آشنایی با PWM در سخت افزار و مشکلات آن

مشکلات کاربران با نمایشگرهایی که از Pulse-Width Modulation یا PWM پایین رنج می برند، کم نیست. این داستان از نمایشگر های CRT یا لامپ تصویر دار آغاز شده و به مانیتورهای LCD نیز کشیده شد. اما چرا فرکانس PWM پایین موجب مشکلاتی نظیر سر درد، سرگیجه و خستگی چشم و ذهن می گردد؟ برای این منظور، بهتر است در وحله نخست به ساختار فرکانس ها در Pulse Width Modulation نگاهی انداخته و این مسئله را به طور تخصصی شفاف سازی خواهیم کرد. با “سخت افزار” همراه باشید تا شاید برای همیشه به این مشکلات خود پایین دهید.

منظور از PWM در این مطلب، فرکانسی است که شدت ضربان یا میزان ثبات روشنایی را در لامپ های فلورسنت و دیودهای LED مورد استفاده در نمایشگرهای LCD کنترل می نماید. این فرکانس یکی از حساس ترین بخش هایی است که می تواند سلامتی کاربران را در حین کار با سیستم های کامپیوتری و لپ تاپ، تحت تاثیر قرار دهد.

مشکلات ناشی از PWM ناقص برای نمایشگرهای LCD/LED موجود در لپ تاپ و یا مانیتورهای PC مشاهده می گردد. به عنوان مثال PWM پایین با درجه روشنایی 99~90 درصد نیز می تواند کاربر یک لپ تاپ را با نشانه های ذکر شده در مقدمه روبرو سازد. پیش از صحبت در مورد PWM، ما باید اصول اولیه درباره انواع سیگنال را توضیح دهیم؛ 2 گونه اساسی و اصلی سیگنال وجود دارد که با اسامی “آنالوگ” و “دیجیتال” شناخته می شوند. سیگنال آنالوگ دارای محدوده تعریف شده بین 0% تا 100% بوده و امکان ایجاد یک محدوده خاص را به شما خواهد داد.

به عنوان مثال کنترل شدت روشنایی یک صفحه نمایش، دور فن و مواردی از این دست. اما سیگنال دیجیتال دارای تعریف دیگری است؛ سیگنال دیجیتال بر اساس زبان “باینری” تنها خاموش و روشن را می شناسد. در نتیجه کنترل نور و یا دور یک فن توسط سیگنال دیجیتال عملا غیر ممکن است چرا که این سیگنال یا روشن و یا خاموش است پس نمی توان از ویژگی PWM برای یک فن بهره برد. با این وجود کنترلر های دیجیتال نیز مزایای خود را دارند؛ آنها ارزان تر، کوچک تر، ساده تر و دارای قدرت بیشتر و درصد خطای کمتر هستند. در نمایشگرهای امروزی، دو شیوه به منظور کنترل فرکانس LED های قرار گرفته درون نمایشگرهای LCD وجود دارد:

1-تبدیل سیگنال به AC یا جریان متناوب که باعث کاهش مشکلات بیشینه و کمینه سیگنال می گردد

2-استفاده از مدار های ترکیبی آنالوگ/دیجیتال

هر چند که مدل های دیگری نظیر استفاده از مدار تکی دیجیتال نیز وجود دارد که بیشتر در نمایشگرهایی نظیر نوت بوک استفاده می گردد. برای کنترل یک پنل LCD به روش سیگنال PWM گونه دیجیتال، برای روشنایی 70%، می توان مدار را اینطور برنامه ریزی کرد که در 70 درصد زمان روشن بوده و 30 درصد باقی مانده را خاموش باشد. معیار اندازه گیری فرکانس در این بخش “هرتز” است. هرتز به واقع تعداد دفعات چرخش الگوی سیگنال در هر ثانیه را نشان می دهد. به عبارت ساده تر، هر بار که یک سیگنال به طور کامل بر روی طول موج خود اجرا می گردد، در معیار زمان. معیار زمان نیز عموما ثانیه است. به طور حتم در اینجا از خود خواهید پرسید که آیا فناوری PWM لازم است؟

بله؛ همانطور که گفته شد، می توان از سیگنال های متناوب AC نیز برای تامین نیروی لازم دیودهای نورانی پشت نمایشگر استفاده کرد؛ اما در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی نیازمند تسلط بر سطح کنترل هستیم. به عنوان مثال فن های کامپیوترها که در بخش های تهویه مستقیم و غیر مستقیم فعال هستند. همچنین PWM یک کاهنده مصرف نیز خواهد بود که مصرف انرژی را نیز به طور چشمگیری کاهش  خواهد داد. PWM با پیشرفت های خود امروزه در ابعاد یک میکروماژول کوچک می تواند در گوشی های هوشمند نیز مورد استفاده قرار گیرد. اینک به سراغ بخش انسانی آن خواهیم رفت. چرا فرکانس پایین PWM یا همان Pulse Width Modulation موجب سردرد، خستگی ذهن و چشمان و حتی در برخی موارد ایجاد حالت تهوع می گردد؟

سو سو زدن نور پس زمینه تصاویر به دلیل فرکانس پایین و غیر استاندارد یا ناقص و خراب PWM، باعث انقباض های متعدد مردمک چشم می گردد. متاسفانه بسیاری از نمایشگرهای موجود بدون توجه به سطح PWM، سعی در بالا بردن شدت نور (با واحد نیت یا تعداد شمع در متر مربع سنجیده می شود) دارند. در این صورت سو سو زدن یا چشمک زدن های متوالی با هرتز پایین، می تواند حتی به مراتب مشکل ساز از نمایشگرهای تولید شده در سال های گذشته باشد. در نتیجه توصیه می شود که اگر با چنین محصولی روبرو هستید، شدت روشنایی آن را کاهش داده و از آسیب های آن کم کنید. به یاد داشته باشید که شدت آسیب پذیری کاربران بسته به سیستم فیزیکی و میزان حساسیت چشمان آنها، می تواند متفاوت باشد.

بسیاری از منتقدان استفاده از نمایشگرهایی را پیشنهاد می کنند که مدار PWM آنها با یک نور کامل جایگزین شود. به عبارت ساده تر، شدت نور ثابت مانده و باقی موارد توسط نرم افزارهای گرافیکی ارائه شده توسط شرکت های اینتلف انویدیا و ای ام دی ست گردد. از سوی دیگر تولید کنندگان می بایست از دیودهایی (LED) استفاده نمایند که فرکانس آنها به مرز 3000 هرتز برسد چرا که در این فرکانس مشکلی برای کاربران پیش نخواهد آمد. به طور متوسط، بدترین مشکلات در نمایشگرهایی دیده شده است که فرکانس PWM LED های آنها بین 100 الی 400 هرتز است. PWM امروزه در تمامی تجهیزات الکترونیکی و سخت افزاری مدرن نیز دیده می شود؛ Pulse Width Modulation به خودی خود دارای ایرادی نبوده و این پیاده سازی ضعیف آن است که این مشکلات را به وجود می آورد. به یاد داشته باشید که نرخ فرکانس دیودهای LED در مدار PWM ربطی به فرکانس پنل (Refresh Rate) و یا زمان پاسخ به فرکانس (Input Lag) ندارد.