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):

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.

Все LCD являются пассивными устройствами отображения информации и для того, чтобы сформированное изображение попадало в глаз человека его необходимо освещать, в простейшем случае естественным внешним светом. В отсутствие внешнего освещения, или при недостаточном естественном освещении, может быть использован искусственный источник света и, в связи с этим, большинство современных LCD работают в одном из трех режимов отображения (см. Рис.1 а, б, в): в режиме полного отражения, при котором внешний свет отражается от рефлектора, расположенного сзади дисплея (а); в режиме полуотражения, при котором рефлектор отражает внешний свет, но способен пропускать свет от источника света, расположенного позади него (б); и в режиме подсвечивания, при котором рефлектор, отражающий внешний свет, отсутствует и для подсветки изображения используется специальный источник света (в).

а) Рефлектор, объединенный с задним поляризатором, отражает внешний свет. Потребление минимально

б) Полупрозрачный рефлектор, объединенный с задним поляризатором, отражает свет, поступающий с лицевой стороны LCD, но позволяет проходить свету подсветки с задней стороны отражателя. Отключение подсветки при хороших условиях освещенности, способствует сокращению потребления.

в) Нет ни отражающего ни полуотражающего рефлектора - необходима только подсветка. Чаще всего используется с негативными изображениями

Рис. 1. Режимы отображения LCD

Прием, при котором используется специальный источник света получил название "подсветка" (backlight). Для реализации подсветки используется несколько технологий:

Электролюминесцентная (EL) подсветка

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

Рис. 2. Конструктив электролюминесцентной подсветки

Она обеспечивает получение различных цветов, в том числе и белого, чаще всего используемого в LCD. Потребление при электролюминесцентной подсветке относительно мало, однако для ее организации необходимо организовать переменное напряжение в диапазоне от 80 до 100 В c типовой частотой порядка 400 Гц. Такое напряжение организуется специальными преобразователями, преобразующими напряжение постоянного тока 5, 12 или 24 В в необходимое высокое переменное напряжение. 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 тысяч часов и зависит от установленной яркости свечения (См. Рис 3.).

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

Отличительные особенности электролюминесцентной (EL) подсветки:

• Плоский источник света, максимальная толщина 1,3 мм (максимум 1,5 мм с учетом выводов), обеспечивает технологически простую и равномерную подсветку большой площади
• Широкий диапазон напряжений питания, от 60 до 1000 Гц переменного тока с максимальным напряжением 150 В. 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: напряжение питания 110 В с частотой 400 Гц, потребление 8 мА (при Ta = 20°C, и относительной влажности 60%).
• Диапазон рабочих температур: от 0°C до 50°C, диапазон температур хранения: от -20°C до 60°C

Светодиодная (LED) подсветка

Светодиодная подсветка обеспечивает самый большой срок службы - минимум 50 тысяч часов, и яркость большую, чем у EL подсветки. Подсветка организуется твердотельными приборами и, следовательно, может работать непосредственно от источника с напряжением 5 В - без использования преобразователей, однако для защиты LED (для ограничения тока) рекомендуется устанавливать ограничивающие резисторы. Цепочка светоизлучающих диодов располагается вдоль боковых поверхностей дисплея (б), или в виде матрицы под диффузором (рассеивателем) (а) и обеспечивает яркий равномерный подсвет (См. Рис. 4 а, б).

а) Матричная подсветка. Использование матричной подсветки позволяет обеспечить равномерную подсветку дисплеев больших размеров

б) Боковая подсветка. Сочетание LED и световода (Light Guide) позволяет реализовать невысокий конструктив подсветки

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 при боковой подсветке уже образуется более темная, чем на краях, область. Для устранения этого недостатка некоторые фирмы применят специальные меры, например, организуют дополнительную подсветку сверху.

Матричная LED подсветка обеспечивает более яркий и равномерный свет. При разработке такой подсветки определяющим является потребление. Не рекомендуется использовать их в применениях с батарейным питанием, в которых необходимо иметь постоянно включенную подсветку.

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

Светодиодная подсветка может быть различного цвета, в том числе и белая, но чаще всего, в настоящее время, используется желто-зеленая подсветка. Хотя потребление LED больше, чем у EL, светоизлучение LED подсветки выше. Возможно управление яркостью свечения посредством потенциометра или ШИМ регулятора.

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

Отличительные особенности светодиодной (LED) подсветки:

• Низкое напряжение питания, нет необходимости использовать специальные преобразователи.
• Длительный жизненный цикл: свыше 100 тысяч часов (в среднем).
• Возможность подсветки красного, зеленого, оранжевого и белого цветов, возможность многоцветной (с переключением) подсветки.
• Возможность организации как боковой, так и матричной подсветки
• Типовое напряжение питания 4,2 В, потребление от 30 до свыше 200 мА, 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 (См. Рис 5а и 5б).

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 невысокой толщины и с меньшим потреблением. CCFL подсветка используется, в первую очередь, в графических LCD и срок службы CFL подсветки выше, чем у EL подсветки - до 10 - 15 тысяч часов.

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

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

• Высокая яркость
• Большая долговечность
• Малое потребление
• Излучение белого цвета
• Прямая и боковая подсветка
• Используется с многоцветными и/или точечно-матричными модулями жидкокристаллических дисплеев

В приведенной ниже таблице отражены сравнительные характеристики трех основных типов подсветки и их основные области применения.

Характеристики флуоресцентными лампы с холодным катодом

Максимальные значения

Электрические характеристики

Оптические характеристики

Общие сведения о жидкокристаллических дисплеях

Жидкокристаллические дисплеи и панели

Жидкокристаллические (LCD) дисплеи обладают таким же светоклапанным принципом действия, как и рассмотренные выше жидкокристаллические индикаторы. Они могут работать либо на отражение, либо на просвет. Жидкие кристаллы можно отнести к одному из трёх видов: смектическим, нематическим или холестерическим.

Смектические жидкие кристаллы формируют слои, в которых молекулы имеют упорядоченное положение.

Нематические жидкие кристаллы обладают хаотичным расположением молекул и непрозрачным для проходящего света дисплеем лишь до тех пор, пока молекулы не будут помещены в электрическое поле. Нематические жидкие кристаллы нашли широкое применение в одноцветных индикаторах и чёрно-белых дисплеях.

Холестерические жидкие кристаллы под воздействием электрического поля формируют слои, в которых молекулы смещены на один и тот же угол в пространстве. Это обстоятельство позволяет при наличии источника белого света получать цветное изображение на экране дисплея. Таким образом, в цветных жидкокристаллических дисплеях применяют холестерические жидкие кристаллы.

По причине того, что жидкие кристаллы не генерируют фотоны, для регистрации изображения необходим внешний источник освещения. Его располагают либо за жидкокристаллическим дисплеем, либо перед ним, и тогда обычно можно полагать, что он работает на просвет, либо сбоку дисплея, и в этом случае иногда допустимо считать, что дисплей работает на отражение. Если по конструктивным соображениям источник света размещён сбоку от дисплея, то благодаря системе зеркал излучение попадает на его рабочую зону.

Электролюминесцентную подсветку жидкокристаллических дисплеев обеспечивают электролюминесцентные лампы (EL), свет которых попадает на полупрозрачный отражатель, а затем на противоположную от стороны обзора пользователем сторону дисплея. Для питания электролюминесцентной лампы необходим источник питания, вырабатывающий переменное напряжение частотой в районе 400 Гц и величиной обычно от 80 В до 100 В. При этом через лампу протекает ток примерно от десятка до нескольких десятков миллиампер. Следовательно, электролюминесцентная подсветка экономична и рекомендована для портативных устройств. Достоинства электролюминесцентной подсветки: равномерное освещение дисплея, высокая долговечность (время эксплуатации не менее 3000 … 5000 часов), толщина конструкции от 1,5 мм, типовой диапазон рабочих температур от 0 до 50 °C. Недостатки: чем выше яркость электролюминесцентных ламп подсветки, тем меньше время их наработки на отказ. А стоимость ламп весьма высока. Для питания электролюминесцентной лампы от низковольтного источника питания, например, аккумулятора или батареи, необходим импульсный преобразователь.

О подсветке комнаты светодиодной лентой, а так же топиками о подсветке системников, столов и прочего.

Понятно, что это не совсем хабратема, но увидев число комментариев к таким публикациям я удивился и решил, что несправедливо обойдена одна интересная, на мой взгляд, технология. Ее называют «холодный неон». Опробовано в нашем интернет-магазине люминофора .

Большинство используют для неяркой подсветки в автомобилях. Интересно смотрятся подсвеченные велосипеды (+ небольшой блок питания от двух батареек – хватает на несколько часов свечения) или кроссовки. Фото не мои. Последнее фото - блок питания на двух пальчиковых батарейках с разъемом для подключения и моток холодного неона (5 метров).


Я использовал эту штуку вместо гирлянды на ноутбуке в офисе. К сожалению, фото не сохранил. Использовал USB-распайку для подключения и 5-метровый кусок провода.

Принцип действия очень прост: токонесущий провод, покрытый люминофором, поверх которого наматываются тонкие контактные проводки. При прохождении тока по проводкам индуцируется слабое магнитное поле, которое приводит к эффекту электролюминесценции.

Сам люминофор обычно имеет желто-зеленое свечение, поэтому для разнообразия цветов все это сверху покрывается «прозрачно-цветной» ПВХ-трубкой.

Чем это интересно:

• крайне низкое энергопотребление (10-15 Вт/м в зависимости от толщины). Толщина обычно от 0,8 до 5 мм
• можно использовать в помещениях с большой влажностью
• можно найти любой длины - продается в катушках
• практически не нагревается при длительном свечении
• есть не только провода, но и ленты и даже панели

Подключить очень просто даже к USB или батарейкам. Единственное, что люминофор, которым покрыт провод, при неосторожном обращении может треснуть, поэтому перегибать провод нельзя. Но даже в этом случае он продолжит работать (в поврежденном месте просто появится темное пятно).

Паять холодный неон просто, а вот очистить его так, чтобы не оторвать тонкие контактные проводки с первого раза у меня не получилось.

P.S. У меня в загашнике осталось несколько отрезков холодного неона с различными вариантами подключения – USB, батарейки и модуль для авто.

UPD: у меня есть еще несколько материалов, которые связаны с люминофорами и их применением. Если сообществу интересна эта тема, я подготовлю статьи к специфике Хабра. Жду комментариев.

Применение EL-панелей

Безопасность

Световые ленты очень легко использовать для подсветки лестниц, перил, а также любых поверхностей для обозначения выхода. Особенность электролюминесцентного свечения такова, что свет виден даже сквозь туман или дым, поэтому при аварийной ситуации легко найти выход, например из задымленного помещения при пожаре. В то же время, используя низкое потребление светобумаги, можно сделать автономный источник света так, что лента будет светиться даже при полном отключении электроэнергии.

Указатели и вывески

С помощью светобумаги можно создавать указатели и знаки, вывески и таблички с логотипом компании. Светобумага может заменить неоновые вывески, в особенности световые короба, где применение светобумаги сильно уменьшает толщину коробов, которые обычно не меньше 40мм. Толщина светобумаги всего 0.5 мм, при такой толщине ее вес на единицу площади очень мал, что позволяет сократить не только габариты вывесок на ней, но и уменьшить общий вес, что позволяет упростить установку таких вывесок и сделать более безопасным их использование.

Архитектура

Одним из интересных направлений использования светобумаги является архитектурная подсветка. Это может быть как подсветка фонтанов (ламинированная светобумага надежна защищена от влаги) и фасадов зданий, так и подсветка интерьера внутри помещения.

Автомобиль

Гибкость и надежность светобумаги позволяют ее использование в сложных дорожных условиях, при большой влажности и в широком диапазоне температур, а это значит, можно изменить световой стиль Вашего автомобиля как внутри салона, так и снаружи. Эффектно смотрится подсветка дороги под днищем автомобиля, а также световые полосы на дверях автомобиля при движении. Для использования светобумаги в автомобиле мы комплектуем светобумагу специальным блоком питания на 12 Вольт.