Вибір і пристрій універсальної LED підсвічування для монітора

Вступ

Існує безліч варіацій універсального підсвічування для моніторів. Комплект зазвичай складається з однієї або двох світлодіодних лінійок, драйвера зі стабілізацією струму та шлейфу для підключення драйвера до плати управління. Пропозиції на ринку відрізняються один від одного типом світлодіодів, їх щільністю, матеріалом підкладки, типом керуючого ШІМ і, звичайно ж, компонуванням. То яке ж підсвічування вибрати для свого старого доброго монітора, у чому відмінність, які переваги та недоліки кожного з варіантів?

У цій статті ми постараємося відповісти на більшість питань, що виникають при виборі універсального LED підсвічування для моніторів, розберемо пристрій різних комплектів, детально розглянемо відмінності світлодіодних лінійок на базі 3528, 5630/5730 та 2835 їх переваги та недоліки, а також вивчимо схем різних спеціалізованих ШІМ контролерів. Інформація зі статті допоможе вам у майбутньому самостійно оцінювати якість пропонованих комплектів та вибирати найбільш підходящий для ваших умов експлуатації.

Якщо ви не читали попередню нашу статтю «Пристрій універсального LED підсвічування LCD екрана ноутбука CA-166, особливості, встановлення та адаптація», то рекомендуємо з нею ознайомитись т.к. ми будемо на неї посилатися у тексті.

Світлодіодні лінійки

Лінійки можуть відрізнятися типом світлодіодів, їх густиною установки, світловою температурою, а також матеріалом підкладки. Але дещо у них все ж таки є спільне, всі вони прагнуть вписатися в ширину 4 мм для матриць моніторів і 2 мм для матриць ноутбуків. Справа в тому, що матриці моніторів мають касети з CCFL лампами, товщиною 9 мм, 7 мм та 5 мм. 5мм касети розраховані були під одну CCFL лампу товщиною 2,4-3 мм, що разом з кріпленнями та центруючими кільцями дає мінімальну товщину 4-4,5 мм. Тому вибір стандарту 4 мм для LED лінійок виглядає логічним. Схемотехнічно драйвери в основному йдуть знижувальні, отже, напруга живлення лінійки має бути меншою за напругу живлення драйвера. Оскільки в моніторах для живлення інвертора підсвічування зазвичай використовується напруга від 12 до 24 В, то діоди підключають групами по 3 шт, що дає сумарну напругу лінійки 9 В, залишаючи мінімум 3 В в запасі на компенсацію втрат на струмовому резистори, ключі, індуктивності і і т.д.

Іноді на універсальних світлодіодних лінійках наносять мітки для обрізання під різні діагоналі матриць. Будьте дуже пильні, мітки не завжди кратні групі з трьох світлодіодів, уважно дивіться де закінчується сегмент (можна орієнтуватися по перехідних отворах) і ґрунтуючись на цій інформації вирішуйте, де краще обрізати стрічку, щоб уникнути затемнення в кутку. Наприклад, на фото нижче, червоним відмічені перехідні отвори. Мітки «19» і «20» дюймів ідеально збігаються з групами діодів, а ось мітка «20.1» дюйм проходить трохи далі за групу, відповідно останній світлодіод працювати не буде.

Чому не використовують схему перетворювача, що підвищує?

Якщо підключити всі світлодіоди послідовно, то лінійка з 90 світлодіодів мала б напругу живлення близько 270 В, а дві лінійки взагалі 540В, зробити перетворювач з таким коефіцієнтом перетворення не найпростіше завдання, вже буде потрібно трансформатор, та й струми світлодіодів у поєднанні з такою напругою, при неправильному монтажі, становить загрозу життю як користувачу, так і інженеру, який буде встановлювати таке підсвічування. Також відкритим питанням буде скорочення лінійки для припасування під конкретну діагональ. Потрібно буде відновлювати з'єднання лінії живлення після обрізки, ізолювати це місце, і по-доброму ... перемотувати трансформатор під нову напругу!

У матрицях із «заводською» ЛЕД підсвічуванням моніторів стоїть перетворювач, що підвищує, на напругу – 30-60 В, а діоди підключені послідовно-паралельно, групами по 10-20 світлодіодів. Кожна група включається через додаткову струмостабілізуючу схему.

Це найкращий спосіб підключення якщо ми виготовлятимемо лінійку окремо під кожну діагональ монітора, але в разі потреби вкоротити довжину стрічки, то ми зможемо це зробити тільки кратно одному сегменту, а це 10-20 світлодіодів, що знову ж таки не підходить для «універсального» підсвічування .

Який тип світлодіодів вибрати?

Сложность перехода на LED в том, что мониторы, которые переделываются из CCFL не имеют дополнительного рассеивателя перед световодом. Лампы с холодным катодом обладают великолепной однородность светового потока, а светодиод — точечный источник и «полосатость» по экрану, это следствие плохого распределения света, или другими словами результат неоднородности светового потока светодиодной линейки. При отсутствии специальной диффузионной пленки, такой эффект возникает в двух случаях, либо источник света имеет слишком узкую диаграмму направленности, либо же сами источники (светодиоды) расположены слишком далеко друг от друга.

Ще кілька років тому були поширені лінійки на базі світлодіодів 3528, вони мали досить вузьку діаграму спрямованості і малу потужність. Зараз же домінують лінійки на базі 5630/5730 та 2835 для підсвічування моніторів, а також світлодіоди 3014 та 4014 для підсвічування ноутбучних матриць. Для нас важливими параметрами є потужність, світловий потік, світловіддача, діаграма спрямованості, робоча температура та розміри. Колірної температури при порівнянні можна знехтувати т.к. практично всі сучасні білі світлодіоди використовують трансформатори спектру, що дозволяє будь-якому формфактору світлодіода випускати світло в заданому спектрі. Розглянемо таблицю нижче.

Як бачимо з таблиці, 3528 програють практично за всіма параметрами, підсвічування на базі цих світлодіодів тьмяні і мають помітну «смугастість», яку особливо видно на чорному тлі. У сучасності 3528 практично не зустрічаються в універсальних підсвічуваннях.

Найчастіше зустрічаються лінійки зі світлодіодами 5630 і 2835. 5630 мають перевагу за потужністю, але найчастіше лінійки працюють на потужності значно нижчою за номінальну, це пов'язано з тим, що діоди встановлюють максимально густо для отримання однорідного світлового потоку, і їх сумарна потужність стає значно більшою за допустиму теплового навантаження. Закриті умови експлуатації світлодіодної лінійки на максимально можливій потужності можуть призвести до перегріву та оплавлення світловода з подальшим пошкодженням матриці. Забігаючи наперед скажу, що драйвер підсвічування монітора зазвичай встановлений на струм, який є безпечним для матриць від 12” і більше.

Безпечна потужність підсвічування для моніторів від 19” та більше становить 20-25 Вт. Це середній показник для CCFL підсвічування, і він є верхньою межею у разі встановлення LED підсвічування. Драйвер LED підсвічування зазвичай виставлений на потужність 12 Вт, але самі стрічки, наприклад, з 5630 мають близько 64 діодів на лінійці або 128 шт/комплект, а з 2835 близько 90 світлодіодів (180/комплект), що відповідно дорівнює 64 і 36 Ватт . Як бачимо, захмарні потужності, і одні й інші діоди на повній потужності перевищують допустиму, так які ж вибрати?

Пойдем от обратного, у нас есть ограничение по рассеиваемой тепловой мощности — 20 Вт, какая из линеек даст больше света? Посмотрим в табличку — 2865 обладают более высокой светоотдачей и следственно имеют больший световой поток. Если пересчитать световой поток на один ватт, то 5630 дадут 100 люмен, а 2835 дадут 125 люмен на ватт, что дает 25% выигрыш по яркости в сравнении с 5630. Конечно Cree еще в 2010 хвасталась, что уже пробила уровень в 200 люмен на ватт, но таких линеек среди доступных до сих пор нет. Также не стоит забывать об однородности ведь, как мы говорили, светодиоды – это точечные источники, и чем больше таких «точек», тем равномерней световой поток и тем меньше шансов разглядеть на экране «зебру». По этому параметру опять же выигрывают светодиодные линейки 2835.

Навіщо підсвічування такої великої потужності?

Люди, які дивилися з відстані метр на світлодіодний ліхтар потужністю хоча б 10 Ватт напевно поставлять це питання. Дійсно, якщо увімкнути світлодіодну лампу на 12 Вт, то вона непогано висвітлить середню кімнату, а тут та ж лампа тільки в моніторі, на відстані метра від очей, і ми спокійно на неї дивимося. Щоб зрозуміти куди дівається світло, потрібно подивитися на матрицю в розрізі.

Звичайна TN матриця складається з більш ніж 10 шарів, і навіть якщо відкинути умовно прозорі шари (клей, світловоди), то залишиться 4 шари, які дуже добре поглинають світло.

Першим шаром, який «відкушує» левову частку світлового потоку є внутрішній поляризатор, він пропускає всього 45% світла, перетворюючи неполяризоване світло на поляризоване. Наступним «ненажерливим» шаром йде TFT-апертура, яка пропускає 55% світла, що залишилося, потім йде колірний фільтр, який формує субпікселі, він взагалі залишає всього 33% або 1/3 потоку, що залишився (плата за поділ на червоний, зелений і синій), і нарешті верхній поляризатор На нього приходить вже поляризоване світло, і воно відсікає лише малу частину, пропускаючи 90%. Якщо підрахувати сумарні втрати, то нам залишається всього близько 7% від світла нашого підсвічування, а у випадку ISP ще менше – близько 4%. Але не варто засмучуватися, світлодіодного підсвічування потужністю 10 Вт цілком достатньо, щоб ви не помітили різниці зі своїм старим CCFL підсвічуванням.

Все-таки зустрічаються місця, де потрібна яскравість вище середньої. Як правило, це пристрої, які експлуатуються за високого зовнішнього освітлення, наприклад, на вулиці. До таких відносяться пристрої моніторингу та відображення для різної автоматики, комбайнів, верстатів з ЧПУ, виробничих ліній тощо. В цьому випадку краще пошукати світлодіодні лінійки на алюмінієвій основі. Вони дещо дорожчі, але завдяки алюмінієвій підкладці здатні відводити значно більше тепла, такі лінійки рекомендується клеїти не на простий двосторонній скотч, а на теплопровідний, який зможе забезпечити відведення тепла належним чином. Лінійки 2865 на алюмінієвій основі показують стабільні параметри та нормальну робочу температуру на потужності до 30 Вт (!!!).

Установка освітлювальних стрічок як підсвічування матриці LCD монітора.

І пару слів про освітлювальні стрічки 12/24 В які іноді встановлюють на заміну лампам, що згоріли. Основним недоліком освітлювальних стрічок є щільність встановлення світлодіодів. Так, бувають освітлювальні стрічки високої густини, але всі вони далекі до спеціалізованих лінійок. До того ж на стрічці встановлені резистори, що гасять, які посилюють і без того важкий тепловий режим. Також освітлювальні стрічки досить широкі, і якщо в 9 мм касету встановити їх не складно, то в 5 мм ніяк не вийде. Крім того, якщо у вас в блоці живлення монітора немає напруги 12 або 24 В, їх потрібно буде отримати за допомогою додаткового перетворювача т.к. світлодіодні стрічки чутливі до напруги, також вам доведеться продумати схему керування для увімкнення/вимкнення підсвічування, а також системи регулювання яскравості. Установка освітлювальних стрічок як підсвічування виправдана у разі достатніх знань у схемотехніці, наявності зайвого вільного часу та невибагливості до результату. Для «гаражного» монітора таке рішення цілком зійде, але для робочого монітора такий варіант є сумнівним заходом із сумнівною економією.

Драйвери

Светодиодные линейки должны быть запитаны от источника постоянного тока. Бывают случаи, когда люди по старинке запитывают светодиод постоянным напряжением, в этом случае все происходит как в старой шутке – светодиод «жить будет плохо, но не долго» и сравнительно быстро выйдет из строя. Все дело в полупроводнике, у него вольтамперная характеристика (ВАХ) носит не только экспоненциальный характер, но еще и прямо пропорционально температуре, чем выше температура — тем ниже сопротивление диода и тем быстрее нарастает ток.

Найпростіший спосіб "стабілізації" струму - це послідовно підключений резистор. Такий спосіб використовують у 12/24 світлодіодних освітлювальних стрічках. У моніторах крім стабілізації струму, необхідно забезпечити управління включенням та регулювання яскравості. Для забезпечення всіх необхідних функцій драйверів застосовуються спеціалізовані мікросхеми. Найбільш поширені моделі зібрані на DF6113A та PT4115.

Драйвер на базі PT4115

PT4115 призначений для побудови понижувальних перетворювачів напруги зі стабілізацією струму. Діапазон робочих напруг від 6 до 30 В, але стосовно універсального світлодіодного підсвічування мінімальна напруга становить 11 В. Мікросхема має вбудований силовий ключ, який забезпечує робочий струм до 1,2 А що при 9 В живленні світлодіодів становить приблизно 10 Вт. Але варто зазначити, що це можливості мікросхеми, серед тих драйверів LED, які мені зустрічалися, були встановлені індуктивності типорозміром 2220 з максимальним допустимим струмом 800 мА тобто. максимальна потужність у цьому випадку становитиме 7,2 Вт.

Типове включення мікросхеми з прикладу драйвера JH-2T009 наведено на наступній схемі.

У цій схемі лінія управління яскравості підключена до сигналу включення на роз'єм, це не помилка, драйвер при цьому нормально функціонує на максимальній яскравості, без можливості регулювання. Але якщо в скайлері монітора використовується ШІМ сигнал керування яскравістю, то можна на лінію (3) можна подати цей ШІМ сигнал керування яскравості (попередньо відключивши сигнал ON/OFF) і регулювання яскравості працюватиме в штатному режимі.

Регулювання струму здійснюється заміною струмовимірювальних резисторів R1, R2, які розраховуються за такою формулою: Iout=100mV/Rs. Опір струмовимірювального резистора має бути не менше 0,085 Ом, що відповідає вихідному струму 1,2 А. Але перш ніж замінити резистор переконайтеся, що інші компоненти на платі драйвера розраховані під цей струм. Якщо повернутись до нашої JH-2T009, то діод Шоттки SS14 розрахований на струм до 1 А, а дросель типорозміру 2220 і зовсім на 800 мА.

Чи варто купувати універсальне підсвічування на базі PT4115?

Залежить від виконання та потреб. Загалом досить надійний та дешевий варіант із мінімальною кількістю дискретних елементів. При хорошому виконанні та індуктивності відповідної потужності такого драйвера буде цілком достатньо для домашніх моніторів діагоналлю 15-19”. Для великих діагоналей або місцях, вимогливих до яскравості рекомендуємо придивитися до драйверів на базі наступної мікросхеми.

Драйвер на базі DF6113A

DF6113A – спеціалізований драйвер підсвічування LCD матриць. Його можна використовувати як у схемах понижуючого перетворювача, так і підвищує. Діапазон робочих напруг 5-24 (в разі понижувальної схеми 11-24 В). У ньому реалізовані вбудовані ланцюги захисту від перенапруги по виходу та від короткого замикання. Мікросхема не має вбудованого силового ключа і вимагає більшої обв'язки для нормальної роботи.

Не дивлячись на різноманітність пропозицій, схема включення мікросхеми ідентична в більшості випадків, навіть у варіанті універсального ноутбучного підсвічування схема аналогічна (докладніше можна почитати в попередній статті). Отличия лишь в использовании более мощных элементов — диоды вместо 2 амперных SS210, установлены 3 амперные SS310, более мощная индуктивность B82464G, наличие дополнительных электролитов и т.д.

Але потужна індуктивність зовсім не правило, на наступному фото представлений драйвер із загадковою економією на індуктивності, такий драйвер, незважаючи на потенціал мікросхеми та потужного силового ключа, не можна переналаштовувати на струми, понад 800 мА і справа навіть не в перегріві. Перевищення струму неминуче призводить до насичення сердечника і індуктивність втрачає свої властивості, перетворюючись на резистор з дуже малим опором. У кращому разі спрацює захист блоку живлення, а в гіршому щось перегорить.

Щодо управління практично всіх видів підсвічування звертаємо увагу, що «заводське» виконання драйвера йде з інвертованим аналоговим управлінням яскравістю. Мінімальна напруга управління яскравістю відповідає максимальній яскравості та навпаки.

Але виробник мікросхеми також дає рекомендації щодо підключення неінвертуючого ШІМ сигналу управління, який наведено на наступному малюнку.

Для переробки необхідно лише видалити резистор R1 і конденсатор C3, і додати діод VD2. Для надійної роботи бажано ще додати резистор R9, що підтягує.

Регулювання струму провадиться заміною струмовимірювальних резисторів, які вважаються за спеціальною формулою, про яку вже писалося в попередній статті.

На що звернути увагу під час вибору драйвера?

Вже на вигляд драйвера можна судити про його можливості і обмеження. Розберемо по порядку.

Силові ключі Наявність зовнішнього силового ключа зазвичай гарантує навіть надмірність по струму. Так, наприклад, транзистор 15N10 здатний забезпечити струм 8 А в безперервному режимі та 14 А в імпульсному. Якщо ключ вбудований, такі схеми зазвичай мають обмеження 1-1,5 А, детальніше можна дізнатися з документації на конкретну мікросхему.

Індуктивність. Моточні вироби завжди були дорогими і на них насамперед заощаджують. Індуктивність встановлюють менше номіналом (т.к. такі індуктивності витримують більший струм) і менше розміром, що зменшує допустимий струм, але і знижує собівартість. Для найпростіших драйверів типовим є індуктивність серії LQH55D, типорозмір 2220 (5х5мм), 47 мкГн. У якісніших драйверах ставлять індуктивності хоча б B82464G (10х10мм), 47 мкГн і більше.

Зменшення індуктивності негативно впливає діапазон регулювання яскравості. Індуктивність 47 мкГн дозволяє регулювати яскравість не більше 20:1, а 68 мкГн вже 25:1. Збільшення номіналу індуктивності розширює діапазон регулювання яскравості, але такі індуктивності при ідентичному типорозмірі мають менший допустимий струм. Тому виробникам доводиться балансувати між зручністю та собівартістю.

Діод Шоттка. Тут найбільш популярні SS14, SS210 та SS310 від 1 до 3 А відповідно. Знову ж таки більше струм – краще.

Наявність конденсаторів, що згладжують, на виході. Їх установка обов'язкова, т.к. вважається, що око не здатне побачити високочастотні мерехтіння. І на фото на початку розділу під літерою (B) зображений такий інвертор. Але фізіологи все ж таки відзначають, що велика амплітуда ВЧ мерехтіння призводить до більш швидкої стомлюваності. Тому більш якісні (А) мають конденсатор, що згладжує паралельно світлодіодам.

Підсумки

Тепер ви знаєте чим відрізняються універсальні LED підсвічування для монітора і можете свідомо вибрати найбільш підходящий вам варіант.

Ми ж у свою чергу будемо раді, якщо ви подивіться наші пропозиції щодо підсвічування. У нас є варіанти практично для будь-яких завдань, за демократичними цінами та з гарантованою якістю виконання:

Універсальне підсвічування для монітора 15-24”

Універсальне підсвічування для монітора 15-24” з лінійками на алюмінієвій основі (за запитом)

Універсальне підсвічування для ноутбуків