APLIKOVANÁ FYZIKA A MODERNÍ ELEKTRONIKA

Transkript

1 TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY APLIKOVANÁ FYZIKA A MODERNÍ ELEKTRONIKA JOSEF HUBEŇÁK JIŘÍ HUBEŇÁK Repronis 2007 Seminární materiál projektu Učíme fyziku moderně Další vzdělávání učitelů fyziky Olomouckého kraje Slovanské gymnázium Olomouc

2 Slovanské gymnázium Olomouc, 2007 ISBN

3 Obsah Úvod 5 Digitální zpracování signálu 7 Obrazovky a displeje 18 Elektromagnetické jevy a nové technologie 29 Polem řízené tranzistory FET a Flash-disky 35 Globální polohový systém GPS 40 Mobily a síť GSM 54 Objevy, vynálezy a jejich autoři 61 Technika a fyzika plynového spotřebiče 86 Elektrické tepelné spotřebiče a chladničky 97 Principy bezpečnostních systémů pro zajištění objektů 111 Moderní zdroje světla 128 Číslicové měřicí přístroje 147 Malé elektromotory 161 3

4

5 Úvod Učitel fyziky a vlastně každý učitel musí sledovat vývoj svého oboru a vkládat do výuky současné poznatky a aplikace. Pro fyziku je tento požadavek zvlášť naléhavý a žáci i studenti ocení pedagoga, který jejich dotazy skutečně pochopí a také dokáže vysvětlit srozumitelně s ohledem na znalosti tazatele třeba funkci špičkových technických zařízení. Není to snadné a ve fyzice a technologiích se objevují novinky stále rychleji. Vysokoškolský kurz fyziky tady mnoho nepomůže učitel není specialista pro některý fyzikální obor a ještě méně se setká během studia s aplikacemi, založenými na využití celé škály současných poznatků. Ve škole základní i střední je učitel již natolik vytížen, že sledování vývoje fyziky a novinek v technologiích se dostává na okraj jeho aktivit. V té situaci je většina začínajících kolegů a teprve rutinní zvládnutí základní praxe uvolní čas pro hledání informací, novinek a také jejich učitelskému, chcete-li didaktickému zpracování a zařazení do výuky. Přitom nelze pochybovat, že větší část učitelů fyziky chce učit poznatkům na úrovni doby a ukázat studentům, že právě špičková technika je založena na fyzikálních poznatcích a je možné ji pochopit, vysvětlit, využít i dále rozvíjet. Autoři vybrali několik témat, v nichž jsou obsaženy aplikace současné fyziky, a pokusili se učitelům ušetřit čas potřebný na vyhledání a zpracování informací o digitálním zpracování signálů, o současných displejích, o globálním polohovém systému, o mobilním telefonu atd. Většina ze třinácti témat obsahuje také náměty pro vlastní práci žáků a studentů. Jsou zde i tabulkové údaje a méně obvyklá data, třeba o světelných zdrojích nebo měrných tepelných kapacitách potravin v ledničce. Některá z témat lze využít i jako námět pro fyzikální projekt. Vážíme si práce všech kolegů, kteří na základních a středních školách udržují a rozvíjejí fyzikální vzdělanost, a proto také přivítáme připomínky, náměty a poznatky z učitelské praxe. Autoři Doc. RNDr. Josef Hubeňák, CSc. RNDr. Jiří Hubeňák, Ph.D. josef.hubenak@uhk.cz jiri.hubenak@uhk.cz 5

6

7 Digitální zpracování signálu Možnosti počítačů narůstají s rychlostí zpracování dat: v osmdesátých letech minulého století procesory pracovaly s frekvencí 20 khz a nyní je samozřejmostí frekvence 1,8 GHz a vyšší. Počet operací za sekundu narostl krát a těžko najdeme technický obor, kde pracovní tempo vzrostlo o pět dekadických řádů. Digitální formu dáváme dnes zvuku i obrazu a čeká nás přechod k digitálnímu pozemnímu televiznímu přenosu (DVB-T Digital Video Broadcasting-Terrestrial) a digitálnímu rozhlasu. Většinou víme, že mobilní telefony vysílají a přijímají výlučně digitální signál a že satelitní vysílání obsahuje pouze data. Jak vznikají data z původního analogového signálu? Analogově digitální převodník ADC Zkratka ADC je z angličtiny Analog-to-digital converter a princip funkce je na následujícím schématu. Obr. Převodník ADC 7

8 Odporový dělič má na výstupech odspodu nahoru napětí 1 ref 1 U + 0 ref, 2 8 U + 1, 1 U + 2 ref atd. Obvody se symbolem hysterezní smyčky dávají na výstupu nízkou úroveň napětí L, je-li na spodním vstupu napětí větší než na horním, což odpovídá logické nule. V opačném případě se na výstupu objeví vyšší úroveň napětí H. Napětí analogové U x je tady převedeno na sled jedniček a nul a v kodéru se přiřadí každé osmičlenné skupině číslo v binárním kódu: Vstup kodéru Výstup kodéru Analogové napětí U x menší než U ref (referenční) je převedeno na binární číslo; v tomto případě s dosti hrubým rozlišením. Skutečné převodníky ADC mohou rozlišit běžně 256 hodnot napětí (8-bitový převodník v mobilu). Převodník ADC pro digitální kamery typ TDA8787 provede až 18 milionů převodů na 10 bitové číslo, takže rozliší 1024 napěťových úrovní původně analogového signálu. V digitálních měřících přístrojích, kde tolik nezáleží na rychlosti převodu, jsou běžné 12ti bitové převodníky. Vzorkování signálu Analogový signál se s časem mění a jeho spojité hodnoty nahrazuje převodník omezeným počtem binárních čísel. I když převodník pracuje rychle, nepřevede do číselné podoby celý analogový signál vybírá jen vzorky. Má-li být informace dostatečně přesná, musí být vzorků dostatek. Pro periodické signály, jako je zvuk nebo obrazový signál televizního řádku, musíme mít za jednu periodu nejméně 2 vzorky a dvě binární čísla, abychom mohli rekonstruovat na přijímači původní analogový průběh s přijatelným zkreslením. 8

9 Obr. Vzorkování signálu Obr. Rekonstrukce signálu Přijímač dostane z daného signálu jen dvě čísla N 1 a N 2 a analogový signál po zpracování není věrnou kopií signálu původního. V přijímači lze ovšem dopočítat hodnoty vložené mezi skutečně přijaté vzorky a signál digitálně nebo analogově vyhladit. Přenos velkého množství dat je technicky náročný a proto se omezuje například pro mobily nejvyšší přenášený kmitočet na 4 khz, i když v lidském hlase a hudbě mohou být i vyšší kmitočty. Frekvence vzorkování musí být dvojnásobná 8 tisíc vzorků za každou sekundu. Osmibitová čísla vyžadují přenášet 64 tisíc bitů za sekundu. Poznámka V mobilní síti GSM se datový tok snižuje několika způsoby až na 13 kb.s 1. Digitálně analogový převodník Datový signál musíme např. v mobilu převést na signál analogový. To je možné s pomocí operačního zesilovače a princip zapojení je na následujícím obrázku: Obr. DAC s operačním zesilovačem 9

10 Operační zesilovač má teoreticky nekonečně velké zesílení i vstupní odpor. Zesiluje rozdíl napětí na neinvertujícím vstupu a na invertujícím vstupu (u + u ). Tento rozdíl se ale vždy blíží k nule (nekonečné zesílení!) a protože je u + = 0, je také na invertujícím vstupu napětí vůči zemi nulové. Z výstupu jde signál přes odpor R zpět na invertující vstup a díky opačnému znaménku zde vzniká záporná zpětná vazba, která zaručí stabilitu zesilovače. Vstupní odpor zesilovače je nekonečně velký a celkový vstupní proud je proto nulový. Platí i 13 + i 12 + i 11 + i 10 + i 2 = 0 a za proudy lze dosadit Z této rovnice dostaneme u R u u = 3 R2 R1 R0 R u u 0. u R R R R =. 2 u13 u12 u11 u10 R3 R2 R1 R0 Logické jedničce přiřadíme napětí 0,1 V a hodnoty odporů zvolíme tak, aby platilo R R 3 = 8, R R 2 = 4, R R 1 = 2, R R 0 = 1. Vstupní datový signál 1011 bude převeden na výstupní napětí 1,1 V. Změna binárního čísla na vstupu vyvolá takřka skokovou změnu výstupního napětí. To má pak schodovitý průběh a je třeba jej vyhladit vhodnou kapacitou, připojenou mezi výstup a zem. Obr. Úprava signálu za převodníkem DAC 10

11 V katalozích výrobců integrovaných obvodů najdeme řadu DAC převodníků např. pro převod dat digitálního záznamu obrazu na spojitý signál RGB (red, green, blue) je určen obvod TDA 8771 (Philips). Pracuje s frekvencí hodinových impulsů 35 MHz a převádí 8bitový signál na analogový. Digitální syntéza harmonického signálu Přenos informací elektromagnetickou vlnou se přesouvá stále k vyšším frekvencím a klasické způsoby modulace amplitudová a frekvenční jsou nahrazovány metodami, které dovolí daleko lépe využít frekvenční pásmo, přidělené pro danou službu. Klasické oscilátory, jejichž úkolem je vytvořit harmonický signál u( t) = U 0 sinωt, používaly zesilovač s elektronkou nebo tranzistorem, paralelní nebo sériový rezonanční obvod LC a zpětnou vazbu. Jednoduché zapojení takového oscilátoru a současně vysílače s amplitudovou modulací ukazuje schéma: Obr. Vysílač s amplitudovou modulací Základem je paralelní rezonanční obvod, který tvoří indukčnosti L 1, L 2 a kapacita C. Po zapnutí zdroje se obvod rozkmitá, vazební kapacitou C v se část signálu vede na bázi tranzistoru a ten jej zesílí a vrátí jako proměnnou složku proudu emitoru zpátky do rezonančního obvodu. Indukčnost L 3 má funkci sekundárního vinutí transformátoru a přivádí do antény vysokofrekvenční proud. Mezi zdroj U B a kolektor tranzistoru je zapojen uhlíkový mikrofon a ten mění odpor podle snímaného zvuku. Amplituda kmitů v rezonančním obvodu se tím mění a proud přicházející do antény lze vyjádřit funkcí ( I + I sin 2πf t) sin 2 f t i 0 m m π 0 =, 11

12 kde je I 0 amplituda původního signálu oscilátoru bez modulace, I m amplituda modulačního proudu, který odpovídá zvukovému signálu, f 0 frekvence vysokofrekvenčních kmitů, f m frekvence zvuku. Na obrázku je znázorněn průběh tlaku ve zvukové vlně a odpovídající anténní proud. Obr. Zvukový signál a odpovídající anténní proud s amplitudovou modulací Současná elektronika používá místo oscilátoru integrovaný obvod přímé digitální syntézy DDS (Direct Digital Synthesizer) a princip jeho funkce ukazuje blokové schéma: Obr. Princip funkce obvodu přímé digitální syntézy 12

13 Referenční frekvenci f ref vytváří krystalem řízený oscilátor, který je vyroben přímo na čipu. Jde o obdélníkový signál, který řídí načítání řídícího slova do akumulátoru střadače. Do akumulátoru se neustále načítá řídící slovo M a po přetečení N-bitového akumulátoru tam zůstává zbytek a cyklus začíná znovu. Úkol: Zvolte 4-bitový akumulátor (N = 4) a M = 2 D = 10 B. Ověřte, že při počátečním stavu střadače 0000 B nastane po 8. přičtení M přetečení (výsledek má být B ) a zbytek v akumulátoru je opět V paměti jsou uloženy hodnoty sin x i pro všechny diskrétní hodnoty čísel, která se mohou ve střadači objevit, a do digitálně analogového převodníku jdou již diskrétní hodnoty sin x i. Na výstupu DAC je signál s vysokým obsahem vyšších harmonických frekvencí a ty se ve filtru odstraní. Samotný filtr je tvořen operačním zesilovačem s vhodnými členy RC, což je opět možné vyrobit na čipu. Filtr může být i pouze z pasivních členů RC. Na výstupu dostáváme frekvenci f osc = M f N ref 2. Poznámka: Převodník DAC potřebuje alespoň dva vzorky pro jednu periodu fref signálu a nejvyšší frekvence je vždy omezena na hodnotu f osc =. 2 Pro příklad lze uvést obvod AD9854: Referenční kmitočet může být maximálně 300 MHz a výstupní harmonický signál až 150 MHz. Akumulátor fáze je 48-bitový a to umožní nastavit frekvenci s přesností na 1 μhz. Převodníky DAC (12-bitové) na výstupu jsou dva a harmonické signály mají zde průběhy posunuté fázově o 90. K dispozici jsou tedy dva signály, vhodné pro přenos s tzv. kvadraturní modulací (používá se např. pro přenos barevných signálů televize v systému PAL). Řídicí slovo M se může měnit až 100 milionkrát za sekundu a na výstupu může být frekvence velmi rychle změněna. Takové přeskakování nosné frekvence používají mobilní telefony a brání se tak poklesu signálu, který by byl způsoben interferencí přímého a odraženého signálu. 13

14 Základní použití obvodů přímé digitální syntézy DDS Úkolem mikropočítače v obvodu DDS je vytvořit řídící slovo M a samotný mikropočítač může k digitalizovaným vzorkům modulačního signálu přiřadit M podle zadaného programu. Bude-li modulačním signálem signál z mikrofonu, bude na výstupu k dispozici frekvenčně modulovaný signál. Obr. Frekvenční modulace s obvodem DDS Obvod DDS se dvěma DA převodníky na výstupu lze dobře použít pro vznik amplitudově modulovaného signálu. Digitalizovaný zvuk je na prvním DA převodníku převeden na analogové napětí a to slouží v druhém DA převodníku jako napětí referenční. Na výstupu obvodu DDS bude nyní signál M s frekvencí fosc = f N ref 2, ale s amplitudou úměrnou modulačnímu signálu. Obr. Amplitudová modulace s obvodem DDS 14

15 Obvod DDS ve smyčce fázového závěsu Obvod direktní digitální syntézy je vhodný pro tzv. smyčku fázového závěsu. Z radiotechniky jsou tyto obvody PLL (Phase Lock Loop) známy ještě z dob elektronkové éry, ale polovodiče a integrované obvody teprve umožnily plné využití tohoto zapojení. Ve smyčce jsou podstatné bloky: Napětím řízený oscilátor VCO. V jeho LC obvodu je varikap, což je polovodičová dioda, jejíž kapacita se dá řídit napětím v závěrném směru. Fázový komparátor na dva vstupy se přivedou dva harmonické signály a na výstupu se objeví impulzy vždy, když tyto signály nemají stejnou frekvenci a fázi. Integrátor impulzů na výstupu je regulační napětí dané součtem impulzů. Jde v podstatě o postupné nabíjení kondenzátoru. Obr. Obvod DDS ve smyčce fázového závěsu Napětím řízený oscilátor VCO dává signál s počáteční frekvencí f x a ta je snížena děličkou Mkrát. Signál je dále použit jako hodinový kmitočet pro obvod DDS a spolu s řídícím slovem o N bitech vytvoří obvod výstupní frekvenci f r, která je vedena na komparátor. Dokud se nevyrovnají kmitočty na vstupu komparátoru, narůstá regulační napětí. Po zavěšení smyčky, tj. při rovnosti f r = f, zůstane výstupní frekvence oscilátoru VCO konstantní. Pro výslednou frekvenci platí fo X f = f. r =. N M.2 Smyčka fázového závěsu má řadu využití. Dva příklady: Zdrojem signálu je přesný krystalový oscilátor a jeho frekvence je prakticky konstantní. Potřebujeme zdroj signálu s proměnnou a přesně určenou frekvencí. Pro výstupní frekvenci napětím řízeného oscilátoru platí 15

16 f o = M.2 X N f a je zřejmé, že řídícím slovem můžeme snadno a digitálně nastavit frekvenci f o. Druhý příklad: zdrojem signálu je jednoduchá anténa a z ní získaný frekvenčně modulovaný signál. Nosná frekvence je například 103,40 MHz a na ni se smyčka zavěsí. Je to ovšem frekvenčně modulovaný signál a jeho kmitočtový zdvih je až + 0,075 MHz. Smyčka se zavěšuje na proměnnou frekvenci a regulační napětí se bude měnit přesně s modulačním signálem. Regulační napětí bude mít stejnosměrnou složku a nízkofrekvenční signál, který po zesílení slyšíme z reproduktoru nebo ze sluchátek. Softwarové rádio Možnosti digitálního zpracování signálu stále narůstají a již existuje úplné softwarové rádio. Zkratka SDR znamená programově definované rádio, Software Defined Radio. Na straně vysílače jde o blok digitálního zpracování signálu a blok DAC, zakončený koncovým vysokofrekvenčním zesilovačem a anténou. Obr. Vysílač s digitálním zpracováním signálu Na straně přijímače probíhá opačný proces: Obr. Přijímač s digitálním zpracováním signálu 16

17 Signál (analogový) je převeden na data a v dalším bloku proběhne dekódování a demodulace a vzorky modulačního signálu jsou dalším převodníkem změněny na původní analogový signál. Po zesílení lze poslouchat zvuk. Takto pracuje příjem frekvenčně modulovaného rozhlasu v pásmu VKV, pokud posloucháme rádio na lépe vybavených mobilních telefonech nebo MP3. Systém má ale i zajímavější variantu: zesílit a vysílat lze přímo data a v přijímači odpadá první blok převodu na data. Takto pracuje pozemní digitální rozhlas a pozemní digitální televizní vysílání. U satelitního TV a rozhlasového vysílání je takový způsob přenosu informací běžný a s analogovým signálem se už prakticky nesetkáme. 17

18 Obrazovky a displeje Zkuste odhadnout, kolik času sledujete televizní obrazovku nebo monitor počítače. Televizní obrazovka září v každé domácnosti v průměru více než tři hodiny denně a pokud pracujete s počítačem, čas ani nesledujete. Koncem třicátých let byl navržen a poprvé zaveden systém televize,jak ji dodnes používáme: elektronické snímání obrazu a jeho přenos, rekonstrukce obrazu na stínítku vakuové obrazovky (Zvorykin, Bellovy laboratoře, USA). Co se podstatně mění, je snímací kamera, kódování signálu a přenos signálu. Všimněme si jen obrazovky je posledním a nejdostupnějším článkem celého televizního řetězce. Většina obrazovek poskytuje barevný obraz. Lidské oko rozezná tisíce barev jak se tvoří barva na stínítku? Úkol: Zapněte barevný televizor a lupou pozorujte malou plochu stínítka. Zakreslete! Výsledek vašeho pozorování bude pravděpodobně takový: Obr. Rastr TV stínítka Na stínítku září sloupečky červených obdélníčků, dále zelených a modrých. Za každými třemi následuje černá linka - black stripe. To, že vidíme mnoho jiných barev, je spolupráce našeho oka s obrazovkou. Žlutou vnímáme, svítí-li současně ploška červená a zelená, purpurová je složena z modré a červené atd. Černý pásek zvyšuje kontrast mezi sousedními trojicemi a pro naše oko vytváří ostřejší obraz. Bíle svítí ploška, kde všechny tři barvy svítí stejně intenzívně. Všimli jste si čelního skla obrazovky? Je silné asi 15 milimetrů a není čiré. Je to kouřové sklo, propouštějící asi 85 % světla. To má svůj dobrý důvod. V řezu na následujícím obrázku vidíme chod paprsků světla luminoforů barevně zářících anorganických sloučenin, jimiž jsou pokryty barevné plošky, a světla z místnosti, které se také odráží v čelním skle. Barevné světlo se sice 18

19 zeslabí, ale pouze jedním průchodem, kdežto rušivé odrazy jdou do skla, odráží se od hliníkové vrstvy za luminofory a znovu se zeslabí při cestě ven. Výsledné zeslabení odrazů umožní sledovat obrazovku i v dobře osvětlené místnosti. Obr. Řez čelní stěny obrazovky Luminofory pro barevná světla mohou být: modrý blue zelený green červený red ZnS : Ag (ZnS+ZnSe) : Cu (3ZnS+7CdS) : Ag Prvek za dvojtečkou je příměs, která dotuje daný sirník nebo směs sirníků. Kromě sirníků se používají křemičitany, fosforečnany, oxidy zinku, vápníku, vzácné zeminy (cer...), a další materiály. Jejich ukládání na správné místo je náročnou operací, protože středy dvou sousedních červených proužků jsou od sebe vzdáleny 0,8 mm. I pod lupou vidíte, že každý obdélníček je ostře ohraničen jeho šířka je asi 0,15 milimetru. Dnes se pro nanášení luminoforů používá převážně nalévací metoda spolu s fotolitografií. Jemně rozemletý červený luminofor se smísí např. s octanem amylnatým a s nitrocelulózou a tento lak se naleje na sklo obrazovky. Pak se překryje fotorezistem, což je lak, který po osvětlení se nedá rozpustit, neosvětlená místa jsou rozpustná. Přes masku se vrstvy osvětlí ze směru, kudy budou přilétat elektrony z "červené" katody. Pak se rozpustí fotorezist na neosvětlených místech a rozpustí se a odplaví i odkrytý červený luminofor. Postup se opakuje pro další luminofory, jen osvětlení vychází z pozice zelené a modré katody. Organické složky se pak při vysoké teplotě odpaří a na skle zůstávají obdélníčky luminoforů. Stejně se nanesou i souvislé černé proužky. Dopadající elektrony tvoří kruhovou stopu a mohly by rozsvítit i sousední proužek. Výsledkem by byly mdlé, nevýrazné barvy. Tomu brání pigmentace luminoforů - do směsi jsou přidány nezářící černé příměsi. 19

20 Hliníková vrstva má tři funkce: 1. Světlo vyzářené zrníčkem luminoforu dozadu odráží vpřed, k pozorovateli. Tím zvyšuje jas obrazovky při stejném počtu a rychlosti dopadajících elektronů. 2. Zachytí těžké ionty, které vznikají ze zbytků plynů v obrazovce a směřují k luminiscenční vrstvě. Pokud by ionty dopadaly až na ni, vytvořily by uprostřed obrazovky velmi brzy slepou, temnou skvrnu. 3. Pomáhá odvádět z luminiscenční vrstvy záporný elektrický náboj, který tam každý dopadající elektron přináší. Pokud by tam elektrony uvízly, velmi brzy by úspěšně odpuzovaly další přilétající elektrony a obrazovka by za chvíli pohasla. Na vybíjení luminiscenční vrstvy se podílí i druhý děj sekundární emise. Dostatečně rychlý elektron při dopadu na stínítku z něj vyrazí jeden, dva i více elektronů a ty pak letí zpět ke kladně nabité vodivé vrstvě, která zevnitř pokrývá kuželovou část obrazovky. Právě sem je přiváděno vysoké napětí používá se až voltů (v monitorech u počítačů asi 8 kv). Úkol: Přiložte malou feritovou magnetku nebo jiný permanentní magnet na čelní sklo obrazovky a pozoruj změny v obraze! Pokud jste našli odvahu k tomuto experimentu, pak jste zjistili, že obraz se v blízkosti magnetu mírně deformuje a na obrazovce se vytvoří barevné skvrny, které, i když nevýrazně, zůstávají v obraze i po oddálení magnetu. Zbavit se jich můžete tak, že magnetem pohybujete před obrazovku a postupně se vzdalujete, nebo prostě přijímač několikrát vypnete a po chvíli znovu zapnete. Po tomto pokusu víme, že elektrony lze vychylovat magnetickým polem. Na hrdle obrazovky jsou pevně umístěny vychylovací cívky, jimiž protéká střídavý proud. Jedna dvojice cívek vychyluje svazky elektronů vlevo a vpravo, druhá nahoru a dolů. Průběh vychylovacích proudů je přesně definován a přibližně vypadá takto: Obr. Vychylovací proud 20

21 Jeden řádek spotřebuje čas 64 μs, jeden celý obrázek 0,04 s. Také vychylovací proudy nejsou malé: amplituda proudu pro horizontální vychylování je 2,3 A a pro vertikální 1,2 A (pro obrazovku 561QQ22 TESLA). Amplituda napětí na vertikálních cívkách je 1600 V a na horizontálních 200 V. Proud každého ze tří elektronových svazků může dosáhnout až 400 μa a elektrony jsou urychleny napětím až 25 kv. V blízkosti TV obrazovky je dosti silné elektrické pole, které proniká i do prostoru před obrazovkou. Úkol: Nechť je vaše obrazovka poněkud zaprášená. Zaostřete lupu na zrnka prachu na jejím povrchu a zapněte televizi. Co pozorujete? Po zapnutí prachové částice ožijí: některé odlétnou z povrchu, jiné se usadí na skle, přemístí se, zorientují kolmo k povrchu skla. Hliníková vrstva a luminofor mají potenciál anody obrazovky, což je až 25 kv. Málo vodivé sklo představuje velký odpor, přesto povrch skla silně přitahuje zpolarizované částice prachu; některé se nabijí kladně a jsou odvrženy od obrazovky. (Všimněte si povrchu nábytkové stěny vedle televizoru!) Záporně nabité částice obrazovka zase silně přitahuje. Jsou-li ve vzduchu záporné ionty, jsou televizorem přitaženy i ze vzdálenosti desítek centimetrů. Od obrazovky teče iontový proud a lze se o něm snadno přesvědčit. K pokusu potřebujete malou doutnavku, která se používá k signalizaci zapnutí vypínačů nebo spotřebičů (v držadle žehličky) a kondenzátor pf. Tyto součástky spojíte paralelně, k jednomu spoji připevněte 10 cm drátku, který na konci zaostříte a druhý spoj držte v ruce. Tím je tento spoj uzemněn, i když přes velký odpor. Hrotem zamíříte k obrazovce. Pak zapněte televizi a pozorně sledujte doutnavku. S intervalem asi 1 s bude blikat. Kladné ionty nabíjejí kondenzátor a vždy, když jeho napětí překročí zápalné napětí doutnavky, dojde k výboji. Obr. Sonda pro elektrostatické pole Úkol: V doutnavce svítí vrstva plynu u katody. Nabil se kondenzátor kladným nebo záporným nábojem? Úloha: Zápalné napětí doutnavky je 110 V, zhášecí 90 V a doutnavka bliká 1krát za sekundu. Jak velký je průměrný iontový proud? 21

22 Otázka: Pokus se daří jen několik sekund po zapnutí televizoru a probíhá stejně před monitorem počítače. Proč doutnavka nebliká trvale? Eektrony letí v obrazovce po zakřivené dráze asi 50 cm dlouhé. Nesmějí narážet na molekuly plynu, a proto je prostor velmi dobře vyčerpán tlak uvnitř je 10 4 Pa. Úloha: Vypočtěte tlakovou sílu, kterou působí vzduch na čelní stěnu vaší obrazovky! Síly, působící na obrazovku, jsou překvapivě velké. Proto také je obrazovka, a zvláště stínítko, z pevného a silného skla. Celá obrazovka má hmotnost 15 i více kilogramů. Pokud praskne, tlakové síly ji rozmetají do okolí a úlomky mohou způsobit vážný úraz. Displeje z kapalných krystalů Molekuly některých organických sloučenin se i v kapalném stavu uspořádají do pravidelné struktury a pak je takový roztok sice homogenní, ale anizotropní. Taková kapalina se chová do jisté míry jako krystal a například světlo propouští podobně, jako polarizační filtr nebo krystal turmalínu. Proč? Je to způsobeno uspořádáním poměrně rozměrných podlouhlých molekul v kapalině. Je známo uspořádání smektické, nematické a cholesterické. Obr. Kapalné krystaly Ve struktuře smektické jsou molekuly orientovány rovnoběžně a uskládány v pravidelných vrstvách. Nematická struktura má rovnoběžné molekuly, ale vrstvy se částečně prolínají a nejsou pravidelné. Cholesterická struktura má vrstvy, v nichž se orientace pravidelně stáčí a molekuly tvoří jakoby zkroucené žebříčky. Displej z cholesterické kapaliny využívá polarizované světlo, které při vhodné orientaci polarizační roviny projde, v opačném případě je pohlceno. 22

23 Obr. Struktura pasivního displeje Světlo se polarizuje při průchodu horní folií, projde až k zrcadlu a odráží se. Orientované molekuly kapalného krystalu polarizaci nenaruší a světlo úspěšně vyjde ven. Tato plocha je světlá. Na průhlednou elektrodu segmentu a společnou spodní elektrodu přivedeme střídavé napětí. Elektrické pole naruší orientaci molekul, tím se 2krát ruší polarizace světla a tato ploška je tmavá. Vodivé průhledné elektrody jsou z oxidu cínatého SnO, vrstvička kapaliny mezi skly má tloušťku desetiny milimetru. Zobrazovač nesmí zmrznout ani se přehřát. Tento typ displeje se používá například v kalkulátorech. Střídavé napětí na elektrodách má efektivní hodnotu 5 V a frekvenci 50 Hz. Proud je nepatrný - na jeden segment pouze 0,1 μa. Chvíli ale trvá, než segment ztmavne a zase zjasní. Na ztmavnutí potřebuje 120 ms, na zjasnění 350 ms. O tom, že číslice kalkulátoru s LCD displejem pozorujeme v polarizovaném světle, se přesvědčíme pomocí "černého zrcadla". Kousek tabulového skla (10 10 cm) na jedné straně přelepíme černou izolepou, nebo přelepíme černým papírem. Stačí také jednu stranu stříknout černým lakem na auto. Sledujme obraz displeje a otáčejme kalkulátorem na stole. Dvakrát během otočení o 360 displej takřka zmizí a dvakrát je jasně viditelný. Při odrazu od skla se světlo také polarizuje a pokud je již polarizováno, odráží se dobře jen tehdy, pokud polarizační roviny souhlasí. 23

24 Obr. Polarizace Pasivní displeje LCD nemají vlastní zdroj světla a dnes je vytlačují displeje osvětlené zezadu elektroluminiscenční fólií. Obr. Aktivní LCD displej Na rozdíl od pasivních displejů jsou zde dvě polarizační fólie (polarizátor a analyzátor) a kapalný krystal má cholesterickou strukturu. Polarizační roviny polarizátoru a analyzátoru jsou zkřížené a aby světlo prošlo, otáčí kapalný krystal polarizační rovinu světla o 90. Napětí vložené na elektrody změní stočení "žebříčku" molekul kapaliny a světlo neprojde. Elektroluminiscenční fólie obsahuje jako zdroje viditelného světla zrníčka luminoforů - podobně jako barevná obrazovka televizoru nebo monitoru. Nej- 24

25 starší známý luminofor je sirník zinečnatý ZnS doplněný kvůli barvě světla vhodnou příměsí. V jemném polykrystalickém materiálu se v silném elektrickém poli uvolňují elektrony a se zánikem pole se znovu vracejí do obalů molekul. Přebytek energie molekul se vyzáří ve formě fotonů. Intenzita elektrického pole musí dosahovat 100 V.mm 1 a pro trvalou luminiscenci musíme vytvořit střídavé elektrické pole s frekvencí několika set hertz. Elektroluminiscenční fólie má sendvičovou strukturu: Obr. Konstrukce elektroluminiscenční fólie Celá soustava má tloušťku 0,2 mm až 0,5 mm, vyzařuje rovnoměrně v celé ploše a potřebný proud je asi 0,5 ma na cm 2. Displej nevytváří teplo a pracuje spolehlivě od 30 C do + 85 C. Střídavé napětí musí mít ovšem amplitudu okolo 100 V, což v přístrojích s baterií vyžaduje další měniče napětí, které dovedou ze stejnosměrných 6 V až 24 V vyrobit např. 100 V/800 Hz. Typická barva světla je modrá a zelená, jen pro podsvícení velkoplošných displejů k počítačům a dnes i LCD televizorů musí fólie svítí bílým světlem. Jas fólie je dostatečný až 100 cd/m 2 (představte si sto dortových svíček rozestavených na ploše 1 m 2 ). Barevné LCD displeje jsou zatím špičkovým oborem zobrazovací techniky, i když princip zůstává stejný, jako u výše popsaného aktivního LCD displeje. Jeden obrazový bod je tvořen třemi buňkami s kapalným krystalem. Cholesterická kapalina je doplněna organickým barvivem a ve stavu průhledném propouští z bílého světla jen složku jedné barvy. Napětí ovládající každou buňku je spínáno tranzistory, které jsou vytvořeny na společné skleněné podložce a jejich rozměry jsou tak malé, že se skryjí do hran vaniček, oddělujících jednotlivé buňky. 25

26 Obr. Obrazový bod barevného LCD displeje Displej s minimálním rozlišením bodů má tedy celkem = 1,44 milionů tranzistorů a právě tolik miniaturních barevných buněk. Úkol: Zjistěte, s jakým rozlišení pracují notebooky a LCD displeje, které jsou na škole k dispozici! Úkol: Obraz na displeji se obnovuje 100 za sekundu. Jak dlouho smí trvat návrat molekul kapalného krystalu do původního stavu, aby se za pohybujícím objektem na displeji nevytvářely "barevné chvosty"? Kapaliny používané jako kapalné krystaly jsou složité organické látky. Smektickou strukturu vytváří molekuly mýdla při povrchu mýdlové bublinky: Obr. Smektická struktura v mýdlové bláně Při povrchu blány bubliny vně i uvnitř jsou molekuly mýdla ve vodě srovnány, jak ukazuje obrázek a teprve uvnitř je roztok s neuspořádanými molekulami. Mýdla se ovšem pro displeje nehodí; klasickým smektikem je paraethylazoxibenzoát 4,H-bis. Jeho strukturní vzorec zapíší chemici takto (šestiúhelníky zde znamenají benzenová jádra C 6 H 6 ): 26

27 Příkladem nematika je methylbenzyliden p-n-butylanilin se vzorcem Cholesterické kapaliny jsou tvořeny ještě složitějšími molekulami a jako ukázku uveďme pouze cholesterylacetát: Molekuly těchto látek jsou asymetrické a dokáží samy stáčet polarizační rovinu procházejícího světla - jsou opticky aktivní. (Opticky aktivní je i roztok obyčejného cukru ve vodě - chemici jej nazývají přesněji sacharóza.) Plazmové displeje V zobrazovací technice nyní nastupuje další generace plasmové displeje (PDP Plasma Display Panel). Tlak na jejich vývoj začínal již dříve, ale první komerční výrobky byly k dispozici v 90. letech minulého století. Zprvu byly určeny pro velkoplošné zobrazovače, ale technologie je již natolik zvládnuta, že jsou v prodeji plazmové displeje s úhlopříčkou kolem 80 centimetrů. Vývoj šel od velkoplošných panelů k přístrojům vhodným do bytu. Plazmový displej používá výboje v plynu za sníženého tlaku (přibližně 60 kpa až 70 kpa). Mezi přední skleněnou deskou displeje a zadní stěnou jsou umístěny jednotlivé obrazové buňky. Pod skleněnou desku je průhledná vrstva dielektrika, pak následují obrazová a pomocná elektroda. Pod nimi je vrstva oxidu hořečnatého MgO. Je také průhledná a dostatečně vodivá, aby umožnila výboj, ale uzavírá prostor obrazové buňky, plněné argonem. Obrazové buňky jsou vystlány luminoforem, který mění ultrafialové světlo výboje v argonu na barevné složky RGB (červené, zelené a modré světlo). Trojice takových buněk tvoří jeden pixel. Buňky spočívají na další skleněné desce a zespodu jsou vedeny datové vodiče pro každou buňku jeden. Datové vodiče jsou kolmé k vodičům obrazovým a pomocným. 27