RU45838U1

RU45838U1 - LED SYSTEM FOR LIQUID CRYSTAL INDICATOR

Info

Publication number: RU45838U1
Application number: RU2005106835/22U
Authority: RU
Inventors: В.А. Годунов; Д.А. Третьяков; Л.Ю. Харбергер; Е.В. Мещеряков; И.А. Тулаев
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Транзас"
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2005-05-27

Abstract

Полезная модель направлена на увеличение яркости, равномерности и стабильности свечения жидкокристаллического индикатора. Указанный технический результат достигается тем, что светодиодная система для подсветки жидкокристаллического индикатора содержит световодную пластину, два оптических излучателя (ОИ), расположенных вдоль противоположных граней световодной пластины. Каждый ОИ состоит из основания и N светодиодов, расставленных так, что оптические оси светодиодов первого ОИ внутри световодной пластины не совпадают с оптическими осями светодиодов второго ОИ. Основание каждого ОИ выполнено из жесткого теплопроводящего материала в форме вытянутого прямоугольного параллелепипеда, на продольной грани которого закреплена теплопроводящая диэлектрическая подложка с проводящим слоем, который разделен на N+1 изолированных друг от друга контактных площадок, между которыми установлены светодиоды, с подключением выводов светодиодов к соседним контактным площадкам. Диаграмма направленности излучения светодиодов соответствует угловой апертуре световодной пластины. Контактные площадки в промежутках между светодиодами покрыты слоем диффузно отражающего материала. Светодиоды каждого ОИ по питанию объединены в М групп, в каждой из которых светодиоды включены последовательно и запитаны от раздельных выходов блока управления режимами ОИ. Блок управления режимами ОИ содержит датчик температуры, установленный на основании ОИ, регулятор яркости, 2 М регуляторов тока и блок формирования режимов ОИ с их связями. В светодиодной системе более полно используется световой поток светодиодов путем согласования угловых апертур светодиодов и световодной пластины и покрытия промежутков между светодиодами слоем диффузно отражающего материала, а также обеспечивается временная и температурная стабилизация светового потока.The utility model is aimed at increasing the brightness, uniformity and stability of the glow of the liquid crystal indicator. The specified technical result is achieved in that the LED system for illuminating the liquid crystal indicator comprises a light guide plate, two optical emitters (OI) located along opposite sides of the light guide plate. Each OI consists of a base and N LEDs arranged so that the optical axis of the LEDs of the first OI inside the light guide plate do not coincide with the optical axis of the LEDs of the second OI. The base of each RI is made of rigid heat-conducting material in the form of an elongated rectangular parallelepiped, on the longitudinal side of which a heat-conducting dielectric substrate is fixed with a conductive layer, which is divided into N + 1 contact pads isolated from each other, between which LEDs are installed, connecting the leads of the LEDs to neighboring contact pads. The radiation pattern of the LEDs corresponds to the angular aperture of the light guide plate. The pads in the spaces between the LEDs are covered with a layer of diffusely reflecting material. The LEDs of each power supply are combined into M groups, in each of which the LEDs are connected in series and are powered from separate outputs of the control unit of the operating modes of the power supply. The OI mode control unit contains a temperature sensor mounted on the basis of the OI, a brightness regulator, 2 M current regulators and a unit for generating OI modes with their connections. In the LED system, the light flux of the LEDs is more fully used by matching the angular apertures of the LEDs and the light guide plate and covering the gaps between the LEDs with a layer of diffusely reflecting material, and also provides temporary and temperature stabilization of the light flux.

Description

Полезная модель относится к технике систем для подсветки жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) пропускающего типа и может быть использована преимущественно в малогабаритных бортовых индикаторах, работающих в экстремальных условиях.The utility model relates to the technique of systems for illuminating liquid crystal indicators (LCDs) of a transmissive type and can be used primarily in small-sized on-board indicators operating in extreme conditions.

Системы для подсветки ЖКИ на основе светодиодов более устойчивы к температурным, вибрационным и ударным воздействиям, благодаря чему получают все большее распространение в бортовых индикаторах, предназначенных для применения на летательных аппаратах, морских судах и других объектах, где требуются высокие показатели яркости, прочности конструкции и термостойкости.Systems for backlighting LCDs based on LEDs are more resistant to temperature, vibration and shock, which is why they are becoming more common in on-board indicators designed for use on aircraft, marine vessels and other objects where high brightness, structural strength and heat resistance are required .

Известны светодиодные системы для подсвета ЖКИ, отличающиеся разным конструктивным построением (US 2004228107, МПК F 21 V 7/04, 2004; US 2004008474, МПК G 06 F 1/116, G 02 F 1/1333, 2004; WO 03021565, МПК G 09 G 3/34, 2003).There are known LED systems for backlighting LCDs, which differ in different structural designs (US 2004228107, IPC F 21 V 7/04, 2004; US 2004008474, IPC G 06 F 1/116, G 02 F 1/1333, 2004; WO 03021565, IPC G 09 G 3/34, 2003).

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату является светодиодная система подсветки по патенту (JP 2004079488, МПК F 21 V 8/00, G 02 B 6/00, G 02 F 1/13357, 2004), которая содержит световодную пластину, два оптических излучателя (ОИ), расположенных вдоль противоположных граней световодной пластины, причем каждый ОИ состоит из основания и некоторого количества светодиодов, расставленных так, что оптические оси светодиодов первого ОИ внутри световодной пластины не совпадает с оптическими осями светодиодов второго ОИ. Световодная пластина обеспечивает гомогенизацию и излучение света, падающего на поверхности, расположенные на двух противоположных гранях, в направлении, перпендикулярном плоскости пластины. В указанной светодиодной системе подсветки частично решена проблема по обеспечению однородности распределения светового потока на поверхности ЖКИ.Closest to the claimed utility model in technical essence and the technical result achieved is the LED backlight system according to the patent (JP 2004079488, IPC F 21 V 8/00, G 02 B 6/00, G 02 F 1/13357, 2004), which contains a light guide plate, two optical emitters (OI) located along opposite sides of the light guide plate, each OI consisting of a base and a number of LEDs arranged so that the optical axis of the LEDs of the first OI inside the light guide plate does not coincide with the optical axes of the light odiodov second OI. The light guide plate provides homogenization and emission of light incident on the surface located on two opposite faces in a direction perpendicular to the plane of the plate. In the indicated LED backlight system, the problem of ensuring uniform distribution of the light flux on the surface of the LCD is partially solved.

Задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в увеличении яркости, равномерности и стабильности свечения ЖКИ.The problem, which this utility model is aimed at, is to increase the brightness, uniformity and stability of the LCD.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящей полезной модели, заключается в создании светодиодной системы подсветки ЖКИ с более широкими функциональными возможностями: повышении яркости и однородности The technical result achieved by using this utility model is to create an LED LCD backlight system with wider functionality: increasing brightness and uniformity

распределения светового потока на поверхности ЖКИ, его временной и температурной стабильности.distribution of the light flux on the surface of the LCD, its temporal and temperature stability.

Поставленная задача с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в светодиодной системе для подсветки жидкокристаллического индикатора, содержащей световодную пластину, два оптических излучателя (ОИ), расположенных вдоль противоположных граней световодной пластины, причем каждый ОИ состоит из основания и N светодиодов, расставленных так, что оптические оси светодиодов первого ОИ внутри световодной пластины не совпадают с оптическими осями светодиодов второго ОИ, основание каждого ОИ выполнено из жесткого теплопроводящего материала в форме вытянутого прямоугольного параллелепипеда, на продольной грани которого закреплена теплопроводящая диэлектрическая подложка с проводящим слоем, который разделен на N+1 изолированных друг от друга контактных площадок, между которыми установлены светодиоды, диаграмма направленности излучения которых соответствует угловой апертуре световодной пластины, с подключением выводов светодиодов к соседним контактным площадкам, контактные площадки в промежутках между светодиодами покрыты слоем диффузно отражающего материала, светодиоды каждого ОИ по питанию объединены в М групп, в каждой из которых светодиоды включены последовательно и запитаны от раздельных выходов блока управления режимами ОИ, который содержит датчик температуры, установленный на основании ОИ, регулятор яркости, 2 М регуляторов тока и блок формирования режимов ОИ, при этом выход регулятора яркости и выход датчика температуры соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования режимов ОИ, третий вход-выход которого соединен двухсторонней связью с входами 2 М регуляторов тока, выходы которых являются выходами блока управления режимами ОИ.The problem is achieved with the achievement of the above technical result is solved by the fact that in the LED system for illumination of the liquid crystal indicator containing the light guide plate, two optical emitters (OI) located along opposite sides of the light guide plate, and each OI consists of a base and N LEDs arranged so that the optical axis of the LEDs of the first OI inside the light guide plate do not coincide with the optical axis of the LEDs of the second OI, the base of each OI is made of hard a heat-conducting material in the form of an elongated rectangular parallelepiped, on the longitudinal side of which a heat-conducting dielectric substrate with a conductive layer is fixed, which is divided into N + 1 contact pads isolated from each other, LEDs are installed between them, the radiation pattern of which corresponds to the angular aperture of the light guide plate, with connection the leads of the LEDs to adjacent contact pads, the contact pads in the gaps between the LEDs are coated diffusely from of the pressing material, the LEDs of each power supply are combined into M groups, in each of which the LEDs are connected in series and are powered from separate outputs of the operation mode control unit of the power supply, which contains a temperature sensor installed on the basis of the power supply, a brightness regulator, 2 M current regulators and a formation unit OI modes, while the output of the brightness controller and the output of the temperature sensor are connected respectively to the first and second inputs of the unit for generating OI modes, the third input-output of which is connected by a two-way communication with the input Ami 2 M current regulators, the outputs of which are the outputs of the control unit modes OI.

Технический результат достигается также тем, что количество светодиодов N, установленных в каждом ОИ, рассчитывают по формуле:The technical result is also achieved by the fact that the number of LEDs N installed in each OI is calculated by the formula:

а количество групп светодиодов М рассчитывают по формуле:and the number of LED groups M is calculated by the formula:

где: L₀ - заданная яркость свечения светодиодной системы подсвета ЖКИ [кд/м²];where: L ₀ - the specified brightness of the LED backlight LCD [cd / m ² ];

S - площадь светоизлучающей поверхности световодной пластины [м²];S is the area of the light emitting surface of the light guide plate [m ² ];

I_LCD - интенсивность излучения одного светодиода [кд];I _LCD - radiation intensity of one LED [cd];

N - количество последовательно включенных светодиодов в группе.N is the number of LEDs in series in the group.

Повышение яркости и однородности распределения светового потока по полю ЖКИ обеспечивается за счет более полного использования светового потока светодиодов путем согласования световых апертур светодиодов и световодной пластины и использования слоев диффузно отражающего материала, а также временной и температурной стабилизации тока светодиодов.Increasing the brightness and uniformity of the distribution of the light flux over the LCD field is ensured by making fuller use of the light flux of the LEDs by matching the light apertures of the LEDs and the light guide plate and using layers of diffusely reflecting material, as well as temporary and temperature stabilization of the LED current.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено:The utility model is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - взаимное расположение световодной пластины и оптических излучателей;figure 1 - the relative position of the light guide plate and optical emitters;

на фиг.2 - конструкция оптического излучателя;figure 2 - design of the optical emitter;

на фиг.3 - структурная электрическая схема блока управления режимами ОИ.figure 3 is a structural electrical diagram of a control unit of the modes of OI.

Световодная система (фиг.1) содержит световодную пластину 1, имеющую на стороне, противоположной направлению излучения, сформированный рельеф, обеспечивающий выход излучения из пластины в направлении, перпендикулярном к поверхности пластины. Первый ОИ 2 и второй ОИ 3 расположены вдоль противоположных граней световодной пластины 1. Каждый ОИ 2 и 3 содержит (фиг.2) основание 4, которое выполнено из жесткого теплопроводящего материала в форме вытянутого прямоугольного параллелепипеда, на продольной грани которого закреплена диэлектрическая подложка 7 с проводящим слоем 8. Проводящий слой 8 разделен на N+1 контактных площадок, между которыми установлены светодиоды 5-1...5-N (6-1...6-N), выводы которых подключены к соседним контактным площадкам 9-1...9-(N+1). Светодиоды 5 на первом ОИ 2 и светодиоды 6 на втором ОИ 3 расставлены так, что оптические оси светодиодов 5 первого ОИ 2 расположены между оптическими осями светодиодов 6 второго ОИ 3.The light guide system (Fig. 1) comprises a light guide plate 1 having a relief formed on the side opposite to the radiation direction, providing radiation to exit the plate in a direction perpendicular to the surface of the plate. The first OI 2 and the second OI 3 are located along opposite sides of the light guide plate 1. Each OI 2 and 3 contains (Fig. 2) a base 4, which is made of a rigid heat-conducting material in the form of an elongated rectangular parallelepiped, on the longitudinal face of which a dielectric substrate 7 is fixed conductive layer 8. The conductive layer 8 is divided into N + 1 contact pads, between which LEDs 5-1 ... 5-N (6-1 ... 6-N) are installed, the terminals of which are connected to adjacent contact pads 9-1 ... 9- (N + 1). The LEDs 5 on the first OI 2 and the LEDs 6 on the second OI 3 are arranged so that the optical axis of the LEDs 5 of the first OI 2 are located between the optical axes of the LEDs 6 of the second OI 3.

Контактные площадки 9 в промежутках между светодиодами покрыты слоем диффузно отражающего материала 10.The contact pads 9 in the spaces between the LEDs are covered with a layer of diffusely reflecting material 10.

Светодиоды каждого ОИ по питанию объединены в М групп, в каждой из которых светодиоды включены последовательно и запитаны от раздельных выходов блока 12 управления режимами ОИ. Количество светодиодов, установленных в каждом ОИ 2 и 3, рассчитывают по формуле (1), а количество групп светодиодов - по формуле (2).The LEDs of each power supply OI are combined in M groups, in each of which the LEDs are connected in series and are powered from separate outputs of the OI mode control unit 12. The number of LEDs installed in each OI 2 and 3 is calculated by the formula (1), and the number of LED groups is calculated by the formula (2).

Блок 12 содержит датчик 11 температуры, установленной на основании 4 одного из ОИ, регулятор 13 яркости, 2 М регуляторов 15 тока и блок 14 формирования режимов Block 12 contains a temperature sensor 11 installed on the base 4 of one of the OIs, a brightness regulator 13, 2 M current regulators 15, and a mode formation unit 14

ОИ. Выход датчика 11 температуры и выход регулятора 13 яркости соединены соответственно с первым и вторым входами блока 14 формирования режимов ОИ, третий вход-выход которого соединен двухсторонней связью с входами 2 М регуляторов 15 тока, выходы которых являются выходами блока 12.OI. The output of the temperature sensor 11 and the output of the brightness controller 13 are connected respectively to the first and second inputs of the OI mode generation unit 14, the third input-output of which is connected by two-way communication with the inputs of 2 M current regulators 15, the outputs of which are the outputs of block 12.

Датчик 11 температуры, установленный на основании 4 из теплопроводящего материала, практически измеряет температуру свето диодов.The temperature sensor 11, mounted on the base 4 of a heat-conducting material, practically measures the temperature of the LEDs.

Провода питания групп светодиодов от блока 12 подключены к контактным площадкам, например, через отверстия в основании и подложке.The power wires of groups of LEDs from block 12 are connected to the contact pads, for example, through holes in the base and substrate.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В ЖКИ пропускающего типа свет, излучаемый системой подсветки, поступает сквозь жидкокристаллическую панель с задней стороны. Для этого система подсвета содержит световодную пластину 1, которая при освещении ее с торцов оптическими излучателями 2 и 3 обеспечивает гомогенизацию и излучение света в направлении, перпендикулярном плоскости пластины. Более полное использование излучаемого светодиодами светового потока обеспечивается за счет согласования угловых апертур светодиодов и световодной пластины, а также за счет удержания светового потока в световодной пластине при многократных переотражениях от слоев диффузно отражающего материала 10. Однородность распределения светового потока по полю ЖКИ обеспечивается за счет смещения оптических осей светодиодов первого ОИ 2 и ОИ 3 в световодной пластине, а также за счет одинаковой яркости свечения светодиодов.In a transmissive LCD, the light emitted from the backlight system enters through the liquid crystal panel from the rear. For this, the illumination system comprises a light guide plate 1, which, when illuminated from its ends by optical emitters 2 and 3, provides homogenization and light emission in a direction perpendicular to the plane of the plate. A more complete use of the light flux emitted by the LEDs is ensured by matching the angular apertures of the LEDs and the light guide plate, as well as by holding the light flux in the light guide plate during repeated reflections from layers of diffusely reflecting material 10. The uniformity of the distribution of the light flux over the LCD field is ensured by optical displacement the axes of the LEDs of the first OI 2 and OI 3 in the light guide plate, and also due to the same brightness of the LEDs.

Современные светодиоды белого цвета создают интенсивность излучения от 1 до 40 кд в зависимости от типа светодиода. Для получения светового потока системы подсветки, который обеспечивает уровень яркости свечения ЖКИ пропускающего типа, достаточный для восприятия изображения в условиях прямой солнечной засветки, требуется количество светодиодов N, установленных в каждом ОИ 2 и 3, которое рассчитывают по формуле 1. Так, например, для обеспечения яркости свечения системы подсветки L₀=10000 кд/м² при интенсивности свечения одного светодиода I_LCD=5 кд (например, светодиод типа EP204K-150RD2) и площади светоизлучающей поверхности пластины, соответствующей 6-ти дюймовому индикатору, требуется не менее 10 светодиодов в каждом ОИ.Modern white LEDs create a radiation intensity of 1 to 40 cd depending on the type of LED. To obtain the luminous flux of the illumination system, which provides a luminance level of a transmitting type LCD glow sufficient for image perception under direct solar illumination, the number of LEDs N installed in each OI 2 and 3, which is calculated by formula 1, is required. For example, for providing backlight system luminescence L ₀ = 10000 cd / m ² at a single LED luminescence intensity I _LCD = 5 kd (e.g., LED type EP204K-150RD2) and the light emitting surface area of the plate corresponding to 6-inch in indicator, it takes at least 10 LEDs in each Olympic Games.

Одинаковая яркость свечения светодиодов обеспечивается за счет равенства токов, протекающих через светодиоды, при их последовательном включении. Питание светодиодов и стабилизация тока обеспечивается регуляторами 15 тока. Необходимость The same brightness of the LEDs is provided due to the equality of the currents flowing through the LEDs, when they are sequentially turned on. Power LEDs and current stabilization is provided by the current regulators 15. Necessity

разбиения светодиодов на М групп и их подключение к отдельным М регуляторам 15 тока связана с ограниченными возможностями выпускаемых промышленностью регуляторов тока. Регуляторы тока (например, DC/DC конвертор LT 1618) обеспечивают питание до 6 последовательно включенных светодиодов. В рассматриваемом примере М=2.dividing the LEDs into M groups and connecting them to individual M current regulators 15 is associated with the limited capabilities of current regulators manufactured by the industry. Current regulators (for example, DC / DC converter LT 1618) provide power to 6 LEDs connected in series. In this example, M = 2.

Управляющее напряжение, поступающее на вход регуляторов 15 тока, формируется в блоке 14, который может быть выполнен на универсальном микроконтроллере, и определяется положением регулятора 13 яркости и датчика 11 температуры, измеряющего температуру светодиодов, что обеспечивает регулировку яркости и температурную стабилизацию светового излучения системы подсветки.The control voltage supplied to the input of the current regulators 15 is formed in block 14, which can be performed on a universal microcontroller, and is determined by the position of the brightness regulator 13 and the temperature sensor 11, which measures the temperature of the LEDs, which provides brightness control and temperature stabilization of the light radiation from the backlight system.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, подтвержден экспериментально. При применении в 6-ти дюймовом ЖКИ заявляемой светодиодной подсветки с 12-ю светодиодами в каждом ОИ 2 и ОИ 3, вместо системы подсветки на основе 2-х флюоресцентных ламп с холодным катодом, обеспечивается увеличение яркости излучения ЖКИ в 1,5 раза при меньшей на 20% потребляемой мощности. При этом обеспечивается лучшая равномерность яркости по полю ЖКИ со спадом в переферийных областях не более 10%.The technical result achieved by the implementation of the claimed utility model is confirmed experimentally. When using the claimed LED backlight with 12 LEDs in each OI 2 and OI 3 in a 6-inch LCD, instead of the backlight system based on 2 fluorescent lamps with a cold cathode, an increase in the brightness of the LCD radiation by 1.5 times is provided at a lower at 20% of power consumption. This ensures the best uniformity of brightness across the LCD field with a decrease in peripheral areas of not more than 10%.

Таким образом, при осуществлении заявляемой полезной модели обеспечивается повышение яркости и однородности распределения светового потока по полю ЖКИ, его временная и температурная стабилизация.Thus, the implementation of the claimed utility model provides an increase in the brightness and uniformity of the distribution of the light flux over the field of the LCD, its temporary and temperature stabilization.

Claims

1. An LED system for illuminating a liquid crystal indicator comprising a light guide plate, two optical emitters (OI) located along opposite sides of the light guide plate, each OI consisting of a base and N LEDs arranged so that the optical axis of the LEDs of the first OI inside the light guide plate is not coincide with the optical axis of the LEDs of the second OI, characterized in that the base of each OI is made of hard heat-conducting material in the form of an elongated rectangular parallel a piped, on the longitudinal side of which a heat-conducting dielectric substrate with a conductive layer is fixed, which is divided into N + 1 contact pads isolated from each other, LEDs are installed between them, the radiation pattern of which corresponds to the angular aperture of the light guide plate, with the leads of the LEDs connected to adjacent contact pads , the contact pads in the spaces between the LEDs are covered with a layer of diffusely reflecting material, the LEDs of each power supply integrated into a M group n, in each of which the LEDs are connected in series and are powered from separate outputs of the OI mode control unit, which contains a temperature sensor installed on the basis of the OI, a brightness regulator, 2 M current regulators and a unit for generating OI modes, while the temperature sensor output and the controller output the brightness is connected respectively to the first and second inputs of the block forming the OI modes, the third input-output of which is connected by two-way communication with the inputs of 2 M current regulators, the outputs of which are outputs of the control unit OI modes.

2. The LED system according to claim 1, characterized in that the number of LEDs N installed in each OI is calculated by the formula

and the number of LED groups M is calculated by the formula

where L ₀ - the specified brightness of the LED backlight system LCD, cd / m ² ;

S is the area of the light-emitting surface of the light guide plate, m ² ;

I _LCD - radiation intensity of one LED, cd;

N _gr - the number of LEDs in series in the group.