（黑色边线）。“X电极”和“Y电极”施加维持放电电压（波形是交流方波，幅度略低于触发电压幅度；使X、Y电极间处于临界放电状态）；“地址电极”施加控制放电脉冲（控制放电脉冲就是经过处理的图像信号，这个信号通过地址电极；引燃处于临界状态的X、Y电极间的惰性气体产生放电）；在电场的作用下；腔体内部气体电离产生放电；放电产生大量的波长为147nm（纳米）的紫外线；紫外线射向腔体下部的荧光粉；荧光粉在紫外线的激发下发光；光线由屏正面射出（正面的玻璃也是防止紫外线伤人的防护层）。和CRT显像管一样；一个像素的是由红、绿、蓝（R、G、B）三个发光的单色发光体组成，这个单色的发光体称为：“子像素”，图1所示；就是一个绿色子像素的组成结构，它的两边是蓝色和红色子像素的放电腔体。

图2是多个R、G、B三基色等离子放电管排列在一起的断面结构图。

上一节谈到组成等离子屏的放电单元——子像素；实际上是一个小小的“日光灯管”更确切来说是一个：“冷阴极日光灯管”（现在液晶屏的背光管也是冷阴极日光灯管只不过大罢了），要使这个只有像素点大小的“冷阴极日光灯管”要在图像信号的控制下；产生相应明暗变化的亮度，是极其困难的。要解决许多原理上、技术上复杂的问题。在今天实现了；这是科学技术、电子技术发展的结晶。

二、气体放电器件作为等离子像素显示要解决的问题

等离子屏上的一个小小的作为像素发光的“冷阴极日光灯管”实际上是一个气体放电管，要让它和CRT荧光屏上的像素点一样发光；并受控于图像信号产生明暗亮度的变化；要解决如下几个问题：
1、低压触发放电；现在的日光灯管及液晶屏的冷阴极背光灯管；都是气体放电器件

；点亮的触发电压都在1000V以上，每个灯管都有一个高压变压器，而作为组成等离子屏的“冷阴极日光灯管”不可能每个像素点；带一个高压变压器，必须解决采用低压（小于100V，无需升压装置）触发放电问题（解决方法：腔体内充惰性混合气体降低触发电压）。

2、图像信号控制等离子放电腔体点亮与熄灭：我们用的日光灯及液晶屏的背光灯；在开启接通电源；都不是立即就亮；有一个时间上的滞后；作为像素点的小小“日光灯管”必须随时高速的随图像信号的控制产生相应的点亮与熄灭（解决方法：由地址电极输入图像信号，控制壁垒电荷达到控制放电和熄灭）。

3、灰度的产生及亮度的控制：像素点的亮度对应于图像信号，亮度可以由暗到亮、由亮到暗逐步变化，也就是图像的灰度等级；必须有256个变化级别。但是气体放电器件是一旦放电就产生亮度、放电停止就无亮度，也无法做到改变电压达到控制亮度的目的的，例如把日光灯管接到调压器上；改变调压器的电压；日光灯管的亮度不会随电压的改变而变化（只能有亮和不亮两种状态）。作为像素点发光它必须跟随图像信号的变化；亮度相应变化，虽然困难但是必须要做到（解决方法：采用8子场显示技术达到256级灰度显示）。

详细叙述上述三个问题的解决方法及原理

三、低压触发放电：

一般的日光灯管内部充有氖气及微量的水银，在1000V以上的电压激发下；氖电离放电；致使水银蒸发；变为水银蒸汽共同参与放电；放电产生大量的紫外线激发管壁涂敷的荧光粉发光。等离子像素发光的气体放电器件原理；和日光灯管基本相同；只不过作为像素发光的千千万万个小小的气体放电管；不可能每一个放电管（像素）都配备一个1000多伏特的升压变压器；只能采用降低触发电压（小于100伏特）省去变压器的气体放电管作为像素发光；才能使等离子图像显示成为现实。现在采用放电管内部充混合惰性气体的技术解决了降低触发电压的技术来解决这一难题：把氙气、氦气、氖气按照规定的不同的比例混合，就会产生Penning effect （潘宁效应：混合气体气体被击穿的电位明显低于单纯气体的击穿电位从而极大地降低了启动电压，这一现象就是著名的潘宁效应，潘宁效应决定了混合气具有非常优越的性质，为等离子显示屏的成功奠定了基础。）；从而大大的降低了触发电压；只需直接采用一般开关电源输出的几十伏特至一百伏特电压就可以触发其放电发光。图3所示是单纯充氖气的放电管放电示意图；外加电压需要达到1000V以上才能产生放电。

图4所示；是采用了混合气体（注意图中管内气体）的等离子像素放电管，由于“潘宁效应”电压低至100V以下下；仍然可以正常产生放电。

四、等离子放电腔体的持续放电控制：                                                  

气体放电发光的点亮都有一个滞后的现象；如开启日光灯电源开关；日光灯管不是立即就亮，这样就难以达到采用图像信号直接控制等离子气体放电管的发光随图像信号的变化而迅速变化。现在的实用的等离子屏是采用三电极交流等离子放电管，由图像信号通过地址电极控制壁垒电荷的临界控制的方法来实现图像信号对放电灵敏的控制。等离子放电管结构示意图如图5所示：

1、三电极交流等离子放电管的构造：

图5 是为了方便进行分析；根据图1绘制的等离子放电管腔体放电简图。图中；在等离子放电管（腔体）内部；充有按一定比例混合的氖、氙、氦惰性气体；在两端安装两个放电电极；左边是Y电极；右边是X电极；Y、X电极组成放电维持电极。下面是地址电极 D；地址电极是放电控制电极；其作用类似于CRT的阴极；起到控制放电的作用。在管下部地址电极的两边；涂敷有荧光粉（由三个这样的放电管分别涂敷红、绿、蓝荧光粉组成一个像素显示的三色体）。大家要注意的是：在Y电极、X电极和D电极的表面涂敷有一层电解质层（图中红色表示）；涂敷在全部电极表面；电解质的本身是绝缘的；用以在放电的同时产生的电荷聚集在表面；以形成“壁垒电荷”，控制“壁垒电荷”数量起到维持放电及熄灭放电的作用。
2、维持放电电压的施加：

Y电极和X电极是维持放电的电极；在X、Y电极两端；施加略低于触发电压的交流（方波）电压；使之处于触发的临界状态；图6所示；（在图6的下部画出维持放电脉冲的波形图；波形的上面和下面有“+”“—”两根虚线；虚线之间的距离所示，就是X、Y电极的触发电压，可见维持放电脉冲的幅度略小于X、Y电极的触发电压；）也就是X、Y电极施加的维持放电脉冲最大幅度小于触发电压的幅度，等离子放电管是不会引起放电的。

3、壁垒电荷的产生及对放电的维持作用：

假如；我们暂时用外加电池作为维持放电电压接于X电极和Y电极两端并且此时电池的电压高于触发电压的幅度；如图7所示（Y电极接电池的正极、X电极接电池的负极）；由于电池电压高于触发电压；立即会引发了放电的产生，放电的产生就会引起电荷的移动，负电荷就会由电池的负极经由X电极、放电腔体内部、Y电极流入电池的正极，由于X电极和Y电极的表面涂敷有一层绝缘的电解质层，放电引起的电荷移动无法经过电极经由电池的正负极流通，但是由于电场的引力作用；放电产生的正、负电荷会在电场引力作用下；负电荷会聚集在Y电极的表面；正电荷会聚集在X电极的表面，这个聚集的电荷称为：“壁垒电荷”，如图7的Y电极和X电极表面聚集电荷所示

随着放电的持续；Y电极表面聚集的负电荷越来越多；X电极的表面聚集的正电荷也越来越多；这个Y电极表面聚集的正电荷和X电极表面聚集的负电荷之间也形成了一个电场；而电场的方向是左正、右负；和外加电池的方向是反向关系，图8所示；这个壁垒电荷形成的电场抵消了外电池电场（等于降低了外电池的电压）；使放电减弱；随着放电时间的持续；壁垒电荷越聚集越多；壁垒电荷形成的电场越来越强；放电越来越弱，最终会造成外电池的电压形成的电场在壁垒电荷电场的抵消下；放电停止，图9所示；

壁垒电荷的电压和外加电池电压的等效图，如图10所示；图10中下面红色的电池就表示壁垒电荷的电压和外电池（黑色）和等离子放电管的放电腔体是串联关系，但是壁垒电荷电势和外加电池电压是反方向串联关系（等离子腔体放电电场；等于外电池电压减去壁垒电荷电压，放电电场减弱），随着放电的继续；必然造成腔体内部放电强度的减弱甚至放电停止。

如果在放电刚要减弱时；迅速把外电池的极性反转过来；那么外电池的电压等于和壁垒电荷的电势顺向串联；等效于大大的加强了腔体放电的电场强度（等离子腔体放电电场；等于外电池电压加壁垒电荷电压，放电电场加强），放电将继续持续下去，图11所示（此时降低外加电池的电压，使外加电池电压小于等离子放电腔体的触发电压，这个电压再和壁垒电荷形成的电压叠加下也高于等离子放电腔体的触发电压，放电会继续下去，如图11中所示；外加电池（黑色）比图10中的外加电池（黑色）少了一组）。

当电池极性反转后；放电持续进行；放电腔体内部的负电荷；又由Y电极的表面反方向的向X电极移动，在Y电极表面的负电荷逐步向X电极移动；负电荷又逐步的聚集在X电极表面；正电荷逐步的聚集在Y电极表面，其壁垒电荷形成的电场方向，仍然和外电池的方向相反；图12所示；同上面的道理；随着放电的持续进行；壁垒电荷电压不断上升；仍将逐步减弱放电的强度；此时再把外电池极性反转过来，此时；外电池的电压又等于和壁垒电荷的电势顺向串联；大大的加强了腔体放电的电场强度，只要电池（电池电压低于触发电压）极性不断的反转，放电就可以维持下去。[Page]

把电池换成电压相同的交流方波（等效于自动反转电池电压）；就可以连续不断的持续放电了，图13所示。

通过以上的介绍；就可以容易的理解；在放电开始后只要在Y电极和X电极加上略低于等离子放电腔体放电的方波；放电就可以持续不断的进行；如图13接于X、Y电极的维持放电脉冲的幅度小于触发电压的幅度。

结论：子像素腔体放电的持续的条件是；第一；Y或X电极表面有壁垒电荷存在。第二、X、Y电极外加交流方波；方波的幅度略低于X、Y电极触发电压值，壁垒电荷的极性不断反转和外加方波方向不断反转；放电电场始终是叠加的强电场作用于等离子的放电腔体。

五、等离子放电腔体的触发（点亮）和停止放电（熄灭）的控制

上一节；介绍到了等离子放电管（像素）持续放电的原理；要掌握壁垒电荷产生的原理、过程及维持放电的作用，还要知道X、Y电极所加的电压幅度是略低于放电管腔体触发电压的幅度。作为等离子放电管（像素亮点显示）它的放电是要受到图像信号的控制的；在图像信号亮电平到来放电开始；图像信号全黑电平到来放电停止；这是怎么控制的？

1、等离子屏一个子像素在一个场周期的工作过程：

我们先来分析一下；电视机屏幕图像的特点（以帧屏50周为例）；屏幕上的图像是活动图像，是每秒50幅静止图像连续变换形成的，也就是在等离子的荧光屏上；在20毫秒时间是一副静止图像，也就是等离子屏实际上是每秒产生50幅静止图像；如果简单的以一个2位图像（像素只有“亮”“和”黑两种状态）举例来说明问题；也就是在一个20毫秒场周期内；等离子屏的子像素放电腔体是进行一次20毫秒的持续的放电（在20毫秒内：放电是持续稳定的；产生的光线也是持续稳定的；产生一幅静止的稳定的图像）。到20毫秒结束；放电停止（停止放电后还要清除掉腔体内部的残余壁垒电荷；以防影响下一场周期的正常放电），在下一个场周期又开始一个新的20毫秒时间的放电；出现下一场静止稳定的图像，这样每秒时间内；子像素放电腔体被触发放电50次；有50次的开始放电及50次的停止放电，这里面就出现了两个问题：

问题一、是放电的开始是怎么触发的？也就是加到X、Y电极的交流方波幅度低于触发电压幅度，要有壁垒电荷协助才能开始并持续放电，开始放电的壁垒电荷从那里来的？像素是“亮”；就要有壁垒电荷；促使连续（20毫秒）放电，像素是“黑”就不能有壁垒电荷；就不放电。

问题二、既然在“亮”时；腔体内部持续放电产生亮度；那么20毫秒结束（一幅图像显示时间完毕）；必须熄灭停止放电，并清除残余壁垒电荷，迎接下一场图像的放电开始；那么；放电是怎么停止的？壁垒电荷是如何清除的？

2、腔体怎么开始放电？（问题一的解决）

像素是组成图像的最小单元；在电视机屏幕上也是如此；电视机屏幕的像素的明暗变化是对应于图像信号的；也是受图像信号控制的；作为等离子显示屏的子像素的亮度；也必须对应于相应的图像信号；也就是要受到图像信号的控制，前面已经叙述过；X、Y电极开始放电的条件是：X、Y电极间具有交变方波电压和电极上有壁垒电荷，那么组成等离子屏的放电腔体在一场周期开始放电，就是由图像信号转换的有一定幅度的脉冲波（引燃脉冲）；通过地址电极；首先强迫在地址电极和Y电极之间放电，如图14所示；形成Y电极表面的壁垒电荷的建立，该壁垒电荷也作用于X电极。Y电极表面的壁垒电荷形成后在X、Y电极外加方波的叠加下，使X、Y电极间的电场幅度；超过X、Y电极触发电压幅度，X、Y电极就可以持续不断的维持放电；此像素点的一个场周期就“亮”了。

3、 腔体怎样停止放电？壁垒电荷是如何清除的？（问题二的解决）

放电一场时间结束怎么停止（熄灭）放电？而且停止放电后还必须清除剩余的壁垒电荷；以便有利于下一放电周期的开始。

地址电极的作用是在图像信号的控制下；触发放电产生；放电一旦产生；在壁垒电荷及外加交流方波的作用下就会持续不断的持续下去；这一个像素点就点亮了，当一场周期结束；要让这个亮的像素点熄灭；地址电极就无能为力了。

上面说过等离子屏上的活动图像的产生原理和CRT是相同的；即每秒显示50幅图像（以场频50赫兹，逐行扫描，2级灰度的2位图像显示为例），每一幅图像显示的时间是20毫秒、每一幅都是稳定静止的，在这20毫秒期间；组成图像的像素点的发光状态都是稳定不变的。在时间上，这20毫秒结束；即要转换到下一幅图像时；所有的像素点的放电腔体都要停止放电；各像素点的放电腔体在下一场图像信号的触发下放电（如果是黒电平就不放电）产生对应于下一场图像的亮度，这样在时间上一场一场的重复，这就有一个共同的规律；

一是；在空间上：组成一场图像的每一个子像素的放电腔体（A子像素、B子像素、C子像素、D子像素……….）；都是同时开始放电（图15中的C子像素是黑电平，就无触发脉冲）并同时停止放电（图15中一场放电时间结束；红色虚线标注位置）。二是；在时间上：单个子像素放电腔体的每一个放电周期都是开始由地址电极触发放电；周期的结束停止放电。（图15所示；在每一个场周期的时间段都是在相同的时间位置开始由地址电极触发放电；在每一个场周期的时间段都是在相同的时间位置停止放电熄灭）；

等离子子像素放电腔体，从开始触发放电到放电结束；时间是一场时间，而且每一个场周期中开始触发放电到放电结束时间都是相同的；（开始放电上一节已经谈到：由图像信号经过地址电极触发）我们就可以在每一个放电结束的时间在X、Y电极施加的方波信号上设置一个无方波的区段（类似于CRT电视的场扫描逆程期的消隐信号），放电到了这个区域X、Y电极的外加方波幅度为零，放电就停止了。这样虽然能够使放电停止；但是这样并不能清除放电腔体内部放电剩余的残留壁垒电荷（会影响下一场正常放电）；为了使放电停止并能清除掉剩余的残留壁垒电荷；在这个无方波区域；设置一个壁垒电荷消隐脉冲（擦除脉冲），图16所示；图中在放电停止的红色虚线部分的蓝色脉冲；则为壁垒电荷擦除脉冲；该脉冲的幅度、宽度、上升的沿的斜坡；严格的定量设定；以在这个擦除脉冲出现时；产生的电荷量正好抵消掉腔体内部的壁垒电荷（调整斜坡的斜率使之产生的能量正好抵消掉壁垒电荷的能量），使放电停止，发光熄灭。

 以上是简单的放电及控制放电的工作过程，这只是组成等离子屏，放电腔体工作的简单原理；采用气体放电管作为图像显示等离子屏的子像素单元；起码在一个场周期的工作过程中有触发、维持放电、停止放电壁垒电荷清除这三个步骤；图15、图16的驱动波形和实际的驱动波形（图17是实际的波形）还有很大的差距，这些原理的理解才能为下一步的真实的X、Y、地址电极的驱动信号（图17所示）的工作过程及功率驱动电路、逻辑电路的理解打下基础。基础原理介绍完后；再详细分析图17的工作过程及驱动波形产生的原理。

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