Spotřeba, jas, barvy

Charakteristika

Spotřeba energie není zanedbatelným ukazatelem, zejména u LED zobrazovačů. S narůstajícím počtem zobrazovacích segmentů narůstá i spotřeba energie, u barevných zobrazovačů dvoj-, troj-, i čtyřnásobně podle konstrukce světelných bodů. Tento faktor je možno v některých případech ovlivnit snížením svítivosti jednotlivých bodů ale není to vždy vyhovující řešení.

Spotřeba energie

Pro případ 4 zobrazovačů se 7 segmenty je spotřeba ještě relativně nízká ale praktické užití vyžaduje zobrazování většího počtu znaků, více informací. U vice segmentových zobrazovačů je nárůst spotřeby ještě výraznější. Uvážíme-li, že na 7 segmentovém zobrazovači je průměrně rozsvíceno 5 segmentů při spotřebě 5mA/segment, má jeden zobrazovač spotřebu 25mA, 4 zobrazovače pak 100mA. Pro 8 místný displej pak potřebujeme 8 zobrazovačů což představuje odběr 200mA atd...

Úspora energie

Pokud to aplikace dovolí, je vhodné simulovat dynamický provoz tak, že vysokou frekvencí postupně povolujeme zobrazení znaku pouze na jednom zobrazovači (na jedné pozici), ostatní zobrazovače jsou zhasnuty. Aplikačně je možno použít princip posuvného registru. Při dostatečně rychlé frekvenci se postupné blikání, díky setrvačnosti lidského oka, jednotlivých zobrazovačů "slije" do trvalého svitu, respektive lidské oko již není toto blikání schopno postřehnout. Pro tento režim je však nutno mírně zvýšit budící proud segmentu tak, aby krátkodobý svit byl okem postřehnutelný. Při změně proudu segmentu z 5 na 8 mA a průměrném svitu 5 segmentů/zobrazovač je pak celkový proudový odběr 40mA pro 4 i 8 zobrazovačů. U zobrazovačů s více segmenty je pak tato úspora výrazně vyšší.

Podle provedení zobrazovačů se společnou anodou nebo katodou je potřeba zvolit vhodné zapojení. Příklad pro zobrazovače se společnou anodou je uveden na obrázku 1.

Obrázek 1
Zapojení pro úsporu energie se společnou anodou.

V tomto případě je pro rozsvícení jednoho zobrazovače použit darlingtonův tranzistor jako emitorový sledovač ve spínacím režimu řízený signálem ENABLE. Je-li signál ENABLE aktivní, je na společnou anodu zobrazovače přivedeno napětí, a rozsvítí se ty segmenty zobrazovače, které jsou přes omezovací odpor proudu přizemněny, viz princip řízení segmentových zobrazovačů se společnou anodou.

Na obrázku 2 je zobrazen opačný příklad, a to pro zobrazovače se společnou katodou.

Obrázek 2
Zapojení pro úsporu energie se společnou katodou.

V tomto případě je zobrazovač, který má svítit, přizemněn tranzistorem a rozsvítí se pouze ty segmenty zobrazovače, na které je přivedeno napětí přes omezovací odpor, viz princip řízení segmentových zobrazovačů se společnou katodou.

Časový diagram postupného spínání signálů je pro oba případy shodný a je uveden na obrázku 3.

Obrázek 3
Časový diagram postupného spínání.

Na obrázku je znázorněna postupná a cyklická aktivace signálu ENABLE 3, 2, 1, 0, která má za následek rozsvícení právě jednoho zobrazovače jak je naznačeno částí displeje. Pořadí spínání, respektive aktivace, není kritické, může být i v jiném pořadí.

Pokud budeme používat více zobrazovačů (znaků) na displeji, je rozšíření jednoduché tím, že se navýší počet signálů ENABLE na odpovídající počet zobrazovačů, včetně spínacích tranzistorů. Určitým limitujícím faktorem je doba, za kterou je v jednom cyklu zobrazovače rozsvícen. Při neúměrně velkém počtu zobrazovačů může dojít k "vlnění" jasu vlivem dlouhé periody, kdy je zobrazovač zhasnut déle, než je setrvačnost lidského oka. V takovém případě může částečně pomoci zvýšení proudu segmentem. Vhodnější řešení je rozdělit displej na dvě nebo více částí a jedním signálem ENABLE x aktivovat dva nebo více zobrazovačů současně (v podstatě paralelně).

Řízení úspory energie

Pro řízení úspory energie je efektivní použít hardwarový posuvný registr, kdy postačí nastavit požadovaný počet spínaných signálů ENABLE a vhodnou frekvenci cyklu.

Při programovém řízení (například z PLC) pro několik málo zobrazovačů je potřeba zajistit konstantní frekvenci, což vzhledem k nestabilní době cyklu může vyvolat nežádoucí optické efekty. Pokud však systém řízení umožňuje využití časového přerušení (je k dispozici, není již využito jinak), je možno jej pro toto řízení spotřeby využít jako ekvidistanční frekvenční generátor, zpracovat reakční blok programu (posuvný registr) a výstupy aktivovat instrukcemi přímého přístupu k periferiím.

Jas LED zobrazovačů

Řízení jasu zobrazovačů přispívá k dobré čitelnosti zobrazovaných znaků a zároveň souvisí se spotřebou elektrické energie. Nízký jas přináší úsporu ale v příliš jasném prostředí jsou znaky nečitelné, vysoký jas v tmavém prostředí je nepříjemný a naopak. K omezení těchto stavů je možno řídit jas LED zobrazovačů velikostí procházejícího proudu světelnou diodou.

Základním řešením je omezení proudu sériově zapojeným omezovacím odporem. Vzhledem k tomu, že odpor má konstantní hodnotu není jej možno měnit. K docílení změny intenzity svitu je možno využít změny společného napájení zobrazovačů, kdy napětí bude odpovídat intenzitě vnějšího prostředí, tedy vyšší intenzita světla v okolí způsobí zvýšení napětí pro napájení zobrazovačů a naopak. Nevýhodou je, že při spojitém řízení napětí bude na řídícím členu docházet k výkonové ztrátě (teplo). Alternativou k tomuto je použití spínaného zdroje s proměnnou střídou a filtračním kondenzátorem což je rozměrově méně vhodné řešení. Při nízkém napětí pro zobrazovače nebo vyšším odběru proudu bude svit kolísat a zpětná vazba, která by toto řešila zesložití zapojení.

Efektivním způsobem je přímá pulsně šířková modulace (PWM) napájecího napětí a to přímo přiváděného napájecího napětí na segmenty. Pro řešení tohoto způsobu řízení jasu není vzhledem k zapojení na obrázku 1 nebo 2 potřeba nic měnit. Postačí pouze změnit způsob řízení signálů ENABLE a to tak, že v době požadovaného svitu zobrazovače budeme měnit délku přivedeného impulsu za předpokladu, že celková doba periody zůstane zachována. Časový diagram pro pulsně šířkovou modulaci jasu je uveden na obrázku 4a.

Obrázek 4a
Časový diagram pro pulsně šířkovou modulaci jasu.

Na obrázku je procentuálně znázorněna délka budícího impulsu vzhledem k době, kdy v jedné periodě požadujeme rozsvícení zobrazovače. Pokud bude impuls vynechán, zobrazovač nebude svítit vůbec, při krátkém impulsu bude svítit málo, při plné délce impulsu bude zobrazovač svítit maximálním možným jasem. Konkrétní efekt řízení jasu jednoho zobrazovač je uveden na obrázku 4b.

Obrázek 4b
Výsledný jas jednoho zobarovače podle délky impulsu.

Určitým limitujícím faktorem je opět doba, za kterou je v jednom cyklu zobrazovače rozsvícen. Při velkém počtu zobrazovačů a při krátkém impulsu může dojít k "vlnění" jasu vlivem dlouhé periody, kdy je zobrazovač zhasnut déle, než je setrvačnost lidského oka. Řešení je rozdělit displej na dvě nebo více částí a jedním signálem ENABLE x aktivovat dva nebo více zobrazovačů současně (v podstatě paralelně) nebo je možno zkrátit periodu (například) na polovinu a ve stejném časovém intervalu přivádět více kratších impulsů, viz obrázek 4c.

Obrázek 4c
Zkrácení doby periody.

Pro porovnání jsou časové intervaly (svislé přerušované čáry) zobrazeny ve stejném intervalu jako na obrázku 4b.

Řízení jasu zobrazovačů

Stejně jako u řízení spotřeby zobrazovačů je vhodné dát přednost hardwarovému řešení s využitím vhodných součástek. Pro zjednodušení je možno použít jeden PWM modulátor a tento součinem AND sloučit s jednotlivými řídícími signály ENABLE. Při této realizaci je potřeba zajistit synchronizaci PWM se signály PWM aby nedocházelo k fázovému posunu.

Při programovém řízení (například z PLC) pro několik málo zobrazovačů je potřeba použít řízený PWM generátor a taktéž zajistit synchronizaci s cyklem signálů ENABLE. Vzhledem k nestabilní době cyklu může dojít k nežádoucím optickým efektům, a proto je vhodné, pokud to systém řízení umožňuje využití časového přerušení (je k dispozici, není již využito jinak) v kombinaci s PWM generátorem. Pro jednoduchý případ řízení jasu v kroku 25%, 50%, 75%, 100% je možno použít posuvný registr, jako v případě řízení spotřeby, ale tak, že původní jeden bit posuvného registru bude znásoben na 4 bity (4 úrovně jasu) a na těchto bitech bude v hrubých krocích nastavován impuls PWM. Vyžaduje to však 4x vyšší frekvenci posuvu registru.

Barvy a jejich kombinace

S postupným rozvojem technologie se začaly vyrábět zobrazovače ve vícebarevném provedení, nejprve RGY (červená, zelená, žlutá), s možností částečného generování barevného spektra (chybí modrá) a později i RGB (červená, zelená, modrá) s možností generování úplného barevného spektra.

V jednoduchém případě můžeme barevné LED diody řídit v podstatě staticky, kdy rozsvítíme jen některou z nich nebo jich rozsvítíme více současně. U zobrazovače s LED diodami RGB takto dosáhneme 7 barevných kombinací (8 nesvítí, je zhasnuto). Příklad zapojení pro jeden zobrazovač je uveden na obrázku 5.

Obrázek 5
Jednoduché barevné kombinace RGB.

Diagram aktivace signálu ENABLE pro jednoduchého řízení 7 barev zobrazovače s RGB LED diodami je zobrazen na obrázku 6a.

Obrázek 6a
Jednoduché barevné řízení RGB.

Pokud ale máme k dispozici generátor PWM můžeme nejen řídit jas jednotlivých RGB LED diod ale i jejich vzájemným poměrem intenzity můžeme docílit i širšího barevného spektra. Pro tento případ je na obrázku 6b znázorněn časový diagram řízení, konkrétně pro červenou a zelenou LED diodu.

Obrázek 6b
Řízení barev R/G s využitím PWM.

Pokud pro řízení použijeme 4 bity pro každou z barev, viz příklad řízení spotřeby, dosáhneme toho, že u každé barvy budeme moci nastavit 5 intenzit svitu LED diody (včetně stavu zhasnuto), v kombinaci 3 barev RGB je tedy potom možno generovat 125 barevných odstínů, což například pro informační panely více jak vyhovuje. Podobně je možno realizovat řízení barev u graficky orientovaných maticových zobrazovačů. Řízení je ale náročnější, protože řídíme každý bod znaku samostatně.

Celé barevné spektrum je znázorněno na obrázku 6c.

Obrázek 6c
Barevné spektrum.