Выбор и устройство универсальной LED подсветки для монитора

Введение

Существует множество вариаций универсальных подсветок для мониторов. Комплект обычно состоит из одной или двух светодиодных линеек, драйвера со стабилизацией по току и шлейфа для подключения драйвера к плате управления. Предложения на рынке отличаются друг от друга типом светодиодов, их плотностью, материалом подложки, типом управляющего ШИМ и конечно же компоновкой. Так какую же подсветку выбрать для своего старого доброго монитора, в чем различие, каковы преимущества и недостатки каждого из вариантов?

В этой статье мы постараемся ответить на большинство вопросов, возникающих при выборе универсальной LED подсветки для мониторов, разберем устройство различных комплектов, детально рассмотрим различия светодиодных линеек на базе 3528, 5630/5730 и 2835 их преимущества и недостатки, а также изучим схемы построения драйверов на различных специализированных ШИМ контроллерах. Информация из статьи поможет вам в будущем самостоятельно оценивать качество предлагаемых комплектов и выбирать наиболее подходящий для ваших условий эксплуатации.

Если вы не читали предыдущую нашу статью «Устройство универсальной LED подсветки LCD экрана ноутбука CA-166, особенности, установка и адаптация», то рекомендуем с ней ознакомится т.к. мы будем на нее ссылаться в тексте.

Светодиодные линейки

Линейки могут отличаются типом светодиодов, их плотностью установки, световой температурой, а также материалом подложки. Но кое-что у них все же есть общее, все они стремятся вписаться в ширину 4 мм для матриц мониторов и 2 мм для матриц ноутбуков. Дело в том, что матрицы мониторов имеют кассеты с CCFL лампами, толщиной 9 мм, 7 мм и 5 мм. 5мм кассеты рассчитаны были под одну CCFL лампу толщиной 2,4-3 мм что вместе с креплениями и центрующими кольцами дает минимальную толщину 4-4,5 мм. По этой причине выбор стандарта 4 мм для LED линеек выглядит логичным. Схемотехнически драйверы в основном идут понижающие, следовательно, напряжение питания линейки должно быть меньше напряжения питания драйвера. Поскольку в мониторах для питания инвертора подсветки обычно используется напряжение от 12 В до 24 В, то диоды подключают группами по 3 шт, что дает суммарное напряжение линейки 9 В, оставляя минимум 3 В в запасе на компенсацию потерь на токовом резисторе, ключе, индуктивности и т.д.

Иногда на универсальных светодиодных линейках наносят метки для обрезки под разные диагонали матриц. Будьте крайне бдительны, метки не всегда кратны группе из трех светодиодов, внимательно смотрите где заканчивается сегмент (можно ориентироваться по переходным отверстиям) и основываясь на этой информации решайте, в каком месте лучше обрезать ленту, чтобы избежать затемнения в углу. Например, на фото ниже, красным отмечены переходные отверстия. Метки «19» и «20» дюймов идеально совпадают с группами диодов, а вот метка «20.1» дюйм проходит немного далее группы, соответственно последний светодиод работать не будет.

Почему не используют схему повышающего преобразователя?

Если подключить все светодиоды последовательно, то линейка из 90 светодиодов имела бы питающее напряжение около 270 В, а две линейки вообще 540В, сделать преобразователь с таким коэффициентом преобразования не самая простая задача, уже потребуется трансформатор, да и токи светодиодов в купе с таким напряжением, при неправильном монтаже, представляет угрозу жизни как пользователю, так и инженеру, который будет устанавливать такую подсветку. Также открытым вопросом будет укорачивание линейки для подгонки под конкретную диагональ. Нужно будет восстанавливать соединение питающей линии после обрезки, изолировать это место, и по-хорошему… перематывать трансформатор под новое напряжение!

В матрицах с «заводской» ЛЕД подсветкой мониторов стоит повышающий преобразователь, на напряжение – 30-60 В, а диоды подключены последовательно-параллельно, группами по 10-20 светодиодов. Каждая группа включается через дополнительную токостабилизирующую схему.

Это наилучший способ подключения если мы будем изготавливать линейку отдельно под каждую диагональ монитора, но в случае необходимости укоротить длину ленты, то мы сможем это сделать только кратно одному сегменту, а это 10-20 светодиодов, что опять же не подходит для «универсальной» подсветки.

Какой тип светодиодов выбрать?

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.

Еще несколько лет назад распространены были линейки на базе светодиодов 3528, они имели довольно узкую диаграмму направленности и малую мощность. Сейчас же доминируют линейки на базе 5630/5730 и 2835 для подсветок мониторов, а также светодиоды 3014 и 4014 для подсветок ноутбучных матриц. Для нас важными параметрами является мощность, световой поток, светоотдача, диаграмма направленности, рабочая температура и размеры. Цветовой температурой при сравнении можно пренебречь т.к. практически все современные белые светодиоды использую трансформаторы спектра, что позволяет любому формфактору светодиода испускать свет в заданном спектре. Рассмотрим таблицу ниже.

Как видим из таблицы, 3528 проигрывают практически по всем параметрам, подсветки на базе этих светодиодов тускловаты и обладают заметной «полосатостью», которую особенно видно на черном фоне. В современности 3528 практически не встречаются в универсальных подсветках.

Наиболее часто встречаются линейки со светодиодами 5630 и 2835. 5630 имеют преимущество по мощности, но зачастую линейки работают на мощности значительно ниже номинальной, это связанно с тем, что диоды устанавливают максимально густо для получения однородного светового потока, и их суммарная мощность становится значительно больше допустимой тепловой нагрузки. Закрытые условия эксплуатации светодиодной линейки на максимально возможной мощности могут привести к перегреву и оплавлению световода с дальнейшим повреждением матрицы. Забегая вперед скажу, что драйвер подсветки монитора обычно предустановлен на ток, который является безопасным для матриц от 12” и более.

Безопасная мощность подсветки для мониторов от 19” и более составляет 20-25 Вт. Это средний показатель для CCFL подсветки, и он же является верхним пределом в случае установки LED подсветки. Драйвер LED подсветки обычно выставлен на мощность 12 Вт, но сами ленты, например, из 5630 имеют около  64 диодов на линейке или же 128 шт/комплект, а из 2835 около 90 светодиодов (180/комплект), что соответственно равно 64 и 36 Ватт. Как видим, мощности заоблачные, и одни и другие диоды на полной мощности превышают допустимую, так какие же выбрать?

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.

Зачем подсветка такой большой мощности?

Люди, которые смотрели с расстояния метр на светодиодный фонарь мощностью хотя бы 10 Ватт наверняка зададут этот вопрос. Действительно, если включить светодиодную лампу на 12 Вт, то она неплохо осветит среднюю комнату, а тут та же лампа только в мониторе, на расстоянии метра от глаз, и мы спокойно на нее смотрим. Что бы понять куда девается свет, нужно посмотреть на матрицу в разрезе.

Обычная TN матрица состоит из более чем 10 слоев, и даже если отбросить условно прозрачные слои (клей, световоды), то у нас останется 4 слоя, которые очень хорошо поглощают свет.

Первым слоем, который «откусывает» львиную долю светового потока является внутренний поляризатор, он пропускает всего 45% света, превращая неполяризованный свет в поляризованный. Следующим «прожорливым» слоем идет TFT-апертура, которая пропускает 55% оставшегося света, затем идет цветовой фильтр, который формирует субпиксели, он вообще оставляет всего 33% или 1/3 оставшегося потока (плата за деление на красный, зеленый и синий), и наконец верхний поляризатор. На него приходит уже поляризованный свет, и он отсекает только малую часть, пропуская 90%. Если подсчитать суммарные потери, то нам остается всего около 7% от света нашей подсветки, а в случае ISP и того меньше – около 4%. Но не стоит печалится, светодиодной подсветки мощностью 10 Вт вполне достаточно, чтобы вы не заметили разницы со своей старой CCFL подсветкой.

Стоит заметить, что все-же встречаются места, где требуется яркость выше средней. Как правило, это устройства, которые эксплуатируются при высоком внешнем освещении, например, на улице. К таковым относятся устройства мониторинга и отображения для различной автоматики, комбайнов, станков с ЧПУ, производственных линий и т.д. В этом случае лучше поискать светодиодные линейки на алюминиевой основе. Они несколько дороже, но благодаря алюминиевой подложке способны отводить значительно больше тепла, такие линейки рекомендуется клеить не на простой двухсторонний скотч, а на теплопроводный, который сможет обеспечить отвод тепла должным образом. Линейки 2865 на алюминиевой основе показывают стабильные параметры и нормальную рабочую температуру на мощности до 30 Вт (!!!).

Установка осветительных лент в качестве подсветки матрицы LCD монитора.

И пару слов о осветительных лентах 12/24 В которые иногда устанавливают на замену сгоревшим лампам. Основным недостатком осветительных лент является плотность установки светодиодов. Да, бывают осветительные ленты высокой плотности, но все они далеки до специализированных линеек. К тому-же на ленте установлены гасящие резисторы, которые усугубляют и без того тяжёлый тепловой режим. Также осветительные ленты довольно широкие, и если в 9 мм кассету установить их не сложно, то вот в 5 мм никак не выйдет. Кроме того, если у вас в блоке питания монитора нет напряжений 12 или 24 В, то их нужно будет получить при помощи дополнительного преобразователя т.к. светодиодные ленты чувствительны к напряжению, также вам предстоит продумать схему управления для включения/отключения подсветки, а также системы регулировки яркости. Установка осветительных лент в качестве подсветки, оправдана в случае достаточных знаний в схемотехнике, наличию лишнего свободного времени и нетребовательности к результату. Для «гаражного» монитора такое решение вполне сойдет, но для рабочего монитора такой вариант является сомнительным мероприятием с сомнительной экономией.

Драйверы

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.

Самый простой способ «стабилизации» тока – это последовательно подключенный резистор. Такой способ используют в 12/24 В светодиодных осветительных лентах. В мониторах кроме стабилизации тока, необходимо обеспечить управление включением и регулировку яркости. Для обеспечения всех необходимых функций в драйверах применяются специализированные микросхемы. Наиболее распространенные модели собраны на DF6113A и PT4115.

Драйвер на базе PT4115

PT4115 предназначен для построения понижающих преобразователей напряжения со стабилизацией по току. Диапазон рабочих напряжений от 6 до 30 В, но применительно к универсальной светодиодной подсветке минимальное напряжение составляет 11 В. Микросхема имеет встроенный силовой ключ, который обеспечивает рабочий ток до 1,2 А что при 9 В питании светодиодов составляет примерно 10 Вт. Но стоит оговорится, что это возможности микросхемы, среди тех драйверов LED, которые мне встречались, были установлены индуктивности типоразмером 2220 с максимальным допустимым током 800 мА т.е. максимальная мощность в этом случае будет составлять 7,2 Вт.

Типичное включение микросхемы на примере драйвера JH-2T009 приведено на следующей схеме.

В данной схеме линия управления яркости подключена к сигналу включения на разъеме, это не ошибка, драйвер при этом нормально функционирует на максимальной яркости, без возможности регулировки. Но если в скайлере монитора используется ШИМ сигнал управления яркостью, то можно на линию (3) можно подать этот ШИМ сигнал управления яркости (предварительно отключив сигнал ON/OFF) и регулировка яркости будет работать в штатном режиме.

Регулировка тока осуществляется заменой токоизмерительных резисторов R1, R2 которые рассчитываются по следующей формуле: Iout=100mV/Rs. Сопротивление токоизмерительного резистора должно быть не менее 0,085 Ом что соответствует выходному току 1,2 А. Но прежде чем заменить резистор убедитесь, что другие компоненты на плате драйвера рассчитаны под этот ток. Если вернуться к нашей JH-2T009, то диод Шоттки SS14 рассчитан на ток до 1 А, а дроссель типоразмера 2220 и вовсе на 800 мА.

Стоит ли покупать универсальную подсветку на базе PT4115?

Зависит от исполнения и потребностей. В целом довольно надежный и дешевый вариант с минимальным количеством дискретных элементов. При хорошем исполнении и индуктивности соответствующей мощности, такого драйвера будет вполне достаточно для домашних мониторов диагональю 15-19”. Для больших же диагоналей или местах, требовательных к яркости рекомендуем присмотрится к драйверам на базе следующей микросхемы.

Драйвер на базе DF6113A

DF6113A – специализированный драйвер подсветки LCD матриц. Его можно использовать как в схемах понижающего преобразователя, так и повышающего. Диапазон рабочих напряжений 5-24 В (в случае понижающей схемы 11-24 В). В нем реализованы встроенные цепи защиты от перенапряжения по выходу и от короткого замыкания. Микросхема не имеет встроенного силового ключа и требует несколько большей обвязки для нормальной работы.

Не смотря на разнообразие предложений, схема включения микросхемы идентична в большинстве случаев, даже в варианте универсальной ноутбучной подсветки схема аналогична (подробней можно почитать в предыдущей статье). 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.

Но мощная индуктивность вовсе не правило, на следующем фото представлен драйвер с загадочной экономией на индуктивности, такой драйвер, не смотря на потенциал микросхемы и мощного силового ключа, нельзя перенастраивать на токи, более 800 мА и дело даже не в перегреве. Превышение тока неизбежно приводит к насыщению сердечника и индуктивность теряет свои свойства превращаясь в резистор с очень малым сопротивлением. В лучшем случае сработает защита блока питания, а в худшем что-то перегорит.

Касательно управления практически всех видов подсветок обращаем внимание, что «заводское» исполнение драйвера идет с инвертированным аналоговым управлением яркостью. Минимальное напряжение управления яркостью соответствует максимальной яркости и наоборот.

Но производитель микросхемы также дает рекомендации по подключению неинвертирующего ШИМ сигнала управления который приведен на следующем рисунке.

Для переделки необходимо всего лишь удалить резистор R1 и конденсатор C3, и добавить диод VD2. Для надежной работы желательно еще добавить подтягивающий резистор R9

Регулирование тока производится заменой токоизмерительных резисторов, которые считаются по специальной формуле, о которой уже писалось в предыдущей статье.

На что обратить внимание при выборе драйвера?

Уже по внешнему виду драйвера можно судить о его возможностях и ограничениях. Разберем по порядку.

Силовые ключи. Наличие внешнего силового ключа как правило гарантирует даже избыточность по току. Так, например, транзистор 15N10 способен обеспечить ток 8 А в непрерывном режиме и 14 А в импульсном. Если ключ встроен, то такие схемы обычно имеют ограничение 1-1,5 А, детальней можно узнать из документации на конкретную микросхему.

Индуктивность. Моточные изделия всегда были дорогими и на них в первую очередь экономят. Индуктивность устанавливают поменьше номиналом (т.к. такие индуктивности выдерживают больший ток) и поменьше размером, что уменьшает допустимый ток, но и снижает себестоимость. Для самых простых драйверов типичным является установка индуктивности серии LQH55D, типоразмер 2220 (5х5мм), 47 мкГн. В боле качественных драйверах ставят индуктивности хотя бы B82464G (10х10мм), 47 мкГн и более.

Уменьшение индуктивности негативно влияет на диапазон регулировки яркости. Индуктивность 47 мкГн позволяет регулировать яркость в пределах 20:1, а 68 мкГн уже 25:1. Увеличение номинала индуктивности расширяет диапазон регулирования яркости, но такие индуктивности при идентичном типоразмере имею меньший допустимый ток. Потому производителям приходится балансировать между удобством и себестоимостью.

Диод Шоттки. Тут наиболее популярны SS14, SS210 и SS310 от 1 до 3 А соответственно. Опять-же больше ток – лучше.

Наличие сглаживающих конденсаторов на выходе. Их установка не обязательна, т.к. считается, что глаз не способен увидеть высокочастотные мерцания. И на фото в начале раздела, под буквой (B) изображен такой инвертор. Но физиологи все же отмечают, что большая амплитуда ВЧ мерцаний приводит к более быстрой утомляемости. Потому более качественные (А) имеют сглаживающий конденсатор параллельно светодиодам.

Итоги

Теперь вы знаете чем отличаются универсальные LED подсветки для монитора и можете сознательно выбрать наиболее подходящий вам вариант.

Мы же в свою очередь будем рады, если вы посмотрите наши предложения по подсветке. У нас есть варианты практически для любых задач, по демократичным ценам и с гарантированным качеством исполнения:

Универсальная подсветка для монитора 15-24”

Универсальная подсветка для монитора 15-24” с линейками на алюминиевой основе (по запросу)

Универсальная подсветка для ноутбуков