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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung sowie ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Anzeigevorrichtung mit einer Hintergrundbeleuchtung und ein Verfahren zum Kalibrieren einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung.
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LED-Lichtquellen (LED: Light Emitting Diode; Leuchtdiode) in TFT-Displays (TFT: Thin-Film Transistor; Dünnschichttransistor) werden heute mittels Stromregelung betrieben. Eine Versorgungsspannung versorgt einen Strang von 1 bis typisch 10 LEDs. Für jeden Strang ist dabei eine eigene Stromregelung vorgesehen. Für die Regelung wird eine Stromregelspannung benötigt, die im Gerät eine Verlustleistung verursacht. Diese führt zu einer Wärmebelastung im Gerät, die die maximale Ausleuchtung, bzw. die maximale Temperatur beeinflusst. Bei einer Matrix-Hintergrundbeleuchtung (Matrix Backlight) mit lokalem Dimmen (Local Dimming) muss jede LED separat angesteuert werden. Dadurch werden überproportional Verluste in der Ansteuerung verursacht, welche die thermische Performanz deutlich negativ beeinflussen.
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Je Regelschleife wird typischerweise ein Spannungszuschlag zwischen 0,4 V und 1,0 V für die Stromregelung benötigt. Zusammen mit dem Betriebsstrom ergibt sich die aus der Regelung resultierende Verlustleistung. Mittels einer Leistungssteuerung durch gepulsten Überstrom lässt sich die Verlustleistung in einem gewissen Umfang beeinflussen. Dabei wird z.B. die Ansteuerzeit halbiert und der Strom verdoppelt, womit die gleiche Leistung in den LEDs umgesetzt und abgestrahlt wird. Dadurch wird nur die Hälfte der Stromregelungen benötigt, es werden aber zwei zusätzliche Schalter erforderlich. Bei einer Matrix-Hintergrundbeleuchtung entstehen aber selbst bei Nutzung der beschriebenen Leistungssteuerung durch gepulsten Überstrom immer noch Verlustleistungen von 6 W bis 10 W. Dies sind im Vergleich zur LED-Verlustleistung ca. 20-30% der Gesamtverlustleistung. Die Anzahl der LED-Stränge und die pro LED-Strang durch den Stromtreiber erzeugte Verlustleistung erzeugt eine hohe thermische Belastung des Gerätes. Die angeführten Werte stammen aus Beispielberechnungen von Hintergrundbeleuchtungen mit 240-600 LEDs.
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Parallele LEDs ohne einzelne Regelschleifen können nicht ohne weiteres in Displays verwendet werden, da die individuellen Produktionstoleranzen zu unterschiedlichen Helligkeiten führen. Die Beleuchtungshomogenität ist hierdurch stark beeinträchtigt. Es gibt derzeit keine preisgünstigen Lösungen zur Ansteuerung mehrerer paralleler LEDs ohne Verlustleistung.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Lösungen für eine Reduzierung der Verlustleistung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5, durch ein Computerprogramm mit Instruktionen gemäß Anspruch 7, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch eine Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung zwei oder mehr auf einer Leiterplatte angeordnete Leuchtelemente und eine Regelung für die zwei oder mehr Leuchtelemente auf, wobei die Regelung für jedes der zwei oder mehr Leuchtelemente einen Schalter zum Einschalten und Ausschalten des zugehörigen Leuchtelements aufweist. Mittels der Schalter kann eine Einschaltdauer der zwei oder mehr Leuchtelemente gesteuert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung die Schritte:
- - Bestimmen von Helligkeitswerten für zwei oder mehr Leuchtelemente der Hintergrundbeleuchtung;
- - Berechnen von Einschaltdauern für die zwei oder mehr Leuchtelemente auf Basis der Helligkeitswerte; und
- - Ansteuern von Schaltern der Hintergrundbeleuchtung für die zwei oder mehr Leuchtelemente entsprechend den berechneten Einschaltdauern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der folgenden Schritte zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung veranlassen:
- - Bestimmen von Helligkeitswerten für zwei oder mehr Leuchtelemente der Hintergrundbeleuchtung;
- - Berechnen von Einschaltdauern für die zwei oder mehr Leuchtelemente auf Basis der Helligkeitswerte; und
- - Ansteuern von Schaltern der Hintergrundbeleuchtung für die zwei oder mehr Leuchtelemente entsprechend den berechneten Einschaltdauern.
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Der Begriff Computer ist dabei breit zu verstehen. Insbesondere umfasst er auch SoCs (SoC: System-on-a-Chip; Ein-Chip-System) und andere prozessorbasierte Datenverarbe itu ngsvorrichtungen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung auf:
- - eine Recheneinheit zum Bestimmen von Helligkeitswerten für zwei oder mehr Leuchtelemente der Hintergrundbeleuchtung und zum Berechnen von Einschaltdauern für die zwei oder mehr Leuchtelemente auf Basis der Helligkeitswerte; und
- - eine Steuereinheit zum Ansteuern von Schaltern der Hintergrundbeleuchtung für die zwei oder mehr Leuchtelemente entsprechend den berechneten Einschaltdauern.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden alle Leuchtelemente der Hintergrundbeleuchtung parallel mittels zumindest einer Spannungsversorgung betrieben. Mit einem einfachen digitalen Schalter kann jedes Leuchtelement einzeln angesteuert werden. Dies reduziert die Kosten der Ansteuerung deutlich. Durch die digitale Ansteuerung entfällt die thermische Belastung der bisher genutzten einzelnen Treiber mit Stromsenke. Dies entspannt die thermische Belastung des Produktes erheblich und reduziert daher den erforderlichen mechanischen Aufwand zur Abfuhr der Wärme. Insbesondere kann auf eine aktive Kühlung verzichtet werden, welche mit hohen Kosten und einem gewissen Risiko verbunden ist. Die Verlustleistung wird durch die erfindungsgemäße Lösung auf ca. 10% der beim Stand der Technik typischen Verlustleistung reduziert, die bei den aktuellen Konzepten für Matrix-Hintergrundbeleuchtungen im Falle eines Weißbildes bei ca. 10 W liegt. Zur Reduzierung von kurzfristigen Überbestromungen kann ein Widerstand, z.B. in Form eines Bauteils, einer Paste oder der Leiterbahnen, hinzugefügt werden. Bei den Leuchtelementen kann es sich insbesondere um LEDs handeln.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Schalter zusammen mit den zwei oder mehr Leuchtelementen auf der Leiterplatte angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die gesamten erforderlichen elektronischen Bauteile auf einer einzigen Leiterplatte zusammengefasst werden können. Dadurch reduzieren sich die Herstellungskosten, da nicht mehrere Leiterplatten separat hergestellt und dann zusammen verbaut werden müssen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Hintergrundbeleuchtung eine Speichereinheit auf, in der Kalibrierungsdaten für die zwei oder mehr Leuchtelemente abgelegt sind. Diese Kalibrierungsdaten werden beim Berechnen der Einschaltdauern für die zwei oder mehr Leuchtelemente berücksichtigt. Die Verwendung von Kalibrierungsdaten hat den Vorteil, dass Toleranzen der Leuchtelemente, die zu Abweichungen in der Helligkeit führen können, kompensiert werden können. Dazu wird lediglich im Rahmen der Fertigung eine Kalibrierung durchgeführt, bei der die Toleranzen erfasst und in Form von Kalibrierungsdaten in der Hintergrundbeleuchtung abgelegt werden.
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Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße Hintergrundbeleuchtung, ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Anzeigevorrichtung genutzt. Eine solche Anzeigevorrichtung weist eine reduzierte Ansteuerungsverlustleistung auf. Dies verringert zugleich den zur Wärmeabfuhr der Verlustleistung erforderlichen Aufwand. Ein weiterer Vorteil besteht in der deutlichen Reduktion der Kosten der Ansteuerung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Kalibrieren einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung die Schritte:
- - Messen von Helligkeitswerten der zwei oder mehr Leuchtelemente der Hintergrundbeleuchtung; und
- - Abgleichen der zwei oder mehr Leuchtelemente auf Basis der gemessenen Helligkeitswerte.
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Die Helligkeit der Leuchtelemente der Hintergrundbeleuchtung, insbesondere im Falle von LEDs, unterliegt deutlichen Produktionsschwankungen. Um diese Toleranzen zu berücksichtigen, erfolgt im Rahmen der Produktion eine Unterteilung der Leuchtelemente in Helligkeitsklassen und Vorwärtsspannungsklassen. Für eine gegebene Helligkeitsklasse weisen die Vorwärtsspannungsklassen dennoch Toleranzen von ca. 0,1 V auf. Eine feinere Einteilung der Vorwärtsspannungsklassen und damit eine Reduzierung der Toleranzen auf Werte <0,1 V, idealerweise <50 mV, wäre sinnvoll, um den für den Abgleich erforderlichen Aufwand zu reduzieren.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden zum Abgleichen der zwei oder mehr Leuchtelemente Toleranzen der Leuchtelemente erfasst und in Form von Kalibrierungsdaten in eine Speichereinheit geschrieben. Bei diesem Ansatz wird im Rahmen der Fertigung ein Abgleich per Software durchgeführt. Dabei werden Kalibrierungsdaten aufgenommen und in einer Speichereinheit der Hintergrundbeleuchtung abgelegt. Die Speichereinheit kann beispielsweise Bestandteil der Komponente sein, die die für das lokale Dimmen erforderlichen Berechnungen durchführt, z.B. ein Controller, ein FPGA (FPGA: Field Programmable Gate Array; benutzerprogrammierbares Gatterfeld) oder ein ASIC (ASIC: Application-Specific Integrated Circuit; anwendungsspezifische integrierte Schaltung). Als weitere Möglichkeit kann die Speichereinheit dieser Komponente lediglich zugeordnet sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird zum Abgleichen der zwei oder mehr Leuchtelemente zumindest eine elektronische Komponente der Hintergrundbeleuchtung getrimmt. Bei diesem Ansatz erfolgt ein physischer Abgleich in der Hardware der Hintergrundbeleuchtung. Im Rahmen der Fertigung wird eine Vermessung der Leuchtelemente vorgenommen. Nach der Vermessung werden elektronische Komponenten auf der Leiterplatte der Hintergrundbeleuchtung getrimmt. Beispielsweise können mittels Lasertrimmen Widerstandselemente auf der Leiterplatte bearbeitet werden. Natürlich können auch andere Arten eines physischen Abgleichs genutzt werden, z.B. eine Widerstandsanpassung durch anodische Oxidation. Durch das Trimmen wird erreicht, dass alle Leuchtelemente mit demselben Strom betrieben werden können.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung;
- 2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung;
- 3 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung;
- 4 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung;
- 5 zeigt schematisch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung;
- 6 zeigt schematisch ein Abgleichen von Leuchtelementen durch Speichern von Kalibrierungsdaten; und
- 7 zeigt schematisch ein Abgleichen von Leuchtelementen durch Trimmen von elektronischen Komponenten.
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Figurenbeschreibung
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Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
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1 zeigt schematisch eine Hintergrundbeleuchtung 1 für eine Anzeigevorrichtung 2. Die Anzeigevorrichtung 2 ist lediglich durch die gestrichelten Linien angedeutet. Auf einer Leiterplatte 10 sind eine Vielzahl von Leuchtelementen 11 angeordnet. Die Leuchtelemente 11 werden durch eine Regelung 12 gesteuert, die für jedes der Leuchtelemente 11 einen Schalter 13 zum Einschalten und Ausschalten des zugehörigen Leuchtelements 11 aufweist. Die Schalter 13 sind in diesem Beispiel zusammen mit den Leuchtelementen 11 auf der Leiterplatte 10 angeordnet und werden über eine Steuerleitung 16 angesteuert. Optional ist eine Speichereinheit 14 vorgesehen, in der Kalibrierungsdaten für die Leuchtelemente 11 abgelegt sind. Im elektrischen Pfad der Leuchtelemente 11 befinden sich weitere elektronische Komponenten 15, z.B. Widerstände.
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2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung. In einem ersten Schritt werden Helligkeitswerte für zwei oder mehr Leuchtelemente der Hintergrundbeleuchtung bestimmt 20. Auf Basis der Helligkeitswerte werden dann Einschaltdauern für die zwei oder mehr Leuchtelemente berechnet 21. Dabei können Kalibrierungsdaten für die zwei oder mehr Leuchtelemente berücksichtigt werden. Schließlich werden Schalter der Hintergrundbeleuchtung für die zwei oder mehr Leuchtelemente entsprechend den berechneten Einschaltdauern angesteuert 22.
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3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 30 zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung. Die Vorrichtung 30 hat einen Eingang 31, über den z.B. Informationen zu von der Anzeigevorrichtung anzuzeigenden Bildinhalten empfangen werden können. Eine Recheneinheit 32 bestimmt Helligkeitswerte für zwei oder mehr Leuchtelemente der Hintergrundbeleuchtung. Zudem berechnet die Recheneinheit 32 Einschaltdauern für die zwei oder mehr Leuchtelemente auf Basis der Helligkeitswerte. Dabei kann die Recheneinheit 32 Kalibrierungsdaten für die zwei oder mehr Leuchtelemente berücksichtigen, die z.B. in einem Speicher 35 der Vorrichtung 30 abgelegt sein können. Entsprechend den berechneten Einschaltdauern steuert eine Steuereinheit 33 Schalter der Hintergrundbeleuchtung für die zwei oder mehr Leuchtelemente. Die dafür erforderlichen Steuersignale können z.B. über einen Ausgang 36 der Vorrichtung 30 ausgegeben werden.
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Die Recheneinheit 32 und die Steuereinheit 33 können von einer Kontrolleinheit 34 gesteuert werden. Über eine Benutzerschnittstelle 37 können gegebenenfalls Einstellungen der Recheneinheit 32, der Steuereinheit 33 oder der Kontrolleinheit 34 geändert werden. Die in der Vorrichtung 30 anfallenden Daten können bei Bedarf im Speicher 35 abgelegt werden, beispielsweise für eine spätere Auswertung oder für eine Nutzung durch die Komponenten der Vorrichtung 30. Die Recheneinheit 32, die Steuereinheit 33 sowie die Kontrolleinheit 34 können als dedizierte Hardware realisiert sein, beispielsweise als integrierte Schaltungen. Natürlich können sie aber auch teilweise oder vollständig kombiniert oder als Software implementiert werden, die auf einem geeigneten Prozessor läuft, beispielsweise auf einer GPU oder einer CPU. Der Eingang 31 und der Ausgang 36 können als getrennte Schnittstellen oder als eine kombinierte bidirektionale Schnittstelle implementiert sein.
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4 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung 40 zur Steuerung einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung. Die Vorrichtung 40 weist einen Prozessor 42 und einen Speicher 41 auf. Beispielsweise handelt es sich bei der Vorrichtung 40 um ein SoC. Im Speicher 41 sind Instruktionen abgelegt, die die Vorrichtung 40 bei Ausführung durch den Prozessor 42 veranlassen, die Schritte gemäß einem der beschriebenen Verfahren auszuführen. Die im Speicher 41 abgelegten Instruktionen verkörpern somit ein durch den Prozessor 42 ausführbares Programm, welches das erfindungsgemäße Verfahren realisiert. Die Vorrichtung 40 hat einen Eingang 43 zum Empfangen von Informationen, insbesondere von Informationen zu von der Anzeigevorrichtung anzuzeigenden Bildinhalten. Vom Prozessor 42 generierte Daten werden über einen Ausgang 44 bereitgestellt. Darüber hinaus können sie im Speicher 41 abgelegt werden. Der Eingang 43 und der Ausgang 44 können zu einer bidirektionalen Schnittstelle zusammengefasst sein.
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Der Prozessor 42 kann eine oder mehrere Prozessoreinheiten umfassen, beispielsweise Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren oder Kombinationen daraus.
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Die Speicher 35, 41 der beschriebenen Vorrichtungen können sowohl volatile als auch nichtvolatile Speicherbereiche aufweisen und unterschiedlichste Speichergeräte und Speichermedien umfassen, beispielsweise Festplatten, optische Speichermedien oder Halbleiterspeicher.
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5 zeigt schematisch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeigevorrichtung. In einem ersten Schritt werden Helligkeitswerte der zwei oder mehr Leuchtelemente der Hintergrundbeleuchtung gemessen 50. Auf Basis der gemessenen Helligkeitswerte werden die zwei oder mehr Leuchtelemente daraufhin abgeglichen 51. Zum Abgleichen 51 der zwei oder mehr Leuchtelemente können beispielsweise Kalibrierungsdaten in eine Speichereinheit der Hintergrundbeleuchtung geschrieben werden 52. Alternativ kann zumindest eine elektronische Komponente der Hintergrundbeleuchtung getrimmt werden 53, z.B. ein Widerstandselement, das für einen konstanten Stromfluss sorgt.
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6 zeigt schematisch ein Abgleichen von Leuchtelementen 11 durch Speichern von Kalibrierungsdaten K. Bei diesem Ansatz erfolgt kein Abgleich in der Hardware der Hintergrundbeleuchtung 1. Stattdessen wird im Rahmen der Fertigung ein Abgleich per Software durchgeführt. Dabei werden Kalibrierungsdaten K erfasst und in einer Speichereinheit 14 der Hintergrundbeleuchtung 1 abgelegt. Die Speichereinheit 14 kann Bestandteil der Komponente sein, die die Berechnungen für das lokale Dimmen durchführt, oder dieser Komponente zugeordnet sein. Beispielsweise kann es sich bei dieser Komponente um einen Controller, ein FPGA oder ein ASIC handeln.
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7 zeigt schematisch ein Abgleichen von Leuchtelementen 11 durch Trimmen von elektronischen Komponenten 15. Bei diesem Ansatz erfolgt ein Abgleich in der Hardware der Hintergrundbeleuchtung 1. Im Rahmen der Fertigung erfolgt eine Vermessung der Leuchtelemente 11. Nach der Vermessung werden elektronische Komponenten 15 auf der Leiterplatte 10 der Hintergrundbeleuchtung 1 getrimmt. Z.B. können unter Verwendung eines Lichtstrahls 18, der von einem Laser 17 erzeugt wird, Widerstandselemente auf der Leiterplatte 10 bearbeitet werden, die für einen konstanten Stromfluss sorgen. Dazu kann durch das Abtragen von Material des Widerstands der Querschnitt des Widerstands verringert und damit der elektrische Widerstand erhöht werden. Durch das Trimmen wird sichergestellt, dass alle Leuchtelemente 11 mit demselben Strom betrieben werden können.
