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Plasma-Displays

Inhaltsverzeichnis

1. Grundlagen Plasma-Display-Technologie

1.1. Was ist Plasma?

In der Physik und in der Chemie ist Plasma ein gasähnlicher Aggregatzustand von Materie in dem zumindest ein Teil der Teilchen ionisiert ist. Ein Plasma entsteht, wenn einem Gas Energie zugeführt wird. Zuerst lösen sich dessen molekularen Bindungen, eine weitere Energiezufuhr führt zu einer Ionisation. Hierbei geben die Gas-Atome Elektronen aus ihrer Hülle ab und erhalten dadurch eine positive Ladung. Bei einer ausreichenden Teilchendichte wird ein Plasma elektrisch leitfähig. Ladungsträger sind sowohl die positiven Ionen als auch die negativ geladenen Elektronen. Die Anzahl der Ionen und der freien Elektronen in einem Plasma ist immer gleich.

Plasma in der Natur

In der Natur ist Plasma der am weitesten verbreitete Zustand. Über 99% der Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand. So bestehen alle Sonnen und der Sonnenwind, der auf der Erde das Nordlicht auslöst, aus Plasma und es füllt den Raum zwischen den Himmelskörpern. Die Dichte eines natürlichen Plasmas, d.h. die Anzahl von Ladungsträgern pro Raumeinheit, kann zwischen einem Teilchen pro Kubikmeter im intergalaktischen Raum und 1030 Teilchen im Sonnenkern betragen.
Auf der Erde sind natürliche Plasmen in Blitzen, Sprites ("Kobolde" = säulenförmige Blitze in der oberen Atmosphäre), Sankt-Elms-Feuer (eine Korona-Entladung in der Atmosphäre) oder auch in Flammen zu finden.

Abb. 1: Nordlicht in Norwegen (Foto: InfoTip)

Plasma in der Technik

Abb. 2: Plasma in einer mit Neon gefüllten Glimmlampe (Foto: InfoTip)

Da Plasmen ja "zerlegte" Materie ist, können die Bestandteile auf vielfältige Art chemisch und physikalisch reagieren. Daher spannt die Verwendbarkeit von Plasma in der Technik einen weiten Bogen. Angefangen von verschiedenen Beschichtungsverfahren, Plasma-Schneidbrennern, über Bogen- und Gasentladungslampen führt sie sogar zur Energiequelle der Zukunft, der Kernfusion.

1.2. Historisches

Die besonderen Leuchteigenschaften von Plasma prädestinieren es geradezu auch in der Anzeigetechnik einzusetzen. Glimmlampen in Lichtschaltern, das "Magische Auge" in Röhrenradios und auch die berühmten Nixie-Röhren in Registrierkassen und Messgeräten sind klassische Beispiele.

Abb. 2a: Nixie-Röhre
Abb. 2a: Nixie-Röhre [1]

Bereits 1964 wurden für Großcomputer monochrome Plasmabildschirme eingesetzt. Plasmabildschirme hatten den Vorteil, dass sie direkt digital angesteuert werden konnten und langlebig waren. Da diese Displays das sichtbare Licht direkt auf der Basis von Glimmentladung von Neon und nicht wie Bildröhren durch Fluoreszenz einer Leuchtschicht erzeugten, konnten sich statische Bilder nicht in den Bildschirm einbrennen.
Später, in den 1970er Jahren, wurden Plasmabildschirme meist durch preiswertere Kathodenstrahl-Farbröhren-Monitore ersetzt. In den 1980ern hatten Plasmabildschirme nochmals eine kurze Renaissance, als sie aufgrund der flachen Bauform bei den ersten Laptop-Computern eingebaut wurden. Als die LCD-Technik um 1990 Einzug hielt, verschwanden Plasmabildschirme wieder vom Markt.
Farbige Plasmabildschirme wurden in dieser Zeit zwar schon entwickelt und gebaut, nur waren sie so teuer, dass sie nur in der Militär- und Luftfahrttechnik eingesetzt wurden.

Erst 1997 stellten Fujitsu, Philips und Pioneer die ersten Plasmabildschirme für die CE vor. Die Auflösung war mit 852 x 480 Pixeln (bei 42'' Bildschirmdiagonale) an den US-amerikanischen und japanischen Markt ausgerichtet. Die Verkaufspreise lagen im fünfstelligen Dollarbereich.
Heute (2011) sind Plasmabildschirme Massenprodukte und stehen in direkter Konkurrenz zur LCD-Technik und der aufkommenden OLED-Technologie. Alle Display-Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile, die an anderer Stelle gegenübergestellt werden sollen.

1.3. Wie entsteht ein Plasma?

Um ein Plasma zu erzeugen, muss ein Gas ionisiert werden, denn an sich ist es nicht leitend. Dieses kann durch die Zuführung von Energie in Form von Hitze (thermische Anregung), Strahlung (Radioaktivität, Mikrowellen, Licht) oder Felder (Magnetfeld, Elektromagnetisches Feld) geschehen. Zur Lichterzeugung in einem Plasmabildschirms wird eine Anregung durch elektrische Gleichspannungsfelder eingesetzt, die eine Glimmentladung auslöst.

Der Entladungsraum ist eine gasdichte Kammer, die mit einem Edelgas (Helium (He), Neon (Ne), Xenon (Xe), Argon (Ar)) oder einem Gemisch aus diesen Gasen unter niedrigem Druck  gefüllt ist und über zwei Elektroden verfügt (Abb. 3). Im Entladungsraum sind immer einige wenige Ladungsträger (Elektronen und Ionen) vorhanden (Ursache: einfallende natürliche, ionisierende Strahlung).

Abb. 3: Erzeugung eines Plasmas durch Stoßionisation
Abb. 3: Erzeugung eines Plasmas durch Stoßionisation

Wird an die Elektroden  eine Spannung angelegt, werden die Ladungsträger durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden beschleunigt. Die Elektronen bewegen sich in Richtung zur Anode und die positiven Ionen zur Katode (Abb. 3 / Abb. 4 "A"). Wird die Spannung zwischen den Elektroden erhöht, steigt der Strom zunächst an. Bei dieser "unselbständigen Entladung" muss die Energie zur Ionisation der Gasatome in der Kammer noch von außen kommen.

Bei einer weiteren Erhöhung der Spannung steigt die Beschleunigung der Elektronen so weit an, dass durch Zusammenstößen von Elektronen oder Ionen mit neutralen Gasatomen aus dessen Hülle Elektronen herausgeschlagen werden. Diese wiederum werden ebenfalls vom elektrischen Feld soweit beschleunigt, dass sie selber wieder weitere Elektronen herausschlagen können. Durch diese Stoßionisation (Abb. 4 "C->D") steigt der Strom stark an, sodass immer mehr Atome ionisiert werden und die Trägerdichte lawinenartig ansteigt. Die selbständige Gasentladung zündet. Viele neutrale Gasatome werden getroffen ohne dass sie Elektronen abgeben. Sie absorbieren die Stoßenergie und werden "angeregt" (Abb. 4 "E").

1.4. Lichterzeugung durch Gasentladung

Um das Ladungsgleichgewicht zwischen positiven Atomkern und negativer Elektronenhülle aufrechtzuerhalten, springen ein oder mehrere Elektronen in energetisch höhere Bahnen ("Schalen", Abb. 5 links). Die Bahnen auf dem hohen Energieniveau sind allerding sehr instabil, die Elektronen neigen dazu wieder auf ihre alten Bahnen zurückzufallen. Das können sie aber nur, wenn sie Energie in Form eines Lichtquants, eines Photons, abgeben (Abb. 5 Mitte).
Auch können Ionen freie Elektronen einfangen. Ehe sie aber wieder neutrale Atome werden, muss die im freien Elektron steckende zusätzliche kinetische Energie abgegeben werden. Diese Rekombination läuft ebenfalls unter Abgabe eines Photons ab (Abb. 5 rechts). Das Gemisch aus Ionen, Elektronen und neutralen Atomen wird zum Plasma und leuchtet.

Abb. 4: Kennlinie der Gasentladung
Abb. 4: Kennlinie der Gasentladung

Die Anzahl der Elektronen steigt nach dem Zünden zusätzlich sehr schnell an, weil die auf die Kathode aufprallenden schweren Ionen aus dieser Elektronen herausschlagen. Dieses erhitzt die Kathode stark. Die entstehende thermische Glühemission speist einen starken zusätzlichen Elektronenfluss in das Plasma. Im äußeren Stromkreis muss nun eine Strombegrenzung (z.B. ein Widerstand) wirksam werden, da der nun extrem schnell steigende Strom im Plasma eine Bogenentladung (Abb. 4 "G") entstehen lassen kann. Bei einer Bogenentladung fließt ein ultraheißes Plasma, wie bei einem Blitz, in einem dünnen Kanal von Elektrode zu Elektrode, die beide zerstören kann.

Abb. 5: Lichterzeugung in einem Plasma (Neon)
Abb. 5: Lichterzeugung in einem Plasma (Neon)

1.5 Aufbau einer AC-Plasmazelle

Die erste Generation von Plasmadisplays waren monochrome Displays für Computer. Es waren Matrixdisplays mit nur zwei Graustufen. Die Gasentladungen wurden mittels einer hohen Gleichspannung zwischen zwei sich kreuzenden Elektrodenstreifen gezündet. Das bei der Zündung entstehende Licht wurde direkt genutzt. Da meistens Neon als Füllgas verwendet wurde, leuchteten die Bildschirme in einem typischen Rot-Orange (ca. 585 nm). Da das Zünden und Löschen der Plasmapixel nur sehr langsam geht, sind solche DC-Panels für die Darstellung von Bewegtbildern nicht geeignet.
Moderne Plasmabildschirme verwenden zum Zünden und Erhalten ("Sustain") des Plasmas Wechselspannung. Daher werden sie auch als AC-(Alternating Current = Wechselstrom) Panel bezeichnet. Ein Full HD-Plasmabildschirm (PDP = Plasma Display Panel) besteht aus 1920 x 1080 Pixeln, die wiederum in jeweils drei Subpixeln in den Farben Rot, Grün und Blau unterteilt sind. Für jedes dieser insgesamt 6,22 Millionen Subpixeln wird eine eigene Entladungskammer (= Plasmazelle) benötigt. Jede dieser Zellen muss direkt adressierbar sein und benötigt eine eigene Spannungsansteuerung und -versorgung. Die Größe einer einzelnen Plasmazelle liegt bei einem 50''-Bildschirm bei ca. 0,2 mm horizontal und 0,57mm vertikal.

Abb. 6: Aufbau einer AC-Plasmazelle (Vertikaler Schnitt)
Abb. 6: Aufbau einer AC-Plasmazelle (Vertikaler Schnitt)

Die Zellstrukturen (Abb. 6) werden von zwei Glasplatten als Substrate eingeschlossen. Abstandshalter an den Rändern der Glasplatten halten die Platten auf Distanz und dichten den Panelinnenraum hermetisch ab. Der Panelinnenraum ist mit einem Gemisch aus Helium, Neon und ca. 5% Xenon unter niedrigem Druck (ca. 200-300 mbar = 0,2-0,3 atm) gefüllt.

Zusatzinfo: In Gasgemischen  erhöht der sog. " Penning-Effekt" die Zahl der freien Ladungsträger. Dieser Effekt tritt auf, wenn ein metastabiler Anregungszustand einer Gaskomponente energetisch höher liegt als die Ionisationsenergie der anderen Gaskomponente. Dadurch können die angeregten Gasatome in Kollisionen mit der zweiten Gaskomponente Sekundärionisation verursachen. So soll das Neon die notwendige Zündspannung herabsetzen. Die Zusammensetzung des Gasgemisches ist bei jedem PDP-Hersteller anders und ist immer ein streng gehütetes Produktionsgeheimnis.

Jede Entladungskammer des Panels ist wannenförmig ausgebildet. Die Trennstege zwischen den Wannen minimieren ein Übersprechen in die benachbarten Zellen und vergrößern die Wandflächen. Das Innere der Kammern ist mit einem farbigen Leuchtstoff (Phosphor) ausgekleidet. Drei nebeneinander liegende Kammern in den Farben Rot, Grün und Blau bilden ein Pixel. 
Jede Kammer sitzt im Kreuzungspunkt einer Adress- und zweier paralleler Zeilen-Elektroden: Auf der hinteren Glasplatte befindet sich der Adress- (Data-) Elektrodenstreifen zur spaltenweisen Adressierung der Pixel. Zwei horizontale angeordnete, metallische Elektrodenbusse  (Zeilen-Elektrode, Sustain-Elektrode) auf dem Frontglas führen ihre Energie auf die eigentlichen, transparenten, Elektroden aus ITO (Indium-Zinn-Oxid). Sie steuern die Helligkeit des jeweiligen Subpixels. Die Form (Abb. 7) der Elektroden kann die Eigenschaften des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden und damit auch das Verhalten des Plasmas entscheidend mit beeinflussen.

Abb. 7: Elektrodenformen
Abb. 7: Elektrodenformen

Alle Elektroden sind zum Schutz vor dem aggressiven Plasma und der entstehenden Strahlung in einer dielektrischen Schutzschicht eingebettet. Das elektrische Feld der beiden vorderen Elektroden greift in den darunter liegenden Raum hindurch. Daher wird diese Entladung auch Barriereentladung (oder dielektrisch behinderte Entladung) genannt, da die Elektroden vom Gasraum getrennt sind.

Eine weitere Isolationsschicht aus Magnesiumoxid (MgO) vervielfacht die Anzahl der Elektronen im Plasma. Diese Sekundärelektronen entstehen beim Aufschlag von Neonionen auf die MgO-Schicht. Zusätzlich verhindert diese Schicht ein Sputtern (= "Kathodenzerstäubung") der dielektrischen Schicht auf dem Frontglas. Durch den Sputter-Effekt würde sich durch den ständigen Ionenbeschuss mit der Zeit ein Belag auf der dielektrischen Schicht bilden, der die Transparenz vermindert.
Beim Zünden des Plasmas entsteht durch Anregung und Rekombination der Xenon-Atome ein Vakuum-UV-Licht mit Wellenlängen von 147 nm und 173 nm. Die Leuchtstoffe in den Kammern wandeln dies unsichtbare Licht durch einen Photolumineszenzeffekt in sichtbares Licht (Rot, Grün, Blau) um. Leider werden auch Neonatome angeregt, die dann ein sichtbares, rot-oranges Licht erzeugen. Dieses Licht ist unerwünscht, weil es die Farbreinheit stört. Es ist aber leider nicht vermeidbar. Deshalb ist in das Frontglas vor jeder Zelle ein Farbfilter integriert, das die farbige Neonstrahlung absorbiert. Schwarze Umgrenzungen um die Farbfilter ("Black Matrix") absorbieren Fremdlicht, das durch Übersprechen zwischen zwei Zellen entsteht. Gleichzeitig werden hierdurch auch die metallischen Busleitungen der horizontalen Elektroden optisch abdeckt.

1.6 Funktion einer AC-Plasmazelle

Ein kompletter Funktionszyklus einer AC-Plasmazelle umfasst vier Phasen: Vorbereiten (Priming), Zünden (Adressieren), Halten (Sustain) und Löschen (Erase).

Abb.8: Funktionsweise einer AC-Plasmazelle
Abb.8: Funktionsweise einer AC-Plasmazelle

1. Vorbereiten (Priming)

Eine "kalte" Plasmazelle, also eine Zelle, die kurz zuvor nicht gezündet und wieder gelöscht wurde, hat ein ähnlich träges Einschaltverhalten wie eine Haushaltsleuchtstofflampe. Bei der Darstellung von Bewegtbildern würde dies zu einem sehr schlechten Kontrast (ca. 70:1) führen. Das Problem kann wesentlich verringert werden, indem alle Zellen des Displays vor dem Zünden (Adressieren) vorbereitet werden. Hierzu wird zwischen den Sustain-Elektroden eine hohe Spannung Usus (ca. 300V) gelegt, die ein elektrisches Feld erzeugt, das die wenigen im Gas enthaltenen freien Elektronen und Edelgas-Ionen voneinander trennt. Als Wandladungen legen sich die Ladungsträger unterhalb der entsprechenden Elektrode ab. Nach ca. 70 µs wird die Spannung an den Sustain-Elektroden schnell umgekehrt. Die Ladungsträger versuchen nun natürlich zur jeweils anderen Elektrode zu gelangen. Bei der Wanderung kollidieren die Ladungsträger mit einigen neutralen Gasatomen, was zu einer Stoßionisation führt. Die Stoßionisation der wenigen Gasatome setzt die Zündspannung des Gases wesentlich herab, was eine schnelleres Zünden der Zelle ermöglicht. Allerdings wird bei der Stoßionisation auch eine geringe Menge an Licht erzeugt, was den Schwarzwert des Display nachteilig beeinflusst.

2. Zünden (Adressieren)

Das Adressieren der Zelle bewirkt ein Selektieren der Plasmazellen, die leuchten sollen. Das Ziel ist es, das Gas zu ionisieren, also in den Plasmazustand zu bringen
Zum Zünden der Plasmazelle wird durch Anlegen einer zusätzlichen Spannung Uadr an der Adress-Elektrode die Zündspannung des Gases überschritten. Infolge der hohen Feldstärke setzt eine Wanderung der Ladungsträger zu den Elektroden ein. Dabei werden die neutralen Gasatome durch Stoßionisation angeregt. Eine kurze Gasentladung setzt ein und es fließt ein Strom. Dieser bewirkt eine Ladungstrennung. Die negativen Elektronen bilden eine Wandladung vor der Adress-Elektrode, die positiven Ionen wandern vor die negativen Sustain-Elektrode. Die Wandladungen bilden jetzt ein entgegengesetzt gerichtetes Feld, was die Gasentladung sehr schnell verlöschen lässt. Während der Gasentladung werden geringe Mengen an Licht erzeugt (ca. 0,1 cd/m2), das aber nicht stört, da nur die Subpixel Licht abgeben, die ohnehin leuchten sollen.

3. Halten (Sustain)

Die durch das Adressieren erzeugten Wandladungen setzen die Zündspannung des Gases weiter stark herab. Wird die Spannung an der Adress-Elektrode abgeschaltet und die Spannung an den Sustain-Elektroden nun umgekehrt, wandern die Elektronen von der Adress-Elektrode zur positiven Sustain-Elektrode und die Ionen zur negativen. Aufgrund der starken Wandladungen fließt ein Strom, der eine kurze, kräftige Gasentladung bewirkt. Durch Anlegen einer Wechselspannung (AC) an die Sustain-Elektroden kann dieser Vorgang dann beliebig oft wiederholt werden und so eine kontinuierliche Folge von Vakuum-UV- (VUV-) Lichtimpulsen erzeugt werden.

Da der Strom bei der Gasentladung nicht gesteuert werden kann, sind alle Lichtimpulse gleich hell. Die Lichtmenge, die eine Zelle abgibt, kann also nicht über die Stärke der Gasentladung, sondern nur über die Anzahl der produzierten Lichtimpulse gesteuert werden. Die Anzahl der Lichtimpulse kann wiederum über die Einschaltzeit der Sustain-Wechselspannung bestimmt werden (siehe Abschnitt "Helligkeitsteuerung").

4. Löschen (Erase)

Soll die von einer Plasmazelle abgegebene Lichtmenge begrenzt werden, wird die die Wechselspannung an den Sustain-Elektronen abgeschaltet. Um den Strom in der Zelle zu unterbrechen, wird  eine Ladungstrennung durch Anlegen einer ansteigenden Gleichspannung ausgelöst. Anschließend werden die Elektroden auf gleiches (Masse-) Potential gebracht. Es kann kein Strom mehr in der Zelle fließen, alle Gasatome fallen in den elektrisch neutralen Zustand zurück.

Abb. 9: Spannungsverlauf über den Sustain-Elektroden und Lichtausbeute
Abb. 9: Spannungsverlauf über den Sustain-Elektroden und Lichtausbeute

1.7 Aufbau und Ansteuerung eines Plasma Display Panels (PDP)

1.7.1 Funktionsgruppen

In einem Plasma-TV lassen sich zwei Funktionsgruppen unterscheiden: das Plasma-Panel und die Videosignalverarbeitung. Das Plasma-Panel besteht lediglich aus dem PlasmaPanel selbst und den elektronischen Komponenten, die das Bild auf dem Display erzeugen. Dazu gehören ein Bildspeicher mit  Controller, ein weiterer Controller für das Timing der Treibersignale, die Treiberschaltungen für die Elektroden und ein Netzteil, das genau definierte Betriebsspannungen liefert.
Da es nur wenige Hersteller von PDPs gibt, kaufen die meisten Hersteller von TV-Gräten diese zu und ergänzen es lediglich um die Videosignalverarbeitung und die Bedienoberfläche.
Die Videosignalverarbeitung besteht aus den Videoeingängen (Tuner, HDMI, Scart, Cinch, ...) und einem Imageprozessor, der das Eingangssignal auf die physische Auflösung des PDP skaliert und die Bildqualität optimiert. Ein integrierter Controller steuert die Bedienfunktionen und erzeugt die grafische Bedienoberfläche. Der in Abb. 10 gezeigte Signalpfad mit 24 Bit stellt die Standard-Farbauflösung dar. Hochwertige Displays nutzen, wenn ein entsprechendes Eingangssignal anliegt, erweiterte Farbräume (Deep Colour, x.v.Color , ...) mit 30 oder sogar 36 Bit Farbauflösung.
Als Schnittstelle zwischen Videosignalverarbeitung und dem Panel kommt in den meisten Fällen eine LVDS (Low Voltage Differential Signalling)-Verbindung zum Einsatz.
Integrierte Schaltungen, in den die Funktionen der Videosignalverarbeitung mit denen der Displayansteuerung kombiniert sind, sind bereits recht verbreitet.>

Abb. 10: Prinzipieller Aufbau eines Plasma-Panels
Abb. 10: Prinzipieller Aufbau eines Plasma-Panels
Helligkeitssteuerung

Im Abschnitt "Funktion einer AC-Plasmazelle" wurden die grundlegenden Prinzipien der Lichterzeugung mit einer Plasmazelle erklärt. Dabei blieb unberücksichtigt, dass bei einer Darstellung von Bildern eine Steuerung der Helligkeit der Subpixel notwendig wird.  Wie in diesem Abschnitt bereits angedeutet, ist eine Steuerung der Helligkeit über den Strom der Gasentladung nicht möglich. Da die Plasmazelle nur Lichtimpulse einer Stärke erzeugen kann, ist eine Helligkeitssteuerung nur über die Anzahl der Lichtimpulse möglich. Die Trägheit der menschlichen optischen Wahrnehmung integriert die einzelnen Lichtimpulse zu einem der Anzahl der Lichtimpulse proportional hellem Lichtpunkt.

Abb. 11: Helligkeitsteuerung und Subframe-Sequenz
Abb. 11: Helligkeitsteuerung und Subframe-Sequenz

Um eine digitale Helligkeitssteuerung der Plasmazellen durchzuführen, wird zunächst ein Vollbild (Frame) in einen Bildspeicher geladen. Der Helligkeitswert eines jedes Subpixel   ist so in einer Speicherzelle mit (hier) acht Bit abgelegt. Hiermit lassen sich 255 Helligkeitsgrade erzeugen. Um dies zu realisieren, wird ein Bild  in acht unterschiedlich lang dauernde Teilbilder (Subfields/ Subframes) zerlegt, die alle nacheinander innerhalb von 20ms (bei 50Hz) auf dem Display abgebildet werden. Jedes der Subframes durch seine Anzeigedauer eine Wichtung. Ein Subpixel im Subframe 1 erzeugt  die geringste Anzahl von Lichtimpulsen und somit die geringst mögliche Helligkeit. Subframe 2 hat die Wichtung 2. Das Subpixel hat die doppelte Leuchtdauer und erzeugt somit doppelt so viele Lichtimpulse wie im Subframe 1. Im Subframe 3 liefert es nochmals doppelt soviele Lichtimpulse wie im Subframe 2 und ist somit vier mal heller als im Subframe 1. Die Helligkeit der Bildpunkte verdoppelt sich also von Subframe zu Subframe bis zur Wichtung 128 im Subframe 8. Durch die Kombination der Subframes lassen sich so die 255 Helligkeitsabstufungen erreichen.
In der Abbildung 11 oben hat beispielsweise das rote Subpixel 1 den Wert dezimal 89. Binär dargestellt entspricht dies der Bitfolge "0 I 0 I I 0 0 I". Diese Bitfolge definiert in welchem Subframe  Subpixel 1 aktiviert wird und wann nicht. In diesem Fall wird Subpixel 1 in den Subframes 7, 5, 4 und 1 gezündet. Addiert man die entsprechenden Wichtungen 64+16+8+1 erhält man die gesamte Leuchtdauer/Helligkeit von 89 in diesem Frame.

1.7.2 Ansteuerung des Panels

Die einzelnen Pixel eines Plasmabildschirms werden nicht wie bei einer Bildrohre nacheinander aktiviert, sondern zeilenweise und frameweise angesteuert. Wie im Abschnitt "Funktion einer AC-Plasmazelle" bereits beschrieben, besteht ein Subframe langer Zyklus aus den vier Phasen Priming, Adressieren, Zünden/Halten (Sustain)  und Löschen.
Das Priming (Vorbereiten) wird frameweise vorgenommen. Hierbei spielt es keine Rolle ob die Zelle gezündet werden soll oder nicht. Die Primingdauer ist konstant. 
Nach dem Priming erfolgt die sofort Adressierung der Zellen. Nacheinander werden Zeile für Zeile die Zellen ionisiert, die gezündet werden sollen. Das Adressieren ist die längste Phase im Zyklus und dauert immer gleich lang.
Das Zünden und Halten des Plasmas erfolgt bei allen Zellen gleichzeitig. Dabei entsteht ein Plasma natürlich nur in den Zellen, die zuvor adressiert worden sind. Die Dauer der Sustain-Phase ist variabel und ist abhängig von der Wichtung des jeweiligen Subframes.
Das Löschen erfolgt ebenfalls frameweise. Alle Zellen, auch die nicht zuvor gezündeten, werden entladen.

Abb. 12: Ansteuerung eines AC-Plasma-Panels
Abb. 12: Ansteuerung eines AC-Plasma-Panels

1.7.3 Negative Effekte

Bei der praktischen Umsetzung der oben beschriebenen Helligkeitsteuerung mit acht Subframes und klassischer binärer Kodierung machen sich zwei Effekte bemerkbar, die den Bildeindruck negativ beeinflussen. Beide Effekte sind abhängig von der Physiologie des menschlichen Sehens und können nicht gefilmt oder fotografiert werden.

Flächenflimmern

Das Flächenflimmern entsteht, wenn eine hohe Anzahl von benachbarten Pixeln mit 50% Helligkeit angesteuert werden. In diesem Fall wird die Gesamthelligkeit von nur einem Subframe erzeugt. Die Plasmazellen werden dabei alle 20 ms ein- und ausgeschaltet, was der Mensch als Flimmern wahrnimmt.

False Contour Effect

Der False Contour Effekt tritt auf, wenn benachbarte Flächen nur geringe Helligkeitsunterschiede haben, aber über stark unterschiedlich kodierte Subframes angesteuert werden. Im Beispiel (Abb. 13 unten) wird die Helligkeit der linken Fläche mit 7 Subframes erzeugt. Der Helligkeitswert ist 127. Dagegen wird die Helligkeit von 128 der rechten Fläche von nur einem einzigen Subframe erzeugt. Bewegt sich das Bild nicht und ruht das Auge (Abb. 13 links), kann eine tadellose Helligkeitsabstufung wahrgenommen werden. Der False Contour Effect tritt nicht auf.
Bewegt sich das Objekt auf dem Bildschirm von rechts nach links (Abb. 13 Mitte), folgt der Zuschauer mit seinen Augen der Bewegung. Durch die Trägheit des menschlichen Sehens überlagern sich jetzt die an den Grenzen befindlichen Helligkeitsinformationen. Die inaktiven Subframes der rechten Fläche überlagern die aktive der linken Fläche und die inaktiven Subframes der linken Fläche überlagern das aktive Subframe der rechten Fläche. In einem schmalen Bereich an der gemeinsamen Grenze der Flächen löschen sich die Helligkeitsinformation somit aus und es bildet sich dort ein dunkler Saum, der im Bild als störende Kontur um eine Fläche herum wahrgenommen wird.
Bewegt sich das Objekt von links nach rechts (Abb. 13 rechts), addieren sich die aktiven Subframes des linken Felds zu den aktiven des rechten. Es erscheint ein heller Saum um die Fläche.
Die Sichtbarkeit und die Farbe der Konturen ist abhängig von der Farbe, Helligkeit und der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts.

Abb. 13: Entstehen des False Contour Effects Quelle: [1]

Das Flächenflimmern und auch der False Contour Effect können durch zwei Maßnahmen erheblich reduziert werden. Zuerst wird hierzu die Anzahl der Subframes erhöht und dann die Wichtung des höchstwertigen Subframe begrenzt. Aus der Standardfolge mit acht Subframes mit den Wichtungen 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 wird so (beispielsweise) eine Folge mit zwölf Subframes mit den Wichtungen 1, 2, 4, 8, 16, 16, 32, 32, 32, 32, 32, 48. Die Summe der Wichtungen der Subframes bleibt dabei gleich (255). So kann man bestimmte Kombinationen von Subframes bevorzugen oder vermeiden. Welche Kombinationen  zur Anwendung kommen, ist entweder in Tabellen abgelegt oder wird in Realtime berechnet.

2. Plasma-Displays in der Praxis

2.1 Aufbau eines Plasma-TV

Die gesamte Elektronik eines Plasma-TV ist auf wenigen Modulen untergebracht. Die zur Ansteuerung der Elektroden des Panels benötigten Treiberstufen sind meist auf drei Platinen verteilt: Die Spaltentreiber befinden sich auf dem sog. X-Board, die Zeilentreiber befinden sich auf dem Y-Driverboard und dem Z_Sus-Board. Die Signalplatte trägt die Tuner (bis zu acht), die Signaleingangsbuchsen, das Common Interface (CI) und den Image-Prozessor/Controller. Dieser Prozessor enthält die komplette Videosignalaufbereitung und erzeugt daraus die Adress-, Y- und Z-Ansteuersignale.  Ein separates Netzteil (PSU= Power Supply Unit) liefert die wichtigsten Betriebsspannungen. Festspannungsregler auf den Platinen diversifizieren diese dann.
(Diese Bezeichnungen der Module haben sich  im Allgemeinen durchgesetzt, manche Hersteller verwenden jedoch andere).

Abb. 11: Innenansicht eines Plasma-TV
Abb. 11: Innenansicht eines Plasma-TV

Ein modernes Full HD-PDP hat eine physische Auflösung von 1080 Zeilen mit je 1920 Pixeln. Ein Pixel besteht aus drei Subpixeln in den Farben Rot, Grün und Blau. Jedes dieser Subpixel muss separat ansteuerbar sein. Für die spaltenweise Ansteuerung (Adress-Elektroden) werden somit 3 x 1920 = 5760 Anschlussleitungen benötigt. Jede Zeile besitzt zwei Sustain-Elektroden, somit benötigt das Panel nochmals 2 x 1080 = 2160 Anschlüsse für die zeilenweise Ansteuerung. Die Verbindung zwischen den Panel-Anschlüssen und der Treiber-Platinen wird mit Flexprints hergestellt. Ein Flexprint ist ein biegsamer, elektrischer Leiter für mehrere Dutzend oder sogar Hunderte von elektrische Verbindungen, die auf einem flexiblen Kunststoffträger zusammengefasst sind. Meist bestehen Flexprints aus einer kräftigen Folie, auf die Leiterbahnen aus Kupfer aufkaschiert sind.

Abb. 11: Flexprint mit TCP und Kühlblech (Panasonic)
Abb. 11: Flexprint mit TCP und Kühlblech (Panasonic)

Zur Ansteuerung der X-Elektroden werden sog. Tape Carrier Packages (TCPs) verwendet. Bei diesem Verfahren wird ein integrierter Schaltkreis ohne Gehäuse (sog. Die) in der Mitte der Folie in ein ausgestanztes Loch platziert und seine elektrischen Anschlusspunkte mit den Leiterbahnen aus Kupfer verbunden. Anschließend wird das Die mit einer Kunststoffmasse vergossen. Mit einem Kühlblech wird das TCP dann am Metallrahmen des Panels befestigt.

Durch die Verwendung von TCPs kann die Anzahl der Verbindungsleitungen zwischen Panel und Treiberelektronik erheblich reduziert werden, was die Betriebssicherheit des Gerätes erhöht. Die hier in den TCPs verbauten ICs sind Standardkomponenten (jedes IC enthält Schieberegister, Latches und 320 FET-Ausgangsstufen), die in hohen Stückzahlen verwendet werden. Die Standardisierung von TCPs verringert die Produktionskosten, da sie unabhängig vom Gerätemodel eingesetzt werden können.

Abb. 12: X-Board mit TCPs
Abb. 12: X-Board mit TCPs

Das X-Board empfängt vom Controller Steuersignale und serielle Adresssignale und verteilt sie weiter an die TCPs.

Abb. 13: Y_Sus-Board mit Y-Treibern (Panasonic)
Abb. 13: Y_Sus-Board mit Y-Treibern (Panasonic)

Die Erzeugung der sehr komplexen Sustainspannungsform (siehe Abb. 9) erfolgt auf dem der Y-Treiberplatine vorgeschalteten Y_Sus-Board. Eine invertierte Sustainwechselspannung wird an das Z_Sus-Board weitergeleitet.

Abb. 14: Z_Sus-Board
Abb. 14: Z_Sus-Board

Obwohl alle Z-Sustain-Elektroden von einem gemeinsamen Signal angesteuert werden (Masse und der invertierten Sustainwechselspannung vom Y-Board), erfolgt die Ansteuerung in mehreren Gruppen. So werden die Kontakte der Flachbandverbinder (Flexprints) geringer belastet.

Abb. 15: Netzteilplatine mit Einstellern
Abb. 15: Netzteilplatine mit Einstellern

Versorgt werden alle Baugruppen aus einem kräftigen Sperrwandlernetzteil (PSU = Power Supply Unit). Da bei Plasma-TVs die Leistungsaufnahme des Gerätes abhängig von der Helligkeit des Bildinhaltes ist (bis zu ca. 600 W bei weißem Bildschirm), muss der Regelumfang und die Regelgeschwindigkeit des Netzteils hoch sein.
Bei vielen Geräten müssen auf der Netzteilplatine die Sustain-Spannung Usus und die Adress-Spannung Uadr, z.B. nach einem Panelwechsel, manuell abgeglichen werden.

2.2 Typische Fehlererscheinungen an Plasma-Displays

Abb. 16 Symptom: Eine Bildhälfte ist dunkelUrsache: Ein X-Board ist defekt
Abb. 16: Symptom: Eine Bildhälfte ist dunkel
              Ursache: Ein X-Board ist defekt

  

Abb. 17 Symptom: Breite weiße oder schwarze senkrechte Streifen Ursache: Ein X-Board oder ein TCP defekt Anmerkung: TCPs sind Bestandteil des Panels und können nicht getauscht werden!
Abb. 17: Symptom: Breite weiße oder schwarze senkrechte Streifen
              Ursache: Ein X-Board oder ein TCP defekt

Anmerkung: TCPs sind Bestandteil des Panels und können nicht getauscht werden!

Abb. 18 Symptom: Senkrechte Linien Ursache: Ein TCP ist defekt -> das komplette Panel muss erneuert werden
Abb. 18: Symptom: Senkrechte Linien
              Ursache: Ein TCP ist defekt - das komplette Panel muss erneuert werden
Abb. 19: Symptom: Weiße oder farbige Punkte
Abb. 19: Symptom: Weiße oder farbige Punkte
             Ursache: Adresspannung nicht korrekt eingestellt

Abb. 19 links
Symptom: Auf schwarzem Bildinhalt sind weiße oder farbige Punkte sichtbar.
Ursache: Adressspannung Uadr ist zu hoch -> einige Zellen zünden zu früh.

Abb. 19 rechts
Symptom: Auf hellem Bildinhalt sind schwarze Punkte sichtbar.
Ursache: Adressspannung Uadr ist zu niedrig -> einige Zellen zünden nicht.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Animation "Nixie-Röhre": Lizenz: Public Domain über Wikimedia Commons,
Quelle: „ZM1082 operating animation front 250px“ von Cestmir Hybl, Teslaton
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ZM1082_operating_animation_front_250px.gif

Weblinks
Literatur

1. Weitbruch, S.; Zwing, R.; Correa, C.: "PDP Picture-Quality Enhancement based on Human-Visual-System relevant Features"
Journal of the SID, Vol. 9/4, 2001, pp. 279-286

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