En este post voy a hablar del funcionamiento del monitor del PC. Sus principales características y el funcionamiento de las distintas tecnologías. Desde los monitores de tubos de rayos catódicos, totalmente obsoletos hoy en día, hasta los distintos tipos de pantallas táctiles. De esta forma, además de conocer el funcionamiento de estas tecnologías, entenderemos cual ha sido la evolución de las mismas.

Monitores CRT

Este tipo de monitor es analógico y hoy en día está totalmente obsoleto. Teníamos el monitor funcionando con señales analógicas, mientras que el resto del ordenador funcionaba con señales digitales. Y esto era básicamente posible porque en la tarjeta gráfica disponíamos de un conversor digital-analógico. Obviamente, este transformaba las señales digitales que la CPU enviaba al monitor, en las correspondientes señales analógicas que entendía el monitor. La conversión en sentido contrario no era necesaria ya que el monitor era un dispositivo exclusivamente de salida.

Aspecto

Este tipo de monitores basaban su funcionamiento en el tubo de rayos catódicos, un dispositivo capaz de lanzar electrones sobre la parte interior de la pantalla. Esta estaba recubierta de puntos de fósforo, que eran excitados cuando los electrones incidían sobre ellos, emitiendo luz.

Monitor CRT

Esto hacía que el monitor tuviera mucha profundidad para poder alojar el tubo de rayos catódicos. Como os podéis imaginar, estas pantallas pesaban bastante, ocupaban mucho espacio en la mesa de trabajo y era imposible colgarlas de la pared. Con la aparición de nuevas tecnologías que no empleaban el tubo de rayos catódicos, aparecieron las pantallas planas.

El tubo de rayos catódicos

Este elemento era el dispositivo clave del monitor CRT. En un extremo del tubo se colocaban varios cátodos, cada uno de los cuales emitía un haz de electrones, los cuales impactaban sobre los puntos de fósforo que se encontraban en el otro extremo del tubo, que resultaba ser el interior de la pantalla. Cada punto de fosforo impactado emitía luz, y de esta manera se iba componiendo la imagen punto a punto.

¿Y porque varios haces de electrones?, se empleaba uno para cada color fundamental: rojo, verde o azul. Los monitores en blanco y negro sólo tenían un haz.

El tubo disponía de unas placas horizontales y otras verticales, colocadas en la trayectoria del electrón. Controlando la carga de estas placas, se controlaba la trayectoria del electrón, consiguiendo que impactara con el punto de fósforo que nos interesara.

Diseño básico de un tubo de rayos catódicos

Funcionamiento del monitor CRT

Después de explicar lo que es un tubo de rayos catódicos, podemos entender como funcionaban los monitores que los empleaban.

Para poder extraer el electrón del cátodo, trabajaban con voltajes muy altos que resultaban mortales. Por lo que estos monitores había que manipularlos de manera adecuada, por técnicos especializados.

El tubo estaba recubierto en su interior por una capa de grafito que cerraba el circuito y devolvía el electrón del haz al cátodo.

Los circuitos de control, compuestas por las placas con unos electroimanes, enfocaban y desplazaban el haz de electrones, que recorría la pantalla e incidía en los puntos de fosforo que nos interesará, que emitían luz y componían la imagen punto a punto.

El ordenador, generaba las señales digitales que eran traducidas a sus correspondientes señales analógicas, y que controlaban los circuitos de control. Lo que hacia era ir recorriendo línea a línea la pantalla, excitando los puntos de fósforo que correspondiera, para generar la imagen.

625 lineas de pantalla CRT

Los más viejos del lugar quizás recuerden un programa de TV llamado 365 líneas, que recibía su nombre del número de líneas que había que recorrer para generar una imagen. Cada línea tenía sus puntos de fósforo, llamados pixeles.

Cada barrido de pantalla completa generaba una imagen, que puede ser asimilada al fotograma de la película de cine. Para generar la sensación de movimiento, igual que en el cine, se presentaban varias imágenes por segundo. Es decir, se realizaban varios barridos de pantalla.

En el caso del monitor CRT a color, se disponía de 3 haces de electrones, uno para cada color básico: rojo, verde y azul. Y por otro lado, en cada pixel teníamos realmente tres puntos de fósforo, cada uno emitía luz en uno de los colores básicos al ser impactado por un electrón del haz correspondiente. Controlando la intensidad de cada haz impactando en cada punto de fósforo, se conseguía el color deseado.

Monitores LCD

En la década de los 70s aparecieron a la venta los primeros monitores LCD (acrónimo del inglés liquid cristal display) que rápidamente fueron sustituyendo a los monitores CRT.

Estos dispositivos deben su nombre al elemento fundamental que permite su funcionamiento, el cristal líquido. Se trata de una materia que permite o no pasar la luz, según su polarización. Es decir, aplicando una determinada corriente eléctrica podemos controlar el nivel de transparencia de esta sustancia, en un rango desde total transparencia a total opacidad.

Supongo que con lo descrito hasta ahora, podemos adivinar el principio de funcionamiento de estos monitores. Básicamente coloco al fondo una fuente de luz, delante de esta una capa de cristal líquido, y voy polarizando el cristal líquido para dejar pasar o no la luz y de esta forma construir la imagen.

Aspecto

Monitor LCD

Los monitores LCD no tenían la profundidad ni el peso de los monitores CRT. Empezábamos a hablar de las pantallas planas, que ocupaban menos espacio en la mesa de trabajo y era posible colgarlas de la pared.

Pero lo que sin duda supuso la ventaja definitiva de estos dispositivos, era que podían ser integradas en nuevos dispositivos como portátiles o teléfonos móviles.

Además, estos monitores consumen menos energía y son más confortable para la vista.

Funcionamiento

Ya he comentado antes el principio de funcionamiento de estos monitores, basado en el aprovechamiento de las propiedades del cristal líquido. Pero para entender bien su funcionamiento, permitidme que introduzca los principales componentes de los monitores LCD:

  1. Fuente de luz: como su nombre indica proporciona la luz y normalmente es un fluorescente frío o un LED.
  2. Los controles eléctricos: La circuiteria eléctrica que nos va a permitir controlar la polarización del cristal líquido. Sin entrar en detalle, lo que controlaremos será una malla de transistores ubicados en la pantalla, en los que se producirán los voltajes necesarios para controlar el comportamiento del cristal líquido.
  3. La pantalla: Donde tenemos el cristal líquido, los transistores y varias capas de filtros. Aquí os dejo el esquema de una sección de una pantalla de monitor LCD para que podáis apreciar todos estos detalles que comento:

Seccion de una pantalla LCD

Como puede apreciarse en la figura, tenemos unos electrodos que nos permiten controlar la polarización del cristal líquido, permitiendo o no pasar la luz. Y tenemos una serie de filtros en los tres colores básico, que nos permiten colorear la luz blanca de la fuente. Haciendo uso de estos dos componentes, podemos controlar la intensidad de luz y el color que queremos en un punto de la pantalla.

De todos modos, vamos a prestar un poco más detalle a como funciona el tema para un punto en concreto. Para ello me ayudaré de la siguiente imagen:

Funcionamiento del Cristal Liquido

Lo primero de todo, la luz blanca atraviesa un filtro que la polariza. Es decir, tras ese filtro tenemos luz polarizada en una dirección, lo que se representa en la figura como un plano de luz. Luego la luz atraviesa el cristal líquido, donde las moléculas del mismo son capaces de orientar la luz. Esta característica del cristal líquido la controlamos aplicando campos magnéticos que inducen a que la sustancia “giré” o no la luz. Los campos magnéticos los controlamos mediante la aplicación de un voltaje. Finalmente tenemos otro filtro polarizado que dejara pasar la luz o no, según la dirección que le hayamos dado desviándola en el cristal líquido.

Pantalla LED

Antes de introducir las pantallas LED, tengo que indicar que no son monitores LCD. Si bien en ocasiones se confunden con aquellos monitores LCD que utilizan LEDs como fuente de luz.

Un LED (Light Emitting Diode) es un diodo semiconductor que en cuando es atravesado por una determinada corriente eléctrica, puede emitir luz.

En los monitores LCD, la fuente de luz era originariamente un halógeno, que en algunos casos ha sido sustituido por un conjunto de LEDs. El principio de funcionamiento de estos monitores sigue siendo el descrito para los monitores LCD, basados en el cristal líquido.

Las pantallas LED tienen un funcionamiento distinto, son los propios LEDs los que conforman el pixel de la imagen. Los circuitos de control excitan electrónicamente los LEDs y componen la imagen punto a punto.

Monitor LED

Este tipo de pantallas se utilizan más para publicidad en grandes displays, visibles a distancia. Para pantallas de ordenador se utiliza más los monitores LCD con retroiluminación LED.

Pantallas táctiles

Las pantallas táctiles suponen un avance cualitativo en las tecnologías de monitores, principalmente porque convierten a este componente en un dispositivo mixto, de entrada y salida. En efecto, el monitor ya no solamente muestra los datos de salida del ordenador, sino que ahora permite que se introduzcan datos y ordenes mediante la pulsación de la pantalla.

Pero, ¿Cómo funciona la pantalla táctil que es sensible a la pulsación del usuario?. En lo referente a la parte de presentación de imágenes en la pantalla, no hay variación significativa sobre lo ya descrito en párrafos anteriores de este post. Es por ello, que me voy a centrar en explicar las distintas tecnologías que se ocupan de capturar la pulsación del usuario, que a la postre son las distintas tecnologías de pantallas táctiles.

Pantalla táctil de infrarrojos

Este tipo de pantallas construyen una malla de señales de infrarrojos por toda la superficie de la pantalla. El principio es sencillo, en uno de los costado vertical coloco una fila de emisores de infrarrojos. En el costado opuesto, tengo un sensor de infrarrojo enfrentado a cada emisor, que recibe la señal. Hago lo mismo para los bordes horizontales, colocando de forma enfrentada emisores y receptores de infrarrojos.

Cuando el usuario pulsa en un punto de la pantalla, esta se curva formando un pequeño hoyo en el punto de pulsación, que interrumpe la luz de varias señales de infrarrojos. Automáticamente, los correspondientes sensores de infrarrojos no recibirán señal. Y el sistema será capaz de localizar el punto de pulsación en la pantalla, a partir de la posición de los sensores que han dejado de recibir la señal.

Creo que la siguiente imagen ayuda a apreciar este funcionamiento:

Pantalla táctil de infrarrojos

Este tipo de pantallas tiene la ventaja que se pueden tocar con cualquier tipo de objeto que haga la suficiente presión sobre la pantalla. Por ejemplo, podemos usarla con guantes. Además, pueden ser multitouch, es decir, admitir varias pulsaciones simultaneas.

Pantalla táctil resistiva

En el caso de la pantalla táctil resistiva, tenemos dos capas transparentes que son conductoras. Colocadas una frente a la otra, ubicadas directamente sobre la pantalla. Ambas capas están muy próximas y la capa inferior tiene una malla de electrodos.

Cuando se produce una pulsación sobre la pantalla, la capa superior se curva contactando con la inferior, realizándose una conexión eléctrica. Lógicamente, en el punto de contacto, detectaremos un cambio de la resistencia de la malla de electrodos.

La disposición de los electrodos es en ambas direcciones, horizontal y vertical. A partir de la variación de la resistencia en dichos electrodos, podemos determinar las coordenadas horizontal y vertical de la pulsación.

La imagen siguiente ayuda a entender el funcionamiento de este tipo de pantallas táctiles:

Pantalla táctil resistiva

Este tipo de pantalla son bastante baratas y resistentes. El problema es que pierden brillo rápidamente y son más gruesas que las otras.

Pantalla táctil capacitiva

La pantalla capacitiva basa su funcionamiento en la capacidad del ser humano de conducir electricidad.

En realidad, lo que se hace es convertir la pantalla en un condensador. Para ello, recubrimos el panel de vidrio de la pantalla con un conductor que tiene que ser transparente. Esta podría ser considerada una de las placas del condensador, la otra es una malla de conductores enfrentada a la primera. Cuando un usuario pulsa la pantalla, se genera un campo electrostático en torno al punto de pulsación, que es captado por el dispositivo.

Pantalla táctil capacitiva

Este tipo de pantallas tienen una calidad muy alta y son multitouch, pero son bastante más caras y no pueden ser usadas con punteros normales.

NOTA:

Este post es parte de la colección “Arquitectura de Sistemas” que reproduce los apuntes de la clase que imparto sobre el tema en ESIC. Puedes ver el índice de esta colección aquí.