Как переделать монитор на светодиоды. Подсветка LCD-дисплеев

CCFL или LED ?

Активно развивающейся светодиодная отрасль, не могла не повлиять и на отрасль LCD дисплеев, сейчас уже не имеет значения, это экран телефона, планшета, ноутбука, монитора или телевизора. Светодиодная или иначе говоря LED подсветка матриц практически полностью вытеснила подсветку на CCFL и EEFL лампах. И это вполне логично, LED подсветка имеет значительно больше преимуществ, таких как высокий КПД, большой срок службы, отсутствие ртути, отсутствие выгорания и широкий цветовой охват.

Но что делать если в вашем ноутбуке стоит CCFL подсветка и она вышла из строя? Стоит ли ставить снова CCFL лампу или заменить ее на LED подсветку? Мой совет следующий: если вам этот ноутбук дорог, и вы не планируете после ремонта продавать или дарить, то лучше установить LED подсветку, и навсегда забыть об проблеме перегорания CCFL ламп. Да, в отдельных случаях это может выйти несколько дороже, а также замена требует некоторых технических навыков, но в этой статье я постараюсь рассказать про один из готовых наборов для такой модификации экрана вашего ноутбука, что может вам помочь при выборе и монтаже набора.

Особенности набора LED подсветки CA -166 и схемотехническое решение

Расположение индуктивности говорит, что она построена по принципу понижающего DC-DC конвертера отсюда и ограничение по минимуму входного напряжения о котором говорилось ранее. Для работы подсветки необходимо напряжение равное питанию 3х последовательных светодиодов (в среднем 9,6В) + 420мВ напряжение обратной связи. Следовательно, напряжение питания должно быть не ниже 10В и не более 24В (ограничение микросхемы). Резисторы R4 и R7 служат для задания рабочего тока LED подсветки. Силу тока выбирают из расчета что одна секция из трех диодов на максимальной яркости потребляет порядка 20мА. И исходя из этих данных рассчитывают по формуле Imax=420mV/Rвых. В таблице ниже представлены рекомендуемые значения сопротивлений.

Диагональ, дюйм	Длинна ленты, мм	Количестко диодов, шт
15” квадрат
14” широк.
14” квадрат
13.3” широк.
12” квадрат
12” широк.

Использование резисторов большего номинала не приведет к повреждению светодиодов, а лишь снизит максимальную яркость. Установка резисторов меньшего номинала также возможна, но при обязательном задействовании функции регулировки яркости ноутбуком.

Регулировка яркости аналоговая и происходит путем изменения уровня напряжения на контакте DIM. Такое решение было сделано с целью повысить универсальность устройства, поскольку при использовании этой подсветки в ноутбуках с ШИМ регулировкой яркости, она также будет работать, но возможно уровень яркости будет регулироваться в недостаточно широких пределах. Если Вас не устроит получившийся диапазон регулировки яркости, то можно провести несложные доработки, описанные далее.

Доработка 1. Модификация LED подсветки под работу с ШИМ сигналом регулировки яркости

Эта доработка позволит несколько расширить диапазон регулировки яркостью и лучше адаптировать плату на работу с ШИМ сигналом управления.

Ниже представлена схема, на которой красными линиями отмечены внесенные элементы и соединения, а серыми – удаленные элементы и соединения

Схема изменений в драйвере LED подсветки под работу с ШИМ сигналом регулировки яркости

Для доработки потребуются

Диод 1N4148 или подобный (в корпусе SMD SOD-323*)

Резистор 2.2 Ом** (SMD 1206)

Резистор 3.0 Ом** (SMD 1206)

*Указанные типы корпусов не являются обязательными, но рекомендуются, поскольку очень удобно устанавливаются на плату.

**Номиналы резисторов были выбраны из соображений щадящего режима работы LED подсветки. При необходимости можно использовать значения сопротивлений из таблицы, приведенной ранее.

Удалить C5
Удалить R3
Заменить токовые резисторы R4 и R7. Можно вместо 2х резисторов установить один на 1,3 Ом при этом несколько снизиться максимальная яркость.
Установить диод 1N4148 диагонально, катодом к левому выводу резистора R3, а анодом к нижнему выводу конденсатора C5.

На фотографии ниже наглядно показаны изменения платы LED драйвера. Места изменений обведены красной линией.

После такой доработки вход DIM будет полностью совместим с ШИМ сигналом яркости. Вход сигнала включения также полностью ШИМ – совместим. Ток, выдаваемый драйвером на максимальной яркости будет приблизительно равен 320mA. Минимальная яркость зависит от скважности ШИМ сигнала. При распространенной частоте ШИМ 60Гц, минимальная яркость получиться около 36mA что соответствует регулировке яркости 1:9. Поскольку частота ШИМ сигнала в большинстве ноутбуков всего 60 Гц, отдельные люди могут замечать легкое мерцание. Если необходимо от него избавиться, то рекомендую взглянуть на следующую доработку, которая лишена этого недостатка.

Доработка 2. Убираем влияние ШИМ сигнала на изображение

Эта доработка несколько сложнее, по сравнению с предыдущей, но дает более заметные результаты. При этой доработке удается полностью избавиться от модуляции яркости, повысить эффективность преобразования, расширить диапазон регулировки яркости вплоть до 1:100.

Ниже представлена схема с обозначенными доработками

Для доработки потребуются

Диод 1n4148 (или подобный в корпусе DO35*)

Резистор 220kΩ 1% точность

Резистор 12kΩ (SMD 0603)

Резистор 330kΩ (SMD 0603)

Конденсатор 25V 0,1µF (SMD 0603 MLCC)

N-канальный MOSFET (ZVN2106A, 2N7000 или аналоги)

Резистор 1.8** Ом (SMD 1206)

Резистор 3.9** Ом (SMD 1206)

Если необходимо расширить диапазон регулировки яркости, то потребуется еще замена индуктивности L1 номинал которой выбирается исходя из требований по регулировке яркости. Зависимость диапазона яркости от индуктивности приведены в следующей таблице:

*Приведенная корпусировка элементов выбрана из соображений удобства монтажа и не является обязательным требованием.

**Номиналы резисторов выбирают соответственно длине и потребляемому LED подсветкой току. См. таблицу выше.

Последовательность действий при доработке

Удалить конденсатор C5.
Удалить резистор R3.
Заменить токоизмерительные резисторы R4 и R7 на резисторы 1.8 Ом и 3.9 Ом (или на выбранные из таблицы).
Если необходимо, то заменить индуктивность L1 - 47µH на большую по значению индуктивности. Это уменьшит минимально устанавливаемый выходной ток с 16 мА до 8 мА.
Замените резистор R6 на резистор со значением 12кОм.
Резистор 330 кОм припаять одной ножкой к 6 выводу микросхемы DF6113.
Конденсатор 0,1µF припаять к 7 ножке микросхемы DF6113.
Соединить свободные выводы резистора из пункта 6 и конденсатора из пункта 7 вместе.
Припаяйте исток полевого транзистора к земляному выводу резистора R5.
Припаяйте сток полевого транзистора к аноду диода 1N4148.
Соедините катод диода 1N4148 в точке, образованной между резистором и конденсатором из пункта 8.
Соедините вывод резистора 220 кОм с положительным выводом входного танталового конденсатора C6. Второй вывод соедините со стоком транзистора, это тот вывод, к которому мы ранее подключили анод диода 1N4148.
Припаяйте затвор транзистора к левой контактной площадке резистора R3.

При использовании элементов для поверхностного монтажа будьте предельно внимательны чтобы не допустить короткого замыкания межу выводами.

Расположение деталей можно посмотреть на следующих картинках:

После такой модификации, ШИМ сигнал управления яркостью будет преобразовываться в аналоговый. Это позволит избавиться от возможного мерцания, приведет к более линейной регулировке яркости и расширит диапазон ее регулировки.

Заключение

Рассмотренный набор LED подсветки, который разработан специально для замены CCFL в экранах ноутбуков, имеет ряд преимуществ, которые с компенсируют некоторую сложность в установке. К достоинствам относят ценовую доступность набора, долговечность, улучшенную цветопередачу и т.д. Хотя приведенный дизайн платы драйвера LED подсветки и не реализует всех преимуществ микросхемы DF6113, но это можно легко исправить при наличии пары распространенных радиоэлементов и паяльника.

Набор для замены старой CCFL подсветки матрицы ноутбука на LED можно приобрести в нашем магазине по этой ссылке

Описание:

Ленту лучше взять нейтрально-белого свечения, а также по ширине её нужно брать минимально узкую (ширина ленты на фото 8 мм). Также важно количество светодиодов - не менее 120 светодиодов на метр ленты.

На плате можно найти перемычки, на которых присутствует питание 12 вольт, и припаять провода подсветки к этим перемычкам.

После данной переделки появляется проблема - подсветка постоянно включена, да ещё и яркость не регулируется... Приступаем к поиску цепи регулировки яркости подсветки. Внимательно смотрим на надписи вблизи разьёма. Вывод "ON" включает и выключает подсветку, когда подсветка включена, на выводе "ON" присутствует напряжение около 3 вольт. Когда подсветка выключена, на выводе "ON" напряжение отсутствует. Вывод "DIM" регулирует яркость подсветки путём изменения скважности ШИМ сигнала. При установке почти максимальной яркости, скважность ШИМ составляет 80...90 %, амплитуда сигнала 5 вольт. При отключении подсветки, на выходе "DIM" также отсутствует сигнал, поэтому использовать вывод "ON" не нужно. И для включения/отключения, и для регулировки яркости, достаточно использования вывода "DIM". Для того, чтобы регулировать яркость, нужно подключить светодиодную ленту через N-канальный полевичок, а на затвор полевичка подать сигнал с вывода "DIM" через небольшой резистор (100...200 ом).

Полевик я взял со сгоревшей материнской платы, N-канальный AP9T18GH, с максимальный напряжением сток-исток 20 вольт, и током 10 ампер. Кстати сказать, каждый из отрезков ленты потребляет примерно по 180 милиампер, поэтому можно использовать практически любой полевик с током не менее 0,5 ампер. Также я ради интереса замерил напряжение питания по цепи 12 вольт. Напряжение оказалось в пределах нормы.

Время незаметно идет и казалось бы недавно купленная техника уже выходит из строя. Так, отработав свои 10000 часов, приказали долго жить лампы моего монитора (AOC 2216Sa). Вначале подсветка стала включаться не с первого раза (после включения монитора подсветка выключалась через несколько секунд), что решалось повторным включением/выключением монитора, со временем монитор приходилось выключать/выключать уже 3 раза, потом 5, потом 10 и в какой-то момент он не мог включить подсветку уже вне зависимости от числа попыток включения. Извлеченные на свет божий лампы оказались с почерневшими краями и законно отправились в утиль. Попытка поставить лампы на замену (были куплены новые лампы подходящего размера) успехом не увенчалась (несколько раз монитор смог включить подсветку, но быстро опять ушел в режим включился-выключился) и выяснение причин в чем может быть проблема уже в электронике монитора привели меня к мысли о том что проще будет собрать собственную подсветку монитора на светодиодах чем ремонтировать имеющуюся схему инвертора для CCFL ламп, тем более в сети уже попадались статьи показывающие принципиальную возможность такой замены.

Разбираем монитор

На тему разборки монитора уже написано немало статей, все мониторы очень похожи между собой, поэтому вкратце:
1. Откручивам крепление поставки монитора и единственный болтик внизу, который придерживает заднюю стенку корпуса

2. В низу корпуса есть два пазика между передней и задней частью корпуса, в один из которых засовываем плоскую отвертку и начинаем снимать крышку с защелок по всему периметру монитора (просто проворачивая аккуратно отвертку вокруг своей оси и приподнимая этим крышку корпуса). Излишних усилий прилагать не надо, но тяжело снимается с защелок корпус только первый раз (за время ремонта я его открывал много раз, поэтому защелки стали сниматься со временем гораздо легче).
3. Нам открывается вид на монтаж внутренней металлической рамы в передней части корпуса:

Вынимаем из защелок плату с кнопками, вынимаем (в моем случае) разъем динамиков и отогнув две защелки внизу вынимаем внутренний металлический корпус.
4. Слева виднеются 4 провода подключения ламп подсветки. Вынимаем их слегка сдавливая, т.к. для предотвращения выпадения разъем сделан в виде маленькой прищепки. Так же вынимаем широкий шлейф идущий к матрице (вверху монитора), сдавливая его разъем по бокам (т.к. в разъеме боковые защелки, хотя при первом взгляде на разъем это и не очевидно):

5. Теперь необходимо разобрать «сендвич» содержащий саму матрицу и подсветку:

По периметру находятся защелки, которые открываются легким поддеванием той же плоской отверткой. Вначале снимается металлическая рама придерживающая матрицу, после чего можно открутить три меленьких болтика (обычная крестиковая отвертка не подойдет ввиду их миниатюрного размера, понадобится особо мелкая) удерживающих плату управления матрицей и матрицу можно снять (лучше всего положить монитор на твердую поверхность, например стол, покрытую тканью матрицей вниз, открутив плату управления положить ее на стол развернув через торец монитора и просто внять корпус с подсветкой подняв его вертикально вверх, а матрица так и останется лежать на столе. Ее можно накрыть чем-то чтобы не пылилась, а собирать точно в обратном порядке - т.е. накрыть лежащую на столе матрицу собранным корпусом с подсветкой, обернуть через торец шлейф к плате управления и прикрутив плату управления аккуратно поднять блок в собранном виде).
Получается матрица отдельно:

И блок с подсветкой отдельно:

Блок с подсветкой разбирается аналогично, только вместо металлической рамы, подсветка удерживается пластмассовой рамкой, которая одновременно позиционирует оргстекло, используемое для рассеивания света подсветки. Большинство защелок находятся по бокам и похожи на те что удерживали металлическую раму матрицы (открываются поддеванием плоской отверткой), но по бокам есть несколько защелок открывающихся «вовнутрь» (на них отверткой нужно надавить, чтобы защелки ушли во внутрь корпуса).
Вначале я запоминал положение всех снимаемых частей, но потом выяснилось, что «неправильно» их собрать не получится и даже если детали выглядят абсолютно симметричными расстояния между защелками на разных сторонах металлической рамы и фиксирующие выступы по бокам пластиковой рамы удерживающей подсветку не дадут собрать их «неправильно».
Вот собственно и все - мы разобрали монитор.

Подсветка светодиодной лентой

Вначале решено было делать подсветку из светодиодной ленты с белыми светодиодами 3528 - 120 светодиодов на метр. Первое что оказалось - ширина ленты 9 мм, а ширина ламп подсветки (и посадочного места под ленту) - 7 мм (на самом деле бывают лампы подсветки двух стандартов - 9 мм и 7 мм, но в моем случае были 7 мм). Поэтому, после осмотра ленты, было принято решение обрезать по 1 мм с каждого края ленты, т.к. это не задевало токопроводящих дорожек на лицевой части ленты (а на обратной вдоль всей ленты идут две широкие жилы питания, которые от уменьшения на 1 мм своих свойств на длине подсветки 475 мм не потеряют, т.к. ток будет небольшой). Сказано - сделано:

Точно так же аккуратно светодиодная лента обрезается по всей длине (на фотографии пример того что было до и что стало после обрезки).
Нам понадобится две полоски ленты по 475 мм (19 сегментов по 3 светодиода в полоске).
Хотелось чтобы подсветка монитора работала так же как и штатная (т.е. включалась и выключалась контроллером монитора), а вот яркость я хотел регулировать «вручную», как на старых CRT мониторах, т.к. это часто используемая функция и лазить по экранным меню каждый раз нажимая несколько клавиш мне надоело (в моем мониторе клавиши вправо-влево регулируют не режимы монитора, а громкость встроенных динамиков, так что режимы каждый раз приходилось менять через меню). Для этого был найден в сети мануал на мой монитор (кому пригодится - прилагается в конце статьи) и на странице с Power Board по схеме найдены +12V, On, Dim и GND которые нас интересуют.

On - сигнал с платы управления на включение подсветки (+5V)
Dim - ШИМ управление яркостью подсветки
+12V оказались далеко не 12, а где-то 16V без нагрузки подсветкой и где-то 13.67V с под нагрузкой
Так же было решено никаких ШИМ регулировок яркости подсветки не делать, а запитывать подсветку постоянным током (заодно решается вопрос с тем, что у некоторых мониторов ШИМ подсветки работает на не очень высокой частоте и у некоторых от этого чуть больше устают глаза). В моем мониторе частота «родного» ШИМ была 240 Гц.
Дальше на плате были найдены контакты на которые подаетя сигнал On (помечен красным) и +12V на блок инвертора (перемычка которую необходимо выпять чтобы обесточить блок инвертора помечена зеленым). (фотографию можно увеличить чтобы увидеть пометки):

В качестве основы схемы управления был взять линейный регулятор LM2941 в основном за то, что при токе до 1А он имел отдельный вывод управления On/Off, который предполагалось использовать для управления включением/выключением подсветки сигналом On с платы управления монитора. Правда в LM2941 этот сигнал инвертированный (т.е. на выходе есть напряжение когда на входе On/Off - нулевой потенциал), так что пришлось собрать инвертор на одном транзисторе для согласования прямого сигнала On с платы управления и инвертированного входа LM2941. Никаких других излишеств схема не содержит:

Расчет выходного напряжения для LM2941 производится по формуле:

Vout = Vref * (R1+R2)/R1

где Vref = 1.275V, R1 в формуле соответствует R1 на схеме, а R2 в формуле соответствует паре резисторов RV1+RV2 на схеме (введено два резистора для более плавной регулировки яркости и сокращения диапазона регулируемых переменным резистором RV1 напряжений).
В качестве R1 я взял 1кОм, а подбор R2 осуществляется по формуле:

R2=R1*(Vout/Vref-1)

Максимальное необходимое нам напряжение для ленты - 13В (я взял четь больше чем номинальные 12В чтобы не терять в яркости, а лента такой легкое перенапряжение переживет). Т.е. максимальное значение R2 = 1000*(13/1.275-1) = 9.91кОм. Минимальное напряжение при котором лента еще хоть как-то светится - около 7 вольт, т.е. минимальное значение R2 = 1000*(7/1.275-1) = 4.49кОм. R2 у нас состоит из переменного резистора RV1 и многооборотного подстроечного резистора RV2. Сопротивление RV1 получаем 9.91кОм - 4.49кОм = 5.42кОм (выбираем ближайшее значение RV1 - 5.1кОм), а RV2 выставляем примерно в 9.91-5.1 = 4.81кОм (на самом деле лучше всего вначале собрать схему, выставить максимальное сопротивление RV1 и измеряя напряжение на выходе LM2941 выставить сопротивление RV2 таким чтобы на выходе было нужное максимальное напряжение (в нашем случае около 13В).

Монтаж светодиодной ленты

Поскольку после обрезания ленты на 1 мм по торцам ленты оголились жилы питания, на корпус в месте где будет клеиться лента я наклеил изоленту (к сожалению не синюю а черную). Поверх клеится лента (хорошо прогревать поверхность феном, т.к. к теплой поверхности скотч клеится гораздо лучше):

Дальше монтируются задняя пленка, оргстекло и светофильтры которые лежали поверх оргстекла. По краям я подпер ленту кусочками стирательной резинки (чтобы края на скотче не отходили):

После чего блок подсветки собирается в обратном порядке, устанавливается на место матрица, провода подсветки выводятся наружу.
Схема собиралась на макетке (ввиду простоты решил плату не разводить), крепилась на болтиках через отверстия в задней стенке металлического корпуса монитора:

Питание и сигнал управления On заводились с платы блока питания:

Рассчетная мощность, выделяемая на LM2941 рассчитывается по формуле:

Pd = (Vin-Vout)*Iout +Vin*Ignd

Для моего случая составляет Pd = (13.6-13)*0.7 +13.6*0.006 = 0.5 Ватт поэтому было решено обойтись самым маленьким радиатором для LM2941 (посажен через диэлектрическую прокладку т.к. от земли он в LM2941 не изолирован).
Окончательная сборка показала вполне себе работоспособность конструкции:

Из достоинств:

Используется стандартная светодиодная лента
Простая плата управления

Из недостатков:

Недостаточная яркость подсветки при ярком дневном свете (монитор стоит напротив окна)
Светодиоды в ленте расположены недостаточно часто, поэтому видны небольшие световые конусы от каждого отдельного светодиода возле верхней и нижней кромок монитора
Баланс белого немного нарушен и уходит слегка в зеленоватые оттенки (скорее всего решается регулировками баланса белого либо самого монитора либо видеокарты)

Вполне хороший, простой и бюджетный вариант ремонта подсветки. Вполне комфортно смотреть фильмы или использовать монитор в качестве кухонного телевизора, но для каждодневной работы наверное не подойдет.

Регулировка яркости с помощью ШИМ

Для тех хаброжителей, которые в отличие от меня не вспоминают с ностальгией аналоговые ручки управления яркостью и контрастностью на старых ЭЛТ мониторах можно сделать управление от штатного ШИМ генерируемого платой управления монитором без выведения каких-либо дополнительных органов управления наружу (без сверления корпуса монитора). Для этого достаточно собрать на двух транзисторах схему И-НЕ на входе On/Off регулятора и убрать регулировку яркости на выходе (выставить выходное напряжение постоянным в 12-13В). Модифицированная схема:

Сопротивление подстроечного резистора

Более плотная LED подсветка

Для решения проблемы недостаточной яркости (а заодно и равномерности) подсветки было решено поставить больше светодиодов и чаще. Поскольку оказалось что покупать светодиоды поштучно дороже чем купить 1.5 метра ленты и выпаять их оттуда был выбран более экономный вариант (выпаивать светодиоды из ленты).
Сами светодиоды 3528 разместились на 4-х полосках 6 мм шириной и 238 мм длиной по 3 светодиода последовательно в 15 параллельных сборках на каждой из 4-х полосок (разводка плат для светодиодов прилагается). После припайки светодиодов и проводов получается следующее:

Полоски закладывается по две вверху и внизу проводами к краю монитора в стык в центре:

Номинальное напряжение на светодиодах 3.5В (диапазон от 3.2 до 3.8 В), так что сборка из 3-х последовательных светодиодов должна питаться напряжением порядка 10.5В. Так что параметры регулятора нужно пересчитать:

Максимальное необходимое нам напряжение для ленты - 10.5В. Т.е. максимальное значение R2 = 1000*(10.5/1.275-1) = 7.23кОм. Минимальное напряжение при котором сборка из светодиодов еще хоть как-то светится - около 4.5 вольт, т.е. минимальное значение R2 = 1000*(4.5/1.275-1) = 2.53кОм. R2 у нас состоит из переменного резистора RV1 и многооборотного подстроечного резистора RV2. Сопротивление RV1 получаем 7.23кОм - 2.53кОм = 4.7кОм, а RV2 выставляем примерно в 7.23-4.7 = 2.53 кОм и регулируем в собранной схеме для получения 10.5В на выходе LM2941 при максимальном сопротивлении RV1.
В полтора раза больше светодиодов потребляют 1.2А тока (номинально), поэтому рассеиваемая мощность на LM2941 будет равна Pd = (13.6-10.5)*1.2 +13.6*0.006 = 3.8 Ватт, что уже требует более солидного радиатора для отвода тепла:

Собираем, подключаем, получаем гораздо лучше:

Достоинства:

Достаточно большая яркость (возможно сравнимая, а возможно даже превосходящая яркость старой CCTL подсвтеки)
Отсутствие световых конусов по краям монитора от индивидуальных светодиодов (светодиоды расположены достаточно часто и подсветка равномерная)
Все еще простая и дешевая плата управления

Недостатки:

Никак не решился вопрос с балансом белого, уходящим в зеленоватые тона
LM2941 хоть и с большим радиатором, но греется и греет все внутри корпуса

Плата управления на основе Step-down регулятора

Для устранения проблемы нагрева решено было собрать регулятор яркости на базе Step-down регулятора напряжения (в моем случае был выбран LM2576 с током до 3А). Он так же имеет инвертированный вход управления On/Off, поэтому для согласования присутствует такой же инвертор на одном транзисторе:

Катушка L1 влияет на КПД преобразователя и должна быть 100-220 мкГ для тока в нагрузке около 1.2-3А. Напряжение на выходе рассчитывается по формуле:

Vout=Vref*(1+R2/R1)

где Vref = 1.23V. При заданном R1 можно получить R2 по формуле:

R2=R1*(Vout/Vref-1)

В расчетах R1 эквивалентно R4 в схеме, а R2 эквивалентно RV1+RV2 в схеме. В нашем случае для регулировки напряжения в диапазоне от 7.25В до 10.5В возьмем R4=1.8кОм, переменный резистор RV1=4.7кОм а подстроечный резистор RV2 на 10кОм с начальным приближением в 8.8кОм (после сборки схемы лучше всего выставить его точное значение измеряя напряжение на выходе LM2576 при максимальном сопротивлении RV1).
Для этого регулятора решил сделать плату (размеры значения не имели, т.к. в мониторе достаточно место для монтажа даже габаритной платы):

Плата управления в сборе:

После монтажа в мониторе:

Все в сборе:

После сборки вроде все работает:

Итоговый вариант:

Достоинства:

Достаточная яркость
Step-down регулятор не греется и не греет монитор
Нет ШИМ а значит ничего не моргает ни с какой частотой
Аналоговая (ручная) регулировка яркости
Нет ограничений на минимальную яркость (для тех кто любит работать по ночам)

Недостатки:

Немного смещен баланс белого в сторону зеленых тонов (но не сильно)
При малой яркости (очень малой) видна неравномерность в свечении светодиодов разных сборок из-за разброса параметров

Варианты улучшения:

Баланс белого регулируется как в настройках монитора, так и в настройках почти любой видеокарты
Можно попробовать поставить другие светодиоды, которые не будут заметно сбивать баланс белого
Для исключения неравномерного свечения светодиодов при малой яркости можно использовать: а) ШИМ (регулировать яркость с помощью ШИМ всегда подавая номинальное напряжение) или б) соединить все светодиоды последовательно и питать их регулируемым источником тока (если соединить последовательно все 180 светодиодов, то понадобится 630В и 20мА), тогда через все светодиоды должен проходить один и тот же ток, а на каждом будет падать свое напряжение, яркость регулируется изменением тока а не напряжения.
Если хочется сделать схему на основе ШИМ для LM2576 можно использовать схему И-НЕ на входе On/Off этого Step-down регулятора (по аналогии с приведенной схемой для LM2941), но лучше поставить диммер в разрыв минусового провода светодиодов через logic-level mosfet

Время незаметно идет и казалось бы недавно купленная техника уже выходит из строя. Так, отработав свои 10000 часов, приказали долго жить лампы моего монитора (AOC 2216Sa). Вначале подсветка стала влючаться не с первого раза (после включения монитора подсветка выключалась через несколько секунд), что решалось повторным включением/выключением монитора, со временем монитор приходилось выключать/выключать уже 3 раза, потом 5, потом 10 и в какой-то момент он не мог включить подсветку уже вне зависимости от числа попыток включения. Извлеченные на свет божий лампы оказались с почерневшими краями и законно отправились в утиль. Попытка поставить лампы на замену (были куплены новые лампы подходящего размера) успехом не увенчалась (несколько раз монитор смог включить подсветку, но быстро опять ушел в режим включился-выключился) и выяснение причин в чем может быть проблема уже в электронике монитора привели меня к мысли о том что проще будет собрать соственную подсветку монитора на светодиодах чем ремонтировать имеющуюся схему инвертора для CCFL ламп, тем более в сети уже попадались статьи показывающие принципиальную возможность такой замены.

Разбираем монитор

На тему разборки монитора уже написано немало статей, все мониторы очень похожи между собой, поэтому вкратце:

1. Откручива крепление поставки монитора и единственный болтик внизу, который придерживает заднюю стенку корпуса

2. В низу корпуса есть два пазика между передней и задней частью корпуса, в один из которых засовываем плоскую отвертку и начинаем снимать крышку с защелок по всему периметру монитора (просто проворачивая аккуратно отвертку вокруг своей оси и приподнимая этим крышку корпуса). Излишних усилий прилагать не надо, но тяжело снимается с защелок корпус только первый раз (за время ремонта я его открывал много раз, поэтому защелки стали сниматься со временем гораздо легче).

3. Нам открывается вид на монтаж внутренней металлической рамы в передней части копуса:

Вынимаем из защелок плату с кнопками, вынимаем (в моем случае) разъем динамиков и отогнув две защеки внизу вынимаем внутренний металлический корпус.

4. Слева виднеются 4 провода подключения ламп подсветки. Вынимаем их слегка сдавливая, т.к. для предотвращения выпадения разъем сделан в виде маленькой прищепки. Так же вынимаем широкий шлейф идущий к матрице (вверху монитора), сдавливая его разъем по бокам (т.к. в разъеме боковые защелки, хотя при первом взгляде на разъем это и не очевидно):

5. Теперь необхоимо разобрать "сендвич" содержащий саму матрицу и подсветку:

По периметру находятся защелки, которые открываются легким поддеванием той же плоской отверткой. Вначале снимается металлическая рама придерживающая матрицу, после чего можно открутить три меленьких болтика (обычная крестиковая отвертка не подойдет ввиду их миниатюрного размера, понадобится особо мелкая) удерживающих плату управления матрицей и матрицу можно снять (лучше всего положить монитор на твердую поверхность, например стол, покрытую тканью матрицей вниз, открутив плату управления положить ее на стол развернув через торец монитора и просто внять корпус с подсветкой подняв его вертикально вверх, а матрица так и останется лежать на столе. Ее можно накрыть чем-то чтобы не пылилась, а собирать точно в обратном порядке - т.е. накрыть лежащую на столе матрицу собранным корпусом с подсветкой, обернуть через торец шлейф к плате управления и прикрутив плату управления аккуратно поднять блок в собранном виде).

Получается матрица отдельно:

И блок с подсветкой отельно:

Блок с подсветкой разбирается аналогично, только вместо металлической рамы, подсветка удерживается пластмассовой рамкой, которая одновлеменно позиционирует оргстекло, используемое для рассеивания света подсветки. Большинство защелок находятся по бокам и похожи на те что удерживали металлическую раму матрицы (открываются поддеванием плоской отверткой), но по бокам есть несколько защелок открывающихся "вовнутрь" (на них отверткой нужно надавить, чтобы защелки ушли во внутрь корпуса).

Вначале я запоминал положение всех снимаемых частей, но потом выяслилось, что "неправильно" их собрать не получится и даже если детали выглядят абсолютно симметричными расстояния между защелками на разных сторонах металлической рамы и фиксирующие выступы по бокам пластиковой рамы удерживающей подсветку не дадут собрать их "неправильно".

Вот собственно и все - мы разобрали монитор.

Подстветка светодиодной лентой

Точно так же аккуратно светодиодная лента обрезается по всей длине (на фотографии пример того что было до и что стало после обрезки).

Нам понадобится две полоски ленты по 475 мм (19 сегментов по 3 светодиода в полоске).

Хотелось чтобы подсветка монитора работала так же как и штатная (т.е. включалась и выключалась контроллером монитора), а вот яркость я хотел регулировать "вручную", как на старых CRT мониторах, т.к. это часто используемая функция и лазить по экранным меню каждый раз нажимая несколько клавиш мне надоело (в моем мониторе клавиши вправо-влево регулируют не режимы монитора, а громкость встроенных динамиков, так что режимы каждый раз приходилось менять через меню). Для этого был найден в сети мануал на мой монитор (кому пригодится - прилагается в конце статьи) и на странице с Power Board по схеме найдены +12V, On, Dim и GND которые нас интересуют.

On - сигнал с платы управления на включение подсветки (+5V)

Dim - ШИМ управление яркостью подсветки

12V оказались далеко не 12, а где-то 16V без нагрузки подсветкой и где-то 13.67V с под нагрукой

Так же было решено никаких ШИМ регулировок яркости подсветки не делать, а запитывать подсветку постоянным током (заодно решается вопрос с тем, что у некоторых мониторов ШИМ подсветки работает на не очень высокой частоте и у некоторых от этого чуть больше устают глаза). В моем мониторе частота "родного" ШИМ была 240 Гц.

Дальше на плате были найдены контакты на которые подаетя сигнал On (помечен красным) и +12V на блок инвертора (перемычка которую необходимо выпять чтобы обесточить блок инвертора помечена зеленым). (фотографию можно увеличить чтобы увидеть пометки):

В качестве основы схемы управления был взять линейный регулятор LM2941 в омновном за то, что при токе до 1А он имел отдельный вывод управления On/Off, который предполагаось использовать для управления включением/выключением подсветки сигналом On с платы упралвения монитора. Правда в LM2941 этот сигнал инвертированный (т.е. на выходе есть напряжение когда на входе On/Off - нулевой потенциал), так что пришлось собрать инвертор на одном транзисторе для согласования прямого сигнала On с платы управения и инвертированного входа LM2941. Никаких других излишеств схема не содержит:

Рассчет выходного напряжения для LM2941 производится по формуле:

Vout = Vref * (R1+R2)/R1

где Vref = 1.275V, R1 в формуле соответствует R1 на схеме, а R2 в формуле соответвует паре резисторов RV1+RV2 на схеме (введено два резистора для более плавной регулировки яркости и сокращения диапазона регулируемых переменным резистором RV1 напряжений).

В качестве R1 я взял 1кОм, а подбор R2 осуществляется по формуле:

R2=R1*(Vout/Vref-1)

Максимальное необходимое нам напряжение для ленты - 13В (я взял четь больше чем номинальные 12В чтобы не терять в яркости, а лента такой легкое перенапряжение переживет). Т.е. максимальное значение R2 = 1000*(13/1.275-1) = 9.91кОм. Минимальное напряжение при котором лента еще хоть как-то светится - около 7 вольт, т.е. минимальное значение R2 = 1000*(7/1.275-1) = 4.49кОм. R2 у нас состоит из переменного резистора RV1 и многооборотного подстроечного резистора RV2. Сопротивление RV1 получаем 9.91кОм - 4.49кОм = 5.42кОм (выбираем ближайшее значение RV1 - 5.1кОм), а RV2 выставляем примерно в 9.91-5.1 = 4.81кОм (на самом деле лучше всего вначале собрать схему, выстваить максимальное сопротивление RV1 и измеряя напряжение на выходе LM2941 выстваить сопротивление RV2 таким чтобы на выходе было нужное максимальное напряжение (в нашем случае около 13В).

Монтаж светодиодной ленты

После чего блок подсветки собирается в обратном порядке, устанавливается на место матрица, провода подсветки выводятся наружу.

Схема собиралась на макетке (ввиду простоты решил плату не разводить), крепилась на болитках через отверстия в задней стенке металлического корпуса монитора:

Питание и сигнал управления On заводились с платы блока питания:

Рассчетная мощность, выделяемая на LM2941 рассчитывается по формуле:

Pd = (Vin-Vout)*Iout +Vin*Ignd

Окончательная сборка показала вполне себе работоспособность конструкции:

Из достоинств:

Используется стандартная светодиодная лента
Простая плата управления

Из недостатков:

Недостаточная яркость подсветки при ярком дневном свете (монитор стоит напротив окна)
Светодиоды в ленте расположены недостаточно часто, поэтому видны небольшие световые конусы от каждого отдельного светодиода возле верхней и нижней кромок монитора
Баланс белого немного нарушен и уходит слегка в зеленоватые оттенки (скорее всего решаетя регулировками баланса белого либо самого монитора либо видеокарты)

Более плотная LED подсветка

Сами светодиды 3528 разместились на 4-х полосках 6 мм шириной и 238 мм длиной по 3 светодиода последовательно в 15 параллельных сборках на каждой из 4-х полосок (разводка плат для светодиодов прилагается). После припайки светодиодов и проводов получается следующее:

Полоски закладыватся по две вверху и внизу проводами к краю монитора в стык в центре:

Номинальное напряжение на светодиодах 3.5В (диапазон от 3.2 до 3.8 В), так что сборка из 3-х последовательных светодиодов должна питаться напряжением порядка 10.5В. Так что параметры регулятора нужно пересчитать:

Максимальное необходимое нам напряжение для ленты - 10.5В. Т.е. максимальное значение R2 = 1000*(10.5/1.275-1) = 7.23кОм. Минимальное напряжение при котором сборка из светодиодов еще хоть как-то светится - около 4.5 вольт, т.е. минимальное значение R2 = 1000*(4.5/1.275-1) = 2.53кОм. R2 у нас состоит из переменного резистора RV1 и многооборотного подстроечного резистора RV2. Сопротивление RV1 получаем 7.23кОм - 2.53кОм = 4.7кОм, а RV2 выставляем примерно в 7.23-4.7 = 2.53 кОм и регулируем в собранной схеме для получения 10.5В на выходе LM2941 при максимаьном сопротивлении RV1.

В полтора раза больше светодиодов потребляют 1.2А тока (номинально), поэтому рассеиваемая можность на LM2941 будет равна Pd = (13.6-10.5)*1.2 +13.6*0.006 = 3.8 Ватт, что уже требует более солидного радиатора для отвода тепла:

Собираем, подключаем, получаем гораздо лучше:

Достоинства:

Достаточно большая яркость (возможно сравнимая, а возможно даже превосходящая яркость старой CCTL подсвтеки)
Отсутствие световых конусов по краям монитора от индивидуальных светодиодов (светодиоды расположены достаточно часто и подсветка равномерная)
Все еще простая и дешевая плата управления

Недостатки:

Никак не решился вопрос с балансом белого, уходящим в зеленоватые тона
LM2941 хоть и с большим радиатором, но греется и греет все внутри корпуса

Плата управления на основе Step-down регулятора

Для устранения проблемы нагрева регено было собрать регулятор яркости на базе Step-down регулятора напряжения (в моем случае был выбран LM2576 с током до 3А). Он так же имеет инвертированный вход управления On/Off, поэтому для согласования присутсвует такой же инвертор на одном транзисторе:

Катушка L1 влияет на КПД преобразователя и должна быть 100-220 мкГ для тока в нагрузке около 1.2-3А. Напряжение на выходе рассчитывается по формуле:

Vout=Vref*(1+R2/R1)

где Vref = 1.23V. При заданом R1 можно получить R2 по формуле:

R2=R1*(Vout/Vref-1)

В рассчетах R1 эквивалентно R4 в схеме, а R2 эквивалентно RV1+RV2 в схеме. В нашем случае для регулировки напряжения в диапазоне от 7.25В до 10.5В возьмем R4=1.8кОм, переменный резистор RV1=4.7кОм а подстроечный резистор RV2 на 10кОм с начальным приблежением в 8.8кОм (после сборки схемы лучше всего выставить его точное значение измеряя напряжение на выходе LM2576 при максимальном сопротивлении RV1).

Для этого регулятора решил сделать плату (размеры значения не имели, т.к. в мониторе достаточно метсо для монтажа даже габаритной платы):

Плата управления в сборе:

После монтажа в мониторе:

Все в сборе:

После сборки вроде все работает:

Итоговый вариант:

Достоинства:

Достаточная яркость
Step-down регулятор не греется и не греет монитор
Нет ШИМ а значит ничего не моргает ни с какой частотой
Аналоговая (ручная) регулировка яркости
Нет ограничений на минимальную яркость (для тех кто любит работать по ночам)

Недостатки:

Немного смещен баланс белого в сторону зеленых тонов (но не сильно)
При малой яркости (очень малой) видна неравномерность в свечении светодиодов разных сборок из-за разброса параметров

Варианты улучшения:

Баланс белого регулируется как в настройках монитора, так и в настройках почти любой видеокарты
Можно попробовать поставить другие светодиоды, которые не будут заметно сбивать баланс белого
Для исключения неравноменого свечения светодиодов при малой яркости можно использовать: а) ШИМ (регулировать яркость с помощью ШИМ всегда подавая номинальное напряжение) или б) соединить все светодиоды последовательно и питать их регулируемым источником тока (если соединить последовательно все 180 светодиодов, то понадобится 630В и 20мА), тогда через все светодиоды должен проходить один и тот же ток, а на каждом будет падать свое напряжение, яркость регулируется изменением тока а не напряжения.

В прилагаемых файлах:

AOC-2216SA.rar - Service Manual на монитор AOC2216Sa (разбит на две части поскольку превышает лимит на размер для загрузки одного файла)

Жидкокристаллические дисплеи (LCD) являются пассивными устройствами отображения информации. Для того чтобы сформированное изображение воспринималось глазом человека, его необходимо освещать, в простейшем случае - естественным внешним светом. При недостаточном естественном освещении или его отсутствии для дисплея может быть использован искусственный источник света.

Большинство современных LCD работают в одном из трех режимов отображения: в режиме полного отражения, при котором внешний свет отражается от рефлектора, расположенного позади дисплея (рис. 1, а); в режиме полуотражения, при котором рефлектор отражает внешний свет, но способен пропускать свет от источника света, расположенного позади него (рис. 1, б); в режиме подсвечивания, при котором рефлектор, отражаю- щий внешний свет, отсутствует и для подсветки изображения используется специальный источник света (рис. 1, в).

Рис. 1. Режимы отображения LCD

Прием, при котором используется специальный источник света, получил название «подсветка» (backlight). Для реализации подсветки используется несколько технологий, которые будут рассмотрены ниже.

Электролюминесцентная (EL) подсветка

Электролюминесцентная подсветка обеспечивает равномерное освещение и выполняется в тонком и легком конструктиве (рис. 2).

Рис. 2. Конструктив электролюминесцентной подсветки

Такая подсветка обеспечивает получение различных цветов, в том числе белого, чаще всего используемого в LCD. Потребление при электролюминесцентной подсветке относительно мало, однако для ее организации необходим источник переменного напряжения 80…100 В частотой около 400 Гц (типовое значение). В качестве такого источника используют преобразователи DC/DC, трансформирующие напряжение постоянного тока 5, 12 или 24 В в переменное напряжение требуемой величины. Это наиболее экономичный с точки зрения потребления тип подсветки, и он чаще всего используется в устройствах с батарейным питанием. Срок жизни электролюминесцентной подсветки (снижение яркости наполовину от исходной) составляет порядка 3…5 тыс. часов и зависит от установленной яркости свечения (рис. 3).

Рис. 3. Срок жизни EL-подсветки, зависимость срока жизни от установленной яркости

Отличительные особенности электролюминесцентной подсветки:

плоский источник света с максимальной толщиной 1,3 мм (1,5 мм с учетом выводов) обеспечивает равномерную подсветку большой площади;
широкий диапазон напряжений питания переменного тока (максимальное значение 150 В) частотой 60…1000 Гц. При наличии повышающих преобразователей возможно питание от одной батареи с напряжением 1,5 В;
цвет свечения: зелено-голубой, желто-зеленый и белый;
рабочие характеристики типовых модулей питания: выходное напряжение 110 В частотой 400 Гц; ток нагрузки 8 мА (при Ta = 20 °C и относительной влажности 60 %);
диапазон рабочих температур - от 0 до 50 °C;
диапазон температур хранения от - от –20 до 60 °C.

Светодиодная (LED) подсветка

Светодиодная подсветка характеризуется самым длительным сроком службы - минимум 50 тыс. часов - и большей, чем у EL-подсветки, яркостью. Подсветка обеспечивается твердотельными приборами и, следовательно, может работать непосредственно от источника напряжения 5 В без использования преобразователей. Однако для ограничения тока через LED необходима установка токоограничительных резисторов. Цепочка светодиодов располагается вдоль боковых поверхностей дисплея или в виде матрицы под диффузором (рассеивателем) и обеспечивает яркую равномерную подсветку (рис. 4, а, б).

Рис. 4. Конструктивы матричной и боковой LED-подсветки

Боковая подсветка используется в модулях с количеством знакомест в строке до 20. При количестве знакомест свыше 20 в центре LCD образуется более темная, чем на краях, область. Для устранения этого недостатка применяют специальные меры, например дополнительную подсветку сверху.

Матричная LED-подсветка обеспечивает более яркий и равномерный свет. При разработке такой подсветки определяющим фактором является потребление. Не рекомендуется ее использовать в устройствах с батарейным питанием, в которых требуется постоянно включенная подсветка.

Светодиоды LED-подсветки работают при напряжении питания 4,2 В (типовое значение). Потребление подсветки определяется количеством включенных светодиодов, и, следовательно, с увеличением размера дисплея растет потребление, составляющее от 30 до 200 мА и более.

Цвет LED-подсветки может быть разным, в том числе и белым, но чаще всего используется желто-зеленая подсветка. Ее светоизлучение выше, чем у EL-подсветки. Возможно управление яркостью свечения посредством потенциометра или ШИМ-регулятора.

Принимая во внимание стоимость преобразователей, используемых с EL, применение LED-подсветки более экономично. Толщина модуля с LED-подсветкой на 2–4 мм больше, чем у модуля с EL-подсветкой или без подсветки.

Отличительные особенности светодиодной подсветки:

низкое напряжение питания, нет необходимости использовать специальные преобразователи;
длительный жизненный цикл - в среднем свыше 100 тыс. часов;
возможность подсветки красного, зеленого, оранжевого и белого цветов или многоцветной подсветки (с переключением);
боковая или матричная подсветка;
типовое напряжение питания - 4,2 В; потребление 30 до - 200 мА и выше; яркость - 250 кд/м;
отсутствие генерации шумов.

Подсветка флуоресцентными лампами с холодным катодом (CCFL)

Для CCFL-подсветки характерны относительно малое потребление и очень яркий белый свет. Используются две технологии: прямая и боковая подсветки (рис 5, а, б).

Рис. 5. Конструктивы прямой и боковой подсветки флуоресцентными лампами с холодным катодом

В обоих случаях источником света являются флуоресцентные лампы с холодным катодом (источники локального светового пятна), свет от которых по всей площади экрана распределяется диффузорами (diffuser) и световодами (light guide). Боковая подсветка позволяет реализовать модули малой толщины и с меньшим потреблением. CCFL-подсветка используется в первую очередь в графических LCD, и срок службы СCFL-подсветки выше, чем у EL-подсветки - до 10–15 тыс. часов.

Посредством CCFL обеспечивается подсветка больших поверхностей, поэтому она используется преимущественно в больших плоскопанельных дисплеях. Большим достоинством CCFL является возможность получения бумажно-белого цвета, что делает CCFL практически единственным источником подсветки цветных дисплеев. Для работы флуоресцентных ламп необходимы преобразователи с выходным напряжением переменного тока от 270 до 300 В.

Отличительные особенности подсветки флуоресцентными лампами с холодным катодом (CCFL):

высокая яркость;

долговечность;

малое потребление;

излучение белого цвета;

прямая и боковая подсветка;

используется с многоцветными и/или точечно-матричными модулями ЖК-дисплеев.

В табл. 1–3 приводятся характеристики флуоресцентных ламп с холодным катодом.

Таблица 1. Максимальные значения

Таблица 2. Электрические характеристики

Таблица 3. Оптические характеристики

В приведенной ниже табл. 4 даны сравнительные характеристики трех основных типов подсветки и их основные области применения.

Таблица 4.

Тип подсветки	Использо- вание, в зависимости от условий освещения	Потребление	Стоимость	Генерация RFI	Управление яркостью	Примечания
Нет	Неприменимо в условиях плохой освещенности	Наилучшее (не потребляет по своей природе)	Наименьшая	Отсутствует	Не используется
EL		Очень хорошее 30 мВт	Средняя	Незначительная (на малых частотах)	Фиксированная яркость	Предпочти тельна для устройств с батарейным питанием
LED	Применяется при любых условиях освещенности	Хорошее 60 мВт	Средняя	Отсутствует	Регулируется в широком диапазоне	Чаще всего используется в небольших дисплеях
CCFL	Не применяется в условиях яркого освещения	Существенное 700 мВт	Самая высокая	Иногда (на высокой частоте)	Регулируется в ограниченном диапазоне	Чаще всего используется в больших графических дисплеях