Thinkpad X41T LED-Display Mod

Konzept

Idee

Das Display meines X41T gehört leider nicht mehr zu den hellsten seiner Art und außerdem sind Leuchtstoffröhren wohl die einzige Art Röhren, die noch nicht retro genug sind, um wieder cool zu sein. Was läge da also näher, als die alte Röhre durch eine LED-Beleuchtung zu ersetzen?

Anforderungen

Neben der Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung ist das Wichtigste natürlich die nahtlose Integration in das Thinkpad. Sprich die Steuerung der Helligkeit muss genauso gut funktionieren, wie mit der originalen Beleuchtung und die LEDs müssen auch vernünftig auf das Zuklappen des Laptops, Standby und dergleichen reagieren. Das nächste Kriterium ist dann natürlich die Helligkeit, dunkler als vorher sollte es natürlich nicht werden. Wenn es dann noch etwas effizienter liefe, wäre alles super.

Technische Umsetzung

Zunächst musste ich natürlich erst mal das ganze Display auseinander nehmen, um mir den Aufbau und die Steuerelektronik anzuschauen.

Ausgangslage

Nachdem man die Schrauben vom Display entfernt hat, kann man das Display Bezel mit einem flachen Schraubenzieher oder ähnlichem vom Rest lösen. Das Bezel ist mit doppelseitigem Klebeband rundherum fixiert, es reicht also nicht, die üblichen Häkchen vorsichtig aufzuhebeln, man muss auch das Klebeband überwinden. Im Idealfall bleibt es dabei am Display, so kann man einfach wiederverwenden. Siehe Bild.

Danach den Digitizer von der Rückseite des eigentlichen Displays abnehmen und sich zur Lampe vorarbeiten. Beim entfernen der Lampe gut aufpassen, dass sie nicht zerbricht!

Die Steuerung läuft normalerweise über einen MP1015, der mittig auf der Platine sitzt, auf der sich auch die Taster und die LEDs befinden (also die Platine, die auf dem Foto oben rechts zu sehen ist). Das Signal zur Steuerung der Helligkeit liegt an Pin 4, das Enable Signal auf Pin 5 braucht man glücklicherweise nicht. VCC und GND lassen sich auch recht einfach neben dem Steckverbinder abgreifen, mehr dazu später.

Aus CCFL mach LED

Der kritischste Teil des ganzen Projekts ist das LED-Array selbst. Denn dieses darf nicht viel breiter und höher als maximal 3mm sein. Doch glücklicherweise hat Osram da genau das Richtige am Start: die LEDs hören auf den schönen Namen LCW JNSH.PC und sind gerade einmal 3,0x1,4x1,2 mm³ groß. Sie haben einen Wirkungsgrad von 103lm/W, einen Abstrahlwinkel von 120° und einen Lichtstrom von 7,4lm.

Damit wären also schon mechanisch passende LEDs gefunden. Aber wie hoch wäre denn dann der Lichtstrom für die Hintergrundbeleuchtung mit diesen LEDs, sprich wie viele kann ich auf der Breite des Displays (~245mm) unterbringen? Rein theoretisch wären 83 LEDs möglich, praktisch aber natürlich nicht, es sei denn, ich schalte alle LEDs in Reihe. Dieser LED-Strang hätte dann eine Durchlassspannung von mehr als 250V. Letztendlich habe ich mich auf 72 LEDs festgelegt. Da bleiben dann pro LED 3,4mm Platz auf der Platine... Wenig, aber durchaus möglich, denn für solche Sachen gibt es doch die Oberflächenspannung des Lötzinns! Mit den 72 LEDs sollte die Hintergrundbeleuchtung einen Lichtstrom von ~530lm haben. Genug also, um heller als die CCFL zu werden!

Jetzt braucht es nur noch eine passende Platine, auf der die LEDs möglichst effizient untereinander verschaltet sind. Das heißt, ich möchte mit der Durchlassspannung schon so nah wie möglich an die Versorgungsspannung heran, aber auch nicht zu nah, da sonst die Beleuchtung bei geringer Akkuspannung ausfallen könnte (die Versorgungsspannung schwankt zwischen 15V und 16V, jedenfalls mit meinem alten Akku, der noch 10% Restkapazität besitzt). Im Datenblatt werden 3,05V als Durchlassspannung angegeben, mit 5 LEDs in Reihe könnte es also Schwierigkeiten geben. Also werden vier Stränge aus 18 parallel geschalteten LEDs in Reihe verschaltet. Anmerkung: Mir ist bewusst, dass das ein solcher Aufbau nicht optimal ist und durch Streuungen in den tatsächlichen Durchlassspannungen zu unterschiedlichen Strömen durch die einzelnen Stränge und damit zur Zerstörung der LEDs führen kann. Da ich aber mit LEDs aus einer Charge arbeite, habe ich mit (siehe Datenblatt Anmerkung 6 auf Seite 20) maximal 0,1V Abweichung von der Durchlassspannung zu rechnen. Ohne großen Aufwand à la Handselektion lässt sich das nicht großartig verbessern. Aktuell (21.09.12) läuft aber die Beleuchtung seit über drei Monaten anstandslos.

Die Platine lässt sich aufgrund der Maße schlecht direkt in Eagle designen. Aber da sie im Grunde sehr einfach ist, kann man einfach nur einen kleinen Teil in Eagle machen und dann per GIMP (oder über sonstige Bildbearbeitungsprogramme) das Bild aneinanderreihen, bis man für alle LEDs einen Platz gefunden hat.

So sehen dann die Bilddateien für die Herstellung der Platine aus:

Oberseite:

Unterseite:

Masse und VCC werden auf der Rückseite der Platine angeschlossen, also Masse ganz links und VCC ganz rechts oder umgekehrt. Die Löcher sind für Durchkontaktiernieten mit 0,6mm Außendurchmesser, also die kleinsten von Bungard. Die LEDs werden dann auf der Oberseite bestückt, dabei auf die richtige Polung der LEDs achten! Nach der 18., der 36. und der 54. LED muss die Polung vertauscht werden, damit die Reihenschaltung entsteht, also (die Zahl steht für die LED, ein d für eine Durchkontaktierung, ein I für eine Unterbrechung der Leiterfläche): -<17>+d+<18>-I+<18>-d-<19>+

Zum besseren Verständnis hier ein Bild, auf dem alle LEDs eingezeichnet sind:

Eine Nahaufnahme der fertig geätzten und genieteten LED-Platine und die Platine mit den ersten (noch nicht fertig verlöteten) LEDs:

Wenn alle LEDs verbaut sind, sollte man zur Vorsorge die Platine mit Klarlack (z.B. Plastik 70) bestreichen, um später Kurzschlüsse zu vermeiden. Dann kann es an den Einbau gehen. Dazu den LED-Streifen am besten von der Seite in den vorgesehenen Platz schieben. Sollte es noch zu sehr wackeln, muss man zum Beispiel einen Streifen Kunststoff (ich nahm 0,5mm starken) in die Lücke stecken.

Wenn die Platine sicher an der Kante des Diffusors sitzt, kann man den Digitizer wieder anbauen, die Kabel verlegen und das Display in den Deckel einsetzen.

Jetzt fehlt nur noch der LED-Treiber.

LED-Treiber

Der LED-Treiber basiert auf einem Allegro A6210, da sich mit diesem Chip und nur wenigen Bauteilen ein ziemlich effizienter Abwärtswandler realisieren lässt. Man muss nicht einmal mehr selbst die benötigten Werte von Spule, Diode und Kondensatoren berechnen, denn es gibt gleich ein Design Tool dazu, in das man seine Eckdaten reinwirft - und schon hat man das Nötige zusammen. Mit meinen Parametern schätzt das Design Tool einen Wirkungsgrad von etwas mehr als 95%.

Hier alle Bauteile und die fertig genietete Platine:

Nach dem Bestücken der Platine habe ich auch diese mit Plastik 70 versiegelt, um später Kurzschlüsse zu vermeiden. Und so sieht der fertige LED-Treiber aus:

Das Einzige, was man beachten muss, ist, dass der original Controller vom Denkbrett eine active-low Logik zur Ansteuerung der PWM bekommt, der A6210 aber mit active-high arbeitet. Deshalb befindet sich noch ein kleiner MOSFET (BSS138) zur Invertierung des Signals vor dem PWM Eingang des LED-Treibers. Ansonsten wird einfach der alte Display Controller entfernt, die Leitungen angezapft und an den LED-Treiber gelötet.

Schwarz ist Masse, rot ist die Versorgungsspannung und das dünne graue Kabel geht an den PWM Anschluss.

Da ich keinen Fingerabdrucksensor in meinem X41T habe, passt die Treiberplatine entspannt in die Ecke. Wäre das nicht der Fall, müsste man wohl von der original Platine ein Stück entfernen (da, wo vorher der Hochspannungstrafo saß) und die Platine dort unterbringen. Aber da unter dem Trafo Signale entlanglaufen, habe ich das nicht selber getestet.

Beim Einbau sollte man darauf achten, die Anschlüsse gut vom Deckel zu isolieren, sonst gibt's eine Glühbirne als Hintergrundbeleuchtung statt LEDs. Wenn das getan ist, einfach wieder alles zusammen bauen und sich über die Erleuchtung freuen.

Ergebnis

Zuerst mal war ich sehr glücklich, dass ich überhaupt noch ein Bild auf dem Display erkennen konnte. Und sogar die Helligkeitssteuerung funktionierte noch wie eh und je! In Sachen Helligkeit war eine deutliche Steigerung offensichtlich, aber wie viel heller ist das nun? Dazu hatte ich, bevor ich anfing, alles auseinanderzureissen, mit meiner Spiegelreflexkamera ein Foto von einem weißen Bild bei voller Helligkeit gemacht, da sich in der Kamera der genauste Belichtungsmesser befindet, den ich besitze. Also habe ich nach der Operation das gleiche nochmal gemacht. Mit CCFL hat das Display laut Kamera ~80cd/m² (=80nit). Und danach? Festhalten: 280cd/m² (=280nit)! Das wäre sogar heller als das 270nit Display in meinem W510. Allerdings hat dieses Laut meiner Kamera nur 190nit, weit weniger, als es eigentlich haben sollte (laut diesem Test liegt der Durchschnitt bei 230nit). Auch das X41T sollte eigentlich um die 180nit haben (durch Alterung sicher weniger). Ich schätze mal, es gibt einen Offset von ca. -50cd/m² bei der Messung mit meiner Kamera, dann klingen die Werte schon plausibler: X41T (CCFL) 130nit, W510 240nit und das X41T mit LEDs ca. 330nit. Ich weiß jedenfalls, dass das X41T jetzt deutlich heller als das W510 ist. So ungefähr könnten die Werte also hinkommen.

Also alles total super? Naja, leider nicht ganz. Denn mit den LEDs habe ich einen deutlichen gelben Farbstich, was mich sehr überraschte, da ich durch die kalten LEDs eher einen Blaustich erwartet hätte. Da hatte ich das Spektrum der CCFL wohl falsch eingeschätzt. Zum Glück kann man am X-Server rumschrauben, sodass das nicht so tragisch ist. Mit folgendem Befehl bekommt man das Problem so weit in den Griff, dass es mir egal ist. Das X41T würde ich sowieso aus tausend anderen Gründen niemals für die Bildbearbeitung oder ähnliches einsetzen. Also ich habe folgendes in meine rc.local eingetragen:

xgamma -rgamma .8 -ggamma .8 -bgamma 1.6

Noch zum Thema Stromverbrauch: ich habe den Stromverbrauch vorher und nachher mit powerTOP über eine halbe Stunde gemessen. Jeweils mit dem Display auf kleinster Stufe, höchster Stufe und noch einmal mit dem Display ganz abgeschaltet. Ergebnis: am Stromverbrauch ist auch ein Unterschied zu erkennen. Bei voller Helligkeit vorher ca. 14W jetzt ca. 13W, auf kleinster Stufe vorher noch ca. 12W, jetzt ca. 11W und ohne Display ca. 9W (vorher und nachher). Also immerhin etwas Leistung gespart, allerdings bei deutlich höherer Helligkeit des Displays.

Alles in allem also schon erfolgreich, wenn auch nicht auf ganzer Linie. Bei einem Laptop, dessen exakte Farbdarstellung wichtig ist, sollte man den Umbau wohl lassen, aber sonst: ran an den Lötkolben!

Downloads

Eagle Files für die Platine des LED-Treibers:

Eagle .brd: Download
Eagle .sch: Download

Bilder für die Herstellung der LED Platine:

Oberseite: Download
Unterseite: Download

Das A6210 Design Tool von Allegro mit meinen Werten:

als .ods: Download
als .xls: Download