Применение солнечной панели для определения характеристик экранов электронных приборов и источников света

В этой статье будет описано применение небольшой солнечной панели для определения некоторых характеристик экранов электронных приборов и источников света.

Конечно, сама по себе солнечная панель ничего определить не может. Потребуется дополнительное оборудование: мультиметр, а ещё лучше — мультиметр и осциллограф.

Так скромно выглядит главный герой статьи:

Эта маленькая панелька осталась у меня после конструирования «вечной батарейки» для электронных часов. Для неё был закуплен десяток таких панелек, из них две остались лишними.

Определение яркости экрана или источника света с помощью солнечной панели

Начнём с того, что ток, отдаваемый солнечной панелью, прямо пропорционален её площади. Поэтому применение иных панелей, чем указана в статье, потребует пересчёта параметров пропорционально площади активной части панели.

В данном случае площадь активной части составляет 40*10=400 кв. мм, хотя размеры самой панели — значительно больше (53*18 мм).

Конечно, может быть ещё разброс параметров из-за разницы в применяемых для солнечных панелей материалов, но, в принципе, для простых маленьких панелей наши китайские товарищи применяют примерно одни и те же материалы и технологии. Хотя небольшой индивидуальный разброс от изделия к изделию тоже может иметь место.

Солнечные панели имеют большой набор параметров, но самые основные из них (и важные в данном случае) — напряжение холостого хода и ток короткого замыкания.

Для измерения яркости источника света можно использовать только один из этих параметров — ток короткого замыкания.

Дело в том, что второй параметр (напряжение холостого хода) хотя и имеет зависимость от яркости света, но зависимость эта — очень нелинейная. Фактически, при высоких уровнях освещения напряжение холостого хода упирается в «потолок» — в номинальное значение для панели; и его зависимость от дальнейших изменений яркости света становится трудно различимой.

Зависимость же тока короткого замыкания от яркости света — почти линейная.

Поскольку у меня как бы случайно завалялся колориметр X-rite Colormunki, позволяющий точно определить яркость светового потока, то у меня появилась возможность установить соответствие между яркостью света и током короткого замыкания применённой световой панели.

Измерение я провёл при двух уровнях яркости моего основного монитора (Samsung SyncMaster SA650).

Для первой строки коэффициент пересчёта тока в освещенность получается 1.69, для второй строки — 1.65.

Близкие значения этих коэффициентов подтверждают почти линейную зависимость тока от освещённости.

Теперь переходим к более сложной части — использованию солнечной панели для проверки пульсаций (мерцания) экранов и источников света.

Схема использования солнечной панели для проверки пульсаций (мерцания) экранов и источников света

Образцовых приборов для определения мерцания источников света у меня нет (колориметр это не делает), поэтому будем просто считать, что я сделал технически всё правильно. :)

Немного теории вопроса.

Кривую освещённости может записать осциллограф, но, в отличие от мультиметра, он снимает кривую напряжения, а не тока. И, соответственно снять кривую тока короткого замыкания не может.

А просто взять и снять «в лоб» кривую напряжения холостого хода на солнечной панели было бы методически неправильно, так как из-за нелинейности зависимости напряжения холостого хода от освещённости кривая будет иметь искаженную форму.

Впрочем, в частном (хотя и широко распространённом) случае применения ШИМ (широтно-импульсной модуляции) осциллограмма в виде прямоугольных импульсов получится верная. Но нас интересует решение в общем виде.

И такое решение есть, и притом очень простое: надо нагрузить солнечную панель резистором. Величина резистора должна быть такой, чтобы напряжение на нём было достаточно далёким от напряжения холостого хода, когда характеристика начинает загибаться и упирается в «потолок».

Но устанавливать резистор слишком малого номинала — тоже плохо: напряжение на нём окажется слишком малым, что ухудшит соотношение сигнал/шум.

В итоге было решено использовать резистор такой величины, чтобы напряжение на нём не превышало 50-60% от напряжения холостого хода. А конкретно в данном случае, основываясь на приведённых выше результатах измерения с монитором, был выбран номинал 1 кОм.

Ещё один плюс в применении резистора — уменьшение постоянной времени цепочки «солнечная панель — щуп осциллографа» (в результате будут лучше отображаться фронты сигнала).

В итоге получилась такая бесхитростная конструкция:

Резистор просто был скручен с проволочками от витой пары, припаянными к солнечной панели. Припаивать резистор нет смысла, так как для измерений разных устройств могут требоваться резисторы разных номиналов (простота смены).

Теперь зажимаем концы резистора крокодилами щупа осциллографа, и вуаля — система готова к работе!

В качестве осциллографа использовался Fnirsi-1013D: прибор с массой недостатков, но с шикарным экраном и сенсорным управлением.

Проверка пульсаций яркости (мерцания) экранов и источников света

При измерениях мерцания экранов солнечная панель прижималась к ним вплотную; при измерениях пульсаций ламп — устанавливалась на таком расстоянии, чтобы уровень сигнала не превышал 400 мВ.

Монитор Samsung SyncMaster SA650 (27″, подсветка LED)

Это мой основной монитор, и результаты испытания привели меня чуть ли не в депрессию. Я подозревал, что он — не идеал, поскольку мерцание легко обнаруживалось народным карандашно-стробоскопическим методом; но я не думал, что всё настолько плохо…

Осциллограмма яркости при уровне 35% (комфортная яркость):

Ярко выраженные импульсы с падением яркости до нуля в промежутках между ними — что может быть хуже?!

Частота импульсов — всего лишь 180 Гц, что тоже не радует.

Теперь — поднимаем яркость до 75%:

Провалы между импульсами стали более короткими, это уже лучше.

Повышаем яркость монитора до 100% (максимум):

В этом случае всё как бы идеально: пульсаций нет.

Но беда в том, что при этом яркость экрана такова, что просто выжигает сетчатку; работать невозможно. Вернул яркость монитора к 35% с их дикими пульсациями.

Электронная книга ONYX BOOX Poke 4 Lite (подсветка LED)

Вот здесь есть повод поговорить о хорошем: мерцание не обнаруживается ни при каких уровнях яркости.

На этой осциллограмме — яркость на уровне 26 единиц тёплого и столько же холодного света (из 32 возможных):

А на следующей осциллограмме — максимальный уровень яркости (32 из 32 единиц по тёплому и холодному тону):

Измерения показали, что яркость экрана меняется нелинейно в зависимости от положения движков яркости; при приближении к верхней границе яркость нарастает быстрее. Возможно, здесь установлен закон, близкий к экспоненте. Это — скорее хорошо, чем плохо.

Но главный итог: светодиодная подсветка (LED) тоже может быть гуманной!

Смартфон OPPO Reno 5 (экран AMOLED)

Экраны AMOLED, как известно, не имеют подсветки: там каждый пиксель светится сам по себе. Тем не менее, в зависимости от организации управления экраном, они тоже могут иметь мерцания.

Первая осциллограмма — при яркости 50%:

Здесь тоже всё очень гуманно. Провалы есть, но они — очень короткие, и заметить их без приборов никак не получится.

Теперь — осциллограмма при яркости 100%:

Характер пульсаций не изменился, только уровень яркости стал выше.

Монитор Acer V243W (24″, 2008 г., подсветка CCFL)

Это — очень древний монитор, но, к счастью, до сих пор живой и здоровый; хотя обычно лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) долголетием не отличаются.

Осциллограмма при яркости 25%:

Здесь тоже наблюдается импульсный характер подсветки, но довольно гуманный: частота составила 269 Гц, а в провалах уровень яркости не доходит до нуля (возможно, благодаря послесвечению люминофора).

Осциллограмма при яркости 75%:

Третью осциллограмму (при яркости 100%) приводить не буду; просто поверьте, что там — прямая линия.

Светодиодные лампочки «Старт» 10 Вт (2 шт.)

Лампочки отличаются только датой покупки. Первая лампочка куплена уже много лет назад (затрудняюсь сказать, сколько именно), а вторая — почти свежая.

Первая осциллограмма — «старой» лампочки:

Пульсации — просто огромные, их частота — 100 Гц. Они видны невооруженным глазом, даже никакого карандашно-стробоскопического метода не требуется.

Эта лампочка висит в прихожей, где работает всего несколько минут в день, и потому ущерба здоровью и жизни нанести не может.

Теперь — осциллограмма «новой» лампочки:

Здесь картина значительно лучше. Провалы идут с той же частотой 100 Гц, но они — очень небольшие и вряд ли могут представлять опасность для здоровья.

Итоги и выводы

Итак, пользователи, владеющие мультиметрами и осциллографами, могут очень простым методом (с помощью маленькой солнечной панели и резистора) получить ещё одно интересное средство измерений. Оно, конечно, не сравнится с профессиональными приборами (люксметрами и фотометрами), но может дать достаточную для бытового применения количественную и качественную характеристику экранов и ламп.

К сожалению, иногда результаты таких исследований смогут Вас сильно опечалить.

Теперь — немного о приведённых выше результатах исследований разных экранов и источников света.

Как оказалось, экраны со светодиодной подсветкой могут быть очень разными: и с беспощадным ШИМ-ом, и с гладенькой прямой яркости. Перед покупкой устройств с таким типом подсветки желательно сначала прочесть в обзорах, что там пишут по этому поводу.

Мониторы и телевизоры с подсветкой лампами CCFL, несмотря на их древность и наличие пульсаций, хотя и не идеальны, но вполне пригодны к употреблению. Ничего делать с ними не надо, если они живы и здоровы. А если подсветка сгорела, то её можно заменить на светодиодную, но надо позаботиться о немерцающей подсветке.

Купить солнечные панели типоразмера, описанного в статье, можно на Алиэкспресс здесь или здесь.

Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

Цена — около $3 за десяток с учётом доставки (поштучно не продаются); но при этом помним, что курс доллара на Алиэкспресс — не такой, как у ЦБ РФ.

Кстати, восемь солнечных панелек из купленных десяти были использованы при создании вечной батарейки для электронных часов (статья).

При создании материала применялись приборы: мультиметр Aneng V8 (обзор) и осциллограф Fnirsi-1013D (обзор).

Спасибо за внимание!