Тема 3. Типи принтерів і їх принципи роботи

Класифікація друкуючих пристроїв

Залежно від призначення дані пристрої поділяють на дві нерівнозначні за кількістю групи: принтери і плотери.

Принтер (від англійського слова print — друкувати) — пристрій для виведення з комп'ютера текстової або графічної інформації на твердий носій — папір, плівку і т. п. Призначені принтери для роботи, як правило, з носіями, розмір яких не перевищує формат A3.

Плотери (від англійського слова plot — план, креслення) — теж можуть виводити на тверді носії текстову або графічну інформацію. Але в основному призначені для роботи з графікою. Використовуються для друку креслень, ескізів, плакатів та інших зображень великих розмірів, як правило, більших за формат A3. За принципами, що лягли в основу конструкцій сучасних плотерів, вони мало чим відрізняються від принтерів. Наприклад, найбільш розповсюдженими плотерами є пристрої, що використовують струминну технологію. У даній статті будуть розглянуті технології, які реалізуються в принтерах, призначених для індивідуальних користувачів, невеликих офісів, закладів освіти.

Принтери залежно від їхніх технічних характеристик та методів нанесення зображення, розділяють на групи або типи (рис. 1). За методом нанесення інформації на носій принтери можна поділити на ударні та безударні. В ударних принтерах, до яких відносяться літерні («символьні» або «ромашкові») та матричні, нанесення інформації на носій здійснюється шляхом механічного натискання певного символу або голки на носій. В безударних пристроях інформація відображається шляхом нанесення на носій чорнил або порошку. До принтерів цього класу відносяться струминні, лазерні та світлодіодні, термографічні (термічні). Літерні принтери — це, фактично, звичайні електрифіковані друкарські «машинки». У нинішній час вони вже не використовуються. За кольоровими характеристиками принтери поділяють на кольорові та монохромні.

Сучасні принтери є складними багатофункціональними пристроями. Як правило вони мають свою систему обробки інформації і керування апаратурою друку, власний процесор, постійну й оперативну пам’ять, декілька варіантів систем під⁴єднання до комп’ютера, умонтовані програми покращення зображення. Більш потужні принтери оснащуються платами мережі та спеціальним програмним забезпеченням, яке дозволяє обслуговувати декілька комп’ютерів, об'єднаних у єдину мережу. Існують також пристрої, які поєднують можливості копіювальних апаратів, принтерів, сканерів, факсів і т. д.

 

Матричні принтери

Матричні принтери найбільш «старі» за віком з тих, що нині випускаються, і коло їх застосувань з кожним роком зменшується. Матричні принтери заявилися у 1971 році, їх уперше виготовила американська фірма «Сентронікс». На кінець 70-х років минулого століття матричні принтери стали основними на ринку принтерів.

Принцип дії матричного принтера зводиться до створення на носії зображення символів або графіки за допомогою окремих точок, які наносяться з використанням спеціальних стержнів (голок). Під управлінням драйвера друку стержні в певний момент часу ударяють по фарбуючий стрічці, яка розміщена в проміжку між стержнями і папером, і залишають на папері слід — точку. Сукупність розміщених у певному порядку точок і створює потрібне зображення (рис. 2).

Основним елементом матричного принтера є друкуюча головка, у якій вертикально в один, два або три ряди розміщуються друкуючі стержні (голки). Існують 9-ти та 24-ох голчаті головки. Друкуюча головка рухається горизонтально вздовж рядка майбутнього зображення короткими ривками. Довжина переміщення відповідає горизонтальному кроку матриці. Під час кожної, дуже короткої, зупинки електромагніти виштовхують сукупність голок, які переносять фарбу зі стрічки на папір.

Під час друку текстової (символьної) інформації застосовується система кодів принтера, яка дозволяє використати заздалегідь підготовлений набір шрифтів. Кожен із символів шрифту моделюється за допомогою шаблонної сітки — «матриці» (звідки й назва типу принтера — «матричний»). Приклад одного з варіантів такої сітки із зображенням малої літери «р» представлено на рис. З а. Для друку більш якісного зображення крок друку зменшується і зменшується швидкість друку (див. рис. З б). Якщо використовується головка з одним рядом голок (9-ти голковий принтер), то високоякісне зображення створюється за два-три проходи друкуючої головки по рядку.

Система кодів і команд, які використовуються для друку символів, записується у процесі виготовлення принтерів у їх постійну пам’ять. Разом з тим, більшість сучасних матричних принтерів дозволяють користувачеві програмувати свої варіанти символів.

Для кольорового друку в матричних принтерах використовується багатокольорова стрічка, на яку нанесено декілька смужок різних фарб. Однак, якість зображення залишається дуже низькою.

Суттєвими недоліками матричних принтерів, є низька роздільна здатність (низька якість друку), відносно низька швидкість друку, неможливість якісно передавати відтінки зображення, високий рівень шуму. Водночас, матричні принтери надійні й економічні, невибагливі до якості паперу, на якому здійснюється друк та дозволяють за допомогою копіювального паперу виготовляти одразу декілька копій. Тому до цього часу вони широко використовуються у ході друку квитків (наприклад, на залізниці), різноманітних квитанцій, чеків, тобто там, де друкується тільки текст і вимоги до його якості незначні. Головна їхня перевага — простота, дешевизна і надійність.

Лазерні принтери

Лазерні принтери широко розповсюджені на сучасному ринку, вони мають високу якість та швидкість і невисоку ціну друку.

Історія розвитку лазерних принтерів починається з 1969 року, коли Гаррі Старквезер (Gary Starkweather), співробітник фірми «Xerox», продемонстрував можливість перенесення зображення на папір за допомогою лазерного променя. У прототипі першого принтера, розробленого «Xerox» (1972 p.), був використаний гелій-неоновий газовий лазер у поєднанні з модифікованим копіювальним апаратом «Xerox 7000». Система друкувала з роздільною здатністю 500 точок на дюйм і швидкістю 1 сторінка за секунду. У 1977 році випущений перший комерційний лазерний принтер «Xerox 9700». Він мав унікальну швидкість друку — 120 сторінок за хвилину і немалу вартість — 350 тисяч доларів.

Основним елементом лазерного принтера є барабан з нанесеним на нього фоточутливим матеріалом (рис. 4). Лазерна установка генерує тонкий світловий промінь, який відбиваючись від дзеркальної призми, що обертається, потрапляє на барабан і змінює його електричний заряд у точці падіння. Інтенсивність лазерного променя для кожної точки змінюється, що впливає на величину електричного заряду. Далі на барабан наноситься тонер — спеціальна фарба в порошковому вигляді. Кількість порошку, що прилипає до поверхні, залежить від величини заряду в певній точці. Під час подальшого обертання барабан притискається до листка паперу, поверхня якого попередньо

електризується. Тонер прилипає до поверхні паперу і створює на ньому потрібне зображення. Однак, процес друку ще не завершений. Для фіксації порошку на папері лист пропускається між роликами, які розігріті до температури близько 180°С (так звана «пічка» або «ф'юзер»). Тонер «запікається» на папері і тепер йому ні волога, ні пряме сонячне проміння не завдає шкоди.

Дуже близький за принципом дії світлодіодний принтер (випускається фірмою OKI). Єдиною принциповою відмінністю є те, що електризація фотоциліндра відбувається не рухомим променем лазера, а світлодіодами, розміщеними в один ряд уздовж циліндра. Кількість світлодіодів у лінійці визначає горизонтальну роздільну здатність принтерів такого типу.

Лазерні та світлодіодні принтери бувають монохромні та кольорові. Кольорові принтери вимагають використання тонера різних кольорів. Як правило, використовуються блакитний, малиновий та жовтий. Для друку монохромних зображень використовується ще і стандартний чорний тонер (так звана кольорова схема CMYK — від Cyan (синій), Magenta (малиновий), Yellow (жовтий), blасК (чорний)). Відповідно потрібні і чотири окремі системи нанесення тонера на папір. У цьому випадку загальний принцип дії залишається таким же.

У більшості випадків у кольорових лазерних принтерах використовуються системи, які наносять кожен вид тонера за окремий прохід паперу. Це вимагає покращеної системи переміщення паперу і збільшує загальний час друку.

Для покращення зображення окремими фірмами-виробниками запатентовані і використовуються оригінальні технолога. До основних з них відносяться такі.

Технологія змінного розміру точки і збільшення кількості відтінків. За рахунок зміни діаметра світлового (лазерного) променя і його інтенсивності є можливість варіювати величину окремого пікселя і насиченість фарби певного кольору в кожній точці. Першовідкривачем цієї технології, названою Ret, є Hewlett Packard. Аналогічні технології були розроблені й іншими виробниками: Apple (PhotoGrade), Lexmark (ColorGrade), Xerox (Intelligent Colour 2.0) та ін.

Технологія Direct-to-Drum. Ще одна розробка фірми Hewlett Packard. Основна ідея її в нанесенні тонера різних кольорів на один світлочутливий барабан. Тонер по черзі наноситься на барабан і одночасно відбувається змішування кольорів. Потім зображення переноситься на папір і запікається.

Технологія однопрохідного друку. Розроблена фірмою OKI. За рахунок використання малих за розміром лінійок світлодіодів конструкторам удалося розмістити чотири елементи створення зображення в одну лінію. Це дозволяє нанести тонер чотирьох різних кольорів за один прохід паперу. Це значно збільшує швидкість друку.

Отже, відзначимо ще раз, що основними перевагами лазерного друку є: висока якість, порівняно низька вартість друкованої сторінки (особливо для монохромного друку), висока швидкість, низький рівень шуму, висока надійність усієї системи.

Однак, самі принтери коштують значно дорожче інших типів.

Струминні принтери

Технології струминного друку за останнє десятиліття розвивалися дуже динамічно. Характеристики друку покращились у декілька разів. За швидкістю та якістю друку струминні принтери не посту­паються лазерним, а за вартістю кольорового друку перевищують останні.

Науковий фундамент технології струминного друку заклав у кінці XIX століття лауреат Нобелівської премії з фізики лорд Рейлі. В основі його роботи з розпаду струменів рідини і формування крапель лежала ідея про те, що струмінь сам намагається розпастись на окремі краплі. Перші струминні принтери (кінець 40-х — перша половина 70-х років XX століття) використовували технологію неперервного розпилювання фарби. Для створення зображення використовувались різні способи зміни кіль­кості крапель (фарби), що долітала до поверхні носія в певній точці. Основним недоліком такого способу була величезна витрата чорнил.

У 1977 році фірма «Siemens» випустила на ринок принтер із п'єзоелектричною системою дозування розпиленням фарби. Краплі чорнила виштовхувались на поверхню носія не постійно, а лише за командою програми керування.

У 1984 році фірмою «Hewlett Packard» розроблено струминний принтер Think Jet з бульбашково-термічною технологією друку.

На сьогодні п'єзоелектрична (Ink Jet) та бульбашкова (Bubble Jet) технології струминного друку є домінуючими на ринку. Розглянемо ці технології детальніше.

П'єзоелектрична технологія. У друкуючому елементі, як видно з назви технології, основну роль зі створення краплі фарби відіграє п'єзоелемент. П'єзо від грецького piezo — тисну, давлю. У п'єзоелементах використовуються властивості певних кристалічних речовин (п'єзоелектриків), механічне стиснення або розтягування яких призводить до появи на гранях кристала різниці потенціалів (прямий п'єзоефект) або прикладання різниці потенціалів до граней викликає деформацію кристала (зворотний п'єзоефект). Зворотний п'єзоефект і використовується в струминних принтерах.

Електричний імпульс подається на п'єзоелемент, що вмонтований в канал подачі фарби. Елемент деформується, що призводить до зменшення ширини каналу, і крапля фарби виштовхується назовні

Широко відомим виробником струминних принтерів з використанням п'єзоелементів є фірма «Epson», її принтери серії Stylus — одні з найкращих за якістю друку.

Бульбашкова або термічна технологія. У канал подачі фарби вмонтовується нагрівальний елемент (терморезистор). У разі подачі електричного імпульсу відбувається швидке нагрівання термоелемента й утворення бульбашки пари чорнила біля нього. Загальний тиск у каналі збільшується. Надлишки фарби у вигляди краплі виштовхуються назовні (рис. 6).

Як фарба використовується рідке чорнило, яке подається в друкуючу головку, оснащену великою кількістю тонких каналів — сопел. Для кольорового друку використовуються головки з набором сопел для кожного з базових кольорів. Чорнило розміщується в спеціальних резервуарах, які або суміщені з друкуючою головкою в один блок (картридж), або є окремим елементом. Спільні картриджі використовуються в принтерах з бульбашковою технологією, а окремі резервуари для чорнила — в п'єзоелектричних.

 

Використовуються різні конструкції друкуючих головок струминних принтерів, але принцип їх дії базується на двох представлених технологіях. П'єзоелектричну технологію використовує у своїх принтерах фірма «Epson». Більшість інших фірм — «Hewlett Packard», «Canon», «Lexmark» та ін. — використовують термічну або бульбашкову технологію. Слід зауважити, що за основними характеристиками друку — якістю передачі кольорового зображення, роздільною здатністю, швидкістю друку — представлені на сучасному комп'ютерному ринку струминні принтери з різними технологіями майже не відрізняються.

Узагальнимо переваги й недоліки принтерів із різними технологіями струминного друку.

П'єзоелектрична технологія

Переваги:

• висока швидкодія п'єзоелемента дозволяє підвищувати швидкість утворення крапель чорнила;

• доволі проста схема керування розмірами краплі;

• краплі чорнила отримуються овальної форми з дозованою кількістю чорнила (досягнуті величини найменших за об'ємом крапель у 2 піколітра);

• нез'ємна друкуюча головка дозволяє після закінчення фарби міняти тільки резервуари з чорнилом, а не весь картридж;

• друкуючі елементи не використовують нагрівання, і отвори головки не засмічуються залишками фарби. Недоліки:

• можливість висихання чорнила в отворах друкуючої головки після тривалої перерви в роботі, що потребує додаткового обслуговування (промивання);

• неправильна експлуатація головки принтера може призвести до її виходу з ладу. Заміна потребує значних фінансових витрат (до 50% і вище від вартості принтера).

Бульбашкова (термічна) технологія

Переваги:

• простота конструкції друкуючої головки, що дозволяє робити її замінюваною разом із блоком резервуарів для чорнила;

• простота в обслуговуванні;

• фарба в картриджах практично не висихає протягом значної перерви в роботі. Недоліки:

• отримувати краплі абсолютно однакового розміру важче, ніж у разі п'єзоелектричної технології;

• у зв'язку з нагрівом елементів головки до високих температур на стінках сопел можуть залишатися (накопичуватися) продукти випаровування чорнила, що впливає на якість друку із збільшенням терміну роботи друкуючої головки. Технології, що дозволяють підвищити якість друку струминних принтерів.

• Drop Modulation (Drop (англ.) — крапля, modulation (англ.) — модуляція, тобто керована зміна параметрів фізичного об'єкта) — ця методика дозволяє отримати краплі чорнила двох різних розмірів. У сопла друкуючої головки вмонтовуються не один, а два нагрівальних елемента. У разі використання одного з них отримується крапля меншого розміру, під час використання іншого

— більшого розміру. Використовується в принтерах фірми Canon.

• PhotoREt (REt — Resolution Enchantment technology (англ.) — дослівно — технологія магічної роздільної здатності) — технологія підвищення роздільної здатності та якості передачі кольорів за рахунок зменшення розміру краплі й можливості нанесення в одну точку зображення до 16 крапель чорнила різного кольору. Використовується в принтерах фірми Hewlett Packard.

• ColorSmart (Color (англ.) — колір, Smart (англ.) — вишуканий) — технологія додрукової підготовки зображення з метою оптимізації кольорової гами та підвищення якості растрування. Використовується в драйверах принтерів фірми Hewlett Packard. Фірма Canon використовує схожу технологію додрукової підготовки Image Optimizer.

• PhotoRealism — технологія покращення передачі світлих відтінків. У разі друку стандартними засобами ділянок з ненасиченими напівтонами (наприклад світло-блакитний колір) доводиться залишати значну кількість площі зображення незафарбованою, що погіршує якість зображення. Фірма Canon запропонувала доповнити стандартний набір із чотирьох кольорів (див. CMYK) чорнилами зі світлими відтінками блакитного, малинового та жовтого кольорів, що дозволило значно підвищити реалістичність передачі напівтонів. Близьку технологію використовує і фірма Epson у своїх шестикольорових принтерах із приставкою Photo.

• Р-РОР (Р-РОР — Plain Paper Optimized Printing (англ.) — оптимізація чіткості друку на папері)

— технологія створення якісного зображення незалежно від якості паперу шляхом нанесення на папір перед початком друку спеціального покриття — оптимізатора чорнила — прозорої речовини, що зберігається в окремому резервуарі чорного картриджа. Використовується в принтерах фірми Canon.

• Variable Dot Size — технологія керування розмірами краплі за допомогою подачі на п'єзоелемент електричних імпульсів двох різних амплітуд. Отримуються дві різни краплі об'ємом приблизно 6 і 10 піколітрів. У разі використання комбінації з обох імпульсів отримується крапля об'ємом 19 піколітрів. Однорідні, щільно зафарбовані ділянки отримуються з використанням крапель великого розміру, менш насичені — за допомогою середніх і малих крапель. Використовується в принтерах фірми Epson.

•Lateral Deflection Shot (Lateral Deflection Shot (англ.) — горизонтальний напрямок вприскування) — нова технологія фірми Sony використовує одну нерухому друкуючу головку, що перекриває всю ширину листа. Більше 20 тис. сопел дозволяє надрукувати фотографію формату А4 з роздільною здатністю 600 точок на дюйм усього за шість секунд.

На межі струминної і термографічної (термічної) технологій друку знаходиться технологія друку твердими фарбами. Так, у принтері Tektronix Phaser чорнило в початковому стані тверде на каучуковій основі. Брусок такого чорнила вкладається в спеціальний відсік принтера. Там воно розплавляється, і далі принтер працює як звичайний струминний. Однак краплі чорнила після того, як попали на поверхню паперу, миттєво застигають. Водночас вони не розпливаються і не проникають у структуру паперу. Якість друку отримується краща, ніж при лазерному кольоровому друці. Можливо, за цими принтерами майбутнє.