Rozebrali jsme LCD panel. Chcete vědět, jak funguje?

4. 3. 2009

Kdo nám padnul za oběť

Za oběť našeho rozebírání jsme vybrali 17“ monitor Samsung 740N s displejem typu TN a pouze analogovým vstupem. Přístup do tohoto monitoru je možný po vycvaknutí čelního stříbrného rámečku zasazeném v plastovém výlisku zadní části, v níž je samotný displej volně uložen.

Poté stačí povolit několik šroubků, odpojit konektory a monitor se nám rozdělí na tři základní části – dva plošné spoje a kompaktní tělo samotného displeje.

Levý (menší) plošný spoj je mozkem samotného monitoru a pravý (větší) funguje „pouze“ jako napájecí zdroj. A ten si také představíme jako první.

Napájecí část

Ve spodní části plošného spoje je jistě všem známý napájecí EURO konektor, přes který je přiváděno síťové napětí (u nás zhruba 230 V, ale monitor funguje již od 100 V) (1). Jedná se o dnes nejčastější typ spínaného zdroje, jehož největší předností jsou podstatně menší rozměry v porovnání s klasickými transformátory. Transformátor může být v tomto případě menší díky tomu, že transformuje napětí s vysokým kmitočtem.

Spínané zdroje mají ale i nevýhody, kterými je vysokofrekvenční rušení způsobované spínacími výkonovými tranzistory. S tím také souvisí možný pískot, s kterým se již většina uživatelů jistě setkala ať už u různých adapterů nebo právě v monitorech. Tento jev je závislý na kvalitě návrhu a použitých součástkách. Pokud výrobce chce, je možné vytvořit i zcela tichý zdroj. U některých monitorů se však toto nepodařilo a slabé pískání může být slyšitelné při zapnutém nebo častěji vypnutém (ne odpojeným od napájení, ale při minimální spotřebě) stavu. Pokud je to i váš případ a pískání vás ruší, můžete zkusit monitor reklamovat. Ve většině případů ale reklamace uznána není, jelikož se tento jev nebere jako vada, ale jako vlastnost.

Rušení ze spínaných zdrojů se také může dostávat zpět do sítě, a aby se tomuto velmi nežádoucímu jevu předešlo, jsou zdroje vybaveny odrušovacími členy hned na vstupu (2). Výstupních částí má tento napájecí zdroj několik. Na pravé straně je to konektor s více vodiči, přes který je v tomto případě vedeno již usměrněných 13 a 5,1 V včetně nezbytných signálových vodičů, přes které se druhý plošný spoj (mozek) dorozumívá a dává povely tomu napájecímu. K tomu dochází například proto, že má zdroj z vypnutého stavu přejít do plného, či naopak.

Nebudeme se zde zabývat principy fungování spínaných zdrojů příliš podrobně a případní zájemci si mnoho zdrojů mohou najít na internetu. Zjednodušeně fungují tak, že se vstupní střídavé napětí usměrní diodovým můstkem (3), vyhladí vstupním kondenzátorem dimenzovaným na 450 V (4) a doslova „naseká“ na obdélníkový průběh s vysokým kmitočtem (v tomto případě 66 KHz). O to se stará nejdůležitější obvod (5), který zároveň celé spínání řídí podle požadovaného výstupního napětí. Napětí s vysokou frekvencí je pak přivedeno na feritový transformátor (6) a jeho výstupy následně usměrněny a filtrovány pomocí kondenzátorů a diod (7).

Kdopak se stará o podsvícení

V levé části desky je také vidět dvojice bílých konektorů (8), ke kterým se připojuje dalších osm vodičů. Ty nevedou nikam jinam, než k podsvětlovacím (CCFL) trubicím a z počtu vodičů už je nyní patrné, že se o zdroj světla starají celkem čtyři trubice (o tom se ale později ještě přesvědčíme). Ty ke svému chodu potřebují poměrně vysoké napětí (zde střídavých 650 V), které jim tento zdroj musí také zajistit, a to pomocí napěťových měničů, jejichž základem je dvojice cívek (9).

U LCD monitorů se intenzita jasu nemění změnou napětí trubic, ale jejich velmi rychlým zapínáním a vypínáním. Podle toho, jak dlouhá je doba vypnutí, resp. zapnutí trubic se subjektivně mění i úroveň vnímaného jasu. Poměr mezi těmito dvěma stavy je závislý na nastavení, a tak i z tohoto důvodu je nezbytné propojení signálovými vodiči mezi ovládací a napájecí částí.

Mozek monitoru

Druhá deska (ovládací část monitoru) je na počet použitých součástek výrazně skromnější a prakticky o vše se zde stará dvojice čipů. Jedním z nich (více vpravo) je programovatelný mikrokontrolér (MCU), v němž je rovněž uložen firmware monitoru. Druhý (uprostřed) je hlavním řídícím čipem, který se stará o vše podstatné včetně převodu analogového signálu na digitální (z D-SUB konektoru), jeho úpravy, generování OSD nabídky a zkrátka celkové zpracování signálů.

Řídících čipů je celá řada a záleží na výrobci, který a jak schopný pro monitor vybere. Někteří výrobci si navrhují vlastní čipy a ty pak mohou přidat některé funkce navíc. V tomto případě je to například (grafiky nepříliš oblíbená) technologie MagicColor pro zvýraznění barev. V případě, že je funkční nabídka monitoru nadstandardní a je vybaven více vstupy, počet dalších čipů (například pro převod či dekódování signálu) dále roste.

Pokud je monitor vybaven reproduktorky, najdete na řídících deskách obvykle i jednoduché zvukové čipy a zesilovač s digitálním řízením hlasitosti. Ten zde sice není, ale za zajímavost stojí alespoň volné místo pro DVI konektor. Pokud by si jej však chtěl nějaký koumák osadit, s největší pravděpodobností nebude kvůli odlišnému firmwaru fungovat. V pravé části ještě najdete malý konektor, ke kterému se připojují nezbytná ovládací tlačítka.

Teď už zbývá jen správně zobrazovat

Nyní již nezbývá, než se od řídící desky dostat přes největší konektor s čtrnácti páry vodičů k samotnému LCD displeji (1). Ten ale není složen jen ze známých krystalů, miliónů řídících tranzistorů a kilometrů miniaturních vodičů. Elektroniky je na něm také dost.

Základní obvody displeje jsou viditelné již po odlepení ochranné fólie a nejdůležitější činnost z nich odvádí (jak už to tak bývá) ten největší čip (2). Přes něj prochází kontrolní a obrazové signály a plní především funkci jakéhosi řídícího okruhu a centrálního časovače. Tento čip přímo komunikuje s ovladači sloupců a zprostředkovaně i ovladači řádků, které se starají o zobrazování jednotlivých buněk, resp. pixelů a společně koordinuje časování mezi nimi. Ovladače sloupců a řádků (Source Driver a Gate Driver) na první (ve skutečnosti ani na druhý) pohled nejsou vidět a pro jejich odhalení je třeba displej ještě více rozložit.

Jedná se o poměrně nenápadné a velmi úzké čipy, které mají vlastní řízení i vlastní paměť a jsou integrovány do výběžků samotné zobrazovací jednotky na ohebné plošné spoje. Sladit časování mezi všemi ovládacími prvky a současně zajistit odpovídající změny napětí na jednotlivých krystalech je velmi náročné, a tak spolupráce mezi centrálním časovačem, sloupcovými a řádkový ovladači i pomocnými obvody musí být velmi rychlá a přesná.

Každý čip má na starost určitý a omezený počet sloupců či řádků, a proto jich musí být na displeji více. V našem případě je na rozlišení 1280 × 1024 px potřeba šest sloupcových a tři řádkové ovladače. Pokud jste se u displeje setkali s poruchou zobrazení v celé délce horizontální či vertikální roviny, bylo to s největší pravděpodobností důsledkem poškození některého z těchto ovladačů.

Source Driver

I podsvícení je trochu věda

Posledním místem, na které se u LCD monitoru zaměříme, je samotné podsvícení. V drtivě většině případů jsou zdrojem světla fluorescenční CCFL trubice uložené v celé šířce displeje, ale stále více se začíná v displejích objevovat kvalitnější podsvícení z pásů LED diod. CCFL trubice samozřejmě nevydrží věčně, a ty méně kvalitní displeje začínají trpět sníženým jasem či změnou bílé barvy za žlutější odstín již po několika málo letech.

Výměna trubic není až tak složitý proces, strojí pár stokorun a nejeden kutil si je svépomocí již dokázal vyměnit. Na internetu také můžete najít ukázky, jak si ti otrlejší vyměňují trubice za LED podsvícení – to už je ale operace pro vyložené nadšence, kteří své displeje až tak rádi nemají, navíc s nejistým výsledkem a nutností zásahů do napájecí části.

Počet trubic není u všech displejů stejný a běžně se pohybuje od jedné (obvykle u notebooků) až do šestnácti. Více trubic znamená rovnoměrnější a stabilnější podsvícení, ale samozřejmě i vyšší spotřebu. Takové displeje bývají samozřejmě dražší. Čtrnáct, či šestnáct trubic bývá velmi často používáno u drahých medicínských displejů.

Jak již bylo řečeno, náš displej obsahuje čtyři trubice a jsou umístěny na vnitřní části kovového rámu displeje v páru po celé délce horní a spodní hrany. Jen pro představu o spotřebě uvedeme, že si náš monitor při maximálním jasu řekne o 30 W, při minimálním o 15 W a pokud byste na displeji něco viděli i při zcela vypnutém podsvícení, vystačil by si s pouhými 6,5 W. Pro běžné používání se spotřeba jedné podsvětlovací trubice pohybuje zhruba od 4,5 do 6 W.

Displej po jednotlivých vrstvách

Světlo je nutné rozvést po celé ploše displeje, a k tomu slouží několik
vrstev různých materiálů (v našem případě pět) volně naskládaných na
sebe. Na obrázku je všech pět vrstev, které se starají o co nejlepší rozvod světla a jsou naskládány v opačném pořadí, než jak by se pozorovateli při sledování displeje mohly jevit. Nejvzdálenější vrstva od pozorovatele (a nejvýše na obrázku) je odrazová vrstva (1), která se snaží odrážet veškeré světlo směrem dopředu k dalším vrstvám.

Hned tou další (2) je speciální šest milimetrů tlusté organické sklo plnící funkci světlovodu, který má rovnoměrně rozvést světlo po celé své ploše. V některých displejích notebooků se používají světlovody, které se postupně zužují, ale u běžných displejů se setkáme se zcela plochými. Jejich povrch může být upraven různými způsoby s cílem dosáhnout ještě lepších parametrů.

Světlovod v tomto případě má po celé své ploše malé vyleptané plošky kvůli zlepšení a zvýšení účinnosti vyzařování světla v jednotlivých bodech. Světlovod musí být rovněž dostatečně tlustý na to, aby se na jeho delší hrany vešly dvojice podsvětlovacích trubic a zářily přímo do něj.

Další trojice vrstev (3, 4, 5) se pak společně podílí na dokonalejším a ještě rovnoměrnějším rozptýlení světla pomocí rozptylovačů a vrstvy s mikrohranoly či mikročočkami.

Zajímavý je jistě zvětšený pohled na druhou až pátou vrstvu pomocí mikroskopu.

Ještě se letmo vrátíme k samotné zobrazovací části coby šesté vrstvě, která je pozorovateli nejblíže a může se jí většinou i přímo dotknout. Ta tvoří jednolitý celek, ale ve skutečnosti je také složena z několika vrstev. Je ale natolik složitá, plná miniaturních prvků a náchylná na nečistoty, že jiné řešení, než zalití všech vrstev do celku nepřipadá v úvahu. Struktura zobrazovací části se liší v závislosti na použité technologii panelu, obecně však obsahuje (opět od zadní části směrem k pozorovateli) polarizační film, ochranné sklo, tekuté krystaly, barevný filtr, opět ochranné sklo a druhý polarizační film.

O samotné technologii displejů hovořit nebudeme, jelikož je velmi obsáhlá a případní zájemci mají opět k dispozici dostatek podrobných informací na internetu. My vám místo toho přineseme několik velmi zajímavých pohledů mikroskopem do samotné struktury LCD panelu.