Jak podświetlić monitor LCD

Do podświetlania najnowocześniejszych monitorów ciekłokrystalicznych (liquid crystal display – LCD) stosuje się lampy fluorescencyjne o zimnej katodzie (cold catho-de fluorescent tubę – CCFT). Lampy te powinny być starannie zaprojektowane, aby charakteryzowały się wydajnością oraz trwałością, jakiej oczekują użytkownicy. Wyświetlacze używane w płaskich telewizorach, komputerach, sprzęcie medycznym, oprzyrządowaniu samolotów, a nawet w pompach gazowych – standardowo zasilane są napięciem 5 lub 12 V. W przypadku przezroczystych LCD potrzebne jest jednak jeszcze źródło światła do odczytu wyświetlacza wbudowanego z tyłu monitora.

W większości LCD do podświetlania wyświetlacza używane są lampy fluorescencyjne o zimnej katodzie (CCFT), podobne do lamp fluorescencyjnych używanych kiedyś do oświetlania budynków, tylko o mniejszych rozmiarach. Te lampy o małych średnicach są bardzo jasne, można je konfigurować pojedynczo, podwójnie; można tez konfigurować w kształcie litery L.

Dobieranie mocy

To od lampy CCFT zależy czytelność monitora. Dopasowanie zasilania przetwornika do rodzaju lampy jest bardzo ważne dla powodzenia projektu; niewłaściwe dopasowanie może doprowadzić do skrócenia okresu życia wyświetlacza lub braku przydatności. – Niezawodność tak naprawdę zależy od tego, jak długo wytrzyma lampa i jak dobrze będzie się spisywać – mówi John Peterson, prezes Endicott Research Group, producenta przetworników DC-AC przeznaczonych do zasilania podświetlania płaskich wyświetlaczy.

Wartość napięcia wzbudzenia niezbędnego, aby zaczął się jarzyć gaz lampy, szokuje. Lampa fluorescencyjna może potrzebować 1500 V AC do rozpoczęcia pracy, a następnie 700 V AC do utrzymania pracy. Jeśli nie zapewni się minimalnego napięcia początkowego, lampa się nie zaświeci. Przetwornik DC-AC jest stałym źródłem prądu, wzrost napięcia więc nie wystąpi. W przypadku większości obecnych projektów elektronicznych inżynierowie pracują na niskich zakresach napięcia DC.

Podczas projektowania rozważane są takie parametry, jak zwarta budowa, upływ prądu oraz odstępy izolacyjne.

Minimalne napięcie wzbudzenia może się zmieniać w zależności od wielu warunków, a jednym z najważniejszych jest temperatura rozruchowa. „Stary i zimny” – to bardzo ważne terminy, jak twierdzi Bryon Cole, regionalny menedżer sprzedaży ERG, który pracował przy wielu aplikacjach klientów. Kiedy lampa jest nowa, podczas uruchamiania może potrzebować niższego napięcia, ale z czasem wymagania napięciowe mogą wzrastać, urzeczywistniając najgorsze scenariusze.

^{CHARAKTERYSTYKA ZASILANIA: Zasilanie niezbędne do właściwego działania lampy fluorescencyjnej o zimnej katodzie (cold cathode fluorescent tubę – CCFT), która podświetla monitor ciekłokrystaliczny (liquid crystal display – LCD)}

Przetwornik musi mieć wystarczająco wysokie napięcie, aby zrekompensować spadki napięcia, jakie mogą powstać pomiędzy przetwornikiem a lampą. Nie jest to problem trywialny, ponieważ lampa pracuje z częstotliwością od 40 do 50 kHz, a spadki napięcia przy tych częstotliwościach mogą znacznie zredukować napięcie z przetwornika.

Aby uniknąć niespodziewanych spadków napięcia, trzeba przeprowadzić szczegółową analizę. W projekcie przetwornika uwzględniono wystarczający margines dla pracy w warunkach normalnych, ale należy również rozważyć przypadki ekstremalne. W wielu sytuacjach do określenia ostatecznego umiejscowienia płytek w aplikacji potrzebna jest pomoc ekspertów od wysokiego napięcia.

Inżynierowie w ERG na etapie projektowania każdy problem rozpatrują jako problem aplikacji. Uważają, że w 90% przypadków przyczyną niepowodzeń jest rozproszona pojemność, w wyniku złego umiejscowienia metali, zbyt długich przewodów i ogólnych problemów z wysokim napięciem, których nie ma w przypadku projektów niskiego napięcia.

Wydajność jest równie ważna

Wydajność również zależy od precyzyjnego doboru prądu wyjściowego. Nadmierne zasilenie monitora może dać w rezultacie bardzo dobry obraz przez krótki okres, ale w takim przypadku ogólny czas użytkowania jest znacznie krótszy. Takie podejście można spotkać w wielu projektach, ale w większości przypadków skrócony czas użytkowania jest nie do przyjęcia.

Na przykład wyświetlacz Sharp (10,4 cala) według specyfikacji gwarantuje czas użytkowania 50 000 godzin przy 6 mA, ale czas ten ulega skróceniu do zaledwie 30 000 godzin, jeśli prąd wynosi 7 mA – zaledwie o 1 mA więcej. Kwestię komplikuje pomiar prądu i częstotliwości, ponieważ większość klientów nie posiada przyrządów do mierzenia 5 mArms przy 40 kHz. Stosując specjalnie zaprojektowane próbniki prądu i konwertery cyfrowo-analogowe, firma ERG może sprawdzić, czy dany przetwornik jest dobrze dobrany do wybranej lampy CCFT.

W wykonywanym przez firmę teście wykorzystywany jest bezkontaktowy próbnik prądu, w którym uzwojenie jest po stronie pierwotnej transformatora. Transformator generuje małe napięcie, które jest odczytywane przez oscyloskop; sygnał jest dzielony na 512 części, dokonywana jest konwersja cyfrowo-analogowa. Wartość skuteczna (rms) jest mierzona bez kontaktu z urządzeniem, które dałoby rozproszoną pojemność i zakłóciło odczyt. Obwód przetwornika jest tak zaprojektowany, aby generował 5 mA, pomiar pozwala więc ocenić, czy wartość ta jest rzeczywiście uzyskiwana w aplikacji.

^{DO PRZEANALIZOWANIA: Kształt fali (pokazany standardowy) i analiza wyjścia przetwornika DC-AC ujawniają zarówno krytyczne wartości prądu, jak i potencjalne zakłócenia}

Innym ważnym elementem projektowania jest obserwowanie kształtu fal i jego odchylenia, w celu zminimalizowania zakłóceń elektromagnetycznych (electromagnetic interference – EMI). Przetwornik DC-AC generuje czystą falę sinusoidalną, ale ze względu na dynamikę lampy CCFT pojawiają się zakłócenia. Pomiary prądu pozwalają również ustalić, czy występują zakłócenia, które sanie do przyjęcia. Analizowanie elementów kształtu fali zostało poprawione wraz z udoskonaleniem możliwości przetwarzania PC. Obecnie ERG może porównać falę – punkt po punkcie – z wzorcową falą sinusoidalną dla danej częstotliwości i wygenerować współczynnik zakłóceń – tak, aby klienci wiedzieli wcześniej, że ich przetwornik odpowiada wymogom lampy CCFT umieszczonej w wyświetlaczu.

Autor: Randy Frank