Подсветка LCD-дисплеев
Жидкокристаллические дисплеи (LCD) являются пассивными устройствами отображения информации. Для того чтобы сформированное изображение воспринималось глазом человека, его необходимо освещать, в простейшем случае — естественным внешним светом. При недостаточном естественном освещении или его отсутствии для дисплея может быть использован искусственный источник света.
Большинство современных LCD работают в одном из трех режимов отображения: в режиме полного отражения, при котором внешний свет отражается от рефлектора, расположенного позади дисплея (рис. 1, а); в режиме полуотражения, при котором рефлектор отражает внешний свет, но способен пропускать свет от источника света, расположенного позади него (рис. 1, б); в режиме подсвечивания, при котором рефлектор, отражаю- щий внешний свет, отсутствует и для подсветки изображения используется специальный источник света (рис. 1, в).
а) Рефлектор, объединенный с задним поляризатором. Отражает внешний свет
|
б) Полупрозрачный рефлектор, объединенный с задним поляризатором. Отражает свет, поступающий с лицевой стороны LCD, также позволяет проходить свету подсветки с задней стороны отражателя. Отключение подсветки при хороших условиях освещенности способствует сокращению потребления
|
в) Нет ни отражающего, ни полуотражающего рефлектора — необходима только подсветка. Чаще всего используется с негативными изображениями
|
Прием, при котором используется специальный источник света, получил название «подсветка» (backlight). Для реализации подсветки используется несколько технологий, которые будут рассмотрены ниже.
Электролюминесцентная (EL) подсветка
Электролюминесцентная подсветка обеспечивает равномерное освещение и выполняется в тонком и легком конструктиве (рис. 2).
Такая подсветка обеспечивает получение различных цветов, в том числе белого, чаще всего используемого в LCD. Потребление при электролюминесцентной подсветке относительно мало, однако для ее организации необходим источник переменного напряжения 80…100 В частотой около 400 Гц (типовое значение). В качестве такого источника используют преобразователи DC/DC, трансформирующие напряжение постоянного тока 5, 12 или 24 В в переменное напряжение требуемой величины. Это наиболее экономичный с точки зрения потребления тип подсветки, и он чаще всего используется в устройствах с батарейным питанием. Срок жизни электролюминесцентной подсветки (снижение яркости наполовину от исходной) составляет порядка 3…5 тыс. часов и зависит от установленной яркости свечения (рис. 3).
Отличительные особенности электролюминесцентной подсветки:
- плоский источник света с максимальной толщиной 1,3 мм (1,5 мм с учетом выводов) обеспечивает равномерную подсветку большой площади;
- широкий диапазон напряжений питания переменного тока (максимальное значение 150 В) частотой 60…1000 Гц. При наличии повышающих преобразователей возможно питание от одной батареи с напряжением 1,5 В;
- цвет свечения: зелено-голубой, желто-зеленый и белый;
- рабочие характеристики типовых модулей питания: выходное напряжение 110 В частотой 400 Гц; ток нагрузки 8 мА (при Ta = 20 °C и относительной влажности 60 %);
- диапазон рабочих температур — от 0 до 50 °C;
- диапазон температур хранения от — от –20 до 60 °C.
Светодиодная (LED) подсветка
Светодиодная подсветка характеризуется самым длительным сроком службы — минимум 50 тыс. часов — и большей, чем у EL-подсветки, яркостью. Подсветка обеспечивается твердотельными приборами и, следовательно, может работать непосредственно от источника напряжения 5 В без использования преобразователей. Однако для ограничения тока через LED необходима установка токоограничительных резисторов. Цепочка светодиодов располагается вдоль боковых поверхностей дисплея или в виде матрицы под диффузором (рассеивателем) и обеспечивает яркую равномерную подсветку (рис. 4, а, б).
а) Матричная подсветка. Использование матричной подсветки позволяет обеспечить равномерную подсветку дисплеев больших размеров
|
б) Боковая подсветка. Сочетание LED и световода (Light Guide) позволяет реализовать невысокий конструктив подсветки
|
Боковая подсветка используется в модулях с количеством знакомест в строке до 20. При количестве знакомест свыше 20 в центре LCD образуется более темная, чем на краях, область. Для устранения этого недостатка применяют специальные меры, например дополнительную подсветку сверху.
Матричная LED-подсветка обеспечивает более яркий и равномерный свет. При разработке такой подсветки определяющим фактором является потребление. Не рекомендуется ее использовать в устройствах с батарейным питанием, в которых требуется постоянно включенная подсветка.
Светодиоды LED-подсветки работают при напряжении питания 4,2 В (типовое значение). Потребление подсветки определяется количеством включенных светодиодов, и, следовательно, с увеличением размера дисплея растет потребление, составляющее от 30 до 200 мА и более.
Цвет LED-подсветки может быть разным, в том числе и белым, но чаще всего используется желто-зеленая подсветка. Ее светоизлучение выше, чем у EL-подсветки. Возможно управление яркостью свечения посредством потенциометра или ШИМ-регулятора.
Принимая во внимание стоимость преобразователей, используемых с EL, применение LED-подсветки более экономично. Толщина модуля с LED-подсветкой на 2–4 мм больше, чем у модуля с EL-подсветкой или без подсветки.
Отличительные особенности светодиодной подсветки:
- низкое напряжение питания, нет необходимости использовать специальные преобразователи;
- длительный жизненный цикл — в среднем свыше 100 тыс. часов;
- возможность подсветки красного, зеленого, оранжевого и белого цветов или многоцветной подсветки (с переключением);
- боковая или матричная подсветка;
- типовое напряжение питания — 4,2 В; потребление 30 до — 200 мА и выше; яркость — 250 кд/м;
- отсутствие генерации шумов.
Подсветка флуоресцентными лампами с холодным катодом (CCFL)
Для CCFL-подсветки характерны относительно малое потребление и очень яркий белый свет. Используются две технологии: прямая и боковая подсветки (рис 5, а, б).
а) Прямая подсветка. Используется с многоцветными и/или точечно-матричными модулями жидкокристаллических дисплеев
|
б) Боковая подсветка. Такая структура используется для подсветки больших поверхностей светом от источника в виде трубки
|
В обоих случаях источником света являются флуоресцентные лампы с холодным катодом (источники локального светового пятна), свет от которых по всей площади экрана распределяется диффузорами (diffuser) и световодами (light guide). Боковая подсветка позволяет реализовать модули малой толщины и с меньшим потреблением. CCFL-подсветка используется в первую очередь в графических LCD, и срок службы СCFL-подсветки выше, чем у EL-подсветки — до 10–15 тыс. часов.
Посредством CCFL обеспечивается подсветка больших поверхностей, поэтому она используется преимущественно в больших плоскопанельных дисплеях. Большим достоинством CCFL является возможность получения бумажно-белого цвета, что делает CCFL практически единственным источником подсветки цветных дисплеев. Для работы флуоресцентных ламп необходимы преобразователи с выходным напряжением переменного тока от 270 до 300 В.
Отличительные особенности подсветки флуоресцентными лампами с холодным катодом (CCFL):
В табл. 1–3 приводятся характеристики флуоресцентных ламп с холодным катодом.
Параметр | Условия измерения | Значение параметра |
Потребляемый ток, мА | fl: 40 кГц Ta: 25 °C | 6 |
Потребляемая мощность, Вт | fl: 40 кГц Ta: 25 °C | 1,5 |
Параметр | Та, °C | Значение параметра |
Напряжение зажигания, В | 0 | 600 |
Напряжение зажигания, В | 25 | 375 |
Рабочее напряжение, В | 25 | 250 |
Рабочий потребляемый ток, мА | 25 | 5 |
Частота преобразователя напряжения питания, кГц | 25 | 40 |
Параметр | Условия измерения | Минимальное | Типовое | Максимальное |
Средняя яркость, кд/м2 | Выходной ток инвертора = 5 мА | 400 | 450 | — |
Равномерность яркости | 70% | — | — | |
Хроматичность по оси X | 0,30 | 0,32 | 0,34 | |
Хроматичность по оси Y | 0,36 | 0,38 | 0,40 |
В приведенной ниже табл. 4 даны сравнительные характеристики трех основных типов подсветки и их основные области применения.
Тип подсветки | Использо- вание, в зависимости от условий освещения |
Потребление | Стоимость | Генерация RFI | Управление яркостью | Примечания |
Нет | Неприменимо в условиях плохой освещенности | Наилучшее (не потребляет по своей природе) | Наименьшая | Отсутствует | Не используется | |
EL | Применяется при любых условиях освещенности | Очень хорошее 30 мВт | Средняя | Незначительная (на малых частотах) | Фиксированная яркость | Предпочти тельна для устройств с батарейным питанием |
LED | Применяется при любых условиях освещенности | Хорошее 60 мВт | Средняя | Отсутствует | Регулируется в широком диапазоне | Чаще всего используется в небольших дисплеях |
CCFL | Не применяется в условиях яркого освещения | Существенное 700 мВт | Самая высокая | Иногда (на высокой частоте) | Регулируется в ограниченном диапазоне | Чаще всего используется в больших графических дисплеях |