LCD con caratteri a matrice

La retro illuminazione

La retro illuminazione non è una funzione del controller di un display LCD a caratteri, in quanto la sua presenza dipende dalla tecnologia del display.
Necessiteranno di retro illuminazione i display trasmissivi e quelli transriflettivi, ma non quelli riflettivi, che utilizzano la luce ambientale.

Esistono modelli con illuminazione generata da fonti diverse

• LED che sono impiegati nella maggior parte dei piccoli display monocromatici a caratteri.
  Si utilizzano  uno o più LED a luce bianca, giallo/verde, ambra, blu, rossa o anche LED a colore variabile o RGB. La vita di un LED è molto lunga (anche 100kh), ma richiedono che la corrente di alimentazione non superi il massimo stabilito e, rispetto al consumo del modulo, si tratta di una percentuale molto alta.
    

• a pellicola elettroluminescente (EL),  non molto comuni per i piccoli display. Questa opzione deriva dal fatto che il consumo di corrente per grossi display può essere molto minore che con i LED, ma richiede un inverter aggiuntivo per la generazione dell'alta tensione necessari all' EL (tipico è 8 mA @ 100 Vca, 400 Hz).
  La vita di questa sorgente di luce può risultare minore di quella dei LED (2000-6000h). La luce prodotta però è morbida e può essere colorata variamente. Sono impiegati di solito con modelli transriflettivi.
   

• CFL che dà una luce estremamente intensa ed una durata di vita molto lunga (10k-20kh). Per contro, anche in questo caso, occorre un inverter abbastanza complesso per pilotare la lampada.
  Questo sistema è usato per pannelli di medie/grandi dimensioni che devono essere visibili in forte luce ambiente e per pannelli a colori.
  

I LED di retro illuminazione variano a seconda dei modelli e sono contenuti solitamente in un supporto di plastica translucida che ne migliora l' effetto.

	Sono posizionati al di sotto del pannello LCD vero e proprio e la luce prodotta attraversa le aree trasparenti del liquido nematico, generando punti luminosi su sfondo scuro o dando luce diffusa allo sfondo su cui i punti appaiono più scuri. Possono essere assemblati ai bordi del pannello, come nell' immagine a lato (dalla documentazione del sito di Powertip, ricco di informazioni tecniche)
	Un' altra alternativa pone i LED, montati sempre al di sotto del pannnelo, ma come un array di elementi SMD.  La luce si diffonde in maniera più uniforme. (immagine dalla documentazione del sito di Powertip). Le necessità di corrente per le due soluzioni possono essere assai differenti, solitamente maggiori per gli array.

Va ribadito che, anche se alcuni controller contengono nel set di istruzioni la possibilità di regolare il contrasto (perchè si tratta di variare rapporti di tensione interni al controller stesso),

Si tratta semplicemente di una sorgente luminosa esterna al pannello LCD, che è compito dell' utente governare, accendendola o spegnendola o regolandone l' intensita (ad esempio con un  PWM) come richiede l' applicazione.

La tensione di alimentazione della retro illuminazione è, in genere, la stessa del pannello: molti modelli dispongono sul circuito stampato di pad cortocircuitabili per collegare direttamente i LED all' alimentazione senza richiedere altri pin al connettore o per collegare variamente A e K del LED alle linee di alimentazione principali.
E' però possibile utilizzare una diversa fonte di tensione, dato che sono accessibili entrambe le estremità del LED. Questa opzione può essere sensata quando si ha a che fare con retro illuminazioni che assorbono anche 240 mA, mentre il microcontroller host ne impiega meno; in tal caso non ha senso dimensionare lo stabilizzatore di tensione anche per la retro illuminazione, la cui alimentazione sarà presa a monte dello stesso.

Trattandosi di LED, sarà d' obbligo una resistenza in serie; in molti casi il costruttore ne posiziona una adeguata direttamente sul circuito stampato del modulo. In altri casi è lasciato all' utilizzatore il collegare esternamente al modulo la resistenza adeguata.

La maggior parte dei LED ha una tensione di conduzione tra 1.7 e 2.2 V, ma quelli bianchi possono arrivare a  4,2 V e quindi sono alimentabili solo con una tensione minima di 5V.  Utilizzando tensioni di alimentazione minori, come  3.3 V occorre verificare che la retro illuminazione sia possibile per quel dato modello di display. Altrimenti si dovrà cambiare modello o implementare un elevatore DC/DC.

I display retro illuminati con EL o CFL dispongono di inverter che si avviano con la tensione di una cella (1.5V) per poter essere utilizzati in dispositivi alimentati a batteria, ma hanno un consumo che può essere paragonato a quello dei LED; è ovvio che,  per sistemi in cui le tensioni e i consumi richiesti debbano essere minimi, la scelta ideale è un modulo riflettivo o transriflettivo senza retro illuminazione.

Infatti, la corrente di retro illuminazione a LED è molte volte maggiore di quella richiesta dal display stesso e può andare da una ventina a varie centinaia di milliampere (contro gli 1.5 mA di media di un pannello senza retro illuminazione)e, in genere proporzionale alla superficie del pannello stesso. Questo può rendere necessario un controllo remoto della retro illuminazione, che va spenta quando non necessaria, o regolata secondo la luce ambiente, per ridurre il consumo dell' apparecchiatura.

In generale, però, la retro illuminazione, oltre a migliorare la visibilità dei caratteri, consente anche effetti qualitativi decisamente più interessanti che non quelli possibili nei display non retro illuminati, che, solitamente, si limitano a fondi grigio o giallo/verde con caratteri scuri (per contro, questi ultimi, non richiedendo la corrente dei LED, sono molto più adatti ad applicazioni portatili e a basso consumo).

L' accesso alla retro illuminazione si effettua con il connettore principale dai pin 15 e 16, ma solitamente sul circuito stampato si trovano anche/oppure due piazzole, poste ad una estremità del pannello LCD, sul lato più corto, a cui collegare l' alimentazione dei LED, come nell' immagine a lato.

Deve anche essere considerato che alcuni costruttori prevedono la possibilità di acceso alla retro illuminazione in vari modi.
Nelle foto qui sotto, il particolare ingrandito di un' area predisposta su un display di Data Image per modificare, con jumper da chiudere con un punto di saldatura, il modo di connessione della retro illuminazione. 

Sul circuito stampato è serigrafata una tabella che riporta le possibili combinazioni: In questo caso sono possibili 4 diverse opzioni. LED collegati direttamente a Vcc/Vss attraverso una resistenza R9 che trova posto sullo stampato, sia come componente a fori passanti, sia come SMD.   Anodo collegato al pin 15 e catodo al pin 16 (default)    Anodo collegato al pin 16 e catodo al pin 15    Anodo e catodo scollegati dai pin del connettore principale ed accessibili solamente dalle connessioni laterali In questo caso sono chiusi J2/4/6 per la seconda opzione, che è il default con cui il costruttore consegna il componente.

Queste o altre combinazioni dipendono da costruttore e modello del display. Se non auto documentate, come in questo caso, occorre verificarne la presenza e le funzioni sul foglio dati del componente.

Per curiosità, la riga più bassa della tabella indica la possibilità di collegare a massa le asole metallizate del circuito stampato, con finalità anti elettricità statica. Questa connessione va effettuata se il modulo è inserito in un contenitore metallico che può essere connesso alla massa dell' alimentazione. Allo scopo di evitare problemi con le cariche elettrostatiche che sono presenti anche solo sul corpo dell' utilizzatore e con livelli di tensione tali da danneggiare sia l' LCD, sia la sua elettronica di controllo, il frame metallico che serve a mantenere il pannello LCD connesso al circuito stampato è mantenuto connesso alla massa dalle linguette di fissaggio.  Esse sono torte in corrispondenza di piazzole metallizzate per il miglior contatto e collegate alla Vss del display, come visbiile nell' ingrandimento a lato, sopra il J9.

Non è detto, però, che queste opzioni siano presenti o, caso comune, che siano documentate.

Il colore

Il colore della retro illuminazione gioca principalmente nel determinare come si presenterà il pannello. Variando questo e il colore del liquido dielettrico si può ottenere una certa varietà di pannelli anche nell' ambito del monocromatico.
Se, in generale, i display riflettivi hanno lo sfondo grigio/gialli verde e i caratteri scuri, o viceversa, la presenza di LED di retro illuminazione amplia la gamma dei colori disponibili.

Per il colore del fondo:

• Giallo verde
• Grigio
• Blu
• Rosso
• Scuro
• Ambra

Per la retro illuminazione

• bianco
• giallo/verde, che è quella solitamente con consumo maggiore
• verde
• blu
• ambra, che è quella solitamente con tensione di conduzione del LED minore
• rosso
• verde e rosso commutabili
• LED tricolore
• LED RGB

A questo proposito il DOG-Simulator di Electronic Assembly, più che tante parole, offre una buona idea delle possibili alternative, tenendo presente che non tutti i modelli sono disponibili in tutte le colorazioni e non tutti i costruttori hanno la stessa gamma.

Come pilotare la retro illuminazione.

Dove si tratta semplicemente di LED non occorre altro che decidere se la retro illuminazione sarà sempre attiva oppure è richiesto un comando remoto.

	La soluzione più semplice prevede di inserire in serie al LED una resistenza di limitazione come indicato dal costruttore. Il suo valore dipende dalla tensione di alimentazione utilizzata: solitamente sarà la stessa che alimenta il display, ma, se i pin A e K del LED sono accessibili separatamente, si potrà utilizzare anche una qualsiasi altra tensione disponibile, calcolando opportunamente il valore della RS.
La resistenza in serie al LED è assolutamente indispensabile per limitare la corrente. Collegando direttamente alla tensione di alimentazione i terminali del LED, senza la resistenza serie, se ne provoca l' immediata distruzione !!! A questo punto una riparazione del pannello è molto difficoltosa, se non impossibile, e l' oggetto è da buttare. In particolare, è opportuno verificare se il display ha le opzioni di connessione sul circuito stampato, come nell' esempio più sopra; se fortuitamente si tratta di un pezzo recuperato da una apparecchiatura o dal surplus, è possibile che le connessioni non siano posizionate sullo standard (A e K ai pin 15 e 16), ma siano differenti a seconda delle specifiche dell' OEM che utilizzava il componente. Questa resistenza, in alcuni modelli può trovare posto, o esiste già, sul circuito stampato come componente SMD. Questo rende più semplice l' uso del modulo. Questa caratteristica, però, è comune solo ad alcuni modelli, mentre nella maggior parte dei casi va aggiunta esternamente, per cui è sempre obbligo una lettura del foglio dati. Ad esempio, qui vediamo un particolare ingrandito del circuito stampato di un modulo 16 caratteri per due linee. Sul lato sinistro si notano le due piazzole dove è possibile accedere ad anodo e catodo dei LED di retro illuminazione. Ma a fianco il jumper J2, qui chiuso con una saldatura, esclude dalla serie con i LED le piazzole dove è possibile saldare una R8 o R7, SMD, ovvero la resistenza di limitazione serie. Aprendo la saldatura, quindi, sarebbe possibile installare direttamente sul circuito stampato la Rs di limitazione della corrente nei LED senza cablare un componente esterno al circuito stampato del display. Si tratta di una opzione non documentata dai fogli dati del componente.  Il valore di RS può variare tra 1 e 100 ohm e una indicazione per la scelta viene dalla consultazione del foglio dati. Vediamo le caratteristiche di alcuni moduli : Produttore /modello Vled [V] Iled [mA] RS [ohm]             Note Newhaven NHD-0216K1Z-NSW-BBW-L 5 16 - Resistenza già cablata on board Newhaven NHD-0108CZ-FL-GBW 4.2 100 8 Retro illuminazione giallo/verde Newhaven NHD-0108CZ-FSW-GBW-3V3 3 30 - Display alimentato a 3V Resistenza già cablata on board Displaytech 164A-BC-BC-6LP 1.8 20 160 Retro illuminazione ambra Displaytech 164A-BC-BC-5LP(3LP/4LP) 3.4 20 80 Retro illuminazione verde (blu/bianco) Powertip PC 1202-A 4.2 40 (80) 20 (10) Corrente dipendente dai LED in modo edge o   array Powertip PC 2004-A 4.2 280 2.8 LED array con un consumo elevato Come abbiamo detto, ed è ragionevole sospettare, la corrente della retro illuminazione a LED aumenta con l' aumentare della superficie del pannello, ma varia anche con la disposizione dei LED, edge o array, e con il loro colore, tutti particolari che dovranno essere considerati se si intende utilizzare il pannello in circuiti alimentati con meno di 5V e/o in circuiti in cui è necessario un risparmio energetico. La tabella seguente riporta, come esempio, i valori consigliati da EA per la retro illuminazione dei suoi modelli DOG a seconda del colore dei LED e del modo di connessione. Colore Tensione Collegamento Corrente RS  @ 3.3V @ 5V Giallo/verde 2.2 V  parallelo 80 mA 14 ohm 35 ohm 4.4 V  serie 40 mA - 15 ohm Blu 3.2 V  parallelo 60 mA 1.6 ohm 30 ohm 6.4 V  serie 30 mA - - Ambra 2.4 V  parallelo 80 mA 11 ohm 32 ohm 4.8 V   serie 40 mA  - 5 ohm Rosso 2.1 V  parallelo 80 mA 15 ohm 36 ohm 4.2 V  serie 40 mA - 20 ohm RGB 4.0 V  3 LED 125 mA - 3x 24 ohm - indica che non è possibile accendere i LED con quella tensione di alimentazione e occorre un elevatore. Come abbiamo detto prima, nell' ottica del risparmio energetico sono possibili due scelte: utilizzare modelli riflettivi, senza retro illuminazione, oppure comandare la retro illuminazione in remoto, per risparmiare l'energia necessaria all' accensione dei LED quando il pannello di visualizzazione non è utilizzato. Se si desidera comandare il LED, occorre disporre di un ulteriore pin di I/O sul microcontroller e realizzare un semplice interruttore in serie. Alcuni microcontroller dispongono di uscite open drain (per i PIC solitamente è RA4) che possono pilotare direttamente correnti fino a 20-25 mA con il catodo del LED collegato al pine e l' anodo alla Vdd. Ma anche gli altri pin, nel limite della loro possibilità di corrente (per i PIC 25 mA), possono pilotare il LED di retro illuminazione dei piccoli display nel range 8-20 mA. Per correnti maggiori, o se non si vuole stressare il microcontroller con troppa corrente direttamente rogata dai pin, oppure la sorgente di tensione del LED non è la Vdd, occorrerà utilizzare un buffer
Ad esempio una semplice configurazione open collector con un comune transistor NPN. La scelta del transistor dipende dalla corrente da comandare. Solitamente si tratta di poche decine e un paio di centinaia di mA, per cui elementi generici come 2N4401, 2N2222 e simili vanno più che bene. Se si ha  a che fare con molte centinaia di mA si potrà usare un darlington genere TIP120/121. Si potrà usare con vantaggio anche un MOSFET N del genere logic level gate (2N7000 3 simili), dato che il gate è pilotato da un I/O del microcontroller. Ovviamente la RS è sempore e comunque indispensabile (se non già integrata nel display).
Il dimensionamento della R1 dipende dalla corrente assorbita dal LED al collettore e dal guadagno del transistor.  Per saturare transistor general purpose che hanno beta attorno a 100 o meno si potranno usare valori da 1 a 10 kohm; per transistor di minore guadagno, anche R1 sarà minore, tenendo presente la corrente massima erogabile dal pin del microcontroller. L' uso di darlington è consigliato per pannelli che assorbono varie centinaia di mA.  La R2 ha lo scopo di mantenere il transistor bloccato nel caso in cui manchi la connessione al microcontroller (10-100kohm), ma può essere esclusa se questo evento non è previsto.  Nel calcolo della RS occorrerà tenere conto della tensione Vcesat del transistor, di solito 0.6-0.7V per il silicio.  Se utilizziamo un MOSFET, la R1 sarà solamente una protezione del gate, da un centinaio di ohm, mentre R2 ha sempre lo scopo di mantenere off il transistor quando il Px è floating; 10-47k solitamente sono vaolri adeguati. Da notare che, con il transistor NPN a emettitore comune, la tensione di alimentazione del LED potrà essere diversa da quella della logica. Ad esempio si potrà prelevare la tensione Vcc a monte dello stabilizzatore per la Vdd, sempre considerando che questa Vcc non abbia un range di variabilità tale da far superare al LED la corrente massima.
	L' interruttore può anche essere high-side, con un PNP. La differenza tra i due schemi è questa: NPN: il LED è acceso con Px = 1 PNP: il LED è acceso con Px = 0 Inoltre, con il transistor PNP la tensione di alimentazione del LED dovrà essere quella della logica.
Qui R1 avrà un valore minimo, qualche centinaio di ohm al massimo, e R2 potrà essere eliminata o avere valore molto alto (100k-1M).
Con un transistor NPN si potrà realizzare anche un inseguitore di emettitore (emitter follower), che ha guadagno di tensione unitario, ma richiede una minima corrente di base. In tal caso:  il LED è acceso con Px = 1 e la tensione di alimentazione del LED dovrà essere la stessa della logica di comando.

Nei casi di comando con transistor o MOSFET, si potrà utilizzare anche un PWM sulla base (o gate) per variare la luminosità della retro illuminazione ed adattarla così alle diverse intensità della luce ambiente.
Va tenuto presente che un PWM su correnti di molti mA è fonte di rumore elettrico. 
Per evitare questo è possibile anche utilizzare un MOSFET come resistenza variabile, pilotandolo con una tensione continua, generata dal PWM filtrato o da un DAC (alcuni microcontroller incorporano DAC, per cu può non essere necessario il componente esterno).

Un'altra soluzione, nel caso in cui la tensione di alimentazione dei LED sia diversa da quella stabilizzata del display, è quella di utilizzare al posto della RS un generatore di corrente costante, realizzato con un semplice transistor/diodo oppure con un integrato.

Ovviamente si potrà implementare qualsiasi altra soluzione a seconda delle tensioni e correnti disponibili e delle prestazioni richieste.

Nei casi di dubbio e in mancanza di documentazione, meglio iniziare SEMPRE le prove con un a Rs da una cinquantina di ohm in serie: se il display ha già una resistenza a bordo, l' illuminazione sarà molto debole. Se il display non ha resistenza, si evita che la connessione diretta dei LED alla tensione di alimentazione li distrugga in un istante.  Poi si potrà calibrare la Rs a seconda delle necessità, tenendo presente che, in generale, una visibilità sufficiente nella maggior parte degli ambienti si ottiene anche con correnti nei LED molto inferiori a quella nominale, che probabilmente sarà richiesta solo per pannelli che devono essere letti in piena luce esterna.