Боремся с ШИМ подсветки экрана ноутбука.

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%.