Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Drukarki laserowe na dobre zadomowiły się w naszych domach i firmach, mało kto zdaje jednak sobie sprawę, jak działa drukarka laserowa oraz jak toner przenosi się na papier.
Mało osób nawet wie, czym jest toner i dlaczego świeże wydruki z drukarki laserowej są ciepłe. Co jeszcze warto wiedzieć o działaniu drukarki?
Pierwszy prototyp przypominający w działaniu drukarkę laserową zbudowano w 1971 roku w firmie Xerox. Za wynalazcę uważa się pracownika tej firmy Gary'ego Starkweathera. Pierwszą próbę spieniężenia tego pomysłu podjęła jednak firma IBM, która w 1976 roku wypuściła pierwszą drukarkę laserową – IBM 3800.
Na szczęście dla Xeroxa sprzedawane przez nich rok później urządzenie, nazwane Xerox 9700, wielu uznało za doskonalsze i model ten stał się wzorem do naśladowania dla innych firm próbujących swoich sił na nowym rynku. Tak powstała drukarka laserowa. Działanie tego urządzenia zostanie szczegółowo opisane w następujących akapitach.
Drukarka laserowa to rodzaj popularnego urządzenia peryferyjnego podłączanego do komputera. Służy do zamiany wirtualnej zawartości ekranu komputera na postać materialną, czyli wydruk na papierze. Innymi słowy, robi dokładnie to, co wszystkie inne drukarki, ale używa do tego techniki laserowej. Nowsze modele drukarek laserowych wyglądem trudno jest nawet odróżnić od drukarek atramentowych, choć na ogół te pierwsze są większe, zwłaszcza w wersji kolorowej.
Elementy składowe drukarki laserowej
Typowa drukarka laserowa wyposażona jest w zasobnik na kartki papieru, kasetę z tonerem (czyli odpowiednik tuszu z drukarki atramentowej), tzw. bęben światłoczuły, tackę na wydruki oraz mikroprocesor, który komunikuje się z komputerem użytkownika i wszystkim zarządza.
Gdy do drukarki trafia komunikat zawierający odpowiedni rozkaz wraz z treścią do wydruku, mikroprocesor rozpoczyna cały proces od pobrania czystej kartki papieru. W drukarce znajduje się specjalny, obracający się walec, który „posypywany” jest drobnym, naelektryzowanym proszkiem.
Wydruki z drukarki laserowej powstają głównie dzięki światłoczułemu bębnowi
Jak działa drukarka laserowa? Precyzyjne oświetlanie walca laserem sprawia, że tylko w wybranych miejscach proszek „przykleja się” do walca, a następnie zostaje przeniesiony na kartkę papieru. Walec staje się więc czymś w rodzaju obracającej się pieczątki, używającej proszku zamiast tuszu.
Praktycznym urządzeniem w każdym domu i biurze powinna być drukarka laserowa. Jak działa to urządzenie? Gdy zdecydujemy się na wydruk, musimy przekazać drukarce treść do wydrukowania oraz zasygnalizować naszą gotowość do jego odebrania. Przeważnie dba o to oprogramowanie wbudowane w edytor tekstu, edytor obrazu lub np. przeglądarkę internetową. Zawartość dokumentu zwykle przesyłano za pośrednictwem kabla USB podłączonego do komputera użytkownika lub kabla Ethernet podłączonego do całej sieci komputerów. Obecnie coraz częściej spotyka się połączenia bezprzewodowe – Wi-Fi lub Bluetooth. Nierzadka jest także obsługa kart SD oraz pamięci USB.
Nowoczesne drukarki nie potrzebują już nawet komputera, żeby poradzić sobie z wydrukiem
Kontroler drukarki, czyli układ elektroniczny zarządzający jej pracą, przetwarza otrzymane zadanie na postać zrozumiałą dla pozostałych podzespołów. Format opisu zadania często różni się między urządzeniami różnych producentów, dlatego tak ważne jest zainstalowanie odpowiedniego sterownika drukarki przed zleceniem wydruku. Drukowanie przeważnie rozpoczyna się krótko po otrzymaniu i „przetłumaczeniu” całej zawartości pierwszej strony.
Kluczowym elementem każdej drukarki jest bęben. Nie taki jak w pralce, ma on bowiem postać metalowego wałka o średnicy kciuka. Jest pokryty warstwą emulsji światłoczułej. Ta specjalna substancja przewodzi prąd, gdy jest oświetlona, i przestaje przewodzić, gdy światło znika. Stąd jego nazwa – bęben światłoczuły.
Bębny światłoczułe stosowane w drukarkach laserowych
Bęben obraca się. Najpierw zostaje naelektryzowany na całej szerokości. Zjawisko elektryzowania jest dokładnie takie samo jak w przypadku pocierania plastikowego długopisu o suche włosy – na jego powierzchni osiądą ładunki elektrostatyczne, które przyciągają np. drobiny papieru, nitki i inne lekkie obiekty. Różnica jest taka, że drukarka do elektryzowania wykorzystuje (wydajniejszy od długopisu i włosów) generator wysokiego napięcia. Napięcie wędruje po specjalnej listewce do bębna, ładując go tak, jakby był zwykłym kondensatorem, który opisywaliśmy w naszym darmowym kursie elektroniki.
Elektryzowanie bębna światłoczułego w drukarce laserowej
Bęben obraca się dalej. Na jego naelektryzowaną powierzchnię padają promienie światła, których źródłem jest laser. W miejscach, które zostaną oświetlone, ładunek elektryczny znika, ponieważ światłoczuła warstwa przez chwilę przewodzi w tym miejscu prąd. To tak, jakby maleńkiemu kondensatorowi zostały zwarte wyprowadzenia. Pozostałe miejsca zachowują swój ładunek.
Punktowe neutralizowanie ładunku elektrostatycznego za pomocą promieni lasera
Laserem steruje kontroler drukarki. Jego zadaniem jest konwertowanie przesłanego komputerowego obrazu na zestaw instrukcji zmieniających jasność wiązki lasera, miejsce jej padania oraz kąt obrotu bębna. Taki „elektrostatyczny obraz” jest tworzony na bębnie linia po linii, z bardzo dużą precyzją.
O ile sam laser (np. dioda laserowa) umieszczony jest na stałe, o tyle wiązka światła laserowego jest odchylana przez wirujący wielokąt foremny oklejony zwierciadłami. Kąt obrotu zwierciadła określa potencjalne położenie plamki lasera, a odpowiednie włączanie i wyłączanie tego lasera pozwala oświetlić (lub nie) wybrany punkt na bębnie. Światło może też trafić po drodze na specjalne soczewki, które poprawiają precyzję sterowania, ale dla uproszczenia opisu działania można je pominąć.
Włączanie i wyłączanie światła lasera wraz z obracaniem zwierciadła
pozwala uzyskać dowolny wzór na bębnie światłoczułym
Czemu wirujące zwierciadło ma postać wielokąta? Po pierwsze – jeden pełny obrót takiego wielokąta obsługuje kilka linii wydruku; każde zwierciadło (bok wielokąta) to jedna pełna droga plamki lasera przez całą szerokość bębna. Po drugie – wirujący element musi być dobrze wyważony, aby nie wywoływać niszczycielskich wibracji w urządzeniu. Symetryczna figura rozwiązuje ten problem.
Wiemy już, do czego drukarce laserowej potrzebny jest laser, jednak elektrostatyczne ładunki naniesione na bęben światłoczuły nie będą widoczne dla naszych oczu. To tylko elektrostatyczny odpowiednik „rowków” w pieczątce. Prawdziwym nośnikiem wizualnej informacji, odpowiednikiem tuszu, jest toner. Toner to po prostu proszek, który zawiera pigment w wybranym kolorze, np. czarnym. Ponieważ jest bardzo drobny, jego drobinki są przyciągane przez naelektryzowane miejsca bębna światłoczułego i w ten sposób opuszczają swój zasobnik, zwany kasetą.
Toner jest bardzo brudzący – coraz częściej sprzedaje się go w nierozdzielnym zestawie
z bębnem światłoczułym, aby uniknąć wypadków przy jego uzupełnianiu
Aby dodatkowo „zachęcić” drobinki tonera do osiadania na powierzchni bębna, są one elektryzowane ładunkiem przeciwnym niż ten, który pokrywa bęben światłoczuły w miejscach zaciemnienia. Ładunki o różnych znakach przyciągają się, przez co proszek jeszcze dokładniej pokrywa wybrane miejsca.
Ujemnie naładowany toner „przykleja się” do naładowanych dodatnio obszarów bębna
W czasie gdy na bębnie pojawiają się pierwsze elektrostatyczne wzory, z podajnika na papier wyciągana jest pojedyncza kartka papieru. Robią to gumowe rolki napędzane przez niewielki silnik DC. Taka kartka nie może być zabrudzona ani zakurzona, bo to mogłoby zniszczyć delikatne elementy drukarki. Kolejnym wymaganiem są równe krawędzie i dobrze dobrane wymiary, aby przeszła ona bez zacięć i zagnieceń przez cały mechanizm.
Część bębna, na której jest już toner, w następnej fazie spotyka się z kartką. Chropowata powierzchnia papieru dobrze przejmuje drobiny z bębna. Dodatkową „zachętą” jest specjalna, naelektryzowana listewka. Znajduje się ona tuż pod kartką i posiada silniejszy ładunek o przeciwnym znaku, dzięki czemu przyciąga proszek skuteczniej od bębna.
„Przejmowanie” drobin tonera przez kartkę papieru w drukarce laserowej
Mamy już obraz na papierze, ale jest on bardzo nietrwały. Wystarczy dmuchnięcie, by się rozmazał. Dlatego potrzebne jest jego utrwalenie. Robią to nagrzane do wysokiej temperatury (rzędu 200ºC) wałki, między którymi przejeżdża kartka. Silnie ją ściskają, jednocześnie rozgrzewając niczym żelazko. Toner lekko topi się i wnika w strukturę papieru. Gdy stężeje, bardzo trudno go oddzielić.
Ostatnim etapem pracy drukarki laserowej jest wysunięcie jeszcze ciepłej kartki na tacę, z której możemy ją odebrać. Nie trzeba czekać, aż ostygnie – utrwalanie zachodzi w temperaturze znacznie wyższej niż temperatura otoczenia, więc nie ma obawy o zniszczenie wydruku na tym etapie.
Podczas intensywnego drukowania bardzo często zachodzi potrzeba zadrukowania kartki papieru z dwóch stron. W starszych urządzeniach rozwiązano ten problem bardzo prosto. Drukarka drukuje najpierw co drugą stronę „tradycyjnie”, a następnie prosi użytkownika o przeniesienie pliku wydruków z powrotem do podajnika – zawsze w ściśle określony sposób. Kontroler drukuje wtedy pominięte strony we właściwej kolejności, dzięki czemu każda kartka jest zadrukowana z dwóch stron.
Sterownik drukarki laserowej, który steruje m.in. pracą wszystkich napędów
Tę niedogodność rozwiązuje tzw. automatyczny dupleks. Jest to mechanizm, który pozwala na automatyczny druk po obu stronach kartki. Po zadrukowaniu jednej strony kartka (poprzez system wałków i rolek) jest odwracana na drugą stronę i zadrukowywana ponownie.
W trakcie odwracania kartki w automatycznym dupleksie jej część może przez chwilę wystawać na tacce odbiorczej. Nie wolno jej wtedy na siłę wyrywać – można zniszczyć wydruk!
Warto zauważyć, że wszystkie etapy wydruku dzieją się na bębnie, który ma obwód zaledwie kilku centymetrów, dlatego musi on wykonać kilka obrotów w czasie druku pojedynczej strony. Po naniesieniu toneru na papier ostatnią fazą jest jego czyszczenie z pozostałych resztek. Odpowiednia szczoteczka zbiera je do zasobnika zużytego tonera.
Powodem brudnych wydruków mogą być też po prostu pozostałości tonerów wewnątrz drukarki
Przepełnienie tego zasobnika skutkuje coraz większymi plamami na wydrukach, bo szczoteczka coraz gorzej radzi sobie z czyszczeniem – trzeba wtedy wymienić zasobnik na nowy. Coraz więcej modeli posiada zasobnik zintegrowany z bębnem i kasetą, przez co jedynym wyjściem staje się wymiana całego takiego modułu.
Zanim dowiemy się, jak działa drukarka laserowa, należy zaznaczyć, że zarówno modele drukujące w kolorze, jak i w czerni i bieli, tworzą wydruk w ten sam sposób. Różnią się one jedynie wykorzystywanymi kolorami. Budowa drukarki laserowej pozwala na wykorzystywanie jej identycznie w przypadku kolorów, jak i w wersji monochromatycznej. Różnica polega na tym, że w przypadku druku czarno-białego kartka jest przesuwana jedynie raz, a w druku kolorowym aż cztery - w dalszej części artykułu opiszemy dokładnie, jak to działa.
Laserowe drukarki kolorowe działają identycznie jak drukarki monochromatyczne (czarno-białe). Z tą różnicą, że mają nie jeden, a cztery zasobniki z tonerami – każdy w innym kolorze. Kolory tonerów są odpowiednio dobrane, tworzą tzw. paletę CMYK (ang. cyan, magenta, yellow, black – nazwy kolorów). Z odpowiedniego zmieszania tych barw składowych można uzyskać dowolny inny kolor. Kolory te są nanoszone przez jeden lub cztery oddzielne bębny światłoczułe. W pierwszym przypadku kartka przesuwa się przez wspólny bęben cztery razy – za każdym razem barwiąc się na inny kolor.
Paleta kolorów CMYK
W zależności od urządzenia i liczby kolorów proces drukowania trwa zwykle od jednej do kilkunastu sekund. Przesuwanie kartki, obracanie bębna, wirowanie zwierciadła – wszystkie te rzeczy dzieją się jednocześnie. Nie ma tu miejsca na przerwę, ponieważ ładunki nagromadzone na powierzchni bębna są bardzo nietrwałe i trzeba je natychmiast przenieść na kartkę. Dodatkowo papier może przebywać pod grzejącymi go wałkami przez bardzo krótką chwilę, bo inaczej zbrązowieje. Sterownik zawsze dba też o to, żeby wydruk zaczynał się dopiero po otrzymaniu pełnego obrazu strony, by uniknąć postojów.
Źródła: [1], [2]
Autor: Michał Kurzela
Redakcja techniczna: Damian Nowak
Lasery są z nami od ponad 70 lat i można je znaleźć w niemal każdym domu. Ilu z Was jednak…... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...