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Los sistemas de retroiluminación LED en televisores LCD

El presente artículo fue publicado en la revista Electrónica y Servicio Nº 190 de la edición Mexicana, y adaptado para publicar en Comunidad Electrónicos con la autorización del autor y la editorial.
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Introducción

Antes de comenzar, conviene que recordemos que ninguna pantalla LCD produce luz directa al recrear las imágenes.
Entonces, para que las imágenes puedan verse, se requiere de una fuente externa de luz blanca. Esa fuente va colocada en la parte posterior del display. Y de este modo se forma el sistema de retroiluminación o backlight, en el cual se asocian un par de filtros polarizadores de luz. Estos filtros permiten guiar a la luz en los ángulos necesarios para formar las imágenes en su paso por el display LCD (figura 1).

En los primeros televisores de tecnología LCD y hasta años recientes, como fuente de luz blanca se usaba un conjunto de lámparas fluorescentes. Sin embargo, estas lámparas son poco durables; y en cuanto se desgastan, el equipo entra en modo de protección y se apaga. Por todo esto, los diseñadores se vieron obligados a buscar una mejor alternativa; y así, comenzaron a emplearse los diodos emisores de luz blanca de alta luminosidad (figura 3).
El sistema de retroiluminación por LEDs tiene grandes ventajas con respecto a las lámparas fluorescentes de cátodo frío o CCFL.

Los LEDs (Light-Emitting Diodes o Diodos Emisores de Luz), son dispositivos de estado sólido que al conducir una corriente eléctrica en sentido directo emiten fotones de luz. En televisores, esta luz puede ser blanca, roja, azul, verde o amarilla, según se requiera (figura 3).
Los LEDs pueden ser alimentados con tensiones de corriente continua (CC o DC) o de corriente continua pulsante; por ejemplo, señales PWM y PAM (pulsos modulados en anchura y pulsos modulados en amplitud, respectivamente).

Para probar los LEDs de manera estática, se usa el medidor de diodos de cualquier multímetro. Y para probarlos forma dinámica, se les aplica en directo una tensión de trabajo de 3.3 voltios en promedio.
Actualmente, los LEDs se emplean en los sistemas de retroiluminación de televisores LCD. Después de todo, permiten prolongar la vida útil del aparato; y con respecto a las lámparas fluorescentes, disminuyen hasta en un 40% el consumo de energía eléctrica.

Ventajas principales de los LEDs

• Producen luz de alta luminosidad y de color, sin necesidad de usar filtros especiales.
• Se fabrican en muy diversos tamaños.
• Alcanzan su máxima brillantez en microsegundos.
• Fácilmente, se puede hacer variar su nivel de luminosidad.
• Tienen un bajo índice de averías y un largo periodo de vida en comparación con las lámparas CCFL.
• Son resistentes a los golpes
• Su luz es más direccional
• No contienen materiales tóxicos (por ejemplo, mercurio).

Sistemas de retroiluminación de tipo borde lateral y bordes laterales

La disposición de tipo borde (edge) es la más sencilla para que los LEDs puedan lograr la retroiluminación de la pantalla. De este arreglo, se tienen dos variantes principales: borde lateral y bordes laterales.

Disposición de los LEDs en modo de borde lateral (arriba o abajo del display)
Se aplica sobre todo monitores de PC, laptops, celulares, tablets, etc. Se dice que los televisores Sharp de 80 pulgadas ya utilizan este arreglo.

Disposición de los LEDs en modo de bordes laterales
Se aplica principalmente en algunos televisores.

Aplicación
Para distribuir la luz blanca generada por los LEDs en arreglo de tipo borde lateral o de tipo bordes laterales, se emplean unas placas difusoras de acrílico. Y de manera uniforme, estas placas propagan la luz sobre toda la superficie interna de la pantalla de cristal líquido. La luz es visible por el otro lado de la pantalla, es decir, permite formar las imágenes con una gran riqueza de colores (figura 4).
En modo de borde lateral o en modo de bordes laterales, esta retroiluminación se utiliza en sistemas en los que el grosor y la estética son factores fundamentales. Después de todo, permite fabricar pantallas más delgadas, que gozan de la preferencia del público.

Sistemas de retroiluminación directa

Es otra manera de distribuir los LEDs para que puedan realizar eficientemente la retroiluminación de la pantalla. En este caso, en la parte posterior de la pantalla existe una matriz X/Y. En televisores económicos, esta matriz utiliza diodos de luz blanca; y en aparatos de alto costo, la matriz emplea LEDs triples en una disposición RGB (a la que Sony denomina Triluminus).

Global dimming
Los primeros sistemas de retroiluminación directa empleaban una luz blanca cuyas intensidades se controlan en conjunto (global dimming).

Local dimming
Esta variante de retroiluminación directa apareció después de los sistemas global dimming. Como se tiene un control particular o local de cada LED, de forma independiente se puede hacer variar la intensidad de su brillo. Y entonces, mientras un diodo brilla intensamente, otro u otros a su alrededor pueden encontrarse en una condición de mínimo brillo. Esto es útil para realzar el contraste de las imágenes; sobre todo en sus áreas más brillante u oscuras (figura 5).

Esta innovación se observa también en los montajes con LEDs RGB, los cuales pueden ser excitados de forma independiente. Si por ejemplo se excitan todos los LEDs rojos y la luz principal aplicada a la pantalla es roja también, entonces las imágenes de este color adquirirán un tono más intenso que cuando se les aplica una luz blanca. Para continuar con las explicaciones sobre la excitación de los LEDs, vea la figura 6.

Explicación sobre la excitación de los LEDs en el sistema Local Dimming

En los siguientes videos que muestran cómo se controla el grado de excitación o dimming de los diodos de iluminación posterior.

Aquí se muestra una serie de escenas obtenidas de los videos anteriores. Para efectos de demostración, aparece una secuencia simple con la que trata de explicarse la excitación de los LEDs; pueden estar completamente apagados o con un brillo de intensidad media, según la imagen lo demande. Los cuadros A, B, C, D muestran el efecto de la caída de una gota de agua.
En los cuadros E, F, G vemos el desplazamiento, de izquierda a derecha, de un cuadro que por su brillo resalta entre la iluminación media de la pantalla. Y en el cuadro H, tenemos la imagen de una vela roja encendida. En ella se concentra el máximo nivel de luz.

Circuito inverter

Para excitar al conjunto de diodos, se dispone de un circuito DC-DC booster o reforzador (al que, habitualmente, también se le denomina Inverter).
Existen diversas variantes de estos convertidores. Siempre habrá una que corresponda al número de diodos utilizados y al modo en que están distribuidos para realizar la iluminación. Y, tal como dijimos, la distribución de los LEDs depende del nivel de diseño y costo de cada televisor; por ejemplo, el sistema más complejo de retroiluminación directa RGB con local dimming, se usa en los aparatos de mayor avance tecnológico y más alto costo.

Vea en la figura 7 la arquitectura de una tarjeta Inverter Samsung. Está asociada al módulo de la fuente de alimentación que se utiliza en televisores LCD con diodos LED.
En el siguiente artículo de la serie, presentaremos la arquitectura de estas fuentes de alimentación. Esto facilitará el reconocimiento de la tarjeta asociada, ya que generalmente no se dispone de esquemáticos de estas etapas.

Comentarios finales
Para cerrar esta presentación, le recomiendo que sea muy cuidadoso al desarmar un panel LCD de cualquier tipo; de lo contrario, puede causarle daños irreversibles. Utilice guantes de algodón nuevos, para que no deje sus huellas en las placas difusoras y de polarización o en el propio display.

Prof. Francisco Orozco Cuautle
www.electronicayservicio.com

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