Непрерывный режим подсветки LED-монитора

Автор: Roamer
Опубликовано 30.12.2013
Создано при помощи КотоРед.

Современные ЖК-мониторы все чаще оснащаются подсветкой с использованием светодиодов. Положительные стороны известны, но имеются и отрицательные.

Одно из неприятных свойств белых светодиодов - наличие в их спектре свечения некоторой доли ультрафиолетовой составляющей, поскольку белый свет формируется люминофором и часть УФ излучения проходит без преобразования. Особенно это проявляется на больших яркостях, мощностях излучения, близких к максимальным паспортным значениям. Свойства люминофора ухудшаются со временем. 
Ультрафиолет вреден для глаз, имеются подтвержденные случаи ожогов сетчатки ультрафиолетом от мощных светодиодов, применяемых в осветительных приборах. Подсветка монитора конечно не настолько мощна чтобы вызывать подобные серьезные нарушения, но совершенно ясно, что УФ составляющая в подсветке вредна. 

Второе неприятное для глаз свойство LED-подсветки  - это энергоэффективные контроллеры/драйверы подсветки, которые упраляют яркостью в режиме ШИМ. Так, мой монитор AOC d2757ph формирует ШИМ с частотой 250Гц.
Кажется, что этого достаточно, чтобы не замечать мерцание, но опыт показал, что глаза устают от такой подсветки, особенно на режимах средней яркости.

Эти вредные факторы можно минимизировать, применив непрерывное управление током подсветки вместо ШИМ. 

Возможные варианты доработки контроллеров

 Проблему мерцания подсветки с ШИМ-регулировкой решают по-разному. На форумах в И-нете приводятся варианты с применением устройств на микроконтроллерах, которые умножают чатоту ШИМ в несколько раз, а также варианты с изменением цепей задания максимального значения тока подсветки штатных контроллеров (при этом настройка яркости в меню монитора устанавливается в 100% для выключения ШИМ). Первый вариант не решает вопрос с УФ, хотя для глаз ШИМ в 1КГц наверное незаметен. Второй вариант требует исследования в части диапазона возможного изменения тока подсветки, хотя мне представляется наиболее простым в реализации, поскольку требует только замены постоянного резистора переменным в токозадающей цепи контроллера.

Я предлагаю вариант контроллера тока подсветки с непрерывным регулированием, так сказать, олд-скул стайл. Энергоэффективность не рассматривается.

Штатный контроллер

 Штатный контроллер моего монитора выполнен на м/сх OZ9998BGN китайского производителя, широко известного в узких кругах. Даташитов в принятом виде на тот контроллер нет. По информации из форумов, эта м/сх является функциональным аналогом TPS61199, на которую имеются данные по работе и характеристикам. 
Микросхема содержит контроллер буст-конвертера для питания линеек светодиодов подсветки, а также ключи для включения линеек светодиодов с контролем тока. Контроль тока линеек в ключах позволяет обеспечить разность токов линеек в пределах 4% от номинального, что обеспечивает равномерность подсветки. Кроме того измеренное значение тока в ключах управляет напряжением питания линеек светодиодов, этим достигается высокий КПД всей схемы подсветки. В качестве входных сигналов контролер принимает два: сигнал включения ключей, фактически это ШИМ-управление и сигнал для выключения напряжения питания светодиодов подсветки. Микросхема контроллера позволяет использовать только часть ключей линеек, при этом неиспользуемые входы ключей нужно завести на "землю".

Здесь представлена схема контроллера подсветки монитора AOC d2757ph.

Нас интересует только часть компонентов:

Резисторы R818, R819, R820, R821 - в цепи ключей линеек светодиодов (каналов подсвтки). Резисторы R815, R817 - в цепи задания максимального тока подсветки.
С804 - конденсатор фильтра в источнике напряжения подсветки, цепь VLED - питание линеек светодиодов.
Резистор R805 - сигнал включения напряжения питания подсветки.

Модификация схемы подсветки

Модификация заключается в отключении линеек светодиодов от ключей контроллера и подключении к внешним генераторам тока. Также требуется обеспечить эмуляцию тока подсветки через один из ключей штатного контроллера чтобы напряжение питания подсветки находилось на требуемом значении - порядка 50В.

В своем мониторе я вывел на дополнителный разъем выходы (катоды) линеек светодиодов, входы ключей штатного контроллера, выход источника напряжения подсветки, +12В, землю. Тип разъема - DB15F, назначение и номера контактов приведены далее в тексте.

Внешний контроллер, схема

 Схема платы внешнего контроллера приведена здесь.

Внешний контроллер содержит 4 управляемых генератора тока, схему защиты от превышения тока и схему управления напряжением питания подсветки через эмуляцию тока.
Генераторы тока идентичны друг другу. Первый собран на VT1, DA1 и некоторой пассивной обвязке.
Схема защиты от превышения тока собрана на VD1-VD4, DA5:2, DA7. Схема защиты обеспечивает отключение линий светодиодов при превышении тока в любой из линий светодиодов на 30% от максимального. Режим защиты - триггерный, триггер выполнен на DA7:1.
Схема управления напряжением питания подсветки выполнена на VT6, VD7, VD8.
Контроллер содержит также источник напряжения задания тока подсветки - DA6, DA5:1 и обвязка.

Назначение разъемов платы.
Разъем XP2 предназначен для подключения к дополнительному (наша модификация) разъему монитора. Контакты 1,3,5,7 разъема - для подключения катодов линеек светодиодов, контакты 2,4,6,8 - для подключения к ключам штатного контроллера подсветки, контакты 9,10,11 - земля, контакт 12 - +12В для питания внешнего контроллера, контакт 13 - для подключения линии включения генератора напряжения питания подсветки, контакты 14,15 - напряжение питания подсветки (для контроля наличия и регулирования).
Разъем XP1 предназначен для подключения реле схемы защиты от превышения тока.
Разъем X1 - для подключения светодиода индикации напряжения питания подсветки, светодиод устанавливается на передней панели корпуса.
Разъем X2 - для подключения переменного резистора регулировки яркости, резистор устанавливается на передней панели корпуса.
Разъем X3 - для подключения светодиода индикации отсутствия срабатывания токовой защиты.

Внешний контроллер, конструкция

Вне печатной платы устанавливаются:
Реле, устанавливается внутри корпуса , подключается шлейфом на разъем XP1 платы, любое реле с катушкой 12В/0,1А и 4 группами контактов;
Светодиоды индикации напряжения подсветки и индикации отсутствия срабатывания токовой защиты, устанавливаются на переднюю панель;
Переменный резистор 10КОм характеристика "А" для регулировки яркости устанавливается на переднюю панель.

Плата соединяется с дополнительным разъемом монитора кабелем IDC20F-DB15M, номера контактов разъемов совпадают.

Транзисторы VT1-VT4, VT6 закрепляются на радиаторе через изолирующие прокладки. Эффективная площадь радиатора - порядка 100 кв.см.

Проверка и настройка

Сначала требуется определить ток подсветки одного канала.
 Для этого требуется к дополнительному разъему монитора подключить ответный разъем, у которого выводы 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8 соединены резисторами 1 Ом. Следует оценить ток одного канала подсветки по напряжению на одном из резисторов при максимальной яркости в настройках монитора. В моем случае - 100 мА. К стати, этот ответный разъем позволяет использовать монитор пока внешний контроллер не готов к эксплуатации.
Следует измерить "родное" напряжение подсветки (у разных мониторов может отличаться) на контакте 15 дополнительного разъема монитора, в моем мониторе оно +45В.

1. Проверка внешнего контроллера подсветки без монитора.

Подать питание через разъем XP2: подключить на контакты 1,3,5,7,12 +12В от источника пост.тока, на контакты 9,10,11 - 0В источника.

Установить резистором R36 напряжение на выводе 1 м/сх DA5 равным 2.0 В, положение движка переменного резистора регулировки яркости соответствует максимальной яркости.

Отключить разъем реле XP1, между выводами 1 и 2 разъема включить миллиамперметр. Установить резистором R13 ток в цепи коллектора VT1 контролируя показания миллиамперметра. Значение тока соответствует максимальному току одного канала подсветки. Регулировку производить после 2 мин предварительного прогрева канала.
Последователно произвести регулировку тока для остальных каналов аналогично первому, значения тока для каналов должны отличаться межу собой менее чем на 3%.

Проверить напряжение в точке соединения R50 и R51, оно должно быть равным 2.0 .. 2.1В. При необходимости подобрать номинал R51.

Проверить значение тока срабатывания защиты, для этого:
Перемычками соединить контакты 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8 разъема XP2, к контактам 1 и 2 подключить миллиамперметр;
Выключить и включить питание платы, должен загореться светодиод, подключенный к разъему X3;
Резистором R36 увеличивать ток генераторов тока то момента гашения светодиода, показания миллиамперметра соответствуют току срабатывания защиты. Значение тока срабатывания защиты должно быть в пределах 120 .. 140% максимального тока одного канала подсветки;
Вернуть положение R36 в исходное, 2.0В на выводе 1 DA5 при положении переменного резистора на лицевой панели соответствующему макс. яркости подсветки.

Проверить эмулятор тока подсветки:
Подать напряжение подсветки на контакт 15 XP2, значение определяется как измеренное ранее "родное" напряжение подсветки плюс 5 .. 10 В, в моем случае 50В. Регулируя R54 проверить возможность установки тока в эмиттерной цепи транзистора VT6, контролируя напряжение на резисторе R53. Значение тока должно соответствовать максимальному току одного канала подсветки. В случае невозможности установки подобрать номинал резистора R56. Установить ток резистором R54 на максимум.

2. Проверка внешнего контроллера совместно с монитором.

Отключить питание, подключить все разъемы штатным порядком, установить переменный резистор на лицевой панели в положение минимальной яркости.
Установить настройки яркости подсветки в меню монитора в максимум, отключить питание монитора.
Подключить внешний контроллер к монитору.
Включить питание монитора, должны загореться светодиоды, реле должно включиться.
Осторожно, резистором R54, контролируя показания вольтметром, установить напряжение питания подсветки в значение измеренное ранее "родное"  плюс 5 .. 10 В (для моего монитора +50В), или возможно близкое, не вызывая срабатывание внутренней защиты источника питания подсветки.

Проверить регулирование яркости переменным резистором лицевой панели внешнего контроллера.

Дополнение

Изменения в номиналах: R36  - 5КОм, R46 - 4.7КОм.

В схеме имеется возможность отключения напряжения питания подсветки сигналом с контакта 13 XP2. При использовании этого сигала защита от превышения тока не требует реле, соответствующие контакты разъема XP1 соединяются перемычками.  Не проверялось.

Файлы печатной платы не привожу, поскольку из-за изменений в схеме пришлось добавить узел на макетке.

 Фото

Файлы:
Схема внешнего контроллера

Все вопросы в Форум.