Podświetlanie LCD - lampy CCFL kontra diody LED

Lampy fluorescencyjne CCFL są obecnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem podświetlenia. Można je spotkać w wyświetlaczach o szerokim zakresie przekątnych, praktycznie od 5,7 cali wzwyż. Są one montowane wzdłuż krawędzi wyświetlacza lub umieszczane za ekranem na całej jego powierzchni. System sterowania bazuje na kontroli jasności lamp za pomocą zmian natężenia przepływającego prądu przez lampę, do czego wykorzystuje się specjalizowany konwerter DC/AC o napięciu wejściowym od 5V do 48V. Istnieje także możliwość kontroli jasności poprzez zasilanie impulsowe, modulując współczynnik wypełnienia sygnału.

Diody LED są technologią zdobywającą coraz większą popularność, co wiąże się z ich lepszymi parametrami pracy i większą głębią uzyskiwanych barw. Już teraz są one szeroko wykorzystywane w mniejszych ekranach LCD. Ich główną zaletą w porównaniu z lampami CCFL jest niższy pobór mocy w małych wyświetlaczach oraz brak szkodliwej rtęci znajdującej się w lampach fluoroscencyjnych. Podobnie jak CCFL, spotykane rozwiązania konstrukcyjne obejmują głównie montaż diod wzdłuż krawędzi wyświetlacza lub w postaci matrycy diod umiejscowionej za ekranem LCD. LED mogą być połączone szeregowo lub równolegle, a wybór jednego z tych rozwiązań ma wpływ na cechy podświetlenia. Istotną cechą odróżniającą diody LED od lamp CCFL, jest możliwość emitowania nie tylko światła białego, ale także dowolnych kolorów z palety RGB. Inną różnicą jest sygnał zasilający. W tym przypadku wymagane jest stałe natężenie prądu zasilającego w celu otrzymania stabilnego oświetlenia.

Układ sterowania lampą CCFL

Rys. 1. Schemat typowego inwertera zasilającego dla lamp CCFL

Typowy układ zasilania lampy CCFL składa się z przetwornika DC/AC zasilanego napięciem z przedziału od 5 do 48 V. Przykładowy układ podświetlenia pokazany jest na rys. 1. Rolę przetwornika napięcia stałego na napięcie przemienne pełni transformator T1, który wraz z dwoma tranzystorami tworzy układ samowzbudny. Rezystor R1 polaryzuje bazy tranzystorów przełączających zapewniając start układu po włączeniu zasilania. Dławik L1 w obwodzie wejściowym ma za zadanie ograniczenie amplitudy prądu przewodzonego przez poszczególne tranzystory, zmniejsza prąd rozruchowy oraz redukuje szumy akustyczne.

Kondensator C2 wraz z indukcyjnością uzwojenia wtórnego transformatora tworzy układ rezonansowy dostarczający wysokiego napięcia wymaganego do zapłonu lampy po włączeniu zasilania oraz jest również elementem określającym wartość prądu płynącego przez lampę podczas normalnej pracy. Zwiększenie pojemności C2 powoduje zwiększenie natężenie prądu wyjściowego, jednak obniża częstotliwość pracy falownika. Podobną rolę pełni po stronie pierwotnej kondensator C1, który pozwala na precyzyjną regulację częstotliwości i natężenia prądu lampy CCFL. Układ pracuje z częstotliwością kilkudziesięciu kiloherców.

Układ sterowania LED

Rys. 2. Przykładowy zasilacz dla podświetlenia z wykorzystaniem diod LED

W celu uzyskania oświetlenia wysokiej jakości i stabilności należy stosować układ sterujący stabilizujący prąd diod i kompensujący zmiany temperatury. Przykładowy układ sterowania oświetleniem LED przedstawiony jest na rysunku 2. Składa się on z 3 bloków sterujących sygnałami doprowadzanymi na bazę tranzystora MOSFET. Zapewniają one stały prąd płynący przez diody diod i pozwalają na sterowanie jasnością świecenia.

Blok A przedstawia układ odpowiedzialny za wytworzenie dodatniej pętli sprzężenia zwrotnego z histerezą. W połączeniu z tranzystorem MOSFET, dławikiem i rezystorem kontroli prądu układ ten pełni rolę prostego zasilacza impulsowego, pozwalającego na prawidłowe zasilanie dla diod w szerokim zakresie napięć wejściowych. Dołączone do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego trzy rezystory ustalają napięcie odniesienia dla układu kontroli prądu diod i jednocześnie pozwalają na zmianę wartości tego napięcia zewnętrznym sygnałem napięciowym, co skutkuje regulacją jasności świecenia. Blok B służy jako bufor i driver sterujący dla zewnętrznego P-kanałowego tranzystora MOSFET. Blok C steruje przyciemnianiem światła diod LED i pozwala na włączanie oraz wyłączanie diod.

Kontrola jasności

W przypadku lamp CCFL, liniowe i płynne sterowanie zmianą natężenia prądu podawanego na lampę, realizowane za pomocą zmian napięcia zasilania inwertera, pozwala na zmiany natężenia światła w dół jedynie do 30% wartości maksymalnej. Jest to jednak niewystarczający zakres dla dużej części aplikacji, dla których zapewnienie pracy w nocy i przy silnym oświetleniu słonecznym wymaga zapewnienia regulacji w znacznie szerszym zakresie. Dlatego bardziej wydajnym systemem sterowania jest kontrola jasności wykorzystująca modulację szerokości impulsu prądu płynącego przez lampę. Typowa częstotliwość modulująca zawiera się w przedziale od 100 do 500 Hz, natomiast standardowo stosowane natężenie prądu zasilającego mieści się w zakresie od 3 do 8 mA.

Układy kontrolne dla lamp CCFL mogą pracować w otwartej lub zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Wariant z pętlą otwartą wymaga zasilania inwertera z stabilizowanego źródła napięcia i nie zapewnia regulacji w stanach przejściowych, np. przy nagrzewaniu się świetlówki. Zamknięta pętla sprzężenia zwrotnego zapewnia stałe napięcie wzbudzenia oraz prąd wyjściowy przy szerokim zakresie zmian napięcia wejściowego. Jest to rozwiązanie przeznaczone dla aplikacji nieposiadających regulowanego źródła zasilania, jak np. urządzenia zasilane bateryjnie.

Większość paneli LCD pracuje przy zasilaniu napięciem stałym równym 12V, choć wielkość ta może przyjmować wartość od 5 do 48V. Modulację szerokości impulsu można stosować także dla diod LED. W tym przypadku możliwe jest uzyskanie jeszcze większej dynamiki oświetlenia, jako iż parametry czasowe LED przewyższają znacznie CCFL. Napięcie zasilania LED VCC musi być jednak większe niż minimalne napięcie potrzebne do zasilania matrycy LED oraz rezystora R1. Ważne jest także, aby było ono stabilne w czasie.

Kwestia temperatury

Rys. 3. Zależność napięcia zapłonu lampy CCFL od temperatury.

Ilość wydzielanego ciepła jest najbardziej istotnym parametrem pracy układów podświetlania z lampami CCFL, mającym wpływ na ich funkcjonowanie oraz niezawodność. Oddziaływanie to objawia się głównie przez zmniejszenie napięcia zapłonu lampy wraz ze wzrostem temperatury, co pokazano na rys 3.

Głównymi źródłami ciepła w obwodzie sterowanie tego typu oświetleniem są straty na elementach układu oraz w rdzeniu transformatora, którego typowa temperatura pracy przewyższa o 30oC temperaturę otoczenia.

Czas uzyskania przez lampę nominalnej światłości jest odwrotnie proporcjonalny do jej temperatury. Jeśli aplikacja wymaga bardzo szybkich zmian natężenia emitowanego światła, konieczne może być zastosowanie krótkiego przeciążenia, którego celem będzie podgrzanie lampy, a przez to polepszenie jej parametrów czasowych. Niestety, to rozwiązanie ma swoje wady. Utrzymująca się przez długi czas duża wartość natężenia prądu na lampie CCFL może spowodować utratę emisji. Innymi problemami są zmniejszenie natężenia światła lampy w czasie, jej przegrzanie oraz znaczne skrócenie czasu życia elementu. Podczas projektowania układu należy uwzględnić więc wpływ energii cieplnej wydzielanej na poszczególnych elementach zasilacza oraz temperaturę własną CCFL na parametry pracy lampy.

Diody LED odznaczają się lepszą stabilnością pracy przy zmieniającej się temperaturze otoczenia. Także parametry czasowe tych elementów nie wymagają impulsów „podgrzewających” nawet w przypadku pracujących z wysoką częstotliwością aplikacji, działających w niskich temperaturach. W tym przypadku większy nacisk kładziony jest na ciepło wydzielające się na diodzie niż na sąsiednich elementach. Do niekorzystnego wpływu wysokich temperatur należy przede wszystkim zmniejszenie wydajności oraz czasu życia diody. Najważniejszym problemem, z którym muszą zmierzyć się projektanci obwodów sterowania LED jest odprowadzenie ciepła z diody, a następnie przekazanie go na zewnątrz urządzenia. Najpowszechniejszym sposobem rozpraszania ciepła jest jego konwekcja do podłoża. Należy więc zapewnić małą rezystancję termiczną na styku dioda-podłoże oraz dobrą przewodność cieplną płytki. Przyjętym standardem jest utrzymanie temperatury złącza diody mniejszej niż 100°C, co zapewnia stabilną pracę elementu i nie wpływa negatywnie na czas jego życia. Część diod wyposażona jest także w niewielkich rozmiarów radiator, poprawiający gospodarkę cieplną elementu.

Podsumowanie

Diody LED zdobywają coraz większą popularność w wyświetlaczach LCD, jednak lampy CCFL nadal stanowią ważny segment rynku. Mimo dużych różnic pomiędzy obydwoma rozwiązaniami, można zauważyć wspólne zasady projektowania obwodów sterujących. Podobieństwa te uwzględniają przykładanie szczególnej uwagi do temperatury pracy tych elementów. Lampy CCFL powinny pracować w większych temperaturach w celu zmniejszenia prądu wzbudzenia, a głównym wyzwaniem projektantów jest zapewnienie wysokich napięć zasilających. Natomiast elementy LED są bardziej wrażliwe na wysokie temperatury, a prawidłowy projekt oparty na tych elementach powinien zapewnić efektywną gospodarkę cieplną układu.

Jacek Dębowski