Уменьшаем влияние ШИМ подсветки на зрение аппаратными методами.
Предисловие.
У каждого в доме есть телевизоры, телефоны, планшеты, ноутбуки… Все эти чудеса современной электроники плотно вошли в нашу жизнь. Мы не представляем себе жизни без них и много времени проводим листая ленту или просматривая любимый сериал.
Но как экраны влияют на наше зрение?
Долгая работа перед экраном заставляет глаза фокусироваться на коротком расстоянии, что в будущем может привести к снижению эластичности хрусталика и близорукости. Продолжительное использование смартфонов для чтения и просмотра видео также может привести к ухудшению зрения. Чтобы этого избежать рекомендуют делать паузы в работе с компьютером или телефоном и переводить взгляд на удаленные объекты, смотреть в окно. Таким образом хрусталик будет менять форму и не терять эластичность.
Так же в последнее время поднимается вопрос о вреде синего света на зрение, но пока нет научных подтверждений этого факта. Хотя, все же он может приводить к усталости зрения.
Одним из факторов, влияющих на комфорт и здоровье зрения является ШИМ.
ШИМ — Широтно-импульсная модуляция (англ. pulse-width modulation (PWM)) — процесс управления мощностью методом пульсирующего включения и выключения прибора (Википедия).
Этот метод широко используется в электронике как довольно простой, дешевый и эффективный способ управления мощностью приборов. Кроме него существует и аналоговое управление, которое позволяет плавно менять мощность, но этот способ дороже и реже используется.
Если разобраться в принципе работы — то частота пульсаций ШИМ остается неизменной, а меняется скважность, т.е. отношение времени включения ко времени выключения. Таким образом меняется результирующая мощность.
Этот метод часто используется и для регулирования яркости подсветки дисплеев и мониторов. Из-за чего изображение может мерцать. Алексей Надёжин
проверял телевизоры в магазинах на наличие ШИМ.
Из-за инертности зрения пульсации от 25 Гц плохо различаются глазом и воспринимаются как статичный свет. Благодаря этому также широко применяется динамическая индикация — быстрое последовательное включение источников света, при котором глаза воспринимают все источники включенными одновременно. Для осветительных приборов даже ввели допустимый коэффициент пульсаций.
Все бы ничего, но как показали исследования, длительное воздействие на глаза пульсирующих с частотой до 300Гц источников света, может приводить к зрительной и умственной усталости, головным болям и потере концентрации.
Причиной копаний в этой теме как раз и стали повышенная утомляемость глаз и появление головных болей при длительной работе за ноутбуком или пребывание в помещении с некачественными источниками освещения. С освещением все проще — меняем осветительные приборы на качественные. Но что делать с ноутбуком??
Боремся с ШИМ подсветки в ноутбуке.
Хочу предупредить: все вмешательства в схемотехнику ноутбука рискованны и требуют высокой квалификации исполнителя! В случае отсутствия соответствующей подготовки, настоятельно рекомендую воспринимать статью как познавательно-развлекательную!
Для оценки уровня пульсаций вашего монитора или дисплея ноутбука можно воспользоваться "
карандашным методом", снять на телефон короткое видео в Slow motion или приобрести специальный прибор. Единственный доступный для покупки прибор —
Люксметр Radex Lupin. Правда, цена не радует.
Я же использовал самодельный "
Индикатор светового излучения". Жаль, что подобных дешевых приборов нет в продаже.
После проверки дисплея ноутбука HP 4540s оказалось, что частота ШИМ — 280 Гц. И дело не в самой матрице, а в управляющем сигнале, который на нее подается. К стати, подборку ноутбуков с хорошими экранами можно найти на
сайте Андрея Бредихи.
На максимальной яркости пульсации пропадают. Казалось, вот и выход — яркость на максимум! Но тут ждал сюрприз: дисплей плавно снижал яркость на темном изображении и так же плавно увеличивал до максимума на светлом. Время перехода составляет около 3-5 секунд. Я терпел какое-то время, но карантин — время возможностей и у меня появилась возможность побороться с ШИМ подсветки.
Способ первый — отключить ШИМ. Яркость подсветки будет всегда на максимум. Для этого я разобрал ноутбук и нашел разъем шлейфа матрицы. Далее, включаем ноутбук с 50% яркости и отключенным дисплеем (можно с внешним монитором). Осциллографом находим контакт, на котором присутствует сигнал ШИМ с частотой, в моем случае, 280 Гц. Теперь нужно отследить дорожку от этого контакта разъема. В моем случае она пришла на резистор — снимаем его. На контакт разъема нужно подать 3.3 В. Напряжение можно поискать на больших конденсаторах DC-DC преобразователей и пробросить перемычкой на наш разъем. Имеем постоянный сигнал вместо ШИМ. Собираем, проверяем. ШИМ отсутствует, как и управление яркостью подсветки.
С этой доработкой ноутбук находился в эксплуатации около двух недель. Яркость матрицы не высокая и не доставляет дискомфорта. Дисплей больше не вызывает усталости глаз или головной боли. По крайней мере, этого я не заметил. Это не совсем решение, а скорее костыль.
Способ второй — увеличить частоту ШИМ выше предела восприятия. В разрыв линии ШИМ подсветки устанавливаем «Умножитель ШИМ х128».
На Хабре я наткнулся на статью "
Разгон подсветки монитора" в которой автор описывает способ увеличения частоты ШИМ.
Для этого берем микроконтроллер Attiny45 (ATtiny25/85 так же подойдут). Файл прошивки и описание вы можете найти в статье по ссылке выше.
Прошиваем, припаиваем провода и упаковываем в термоусадку. Получаем эдакий жучок.
Далее лепим нашего жука в свободное место и припаиваем провода: питание +3,3В нашлось на DC-DC преобразователе, INPUT — через резистор 1 КОм к источнику ШИМ, OUTPUT — через резистор 1 КОм на разъем матрицы. Резисторы я решил установить на всякий случай.
Перед сборкой стоит аккуратно проверить управление подсветкой и частоту ШИМ.
Имеем многократное увеличение частоты. Яркость регулируется, но есть небольшие нюансы. До переделки яркость менялась плавнее. Сейчас же на моем ноутбуке доступно 8 градаций яркости. На максимальной яркости ШИМ отсутствует, последние два деления яркость не меняют, а на минимальном — подсветка вовсе выключается.
На ноутбуке установлена матрица TN. Искажения цветовой температуры я не заметил. Драйвер подсветки не греется. Колебаний яркости подсветки также не замечено. Я продолжаю использовать ноутбук с увеличенной частотой ШИМ. Тестирование продолжается. О выявленных недочетах или усталости зрения я напишу в апдейтах в этой статье.
Заключение.
Если ваш ноутбук или монитор доставляет дискомфорт или даже страдания, то могу смело рекомендовать выше описанные способы борьбы с ШИМ к повторению. Правда, необходимо обладать определенными навыками для их реализации. Если вы не имеете нужной квалификации, то можно обратиться с просьбой о данном твике в мастерскую по ремонту ноутбуков.
В итоге, результатом я полностью доволен. Выигрыш в виде увеличения частоты ШИМ определенно оправдывает все вложенные усилия. Долгая работа за ноутбуком более не доставляет дискомфорта и не вызывает усталости, как прежде. «Умножитель ШИМ х128» также был установлен в аналогичный ноутбук начальника. Он остался доволен и подтвердил, что глаза стали уставать меньше.
После изучения влияния ШИМ на зрение я стал проверять дисплеи и источники света на наличие и частоту пульсаций. К примеру, купленный ноутбук Lenovo имел частоту ШИМ 200 Гц и был возвращен обратно в магазин. Другая модель Lenovo имеет частоту ШИМ 1000 Гц — ее я решил оставить. В третьей протестированной модели ноутбука Lenovo яркость снижалась до 30% вообще без заметной ШИМ, а ниже 30% появились пульсации около 34 Кгц, что является отличным показателем.
Проведенные исследования показывают, что низкую частоту ШИМ можно встретить даже в дорогих моделях ноутбуков. Нигде не указывается, какая частота ШИМ используется в конкретной модели. Остается только измерять…
Если вы располагаете альтернативными методами борьбы с влиянием ШИМ — буду рад почитать в комментариях.
Надеюсь, эта статья вам чем-то поможет. Спасибо, что дочитали. Берегите здоровье.
Update:
Попробовал выяснить, как накладываются частоты управления ШИМ, развертки и частоты драйвера. Проверял фотодиодом, включенным вместо микрофона в смартфон OnePlus 6. Программа — Spectroid. Яркость менял от 100% и до 0%.
electronupdate.blogspot.com/2015/10/portable-light-flicker-meter.html?q=Flicker&m=1
gembared.com/blogs/musings/diy-flicker-meter-and-pulse-measurements-a-how-to-guide
radiokot.ru/konkursCatDay2014/47/
Я использовал в своем измерителе диод SFH229 по мотивам «Индикатора светового излучения» с радикота, уже упомянутого тут.
Измерения источников света дают любопытные результаты: например LED лампа мощностью 25 ватт дает пульсации около 25% на частоте 70 КГц, причем форма сигнала странная…
ВОт такой спектр .
Вот такая форма сигнала
Тоже обращал внимание на ВЧ пульсации светодиодных ламп. В статье примеры спектров ВЧ пульсаций трёх ламп с импульсными драйверами.
А примерно что-то похожее видел в форме сигнала ПДУ.
Весьма спорное и надуманное утверждение. (я не о Вас, а о ШИМ-хейтерах :) ). Подавляющее большинство даже не подозревают как ШИМ в подсветке частотой герц в 300 «выжигает их мозг» :)
для помещений, в которых проводятся работы, требующие высокой точности – до 10 %;
для помещений с возможностью появления стробоскопического эффекта – до 10 %;
для детских учебных и дошкольных учреждений – до 10 %;
для работы с компьютерной техникой – до 5%.
Дизайнер всегда печётся исключительно о собственных интересах — произвести дешёвый эффект, получить себе портфолио, за счёт заказчика и т.д.
Но когда возникают вопросы, вроде — а как ребенок избежит травм, среди безумного количества торчащих острых деталей, или — а где хранить вещи и одежду, или — а за что держаться, чтобы не упасть, подскользнувшись на скользких ступенях — всегда получите недовольство с выражением величайшего высокомерия и снобизма.Не надо останавливаться на достигнутом. Ещё можно объединить ванну с унитазом и раковиной и сделать санузел проходным.
ЗЫ А зачем вам гроб в квартире?
Были квартиры, в которых по проекту ставилось две газовых плиты — одна на кухне для готовки, вторая в ванной для нагрева воды. Потом из кухни выкинули плиту с раковиной и превратили её в жилую комнату. Так что да — квартиры были великолепные.
И да, у моих родственников в сельском доме в кухне ванная и отопительный котёл.Вы не поверите, но люди иногда умирают. А ещё они иногда болеют, и их иногда приходится вытаскивать на носилках, потому что сами они идти не в состоянии.
даже маленький лифт не проблема — пополам складывают клиента
И по поводу планировок советских. Но это трындец. Вот жил в старом доме послевоенной постройки, добротный крепкий дом, с бомбоубежищем, с высокими потолками. Был у нас раздельный санузел. А вот соседям не повезло, у них в проекте не предусмотрена ванная комната от слова совсем. Есть маленький туалет и всё. А ещё дом был не сразу газивицирован, а были угольные печи, всё как полагается, кладка кирпичём. И да, даже на 4м этаже! Как тебе такое Илон Маск? Ах да, в связи с этим, не хватает по современным представлениям вытяжных каналов, потому как изначально не предполагалось что дом будет газифицирован, и теперь газовые службы мне запрещают там ставить на кухне вытяжку, вот так. А, и ещё, газовая колонка установлена… та-дам… в ванной!!!
Метод лечения — сброшенный с чердака в вентиляционный канал лом.
Я тут пофантазировать немного как в прямоугольник 15х20 см пихается какой-нить Атлант двухметровый… Не, не хватает мне фантазии. :)
Ну а что касается кухни — обычно дверь закрывают, что бы запахи не разносились по всей квартире, хотя есть и те кто даже в туалет дверь не закрывает
«ПОЭТОМУ газа в новых домах почти не бывает» лол вот это логика
малолетнего дмиллениала.Затем, чтобы днём можно было помыть руки, не включая свет и не пачкая при этом обои грязными руками. И чтобы ночью, идя в туалет, можно было включить свет в ванной, чтобы не целиться в унитаз на слух и чтобы яркий свет при этом не бил по глазам.Дверь проще и надёжнее, чем автоматика, в которой могут сесть батарейки и в которой датчик требует регулярной поверки.Между прочим, работники водоканала до сих пор для детекции загазованности используют бензиновую лампу родом из 19 века. Единственные отличия от тогдашних — зеркальце сбоку и выведенные электроды для подключения зажигалки.
И да, в случае утечки газа и взрыва ударная волна выбьет окно в ванную-туалет, а не стену.Видимо, под таким лозунгом какой-то вредитель пропихнул алюминиевые цоколи для ламп накаливания.
Давайте заодно и от окон в квартирах откажемся. А что, во Вьетнаме такие номера в гостиницах есть.Газу всё равно, что и как Вы там рассматриваете.Суть этого «нельзя» — чтобы в случае чего рвануло 20 кубометров взрывчатой смеси, а не 100.
1) Люди разные бывают и некоторые никакого низкочастотного ШИМ-а не замечают и не утомляются им,
2) Утомляемость обусловлена процитированной причиной, частотными биениями с источником внешнего освещения.
Более того, это можно расширить и на жильё (многие счастливы и в клоповниках, не подозревая что можно депрессировать в хоромах) и на автомобили (вполне удовлетворяясь имеющимися бюджетными сильно подержанными и не подозревая о кайфе управления новыми Майбахами) и даже на жён, зачем-то продолжая любить расплывшихся донельзя старых карг, не понимая что их вполне можно сменить на молодых красавиц! )))
Вопрос лишь в целесообразности, если
Гондурас не чешется, то зачем его беспокоитьчто-то устраивает, зачем его улучшать?Для встроенных GPU Intel есть
github.com/anatoliis/PWMHelper
или PWM Tool — по моему сейчас не обновляется. Это для тех, у кого руки не настолько прямые, как у автора.)
Я использую его на Asus UX430UN, на котором с завода стояло 180 или 200Гц, не помню точно.
Правда программно можно выставить максимум 2000Гц.
В детстве я страдал от ЭЛТ телевизоров и мониторов. Только не мог понять в чем причина. Может быть, есть люди, которые также не позревают, в чем причина усталости их глаз…
А то можно получить 160Гц. :)
Может они редки, и поэтому не заметны.
Вот я и пытаюсь понять: кто и где меня накалывает. Нутром чую, что-то здесь не так, иначе эта технология уже стояла бы в каждом ноутбуке.
Второе решение — увеличение частоты шима до 36кГц. Преобразователь подсветки работает на частоте порядка 300кГц. То есть при 100% яркости преобразователь, запустившись успеет отработать всего 7-8 тактов. При яркости 10% не успеет отработать даже 1 такт. Получаем регулировку яркости с шагом 1 такт, то есть всего 8 ступеней. Отсутствие плавной регулировки яркости также снижает привлекательность ноутбука для покупателя.
При использовании современных преобразователей подсветки, работающих на частотах выше 1МГц использовать дополнительный костыль в виде умножителя шим смысла нет — можно на этапе разработки обеспечить нужную шим.
Светодиоды устроены не так, как лампа накаливания и свет излучается при дискретном переходе по уровням. Т.е. длина волны излучения фиксирована принципом излучения.
Высокая частота шим то же создает проблемы — понижается экономичность, диоды и дроссели начинают пищать. И не наклеешь flicker-free шильдик, хотя затраты возрастают.
незначительно меняют.
Калибровка проводится при определённой яркости, при необходимости строятся 2-3 профиля при разной яркости, если есть необходимость работать при значительно различающихся (в несколько раз) уровнях яркости.
шутка
а так тоже задумался — КБ с миллиардным бюджетом не додумались до «жучка»
честно смахивает на зазывал трейдеров — за 100$ и неделю мы научим вас тому чего не знают трейдеры с окладами по 50к.$
т.е. они использую разные стратегии.
и таки да: за 100- не дам, а на 50 тыб — денег не хватит…
Для мониторов почему-то Flicker Free уже является стандартом, а вот ноутбуки и смартфоны — тут пользователь должен думать своей головой.
С миру по нитке — голому рубаха. Копеечная стоимость детали, умноженная на тираж изделия, даёт неплохую прибыль.
Есть и закладывается. В нормальных мониторах яркость регулируется током(например, dell) и об этом иногда сообщают на коробке. Просто 99% потребителей про шим не знают и поэтому такой фактор не является ключевым при покупке. Ну и шам-регулировка проще и дешевле, поэтому в бюджетных моделях встречается чаще.
Конкретный (хотя и очень узкий) пример — в при установки в ноутбук неродной матрицы в системе, которая этого не ожидает (в частности, macOS, там совсем всё сложно), некорректно инициализируется подсветка в ACPI,. и частота ШИМ становится в несколько раз ниже.
Так оно более аналогово будет, что ли.
типовой шим выглядит примерно так:
верхним полевиком накачивается напряжение всей линейки светодиодов (как правило от 30 до 60В) после чего по-очередно включается каждая из подключенных линеек на землю, с контролем протекающего через неё тока. В зависимости от тока — корректируется напряжение Step-Up-а
Именно поэтому предлагаемый в статье «вариант решения» — плохой!
Шимка не умеет так быстро просчитывать и корректировать напряжение/ток. Когда её заставляют повышенной частотой модуляции очень быстро «моргать» — она работает совершенно не в «рабочем режиме», а в циклическом «старт-стоп». Это как минимум выливается в отсутствие нормальной регулировки яркости (как у ТСа) а как максимум быстро помрёт сама шимка или светодиоды, т.к. и то и то испытывают стартовые сверхтоки намного чаще, чем это задумано.
Это и есть допустимая частота PWM модуляции. То, что производитель рассчитал как безопасную цикличность работы ШИМки
К тому же у вас то «почему-то не получилось» как надо )))))
Поэтому считать нормальным вы можете что угодно, но не удивляйтесь результатам и не несите это в массы.
Считаю, что все получилось, как надо. Есть ньюансы программной обработки ШИМ — отсюда и изменения в плавности регулировки яркости. Проблем, связанных в данным твиком не выявлено, поэтому статья пошла в массы. Тем более, за долгое время я не нашел альтернативных вариантов устранения влияния ШИМ. Если знаете — бросьте ссылку.
Также я опирался на опыт автора «умножителя».
ШИМ — на то и ШИМ, он таким должен быть, он так задуман. Попытка натянуть сову на глобус не сделает глобус совой, а сову — глобусом.
Единственный способ «борьбы с ШИМ-ом» — переделка на питание постоянным напряжением с регулировкой тока линейным стабилизатором тока. Конечно же ни Вы, ни я этого делать не будут.
НО как бонус — скажу свой способ «решения мерцания ШИМа подсветки рабочего места» — я просто вместо драйверов поставил регулируемый БП. При этом не нагружая светодиоды на 100%, т.к. температурный дрейф никто не отменял. Питаю светильники постоянным током. КПД естественно при этом ниже, т.к. часть энергии рассеивается на токовых резисторах в каждой линейке светодиодов. Городить то же самое в ноут — спасибо, но нет )
Для прошивки нужен программатор, например, usbasp. Подключаем к программатору, запускаем Khazama или SinaProg, выбираем тип процессора, выставляем частоту, выбираем файл прошивки и нажимаем «прошить».
Поищите, есть подробные инструкции по прошивке AVR микроконтроллеров.
Для отключения ШИМ достаточно на плате матрицы соединить через резистор 10 кОм пятаки VCCS и LED_PWM. Всё. Смысла лезть в материнскую плату с осциллографом и пытаться отпаивать дедушкиным паяльником на 100 ватт SMD элементы, посаженные на бессвинцовый припой — нет.А почитать даташит на матрицу и узнать, что она не переваривает ШИМ с частотой больше 2 кГц — не судьба?
Критикуя — предлагай!
Соглашусь, что со стороны матрицы найти нужный контакт проще. Но туда я осознанно не стал лезть, т.к. посчитал, что матрицу повредить легче.
В СТУДИЮ:
1) Прямые ссылки нанаучные исследования в этом направлении.
2) Ссылка на официальный документ ВОЗ по этому поводу.
3) Чё такое «умственная усталость»? Определение.
Пока этого не сделано: проблема высосана из пальца. ИМХО.
а ШИМ процентов на 0,5-1 влияет максимум (если влияет)
www.researchgate.net/publication/224188247_LED_lighting_flicker_and_potential_health_concerns_IEEE_standard_PAR1789_update
www.researchgate.net/publication/337941854_CRITICAL_FREQUENCY_OF_FLICKER_MERGING_AND_VISUAL_POTENTIALS_UNDER_COMPUTER_LOAD
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4038456/
И нам поведайте, что там интересного.
В конце документа есть ещё много ссылок на всякое-разное.
Я не являюсь научным сотрудником, и не имею учёной степени, чтобы вас учить.
Погуглим вместе и разберемся в вопросе, вместо скептицизма и сарказма??
если есть исследования ведущих институтов — это показатель.
и да, из-за травмы глаза Я вижу моргание монитора\телевизора (не всех, но многих… для меня прям беда в магазине в отделе теликов)…
Без сглаживания и 100 Гц заметно боковым зрением.
И хорошо заметны.
Например, заметить глазами пульсации 20% на частоте 100Гц почти невозможно, но пульсации 500% на частоте 200Гц хорошо заметны и жутко бесят.
1. частота там удвоенная 48-50Гц
2. пульсации далеко не 100% ибо время закрывания лампы очень мало по сравнению с временем её открытия
3. мерцание всё равно хорошо заметно
2. Пульсации 100%, потому что во время закрытия лампы обтюратором освещенность ноль.
3. А глаза не болят.
Лучше ознакомьтесь, что такое коэффициент пульсаций и как он определяется.
eco-e.ru/poleznoe/stati/osveshhenie/pulsacziya-osveshhennosti/
Потому, что пульсации невелики, гораздо меньше 100%
Однолопастной обтюатор стоит в кинокамере, т.к. там не требуется умножение.
Как в X230 делают (и я так делал до замены экрана).
tomeko.net/software/IntelPWMControl/
github.com/dmytrov/IntelPWMControl
github.com/Kappa71/PWM — вот эта в 10-ке работает
www.youtube.com/watch?v=ycKzTDnTYTQ
вот еще
www.youtube.com/watch?v=RaPT3tDr6MI
community.intel.com/t5/Software-Tuning-Performance/IntelPWMControl/td-p/1001597
github.com/BALEHOK/PWM/blob/master/PWM%20tool.zip
нужно ли писать как вообще запускаются консольные программы и как посмотреть набор параметров, которые они умеют?
Лучше сделать так. Перевести управление с ШИМ на линейное, как у автора ролика.
А линейный драйвер плох большим тепловыделением.
'второй — увеличить частоту ШИМ выше предела восприятия' — правильный способ. Но надо проверить, не теряется ли качество цветопередачи с примененными светодиодами подсветки. Ну и будет проблема с установкой нужного уровня яркости (допустим на обычном ШИМ вам надо было 40%)
:)