Шим стабилизатор напряжения на полевом транзисторе. Регулирование яркости светодиодов. Примеры реальных устройств

Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.

Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.

Примером линейного способа может послужить . При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.

В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ . В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation .

Принцип импульсного регулирования

Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н . Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К .

Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T . Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K . Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.

Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи . А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп . Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип .

Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:

Uср.н = Uип tи/T.

Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D . А величина, обратная ему называется скважностью :

S = 1/D = T/tи .

На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.

Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:

Uср.н = Uип∙D.

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Pср.н = Pип∙D.

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему .

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.

Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Необходимость регулировки постоянного напряжения для питания мощных инерционных нагрузок чаще всего возникает у владельцев автомобилей и другой авто-мото техники. Например, появилось желание плавно менять яркость ламп освещения салона, габаритных огней, автомобильных фар или вышел из строя узел регулирования оборотов вентилятора автомобильного кондиционера, а замены нет.
Осуществить такое желание иногда нет возможности из-за большого тока потребления этими устройствами - если устанавливать транзисторный регулятор напряжения , компенсационный или параметрический, на регулирующем транзисторе будет выделяться очень большая мощность, что потребует установки больших радиаторов или введения принудительного охлаждения с помощью малогабаритного вентилятора от компьютерных устройств.

Выходом из положения является применение широтно - импульсных схем, управляющих мощными полевыми силовыми транзисторами MOSFET . Эти транзисторы могут коммутировать очень большие токи (до 160А и более) при напряжении на затворе 12 - 15 В. Сопротивление открытого транзистора очень мало, что позволяет заметно снизить рассеиваемую мощность. Схемы управления должны обеспечивать разность напряжений между затвором и истоком не менее 12 ... 15 В, в противном случае сопротивление канала сильно увеличивается и рассеиваемая мощность значительно возрастает, что может привести перегреву транзистора и выходу его из строя. Для широтно - импульсных автомобильных низковольтных регуляторов выпускаются специализированные микросхемы, например U 6 080B ... U6084B , L9610, L9611, которые содержат узел повышения выходного напряжения до 25 -30 В при напряжении питания 7 -14 В, что позволяет включать выходной транзистор по схеме с общим стоком, чтобы можно было подключать нагрузку с общим минусом, но достать их практически невозможно. Для большинства нагрузок, которые потребляют ток не более 10А и не могут вызвать просадку бортового напряжения можно использовать простые схемы без дополнительного узла повышения напряжения.

Первый ШИМ регулятор собран на инверторах логической К МОП микросхемы. Схема представляет собой генератор прямоугольных импульсов на двух логических элементах, в котором за счёт диодов раздельно меняется постоянная времени заряда и разряда частотозадающего конденсатора, что позволяет изменять скважность выходных импульсов и значение эффективного напряжения на нагрузке.

В схеме можно использовать любые инвертирующие КМОП элементы, например К176ПУ2, К561ЛН1, а также любые элементы И, ИЛИ-НЕ, например К561ЛА7, К561ЛЕ5 и подобные, соответственно сгруппировав их входы. Полевой транзистор может быть любым из MOSFET , которые выдерживают максимальный ток нагрузки, но желательно использовать транзистор с как можно большим максимальным током, т.к. у него меньшее сопротивление открытого канала, что уменьшает рассеиваемую мощность и позволяет использовать радиатор меньшей площади.
Достоинство ШИМ-регулятора на микросхеме К561ЛН2 - простота и доступность элементов,
недостатки - диапазон изменения выходного напряжения чуть меньше 100% и невозможно доработать схему с целью введения дополнительных режимов, например плавного автоматического увеличения или понижения напряжения на нагрузке, т.к. регулирование производится путём изменения сопротивления переменного резистора, а не изменением уровня управляющего напряжения.

Гораздо лучшими характеристиками обладает вторая схема, но количество элементов в ней чуть больше.

Регулировка эффективного значения напряжения на нагрузке от 0 до 12 В производится изменением напряжения на управляющем входе от 8 до 12 В. Диапазон регулировки напряжения практически 100%. Максимальный ток нагрузки полностью определяется типом силового полевого транзистора и может быть очень значительным. Так как выходное напряжение пропорционально входному управляющему напряжению, схема может использоваться как составная часть системы регулирования, например системы поддержания заданной температуры, если в качестве нагрузки использовать нагреватель, а датчик температуры подключить к простейшему пропорциональному регулятору, выход которого подключается к управляющему входу устройства. Описанные устройства имеют в основе несимметричный мультивибратор, но ШИМ регулятор можно построить на микросхеме ждущего мультивибратора

При работе с множеством различных технологий часто стоит вопрос: как управлять мощностью, которая доступна? Что делать, если её необходимо понизить или повысить? Ответом на эти вопросы служит ШИМ-регулятор. Что он собой представляет? Где применяется? И как самому собрать такой прибор?

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Без выяснения значения этого термина продолжать не имеет смысла. Итак, широтно-импульсная модуляция — это процесс управления мощностью, которая подводится к нагрузке, осуществляемая путём видоизменения скважности импульсов, которая делается при постоянной частоте. Существует несколько типов широтно-импульсной модуляции:

1. Аналоговый.

2. Цифровой.

3. Двоичный (двухуровневый).

4. Троичный (трехуровневый).

Что такое ШИМ-регулятор?

Теперь, когда мы знаем, что такое широтно-импульсная модуляция, можно поговорить и о главной теме статьи. Используется ШИМ-регулятор для того, чтобы регулировать напряжение питания и для недопущения мощных инерционных нагрузок в авто- и мототехнике. Это может звучать слишком сложно и лучше всего пояснить на примере. Допустим, необходимо сделать, чтобы лампы освещения салона меняли свою яркость не сразу, а постепенно. Это же относится к габаритным огням, автомобильным фарам или вентиляторам. Воплотить такое желание можно путём установки транзисторного регулятора напряжения (параметрический или компенсационный). Но при большом токе на нём будет выделяться чрезвычайно большая мощность и потребуется установка дополнительных больших радиаторов или дополнение в виде системы принудительного охлаждения с использованием маленького вентилятора, снятого с компьютерного устройства. Как видите, данный путь влечёт за собой много последствий, которые необходимо будет преодолеть.

Настоящим спасением из данной ситуации стал ШИМ-регулятор, который работает на мощных полевых силовых транзисторах. Они могут коммутировать большие токи (которые достигают 160 Ампер) при напряжении всего в 12-15В на затворе. Следует отметить, что сопротивление у открытого транзистора довольное мало, и благодаря этому можно заметно снизить уровень рассеиваемой мощности. Чтобы создать свой собственный ШИМ-регулятор, понадобится схема управления, которая сможет обеспечить разность напряжения между истоком и затвором в границах 12-15В. Если этого не получится достичь, то сопротивление канала будет сильно увеличиваться и значительно возрастёт рассеиваемая мощность. А это, в свою очередь, может привести к тому, что транзистор перегреется и выйдет из строя.

Выпускается целый ряд микросхем для ШИМ-регуляторов, которые смогут выдержать повышение входного напряжения до уровня 25-30В, при том, что питание будет всего 7-14В. Это позволит включать выходной транзистор в схеме вместе с общим стоком. Это, в свою очередь, необходимо для подключения нагрузки с общим минусом. В качестве примеров можно привести такие образцы: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Большинство нагрузок не потребляет ток больше 10 ампер, поэтому они не могут вызвать просадку напряжения. И как результат - использовать можно и простые схемы без доработки в виде дополнительного узла, который будет повышать напряжение. И именно такие образцы ШИМ-регуляторов и будут рассмотрены в статье. Они могут быть построены на основе несимметрического или ждущего мультивибратора. Стоит поговорить про ШИМ-регулятор оборотов двигателя. Об этом далее.

Схема №1

Эта схема ШИМ-регулятора собиралась на инверторах КМОП-микросхемы. Она является генератором прямоугольных импульсов, который действует на 2-х логических элементах. Благодаря диодам здесь отдельно изменяется постоянная времени разряда и заряда частотозадающего конденсатора. Это позволяет менять скважность, которую имеют выходные импульсы, и как результат - значение эффективного напряжения, которое есть на нагрузке. В данной схеме возможно использование любых инвертирующих КМОП-элементов, а также ИЛИ-НЕ и И. В качестве примеров подойдут К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можно использовать и другие виды, но перед этим придётся хорошо подумать о том, как правильно сгруппировать их входы, чтобы они могли выполнять возложенный функционал. Преимущества схемы - доступность и простота элементов. Недостатки - сложность (практически невозможность) доработки и несовершенство относительно изменения диапазона выходного напряжения.

Схема №2

Обладает лучшими характеристиками, нежели первый образец, но сложнее в выполнении. Может регулировать эффективное напряжение на нагрузке в диапазоне 0-12В, до которого изменяется с начального значения 8-12В. Максимальный ток зависит от типа полевого транзистора и может достигать значительных значений. Учитывая, что выходное напряжение является пропорциональным входному управляющему, данную схему можно использовать как часть системы регулирования (для поддержки уровня температуры).

Причины распространения

Чем привлекает автолюбителей ШИМ-регулятор? Следует отметить стремление к увеличению КПД, когда проводится построение вторичных для электронной аппаратуры. Благодаря данному свойству можно данную технологию найти также при изготовлении компьютерных мониторов, дисплеев в телефонах, ноутбуках, планшетах и подобной техники, а не только в автомобилях. Также следует отметить значительную дешевизну, которой отличается данная технология при своём использовании. Также, если решите не покупать, а собирать ШИМ-регулятор собственноручно, то можно сэкономить деньги при усовершенствовании своего собственного автомобиля.

Заключение

Что ж, вы теперь знаете, что собой представляет ШИМ-регулятор мощности, как он работает, и даже можете сами собрать подобные устройства. Поэтому, если есть желание поэкспериментировать с возможностями своего автомобиля, можно сказать по этому поводу только одно - делайте. Причем можете не просто воспользоваться представленными здесь схемами, но и существенно доработать их при наличии соответствующих знаний и опыта. Но даже если всё не получится с первого раза, то вы сможете получить очень ценную вещь - опыт. Кто знает, где он может в следующий раз пригодиться и насколько важным будет его наличие.

С аналоговым интегральным таймером SE555/NE555 (КР1006), выпускаемым компанией Signetics Corporation с далекого 1971 года прекрасно знакомо большинство советских и зарубежных радиолюбителей. Трудно перечислить, для каких только целей не использовалась эта недорогая, но многофункциональная микросхема за почти полувековой период своего существования. Однако, даже несмотря на быстрое развитие электронной промышленности в последние годы, она по-прежнему продолжает пользоваться популярностью и выпускается в значительных объемах.
Предлагаемая Jericho Uno простенькая схемка автомобильного ШИМ-регулятора – не профессиональная, полностью отлаженная разработка, отличающаяся своей безопасностью и надежностью. Это всего лишь небольшой дешевый эксперимент, собранный на доступных бюджетных деталях и вполне удовлетворяющий минимальным требованиям. Поэтому его разработчик не берет на себя ответственности за все то, что может произойти с вашим оборудованием при эксплуатации смоделированной схемы.

Схема ШИМ регулятор на NE555

Для создания ШИМ-устройства вам понадобится:

• электропаяльник;
• микросхема NE555;
• переменный резистор на 100 кОм;
• резисторы на 47 Ом и 1 кОм по 0,5W;
• конденсатор на 0,1 мкФ;
• два диода 1N4148 (КД522Б).

Пошаговая сборка аналоговой схемы

Построение цепи начинаем с установки перемычек на микросхему. Используя паяльник, замыкаем между собой следующие контакты таймера: 2 и 6, 4 и 8.

Дальше, руководствуясь направлением движения электронов, распаиваем на переменном резисторе «плечи» диодного моста (проход тока в одну сторону). Номиналы диодов подобраны из имеющихся в наличие, недорогих. Можно заменить их любыми другими – это практически не повлияет на работу схемы.

Во избежание короткого замыкания и перегорания микросхемы при выкручивании переменного резистора в крайнее положение, ставим по питанию шунтирующее сопротивление в 1 кОм (контакты 7-8).

Поскольку NE555 выступает в роли генератора пилы, для получения схемы с заданной частотой, длительностью импульса и паузой, осталось подобрать резистор и конденсатор. Неслышных 18 кГц нам даст конденсатор 4,7 нФ, но такое малое значение емкости вызовет перекос плеч при работе микросхемы. Ставим оптимальную в 0,1 мкФ (контакты 1-2).

Избежать противного «пищания» схемы и подтянуть выход к высокому уровню можно чем-то низкоомным, например резистором 47-51 Ом.

Осталось подключить питание и нагрузку. Схема рассчитана на входное напряжение бортовой сети автомобиля 12V постоянного тока, но для наглядной демонстрации вполне запустится и от 9V батареи. Подключаем ее на вход микросхемы, соблюдая полярность (плюс на 8 ножку, минус на 1 ножку).

Осталось разобраться с нагрузкой. Как видно из графика, при понижении переменным резистором выходного напряжения до 6V пила на выходе (ножки 1-3) сохранилась, то есть NE555 в данной схеме и генератор пилы и компаратор одновременно. Ваш таймер работает в а-стабильном режиме и имеет коэффициент заполнения меньше 50%.

Модуль выдерживает 6-9 А проходного постоянного тока, так что при минимальных потерях можно подключить к нему как светодиодную полосу в автомобиле, так и маломощный двигатель, который и дым развеет и лицо в жару обдует. Примерно так:

Или так:

Принцип работы ШИМ регулятора

Работа ШИМ регулятора достаточно проста. Таймер NE555 отслеживает напряжение на емкости С. При ее заряде до достижения максимума (полный заряд) происходит открывание внутреннего транзистора и появлению логического нуля на выходе. Далее емкость разряжается, что приводит к закрытию транзистора и приходу к выходу логической единицы. При полном разряде емкости происходит переключение системы и все повторяется. В момент заряда ток идет по одному плечу, а при разряде – по-другому. Переменным резистором мы меняем соотношение сопротивления плеч, автоматически понижая либо увеличивая напряжение на выходе. В схеме наблюдается частичное отклонение частоты, но в слышимый диапазон она не попадает.

Смотирте видео работы ШИМ регулятора

Введение

Жидкокристаллические (ЖК-, LCD-) мониторы используются в самых разных условиях, поэтому желательно производить дисплеи, позволяющие изменять яркость и подходящие для работы как при свете, так и в темноте. Тогда пользователь сможет настроить экран на комфортный уровень яркости в зависимости от условий его работы и общего освещения.

В технических характеристиках дисплея производители обычно указывают его максимальную яркость, но важно принимать во внимание и более низкие значения яркости, на которых способен работать экран - ведь вы вряд ли захотите использовать его на максимальной яркости. Хотя в спецификациях часто фигурируют значения до 500 кд/м², вам наверняка потребуется использовать экран при яркости, несколько более комфортной для ваших глаз.

Напомним, что в каждом из наших обзоров на сайте tftcentral.co.uk мы проверяем полный диапазон регулирования яркости подсветки и соответствующие значения яркости. При калибровке мы также пытаемся установить яркость экрана на уровне 120 кд/м², который является рекомендуемым для ЖК-монитора при обычных условиях освещённости. Это помогает вам получить представление о том, как установить такой уровень яркости, при котором вы, скорее всего, захотите использовать его ежедневно.

Как в случае подсветки на люминесцентных лампах (CCFL), так и при светодиодной (LED-) подсветке, изменение яркости дисплея достигается уменьшением общей светоотдачи подсветки. В настоящее время для ослабления яркости подсветки наиболее часто применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM), которая уже много лет используется в дисплеях настольных компьютеров и ноутбуков. Тем не менее, этот способ не лишён некоторых проблем, а с появлением дисплеев с высокими уровнями яркости и распространением светодиодной подсветки побочные эффекты ШИМ стали более заметными, чем раньше, и в некоторых случаях ШИМ может быть причиной быстрой утомляемости зрения у чувствительных к ней людей.

Цель этой статьи - не вселить в вас тревогу, а рассказать, как ШИМ работает, почему она используется, и как проверить дисплей, чтобы разглядеть эти эффекты более явно.

Что такое ШИМ?

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - один из способов снижения воспринимаемой яркости в дисплеях, работающий путём быстрого циклического включения и выключения подсветки. Такая периодическая подача импульсов обычно происходит на постоянной частоте, а отношение длительности части каждого цикла, в течение которой подсветка включена, к общей длительности цикла называется коэффициентом заполнения (величина, обратная скважности). Изменением скважности достигается изменение общей светоотдачи подсветки. На зрительном уровне этот механизм работает благодаря тому, что чередование включённого и выключенного состояний подсветки происходит достаточно быстро, и пользователь не замечает мерцания, поскольку оно находится за пределами порога слияния мельканий (подробнее об этом ниже).

Ниже вы можете видеть графики светоотдачи подсветки на протяжении нескольких циклов с использованием «идеальной» ШИМ. Максимальная светоотдача подсветки в этом примере составляет 100 кд/м², а воспринимаемая яркость для коэффициентов заполнения 90%, 50% и 10% - 90, 50 и 10 кд/м² соответственно. Соотношение между минимальным и максимальным уровнями яркости в течение одного цикла называется глубиной модуляции и в данном случае составляет 100%. Обратите внимание, что на протяжении цикла в приведённом примере яркость подсветки максимальна.

Коэфф. заполнения 90% Коэфф. заполнения 50% Коэфф. заполнения 10%

Аналоговые (без использования ШИМ) графики, соответствующие воспринимаемым уровням яркости, представлены ниже. Здесь модуляция отсутствует.

Постоянная яркость 90% Постоянная яркость 50% Постоянная яркость 10%

Почему применяется ШИМ

Основными причинами применения ШИМ являются лёгкость её реализации, для которой от подсветки нужна лишь способность часто включаться и выключаться, а также обеспечиваемый с её помощью широкий диапазон возможных значений яркости.

Снизить яркость CCFL-подсветки можно путём снижения тока, протекающего через лампу, но лишь примерно вдвое ввиду их строгих требований к току и напряжению. Это делает ШИМ единственным простым способом достижения широкого диапазона регулирования яркости. CCFL-лампа обычно управляется инвертором, включающимся и выключающимся с частотой в десятки килогерц, что находится за пределами мерцания, заметного для человека. Однако ШИМ обычно работает на гораздо более низкой частоте, около 175 Гц, что может приводить к заметным дефектам изображения.

Яркость светодиодной подсветки можно регулировать в широких пределах путём изменения проходящего через них тока, правда в результате несколько изменяется цветовая температура. Этот аналоговый подход к изменения яркости светодиодов также нежелателен ввиду того, что вспомогательные цепи обязаны учитывать тепло, выделяемое светодиодами. Светодиоды во включённом состоянии нагреваются, что уменьшает их сопротивление и дополнительно увеличивает протекающий через них ток. Это может привести к быстрому росту тока в сверхъярких светодиодах и послужить причиной выхода их из строя. При использовании ШИМ ток можно принудительно удерживать на постоянном уровне в течение рабочего цикла, в результате чего цветовая температура всегда одинакова и перегрузок по току не возникает.

Побочные эффекты ШИМ

Несмотря на привлекательность ШИМ для производителей ввиду обозначенных выше причин, при неосторожном использовании она может также приводить к неприятным визуальным эффектам. Чтобы понять, что мы видим, нам необходимо рассмотреть мерцание настоящих дисплеев. Ниже показана видеозапись CCFL-подсветки, замедленная в 40 раз, благодаря чему мерцание можно увидеть более отчётливо. Графики изменения яркости RGB-компонентов в течение одного цикла показаны непосредственно под ней. Данный конкретный дисплей настроен на его минимальную яркость, при которой мерцание должно быть выражено наиболее ярко.

Как видно из видео и соответствующих графиков, в течение одного цикла общая яркость изменяется примерно в 4 раза. Что интересно, цвет подсветки тоже значительно изменяется в течение каждого цикла. Скорее всего, это связано с тем, что люминофоры в CCFL имеют различающееся время отклика, и в этом случае мы можем сделать вывод, что люминофор, задействованный при продуцировании синего света, может включаться и выключаться быстрее, чем для других цветов. Применение люминофоров также означает, что подсветка продолжит излучать свет в течение нескольких миллисекунд после отключения подсветки в конце рабочего цикла и обеспечивает более постоянный уровень свечения (меньшую модуляцию), чем имели бы место в противном случае. Обратите внимание, что усреднённый во времени цвет остаётся неизменным.

Мерцание светодиодной подсветки обычно гораздо заметнее, чем мерцание CCFL-подсветки при той же скважности, поскольку светодиоды способны включаться и выключаться гораздо быстрее и при этом не продолжают светиться после отключения питания. Это означает, что там, где CCFL-подсветка показывала достаточно плавное колебание яркости, светодиодная версия демонстрирует более резкие переходы между включённым и выключенным состояниями. Именно поэтому совсем недавно тему ШИМ стали поднимать в интернете и в обзорах на фоне появления всё большего и большего количества дисплеев со светодиодной подсветкой на основе белых светодиодов (W-LED). Как можно видеть ниже, существенного изменения цвета подсветки в течение рабочего цикла не происходит.

Особенно заметен эффект мерцания, когда глаза пользователя двигаются. При постоянном освещении без мерцания (например, при солнечном свете) изображение плавно размывается, и именно так мы обычно воспринимаем движение. Однако при сочетании с источником света, использующим ШИМ, человек может увидеть одновременно несколько раздельных остаточных изображений экрана, что может привести к снижению удобочитаемости и способности фиксировать взгляд на объектах. Из предыдущего анализа CCFL-подсветки мы знаем, что может также искажаться цвет, даже если исходное изображение чёрно-белое. Ниже показаны примеры того, как может выглядеть текст по мере горизонтального движения глаз при использовании подсветки разных типов.

Исходное изображение Без ШИМ ШИМ при CCFL-подсветке ШИМ при LED-подсветке

Важно помнить, что это обусловлено исключительно подсветкой, и дисплей как таковой отображает статичное изображение. Часто говорят, что человек не способен воспринимать более 24 кадров в секунду (fps), что не является правдой и в действительности лишь соответствует приблизительной частоте кадров, необходимой для восприятия непрерывного движения. На самом деле при движении глаз (например, при чтении) реально увидеть эффекты мерцания на нескольких сотнях герц. У разных людей способность замечать мерцание значительно различается и даже зависит от расположения пользователя относительно дисплея, поскольку периферическое зрение является наиболее чувствительным.

Так насколько же часто включается и выключается подсветка при использовании ШИМ? По-видимому, это зависит от типа используемой подсветки. Подсветка на основе люминесцентных ламп почти всегда переключается с частотой 175 Гц, или 175 раз в секунду. Частота мерцания светодиодной подсветки, по разным сведениям, составляет от 90 Гц до 420 Гц, и при более низких частотах мерцание гораздо заметнее. Может показаться, что частота слишком высокая, чтобы быть заметной, но не забывайте, что 175 Гц - это ненамного чаще, чем мерцание 100-120 Гц, характерное для ламп освещения, подключённых напрямую к электросети.

В действительности частота 100-120 Гц мерцания люминесцентных ламп была связана с такими симптомами, как перенапряжение глаз и головная боль у части людей. Именно поэтому были разработаны высокочастотные стабилизирующие цепи, обеспечивающие почти непрерывную светоотдачу. Использование ШИМ на низких частотах сводит на нет преимущества использования этих улучшенных стабилизирующих цепей в подсветке, поскольку источник почти непрерывного света в этом случае снова превращается в мерцающий. Дополнительно следует учитывать, что низкокачественные или бракованные стабилизаторы в подсветке на основе люминесцентных ламп могут издавать слышимый шум. Зачастую это происходит при использовании ШИМ, поскольку электроника в настоящее время имеет дело с дополнительной частотой, с которой изменяется энергопотребление.

Важно также понимать разницу между мерцанием дисплеев на основе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ, CRT) и TFT-дисплеев с CCFL- и LED-подсветкой. В то время как ЭЛТ может мерцать на низкой частоте 60 Гц, лишь узкая полоса освещена в каждый отдельно взятый момент времени, поскольку луч электронной пушки движется сверху вниз. При использовании TFT-дисплеев с CCFL- и LED-подсветкой вся поверхность экрана светится одновременно, что означает гораздо большее количество света, излучённого за короткое время. В некоторых случаях это может быть более неприятно, чем мерцание ЭЛТ, особенно при высокой скважности.

Для некоторых людей мерцание как таковое в подсветке дисплеев может быть трудноуловимым и малозаметным, но для других - является весьма заметным в силу естественных различий в человеческом зрении. С ростом использования светодиодов высокой яркости, для управления яркостью приходится всё больше использовать высокую скважность ШИМ, что делает проблему мерцания более актуальной. Учитывая что пользователи ежедневно проводят многие часы, смотря на свои мониторы, не следует ли нам рассмотреть долгосрочные последствия как воспринимаемого, так и незаметного мерцания?

Ослабление побочных эффектов ШИМ

Если для вас ШИМ-мерцание подсветки неприятно или вы просто хотите проверить, станет ли легче читать, если мерцание уменьшить, я рекомендовал бы вам попробовать следующее. Установите яркость вашего монитора на максимум и отключите все механизмы автоматической подстройки яркости. Теперь уменьшите яркость до нормального уровня (обычно с помощью ползунка контрастности) с помощью цветокоррекции, доступной в драйверах вашей видеокарты, или с помощью устройства калибровки. Это уменьшит яркость и контрастность вашего монитора, при этом подсветка будет включена в течение максимально продолжительного времени на протяжении ШИМ-циклов. Хотя из-за уменьшенной контрастности этот способ в качестве долгосрочного решения многим не подойдёт, эта техника может помочь определить степень положительного влияния уменьшения использования ШИМ.

Гораздо лучшим методом, конечно, было бы приобрести дисплей, не использующий ШИМ для управления яркостью или хотя бы использующий гораздо более высокую частоту ШИМ. К сожалению, похоже, ни один из производителей пока не реализовал ШИМ, работающую на частотах, которые находились бы за пределами воспринимаемых зрительных дефектов (вероятно, значительно выше 500 Гц для CCFL и выше 2 КГц для светодиодов). Кроме того, в некоторых дисплеев, в которых применяется ШИМ, коэффициент заполнения не равен 100% даже на полной яркости, в результате чего они мерцают в любом случае. Возможно, в некоторых из доступных сейчас дисплеев со светодиодной подсветкой ШИМ не используется, но до тех пор, пока частоту подсветки и модуляцию не станут указывать в технических характеристиках, каждый конкретный дисплей необходимо проверять лично.

Проверка и анализ

Было бы здорово, если бы существовал простой способ измерения ШИМ-частоты подсветки, и, к счастью, для этого достаточно фотоаппарата с возможностью ручной настройки выдержки. Как именно использовать этот способ, описано далее.

Съёмка:

1. Установите на мониторе настройки, которые вы хотите проверить.
2. (Необязательно) Установите баланс белого на фотоаппарате при отображении на экране только белого цвета. Если это невозможно, установите баланс белого вручную примерно на уровне 6000 K.
3. Выведите на монитор узкую белую вертикальную полосу на чёрном фоне (толщины 1-3 точки будет достаточно). Должно быть видно только это изображение.
4. Установите выдержку на фотоаппарате в значение из промежутка от 1/2 до 1/25 секунды. Для получения достаточного для съёмки количества света вам может потребоваться установить ISO-чувствительность и диафрагму. Убедитесь, что полоса располагается на фокусном расстоянии (при необходимости зафиксируйте его).
5. Удерживайте камеру на расстоянии примерно 60 см от монитора и перпендикулярно ему. Нажмите кнопку спуска затвора во время медленного горизонтального перемещения камеры относительно экрана (при движении сохраняйте их взаимно перпендикулярное положение). Вам может потребоваться поэкспериментировать с перемещением фотоаппарата на разных скоростях.

Обработка:

1. Подстройте яркость полученного изображения так, чтобы был хорошо различим узор.
2. Подсчитайте количество циклов, запечатлённых на изображении.
3. Разделите это число на величину выдержки. Например, если вы используете выдержку 1/25 секунды и насчитали 7 циклов, количество циклов в секунду составит 25 * 7 = 175 Гц. Это частота мерцания подсветки.

Проверочное изображение Фотография Вырезанный полезный фрагмент

Смысл данной техники в том, что, перемещая фотоаппарат во время съёмки, мы превращаем временной эффект в пространственный. Единственным существенным источником света при съёмке является узка полоса на экране, которая попадает на светочувствительную матрицу в виде следующих друг за другом столбцов. Если подсветка мерцает, разные столбцы будут иметь разные значения яркости или цвета, определяемые подсветкой в конкретный момент съёмки.

Типичной проблемой при первых попытках использования этой техники является слишком тёмное изображение. Улучшить ситуацию в этом плане может использование большей диафрагмы фотоаппарата (более низкое значение f/число) или увеличение ISO-чувствительности. Выдержка на эскпозицию влияния не оказывает, поскольку мы используем её только для управления общей продолжительностью съёмки. Яркость изображения можно также подстроить путём изменения скорости перемещения фотоаппарата: более высокая скорость обеспечит более тёмное изображение при более высоком разрешении по времени, а следствием более низкой скорости будет более яркое изображение при более низком разрешении.

Другая встречающаяся проблема - неравные расстояния между отдельными полосами на результирующем изображении вследствие изменения скорости перемещения фотоаппарата во время съёмки. Для достижения постоянства скорости начинайте перемещение фотоаппарата за некоторое время до начала съёмки, а заканчивайте - через некоторое время после её окончания.

Изображение, выглядящее слишком ровно, может быть следствием расфокусированности. В некоторых случаях с этим можно справиться путём половинного нажатия кнопки спуска затвора для наведения фокуса и дальнейшего продолжения в обычном режиме.

В зависимости от конкретного монитора могут наблюдаться дополнительные эффекты. Подсветка на основе CCFL часто демонстрирует разные цвета в начале и конце каждого цикла, что означает, что используемые люминофоры реагируют с разной скоростью. Подсветка на основе светодиодов часто использует более высокую частоту, чем CCFL-подсветка, и, чтобы увидеть циклы, может потребоваться перемещать фотоаппарат быстрее. Тёмные полосы между циклами означают, что скважность ШИМ была увеличена в такой степени, что во время этой части цикла свет не излучается.

Dell 2007WFP (CCFL)

Яркость = 100 Яркость = 50 Яркость = 0

Используя выдержку 1/25 секунды, мы можем ясно увидеть 7 циклов, из чего следует, что подсветка мерцает на частоте 175 Гц. Даже на полной яркости есть небольшое мерцание, хотя оно, скорее всего, достаточно мало, чтобы быть незаметным. На половинной яркости появляется небольшое мерцание, а при достижении минимальной яркости появляется гораздо более заметное мерцание наряду с цветовым сдвигом.

NEC EA231WMi (CCFL)

Яркость = 100 Яркость = 50 Яркость = 0

На полной яркости видимое мерцание отсутствует. На половинной яркости становятся видны мерцание и цветовой сдвиг. При минимальной яркости наблюдаются более сильное мерцание и значительный цветовой сдвиг. При выдержке 1/25 секунды видно около 8 циклов, что соответствует частоте примерно 200 Гц. При более длительной выдержке получено более точное значение частоты - 210 Гц.

Samsung LN40B550 Television (CCFL)

Яркость = Max Яркость = Min

Отключить автоматическую подстройку яркости нет возможности, поэтому показаны максимальный и минимальный уровни яркости, которых можно легко достичь. На полной яркости видимое мерцание отсутствует. На минимальной яркости есть сильное мерцание и цветовой сдвиг, за счёт которого видно разделение на жёлтую и синюю составляющие. При выдержке 1/25 секунды видны лишь 6 циклов, из чего следует, что подсветка мерцает на частоте 150 Гц.

2009 Apple MacBook (LED)

Яркость = 100 Яркость = 50 Яркость = 0

При использовании выдержки 1/25 секунды видимые мерцание и цветовой сдвиг отсутствуют вне зависимости от яркости. Этот дисплей не использует ШИМ. Причиной бороздчатости является зашумлённость изображения.

2008 Apple MacBook Pro (LED)

Яркость = 100 Яркость = 50 Яркость = 0

При выдержке 1/25 секунды наблюдается небольшое мерцание на полной яркости. При яркости 50 и 0 используется очень высокая скважность, дающая сильное мерцание. В этой светодиодной подсветке используется более высокая частота - 420 Гц, но она всё же слишком низка, чтобы устранить эффект мерцания. Видимый цветовой сдвиг в течение циклов отсутствует.

Заключение

Как мы отметили вначале, эта статья написана не для того, чтобы отпугнуть людей от современных ЖК-дисплеев, а для того, чтобы помочь людям узнать о потенциальной проблеме, связанной с ШИМ. С учётом растущей популярности мониторов с подсветкой на основе белых светодиводов (W-LED) довольно вероятно появление большего количества жалоб пользователей по сравнению с более старыми дисплеями, и связано это с использованием ШИМ-метода и, в конечном итоге, с выбранным типом подсветки. Конечно, проблемы, к которым может привести использование ШИМ, заметны не каждому, и в действительности я ожидаю, что людей, которые никогда не испытают описанных симптомов, гораздо больше, чем тех, кто испытает. Для тех, кто страдает от побочных эффектов, включая головные боли и перенапряжение глаз, теперь есть хотя бы объяснение.

Учитывая, что такая технология, как ШИМ, используется давно и успешно, а также многие годы её использования в CCFL-дисплеях, я, откровенно говоря, сомневаюсь, что в ближайшее время в этом плане что-то изменится, даже при усиливающемся переходе к светодиодной подсветке. ШИМ по-прежнему является надёжным способом управления интенсивностью подсветки и, следовательно, предлагает возможности регулирования яркости, необходимые каждому пользователю.

Тем, кто беспокоится о побочных эффектах или имеет проблемы с предыдущими дисплеями, следует попробовать определить частоту ШИМ в их новом дисплее и, возможно, даже попробовать найти экран, в котором ШИМ для управления яркостью подсветки не используется вообще. К сожалению, нам ещё предстоить увидеть, как производители станут указывать какие-либо технические характеристики, касающиеся использование ШИМ, или её частоту при определённых уровнях яркости, поэтому сейчас об этом судить трудно.

Установка максимальной яркости экрана является одним из возможных методов, помогающих уменьшить побочные эффекты благодаря меньшей скважности. Это решение, конечно, не идеально, поскольку многие дисплеи имеют очень высокий заводской или максимальный уровень яркости, но это что-то, что может помочь. Управление яркостью на программном уровне или средствами драйвера видеокарты может помочь вернуть более комфортную яркость, но может привести к снижению контрастности.