Soluzioni LED Backlight

Per il suo funzionamento, il pannello LCD ha bisogno di un sistema di retroilluminazione che generi la luce necessaria a produrre l’immagine generata dalla matrice dei cristalli. Esaminiamo da vicino i sistemi attualmente utilizzati con i loro vantaggi e svantaggi.

Contrariamente alle tecnologie CRT (tubo catodico), Plasma e OLED, che emettono luce attraverso l’eccitazione di fosfori o sostanze organiche, l’LCD ha bisogno di un sistema di illuminazione aggiuntivo, posizionato posteriormente o lateralmente alla matrice di cristalli liquidi. Questo sistema si chiama, in gergo, BLU (BackLighting Unit - unità di retroilluminazione). I cristalli liquidi, grazie alla loro rapida rotazione, possono variare lo status di funzionamento e, attraverso gli elementi RGB (subpixel rossi, verdi e blu), filtrare la luce generata dal sistema di retroilluminazione per ricostruire l’immagine. Senza il sistema BLU, lo schermo LCD rimarrebbe completamente nero in quanto il cristallo liquido per sua natura è incapace di generare autonomamente la luce. I display LCD utilizzati in ambito professionale e consumer - monitor per PC, digital signage, televisori e display per qualsiasi altro tipo di apparecchio fisso o portatile - utilizzano diverse tecnologie di retroilluminazione con risultati (e costi) molto differenti tra loro. Vediamo quali. La lampada CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) è il sistema di retroilluminazione più utilizzato nei display LCD per via del suo basso consumo, della bassa temperatura operativa e della lunga durata. Il suo principio di funzionamento è molto simile al tradizionale neon o alle lampadine a risparmio energetico. È costituita da un tubo di vetro lineare, circolare o variamente sagomato al cui interno viene dapprima praticato il vuoto, poi introdotto un gas nobile (argo o neon) ed una piccola quantità di mercurio liquido che si pone in equilibrio con il suo vapore. La superficie interna del tubo è rivestita di un materiale fluorescente, dall’aspetto di una polvere bianca. Ai due estremi del tubo sono presenti due elettrodi.

Gli elettroni in movimento tra i due elettrodi eccitano gli atomi di mercurio, che sono a loro volta sollecitati ad emettere radiazione ultravioletta. Il fosforo di cui è ricoperto il tubo, investito da tali radiazioni, emette luce visibile. Per garantire l’uniformità di illuminazione vengono utilizzate solitamente due o più lampade piatte o a tubo (a forma lineare, a L o U) che occupano tutta la superficie dello schermo in modo autonomo (per quelle piatte) o attraverso speciali guide d’onda che convogliano la luce. L’energia necessaria al loro funzionamento viene generata da un circuito chiamato “inverter” che eleva la tensione di rete (o della batteria nei sistemi portatili) fino a migliaia di volt. La presenza di questo circuito comporta un consumo energetico che varia a seconda del livello di luminosità del la lampada. Alcuni anni fa Sony ha introdotto una versione migliorata della lampada CCFL chiamata WCG-CCFL (Wide Color Gamut) che utilizza una tipologia di fosfori derivata dagli schermi CRT Trinitron per riprodurre uno spettro di colori di circa il 30% più ampia rispetto ai CCFL tradizionali (90% del gamut NTSC rispetto al 70% delle lampade tradizionali). Il sistema HCFL (Hot Cathode Fluorescent Lamp), invece, con una lampada micro-tubolare sarebbe in grado di ridurre il consumo energetico del 40-50% e garantire un maggiore flusso luminoso rispetto al CCFL. Nell’HCFL (figura 1) gli elettrodi sono realizzati con un filamento di tungsteno e vengono riscaldati dal passaggio della corrente.

Figura 1: tecnologie di LED a confronto.

Figura 1: tecnologie di LED a confronto.

Sono stati sviluppati anche sistemi CCFL ad altissima reattività sincronizzati con il refresh rate del segnale video per rendere le immagini più fluide durante le scene in rapido movimento. La sincronizzazione e la velocità di reazione permettono di illuminare i cristalli liquidi in modo più intenso per un brevissimo periodo così da ridurre l’effetto di sfocatura delle immagini (blur) in movimento, percepito dalla retina dell’occhio. display LCD a led utilizzano lo stesso meccanismo di funzionamento. Troviamo infatti BLU di tipo “EDGE” (ovvero con illuminazione laterale), “FULL LED” (illuminazione posteriore) e “Local Dimming” (illuminazione posteriore con gestione dinamica delle aree dello schermo).

TECNOLOGIA LED

Il led ha fatto la sua comparsa nei sistemi di retroilluminazione da qualche anno ma solo negli ultimi mesi si è diffuso nei dispositivi consumer, in particolare nei display per i computer portatili (notebook e netbook) e nei Tv (figura 2).

Figura 2: composizione di un pannello retroilluminato.

Figura 2: composizione di un pannello retroilluminato.

Acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa), il led sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni, cioè luce. Il colore della radiazione varia a seconda del materiale utilizzato (GaAS - Arseniuro di Gallio, GaP - fosfuro di Gallio, SiC - carburo di silicio, ecc.) e della tensione di giunzione. Nei sistemi BLU vengono utilizzati led di colore bianco oppure nella combinazione rosso-verde-blu in un singolo package, per produrre qualsiasi altro colore dello spettro e migliorare così il gamut come già visto nel WCG-CCFL. Il funzionamento in corrente continua di pochi volt (che richiede un sistema di alimentazione semplificato), il suo basso consumo (da pochi mA fino ad un massimo di 30-40), l’elevata resistenza a stress meccanici, le dimensioni ridotte e la lunga durata lo rendono ideale come sorgente di illuminazione per i pannelli LCD. Rispetto al CCFL garantisce inoltre un contrasto maggiore (anche fino a 2.000.000:1) ed una migliore resa cromatica. Unico neo è il suo costo elevato. Non tutti i display LCD a led utilizzano lo stesso meccanismo di funzionamento. Troviamo infatti BLU di tipo “EDGE” (ovvero con illuminazione laterale), “FULL LED” (illuminazione posteriore) e “Local Dimming” (illuminazione posteriore con gestione dinamica delle aree dello schermo).

EDGE

La tecnologia Edge, adottata principalmente da LG, Samsung, Sony e Philips, consiste nel disporre qualche centinaio di led bianchi oppure RGB lungo i bordi del pannello LCD. La luce emessa dai led viene “spalmata” su tutta la superficie dello schermo attraverso una serie di guide d’onda rappresentate da migliaia di prismi integrati in una lastra opaca di pochi millimetri di spessore. La corretta progettazione delle guide d’onda è fondamentale per garantire un’elevata efficienza della retroilluminazione e soprattutto la migliore uniformità possibile. I vantaggi dell’Edge sono innanzitutto il basso costo di produzione e la semplicità di gestione dei led per via del loro numero ridotto. Inoltre, la collocazione ai bordi permette di ridurre lo spessore del display a soli 20-30 millimetri a tutto vantaggio dell’estetica.

FULL LED

Il meccanismo di funzionamento dei BLU Full LED è praticamente identico a quello del CCFL/HCFL. Al posto delle lampade fluorescenti troviamo però un “tappeto” di led bianchi o RGB. La lente di diffusione è più semplice rispetto all’EDGE mentre il numero dei led è superiore. Ciò comporta costi, consumi e calore maggiori. Dal momento che la sorgente luminosa è posta dietro ai cristalli liquidi come nel CCFL/HCFL, lo spessore complessivo del display sarà almeno di 50-60 mm, più o meno quello dei CCFL/HCFL, mentre le prestazioni video sono allineate a quelle dell’EDGE. Sharp ha scelto questo sistema per i TV Led entry-level.

LOCAL DIMMING

Entrambe le tecnologie viste finora prevedono che i led che compongono il BLU funzionino tutti allo stesso modo contemporaneamente. Si potrà ovviamente modificare la luminosità tramite menu o gestirla in modo variabile con i sistemi di contrasto dinamico che riducono la luminosità del BLU nelle scene scure per ottenere neri più intensi e la aumentano nelle scene chiare per bianchi estremi. Tuttavia, il comportamento delle strisce di led nell’EDGE e del tappeto nel FULL LED è sempre uniforme, ovvero interessa tutta l’area dello schermo. La tecnologia Local Dimming, adottata da diversi costruttori fra cui SIM2 ed elaborata da Dolby (HDR), permette invece di gestire il funzionamento dei led (posizionati alle spalle della matrice LCD) in modo indipendente e dinamico. Un sofisticato microprocessore esamina le aree chiare e scure dell’immagine attivando in tempo reale il controllo dei led che operano su queste aree. Ciò significa che, nelle zone buie, i led rimarranno spenti o ad un livello di luminosità molto basso mentre in quelle chiare, i led saranno accesi ad un livello scelto dal processore. Esisteranno poi delle zone intermedie dove i led avranno una diversa gradazione di luminosità. Le aree nelle quali viene suddiviso il pannello di retroilluminazione sono solitamente un paio di centinaia (es.: 224 - 14 righe per 16 colonne) e ciascuna contiene diversi led. Nei sistemi Local Dimming più sofisticati con led RGB, come quello utilizzato da Sharp per il suo TV top di gamma, è possibile addirittura dosare anche il livello di colore nelle singole aree dell’immagine agendo sulle componenti rosso, verde e blu.

Il Local Dimming permette di ottenere un contrasto teoricamente infinito e risolvere quindi uno dei limiti dei display LCD, ovvero l’impossibilità dei cristalli di impedire totalmente il passaggio della luce anche quando si trovano nello stato di riposo. Anche il Local Dimming ha però i suoi limiti: è costoso, produce molto calore perché il consumo è elevato e, come nel Full LED, non permette di ottenere display ultrasottili visto che il “tappeto” di led crea spessore. C’è poi un altro problema importante: dal momento che i gruppi di led non combaciano perfettamente con quelli dei pixel che compongono la matrice LCD (il rapporto è solitamente di 1:10.000- 1 gruppo di led per 10mila pixel RGB) e il tempo di risposta dei led è superiore a quello di rotazione dei cristalli, intorno alle aree più chiare dell’immagine, in alcuni casi, si potrebbero formare aloni e scie che disturberebbero la visione. Questo difetto potrebbe essere eliminato se ogni pixel RGB disponesse di un suo led (quindi 2 milioni per un Full HD) ma l’altissimo costo di produzione di un sistema di questo tipo e l’elevata potenza di calcolo necessaria per gestire due milioni di led ne sconsigliano, almeno per il momento, la produzione su scala industriale. La tecnologia Local Dimming è stata testata anche su sistemi EDGE con risultati interessanti ma l’effetto “alone” risulta ancora più evidente a causa del posizionamento laterale dei led.

SOLUZIONI CIRCUITALI

Nell’ambito dei sistemi CCFL è molto importante disporre di un circuito di controllo della potenza. In figura 3 e 4 riportiamo alcune applicazioni che fanno uso dell’integrato LT1172/73.

Figura 3: circuito di controllo in potenza.

Figura 3: circuito di controllo in potenza.

 

Figura 4: circuito di controllo in potenza.

Figura 4: circuito di controllo in potenza.

Per migliorare la stabilità, inoltre, viene impiegato un semplice loop di controllo che fa uso di un semplice circuito RC (figura 5).

Figura 5: loop di controllo.

Figura 5: loop di controllo.

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