wersja mobilna
Online: 442 Piątek, 2016.12.02

Technika

LED-y wyparły CCFL - podświetlanie ekranów LCD

wtorek, 14 lipca 2015 12:43

Wyświetlacze LCD wymagają wydajnego źródła światła zapewniającego podświetlenie matrycy. W tej roli przez wiele lat używane były lampy wyładowcze z zimną katodą CCFL (cold cathode fluorescent lamp), obecnie elementy te są szybko wypierane przez diody LED. W artykule przedstawiamy i porównujemy ze sobą oba rodzaje podświetleń LCD.

Lampy CCFL są zbudowane z cylindra o średnicy kilku mm od wewnątrz pokrytego luminoforem i wypełnionego parami gazu szlachetnego, zazwyczaj argonu, i rtęci. Jest on szczelnie zamknięty. Przez oba końce do jego środka wprowadza się elektrody. Lampy CCFL zasilane są wysokim napięciem zmiennym. Napięcie stałe nie jest stosowane, gdyż powodowałoby osadzanie się rtęci na elektrodach.

Ponieważ większość LCD jest zasilana napięciem stałym do uzyskania odpowiednio wysokiego napięcia przemiennego wymaganego przez lampy CCFL potrzebny jest inwerter pełniący rolę przetwornicy i statecznika inicjującego wyładowanie. Napięcie zapłonu lamp CCFL sięga tysiąca woltów, napięcie pracy - kilkuset woltów, natomiast prąd znamionowy - kilku mA. Wbudowane zabezpieczenie nie pozwala na zwiększanie napięcia powyżej typowego napięcia zapłonu o więcej, niż kilkaset woltów. Jeżeli wtedy nie dochodzi do wyładowania lampę uznaje się za uszkodzoną.

Temperatura barwowa lamp CCFL mieści się zazwyczaj w przedziale od 2800 do 3200 K. Emitują one zatem światło białe ciepłe. Z czasem stopniowo światło emitowane światło staje się coraz ciemniejsze z powodu zużywania się luminoforu. Przyjmuje się, że ich żywotność wyznacza moment, w którym ich jasność spada do połowy wartości początkowej. Podaje się ją dla danej temperatury otoczenia i prądu. Żywotność lamp podświetlających LCD wynosi 50-60 tys. godzin. Ważnym parametrem jest też skuteczność świetlna. W wypadku źródeł światła tego typu wynosi ona od 70 do 90 lm/W. Typowy pobór mocy lamp CCFL wynosi z kolei kilka watów.

Z uwagi na to skomplikowanie i nie najlepsze parametry diody LED w podświetlaniu LCD są coraz popularniejsze.

Diody LED

Rys. 1. Główne komponenty ekranu LCD: matryca, dyfuzor, filtr poprawiający jakość obrazu oraz źródło światła

Wyróżnia się dwa sposoby rozmieszczenia diod LED w LCD: krawędziowe oraz pełne. Każdy z nich ma zalety i wady, co wpływa na parametry użytkowe i cenę wyświetlaczy.

W podświetleniu krawędziowym diody rozmieszcza się tylko na krawędzi ekranu - jednej, dwóch albo wszystkich, w zależności od rozmiaru wyświetlacza oraz wymaganego natężenia oświetlenia. Do zalet tego rozwiązania zalicza się możliwość konstruowania tańszych i płaskich ekranów, które zużywają mniej energii elektrycznej, przez co są też tańsze w eksploatacji. Wadą podświetlenia na krawędzi LCD jest brak jego równomierności - obrazy są zawsze jaśniejsze przy brzegach ekranu. Dlatego ta konstrukcja spopularyzowała się głównie w modelach, do których nie jakość obrazu, a cena oraz wymiary mają zachęcić klientów. W podświetleniu pełnym diody są rozmieszczone pod całym wyświetlaczem.

Dzięki równomiernemu podświetleniu jakość obrazu jest także nieporównywalnie lepsza, niż w wyświetlaczach z diodami na krawędziach. Konsekwencją użycia większej liczby diod (liczonych w setkach sztuk), które na dodatek muszą mieć zbliżone parametry, jest niestety większa cena i koszty eksploatacji urządzenia oraz grubszy ekran.

Żywotność diod LED podświetlających LCD wynosi typowo 100 tys. godzin. Podobnie jak lampy CCFL LED-y rzadko ulegają nagłemu zepsuciu się - częściej z czasem światło przez nie emitowane ciemnieje. Ponadto luminofor w niebieskich diodach z czasem zużywa się, co zmienia temperaturę barwową światła na chłodniejszą. Na żywotność diod LED, w większym stopniu, niż w przypadku lamp CCFL, ma wpływ temperatura - im jest ona wyższa, tym krócej będą pracować. Skuteczność świetlna tych półprzewodnikowych źródeł światła wynosi nawet kilkaset lm/W.

Niska temperatura wpływa na pracę lamp CCFL

Na pracę diod LED nie ma natomiast wpływu niska temperatura. Inaczej jest w przypadku lamp CCFL. Ich optymalny przedział temperatur pracy wynosi od +10°C do +50°C. Praca poniżej tej dolnej granicy znacznie skraca żywotność lamp tego typu, z kilkudziesięciu tys. godzin do kilku tys. godzin w temperaturze 0°C. Oprócz tego napięcie, przy którym dochodzi do wyładowania w niższej temperaturze rośnie. Próba zapłonu przy niższym napięciu będzie natomiast powodować erozję elektrod. Trudne jest także całkowite ściemnienie lampy CCFL, gdyż wymaga to ugaszenia łuku oraz jego ponownego wywołania. Częste powtarzanie tych czynności przyspiesza erozję elektrod. Dla porównania regulacja jasności diod LED jest łatwa do realizacji.

LED-y nie zawierają ponadto toksycznych substancji. W połączeniu z mniejszym poborem mocy te dwie ostatnie zalety diod zmniejszają ich negatywny wpływ na środowisko. Oszczędność energii to z kolei zaleta w urządzeniach mobilnych. Podświetlenie LED nie wymaga też ekranowania, nic więc dziwnego, że lampy CCFL są szybko wypierane z rynku.

Monika Jaworowska