что такое уровень шим
Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция
Модуляция – нелинейный электрический процесс, при котором параметры одного сигнала (несущего) изменяются при помощи другого сигнала (модулирующего, информационного). В связной технике широко применяется частотная, амплитудная, фазовая модуляция. В силовой электронике и микропроцессорной технике распространение получила широтно-импульсная модуляция.
Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция)
При широтно-импульсной модуляции исходного сигнала неизменными остаются амплитуда, частота и фаза исходного сигнала. Изменению под действием информационного сигнала подвергается длительность (ширина) прямоугольного импульса. В англоязычной технической литературе обозначается аббревиатурой PWM – pulse-width modulation.
Принцип работы ШИМ
Сигнал, промодулированный по ширине импульса, формируется двумя способами:
При аналоговом способе создания ШИМ-сигнала несущая в виде пилообразного или треугольного сигнала подается на инвертирующий вход компаратора, а информационный – на неинвертирующий. Если мгновенный уровень несущей выше модулирующего сигнала, то на выходе компаратора ноль, если ниже – единица. На выходе получается дискретный сигнал с частотой, соответствующей частоте несущего треугольника или пилы, и длиной импульса, пропорциональной уровню модулирующего напряжения.
В качестве примера приведена модуляция по ширине импульса треугольного сигнала линейно-возрастающим. Длительность выходных импульсов пропорциональна уровню выходного сигнала.
Аналоговые ШИМ-контроллеры выпускаются и в виде готовых микросхем, внутри которых установлен компаратор и схема генерации несущей. Имеются входы для подключения внешних частотозадающих элементов и подачи информационного сигнала. С выхода снимается сигнал, управляющий мощными внешними ключами. Также имеются входы для обратной связи – они нужны для поддержания установленных параметров регулирования. Такова, например, микросхема TL494. Для случаев, когда мощность потребителя относительно невелика, выпускаются ШИМ-контроллеры со встроенными ключами. На ток до 3 ампер рассчитан внутренний ключ микросхемы LM2596.
Цифровой способ осуществляется применением специализированных микросхем или микропроцессоров. Длина импульса регулируется внутренней программой. Во многих микроконтроллерах, включая популярные PIC и AVR, «на борту» имеется встроенный модуль для аппаратной реализации ШИМ, для получения PWM-сигнала надо активировать модуль и задать параметры его работы. Если такой модуль отсутствует, то ШИМ можно организовать чисто программным методом, это несложно. Этот способ дает более широкие возможности и предоставляет больше свободы за счёт гибкого использования выходов, но задействует большее количество ресурсов контроллера.
Характеристики ШИМ сигнала
Важными характеристиками ШИМ сигнала являются:
Амплитуда в вольтах задается в зависимости от нагрузки. Она должна обеспечивать номинальное напряжение питания потребителя.
Частота сигнала, модулируемого по ширине импульса, выбирается из следующих соображений:
Эти требования часто находятся в противоречии друг к другу, поэтому выбор частоты в некоторых случаях – это поиск компромисса.
Величину модуляции характеризует скважность. Так как частота следования импульсов постоянна, то постоянна и длительность периода (T=1/f). Период состоит из импульса и паузы, имеющих длительность, соответственно, tимп и tпаузы, причем tимп+tпаузы=Т. Скважностью называется отношение длительности импульса к периоду – S=tимп/T. Но на практике оказалось удобнее пользоваться обратной величиной – коэффициентом заполнения: D=1/S=T/tимп. Еще удобнее выражать коэффициент заполнения в процентах.
В чём отличия ШИМ от ШИР
В зарубежной технической литературе нет отличия между широтно-импульсной модуляцией и широтно-импульсным регулированием (ШИР). Российские же специалисты эти понятия пытаются разграничить. На самом деле ШИМ – это вид модуляции, то есть изменения несущего сигнала под действием другого, модулирующего. Несущий сигнал выполняет роль переносчика информации, а модулирующий задает эту информацию. А широтно-импульсное регулирование – это регулирование режима нагрузки с помощью ШИМ.
Причины и области применения ШИМ
Принцип широтно-импульсной модуляции используется в регуляторах частоты вращения мощных асинхронных двигателей. В этом случае модулирующий сигнал регулируемой частоты (однофазный или трехфазный) формируется маломощным генератором синусоиды и накладывается на несущую аналоговым способом. На выходе получается ШИМ-сигнал, который подается на ключи потребной мощности. Дальше можно пропустить получившуюся последовательность импульсов через фильтр низкой частоты, например через простую RC-цепочку, и выделить исходную синусоиду. Или можно обойтись без нее – фильтрация произойдет естественным образом за счёт инерции двигателя. Очевидно, что чем выше частота несущей, тем больше форма выходного сигнала близка к исходной синусоиде.
Возникает естественный вопрос – а почему нельзя усилить сигнал генератора сразу, например, применением мощных транзисторов? Потому что регулирующий элемент, работающий в линейном режиме, будет перераспределять мощность между нагрузкой и ключом. При этом на ключевом элементе впустую рассеивается значительная мощность. Если же мощный регулирующий элемент работает в ключевом режиме (тринистор, симистор, RGBT-транзистор), то мощность распределяется во времени. Потери будут намного ниже, а КПД – намного выше.
В цифровой технике особой альтернативы широтно-импульсному регулированию нет. Амплитуда сигнала там постоянна, менять напряжение и ток можно лишь промодулировав несущую по ширине импульса и впоследствии усреднив её. Поэтому ШИМ применяют для регулирования напряжения и тока на тех объектах, которые могут усреднять импульсный сигнал. Усреднение происходит разными способами:
Поэтому ШИМ применяют там, где решающую роль играет среднее значение напряжения или тока. Кроме упомянутых распространенных случаев, методом PWM регулируют средний ток в сварочных аппаратах и зарядных устройствах для аккумуляторных батарей и т.д.
Если естественное усреднение невозможно, во многих случаях эту роль на себя может взять уже упомянутый фильтр низкой частоты (ФНЧ) в виде RC-цепочки. Для практических целей этого достаточно, но надо понимать, что без искажений выделить исходный сигнал из ШИМ с помощью ФНЧ невозможно. Ведь спектр PWM содержит бесконечно большое количество гармоник, которые неизбежно попадут в полосу пропускания фильтра. Поэтому не стоит строить иллюзий по поводу формы восстановленной синусоиды.
Очень эффективно и эффектно управление методом ШИМ RGB-светодиодом. Этот прибор имеет три p-n перехода – красный, синий, зеленый. Изменяя раздельно яркость свечения каждого канала, можно получить практически любой цвет свечения LED (за исключением чистого белого). Возможности по созданию световых эффектов с помощью PWM безграничны.
Наиболее употребительная сфера применения цифрового сигнала, промодулированного по длительности импульса – регулирование среднего тока или напряжения, протекающего через нагрузку. Но возможно и нестандартное использование этого вида модуляции. Все зависит от фантазии разработчика.
Что такое импульсный блок питания и где применяется
Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется
Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы
Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Что такое ШИМ и реально ли эта технология опасна для зрения?
Возможно, вы слышали о ШИМ в контексте новых моделей телевизоров или мобильных устройств. У нее много противоречивых отзывов — разбираемся, почему так.
Современные дисплеи с OLED и AMOLED матрицами становятся популярны во всех устройствах: телевизорах, мониторах, смартфонах. При всех их достоинствах, есть и недостаток, о котором часто не говорят продавцы: пульсация экрана.
Что такое ШИМ?
ШИМ — это широтно-импульсная модуляция, технология, используемая в таких устройствах как мониторы, ноутбуки, смартфоны с OLED и AMOLED матрицами. Аналоговые контроллеры регулируют непосредственно яркость свечения светодиодов в в диапазоне от 0 до 100%. В OLED и AMOLED матрицах применяют цифровые контроллеры, которые используют как раз ШИМ: они могут либо включать, либо выключать светодиоды.
Например, если 100% времени светодиод включен, то яркость будет максимальной, если 50% времени, то яркость снижается вдвое. Поскольку мигание происходит очень быстро, вы визуально этого не замечаете: глаза как раз и «усредняют» картинку.
Чем опасен ШИМ?
Подобная технология, использующая высокочастотное мерцание светодиодов, негативно влияет на зрение, поскольку создает дополнительную нагрузку для глаз. Хотя вы не замечаете мерцания, глаза их тем не менее улавливают. У некоторых пользователей индивидуальная реакция может быть крайне негативной: резь в глазах, головокружение, тошнота и так далее.
Почему технологию ШИМ продолжают использовать?
Дело в том, что цифровые контроллеры гораздо меньше по размеру, чем аналоговые. А, значит, устройство можно делать более тонким и легким. Таким образом, в погоне за элегантным дизайном и снижением веса устройства производители считают, что с недостатками технологии вполне можно мириться.
Если вы заметили, что ваши глаза сильно устают после долгой работы за ноутбуком, компьютером или даже мобильным устройством, попробуйте увеличить яркость экрана. Часто пользовали идут по прямо противоположному пути: снижают яркость, там делая самым мерцание еще более заметным. ШИМ в значительной степени ощущается в темноте — в темное время суток не забывайте включать освещение или хотя бы фоновую подсветку в комнате. Тем более, что при высокой яркости пользоваться экраном без дополнительного освещения будет некомфортно.
Контролировать время проводимое за гаджетом полезно, прочитайте в нашем материале, как это сделать.
AMOLED, или все же IPS: выгорание, ШИМ, боль в глазах и DC Dimming
Еще пару лет назад AMOLED матрицами оснащались лишь флагманские смартфоны, однако сейчас данная технология добралась и до среднебюджетных устройств. В связи с этим пользователи мобильных гаджетов все чаще задаются вопросами о различиях матриц, их качестве и вреде здоровью. Сегодня мы расскажем о достоинствах и недостатках AMOLED матриц, мерцании, технологии DC Dimming, а также сравним их с привычными IPS дисплеями.
В чем кроется основная разница OLED и IPS матриц?
реклама
Кроме IPS, наиболее распространенными матрицами среди смартфонов являются AMOLED, а у компании Samsung – Super AMOLED, но все это лишь разные маркетинговые формулировки одной технологии изготовления дисплеев под названием OLED.
Независимо от доработок производителей, OLED – это активные матрицы на органических светодиодах. Каждый пиксель в них является обособленным – он светится и меняет цвет независимо от соседних пикселей.
Более «обкатанная» временем технология под названием IPS подразумевает наличие двух отдельных слоев: жидких кристаллов и подсветки – именно в этом кроется главное отличие этого типа матриц.
Преимущества OLED дисплеев
Во-первых, как было упомянуто ранее, каждый пиксель в OLED матрицах подсвечивается самостоятельно. Это способствует более низкому энергопотреблению гаджета, ведь неиспользуемые пиксели просто отключаются. Напомним, именно на OLED дисплеях применение темной темы несколько увеличивает автономность смартфона.
реклама
Во-вторых, благодаря отключению отдельных пикселей появилась функция Always On Display, которая отображает самую важную информацию даже на выключенном дисплее без высокого потребления энергии.
В-третьих, качественно откалиброванные матрицы имеют лучшую цветопередачу – черный и белые цвета обретают естественный вид под любыми углами обзора.
В-четвертых, из-за отсутствия дополнительного слоя с подсветкой, производителям удалось значительно снизить толщину матрицы. А потому в смартфоны научились встраивать сканер отпечатков пальцев прямо под дисплей. Кроме того, некоторые бренды работают над созданием фронтальной камеры, также спрятанной под экран. На IPS матрицах все это, на данный момент, невозможно.
Немного о недостатках OLED матриц
Несмотря на то, что OLED матрицы в смартфонах используются уже на протяжении 10 лет, они имеют ряд серьезных недостатков. Самый очевидный – стоимость. Изготовление OLED панелей обходится значительно дороже IPS, потому AMOLED и Super AMOLED дисплеями до недавнего времени оснащались лишь флагманские устройства.
реклама
Казалось бы, где флагманы, и где бюджетные смартфоны? Основная проблема заключается в том, что даже несмотря на растущую популярность AMOLED матриц в бюджетных и средне бюджетных смартфонах, замена разбитого AMOLED экрана может обойтись в 2-3 раза дороже IPS.
Вторая достаточно серьезная проблема OLED матриц – выгорание пикселей. Они, в настоящее время, имеют свойство памяти. Если дисплей будет отображать статичную картинку на протяжении нескольких минут, то в следующем кадре будут видны части прошлого изображения. Если же включенный экран в бездействии продержать несколько десятков часов – пиксели матрицы могут начать выгорать. Чаще всего выгоранию подвергаются синие пиксели, что негативно сказывается на качестве цветопередачи матрицы в дальнейшем.
ШИМ и его вред для вашего здоровья
Все дело в том, что уровень подсветки в OLED дисплеях остается неизменным всегда – таковы конструктивные особенности данных матриц. Но как же тогда затемняется матрица в смартфоне, если начать самостоятельно регулировать яркость? Тут на помощь приходит ШИМ – широтно-импульсная модуляция. Таким образом, уровень яркости AMOLED дисплея определяется не интенсивностью подсветки, а количеством выключений и включений пикселей за секунду. Человеческий глаз не способен заметить мерцания визуально, так как частота ШИМ в среднем составляет 200 колебаний в секунду.
реклама
Важно отметить, что многие производители смартфонов задействуют ШИМ в своих смартфонах не постоянно, а только ниже определенного порога яркости. Так, iPhone с OLED дисплеями способны понижать напряжение матрицы до 50%, что позволяет комфортно использовать устройство без какого-либо ущерба для глаз.
Тем не менее, на яркости ниже 50% абсолютно каждый дисплей начинает мерцать, и некоторые пользователи с наиболее чувствительным зрением отмечают усталость и сухость в глазах после использования смартфона с AMOLED дисплеем.
На графике отчетливо видно, как с понижением яркости увеличивается количество мерцаний за определенный промежуток времени.
Технология DC Dimming, а также другие способы обезопасить здоровье
Если же вы купили смартфон с AMOLED дисплеем и испытываете неприятные ощущения в глазах, либо же только присматриваетесь к новому гаджету – данный раздел определенно будет полезным. Прежде всего важно понимать, что воздействию ШИМ подвержена достаточно малая часть пользователей. И даже если вы входите в эту группу, то чтобы это понять потребуется несколько суток использования смартфона.
Существует несколько способов обезопасить свое зрение, и начнем с самого неоднозначного – переход на устройство с IPS. Этот вариант имеет место быть только в том случае, если использование OLED матриц вызывает серьезный дискомфорт, а именно головные боли, рябь и сухость в глазах. Если же вы без ощутимых проблем используете устройства с OLED, но хотите обезопасить свое зрение – старайтесь использовать гаджет на яркости свыше 50%. Как можно понять из графика выше, чем выше яркость – тем ниже частота мерцания. Но и злоупотреблять этим правилом также не стоит – максимальная яркость дисплея при длительном использовании способствует выгоранию пикселей.
Начать хотелось бы с важной и весьма эффективной функции под названием DC Dimming. К сожалению, данная технология реализована далеко не на каждом смартфоне с AMOLED матрицей – обращайте на это внимание при покупке. Она позволяет регулировать яркость дисплея при помощи изменения напряжения на всем промежутке, минимизируя ШИМ. Единственным недостатком использования DC Dimming является ухудшение цветопередачи матрицы.
Также есть возможность уменьшить мерцания при помощи различных программ. Они накладывают черный фильтр поверх изображения, перед этим повысив яркость дисплея до максимума. В таком случае ШИМ действительно уменьшается, правда, вместе с ресурсом матрицы из-за максимальной яркости.
Отметим, в случае с iPhone подобных режимов по уменьшению мерцаний в настройках не предусмотрено. Паниковать не стоит – в смартфонах от Apple это частично и так реализовано. Как мы помним, на яркости до 50% iPhone вовсе не задействуют ШИМ, а значит пользоваться устройством в условиях достаточной освещенности будет максимально комфортно любому пользователю.
В случае с использованием смартфона в полной темноте, где даже 50% яркости воспринимается очень ярко и некомфортно, на помощь приходит предусмотренная утилита в настройках под названием Фильтры. Активируя опцию «Понижение точки белого», так дисплей устройства становится ощутимо тусклее. А чтобы не тратить каждый раз свое время на включение опции в настройках, ее можно установить на тройное нажатие кнопки питания.
Какой итог?
В настоящее время трудно говорить о силе воздействия ШИМ на зрение человека, ведь многие пользователи на протяжении нескольких лет используют смартфоны с AMOLED дисплеями и не испытывают проблем со здоровьем. В данном материале мы постарались лишь подробно рассказать вам о всех особенностях, преимуществах и недостатках OLED дисплеев в смартфонах. Надеемся, мы ответили на многие интересующие вас вопросы.
Мониторы без мерцания подсветки Flicker Free: что это такое и почему важно для зрения
Содержание
Содержание
В реалиях современного общества практически каждый проводит за компьютером по несколько часов, будь то работа или отдых. Это колоссальная нагрузка на глаза, которая в перспективе может обернуться ухудшением зрения и некоторыми другими проблемами. Разработчики стремятся сделать мониторы все более безопасными, поэтому на свет появляются различные технологии. В их числе и Flicker Free.
Что за мерцание и как оно получается
Многие пользователи не углубляются в принцип работы дисплеев, поэтому даже не представляют, что такое мерцание.
В большинстве современных экранов используются цифровые контроллеры. В отличие от аналоговых, у них есть всего два состояния — включено и выключено. Первое соответствует максимальному уровню подсветки, когда все светодиоды включены. Второе состояние — это выключенные светодиоды, и обычно оно соответствует минимальной яркости.
Возникает логичный вопрос, как же тогда реализовать промежуточные уровни яркости, например, в 40 % или 60 %? Решением этой проблемы стала ШИМ — широтно импульсная модуляция.
ШИМ — это процесс управления мощностью какого-либо сигнала путем пульсирующего включения или отключения.
Проще говоря, если очень быстро включать и отключать светодиоды, то можно настроить определенный уровень яркости.
У ШИМ есть несколько параметров — это частота и период. Например, если время между импульсами будет составлять всего 0,004 секунды (4 мс), то получим частоту мерцания в 250 Гц. Эти параметры в экранах мониторов и телевизоров обычно неизменны.
Если частота предопределена, как же регулируется яркость подсветки? За это отвечает такой параметр, как скважность. Он определяет, какую часть периода сигнал будет включен, а какую выключен. Например, скважность 100 % говорит о том, что сигнал непрерывен и подсветка работает на полную мощность. Скважность 50 % — лишь половина периода сигнал будет активным. Соответственно 0 % — светодиоды всегда в состоянии «выключено».
Изменение процента скважности в ШИМ визуально дает уменьшение и увеличение яркости дисплея. Поскольку частота импульсов достаточно высокая, то заметить эти переключения фактически невозможно. Однако это не значит, что наши глаза в принципе не замечают этого эффекта.
Влияние ШИМ на зрение
На самом деле глаза непроизвольно реагируют даже на высокочастотные импульсы. При достаточно долгом сидении за монитором у некоторых людей может появиться сильная усталость в глазах, головные боли и даже тошнота. У каждого человека индивидуальный порог, когда наступают эти эффекты.
В перспективе при постоянно сильной нагрузке на глаза пользователи могут столкнуться с ухудшением зрения, а также сухостью глазного яблока. При работе с компьютером или телефоном многие люди начинают реже моргать, что приводит к снижению выработки слезной жидкости. Ситуация дополнительно ухудшается, если вы носите контактные линзы.
Естественно, лучший способ предотвратить вышеописанные проблемы — снизить нагрузку. Однако офисные работники, программисты и другие специалисты вынуждены много времени проводить за компьютером или ноутбуком. В таких случаях на помощь приходят технологии для защиты глаз, в числе которых та самая Flicker Free.
Как определить, мерцает ли ваш монитор
После прочтения вы наверняка зададитесь вопросом, а есть ли мерцание в моем мониторе или ноутбуке? Проверить это можно несколькими способами.
Карандашный тест. Самый простой и доступный. Возьмите карандаш за кончик, расположите его напротив экрана и начните им махать как веером. Если появится эффект стробоскопа, когда от карандаша появляется след, а сам он визуально изгибается то в вашем дисплее работает ШИМ.
Обратите внимание, что больше всего ШИМ проявляется на уровне яркости ниже среднего, поэтому если эффект не заметен, уменьшите яркость экрана и повторите тест.
Съемка на камеру. Для этого вам понадобится гаджет с CMOS-матрицей и электронным затвором. Как правило, такие камеры устанавливаются в большинство смартфонов и планшетов. Наведите камеру на экран — если виднеются полосы, то в мониторе используется ШИМ.
Если телефон не распознает мерцание, возможно, яркость стоит слишком большой.
Таким образом, мерцание плохо влияет на глаза, так можно ли купить модели без ШИМ? Производители говорят что да, предлагая продукцию с Flicker Free.
Что такое Flicker Free
В переводе с английского эта технология означает «свободный от мерцания». Однако опытные пользователи спросят: действительно ли это другое решение или просто маркетинговое название? Ответ зависит от каждого конкретного монитора.
Первое, что вам необходимо знать — не существует стандартов, определяющих реализацию Flicker Free. Каждый производитель вправе трактовать работу этой функции так, как ему захочется. Именно поэтому надпись Flicker Free или Flicker Save еще не гарантирует, что мерцание действительно отсутствует.
В чем же может быть обман? На смартфонах с OLED используется ШИМ частотой 240 или 360 Гц. Это достаточно небольшой показатель, поэтому отдельные пользователи действительно могут замечать мигание. Если говорить о телевизорах и мониторах, то, например, в дисплеях с IPS обычно используется модуляция с ШИМ на 2 кГц. Визуально уже заметить мерцание не получится, но вышеописанные тесты со смартфоном или карандашом все еще помогают определить модуляцию.
Некоторые производители вешают ярлык Flicker Free на мониторы, в которых на самом деле имеется ШИМ. Фокус кроется в том, что попросту увеличивается частота, например, до 10–30 кГц. Это действительно снижает нагрузку на глаза, а такие мониторы способны пройти вышеописанные тесты даже на небольшой яркости.
Однако такой подход имеет несколько минусов. Во-первых, мерцание все равно остается, пусть и становится менее критичным. Во-вторых, высокие частоты ШИМ оказывают неблагоприятный эффект на работу LED подсветки. При активном переключении ресурс вырабатывается быстрее.
Как же узнать, какая частота ШИМ у вашего дисплея? Большинство производителей не оглашают эту информацию, поэтому приходится обращаться к обзорам или высокочувствительным осциллографам, которые определят частоту ШИМ. Например, для ASUS VivoBook Pro 15 N580VD это 21кГц, что можно назвать относительно безопасным показателем для глаз.
Не путайте частоту ШИМ и частоту обновления экрана. Последняя лежит в пределах 60-240 Гц
Если вы хотите узнать, какая частота ШИМ используется в экранах ноутбуков, то рекомендуем обязательно заглянуть на этот сайт. Там собрана одна из самых больших общедоступных баз.
Настоящим дисплеем с Flicker Free следует называть тот, в котором полностью отсутствует ШИМ. Главная особенность — использование светодиодов, яркость которых можно изменять путем подачи различного постоянного напряжения. Соответственно, независимо от уровня яркости, свет будет постоянным.
Такой подход максимально безопасен для глаз и позволяет сидеть за экраном дольше без усталости. Почему же производители не используют везде подсветку без ШИМ? Проблема в стоимости — широтно-импульсная модуляция банально дешевле в реализации.
Как найти мониторы с Flicker Free — большинство производителей в характеристиках указывают поддержку этой технологии. Samsung, AOC, BenQ, Asus и Philips уже продают мониторы с Flicker Free. Проблема в том, что достоверно не известно, используется там высокочастотная ШИМ или диоды с постоянным напряжением.
Рекомендуем проверять мерцание с помощью смартфона, выставив на мониторе или телевизоре минимальный уровень подсветки. Если характерных линий вы не заметите, значит, Flicker Free действительно работает, и вы можете не сомневаться в защите своих глаз от мерцания. Оптимальный вариант — проверить наличие ШИМ на спецоборудовании: продаются достаточно компактные устройства, которыми можно замерить процент ШИМ прямо в магазине.