LCD – панелі. Їх побудова, принципи роботи, основні характеристики та методи оцінки характеристик

Основним елементом LCD – моніторів, безумовно, є рідкокристалічна панель (РК-панель). РК-панель можна віднести до основних елементів моніторів з таких міркувань: вона є найгабаритнішим і найдорожчим елементом монітора, а також характеристики панелі визначають якість зображення і характеристики самого монітора. Пристрій панелі та принципи, закладені в її виробництво, визначають схемотехніку решти монітора, визначають його інтерфейс і його елементну базу. РК-панель, у свою чергу, далеко не простий пристрій, адже в її складі крім самої матриці рідких кристалів є ще й схеми малих і стовпцевих драйверів, є схеми, що здійснюють вибірку рядків і стовпців. Також усередині панелі є інтерфейсні схеми та мікроконтролер, що обслуговує інтерфейси. Крім того, багато виробників до складу панелі вводять і блок заднього підсвічування. Все це підводить нас до висновку, що грамотний ремонт та діагностика моніторів LCD просто неможливі без знань про РК-панелі.

Найкращим способом вивчення принципів роботи та влаштування РК-панелей є розгляд цих питань на прикладі конкретного виробу. Як приклад пропонується вибрати панель моделі LTM213U4-L01 виробництва фірми Samsung Electronics, що є одним з лідерів у виробництві даної продукції.

Характеристики РК-панелі

Спочатку, звичайно ж, варто визначитися, що ж за панель пропонується до розгляду, адже її роздільна здатність, розмір, колірні характеристики тощо. можуть значно змінювати конструктив самої панелі. Основні характеристики та особливості РК-панелі представлені як таблиці – табл.1.

Таблиця 1.

Конструктив РК-панелі

Конструктив РК-панелі

Структурна схема панелі LCD-панелі показано на рис.1, і за цією схемою можна зробити наступні зауваження.

                1) У складі панелі є модуль заднього підсвічування. Таке рішення характерне далеко не для всіх моделей LCD-модулів. Однак варто звернути увагу, що схема інвертора не є складовою виробу, і інвертор повинен розроблятися виробником монітора. Інвертор – це джерело живлення, що забезпечує перетворення напруги постійного струму від джерела живлення в імпульсну високовольтну напругу, що підводиться до ламп. Модуль заднього підсвічування утворений шістьма люмінесцентними лампами з холодним катодом (CCFL). Ці шість ламп зібрані у дві групи (по три у кожній). Як і в переважній більшості інших РК-панелей, лампи розміщуються по краях матриці рідких кристалів. Для кожної із шести ламп є окремий з'єднувальний роз'єм.

                2) РК-панель оснащена інтерфейсом LVDS, що дозволяє забезпечити високу швидкість передачі даних та знизити ймовірність перешкод. Застосування цього інтерфейсу забезпечує універсальність панелі, тобто. її можна використовувати з будь-якою платою, що управляє, яка обладнана інтерфейсом LVDS. При використанні інтерфейсу LVDS інформація на РК-панель передається у послідовному вигляді, і тому у складі панелі є перетворювач послідовних даних у паралельний вигляд. Такий перетворювач є інтегральною мікросхемою, звану Receiver (приймач). Дані, перетворені на паралельний вигляд, передаються далі на мікросхему дисплейного контролера TCON.

                3) Мікросхема TCON забезпечує управління синхронізацією, прийомом та розподілом даних по стовпцевих та рядкових драйверах. На виході мікросхеми TCON формується стільки сигналів, що управляють, скільки всього є управляючих транзисторів в панелі, а розрахувати їх кількість досить просто. Якщо ця панель підтримує «роздільна здатність» 1600х1200, то екрані є 1200 рядків і 4800 стовпців (1600х3), тобто. кожна кольорова точка утворена трьома точками, що стоять поруч. У цій панелі використовується саме смужкова топологія точок (Stripe), і приклад розташування точок демонструється на рис.2.

                4) Стовпцеві драйвери реалізовані як інтегральної мікросхеми. Сигнали на вибір того чи іншого драйверного транзистора надходять від мікросхеми TCON у вигляді сигналів TTL - цей взаємозв'язок на рис.1 показана лінією Control. Крім того, для забезпечення градацій шкали сірого кольору використовується метод ШІМ (Pulse Width Modulation - PWM). При цьому методі використовують різну ширину імпульсів вибірки рядка в процесі адресації. При цьому підтримка методу ШІМ забезпечується апаратно в структурі драйвера стовпців. По шині управління (на рис. 1 вона позначена VideoData) кожному пікселу передається 8-бітовий код, якому відповідає 256 градацій шкали сірого. Коди градації записуються в регістр стовпцевого драйвера, а потім перетворюються на тривалість імпульсів пропорційно коду. 

                5) У складі РК-панелі є схема управління напругою живлення. Ця схема являє собою перетворювач і регулятор, що формує напруги живлення для всіх елементів панелі, причому номінали цих напруг різні.

Оптичні характеристики РК-панелі та методи їх вимірювання

Основні оптичні характеристики, що специфікуються для панелей на основі рідких кристалів, та їх значення для панелі Samsung LTM213U4-L01 представлені у табл.2.

Конструктив РК-панелі

Структурна схема панелі LCD-панелі показано на рис.1, і за цією схемою можна зробити наступні зауваження.

Рис. 1

1) У складі панелі є модуль заднього підсвічування. Таке рішення характерне далеко не для всіх моделей LCD-модулів. Однак варто звернути увагу, що схема інвертора не є складовою виробу, і інвертор повинен розроблятися виробником монітора. Інвертор – це джерело живлення, що забезпечує перетворення напруги постійного струму від джерела живлення в імпульсну високовольтну напругу, що підводиться до ламп. Модуль заднього підсвічування утворений шістьма люмінесцентними лампами з холодним катодом (CCFL). Ці шість ламп зібрані у дві групи (по три у кожній). Як і в переважній більшості інших РК-панелей, лампи розміщуються по краях матриці рідких кристалів. Для кожної із шести ламп є окремий з'єднувальний роз'єм.

2) РК-панель оснащена інтерфейсом LVDS, що дозволяє забезпечити високу швидкість передачі даних та знизити ймовірність перешкод. Застосування цього інтерфейсу забезпечує універсальність панелі, тобто. її можна використовувати з будь-якою платою, що управляє, яка обладнана інтерфейсом LVDS. При використанні інтерфейсу LVDS інформація на РК-панель передається у послідовному вигляді, і тому у складі панелі є перетворювач послідовних даних у паралельний вигляд. Такий перетворювач є інтегральною мікросхемою, звану Receiver (приймач). Дані, перетворені на паралельний вигляд, передаються далі на мікросхему дисплейного контролера TCON.

3) Мікросхема TCON забезпечує управління синхронізацією, прийомом та розподілом даних по стовпцевих та рядкових драйверах. На виході мікросхеми TCON формується стільки сигналів, що управляють, скільки всього є управляючих транзисторів в панелі, а розрахувати їх кількість досить просто. Якщо ця панель підтримує «роздільна здатність» 1600х1200, то екрані є 1200 рядків і 4800 стовпців (1600х3), тобто. кожна кольорова точка утворена трьома точками, що стоять поруч. У цій панелі використовується саме смужкова топологія точок (Stripe), і приклад розташування точок демонструється на рис.2.

Рис. 2

4) Стовпцеві драйвери реалізовані як інтегральної мікросхеми. Сигнали на вибір того чи іншого драйверного транзистора надходять від мікросхеми TCON у вигляді сигналів TTL - цей взаємозв'язок на рис.1 показана лінією Control. Крім того, для забезпечення градацій шкали сірого кольору використовується метод ШІМ (Pulse Width Modulation - PWM). При цьому методі використовують різну ширину імпульсів вибірки рядка в процесі адресації. При цьому підтримка методу ШІМ забезпечується апаратно в структурі драйвера стовпців. По шині управління (на рис. 1 вона позначена VideoData) кожному пікселу передається 8-бітовий код, якому відповідає 256 градацій шкали сірого. Коди градації записуються в регістр стовпцевого драйвера, а потім перетворюються на тривалість імпульсів пропорційно коду.

5) У складі РК-панелі є схема управління напругою живлення. Ця схема являє собою перетворювач і регулятор, що формує напруги живлення для всіх елементів панелі, причому номінали цих напруг різні.

Оптичні характеристики РК-панелі та методи їх вимірювання

Основні оптичні характеристики, що специфікуються для панелей на основі рідких кристалів, та їх значення для панелі Samsung LTM213U4-L01 представлені у табл.2.

Таблиця 2.

Досить цікавими є методики вимірювання тих характеристик, які згадуються в табл.2, і більш детально розгляд цих методик дає дуже хороше уявлення про те, на що звертати увагу при виборі та визначенні якості LCD-монітора. Ця інформація також потрібна і сервісним службам, т.к. після завершення ремонтних робіт необхідно здійснювати контроль вихідних параметрів відремонтованого виробу, і у разі невідповідності їх заданим значенням, або провести регулювання, або здійснити заміну виробу через неможливість забезпечити необхідну якість зображення. Почнемо розгляд методик щодо порядку згадування характеристик монітора у таблиці.

Але перш ніж говорити про методики вимірювання параметрів РК-панелі, варто сказати, що ці роботи необхідно проводити тільки після того, як температура панелі стабілізується. Тому слід спочатку залишити РК-монітор у приміщенні, де проводитимуться вимірювання приблизно на 30 хвилин. Це приміщення має бути темним, тобто. в ньому не повинно бути вікон, і температура в кімнаті вимірювання повинна бути стабільною. Температура навколишнього повітря в кімнаті вимірювання повинна мати значення +25°С (±2°С). Вимога відсутності вікон у приміщенні пов'язана з тим, що зовнішнє світло може спотворити результати вимірювання яскравості, контрастності та кута огляду.

Після закінчення 30 хвилин монітор вмикається, і починають світити лампи заднього підсвічування, що призводить до розігріву самої РК-панелі. Щоб уникнути можливих спотворень та неточностей вимірювань, необхідно почекати, доки панель не прогріється вже під дією лампи заднього підсвічування. Після увімкнення монітора потрібно почекати ще близько 30 хвилин. І тільки після цього можна бути впевненим у точності вимірювань та у відсутності температурних похибок.

Як згадувалося, вимірювальне устаткування має встановлюватися суворо проти центру екрана, без нахилів, оскільки це показано на рис.3.

Рис. 3

Як вимірювачі характеристик монітора фірмою Samsung пропонується використовувати аналізатори (фотодетектори) наступних типів:

1. TOPCON BM-5A

2. BM-7

3. PHOTO RESEARCH PR650

Прилад BM-5A розміщують на відстані 40 см від екрану і цим приладом проводять вимірювання яскравості, діапазону контрастності, кута огляду та нерівномірності яскравості екрану. Приладом BM-7 проводиться вимірювання часу відгуку точок і розміщується прилад на відстані 50 см від екрану. Приладом PR650, що встановлюється на відстані 50см від поверхні екрану, проводиться вимірювання колірних характеристик (координат) панелі.

Для отримання деяких параметрів РК-панелі вимірювання потрібно проводити не лише в центрі, а й на краях екрана. Ці точки (і їхні координати, тобто рядки та стовпці) зазначені на рис.4.

Рис. 4

Вимірювання контрастності

Масштаб (діапазон) контрастності, що позначається в англомовній техніці як C/R, є співвідношенням двох значень яскравості: для білого і для чорного екрану – формула (1).

Аналізатором одержують два значення Gmax та Gmin у центральній точці екрану (точка №5 на рис.4). Значення Gmax вимірюється, коли всі точки РК-панелі світяться білим кольором. Значення Gmin вимірюється аналізатором за умови, що всі точки екрану є чорними.

Велике значення масштабу контрастності є безперечною перевагою виробу, т.к. така панель забезпечує широкий діапазон регулювання контрастності зображення.

Вимірювання часу відгуку

Час відгуку є сумою двох параметрів: часу наростання (Tr) та часом спаду (Tf). Час наростання вимірюється при перемиканні РК-панелі із чорного кольору на білий. Час спаду вимірюється при перемиканні панелі із білого кольору на чорний. Принцип вимірювання часу Tr та часу Tf демонструється на рис.5.

Рис. 5

Вимірювання яскравості білого

Ця характеристика РК-панелі вимірюється приладом BM-5A у центрі екрана (точка №5 на рис.4). Велике значення цієї характеристики відповідає широкому діапазону яскравості і є ознакою гарної панелі.

Вимірювання колірних характеристик

Колірні координати кожного кольору вимірюються приладом PR650, що також суворо встановлюється навпроти центру екрана (точка №5 на рис.4). Вимірювання колірних характеристик проводиться відповідно до специфікації CIE1931. Вимірювання колірних координат проводиться для кожного кольору окремо, для чого на екрані послідовно вмикається відповідний колір.

Вимірювання нерівномірності яскравості екрану

Для отримання даної характеристики приладом BM-5A вимірювання яскравості проводиться дев'ять разів – у кожній з точок, вказаних на рис.4, за умови, що всі точки екрану є білими. Далі з дев'яти отриманих результатів вибирається два – максимально значення (Bmax) та мінімальне (Bmin), і за цими двома результатами обчислюється нерівномірність відповідно до формули (2).

Крім візуальних параметрів LCD панель описується ще й електричними характеристиками, наведеними в табл. 3.

Таблиця 3.

Деякі дані, наведені в таблиці, потребують пояснення.

1. Смуга пропускання (основна частота) – це частота синхронізації точок, що визначається на вході передавача шини LVDS (про це докладніше читайте у №2 нашого журналу).

2. Пікове значення струму визначається в момент подачі напруги живлення на РК-панель. Для отримання пікового струму в момент подачі напруги живлення повинні бути виконані такі умови:

– всі керуючі та всі сигнальні лінії РК-панелі повинні бути заземлені;

- час наростання напруги живлення повинен бути близько 470 мкс (якщо бути точним, то за 470 мкс рівень напруги в лінії живлення РК-панелі повинен змінитися від величини 10% до 90% від номінального значення).

3. Розмір споживаного РК-панеллю струму залежить від зображення. Мінімальний струм панель споживає під час виведення суцільного чорного зображення, а максимальний – при суцільному білому малюнку. Але вимірювати величину Idd прийнято під час завантаження на екран певного шаблону. Як видно з таблиці, споживаний струм вимірюється три рази - на різних шаблонах, що дає об'єктивнішу картину.

Такими шаблонами є:

1. Суцільний чорний екран – рис.6.

Рис. 6

2. Мозаїчний екран, чи шахове поле – рис.7.

Рис. 7

3. Вертикальні чорні і білі лінії, що чергуються, причому кожна лінія (як чорна, так і біла) складається з двох вертикальних логічних стовпців – рис.8.

Рис. 8

Модуль заднього підсвічування

У панелі Samsung LTM213U4-L01 модуль заднього підсвічування складається із шести ламп, розділених на дві групи – у кожній групі по три лампи. Електричні характеристики пари ламп модуля заднього підсвічування представлені у табл.4.

Таблиця 4.

У сучасних РК-панелях традиційно використовуються люмінесцентні лампи з холодним катодом (CCFL) – винятком не є розглядана в цьому огляді. Але для всіх люмінесцентних ламп характерна одна особливість – це значна залежність та яскравість світіння та режим включення лампи від навколишньої температури.

Напруга живлення на лампи подається з інвертора, який може керуватися методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Яскравість ламп та їхній час «життя» визначається виключно схемою інвертора, тому завданням виробника монітора буде розробка такої схеми інвертора, яка не повинна видавати надто високу напругу на лампи. Як вимоги до інвертора можна назвати ще й стабільність імпульсної високочастотної напруги на виході.

Висока частота кількох десятків кГц, де працюють люмінесцентні лампи, може стати причиною явища інтерференції, викликаного взаємодією частоти ламп і частоти термінової розгортки. Явище інтерференції призводить до появи на екрані монітора такого явища, як рядки, що «пливуть», і муар. Для придушення інтерференції частота, на якій працює інвертор, повинна відрізнятися від частоти малої розгортки і від частоти основних гармонік рядкової розгортки настільки, наскільки це можливо.

Добре спроектований інвертор повинен забезпечувати власне відключення не пізніше ніж через 1 с. Якщо роз'єм ламп заднього підсвічування не підключений.

Час "життя" ламп (Hr) є умовною величиною, що обчислюється як час, протягом якого вихідна яскравість ламп зменшиться вдвічі в порівнянні з початковим періодом роботи. При обчисленні часу життя необхідно враховувати навколишню температуру, яка повинна бути 25°С, а також величину діючого струму лампи, який для даної панелі повинен бути на рівні 6.5 мArms.

Так як лампи розміщують по краях екрана, то для забезпечення симетрії з кожної сторони екрана знаходиться одна лампа з пари (рис.9).

Рис. 9

На рис.10 демонструється розподіл висновків модуля заднього підсвічування по розніманням та їх відповідність розніманням інвертора.

Рис. 10

Інтерфейси панелі

РК-панель з'єднується із зовнішніми схемами трьома інтерфейсами:

- Інтерфейс напруги живлення (12-контактний роз'єм);

- інтерфейс напруги живлення модуля заднього підсвічування (6 роз'ємів по 3-4 контакти);

– інтерфейс LVDS для передачі керуючих сигналів, сигналів синхронізації та колірної інформації.

Інтерфейс напруги живлення має дуже простий розподіл сигналів по контактах - перші шість висновків - напруга +5В, шість висновків, що залишилися, - «земля» (табл.5).

Таблиця 5.

Інтерфейс модуля заднього підсвічування вже був досить детально розписаний у попередньому розділі статті. Залишилось вирішити питання з інформаційним інтерфейсом.

У РК-панелі LTM213U4-L01 використовується інтерфейс LVDS, який на сьогоднішній момент став найбільш широко використовується в LCD-модулях. Так як дані по цьому інтерфейсу передаються по парі диференціальних ліній у послідовному вигляді, у складі РК-модуля є приймач шини LVDS, який забезпечує перетворення послідовного коду даних, що отримуються в паралельний вигляд, зручний для контролера TCON. Як приймач шини LVDS у цьому пристрої використовується мікросхема DS90C388. Але приймач і передавач сигналів LVDS зазвичай є єдиним набором інтегральних мікросхем. У парі з приймачем як передавач LVDS застосовується мікросхема DS90C387, що розміщується на платі управління РК-панеллю. Інтерфейс LVDS виконаний у вигляді 31-контактного роз'єму, розподіл сигналів на якому описується таблицею 6.

Таблиця 6.

Найбільш повне уявлення про конфігурацію інтерфейсу пропонує рис.11.

Рис. 11

Колір кожної точки кодується 24-бітами, тобто. по 8 розрядів на кожен із основних кольорів (червоний, зелений, синій). Інформація щодо кожного з трьох кольорів передається по двох диференціальних лініях, що робиться для збільшення продуктивності інтерфейсу. Таким чином, передачі кольору використовується шість каналів диференціальних ліній. Ще один диференціальний канал використовується для передачі сигналів малої та кадрової синхронізації.

На виході приймача LVDS формуються 24 біти даних парних точок рядка (BE…,GE..,RE…) та 24 біти непарних точок (BO…, GO…, RO…). Тимчасові діаграми інтерфейсу представлені рис.12.

Рис. 12

Технічне обслуговування та експлуатація РК-панелі

Розглянувши всі особливості внутрішнього пристрою РК-панелі Samsung LTM213U4-L01, переходимо до одного з найпрактичніших питань: як правильно працювати з цим модулем, що допускається з ним робити, а що категорично забороняється, яким чином забезпечити грамотний догляд за панеллю під час експлуатації та яких запобіжних заходів дотримуватись при проведенні ремонтних робіт. Всі правила та рекомендації, наведені нижче, відносяться до РК-панелі, але так як вона є основним елементом моніторів, то автоматично все сказане можна перенести на LCD-монітори в цілому.

Правила зберігання РК-панелі

1. Не можна надовго поміщати РК-модуль в умови підвищеної температури та підвищеної вологості. Найбільш оптимальними умовами зберігання є температура від 0 до +35°С, при відносній вологості менше 70%.

2. Не можна зберігати панелі TFT-LCD під час впливу на них прямого сонячного світла.

3. РК-панелі повинні зберігатися у темному місці, захищеному від потрапляння сонячного світла та світла люмінесцентних ламп.

Правила експлуатації та обслуговування РК-панелі

1. РК-панель не повинна піддаватися механічним деформаціям та впливу сил на скручування.

2. Уникати впливу сильних ударів та впливу перевантажень. Це може призвести до пошкодження не тільки самої матриці LCD-TFT, а й ламп модуля заднього підсвічування.

3. Поляризуюча поверхня панелі дуже тендітна і може бути дуже легко пошкоджена. Не можна натискати на поверхню екрана та дряпати її олівцями, ручками тощо.

4. При попаданні на поверхню екрана крапель води, олії чи жиру негайно видалити (витерти) їх. Якщо краплі залишити, це може призвести до утворення плям і втрати кольору в даних місцях.

5. У разі забруднення поверхні екрана чистку проводити спеціальними абсорбуючими серветками або дуже м'якою тканиною.

6. В якості засобів для чищення екрану бажано використовувати воду, ізопропіловий спирт або гексан.

7. Категорично забороняється застосовувати розчинники класу кетонів (наприклад, ацетон), етиловий спирт, толуол, етилову кислоту, метолхлорид та всі засоби, що виробляються на їх основі. Застосування перерахованих речовин може миттєво пошкодити поляризуючий шар екрану за рахунок хімічної реакції, що виникає.

8. Якщо з панелі витікає матеріал рідких кристалів, то забороняється його чіпати руками, підносити до очей, носа та рота. Якщо ж цей склад таки потрапив на шкіру, руки чи одяг, необхідно промити все ретельно водою з милом.

9. Необхідно вжити заходів захисту панелі від електростатичних розрядів, які можуть стати причиною відмови електронних елементів (мікросхем) всередині панелі.

10. Забороняється розбирати РК-панель.

11. Захисна плівка з екрана повинна видалятися безпосередньо перед застосуванням, оскільки вона забезпечує захист від електростатичних розрядів.

12. При зовнішньому застосуванні РК-панелі (на свіжому повітрі) бажано використовувати ультрафіолетові фільтри.

13. При експлуатації необхідно уникати утворення конденсату.

14. Якщо на екрані протягом дуже довгого часу відображається та сама інформація, то користувач може зіткнутися з явищем, при якому навіть при вимкненому моніторі на екрані видно контури цього зображення, тобто. екран хіба що «прогорає» під відповідне зображення.

Рекомендації щодо проведення ремонтних робіт

1. Під час встановлення РК-панелі необхідно стежити за тим, щоб всі елементи кріплення були використані, тобто. панель у корпус повинна встановлюватися надійно та міцно.

2. Варто запобігати вигину проводів ламп заднього підсвічування і забороняється сильно тягнути ці дроти.

3. Забороняється регулювати змінні резистори, що знаходяться на РК-панелі.

4. Забороняється торкатися голими руками (без рукавичок) контактів з'єднувальних роз'ємів панелі – це може погіршити їхню провідність.

5. Монтажні та демонтажні роботи найкраще проводити на спеціальних лотках, покритих м'якими антистатичними матеріалами та з використанням м'яких рукавичок.

6. Підключення та відключення панелі від керуючих схем слід проводити виключно при вимкненому живленні.

7. Високі частоти, на яких працюють внутрішні електронні схеми РК-панелі, можуть спричинити явище електромагнітної інтерференції. Для зменшення цих явищ здійснюється «заземлення» панелі та її екранування. Тому при монтажі панелі всі ці заходи повинні суворо дотримуватися.

8. Варто також врахувати той момент, що довжина з'єднувального кабелю між лампами заднього підсвічування та інвертором має бути мінімальною, і лампи до інвертора повинні підключатися безпосередньо. Подовження з'єднувальних проводів може стати причиною зниження яскравості заднього підсвічування та збільшення пускової напруги.