516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Преобразователи могут иметь различное конструктивное исполнение: в виде плат с разъемами для подключения ламп и входного источника напряжения, а также в виде отдельных корпусных модулей. Преобразователи рассчитаны на различные мощности ламп. Один преобразователь может обеспечивать питание от одной до восьми ламп. Преобразователи обеспечивают возможность одновременной регулировки яркости нескольких ламп.

Модуль задней подсветки большеформатных ЖКЭ. Типовая конструк-

ция модуля задней подсветки для большеформатных цветных ЖКЭ состоит из светорассеивающего экрана (LGP – Light-Guide Plate), одной или нескольких люминесцентных ламп с холодным катодом и светоотражающего экрана. Для питания ламп необходим специальный источник – конвертор напряжения.

Типовая конструкция модуля задней подсветки большеформатных цветных ЖКЭ показана на рис. 10.19 [65]. Применяемые в этой конструкции лампы могут иметь цилиндрическую или U-образную форму. Диаметр колбы может составлять от 3 до 8 мм, а длина лампы достигает 25…30 см. Для питания системы ламп используется либо один мощный, либо несколько источников – преобразователей напряжения. Частота сигнала, питающего лампы, устанавливается в пределах от 30 до 65 кГц. Амплитуда напряжения в момент зажигания ламп достигает несколько киловольт, а в рабочем режиме величина эффективного напряжения составляет до 780 В. Все лампы развязаны между собой по переменному току так, чтобы ток, протекающий через одну из них, не влиял на все остальные. Ток потребления одной лампы достигает десятков мА.

Структурная схема источника питания для модуля задней подсветки, состоящего из нескольких ламп, приведена на рис. 10.20 [65].

Равномерность яркости устройства задней подсветки, достигаемой по обычной схеме (несколько цилиндрических ламп + светорассеиватель + светоотражатель), в лучшем случае составляет 80%. Глаз человека не способен заметить такую неравномерность, поскольку яркостные переходы плавные и находятся в основном на периферии рабочей площади. Наличие неравномерности по яркости вызывает у наблюдателей дополнительное напряжение глаз и утомление при работе.

Рис. 10.19. Конструкция задней подсветки большеформатных цветных ЖКЭ

Рис. 10.20. Схема питания для десяти ламп источника задней подсветки ЖКЭ

Плоская люминесцентная лампа для задней подсветки ЖКЭ. Кон-

струкция плоской люминесцентной лампы, использующей пары инертного газа ксенона, приведена на рис. 10.21 [65].

Рис. 10.21. Конструкция плоской люминесцентной лампы

Лампа состоит из двух плоскопараллельных стекол, между которыми создан узкий разрядный газовый промежуток. Толщина переднего стекла составляет 2,3 мм, а заднего – 3 мм. Люминофорное покрытие нанесено на внутренних стенках обоих стекол. Равномерность зазора выдерживается за счет использования шариков – спейсеров диаметром 1 мм. Размеры лампы составляют 287 395 мм. Прозрачный верхний электрод – низкоомный слой In2O3. Используется люминофор белого свечения.

Толщина слоя люминофора на переднем и заднем стеклах различна. Толщина люминофорного слоя на переднем стекле составляет 10 мкм, а на заднем – 30 мкм. Основной источник излучения должен находиться на подложке, за которой находится отражатель. Для бóльшей прозрачности при прохождении конвертированного излучения в видимом диапазоне слой люминофора на передней поверхности должен иметь несколько меньшую толщину.

Нижний светоотражающий металлический электрод создан на основе вжигания серебряной пасты при температуре 520 С. Слой серебра сверху защищен слоем диэлектрика. Шарики спейсеров должны выдерживать достаточно высокое атмосферное давление, поэтому выполнены из твердого материала ZrO2. Толщина диэлектрического слоя из BaTiO3 составляет 60 мкм. Толщина газового промежутка задается спейсерами и равна 1 мм.

Физика работы такой лампы аналогична особенностям работы лампы с холодным катодом при использовании паров ртути. Приложенное высокое переменное напряжение вызывает пробой разрядного газового промежутка толщиной в 1 мм и дуговой разряд. Разряд в газе возбуждает тяжелые ионы ксенона. При возбуждении происходит испускание ультрафиолетового излучения, которое при поглощении в слое люминофора преобразуется в видимое излучение. Спектр излучения определяется химическим составом компонентов люминофора. Цветовая температура лампы соответствует 9000 К. Спектральные пики интенсивности излучения по основным цветам распределены следующим образом: 467 нм для голубого, 543 нм для желтого, для красного цвета имеется два пика – 585 нм и 611 нм.

Эффективное напряжение приближается к 1050 В, а частота сигнала возбуждения разряда в лампе составляет 20 кГц. Форма сигнала – синусоидальная. При таких параметрах была получена максимальная яркость свечения – около 7430 кд/м2. Однако для достижения более высокой равномерности по яркости пришлось применить пластину внешнего светорассеивателя толщиной около 3 мм.

Ожидаемый ресурс плоской лампы составляет около 10000 часов, что сравнимо с долговечностью обычных цилиндрических люминесцентных ламп с холодным катодом. Плоская лампа не содержит паров ртути, поэтому экологически безвредна.

Применение такой лампы в устройстве задней подсветки современных мониторов позволяет не только улучшить цветопередачу и достичь равномерности по яркости, но и дает дополнительную возможность для уменьшения толщины всего корпуса монитора.

Конструктивные особенности светодиодов. Светодиод – это полупро-

водниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. В англоязычной литературе светодиод получил название Light Emitting Diode (LED). Работа светодиодов основана на эффекте Лосева, характеризующего явление люминесценции, возникающего в области контакта некоторых полупроводников, точнее на границе области p и n.

Конструктивно светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с выводами и оптической системы. Большинство светодиодов в своей конструкции содержат пластиковые линзы, однако некоторые производители (например, фирма Cree) – использует стеклянные. Прочность и качество у последних выше. В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение. Следовательно, светодиоды мало нагреваются. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, срок его службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 5…10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Таким образом, светодиодная подсветка позволяет эксплуатировать жидкокристаллическое устройство отображения круглосуточно в течение многих лет. Рекордное значение коэффициента полезного действия – преобразование электрической энергии в световую – в лабораторных образцах светодиодов достигает 60%. Наконец, светодиод низковольтный электроприбор (для его эффективной работы достаточно иметь питающее напряжение величиной в пределах 5…32 В), а стало быть безопасный. В лабораторных условиях получено значение световой отдачи, равное 150 лм/Вт и выше. Для сравнения обычные лампы накаливания имеют световую отдачу около 18 лм/Вт. Световая отдача зависит от температуры, при повышении которой излучение светодиода смещается в «синюю» зону, одновременно падает мощность светового потока.

Для использования в устройствах задней подсветки ЖКЭ требуются светодиоды белого свечения с цветовыми температурами, приближенными к 3200 К или 5600 К, да еще и со спектральными характеристиками, близкими к спектрам ламп накаливания и дневного света соответственно. Но спектр излучения светодиодов по своей сути близок к монохроматическому, то есть имеет очень узкую область в видимом диапазоне. Комбинация R, G, B-светодиодов позволяет в определенной степени приблизиться к спектрам ламп накаливания или солнечному свету, но приближение оказывается достаточно грубым. Наиболее эффективным способом получения белого света оказалось покрытие синего светодиода желтым люминофором. В этом случае белым светом светится уже нанесенный на кристалл светодиода люминофор. Причем следует иметь ввиду, что спектр свечения как монохромных светодиодов, так и белых зависит от величины проходящего через них тока. При изменении тока происходит смещение цветовой температуры белого свечения, а также смещение доминантной части излучения монохромных светодиодов.

На практике могут фактически использоваться четыре варианта получения белого свечения с помощью светодиодов (рис. 10.22…10.25) [67]. Однако желаемого приближения к идеалу еще не достигнуто, поэтому работы по поиску но-

вых технологий улучшения цветопередачи активно продолжаются и сейчас. Степень приближения спектра любого светового прибора к спектру дневного света (5600 К) или лампы накаливания (3200 К) характеризуется индексом цветопередачи CRI (Colour Rendering Index), который может изменяться в пределах 0…100. Чем ближе этот показатель к 100, тем лучше спектральный состав излучения. Если у первых светодиодных приборов этот индекс едва достигал 80, то сейчас у некоторых образцов CRI уже приближается к 95. Принципиально новый шаг в направлении получения белого свечения с помощью светодиодов был сделан компанией Litepanels, специалисты которой в приборе BiColor совместили белые светодиоды двух цветовых температур – теплой и холодной. Изменяя интенсивность свечения тех и других, можно плавно перестраивать цветовую температуру. Технологически это оказалось достаточно простым и удачным решением с интенсивным световым потоком, небольшими габаритами и массой, а также приемлемой ценой.

Замена использовавшихся ранее люминесцентных ламп на светодиоды в устройстве задней подсветки позволяет улучшить показатели цветового охвата и контрастность (что достигается за счет динамического управления яркостью), также снизить уровень энергопотребления ЖКЭ. Светодиодная подсветка привлекательна и тем, что имеет значительно меньший уровень электромагнитного излучения, поскольку здесь отсутствует высокочастотный преобразователь напряжения (с частотой 36…60 кГц и амплитудой 250…300 В), необходимый для люминесцентных ламп.

Рис. 10.22. Спектр белого света, получаемого смешением излучения RGB-светодиодов

Рис. 10.23. Спектр белого света, получаемого с помощью синего светодиода с желтым люминофором

Рис. 10.24. Спектр белого света, получаемого с помощью синего светодиода с зеленым и красным люминофорами

Рис. 10.25. Спектр белого света, получаемого с помощью ультрафиолетового светодиода с RGB-люминофором

Рис. 10.26. Варианты установки светодиодного массива в жидкокристаллическом экране:

а) торцевое размещение светодиодов; б) прямое размещение светодиодов

Один светодиод не может обеспечить освещенность, необходимую для эффективной работы устройства задней подсветки ЖКЭ. Следовательно, необходимо соединение нескольких светодиодов, чтобы получить требуемую освещенность.

Светодиодный массив может размещаться непосредственно под рабочей площадью ЖКЭ или же располагаться по торцам светораспределительной панели, как показано на рис. 10.26 [65].

Для ЖК-панелей малых и средних размеров важна минимальная толщина матрицы, в таких случаях применяются светодиодные модули подсветки с торцевым размещением светодиодов. В воспроизводящих устройствах с диагоналями от 10 и выше чаще применяется фронтальная светодиодная подсветка. С целью уменьшения себестоимости устройства подсветки некоторые фирмы отказываются от размещения светодиодов по всей площади ЖК-матрицы и переходят к установке светодиодов по периметру экрана.

Варианты схем управления светодиодами. На практике находят приме-

нение несколько вариантов схем управления массивом светодиодов в устройствах задней подсветки ЖКЭ [68].

Наиболее простой является схема включения цепочки светодиодов с балластными резисторами (рис. 10.27).

В данной схеме для питания светодиодов используется источник постоянного напряжения, обеспечивающий выходное напряжение +5 В при любом токе нагрузки, не превышающем максимально допустимого значения. В рассматриваемой схеме величина тока в любой цепочке светодиодов определяется не только их параметрами, но и сопротивлениями балластных резисторов. Сопротивления резисторов имеют бóльшую стабильность, чем параметры светодиодов, и, кроме того, с их помощью можно управлять режимами работы схемы. В этом случае с помощью балластных токозадающих резисторов можно добиться требуемой равномерности распределения токов между всеми цепочками светодиодов. Дополнительный подбор светодиодов по величине падения напряжения не требуется. Величина тока, протекающего через светодиоды, может варьироваться от 10 до 200 мА.

Рис. 10.27. Последовательно-параллельная схема включения светодиодов с балластными резисторами

Рис. 10.28. Схема подключения светодиодов с использованием микросхемы драйвера

В другой часто применяемой схеме для подключения светодиодов используется микросхема драйвера, обеспечивающего оптимальные условия питания светодиодов (рис. 10.28). Драйвер представляет собой микросхему – преобразователь напряжения со встроенным стабилизатором тока, работающую в широком диапазоне температур (–40…85 С). Встроенная система защиты драйвера обеспечивает работоспособность устройства подсветки как при коротком замыкании одного или нескольких светодиодов, так и при обрыве в цепи светодиодов. С конструктивной точки зрения драйверы классифицируются на линейные и импульсные. Линейные драйверы имеют меньший коэффициент полезного действия по сравнению с импульсными, но не создают проблем с помехами и наводками. Стоимость схемы управления светодиодами с драйвером несколько больше по сравнению с другими схемами подключения массива светодиодов, но она обеспечивает наилучшее распределение токов в отдельных цепочках последовательно соединенных светодиодов.

Рис. 10.29. Матричная схема включения светодиодов

Наиболее надежной является матричная схема включения светодиодов (рис. 10.29). В данной схеме для управления светодиодами используется источник постоянного тока, который обеспечивает постоянный выходной ток в диапазоне от минимального до максимального значения выходного напряжения. Матричная структура этой схемы позволяет минимизировать потери от выхода из строя одного или нескольких светодиодов. Однако для выравнивания токов, проходящих через отдельные светодиоды, необходим их отбор по величине падения напряжения. В рассматриваемой схеме в каждом столбце должны быть расположены светодиоды с одинаковым падением напряжения на них. Несоблюдение этого правила может привести к неконтролируемому разбросу токов между отдельными параллельными светодиодами, приводящему к их ускоренному выходу из строя.

Динамическое управление яркостью и контрастом воспроизводимых телевизионных изображений. При передаче слишком светлых или очень темных сцен изображения на ЖК-экране уменьшается диапазон изменения яркости и ухудшается возможность наблюдения мелких деталей. В обоих случаях если сохранять неизменным уровень задней подсветки, то придется работать в узком диапазоне воспроизведения полутонов и субъективный контраст отображаемого изображения упадет. В дисплейных контроллерах нового поколения используется модуль динамического контроля яркостью (Dynamic Brightness Control – DBC), который позволяет значительно улучшить контраст воспроизводимого изображения при отображении темных или светлых сцен. Модуль DBC анализирует видеосигналы и при фиксации ярких сцен увеличивает сигнал управления яркостью подсветки и одновременно смещает диапазон управляющих сигналов модуляции ЖК-экрана в сторону передачи темных полутонов. Глаз человека не чувствителен к абсолютной яркости изображения, а способен отличать только локальный контраст. Для темных сцен производится искусственное транспонирование диапазона видеосигналов в полный диапазон изменения контраста на ЖК-экране с одновременным уменьшением яркости задней подсветки. Этот прием позволяет эффективно использовать всю шкалу градаций яркости и обеспечить воспроизведение полутонов с улучшенным контрастом. Происходит «осветление» темных фрагментов изображения и улучшается восприятие мелких деталей.

Таким образом, при отображении как ярких, так и темных сюжетов будет расширен диапазон контрастности воспроизводимого изображения и улучшится комфортность восприятия для зрителей.

С целью снижения энергопотребления ЖКЭ и повышения динамического значения контрастности в последних моделях ЖК-телевизоров фирма Samsung внедрила новую технологию LED Smart Lighting, известную как «автоматическое локальное затемнение». В данном случае встроенная в телевизор система анализа телевизионного изображения, используя принятый сигнал, автоматически регулирует яркость воспроизводимых кадров за счет включения и выключения светодиодов подсветки в нужной комбинации, что позволяет добиться динамического значения контрастности в пределах

500 000:1. Одновременно конструкторы смогли добиться существенного (более 30%) снижения энергопотребления в ЖК-телевизорах.

10.4.3. Структура цветных фильтров для жидкокристаллических экранов

В большинстве современных конструкций ЖКЭ цветные фильтры размещаются на внутренней стороне ближней к зрителю подложки экрана. Материалами для изготовления фильтров служат тонкие пленки различных красителей. Нанесение пленок может происходить по различным технологиям: осаждением из растворов, осаждением из газовой среды, печатным способом. Нанесение пленок различных цветов (R – красного, G – зеленого, В – синего) проводится последовательно для получения соответствующего цветного фильтра. После осаждения каждого слоя цветной пленки осуществляется операция фотолитографии. При использовании печатного метода фотолитография не требуется. На практике накатка цветных фильтров производится через трафареты. Варианты топологии цветных фильтров приведены на рис. 10.30 [65].

Лучшими показателями по равномерности воспроизведения цветов обладает топология DELTA. Сложность формирования сигналов управления для всех трех топологий фактически одинакова. Однако технология получения цветных фильтров по топологии DELTA самая трудоемкая. Во многих современных ЖКЭ в основном используется полосковая топология (Stripe). Цветные фильтры поглощают до 60% проходящего светового потока, формируемого устройством задней подсветки. Причем цветовые характеристики фильтров строго согласуются с параметрами излучения в модуле подсветки.

Дальнейшее увеличение яркости и цветовой насыщенности изображений, воспроизводимых ЖКЭ, достигается за счет использования новой топологии цветных фильтров RGBW с дополнительным субпикселем белого W (White)

Рис. 10.30. Варианты структур цветных фильтров ЖКЭ:

а) полосковая структура; б) мозаичная структура; в) дельта-структура