lcd контроллер что это

Управление дисплеями: микроконтроллеры STM8L со встроенным ЖКИ-интерфейсом

Несмотря на широкое распространение современных цветных дисплеев, существует большое количество приборов, в которых использование черно-белых ЖК-индикаторов остается весьма востребованными. Для таких приложений, как правило, наиболее важно получить малое потребление и низкую стоимость. В данной статье оценивается перспективность совместного использования ЖК-индикаторов и микроконтроллеров STM8L производства STMicroelectronics с интегрированным ЖК-контроллером для создания малопотребляющих и недорогих устройств.

Современная электроника обладает огромным количеством средств отображения информации: от элементарных светодиодов до сложных TFT-панелей. Казалось бы, время монохромных ЖК-индикаторов (ЖКИ) осталось в прошлом, но это далеко не так. Существует большое количество приложений, в которых ЖКИ остаются востребованными. Микроконтроллеры малопотребляющего семейства STM8L со встроенным драйвером ЖКИ (модуль LCD) позволяют реализовать все преимущества данного типа дисплеев.

Области применения черно-белых ЖК-индикаторов

Для того, чтобы было понятно, почему черно-белые ЖКИ удерживают свои позиции, необходимо подчеркнуть их главные конкурентные преимущества: низкую потребляемую мощность, низкую стоимость, высокую наглядность.

Черно-белые ЖК-дисплеи, использующие отраженный свет, имеют минимальное потребление. По сути, это потребление определяется только динамическими потерями при перезаряде емкости ЖК-ячеек. Чем ниже частота работы экрана, тем меньше потребление.

Вопрос низкой стоимости может быть не таким очевидным с первого взгляда. Но если иметь в виду стандартные ЖК-дисплеи без встроенного контроллера или заказные дисплеи, выпускаемые большими партиями, то стоимость экрана будет весьма низкой (менее 1 доллара).

Под высокой наглядностью следует понимать следующее: в специализированных и заказных ЖК-дисплеях сегменты индикации выполнены в виде графических изображений. Ярким примером могут стать экраны тонометров. Помимо цифр, на нем будут содержаться специализированные значки («сердце» в качестве индикатора режима измерения частоты сердечных сокращений, индикатор заряда батареи, надписи). Такие изображения интуитивно понятны пользователю, а это весьма важно. Очевидно, что создание аналогичных светодиодных индикаторов возможно, но затруднено из-за ряда технологических причин.

Несложно определить те приложения, в которых позиции черно-белых ЖК-дисплеев остаются весьма уверенными.

Важно понимать, что не только ЖК-дисплей определяет стоимость и экономичность конечного изделия. Для управления ЖК-дисплеем требуется специальный контроллер и управляющий микроконтроллер. Если они будут выбраны неудачно, то все преимущества ЖКИ не будут иметь никакого значения.

Данная статья посвящена совместному использованию микроконтроллеров STM8L и ЖК-индикаторов. Почему именно STM8L? Эти контроллеры имеют интегрированный ЖК-контроллер (модуль LCD), весьма низкое потребление и стоимость. То есть именно те качества, которые помогают дополнительно подчеркнуть преимущества ЖКИ. Кроме того, используя STM8L, мы получаем мощный процессор с развитой периферией, доступ к отладочным средствам в виде готовых оценочных наборов и бесплатного программного обеспечения.

Впрочем, чтобы сделать выводы о перспективности совместного использования, необходимо последовательно рассмотреть характеристики ЖКИ, особенности микроконтроллеров STM8L с интегрированным ЖК-контроллером и особенности самого ЖК-контроллера.

Общая характеристика работы ЖК-индикаторов

Рассмотрим структуру монохромной ЖК-ячейки на примере TN (Twisted Nematic) (рисунок 1). Слой «жидких кристаллов» расположен между двумя стеклянными основаниями. На эти основания нанесены прозрачные электроды и поляризационные слои (поляризационные фильтры). На заднем стеклянном основании нанесено зеркальное покрытие.

Рис. 1. Структура ЖК-ячейки

На поверхности стекол формируются направляющие, которые выравнивают молекулы ЖК параллельно поверхности стекла. Пространственно молекулы закручены в спираль (рисунок 2).

Рис. 2. Прохождение света через ЖК-ячейку без внешнего поля (а) и с приложенным полем (б)

На внешней стороне оснований расположены поляризационные фильтры. Направления поляризации верхнего и нижнего фильтров перпендикулярны. Очевидно, что если бы молекулы ЖК отсутствовали, то экран казался бы черным.

При отсутствии внешнего электрического поля ячейка остается прозрачной (рисунок 2а). Действительно, неполяризованный свет, проходя через верхний поляризатор, оказывается поляризованным (например, по оси X). Перемещаясь по спирали из молекул ЖК, за счет отражений свет меняет направление поляризации на 90 градусов. Поэтому он проходит через нижний поляризатор без поглощения.

Таблица 1. Характеристики микроконтроллеров STM8L с модулем LCD

Таблица 2. Контроллеры ЖКИ в микроконтроллерах STM8L различной степени интеграции

Если к такой ячейке при помощи нанесенных электродов приложить внешнее электрическое поле, то молекулы кристалла начнут ориентироваться по полю и винтовая структура оказывается нарушенной. В результате свет будет проходить через слой молекул ЖК без изменения направления поляризации и поглощаться нижним поляризационным фильтром (рисунок 2б). Ячейка будет казаться темной.

Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема ЖК-ячейки

Важным показателем ЖК-экрана является контраст, который определяется разностью в степени прозрачности между светлой и темной ячейками.

Не трудно догадаться, что степень прозрачности ячейки меняется в зависимости от величины приложенного поля (напряжения). Соответственно, управлять прозрачностью можно при помощи ШИМ подаваемого напряжения или изменения амплитуды сигнала.

Есть и еще одна важная особенность. При приложении постоянного напряжения структура кристаллов деградирует. Поэтому необходимо формировать управляющие сигналы таким образом, чтобы избегать постоянной составляющей напряжения. Величина постоянного смещения более 100 мВ недопустима.

Чтобы определить, с какой частотой стоит производить смену полярности, рассмотрим эквивалентную электрическую схему ЖК-ячейки (рисунок 3). Она представляет собой последовательную R-C-цепочку. Сопротивление R ограничивает скорость перезаряда емкости и, соответственно, максимальную частоту сигнала управления. Если амплитуда сигнала будет увеличена, возрастет скорость перезаряда и, как следствие, может быть увеличена частота.

Рис. 4. Схема ЖК с двумя общими выводами и временными диаграммами управляющих сигналов

С другой стороны видно, что такая схема подразумевает только динамическую потребляемую мощность. Соответственно, чем выше рабочая частота, тем выше потребление.

Исходя из вышеизложенного, можно рекомендовать частоту управляющего сигнала в диапазоне 30…100 Гц. При меньших частотах начинает быть заметным мерцание. При высоких частотах растет потребление.

Разобравшись с особенностями отдельных ячеек, рассмотрим особенности управления ЖК-дисплеями, состоящими из множества ячеек.

Существует несколько разновидностей ЖК-дисплеев, отличающихся типом соединения управляющих электродов. В самом простом случае каждый сегмент подключается к общему (COM) и к индивидуальному (SEG) управляющим электродам. Такая схема называется статической без мультиплексирования. Она проста для управления, но имеет один недостаток – количество управляющих выводов велико и равно (N+1), где N – число ячеек.

Для сокращения числа выводов применяют различные схемы матричного соединения. Так для схемы с двумя общими выводами COM потребуется только (N/2)+2 линий управления (рисунок 4). Однако форма сигналов управления будет усложняться с ростом степени мультиплексирования (1/2, 1/3, 1/4, 1/8).

В данном примере (рисунок 4) сегменты S00 и S11 – будут темными, а сегменты S01 и S10 – прозрачными.

Рис. 5. Микроконтроллеры STM8L со встроенным контроллером ЖКИ

Анализ сигналов управления показывает, что имеют место несколько особенностей:

Выводом данного раздела являются требования к ЖК-контроллеру. Он должен формировать необходимые временные интервалы (в том числе для ЖК с несколькими линиями COM), генерировать необходимые уровни напряжений, иметь необходимое число управляющих выводов. Всем этим требованиям удовлетворяет интегрированный модуль LCD-микроконтроллеров STM8L.

Краткий обзор микроконтроллеров STM8L со встроенным контроллером ЖКИ

В состав малопотребляющего семейства STM8L входят четыре линейки микроконтроллеров, имеющих контроллер ЖКИ (модуль LCD) (рисунок 5, таблица 1). В линейке STM8L05 на настоящий момент модуль LCD присутствует только у контроллеров STM8L052C6 и STM8L052R8 (таблица 1).

Линейка STM8L152x – это самая первая линейка семейства STM8L. Она обладает высокой производительностью и богатой периферией:

STM8L162x – производительная линейка, имеющая интегрированный блок криптографии AES, позволяющий зашифровывать и расшифровывать данные по AES-алгоритму.

STM8L052x «Value Line» представляет собой бюджетный вариант исполнения STM8L. Данная линейка предназначена для приложений, где цена и энергопотребление является определяющим фактором. Состав периферии и объем памяти сокращен относительно вышеприведенных линеек. Однако FLASH до 64 Кбайт и ОЗУ до 2 Кбайт, позволяют реализовывать достаточно сложные программы.

Одной из главных особенностей представленных линеек является низкое потребление и наличие интегрированного модуля LCD.

Особенности интегрированного контроллера ЖКИ

Чтобы внести ясность, стоит отметить, что существует несколько разновидностей модулей LCD для микроконтроллеров STM8L разной степени интеграции (таблица 2).

Из таблицы 2 видно, что наиболее развитыми способностями обладают контроллеры ЖКИ микроконтроллеров STM8L152xx/STM8L162xx высокой степени интеграции. Рассмотрим их структуру более подробно (рисунок 6). Она содержит три основных блока: генератор тактовых импульсов, драйверы ЖКИ, блок управления контрастом.

Рис. 6. Структура интегрированного LCD-модуля

Генератор тактовых импульсов. Как видно из названия, основная задача данного блока – формирование тактовых импульсов. Входным сигналом для генератора является тактовый импульс, частота которого равна частоте часов реального времени (RTC), деленной на 2, и должна находиться в рамках диапазона 16,384…500 кГц. Для получения более низких частот используются два делителя. 16-битный делитель с коэффициентом деления 1…65535 и, если требуется плавная подстройка – дополнительный делитель (коэффициент деления – 16…31).

Таблица 3. Режимы пониженного потребления STM8L

Полученный тактовый сигнал fLCD определяет основную частоту фреймов с учетом степени мультиплексирования (duty): fLCD = fLCD x duty. Как отмечалось выше, имеет смысл выбирать частоту из диапазона 30…100 Гц. При более высокой частоте потребление будет значительным, а качество изображения останется неизменным.

Модуль LCD дает возможность организовывать аппаратное мигание, для этого в составе генератора имеется специальный блок формирования частоты мигания 0,5 Гц, 1 Гц, 2 Гц, 4 Гц.

Драйверы ЖКИ. Два драйвера ЖКИ используются для создания сигналов COMn и SEGn. Блок содержит времязадающие цепи, необходимые для формирования требуемых временных интервалов.

Кроме того, блок имеет в своем составе интегрированное ОЗУ, в котором хранится информация о том, какие из пикселей должны быть активны.

Блок управления контрастом. Этот блок играет ключевую роль. Он управляет контрастом, находя компромисс между потребляемой мощностью и значением самого контраста.

Как уже было сказано выше, контраст зависит от напряжения питания VLCD. Формировать это напряжение может как интегрированный преобразователь, так и внешний источник. При использовании интегрированного преобразователя существует возможность программной подстройки значения напряжения VLCD. Для микроконтроллеров средней степени интеграции (таблица 2) диапазон подстройки составляет 2,6…3,3 В. Для микроконтроллеров более высокой степени интеграции диапазон составляет 2,6…3,5 В.

Допустима подстройка контраста при помощи аппаратного формирования «мертвого времени» в управляющих сигналах. В течение «мертвого времени» сигналы COMn и SEGn притянуты к земле, и потребление в этом случае минимально.

Еще одна задача блока – формирование уровней напряжения сигналов управления. Так, например, в режиме со смещением 1/4 необходимо генерировать сигналы пяти уровней напряжения: 0, VLCD /4, VLCD /2, VLCD /4 и VLCD.

Для решения этой задачи реализованы два резистивных делителя (рисунок 7). Один из них – низкоомный, используется для увеличения скорости переключения при перезаряде емкости ЖК ячейки. Как только переключение состоялось, этот делитель может быть отключен, чтобы уменьшить потребление. Включенным остается второй делитель – высокоомный, он поддерживает уровень напряжения в течение оставшейся части фазы импульса.

Со схемотехнической точки зрения внутренний преобразователь идеален для использования, так как имеет широкие возможности по управлению, при этом для него требуется всего один внешний конденсатор.

В качестве вывода к данному разделу назовем преимущества и особенности интегрированного модуля LCD в STM8L:

Рассмотрев особенности STM8L и ЖКИ, можно оценить преимущества их совместного использования с точки зрения снижения потребляемой мощности.

Оптимизация потребляемой мощности при совместном использовании STM8L и ЖКИ

Если цена и интегрированный контроллер являются бесспорным преимуществом системы STM8L + ЖК-дисплей, то вопрос с потреблением необходимо рассмотреть более тщательно. Для этого определим основные пути снижения потребляемой мощности.

Рис. 7. Формирование уровней напряжения
выходных сигналов драйверов

Оптимизация потребления ЖКИ. Как было описано выше, основной для ЖКИ является динамическая мощность потребления. Снизить ее можно несколькими способами. Во-первых, уменьшать частоту обновления пикселей. При этом нижний порог составит около 30 Гц. При дальнейшем снижении частоты будет заметно мерцание. Во-вторых, если параметры ЖКИ позволяют, то можно снизить напряжение питания.

Интегрированный модуль LCD дает дополнительную гибкость при управлении питанием, добавляя еще несколько путей снижения мощности. Во-первых, контроллер ЖКИ позволяет управлять величиной напряжения программно. Во-вторых – появляется возможность использования «мертвого времени» в фазах сигналов управления. В-третьих, контроллер управляет временем использования резистивных задающих делителей (рисунок 4). Уменьшая время использования низкоомного делителя, можно сократить потребление.

Еще раз следует подчеркнуть, что, к сожалению, перечисленные способы имеют недостатки – они приводят к снижению контраста или делают заметным мерцание. Поэтому имеет смысл говорить не о простом снижении потребления, а о нахождении компромисса между потребляемой мощностью и комфортностью индикации для пользователя.

Чрезвычайно важным преимуществом интегрированного модуля ЖКИ является его полная совместимость с режимами пониженного потребления STM8L (таблица 3). Так как модуль LCD тактируется тем же сигналом, что и часы реального времени, управление ЖК-дисплеем возможно во всех режимах, за исключением режима HALT.

Оптимизация мощности потребления STM8L. Микроконтроллеры STM8L могут динамически изменять величину потребляемой мощности и достигать сверхнизкого потребления за счет использования своих возможностей:

Помимо малого потребления, устройства на базе связки ЖКИ + STM8L имеют перспективу быстрой разработки. Это возможно благодаря традиционному для микроконтроллеров производства компании ST Microelectronics наличию оценочных наборов и бесплатного программного обеспечения.

Оценочные наборы и ПО для STM8L

Для того, чтобы быстро освоить STM8L, можно использовать оценочные наборы производства компании ST Microelectronics. Их достаточно много: STM8L-Discovery, STM8L1526-EVAL, STM8L1528-EVAL, STM8L15LPBOARD, STM8L101-EVAL. Главная их особенность – в том, что все они имеют в своем составе ЖК-дисплей и комплект бесплатного ПО. Наборы отличаются типом микроконтроллера, установленной внешней периферией и типом ЖК-дисплея.

Оценочный набор STM8L-Discovery (рисунок 8) отлично подходит как для целей ознакомления с STM8L, так и для освоения работы в связке STM8L + ЖКИ.

Рис. 8. Внешний вид оценочного набора STM8L-Discovery

Набор STM8L-Discovery имеет возможность питания от USB и отличается следующими особенностями:

Каждый из комплектов сопровождается бесплатным ПО stsw-stm8008. Данный набор ПО содержит две папки.

В папке Library находится Стандартная библиотека периферийных устройств STM8L, которая содержит заголовочные файлы (например, stm8l15x_lcd.h – заголовочный файл для модуля LCD) и файлы реализации (например, stm8l15x_lcd.с) для каждого интегрированного периферийного блока. Она позволяет работать с периферией без необходимости тщательного ознакомления с регистрами управления.

Так, вместо того, чтобы помнить, какие биты нужно устанавливать в регистрах для инициализации ЖК-контроллера, достаточно будет использовать функцию LCD_Init (stm8l15x_lcd.с), заполнив все необходимые поля:

LCD_Prescaler_TypeDef LCD_Prescaler, //деление входной частоты 16-битным делителем

LCD_Divider_TypeDef LCD_Divider, //деление входной частоты дополнительной делителем

LCD_Duty_TypeDef LCD_Duty, //определение длительности фрейма

LCD_Bias_TypeDef LCD_Bias, //определение смещения

LCD_VoltageSource_TypeDef LCD_VoltageSource //выбор источника напряжения.

Допустимые значения параметров описаны в stm8l15x_lcd.h. Например, длительность фрейма задается при помощи перечисления LCD_Duty_TypeDef:

Новая линейка микроконтроллеров STM8L05 «Value Line»

Вычислительной мощности микроконтроллера достаточно для решения различного круга задач – набор команд включает 8-битное умножение и 16-битное деление, а общее линейное адресное пространство упрощает написание «быстрого» кода. Потребление тока в режиме останова с работающими часами реального времени составляет не более 1,3 мкА; при работе на низкой тактовой частоте – 5,1 мкА; на максимальной тактовой частоте 16 МГц ядро потребляет менее 5 мА (код выполняется из Flash-памяти с выключенной периферией). Дополнительный узел (PVD) контролирует питание и информирует основную программу о снижении напряжения батареи до предустановленного порога (семь уровней 1,85…3,05 В). Периферия микроконтроллера STM8L051F3P6 имеет практически ту же структуру, что и у линейки STM32, что существенно облегчает последующий переход на 32-битное семейство микроконтроллеров.

Особенности STM8L05x «Value Line»:

Источник

Устройство, описание принципа работы узлов монитора.

Для того чтобы починить ЖК монитор своими руками, необходимо в первую очередь понимать, из каких основных электронных узлов и блоков состоит данное устройство и за что отвечает каждый элемент электронной схемы. Начинающие радиомеханики в начале своей практики считают, что успех в ремонте любого прибора заключается в наличии принципиальной схемы конкретного аппарата. Но на самом деле, это ошибочное мнение и принципиальная схема нужна не всегда.

Итак, вскроем крышку первого попавшегося под руку ЖК монитора и на практике разберёмся в его устройстве.

ЖК монитор. Основные функциональные блоки.

Жидкокристаллический монитор состоит из нескольких функциональных блоков, а именно:

Жидкокристаллическая панель представляет собой завершённое устройство. Сборкой ЖК-панели, как правило, занимается конкретный производитель, который кроме самой жидкокристаллической матрицы встраивает в ЖК-панель люминесцентные лампы подсветки, матовое стекло, поляризационные цветовые фильтры и электронную плату дешифраторов, формирующих из цифровых сигналов RGB напряжения для управления затворами тонкоплёночных транзисторов (TFT).

Рассмотрим состав ЖК-панели компьютерного монитора ACER AL1716. ЖК-панель является завершённым функциональным устройством и, как правило, при ремонте разбирать её не надо, за исключением замены вышедших из строя ламп подсветки.

Маркировка ЖК-панели: CHUNGHWA CLAA170EA

На тыльной стороне ЖК-панели расположена довольно большая печатная плата, к которой от основной платы управления подключен многоконтактный шлейф. Сама печатная плата скрыта под металлической планкой.

ЖК-панель компьютерного монитора Acer AL1716

На печатной плате установлена многовыводная микросхема NT7168F-00010. Данная микросхема подключается к TFT матрице и участвует в формировании изображения на дисплее. От микросхемы NT7168F-00010 отходит множество выводов, которые сформированы в десять шлейфов под обозначением S1-S10. Эти шлейфы довольно тонкие и на вид как бы приклеены к печатной плате, на которой находиться микросхема NT7168F.

Печатная плата ЖК-панели и её элементы

Плату управления по-другому называют основной платой (Main board). На основной плате размещены два микропроцессора. Один из них управляющий 8-битный микроконтроллер SM5964 с ядром типа 8052 и 64 кбайт программируемой Flash-памяти.

Микропроцессор SM5964 выполняет довольно небольшое число функций. К нему подключена кнопочная панель и индикатор работы монитора. Этот процессор управляет включением/выключением монитора, запуском инвертора ламп подсветки. Для сохранения пользовательских настроек к микроконтроллеру по шине I2C подключена микросхема памяти. Обычно, это восьмивыводные микросхемы энергонезависимой памяти серии 24LCxx.

Основная плата (Main board) ЖК-монитора.

Вторым микропроцессором на плате управления является так называемый мониторный скалер (контроллер ЖКИ) TSU16AK. Задач у данной микросхемы много. Она выполняет большинство функций, связанных с преобразованием и обработкой аналогового видеосигнала и подготовке его к подаче на панель ЖКИ.

В отношении жидкокристаллического монитора нужно понимать, что это по своей сути цифровое устройство, в котором всё управление пикселями ЖК-дисплея происходит в цифровом виде. Сигнал, приходящий с видеокарты компьютера является аналоговым и для его корректного отображения на ЖК матрице необходимо произвести множество преобразований. Для этого и предназначен графический контроллер, а по-другому мониторный скалер или контроллер ЖКИ.

В задачи контроллера ЖКИ входят такие как пересчёт (масштабирование) изображения для различных разрешений, формирование экранного меню OSD, обработка аналоговых сигналов RGB и синхроимпульсов. В контроллере аналоговые сигналы RGB преобразуются в цифровые посредством 3-х канальных 8-битных АЦП, которые работают на частоте 80 МГц.

Мониторный скалер TSU16AK взаимодействует с управляющим микроконтроллером SM5964 по цифровой шине. Для работы ЖК-панели графический контроллер формирует сигналы синхронизации, тактовой частоты и сигналы инициализации матрицы.

Микроконтроллер TSU16AK через шлейф связан с микросхемой NT7168F-00010 на плате ЖК-панели.

При неисправностях графического контроллера у монитора, как правило появляются дефекты, связанные с правильным отображением картинки на дисплее (на экране могут появляться полосы и т.п). В некоторых случаях дефект можно устранить пропайкой выводов скалера. Особенно это актуально для мониторов, которые работают круглосуточно в жёстких условиях.

При длительной работе происходит нагрев, что плохо сказывается на качестве пайки. Это может привести к неисправностям. Дефекты, связанные с качеством пайки нередки и встречаются и у других аппаратов, например, DVD плееров. Причиной неисправности служит деградация либо некачественная пайка многовыводных планарных микросхем.

Блок питания и инвертор ламп подсветки.

Наиболее интересным в плане изучения является блок питания монитора, так как назначение элементов и схемотехника легче в понимании. Кроме того, по статистике неисправности блоков питания, особенно импульсных, занимают лидирующие позиции среди всех остальных. Поэтому практические знания устройства, элементной базы и схемотехники блоков питания непременно будут полезны в практике ремонта радиоаппаратуры.

Блок питания ЖК монитора состоит из двух. Первый – это AC/DC адаптер или по-другому сетевой импульсный блок питания (импульсник). Второй – DC/AC инвертор. По сути это два преобразователя. AC/DC адаптер служит для преобразования переменного напряжения сети 220 В в постоянное напряжение небольшой величины. Обычно на выходе импульсного блока питания формируются напряжения от 3,3 до 12 вольт.

Инвертор DC/AC наоборот преобразует постоянное напряжение (DC) в переменное (AC) величиной около 600 — 700 В и частотой около 50 кГц. Переменное напряжение подаётся на электроды люминесцентных ламп, встроенных в ЖК-панель.

Вначале рассмотрим AC/DC адаптер. Большинство импульсных блоков питания строится на базе специализированных микросхем контроллеров (за исключением дешёвых зарядников для мобильного, например).

Так в блоке питания ЖК монитора Acer AL1716 применена микросхема TOP245Y. Документацию (datasheet) по данной микросхеме легко найти из открытых источников.

В документации на микросхему TOP245Y можно найти типовые примеры принципиальных схем блоков питания. Это можно использовать при ремонте блоков питания ЖК мониторов, так как схемы во многом соответствуют типовым, которые указаны в описании микросхемы.

Вот несколько примеров принципиальных схем блоков питания на базе микросхем серии TOP242-249.

В следующей схеме применены сдвоенные диоды с барьером Шоттки (MBR20100). Аналогичные диодные сборки (SRF5-04) применены в рассматриваемом нами блоке монитора Acer AL1716.

Рис 2. Принципиальная схема блока питания на базе микросхемы из серии TOP242-249

Заметим, что приведённые принципиальные схемы являются примерами. Реальные схемы импульсных блоков могут несколько отличаться.

Микросхема TOP245Y представляет собой законченный функциональный прибор, в корпусе которого имеется ШИМ – контроллер и мощный полевой транзистор, который переключается с огромной частотой от десятков до сотен килогерц. Отсюда и название — импульсный блок питания.

Блок питания ЖК монитора (AC/DC адаптер)

Схема работы импульсного блока питания сводится к следующему:

Выпрямление переменного сетевого напряжения 220В.

Эту операцию выполняет диодный мост и фильтрующий конденсатор. После выпрямления на конденсаторе напряжение чуть больше чем сетевое. На фото показан диодный мост, а рядом фильтрующий электролитический конденсатор (82 мкФ 450 В) – синий бочонок.

Преобразование напряжения и его понижение с помощью трансформатора.

Коммутация с частотой в несколько десятков – сотен килогерц постоянного напряжения (>220 B) через обмотку высокочастотного импульсного трансформатора. Эту операцию выполняет микросхема TOP245Y. Импульсный трансформатор выполняет ту же роль, что и трансформатор в обычных сетевых адаптерах, за одним исключением. Работает он на более высоких частотах, во много раз больше, чем 50 герц.

Поэтому для изготовления его обмоток требуется меньшее число витков, а, следовательно, и меди. Но необходим сердечник из феррита, а не из трансформаторной стали как у трансформаторов на 50 герц. Те, кто не знает, что такое трансформатор и зачем он применяется, сперва ознакомьтесь со статьёй про трансформатор.

В результате трансформатор получается очень компактным. Также стоит отметить, что импульсные блоки питания очень экономичны, у них высокий КПД.

Выпрямление пониженного трансформатором переменного напряжения.

Эту функцию выполняют мощные выпрямительные диоды. В данном случае применены диодные сборки с маркировкой SRF5-04.

Для выпрямления токов высокой частоты используют диоды Шоттки и обычные силовые диоды с p-n переходом. Обычные низкочастотные диоды для выпрямления токов высокой частоты менее предпочтительны, но используются для выпрямления больших напряжений (20 – 50 вольт). Это нужно учитывать при замене дефектных диодов.

У диодов Шоттки есть некоторые особенности, которые нужно знать. Во-первых, эти диоды имеют малую ёмкость перехода и способны быстро переключаться – переходить из открытого состояния в закрытое. Это свойство и используется для работы на высоких частотах. Диоды Шоттки имеют малое падения напряжения около 0,2-0,4 вольт, против 0,6 – 0,7 вольт у обычных диодов. Это свойство повышает их КПД.

Есть у диодов с барьером Шоттки и нежелательные свойства, которые затрудняют их более широкое использование в электронике. Они очень чувствительны к превышению обратного напряжения. При превышении обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя.

Обычный же диод переходит в режим обратимого пробоя и может восстановиться после превышения допустимого значения обратного напряжения. Именно это обстоятельство и является ахиллесовой пятой, которое служит причиной выгорания диодов Шоттки в выпрямительных цепях всевозможных импульсных блоках питания. Это стоит учитывать в проведении диагностики и ремонте.

Для устранения опасных для диодов Шоттки всплесков напряжения, образующихся в обмотках трансформатора на фронтах импульсов, применяются так называемые демпфирующие цепи. На схеме обозначена как R15C14 (см.рис.1).

При анализе схемотехники блока питания ЖК монитора Acer AL1716 на печатной плате также обнаружены демпфирующие цепи, состоящие из smd резистора номиналом 10 Ом (R802, R806) и конденсатора (C802, C811). Они защищают диоды Шоттки (D803, D805).

Демпфирующие цепи на плате блока питания

Также стоит отметить, что диоды Шоттки используются в низковольтных цепях с обратным напряжением, ограниченным единицами – несколькими десятками вольт. Поэтому, если требуется получение напряжения в несколько десятков вольт (20-50), то применяются диоды на основе p-n перехода. Это можно заметить, если просмотреть datasheet на микросхему TOP245, где приводятся несколько типовых схем блоков питания с разными выходными напряжениями (3,3 B; 5 В; 12 В; 19 В; 48 В).

Диоды Шоттки чувствительны к перегреву. В связи с этим их, как правило, устанавливают на алюминиевый радиатор для отвода тепла.

Отличить диод на основе p-n перехода от диода на барьере Шоттки можно по условному графическому обозначению на схеме.

Условное обозначение диода с барьером Шоттки.

Условное обозначение диода на основе p-n перехода.

После выпрямительных диодов ставятся электролитические конденсаторы, служащие для сглаживания пульсаций напряжения. Далее с помощью полученных напряжений 12 В; 5 В; 3,3 В запитываются все блоки LCD монитора.

По своему назначению инвертор схож с электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА), которые нашли широкое применение в осветительной технике для питания бытовых осветительных люминесцентных ламп. Но, между ЭПРА и инвертором ЖК монитора есть существенные различия.

Инвертор ЖК монитора, как правило, построен на специализированной микросхеме, что расширяет набор функций и повышает надёжность. Так, например, инвертор ламп подсветки ЖК монитора Acer AL1716 построен на базе ШИМ контроллера OZ9910G. Микросхема контроллера смонтирована на печатной плате планарным монтажом.

Микросхема контроллера OZ9910G

Инвертор преобразует постоянное напряжение, значение которого составляет 12 вольт (зависит от схемотехники) в переменное 600-700 вольт и частотой 50 кГц.

Контроллер инвертора способен изменять яркость люминесцентных ламп. Сигналы для изменения яркости ламп поступают от контроллера ЖКИ. К микросхеме-контроллеру подключены полевые транзисторы или их сборки. В данном случае к контроллеру OZ9910G подключены две сборки комплементарных полевых транзисторов AP4501SD (На корпусе микросхемы указано только 4501S).

Сборка полевых транзисторов AP4501SD и её цоколёвка

Также на плате блока питания установлено два высокочастотных трансформатора, служащих для повышения переменного напряжения и подачи его на электроды люминесцентных ламп. Кроме основных элементов, на плате установлены всевозможные радиоэлементы, служащие для защиты от короткого замыкания и неисправности ламп.

Плата инвертора и её элементы

Информацию по ремонту ЖК мониторов можно найти в специализированных журналах по ремонту. Так, например, в журнале “Ремонт и сервис электронной техники” №1 2005 года (стр.35 – 40), подробно рассмотрено устройство и принципиальная схема LCD-монитора “Rover Scan Optima 153”.

Среди неисправностей мониторов довольно часто встречаются такие, которые легко устранить своими руками за несколько минут. Например, уже упомянутый ЖК монитор Acer AL1716 пришёл на стол ремонта по причине нарушения контакта вывода розетки для подключения сетевого шнура. В результате монитор самопроизвольно выключался.

После разборки ЖК монитора было обнаружено, что на месте плохого контакта образовывалась мощная искра, следы которой легко обнаружить на печатной плате блока питания. Мощная искра образовывалась ещё и потому, что в момент контакта заряжается электролитический конденсатор в фильтре выпрямителя. Причина неисправности — деградация пайки.

Деградация пайки, вызвавщая неисправность монитора

Также стоит заметить, что порой причиной неисправности может служить пробой диодов выпрямительного диодного моста.

Источник