Cómo optimizar el brillo de la pantalla para potencia baja en tiempo real

Las pantallas de cristal líquido, o LCD, están en todo tipo de aplicaciones, incluidos termostatos, terminales médicos manuales, grupos automotrices, tabletas y computadoras portátiles. En estas aplicaciones, los diseñadores deben lograr que la pantalla sea lo más legible posible para que no implique un esfuerzo visual y, al mismo tiempo, que consuma la menor cantidad de energía posible.

Para ayudar con estos requisitos, el brillo de la pantalla se puede determinar al detectar primero el brillo de la luz ambiental con un sensor de luz ambiental (ALS). Un ALS debe montarse detrás de una pantalla, donde el nivel de luz ambiental se usa luego para determinar el brillo aceptable de la pantalla, lo que minimiza el consumo de energía.

Este artículo evalúa la capacidad de tres tecnologías ALS y resuelve los desafíos de ajuste de intensidad y energía de las pantallas LCD para ahorrar energía y proporcionar una cantidad adecuada de brillo de pantalla.

Medición precisa de las bandas visuales

El primer paso en la optimización de la iluminación de pantallas LCD es detectar con precisión la luz ambiente utilizando el ALS. El rango de longitud de onda de luz visible humana es de aproximadamente 400 nanómetros (nm) a ~ 750 nm (Figura 1). El fotodiodo, un dispositivo de estado sólido, es el dispositivo de detección de condiciones de iluminación ambiental más lógico para esta aplicación. El fotodiodo convierte la luz en una corriente eléctrica.

Figura 1: La luz visible es una pequeña porción del espectro electromagnético, que varía de 400 nm a 750 nm. (Fuente de la imagen: ECN)

Aunque el rango de sensibilidad a la luz del fotodiodo de silicio (aproximadamente de 300 nm a 1100 nm) no coincide con el rango visual humano, existe una superposición que es útil (Figura 2).

Figura 2: La respuesta espectral del ojo humano en comparación con la respuesta espectral del fotodiodo de silicio; se muestra el área de superposición que es útil. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El primer desafío en este diseño es capturar el rango espectral del ojo humano a partir de la señal de un fotodiodo.

Traducción a una respuesta espectral humana

La expectativa humana es lograr que todas las máquinas e instrumentos coincidan con nuestros requisitos visuales. El ALS mide la iluminación en la pantalla del dispositivo. Sin filtrado óptico, esta medición incluiría luz visible, así como también luz ultravioleta (UV) e infrarroja (IR). Las señales UV e IR se combinan para hacer que la luz visible ambiental parezca más brillante. Como resultado, la salida del controlador de retroiluminación de la pantalla hará que la respuesta fotópica o humana a la pantalla en condiciones de luz ambiental sea desagradable.

La asignación precisa requiere que el diseñador modifique la luz ambiental utilizando fotodiodos, filtros ópticos, amplificadores y convertidores. Esto se ha vuelto más fácil con la integración de estos elementos en un dispositivo ALS. El objetivo del dispositivo ALS, entonces, es eliminar los componentes IR y UV de la salida del sensor y presentar una respuesta espectral del ojo humano mientras se mantiene la luminosidad general de la pantalla LCD en un nivel cómodo (Figura 3).

Figura 3: El filtrado óptico y otros componentes internos y cálculos permiten al ALS OPT3001 asignar la señal ambiental de entrada a una respuesta espectral del ojo humano. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Estas características de semiconductores mejoradas han abierto nuevas aplicaciones, en las que los dispositivos ahora incluyen filtros de color que permiten la detección individual de color rojo, verde y azul (RGB).

Filtros ópticos UV e IR especializados.

Con el beneficio de los filtros ópticos rojo, verde, azul y transparente, en los cuales el filtro transparente permite que la luz no filtrada ingrese al fotodiodo, el dispositivo ALS detecta cuatro espectros de luz con cuatro fotodiodos separados. Usando las cuatro señales de fotodiodo filtradas, el ALS produce un retorno digital de los tres colores primarios (RGB), un cuarto para la respuesta ambiental y un quinto para bloquear la luz infrarroja (IRCUT). La alta sensibilidad, el rango dinámico amplio y los cinco filtros convierten al ALS en una solución de sensor de color ideal para usar en distintas condiciones de iluminación.

La variedad de proveedores que producen soluciones de ALS incluyen ROHM Semiconductor, ams, Texas Instruments, ON Semiconductor, OSRAM Opto Semiconductors, Inc. y Vishay Semiconductor/Opto Division, por nombrar algunos. Ahora evaluemos los dispositivos ALS de ROHM Semiconductor, ams y Texas Instruments.

Los dispositivos ALH de ROHM Semiconductor usan filtro IRCUT.

La aplicación de destino para el sensor de color de ROHM Semiconductor BH1745NUC-E2 con salida serial y digital de 16 bits, es un ALS que ajusta la luz de fondo de la pantalla LCD de un televisor, teléfono móvil o tableta.

El BH1745NUC-E2 detecta la luz UV e IR a través de un filtro transparente y usa un filtro IRCUT antes del color rojo, verde y azul (Figura 4).

Figura 4: El sensor de color de ROHM BH1745NUC-E2 con salida serial y digital de 16 bits tiene el filtro transparente fuera del filtro IRCUT. (Fuente de la imagen: ROHM)

Con el BH1745NUC-E2, un filtro IRCUT precede a los filtros ópticos rojo, verde y azul para permitir que la respuesta espectral humana pase a través de los convertidores analógicos a digitales (ADC). El filtro IRCUT pasa la luz visible mientras bloquea la luz infrarroja. El filtro transparente ayuda en la producción de algoritmos de atenuación humanamente realistas para lograr autenticidad y un menor consumo de energía. La ganancia de cada ADC de 16 bits está preprogramada para producir la asignación más precisa para la experiencia visual (Figura 5).

Figura 5: Respuesta espectral roja, verde, azul, transparente (RGBC) de BH1745NUC-E2. (Fuente de la imagen: ROHM)

El amplio rango dinámico del BH1745NUC-E2 (de 0.005 a 40k lux) y las excelentes características de IRCUT lo hacen adecuado para obtener la iluminación y la temperatura de color de la luz ambiente.

El filtro IR del dispositivo ALS de ams realiza la tarea de prefiltrado para todos los demás filtros.

Las aplicaciones meta del convertidor de luz de color a digital TCS34727FN de ams con filtro IR son televisores, teléfonos móviles, tabletas, computadoras y monitores. La estrategia actual del ALS TCS34727FN utiliza una configuración diferente de los cinco filtros ópticos. La configuración del filtro del TCS34727FN inicialmente utiliza un filtro de bloqueo IR para los cuatro filtros de color (rojo, verde, azul y transparente) (Figura 6).

Figura 6. El dispositivo ALS de 16 bits TCS34727FN tiene la pantalla de filtro IR que bloquea los otros cuatro filtros. (Fuente de la imagen: ams)

El dispositivo TCS34727FN tiene cuatro ADC integradores, que convierten simultáneamente las corrientes de fotodiodos amplificados a valores digitales de 16 bits. El filtro de bloqueo de IR minimiza la luz entrante, el componente espectral de infrarrojos que permite realizar mediciones de color precisas. La alta sensibilidad, el rango dinámico amplio y el filtro de bloqueo de IR convierten al ALS en una solución de sensor de color ideal para usar en distintas condiciones de iluminación.

Figura 7: La respuesta espectral RGBC del dispositivo TCS34727FN especifica las características de cada filtro óptico y la ganancia de cada ADC. (Fuente de la imagen: ams)

El TCS34727FN se utiliza en productos con pantallas, como teléfonos celulares, computadoras portátiles y televisores, para detectar el entorno de iluminación. Este dispositivo permite ajustar de manera eficiente el brillo automático de la pantalla para una visualización óptima y ahorro de energía. El TCS3472 puede entrar en un estado de espera de bajo consumo entre las mediciones de detección de luz para reducir aún más el consumo de energía promedio.

El ALS de Texas Instruments rechaza el 99 % de la luz IR

Las aplicaciones meta del ALS OPT3001DNPT de Texas Instruments son los controles de retroiluminación de la pantalla, los sistemas de control de iluminación, las tabletas y las computadoras portátiles. Este dispositivo mide la intensidad de la luz visible con una respuesta espectral del sensor que se ajusta perfectamente a la respuesta del ojo humano (Figura 8). Para ayudar a lograr esto, cuenta con un filtro óptico front end con un rechazo de la luz infrarroja de más del 99 % antes de pasar la luz detectada al ADC integrador.

Figura 8: El diagrama de bloques del sistema OPT3001 de Texas Instruments muestra el filtro óptico que presenta un 99 % de rechazo de la IR antes de pasar la señal detectada al ADC integrador. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El ADC tiene un rango dinámico efectivo de 23 bits con rango de ganancia automática. Este medidor de lux de un solo chip rechaza las señales de luz infrarrojas mientras mide la intensidad de la luz visible. Independientemente de la fuente de luz, la respuesta espectral de precisión del OPT3001 y el fuerte rechazo a la IR permiten que el dispositivo mida con precisión la intensidad de la luz según como la ve el ojo humano.

Un fuerte rechazo de la IR ayuda a mantener una alta precisión cuando el diseño industrial solicita que el sensor se monte debajo del vidrio oscuro por razones de estética.

Un problema interesante que puede ocurrir con una pantalla de retroiluminación es que las mediciones de luz cambien bajo diferentes fuentes y entradas de luz. El vidrio oscuro, por ejemplo, transmite señales de luz infrarroja. La luz incandescente tiene altas longitudes de onda infrarrojas que, debido a la transmisibilidad del vidrio, alcanzan el sensor. Con un 99 % de rechazo de la IR, el OPT3001 mide solo lo que está en la región visible y asigna la respuesta del ojo humano a las cuatro respuestas colectivas de ADC (Figura 9).

Figura 9: El dispositivo OPT3001 captura el espectro de luz visible más la respuesta del ojo humano (izquierda) y asigna dicha respuesta a las cuatro respuestas ADC colectivas (derecha). (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Para ayudar a lograr la reacción del ojo humano, el OPT3001 tiene una función de configuración de ganancia automática que responde automáticamente al nivel de luz de entrada. El dispositivo se mantiene en el rango óptimo con una buena resolución y una precisión estrecha entre los rangos. La precisión relativa entre los rangos de ganancia es de 0.2 %.

Conclusión

Los ALS se pueden usar para medir la intensidad de la luz visible a fin de proporcionar al usuario una pantalla LCD legible con el mínimo consumo de energía. El objetivo de cada fabricante es hacer coincidir la respuesta espectral de estos sensores con la respuesta del ojo humano, incluido un rechazo significativo a la luz infrarroja, mientras se mantiene la utilización de energía lo más baja posible, independientemente de la fuente de luz o la aplicación.

Dicho esto, es un ejercicio subjetivo: cada ALS de este artículo es diferente ya que tienen diferentes estilos de filtrado óptico, amplificación de color visual y grados de resolución y satisfacción de ADC. Como consecuencia, el resultado de un dispositivo ALS es similar a los desafíos de la industria del audio: una persona puede aceptar el aspecto o el sonido de una solución, mientras que otra persona puede rechazarla por completo. Esto les da a los diseñadores cierta libertad para la creatividad y la diferenciación en su diseño de LCD.