L’écran plat : caractérisation & fonctionnement


Hardware / mercredi, octobre 24th, 2018

Caractérisation de l’écran plat

Il peut parfois paraitre opportun de changer l’écran plat d’un portable. Nous verrons quand, pourquoi et comment. Mais afin de connaitre les raisons qui sous tendent les problèmes que l’on peut rencontrer avec les écrans plats, il convient de comprendre leur fonctionnement.

De ce fonctionnement on pourra déduire les différentes pannes qui sont susceptibles de se présenter

Il faut d’abord se poser la question de ce qui caractérise un écran plat

L’écran plat est l’élément de visualisation qui vous permet d’afficher le contenu de votre ordinateur. Oui mais afficher quoi. Du texte, des commandes, des images, des vidéos notamment. Alors comment fonctionne un écran plat est la première interrogation.

Fonctionnement d’un écran plat

Pour afficher quoi que ce soit un écran plat (communément dénommé “dalle”) nécessite d’abord une connectique vers la carte mère et une source d’alimentation qui va dépendre de son type.

Nous allons trouver des écrans plats avec un inverter externe d’autres sans. Le rôle de l’inverter est de transformer le courant provenant de la carte mère en une alimentation propre à être utilisée par l’écran plat. 

En effet ce type de dalle utilisant des lampes à fluorescence, il faut une alimentation particulière.  L’inverter servant à illuminer l’image par l’arrière de l’écran plat.  Ces écrans sont de type LCD (écran à cristaux liquides) et utilisent des lampes dites CCFL (lampes à fluorescence à cathode froide).

Ils s’opposent actuellement aux écrans dits LED qui n’utilisent pas d’inverter, parce qu’il n’ont pas de lampes CCFL. Les écrans LED utilisent justement des LED.

Distinction des écrans plats LCD et LED

On l’a vu donc les écrans LCD utilisent des lampes CCFL, les écrans LED des LED. En terme d’épaisseur les écrans LED sont plus fins. Ils sont également moins lourds.

Mais ce n’est pas la seule différence.  Les lampes à fluorescence des écrans LCD restent en permanence allumées, tandis que les LED ont à la fois une meilleure performance énergétique, et une durée de vie plus longue.

Mais plus encore les LED ne s’allument que quand elles ont besoin de l’être. Ce qui permet à une image représentant la nuit d’être plus sombre sur un écran LED que sur écran LCD.

Les écrans LCD sont également plus longs en terme d’allumage pour obtenir une brillance totale. Et ceci contrairement aux écrans LED et aux WLED.

Pourquoi les couleurs apparaissent sur un écran plat

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, ce n’est pas la dalle elle même qui émet la lumière. Celle ci ne fait que bloquer l’émission de lumière provenant soit de lampe CCFL ou de la LED.

Et n’autorise le passage de la lumière que sur la couleur qui est nécessitée par un pixel. Soit rouge, vert ou bleu. Si c’est le vert que l’on veut afficher la lumière est bloquée sur le rouge et le bleu.

De fait toute panne du rétro éclairage ne permet plus l’affichage normal. On peut toujours apercevoir le fonctionnement de l’écran en utilisant une source de lumière extérieure rasante.

Une panne de rétro-éclairage

C’est ce qui permet de distinguer une première panne celle du rétro-éclairage. Quoique peu fréquente celle-ci est la plus compliquée pas tant à diagnostiquer qu’à réparer. Sa réparation fera l’objet  d’un autre article, celle-ci se décomposant selon qu’il s’agit de LED ou de CCFL. Mais savoir pourquoi n’est pas comprendre comment.

Comment fonctionnent les écrans plats LCD

1 l’état nématique

LCD vous le savez veut dire cristaux liquides. Mais comment des cristaux peuvent ils être liquides ? Il faut le prendre au sens littéral du terme c’est à dire à la fois un solide cristallisé et un liquide.

On se trouve donc en présence d’un état intermédiaire de la matière entre l’état solide et l’état liquide appelé état nématique. Comme dans un liquide les molécules sont rangées sans ordre de position mais globalement parallèles les unes par rapport aux autres.

Ce qui leur permet d’avoir une orientation dans la même direction. De fait l’écoulement du fluide est plus aisément réalisable dans le sens directeur que dans le sens perpendiculaire à celui-ci. Les molécules portant des charges négatives et positives sont donc aptes à être orientées électriquement.

2 l’orientation de la nématique

Selon les coefficients de permittivité les molécules composant la nématique  vont donc s’organiser soit dans le sens directeur soit dans le sens perpendiculaire à celui-ci et créent un champ de polarisation.

Selon l’orientation sous l’effet du courant électrique les cristaux liquides vont donc soit laisser passer la lumière soit la bloquer. (La théorie des cristaux liquides a notamment été étudiée par P.G. de Gennes, et  J. Prost, The Physics of Liquid Crystals, Oxford, Oxford University Press) .

En réalité, il existe (actuellement) 4 états de la nématique, celui qui nous concerne ici étant la nématique torsadée. Le 4ème  état de la nématique dit “torsion-flexion” ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine notamment des écrans plats en permettant des commutations d’état beaucoup plus rapides que celles que nous connaissons actuellement.

On voit souvent indiqué sur les écrans à cristaux liquides les conditions de température et de pression  dans lesquels ils peuvent fonctionner. On trouve là une nouvelle propriété de ces écrans plats.

3 l’état smectique

En dessous d’une certaine température, les cristaux liquides passent à l’état smectiqueLes molécules s’organisent en couches qui peuvent glisser l’une sur l’autre. Les molécules d’une couche peuvent se déplacer à l’intérieur de celle-ci mais ne peuvent migrer vers une autre couche.

C’est la propriété qui est utilisée pour les thermomètres à cristaux liquides qui réagissent selon la température.

4 les modifications de température affectent le fonctionnement

Les écrans à cristaux liquides fonctionnant à certaines plages de température, ne peuvent donc supporter une augmentation de la température de surface.

Ainsi si vous approchiez une lampe à incandescence de la surface d’un écran à cristaux liquides, il se formerait une zone noire qui ne transporterait plus les émissions de lumière. (La reproduction de l’expérience risque d’endommager définitivement votre écran.)

Les cristaux liquides se sont transformés en liquide. Quand la température redescend les cristaux liquides reviennent à leur phase nématique et reprennent leur fonctions. S’il fait trop froid les cristaux se solidifient. Ceci explique la plage de température dans lequel la dalle peut effectivement fonctionner.

5 Résistance mécanique du verre

Le verre qui constitue les couches minces externes de l’écran plat possédant une faible conductivité thermique risque une casse dite thermique. Si par exemple un écran est exposé au soleil et qu’une partie de celui-ci reste à l’ombre, la partie froide empêchera la partie chaude de se dilater totalement.

Ceci génère des contraintes de compression et de traction. Compression pour la partie chaude, traction pour la partie froide. On sait que le verre est moins résistant en traction qu’en compression, de sorte que la traction générée peut se révéler être supérieure à la contrainte de rupture du verre.

Ainsi apparaissent des fractures perpendiculaires au plan de l’écran plat. Celles ci risquent également d’apparaitre si le verre a été griffé, ou si l’un des bords est écaillé ou simplement légèrement détérioré. 

Mais les modifications de pression influent également sur le comportement de la  dalle. 

6 les modifications de pression modifient le comportement

Peut être avez vous déjà tenté l’expérience d’appuyer votre doigt à la surface d’un écran plat. Il se produit une déformation plus ou moins concentrique et vous pouvez observer des couleurs irisées.

Mais la surface du verre ayant un coefficient de déformation limité comme nous l’avons vu ci-dessus, le risque de casse en cas d’impact même très léger est élevé. En effet l’épaisseur de chacune des parois de verre est inférieure à 1mm. Ce qui nous amène à étudier ce qui constitue un écran plat et à quoi servent les différentes couches.

Comment sont constitués les écrans plats

Pour comprendre le fonctionnement du rendu des couleurs, il est important de connaître la constitution des écrans plats. En effet la couleur ne jaillit pas spontanément en fonction de ce qui est choisi. Mais résulte des lois sur l’optique et les propriétés de la lumière polarisée.

Schématiquement ; parce qu’à la fois on a évolué depuis et que tout dépend de votre budget et de ce pour quoi vous utilisez votre écran ; on a 5 couches pour constituer un écran plat.

L’écran est réparti en pixels dont le nombre est déterminé par la structure matricielle. Le nombre de lignes multiplié par le nombre de colonnes donne le nombre de pixels. Ceux ci sont répartis à l’intersection de chaque ligne et colonne. 

Si le nombre de pixels peut varier selon les types d’écrans en revanche les écrans d’un même standard disposent du même nombre de pixels. L’avantage de cette matrice est de pouvoir adresser individuellement chaque pixel puisque l’on connait à la fois son abscisse et son ordonnée. A leur intersection on peut illuminer un seul pixel si on le désire. 

Évidemment, pour augmenter la définition d’un écran on peut augmenter le nombre de pixels sur la matrice. Cependant on atteint  aujourd’hui une certaine limite qui se situe à un pas de 0.21 mm. Ce pas représente une définition de 121 ppp (pixels par pouce) ou son équivalent anglais dpi (dot per inch). 

La partie de l’écran plat face à vous est combinée avec un revêtement permettant l’optimisation du contraste. Puis juste derrière on a un filtre polarisant horizontal, suivi des filtres couleurs, puis des cristaux liquides. Après viennent une couche contenant les TFT (transistors), un filtre polarisant vertical, des diffuseurs lumineux et enfin la source composée de LED. 

1 Rôle des filtres polarisants 

Les filtres polarisants servent à orienter et/ou à bloquer la lumière émise selon son orientation. Ainsi un filtre polarisant vertical bloquera une émission de lumière qui sera polarisée dans le champs horizontal. Tandis qu’elle laissera passer l’émission se situe dans le même plan qu’elle.

Comme on l’a vu précédemment l’application d’un champ électrique conduit les molécules à tourner soit dans le sens du champ directeur soit dans le sens perpendiculaire.

Et justement c’est ce qui induit une propriété particulière des écrans plats. On ne s’en rend pas obligatoirement compte parce que généralement l’utilisateur est face à l’écran. Cependant la vision périphérique sur ce type d’écran est très limitée. 

Si vous consultez le site panelook.com pour un type d’écran, vous verrez indiqué les angles jusqu’auxquels la vision est possible. 

2 Champ de vision d’un écran plat

Il est certain que les services marketing insistent sur le fait que les écrans plats permettent de préserver la confidentialité de l’affichage.

Cependant force est de constater qu’à part les écrans plats de type IPS, l’angle de vision est relativement limité sur les écrans par rapport à la perpendiculaire. On peut constater une modification de la perception des couleurs et une baisse du contraste. Vous pouvez vous en rendre compte facilement en regardant votre écran du dessus par exemple. Il se produit une distorsion des couleurs. 

Dans le plan horizontal l’écran plat est visible à + et -25° sans distorsion et dans le plan vertical à +75° et à -50°. 

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