التربية والثقافة وحقوق التلميذ من طارق بن زياد: كيف يعمل التلفزيون +فكرة عمل شاشات البلازما

يعتبر التلفزيون واحد من أهم القوى المؤثرة في العصر الحالي حيث يمكنك من خلاله معرفة الأخبار السياسية والأوضاع الاقتصادية وأخبار الرياضة والطقس أو قد تستخدمه للتسلية ومشاهدة البرامج الترفيهية فقد وجد انه في المتوسط يقضي الناس ما بين ساعتين إلى خمس في مشاهدة التلفزيون كل يوم. هل فكرت يوما في التكنولوجيا التي أنتجت مثل هذا الجهاز وكيف يمكن لمئات من القنوات أن تصل لبيتك تحمل أحداثا كاملة الحركة والصوت وغالبا مجانا؟ ما هي الإشارة التي تبثها محطات الإرسال وكيف يستقبلها جهازك و يفك شيفرتها ليحولها إلى صورة متحركة؟ إن كنت تساءلت يوما حول كل هذا أو حتى حول شاشة كمبيوترك قد تجد هنا تفسيرا.

لنبدأ ببعض الملاحظات السريعة حول عمل الدماغ في رؤية الصور المتحركة حيث ان هناك حقيقتين للدماغ انبثقت منهما فكرة عمل التلفزيون. لنفترض انك تشاهد جزء من فيلم على شاشة التلفزيون أو شاشة الكمبيوتر ولنفترض ان جزء من هذا المشهد هو المبين في الشكل 1.

شكل 1 يبين على اليمين صورة لمشهد فيديو يعرض على شاشة التلفزيون، وعلى اليسار تكبير لجزء من الصورة

الحقيقة الثانية المرتبطة بعلاقة التلفزيون مع الدماغ هي أنك إذا قسمت أي مشهد متحرك إلى مجموعة متتابعة من الصور الثابتة ثم عرضت هذه الصور في تتابع سريع جدا سيقوم الدماغ بتجميعها ليعيد تكوين المشهد المتحرك.

على سبيل المثال لو قمت بالتحكم بجهاز الفيديو ليعرض المشهد ببطء شديد جداً فإنك تلاحظ أن كل مشهد يختلف عن المشهد التالي اختلافا طفيفا وعند تحريك هذه المشاهد بسرعة مناسبة لتصل الى 15 اطار في الثانية فإن الدماغ سيقوم بتجميعها ليكون منها مشهد متحرك. لاحظ أن 15 اطار في الثانية هو الحد الأدنى المقبول حيث إن اقل من ذلك سيكون عرض الفيلم متقطع.

عندما تشاهد التلفزيون فإن هاتين العمليتين تحدثان معا حيث يقوم دماغك بتجميع النقاط المختلفة لكل صورة ثابتة ليكون منها صورة كاملة ثم يقوم بتجميع الصور الثابتة المتلاحقة ليكون منها مشهد متحرك. بدون هاتان الحقيقتان ما كان ليكون هناك تلفزيون بالشكل الذي نعرفه الآن. ولنتعرف الآن على فكرة عمل التلفزيون.

أنبوبة أشعة المهبط cathode ray tube

الشكل 2 يوضح مكونات انبوبة أشعة المهبط

إذا نظرت إلى أنبوبة أشعة المهبط في تركيبها الأساسي الموضح بالرسم في الشكل 3 ستجد أنها لا تحتوي على أي وسيلة لتوجيه الالكترونات فالشعاع دائما سيسقط على نقطة صغيرة في منتصف الشاشة. لهذا السبب تلاحظ إن أنبوب أشعة الكاثود المستخدم في أجهزة التلفزيون يكون دائما ملفوف بملفات نحاسية كما هو واضح في الصورة المقابلة. عندما يمر تيار كهربي في الملفات النحاسية يتولد عنه مجال مغناطيسي يمكنه أن يوجه شعاع الالكترونات حسب اتجاه و شدة التيار المار به.

شكل 3 صورة لاجزاء انبوبة اشعة المهبط موضح بها الملفات النحاسية التي تولد المجال المغناطيسي

يوجد دائما مجوعتين من الملفات المجموعة الأولى تتحكم في المسار الأفقي لشعاع الالكترونات ويكون مصدر التيار الذي يغذي هذا الملف النحاسي هو الشعاع الكهرومغناطيسي المرسل من محطة الإرسال ويحمل خصائص الصورة وعندما يستطدم بالهوائي (antenna) يتحول إلى إشارة كهربية تغذي الملف النحاسي. و المجموعة الثانية تتحكم بمساره الرأسي وهي إشارة كهربية على شكل سن المنشار ويتحكم بها دائرة الكترونية في جهاز التلفزيون.

التلفزيون الأبيض و الأسود

الشكل 4 مسار الشعاع الإلكتروني لمسح شاشة التلفزيون لرسم الصورة.

عندما يتحرك الشعاع من اليسار إلى اليمين تتغير شدته تبعا للصورة التي يرسمها بحيث تنتج عنه حين يسقط على الشاشة نقاط متباينة من الأسود للأبيض مرورا بالرمادي ولأن هذه النقاط صغيرة ومتقاربة جدا يقوم الدماغ بتجميعها ليكون منها صورة كاملة. غالبا ما تحتوي شاشة التلفزيون على 480 خط من الأعلى للأسفل.

التلفزيونات العادية تستخدم تقنية تسمى interlacing لمسح الشاشة حيث يمسح شعاع الالكترونات الشاشة 60 مرة في الثانية ولكنه يمر فقط بنصف الخطوط في كل مرة فمثلا يقطع الخطوط الفردية من أعلى الشاشة لأسفلها إلى أن ينتهي يعود للأعلى ليمر بالخطوط الزوجية و بالتالي فان كل خط يرسم 30 مرة كل ثانية.

التقنية البديلة لذلك هي progressive scanning و فيها يرسم كل خط من خطوط الشاشة 60 مرة في الثانية و هي الأكثر استخداما في شاشات الكمبيوتر لأنها تقلل الاضطراب.

عندما تبث محطة الإرسال إشارة تلفزيونية لجهازك أو عندما تعرض فيلم من شريط فيديو فلابد للإشارة أن تشبك بالدوائر الالكترونية التي تتحكم بشعاع الالكترونات حتى يستطيع إن يرسم على الشاشة بدقة الصور التي تأتي من محطة الإرسال أو جهاز الفيديو. وهذا يعني أن الإشارة التي تصل لتلفزيونك لابد أن تحتوي على ثلاث أجزاء مختلفة:

Intensity information معلومات تتحكم بشدة شعاع الالكترونات إثناء رسمه للخطوط عبر الشاشة من اليسار لليمين.

horizontal-retrace signal وهي التي تحدد الزمن الذي يجب عنده أن يعود الشعاع لليسار من جديد عند نهاية كل خط.

vertical-retrace signal وهي إشارات ترسل 60 مرة في الثانية لتحرك الشعاع من الزاوية السفلية اليمنى للزاوية العلوية اليسرى.

الشكل 5 اجزاء اشارة التلفزيون المرسلة

الإشارة التي تحتوي على هذه المعلومات الثلاث تسمى composite video signal وهي كما بالشكل 5 حيث تكون horizontal-retrace signal عبارة عن ومضات مدتها 5 ميكرثانية بفرق جهد مقداره صفر حيث تلتقطها الالكترونيات داخل التلفزيون و تستخدما للتحكم في حركة شعاع الالكترونات إثناء عودته عند نهاية كل خط. بينما الإشارة الأصلية التي تتحكم بشدة شعاع الالكترونات إثناء رسمه لكل خط هي عبارة عن موجات تتغير ما بين 0.5 فولت إلى 2 فولت حيث يمثل 0.5 فولت اللون الأسود بينما 2 فولت تمثل اللون الأبيض. vertical-retrace signal هي ومضات مشابهة لتلك التي تتحكم بالمسار الأفقي و لكن مدتها تكون ما بين إلى 400 إلى 500 ميكروثانية.

التلفزيون الملون

تختلف شاشة التلفزيون الملون عن شاشة التلفزيون الأبيض و الأسود في ثلاث أشياء هي على النحو التالي:

(1) بدلا من شعاع الالكترونات الواحد يوجد ثلاث أشعة تقطع الشاشة في آن واحد و هي الشعاع الأحمر والأخضر والأزرق. وهي الألوان الأساسية والتي تختصر بـ RGB

(2) الشاشة ليست مطلية بطبقة واحدة من الفسفور وإنما مغطاة بقطاعات أو نقاط من الألوان الأحمر والأزرق و الأخضر كما في الشكل 6.

الشكل 6 يوضح طبقة الفسفور المكونة من الالوان الاساسية الثلاثة الأحمر والأخضر والأزرق

شكل 7 فكرة عمل قناع الظل لاظهار الالوان في التلفزيون الملون

تختلف الإشارة التلفزيونية الملونة عن تلك المرسلة للتلفزيون الأبيض و الأسود في أنها تحمل إشارة تشبع ضوئي ال chrominance signal تنتج عن تحميل موجة جيبية ترددها 3.579545 ميجاهيرتز على إشارة التلفزيون الأبيض و الأسود الأصلية. هنا تضاف ثمان دورات من هذه الموجة مباشرة بعد الإشارة الخاصة بتزامن المسح الأفقي و العمودي لشعاع الالكترونات و تكون هي مصدر اللون في الإشارة التلفزيونية حيث عند نهاية الدورة الثامنة تحدد اللون بمعرفة طور الموجة بينما درجة اللون تتحدد من شدة الموجة. الشكل 8 يوضح الاشارة التلفزيونية الملونة المرسلة.

شكل 8 يوضح الاشارة التلفزيونية الملونة المرسلة

بينما يتخلص التلفزيون الأبيض و الأسود من هذه الإشارة فان التلفزيون الملون يلتقطها ويفك شيفرتها ويضيفها إلى الإشارة الأصلية المشتركة بينه وبين التلفزيون الأبيض والأسود والتي تتحكم بشدة شعاع الالكترونات.

مصادر الإشارة التلفزيونية

الآن بعد أن تعرفت على تركيب التلفزيون و عرفت مما تتكون الإشارة التلفزيونية نكون قد وصلنا للجزء الأخير والذي سنتحدث فيه فقط عن الطرق المختلفة التي تصل بها الإشارة التلفزيونية إلى جهازك والتي غالبا ما تعرفها و هي :

الهوائي العادي أو ما يعرف باسم الانتينا و الذي يستقبل البث التلفزيوني من المحطات التقليدية.

جهاز الفيديو

هذا في حالة استقبال الإشارة من خلال محطة بث عادية لكن لو كنت ستشاهد البرنامج عن شريط فيديو فان جهاز الفيديو يحتوي على دائرة الكترونية تقوم بتحويل الإشارات الخاصة بالصورة و الصوت المحفوظة على الشريط إلى إشارات مماثلة لتلك التي ترسلها محطات الإرسال و لكنها فقط تكون مناسبة لواحد من قنوات التلفزيون.

تلفزيون الكوابل وتصل إليه إشارات تلفزيونية عن طريق الكوابل إلى جهاز الرسيفر ليفك شيفرتها و تذهب إلى مدخل الانتينا التقليدي بعد ذلك.

في تلفزيون الكوابل يكون هناك عدد كبير جدا من القنوات التي تنتقل إشاراتها عبر الكابل إلى بيتك و لكن الشارات تكون مشفرة بحيث تحتاج إلى ما يسمى جهاز الرسيفر ليفك شيفرتها ويحولها إلى إشارة تلفزيونية عادية ثم تدخل إلى جهاز تلفزيونك من خلال مدخل الهوائي العادي إلى إحدى القنوات فقط.

Large satellite dish antennaوهي الأطباق التي تعتمد على الأقمار الصناعية وقد يصل قطرها ما بين 6-12 قدم.

في الأطباق لكبيرة المعتمدة على الأقمار الصناعية فانك في البداية توجه الطبق إلى احد الأقمار الصناعية ثم تختار احد القنوات التي يبثها ثم يقوم جهاز الرسيفر باستقبال الإشارة ويفك شيفرتها و يحولهه لإشارة تلفزيونية عادية تستقبلها احد محطات تلفزيونك.

Small satellite dish antennaوهي ذات قطر صغير ما بين 1-2قدم

في حالة الأطباق الصغيرة فان الإشارات التلفزيونية تشفر وتحول إلى ملفات MPEG-2 ترسل إلى الأرض حيث يقوم جهاز الرسيفر بجهد كبير لفك شيفرتها و تحويلها إلى إشارة تلفزيونية يدركها جهازك.

ربما تكون الآن قد شعرت بالملل فمشاهدة ذلك الجهاز الجميل و متابعة برامجه المسلية لم تكن بحاجة لكل هذا الجهد لفهم كيف يعمل ولكن أحيانا حين نفهم بعض الأشياء تعجبنا أكثر وربما نحبها أكثر.http://www.hazemsakeek.com

فكرة عمل شاشات البلازما

مبدأ عمل شاشات البلازما يعود إلى العام 1964 في جامعة الينويز الأمريكية، ولم تكن الفكرة اكبر من شاشة مكونة من نقطة ضوء تم منذ ذلك اوقت وحتى نهاية الستينات العمل على تطوير شاشة متكاملة من نقط الضوء هذه وهذه الشاشة كانت صغيرة وتعطي صور غير واضحة وكانت فكرة الحصول على شاشة مسطحة وكبيرة وجودة عالية في ذلك الوقت كمشهد من الخيال العلمي، ولكن مع تطور العالم الرقمي تم الوصول إلى شاشات عالية الجودة وتغطي مساحة كبيرة حديثا سمعنا على شاشات تلفزيونية من نوع اخر تسمى شاشات البلازما plasma flat panel display هذه الشاشات يمكن ان تصل الى 60 انش أو أكثر وسمكها لا يزيد عن 15 سنتيمتر ويمكن تعليقها على الجدار كالصورة هذا بالاضافة إلى العديد من المزايا والخصائص التي تعطي رفاهية ومتعة مشاهدة أكثر من التلفزيونات التقليدية.

وللتعرف اكثر على فكرة عمل هذه الشاشات التي بدأت تنتشر بكثرة يجب اولاً أن نلقى بعض الضوء على فكرة عمل الشاشات التقليدية. فمنذ أكثر من 70 عاماً اعتمدت اجهزة التلفزيون على شاشات الكاثود Cathod ray tube. حيث تتكون شاشات الكاثود من مدفع الكتروني في انبوبة مفرغة وتنطلق الالكترونات المعجلة باتجاه شاشة فسفورية، وباستخدام مجالين كهربيين متعامدين يمكن مسح الشعاع الالكتروني على الشاشة بمعدل يصل الى 25 مرة في الثانية، تعمل الالكترونات عند سقوطها على ذرات الفسفور المونة للشاشة على اثارتها مما تجعلها تعطي ضوء لتتخلص من اثارتها. هذا الضوء المنبعث من تلك العناصر الضوئية (ذرات الفسفور) تكون الصورة التي نشاهدها. هذه الصورة التي نحصل عليها من شاشات الكاثود صورة واضحة ومقبولة ولكن حجم الشاشة الكبير مما يعني عمق كبير لجهاز التلفزيون ويصبح الجهاز ثقيل ويشغل حيز كبير من الغرفة الموجود بها.

ماهي البلازما؟

نعلم ان شاشات الكاثود في التلفزيون الملون تعمل من خلال تقسيم الشاشة إلى مربعات صغيزة تسمى البكسل pixelوهو عنصر الصورة ويكون هناك ثلاثة بيكسلات لكل من الالوان الاساسية وهي الأحمر والأخضر والأزرق وتكون موزعة على مساحة الشاشة وعند اصطدام الالكترونات بأي من هذه البكسلات يعطي ضوء بلون البكسل وهذا يكون الصورة

تعمل شاشات البلازما بنفس الآلية حيث يوجد يتكون كل بكسل من ثلاث ألوان (الأحمر والأخضر والأزرق) ولكن لا يوجد الشعاع الالكتروني ولا يوجد الشاشة الفوسفورية انما يتم توليد هذه الالوان الثلاثة في كل بكسل من خلال fluorescent lights ضوء فلورسنت ومن خلال التحكم ودرجة شدة كل ضوء فلورسنت ينتج اللون المطلوب وهذا يحدث على كل بكسلات الشاشة وعندها تتكون الصورة الكاملة.

يتم توليد ضوء الفلورسنت من خلال البلازما، والبلازما هي غاز متأين حيث تكون ذرات الغاز منزوعة منها الكتروناتها ويصبح الغاز مكون من ايونات موجبة الشحنة والكترونات سالبة الشحنة. وبالطبع هذا الغاز (البلازما) يحدث في ظروف خاصة مثل أن يكون الغاز داخل مجال كهربي كبير ناتج عن فرق جهد عالي مما يؤدي إلى انجذاب الالكترونات إلى الطرف الموجب والأيونات إلى الطرف السالب فتصطدم الالكترونات مع الايونات مما يؤدي الى أثارة ذرات الغاز في البلازما وينتج عن هذه الاثارة تحرر طاقة في صورة فوتونات ضوئية كما هو الحال في المصابيح الفلوريسنت التي نستخدمها للاضاءة.

يتم في شاشات البلازما استخدام غاز مكون من ذرات النيون وذرات الزينون وعند اثارة هذا الغاز بالطريقة سابقة الذكر نحصل على فوتونات في مدى الترددات الفوق بنفسجية التي لا ترى بالعين المجردة ولكن هذه الفوتونات تستخدم للاثارة للحصول على فوتونات بترددات في المدى المرئي.

نظرة أعمق في فكرة عمل شاشات البلازما

تتوزع ذرات النيون وذرات الزينون على ألاف الخلايا المحصورة بين لوحين من الزجاج المنطقة رقم (2) و (6) الموضحة في الشكل. يتصل باللوح الزجاجي الأمامي (2) الكترود يسمى الكترود العرض Display Electrode ويتصل باللوح الزجاجي الخلفي (6) الكترود العنونة Address Electrode. وبالتالي تصبح كل خلية ضوئية (تحتوي على ذرات النيون والوينون) محاطة بالكترود العرض من الامام والكترود العنونة من الخلف.

تحيط مادة عازلة غير موصلة للكهرباءdielectric material الكترود العرض ومغطاة بطبقة واقية من اكسيد الماغنيسيوم لتكون بين الخلية الضوئية ولوح الزجاج الأمامي.

كما هو موضح في الشكل المقابل اللون الأصفر للالكترود الأمامي والخلفي والخلايا ضوئية الموضحة باللون الأزرق ويوجد بجانبها خلية ضوئية خضراء وأخرى حمراء، كذلك موضح الطبقة الواقية الشفافة من MgO.

بنظرة شمولية اكثر نلاحظ في الشكل التالي كيف تترتب الخلايا الضوئية على مساحة الشاشة وتقسم الشاشة الى وحدات صغيرة تسمى عناصر الصورة وتدعى بكسل وكل بكسل عبارة عن ثلاثة خلايا ضوئية للألوان الأحمر والأخضر والأزرق. ونلاحظ أيضا اشرطة الالكترود (اللون الاصفر) بحيث تكون مرتبة في صفوف متوازية ويكون الكترود العنونة ممدد على طول الخلايا الضوئية ذات اللون الواحد ويكون الكترود العرض ممددا على طول البكسل.وهذا يكون على طول وعرض الشاشة مما يشكل في النهاية شبكة من الالكترود

وعملية تأين الغاز في داخل اية خلية ضوئية يتحكم فيه كمبيوتر خاص للشاشة حيث يتحكم في توجيه الشحنة الكهربية الى الالكترودين المتعامدين فيحدث التفريغ الكهربي في تلك الخلية وتتكرر هذه العملية الاف المرات في جزء من الثانية.

عندما يشحن الالكترودين المتعامدين (المتقاطعين) يصبح هناك فرق جهد بينهما فيمر تيار كهربي في تلك الخلية الضوئية التي تحتوي غاز النيون والزينون فيتأين الغاز ويتحول إلى بلازما وتنطلق اشعة كهرومغناطيسية (فوتونات) فوق بنفسجية.

تعمل الاشعة الفوق بنفسجية المنطلقة من البلازما على اثارة المادة الفسفورية المغلفة للخلية الضوئية حيث تمتص الكترونات ذرات الفسفور فوتون الاشعة فوق البنفسجية وينتقل الالكترون الى مستويات طاقة أعلى وعند عودة الالكترون المثار الى مستوى طاقته الأصلي يعطي ضوء في المدى المرئي.

كما ذكرنا سابقا فإن كل بكسل مكون من ثلاث خلايا ضوئية وكل خلية ضوئية مغلفة من الداخل بمادة فسفورية تعطي ضوء أحمر والثانية تعطي ضوء أخضر والثالثة تعطي الضوء الأزرق (أي أن هناك ثلاث انواع مختلفة من الفسفور لكل خلية ليعطي الألوان الأساسة).

وبالتحكم بشدة تيار النبضات الكهربية الموجهة بواسطة الكمبيوتر إلى الخلايا الضوئية المختلفة يمكن الحصول على خليط من الألوان الاساسية لتعطي في المحصلة كل الالوان الممكنة. وحيث أن التحكم يصل إلى كل بكسل فإن الصورة الناتجة من الشاشة ذات دقة عالية مهما كانت الزاوية التي ننظر إليها إلى الشاشة.