Как работает газоразрядный дисплей
Обновлено: 08.07.2024
В некоторых старых фильмах, и художественных, и документальных, об ученых можно увидеть веселые бегающие по кругу огоньки в различных, как правило довольно больших, приборах. Это работают декатроны, довольно хитроумное изобретение ламповой эпохи.
В наш цифровой век, когда самые простейшие устройства не обходятся без микроконтроллеров (которые зачастую мощнее, чем большие ЭВМ прошлого века) и красивых графических дисплеев, старые решения забываются. Если конечно они не стали "модой на старину". А ведь среди былого есть не мало весьма интересных и хитроумных устройств.
Среди таких почти забытых устройств и герой моего сегодняшнего рассказа - декатрон. Весьма хитрое устройство, которое сочетает в одной электронной лампе и счетчик, и дешифратор, и индикатор. Я не сомневаюсь, что о декатронах многие слышали. А старшее поколение, скорее всего, и изучало их работу. Но вот в реальности с ними сталкивались не очень многие.
Назначение и внешний вид
Основное назначение декатронов счет импульсов. Но поскольку их работа основана на тлеющем разряде в газе, то процесс счета можно наблюдать визуально. То есть, это и счетчик, и индикатор, 2 в 1, как сейчас принято говорить. Кроме того, поскольку счетчик не является двоичным, не требуется использовать дешифратор, декатрон сразу отображает соответствующую цифру. Получается, что уже 3 в 1.
Цвет светящейся точки может быть разным, в зависимости от состава газовой смеси. Типичными цветами были оранжево-красный, синий, и фиолетовый.
Разный цвет свечения был не прихотью изготовителей. От состава газовой смеси зависят характеристики прибора. В том числе, быстродействие. Низкочастотные декатроны обычно заполнены гелий-неоновой смесью, которая и дает оранжево-красное свечение. Гелий-водородные смеси дают сине-фиолетовое свечение и используются в высокочастотных декатронах.
Не смотря на то, что основным назначением является счет импульсов, декатроны делились и по функциональному признаку.
Декатроны для счета и индикации импульсов имели минимальное количество выводов. Их можно было включать последовательно, но коэффициент деления был фиксированный - 10 (дека).
Декатроны для счета и деления частоты отличались тем, что имели дополнительные выводы от некоторых разрядов. Это позволяло задавать коэффициент деления отличный от 10. Их тоже можно было использовать для индикации. Теоретически, можно представить такие декатроны не предназначенными для индикации, только для счета и деления. Это позволяет ощутимо уменьшить их размеры, а для расположенных в глубинах приборов делительных линеек индикация и не нужна. Мне приходилось слышать и таких декатронах без индикации, но живьем я их не встречал.
Коммутационные декатроны просто имели выводы от каждого разряда. И чуть больший допустимый ток. А большое количество выводов определяло и их бОльшие размеры.
Забегая вперед скажу, что можно рассматривать декатрон и как закольцованный сдвиговый регистр. Причем зачастую реверсивный. В таком регистре бегает по кругу единичка, в соответствующую сторону.
Как устроен декатрон
Поскольку декатрон предназначен и для отображения информации, его размеры не могут быть маленькими. В центре декатрона располагается большой дисковый анод, его хорошо видно на иллюстрации выше, в нижнем ряду фотографий. Вокруг анода располагаются катоды, которые тоже видны на фото
Устройство декатрона (двухимпульсного). Показана лишь часть катодов. Иллюстрация моя. Устройство декатрона (двухимпульсного). Показана лишь часть катодов. Иллюстрация моя.Катоды располагаются на одинаковом расстоянии от анода. И расстояния между катодами тоже одинаковы. При этом катоды не равнозначны функционально.
Индикаторный катод, как и следует из названия, используется для отображения текущего состояния декатрона, как счетчика. Именно эти катоды и светятся при отсутствии входных импульсов. Но это не единственное его назначение такого катода. Он фактически является "хранителем состояния" декатрона. Устойчивый разряд, при штатном использовании декатрона, происходит именно на индикаторных катодах.
Подкатоды, они же подготовительные катоды, можно встретить оба термина, предназначены для переноса разряда между индикаторными катодами в процессе счета. Разряд на этих катодах возникает лишь кратковременно, в процессе счета. Количество подкатодов может быть отличным от 2, я просто показал наиболее часто встречающееся количество.
На фото в интернете, для большей красоты, зачастую показано свечение сразу многих катодов. Это эффект длинной выдержки при подаче счетных импульсов. Когда счет закончен, "дисплей" на декатронах выглядит так, как на первом фото в начале статьи.
Все одноименные катоды соединены между собой внутри декатрона и имеют единый вывод. Отдельно выделяют лишь "нулевой катод", который соответствует началу счета.
В декатронах предназначенных для счета и деления частоты отдельные выводы имели некоторые другие катоды. А в коммутаторных декатронах каждый катод имел свой вывод.
Изображение декатрона на схемах. Справа показано альтернативное, но иногда встречающееся обозначение. Иллюстрация моя Изображение декатрона на схемах. Справа показано альтернативное, но иногда встречающееся обозначение. Иллюстрация мояКак хорошо видно, для простого счетно-индикаторного декатрона требуется всего 5 выводов. Причем К это объединенные индикаторные катоды, за исключением нулевого.
Октальный цоколь имеет 8 выводов, что позволяет дополнительно вывести еще три катода. Обычно отдельные выводы имели 3, 5, 9 катоды.
Здесь К это объединенный вывод всех катодов, кроме имеющих собственные выводы. То есть, 1, 2, 4, 6, 7, 8.
Как работает декатрон
Декатрон является газоразрядным прибором. Причем разряд в них тлеющий. Поэтому нам нужно немного вспомнить характеристики разряда в газе.
Для нас важным является тот факт, что напряжение горения разряда меньше, чем напряжение возникновения разряда.
А теперь посмотрим на сильно упрощенную схему включения декатрона. Причем я буду рассматривать двухимпульсные декатроны, как наиболее распространенные.
Чрезвычайно упрощенная схема включения декатрона. Иллюстрация моя Чрезвычайно упрощенная схема включения декатрона. Иллюстрация мояВсе очень похоже на включение обычного газоразрядного индикатора. Здесь +Еа это напряжение питания анодов, а +Uсм это напряжение положительного смещение подкатодов.
И все таки, работает совсем не как обычный индикатор. Что бы понять, как это происходит нужно рассмотреть физику работы декатрона. Для определенности давайте возьмем параметры декатрона ОГ4. Напряжение источника анодного питания (Еа) 450 В. Напряжение зажигания разряда не более 375 В. Напряжение горения разряда 125 В. Напряжение смещения подкатодов 35 В. Ток анода 0,5 мА. Амплитуда управляющих импульсов 150-200 В.
Работа декатрона, перенос разряда между индикаторными катодами. Иллюстрация моя Работа декатрона, перенос разряда между индикаторными катодами. Иллюстрация мояПри подаче питания разряд в декатроне отсутствует. Но поскольку напряжение между анодом и катодами превышает напряжение зажигания, разряд сразу возникает. Причем на одном из индикаторных катодов, так как напряжение между ними и анодом (450 В) выше, чем между подкатодами и анодом (415 В).
На первом рисунке слева я показал "зажженный" индикаторный катод в начальном состоянии декатрона. При этом напряжение на аноде, относительно катодов, снизилось до 125 В, что недостаточно для возникновения разряда на других катодах.
Здесь нужно учесть еще один момент, о котором я ранее не говорил. Вокруг активного катода формируется облако ионизированного газа. Причем плотность этого облака максимальна вблизи катода и быстро снижается при удалении от него. Этот ионизированный газ снижает напряжение возникновения разряда для подкатодов, которые расположены вблизи активного.
На иллюстрации это ПК1 справа и ПК2 слева от "светящегося" индикаторного катода. Теперь напряжение зажигания для них меньше, чем для остальных катодов. И меньше паспортных 375 В.
Если теперь подать отрицательный импульс на ПК1, что показано на втором, слева, рисунке, причем полярность импульса отрицательная, то для этого катода сложатся условия возникновения разряда. Действительно, на аноде у нас +125 В, а мы подаем импульс от -115 до - 165 В (амплитуда импульса с учетом напряжения смещения).
Давайте, для простоты, будем считать, что за счет этого импульса напряжение на всех ПК1 снизилось до -150 В, относительно общего провода. Теперь напряжение между ПК1 и анодом стало равно 275 В.
Этого напряжения недостаточно для возникновения разряда где либо, кроме расположенного справа от нашего индикаторного катода подкатода ПК1. Именно за счет облака ионизированного газа вокруг разряда. И возникает еще один разряд, между анодом и этим (одним единственным) ПК1.
Но теперь у нас есть две области разряда, а значит и ток анода возрастает. А значит, возрастает и падение напряжения на гасящем резисторе в цепи анода. Напряжение разряда между анодом и индикаторным катодом становится меньше 125 В, что приводит к гашению разряда. А вот потенциал нашего ПК1 ниже потенциала индикаторного катода на 150 В. Поэтому разряд на нем продолжается.
Теперь у нас ситуация аналогичная начальной, только вместо индикаторного катода разряд идет на ПК1. Если мы теперь снимем импульс с ПК1 и одновременно подадим такой же отрицательный импульс на ПК2, то область разряда, точно так же, перейдет на ПК2, расположенный справа от нашего ПК1. Больше никуда он перейти не может, так как именно для него облако ионизированного газа снизило напряжение возникновения разряда. Этот момент показан на третьем рисунке, слева.
Осталось снять импульс с ПК2. Теперь единственным катодом, на котором может возникнуть разряд, является индикаторный катод, расположенный справа от нашего ПК2. Опять таки из-за снижения напряжения возникновения разряда за счет облака ионизированного газа. На этом перенос разряда завершен!
В правой части иллюстрации приведены диаграммы напряжений, чрезвычайно упрощенно и идеализированно. Но нам, для общего понимания процесса, этого достаточно.
Итак, декатрон действительно считает импульсы. Даже не смотря на то, все катоды в нем соединены между собой, поименно. По большому счету, если выходной сигнал не нужен, можно даже нулевой катод не выделять отдельно.
Если нам нужен счет в ином направлении, мы можем просто поменять последовательность подачи импульсов. Сначала подавая импульс на ПК2, а потом на ПК1. И декатрон будет считать в противоположном направлении.
На схеме включения я показал, как именно формируется управляющий сигнал на выходе декатронной ячейки. Точно так же формируются управляющие сигналы и для других катодов, если они имеют отдельные выводы.
Не знаю как вам, а мне работа микросхемы К144ИР1 чрезвычайно напоминает работу декатрона. Или наоборот, но декатроны все таки появились раньше.
Заключение
Сегодня декатроны представляют лишь исторический интерес. Но в ламповую эпоху они позволили радикально уменьшить размер аппаратуры. Просто представьте себе размер счетных триггеров на лампах, что бы хоть примерно соответствовать счетчику вроде К155ИЕ2 вместе с дешифратором (пусть и на полупроводниковых диодах) и газоразрядными индикаторными лампами. В сравнении с декатроном размером с 6Н7С. Да, для управления декатроном тоже нужны дополнительные лампы (или тиратроны), но итоговый размер блока будет значительно меньше.
Я не стал в статье касаться сброса декатронов в нулевое состояние. И не стал касаться практических схем, где они применялись. А применялись они отнюдь не только для счета и индикации. На них строились весьма не простые схемы. Это и счетчики частотомеры, и делители частоты, и схемы привода синхронных двигателей, и бесконтактные коммутаторы, и формирователи сетки частот. И многое другое.
ГИП-10000 была разработана Рязанским НИИ “Плазма” в 1977. Дальнейшее её производство, вплоть до развала СССР, осуществлялось на Ровенском заводе “Газотрон”.
Напротив пересечений электродов в диэлектрической маске сделаны отверстия размером 0.6мм с шагом 1мм. В катодных электродах так же сделаны отверстия, которые образуют информационные ячейки (пиксели) панели. При подаче напряжения величиной 240В в этих ячейках возникает тлеющий разряд:
Режим индикации только динамический с построчным (покатодным) сканированием.
ИМГ-1-02
Ко мне эта матрица попала в составе полуфабриката под названием ИМГ-1-02.
Этот дисплей представляет из себя конструкцию в виде “бутерброда” из двух печатных плат. На нижней плате распаян катодный коммутатор, состоящий из дешифратора, сделанного на основе цифровой логики 133 серии, и высоковольтных ключей в виде транзисторных npn-сборок К1НТ661А. К этой же плате припаяна и приклеена непосредственно сама газоразрядная панель ГИП-10000:
На верхней плате распаяны анодные ключи на базе таких же транзисторных сборок, система защиты дисплея от остановки развертки, а также 4 полиэтиленовых шлейфа, служащие для питания и управления дисплеем:
Первая проблема, с которой я столкнулся – на этот дисплей нет нормальной документации. Есть справочный листок с техническими характеристиками и есть рекламка из журнала "Электронная промышленность" за октябрь 1980 года:
Ни распиновки шлейфов, ни принципа управления, ни электрических схем – в сети ничего нет. Конечно, можно было бы попробовать самому составить схему по рисунку дорожек на печатных платах, но бездеструктивно это вряд ли получилось бы сделать.
К счастью, в сети нашелся человек под ником cool.e1337, который поделился со мной распиновкой шлейфов. Огромное человеческое спасибо ему за это.
Распиновка шлейфов ИМГ-1-02
Axxx – входы коллекторов транзисторов анодных ключей
ENxx-xx – входы эмиттеров транзисторов анодных ключей сгруппированных в десятки
X1-X8 – входы дешифратора выбора строк
Разобравшись с распиновкой, первым делом я подключил питание +240В и +5В с целью проверки работоспособности самой газоразрядной панели. На дисплее зажглась первая строка:
Но почему строка зажглась, ведь на входы анодных ключей ничего не подано? А всё дело в том, что каждый анодный ключ у ИМГ-1-02 выполнен на одном NPN-транзисторе:
В момент, когда транзистор закрыт, ток течет через резистор R1 и в этом случае ячейка панели светится. А когда транзистор открыт, то ток течет по цепи R1-R2-кэVT1, и ячейка в этом случае не светится, так как напряжение на выходе ключа составляет около 90В, что значительно ниже напряжения возникновения и поддержания разряда. Энергия при этом рассеивается в тепло на резисторах и транзисторе.
С точки зрения энергоэффективности это не самое удачное схемотехническое решение. Для улучшения ситуации разработчики дисплея, видимо, предлагали использовать входы ENxx-xx и отключать неиспользуемые десятки анодных ключей. Но это неудобно, так как усложняет управление дисплеем. К слову, в изделии ИМГ-1-03 входы ENx просто притянуты земле (GND), разработчики там тоже не заморачивались.
Далее необходимо было убедиться в работоспособности катодного коммутатора. Дешифратор принимает на вход номер строки в двухразрядном двоично-десятичном виде (BCD), X1-X4 соответствуют единицам строк, X5-X8 десяткам. К его входам я подключил микроконтроллер atmega328p, который быстро перебирал строки от 1 до 100, чтобы полностью зажечь всё поле дисплея:
Из-за конструктивных особенностей катодных электродов, у ранних версий ГИП-10000 (с желтой маской) некоторые пиксели кривые:
Это вызвано тем, что газовый разряд возникает не ровно по центру этих ячеек, а немного в стороне:
В более поздних версиях ГИП-10000 (с серой маской) этот дефект устранён:
Подключение к МК
Почему я назвал этот дисплей полуфабрикатом? Потому что ни схемы развертки, ни знакогенератора, ни ОЗУ, ни фреймбуфера, ни высоковольтного преобразователя здесь нет – всё это нужно делать самому. Просто так сходу подключить его к какой-нибудь условной "ардуине" не получится.
Первым делом нужно было решить, как и чем управлять сотней анодных ключей. Ничего лучше, проще и дешевле, чем “паровозик” из 13 сдвиговых регистров 74HC595 я не придумал. Для управления дешифратором я поставил в “паровозик” ещё один регистр.
Вторая проблема – как физически соединить дисплей с микроконтроллером? У дисплея есть 4 гибких шлейфа по 32 контакта с шагом 1.25мм и логично было бы попробовать их использовать, вместо того, чтобы паять лапшу из МГТФ.
Под руку попали два 50-контактных SCSI шлейфа. Как раз то что надо для 100 анодных ключей. Для соединения шлейфов с дисплеем я сделал две небольшие переходные платки:
Регистры 74HC595 распаял на макетных платах МГТФом:
Получилась такая схема:
Таким образом, управление всем дисплеем осуществляется по шине SPI всего лишь по трём проводам (не считая питание). Загружаем 13 байт с графическими данными строки, загружаем 1 байт с номером строки, щёлкаем “защёлкой” – строка отображается на дисплее, переходим к следующей. И так все 100 строк, минимум 60 раз в секунду.
Теперь можно подключить дисплей к МК и что-нибудь отобразить:
Как видно на фотографии, на дисплее светится крайний левый столбец (на самом деле это первая строка, так как дисплей стоит боком), но светится явно он не должен. Почему это происходит?
Если запустить очень медленную развертку, то можно увидеть откуда возникает данный дефект:
Дело в том, что в газоразрядных индикаторах тлеющий разряд возникает не мгновенно после приложения электрического потенциала на электроды, а спустя некоторое время, называемое временем запаздывания развития разряда.
Оно зависит от многих факторов: от состава газа, от площади электродов, от уровня начальной ионизации, от температуры, от уровня внешней освещённости, от величины тока/напряжения и т.п. Для его уменьшения используются различные методы и решения.
Чаще всего это, так называемые keep-alive элементы, т.е. элементы индикации которые горят постоянно, создавая вокруг себя облако ионизированного газа.
В некоторых газоразрядных панелях американского производства эти элементы размещаются возле катодов с которых начинается развёртка и светят на обратную сторону дисплея. А в “Электронике МС6205”, например, постоянно подсвечиваются промежутки между строками.
В ИМГ-1-02 применяется метод в виде форсирующей цепочки (вольтдобавки), включенной в цепь первого катодного электрода:
В момент, когда дешифратор включает первую строку, происходит разрядка конденсатора C1, что приводит к кратковременному выбросу напряжения на катоде величиной -120 В (240-120), относительно “земли”:
Разность потенциалов между анодом и катодом в этом момент составляет 360В (240+120), что и вызывает подсвечивание всей строки.
Для отключения форсирующей цепочки достаточно отпаять один из выводов конденсатора C1, после чего дефект изображения исчезнет.
Bad Apple!!
Разобравшись с выводом графики на дисплей можно попробовать запустить на нём Bad Apple.
Для этого я написал простенькую программку на python, которая последовательно читает кадры из видеоролика, делает необходимые преобразования при помощи OpenCV (resize, threshold, crop), переводит кадр в битовый формат и шлет его построчно-побайтно по UART.
Со стороны МК (atmega328p) тоже очень простая программа, которая в бесконечном цикле постоянно обновляет картинку на дисплее, а в прерывании от UART помещает принятый байт в фреймбуфер. Интересно то, что я не использовал двойную буферизацию – приёмный буфер кадра и буфер отображения один и тот же (так как размер фреймбуфера 1300 байт, а объём SRAM у atmega328p всего 2048 байт). Так, конечно, делать не надо, но тем не менее всё очень хорошо работало.
Но монохромная графика это слишком просто и скучно. Можно попробовать вывести на дисплей что-нибудь более интересное, например Лену в 8 оттенках “серого”:
Тут используется нечто похожее на FRC (frame rate control), т.е. кадр формируется с градациями цветов из нескольких монохромных изображений. Для формирования восьмицветного кадра требуется 3 монохромных изображения.
Наиболее оптимальной является четырехцветная палитра, для которой требуется всего 2 монохромных изображения, которые можно сформировать по следующему алгоритму:
Читаем изображение и преобразуем его палитру в градации серого (256 уровней).
Преобразуем изображение в 4-цветное с палитрой [0,85,170,255]. Для сглаживания рекомендуется применить какой-нибудь алгоритм дизеринга. В принципе, если не использовать дизеринг, то этот шаг можно пропустить.
Снижаем глубину цветности до 2-бит. Для этого целочисленно делим значение цвета каждого пикселя на 64. Получаем изображение с палитрой [0,1,2,3]
Первое монохромное изображение формируется из остатков от деления значения каждого пикселя на 2.
Для второго изображения сначала целочисленно делим значение каждого пикселя на 2, а затем так же формируем из остатков от деления на 2.
Для удобства дальнейшей работы сразу при этом объединяем два изображения в один вертикальный кадр.
Код на python для последних четырёх пунктов:
Теперь при следующих вариантах комбинаций первого и второго изображения на дисплее можно получить 4 оттенка:
При выводе изображения на дисплей, каждая строка второго изображения должна быть включена ⅔ от общего времени горения строки, а каждая строка первого ⅓ времени. За счет персистенции зрения (инерционности) и достигается эффект многоцветности.
Чтобы было понятнее, вот небольшая гифка иллюстрирующая в упрощённом виде происходящее. Слева – то, что происходит на дисплее в очень замедленном виде, справа – то что в итоге видит глаз:
Возможно возникнет логичный вопрос – почему бы просто не выводить в нужном порядке каждое монохромное изображение целиком? Увы – из-за физических особенностей газоразрядных панелей изображение при этом начинает сильно мерцать. Для подавления мерцания можно многократно увеличить частоту развертки, но при этом возникает проблема с яркостью изображения и временем поджига строки (чем выше частота развертки, тем ниже уровень остаточной ионизации и тем хуже и дольше поджигается каждая последующая строка).
Новый драйвер
В ходе работы с этим проектом вылезло несколько подводных камней:
Родные шлейфы дисплея оказались очень плохого качества. Во-первых они изготовлены из полиэтилена, который плавится от малейшего прикосновения паяльником. Даже если пытаться охлаждать место пайки металлической пластинкой, то полиэтилен всё равно скукоживается. Во-вторых медные проводники шлейфа от старости окислились и стали очень хрупкими. Они постоянно ломались в местах пайки и изгиба. Потом искать среди сотни проводников какой конкретно отвалился было не самой приятной задачей. Нужно менять эти шлейфы на что-то другое. Конечно, самый простой вариант припаять напрямую провода типа МГТФ, но мне всё-таки хотелось бы некоторой модульности и возможности, при необходимости, разобрать всю эту конструкцию.
Повышающий преобразователь, который обеспечивал высоковольтное питание дисплея был построен на контроллере mc34063 по топологии step-up. Он прекрасно работал с выходным напряжением 200В, но этого мало для ГИП-10000 (для более-менее нормальной работы нужно как минимум 230В). А вот при повышении выходного напряжения выше 210В уже начинались проблемы с КПД, максимальной мощностью и нагревом компонентов. Нужно было менять его на что-то более эффективное.
Стекло панели ужасно бликует.
Вся эта конструкция в виде переходных плат, SCSI-шлейфов и макеток была очень громоздкой и неудобной. А с учётом того, что всё было ещё соединено при помощи проводков для беспаечных макетных плат, то постоянно возникала проблема, когда что-то где-то отвалилось или плохо контачит. Нужно сделать одну плату на которой должно быть всё распаяно.
Сперва я начал поиски замены шлейфов. Перелопатив большое количество каталогов, я остановил свой выбор на комплекте разъёмов KLS1-XL6-1.25-30-H (розетка на кабель) и KLS1-XL6-1.25-30-RM2 (разъём на плату). Это 30 пиновые разъёмы с шагом 1.25 мм, которые идеально встали на место родных шлейфов:
Для борьбы с бликами я применил самое простое решение – наклеил на стекло панели матовую пленку для планшетов:
Повышающий преобразователь
В ИМГ-1-02 используется не самая удачная конструкция анодных ключей. При самом неблагоприятном исходе (момент, когда высокое напряжение подано, а дисплей ничего не отображает, т.е. все транзисторы анодных ключей открыты) потребление тока по высоковольтной шине составляет почти 40 мА при напряжении 240 В. Почти 10 Вт уходят на обогрев помещения.
Изначально я планировал сделать преобразователь на каком-нибудь специализированном ШИМ-контроллере, типа MAX1771, но по ряду причин отказался от этого варианта.
В итоге я сделал обыкновенный обратноходовой повышающий преобразователь на ШИМ-контроллере UC2843. Это очень старый, широко распространенный и дешёвый контроллер. Применяется он буквально везде, начиная от зарядных устройств для смартфонов, заканчивая сварочными инверторами. Несмотря на свой возраст (первые упоминания о нём я находил в статьях за 1982 год), свою работу он выполняет отлично.
Схема преобразователя получилась следующая:
Ничего необычного, за исключением того, что вместо RCD-снаббера применяется рекуперирующая цепочка.
Главным недостатком любого обратноходового преобразователя является выброс напряжения на стоке силового ключа от индуктивности рассеивания, который может достигать нескольких сотен вольт. И если не предпринимать никаких мер, то рано или поздно этот выброс пробьёт силовой ключ.
Скажу лишь, что основной недостаток такого метода – требуется дополнительная обмотка рекуперации, количество витков которой примерно равно количеству витков первичной обмотки. В повышающих преобразователях это не проблема, так как число витков первичной обмотки невелико. А вот в сетевых блоках питания, где первичная обмотка содержит пару сотен витков, такое решение становится уже слишком накладным, поэтому повсеместно не используется. Да и производителям в общем-то плевать на то, что 5-Ваттная зарядка будет иметь КПД 80%, а не 90.
Сделав пробную плату (собирать на макетке такие преобразователи противопоказано), я провел нагрузочные испытания, результаты которых свел в табличку:
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
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.
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.
Рис 1 .Пример принципиальной схемы блока питания
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.
В настоящее время широкое распространение получили различные графические и символьные ЖК дисплеи с встроенным контроллером и памятью. Но газоразрядные, вакуумные люминесцентные, светодиодные 7- и много-сегментные, матричные светодиодные, и прочие индикаторы по прежнему применяются. Да и интерес к "ретро" индикаторам, тем же газоразрядным и люминесцентным, не уменьшается.
Но при построении многоразрядных дисплеев из таких индикаторов возникает одна проблема - слишком большое число соединений индикаторов со схемой управления.
Это не новая проблема, она существовала задолго до появления и распространения микроконтроллеров. И даже до широкого применения микросхем. В былые времена можно было немного снизить остроту проблемы разместив дешифраторы на плате индикаторов. Но сегодня у микроконтроллера может просто оказаться недостаточно выводов для управления индикаторами.
Для примера возьмем 4-х разрядный дисплей. Если используются газоразрядные индикаторы, то потребуется 44 вывода (10 цифр и точка, в каждом разряде), что бы была возможность отображения всех цифр в каждом разряде. Для 7-сегментных светодиодных индикаторов потребуется 32 вывода (с учетом точки). Для 11-сегментных 48.
Использование такого количества выводов не выглядит разумным решением, ведь микроконтроллер должен управлять не только индикаторами. Количество требуемых выводов микроконтроллера можно уменьшить если использовать внешние микросхемы регистров, но это все равно остается довольно затратным. Кроме того, это не уменьшает количества соединительных проводников между модулем управления и самим индикатором.
Решение проблемы было найдено довольно давно и называется динамической индикацией . Я не сомневаюсь, что все, как минимум, слышали этот термин. А очень многие, но все таки не все, знают, как это работает.
Сегодняшняя статья для тех, кто не знает, как работает динамическая индикация. Причем коснусь и старых схемотехнических решений на дискретной логике, и программной реализации для микроконтроллеров.
До широкого распространения микроконтроллеров динамическая индикация реализовывалась на обычных цифровых микросхемах и дискретных элементах, что было сложно и дорого, но позволяло создавать дисплеи на базе, например, таких 14-ти разрядных (13 разрядов и знак) индикаторов (ИВ-27).
Без использования динамической индикации такой индикатор имел бы минимум 123 вывода (13 разрядов по 8 элементов (анодов) в каждом, плюс 3 элемента в знаковом разряде, плюс общий для всех разрядов катод (совмещенный с накалом), плюс 14 выводов сеток).
Принцип работы динамической индикации
Динамическую индикацию можно рассматривать как некий аналог развертки, применяемой в телевидении. В каждый момент времени информацию отображает лишь один разряд индикатора, остальные погашены.
Для примера давайте возьмем 7-сегментные индикаторы собранные в 4-х разрядный дисплей. На иллюстрации ниже каждая строка представляет собой "снимок дисплея" в последовательные моменты времени.
Последовательность работы разрядов дисплея при динамической индикации. Показан полный период индикации. Иллюстрация моя Последовательность работы разрядов дисплея при динамической индикации. Показан полный период индикации. Иллюстрация мояКрасным цветом показан разряд, который отображается. Так как у нас 4-х разрядный дисплей, для отображения всех разрядов требуется 4 кванта времени, что составляет полный период индикации. После отображения последнего разряда цикл повторяется.
За счет инерционности зрения человека, если частота обновления дисплея достаточно высока (период индикации мал), мы увидим отображаемую информацию такой, как будто она отображается статически. Точно так же мы видим плавное изображение движущихся предметов в кино и на телевидении вместо смены статических кадров.
Минимальная комфортная для зрения частота обновления индикации должна быть не менее 50 Гц. То есть, период индикации должен быть не более 20 мс. Разделив длительность периода индикации на количество разрядов дисплея мы получим время работы одного разряда.
Для нашего 4-х разрядного дисплея каждый разряд будет работать (светиться) не более 5 мс. Но лучше выбрать период индикации более коротким. Особенно, если и дисплей, и оператор, будут размещаться на некоей подвижной платформе, например, в автомобиле.
Динамическая индикация на дискретной логике
Прежде чем мы перейдем к микроконтроллерам и программам реализующим динамическую индикацию, будет полезным и интересным познакомиться с тем, как это реализовывалось ранее. Я не предлагаю сегодня повторять эти схемы, но небольшой исторический экскурс считаю целесообразным.
Я не буду приводить принципиальную схему реального блока многоразрядной индикации, она слишком большая и сложная. Но я покажу функциональную схему такого блока
Функциональная упрощенная схема блока динамической индикации на дискретной логике. Иллюстрация моя Функциональная упрощенная схема блока динамической индикации на дискретной логике. Иллюстрация мояЭто действительно упрощенная функциональная схема. Реальные блоки динамической индикации гораздо сложнее. В них не редко использовали, в том числе, микросхемы ОЗУ или регистры для временного хранения информации в течении цикла индикации.
Готовя иллюстрацию я пропустил один сегмент - g при изображении дешифратора. Извиняюсь за допущенную ошибку, но перерисовывать не уже не буду.
Давайте посмотрим, из каких функциональных узлов состоит этот блок индикации.
- Счетчики, в большинстве случаев двоично-десятичные, которые и являются источником информации для отображения на дисплее. В данном случае их четыре, так как мы рассматриваем 4-х разрядный дисплей. На иллюстрации они расположены слева и обозначены СТ. Собственно говоря, счетчики в большинстве случаев являются частью устройства, а не блока индикации.
- Мультиплексоры, которые обеспечивают коммутацию выходов счетчиков при выборе отображаемого разряда. Поскольку счетчики у нас двоично-десятичные, то каждый из них имеет 4 выхода. А значит нам нужно 4 мультиплексора. Количество входов каждого мультиплексора равняется количеству разрядов дисплея. А количество входов определяет и количество входов адреса, который задает номер выбранного входа данных. На иллюстрации мультиплексоры обозначены MUX, а из адресные входы A0и А1, так как разрядов всего 4.
- Дешифратор, преобразующий двоичный код с выходов счетчиков (после мультиплексоров) в сигналы управления сегментами a-g индикаторов. Обозначен на иллюстрации DC. Я не стал показывать сигналы управления десятичными точками, что бы не усложнять иллюстрацию.
- Генератор задающий время отображения очередного разряда. Обозначен на иллюстрации G.
- Счетчик номера отображаемого разряда. Это уже двоичный счетчик, поэтому и обозначен на иллюстрации как CT2. На вход счетчика поступают импульсы с генератора G. Выходы счетчика подключены к адресным входам мультиплексоров и к входам дешифратора выбора разряда.
- Дешифратор выбора разряда. В данном случае у него 4 выхода, которые и определяют отображаемый в данный момент разряд.
- Собственно дисплей. В данном случае 4-х разрядный. Он может быть как единым компонентом, так собранным из единичных индикаторов. Выводы сегментов всех разрядом соединены между собой "поименно". То есть, сегменты a объединены между собой. Сегменты b объединены. И так далее. А вот выводы разрядов отдельные.
Нам сейчас не важно, что именно представляет из себя дисплей. Он может быть светодиодным. Тогда сегменты могут быть катодами светодиодов, а вывод разрядов общим анодом. Или наоборот. Он может быть люминесцентным, тогда сегменты это аноды, а выводы разрядов это сетки. Он может быть газоразрядным.
Если дисплей газоразрядный, то вместо выводов сегментов будут выводы отдельных цифр или символов. При этом в нашем блоке просто будет использоваться другой дешифратор. Работа блока при этом не изменится.
Для наглядности я показал информационные входы мультиплексоров и соединительные шины разными цветами. Синий цвет это выходы "1" счетчиков. Зеленый это выходы "2" счетчиков. Бордовый это выходы "4" счетчиков. Желтый это выходы "8" счетчиков.
Непрерывно работающий счетчик динамической индикации СТ2 определяет и номер отображаемого разряда, и адрес счетчика, выходы которого подключаются через мультиплексоры к дешифратору индикаторов.
Проблемы динамической индикации и псевдо-динамическая индикация
Кроме очевидной сложности схемотехнических решений у динамической индикации есть еще одна, довольно серьезная, проблема. Дело в том, что чем больше разрядов у дисплея, тем меньшее время (и в абсолютном, и в процентном соотношении) работает каждый разряд. А это приводит к снижению видимой яркости индикаторов. И тем большей, чем большая разрядность у дисплея.
В некоторых случаях проблему можно решить выбрав индикаторы со светодиодами с повышенной яркостью. Или повысить ток через светодиоды сегментов.
В некоторых случаях проблему решить нельзя, так как яркость индикаторов повысить невозможно. Например, для газоразрядных или люминесцентных, когда когда повышение тока ведет не столько к повышению яркости, сколько к ускорению износа индикаторов.
В те времена, когда использовались аппаратные решения для динамической индикации, яркость индикаторов была не высокой, в большинстве случаев. Но было найдено компромиссное решение, которое позволяло снизить количество соединений между устройством и блоком индикации, но собственно индикация осуществлялась статически.
Читайте также: