iMac G4 mit LED-Beleuchtung

LED-Hintergrundbeleuchtung im iMac G4

Wie es begann

Nach wie vor benötige ich kein iPad. Mein Wohnzimmersurfgerät ist ein zehn Jahre alter iMac G4, gerne auch als „Tischlampe“ bezeichnet. Seit einigen Monaten hatte er aber so seine Macken. Nach dem Wiedereinschalten blieb der Bildschirm oft dunkel, und erst häufiges Aus- und Wiedereinschalten brachte das Bild zurück. Es war recht schnell klar, dass es sich um einen Peripheriefehler handeln musste, denn der Rechner arbeitete korrekt und fehlerfrei. Also begab ich mich auf die Suche nach der Ursache.

Bis vor kurzem wurden alle TFT-Bildschirme mit kleinen Leuchtstoffröhren (Kaltkathodenröhren – CCFL) betrieben, die über einen Hochspannungsgenerator (Inverter) angetrieben werden. Dieser Generator steuert in TFT-Bildschirmen zusätzlich noch die Helligkeit; er sorgt auch dafür, dass das Display schwarz wird, wenn kein Bildinhalt zu sehen ist. In Macs ist zusätzlich noch eine Einheit namens „Power Management Unit“ für die Steuerung des Bildschirms verantwortlich, dabei geht es um die Möglichkeit, den Bildschirm nach einer Weile zu verdunkeln, ohne den Rechner abzuschalten. Diese wird während der Ausschaltphasen durch eine Lithiumbatterie gepuffert.

  • Die CCFLs altern genau wie die klassischen Leuchtstoffröhren und werden lichtschwächer. Irgendwann springen sie nicht mehr an. Allerdings hat der iMac zwei dieser Röhren, und es schien äußerst unwahrscheinlich, dass beide immer exakt zur gleichen Zeit ausfallen. Daher habe ich die CCFLs nicht weiter untersucht.
  • Meine nächster Anlaufpunkt war die Lithiumbatterie der PMU, die inzwischen zehn Jahre alt war. Der Tausch war sicher notwendig, allerdings brachte er nicht das erwartete Ergebnis, sondern genau genommen gar keines. Ich lernte in diesem Zusammenhang, dass die G4-iMacs einen „Reset“-Knopf besitzen, den man erreicht, wenn man die Bodenplatte abschraubt.
  • Zuletzt habe ich das Inverterboard gegen ein günstig auf ebay ersteigertes getauscht. Aber auch hier stellte sich der erwartete Erfolg nicht ein. Das Verhalten blieb wie vorher; nach mehrfachem Einschalten konnte man irgendwann auch mit einem Bild rechnen.

Kurz – die eigentliche Ursache des Problems konnte nicht identifiziert werden, also musste eine neue Idee her.

(Update: Letztlich ist doch die Hintergrundbeleuchtung schuld gewesen. Der Inverter ist so clever und schaltet bei einer defekten Röhre die zweite gleich mit aus. So gesehen war der hier dargestellte Tausch gegen LEDs die richtige Entscheidung.)

Die Idee

Seit einigen Jahren werden vermehrt leuchtstarke LEDs als Hintergrundbeleuchtung für TFT-Bildschirme eingesetzt. Diese haben viele Vorteile: sie bleiben kalt, brauchen weniger Strom, geben ihr Licht gerichtet ab, bieten (bei richtiger Auswahl) einen höheren Farbraum, und sie geben ihre volle Helligkeit bereits beim Einschalten ab. In naher Zukunft werden CCFLs daher vom Markt verschwinden. Inzwischen sind auch weiße LEDs zu erschwinglichen Preisen erhältlich, flexible Bänder mit bereits fertig aufgelöteten LEDs sind bei ebay für 20 Euro für fünf Meter erhältlich.

Nachdem ich ein solches LED-Band einmal an anderer Stelle eingesetzt hatte und wusste, wie hell diese Leuchdioden heute sein können, empfand ich die Idee, dem iMac eine komplett neue Beleuchtung zu verpassen, nicht mehr als Unmöglichkeit. Es vergingen noch einige Wochen, in denen ich das Internet nach Vorgängern durchsuchte – bei sieben Milliarden Menschen sind auch ungewöhnliche Vorhaben selten einmalig. Tatsächlich gab es zwei handwerklich grobe Vorschläge, allerdings hatte sich bisher niemand daran gewagt, ein bestehendes Display so zu modifizieren, dass es nachher noch genauso unbeschädigt aussah wie vorher. Diese Erkenntnis ließ den Bastler einige Tage an der Idee zweifeln, aber letztlich obsiegte der Ärger über weitere zehn erfolglose Einschaltvorgänge.

Die Umsetzung

Apple-Computer sind augenscheinlich mit viel Liebe entworfen. Sie sind zudem mit Spezialschrauben gesichert und werden leider an vielen Stellen mit Klebstoff zusammengehalten. Aber der Reihe nach, beginnen wir mit dem Ausbau.

Der Ausbau des Displays

Beim Ausbau geht man – nachdem der Mac vollständig vom Netz getrennt ist – wie folgt vor:

  • Lösen der Schrauben, die sich rund um das Display hinter dem Rahmen versammeln. Sie sind allesamt vom Typ Torx, zwei davon (links und rechts in der Mitte) haben ein anderes Gewinde.
  • Nach dem Lösen der Schrauben fällt das Display leicht nach vorne heraus. Vorsicht: es wird nur durch die Kabel gehalten. Man löse zunächst die dünnen Kabel für Mikrofon und Schlaf-Leuchtdiode am unteren Rand, dann die beiden weiß-rosa-farbenen Kabel, die von der Displaybeleuchtung oben und unten zum Inverter führen. Das Kabel zum Display bleibt zunächst angeschlossen.
  • Danach entfernt man vorsichtig die schwarze Plastikverkleidung, hinter der das Displaykabel im Display verschwindet. Dabei kommt ein Stecker zum Vorschein, an dem das Kabel vom Display vorsichtig getrennt werden kann. Zuletzt löst man noch die Ferritklammer. Auch hier ist wieder Vorsicht angesagt: meine Klammer ist beim Lösen zerbrochen. Das ist allerdings nicht sonderlich kritisch, man kann sie einfach wieder ankleben.
  • Nun werden die vier Schrauben gelöst, mit denen das Display im Rahmen befestigt ist. Auch hier ist wieder ein (größerer) Torx-Schraubendreher nötig.
  • Bitte nicht weiter suchen: der Rahmen sitzt nach wie vor bombenfest, und es sind keine weiteren Schrauben vorhanden. Denn jetzt kommt der unangenehme Teil: Das Display ist in den weißen Rahmen eingeklebt. Man kann es vorsichtig herauslösen, indem man an einer der vier Halteklammern einen größeren Schraubendreher unterhakt. Das ist nichts für Grobmotoriker, der Rahmen ist leider nicht sehr stabil. Es dauert ein paar Minuten, aber dann sollte der Rahmen getrennt vom Display sein. Im Rahmen verbleiben dabei die Schlaf-LED und das Mikrofon sowie die zugehörigen Kabel.
  • Zuletzt wird noch der Inverter ausgebaut (roter Kreis im Bild links). Er ist geschützt durch eine Metallrahmen. Das ausgebaute Board kann man im im selben Bild unten links erkennen. Es wird später noch benötigt.

Zerlegen des Displays

Nachdem man das Display einmal gelöst hat, kann – und muss – man es weiter auseinander nehmen. Leider kommt man an die CCFL erst heran, wenn das Display komplett zerlegt ist.

  • Zunächst werden die vier Halteklammern an den Seiten entfernt. Sie sind nicht identisch, daher bitte merken, welche wo hin gehört.
  • Als nächstes wird der Metallrahmen entfernt, der das Display schützt. Er ist einerseits eingerastet; dazu sind ein paar dünne Metallhaken umzubiegen. Er ist geschraubt – dazu sind drei kleine Schräubchen in unmittelbarer Nähe der Aussparungen für die Halteklammern zu lösen. Er ist teilweise aber auch geklebt. Daher wiederum Vorsicht walten lassen und den Rahmen möglichst nicht verbiegen. Nun hat man das Display ohne schützenden Rahmen vor sich.
  • Die schwarze Folie auf der Hintergrundseite lässt sich vollständig abziehen. Dass dabei möglicherweise die silbernen Kanten zerstört werden, stellt später kein Problem dar.
  • Eine silberne Folie versteckt eine Platine mit Steuerelementen für das TFT. Auch diese Folie wird möglichst unbeschädigt entfernt – völlig zerstörungsfrei bekommt man sie nicht ab.

  • Zwei schwarze Schräubchen (diesmal Kreuz) halten die Platine am Rahmen. Sie müssen entfernt werden. Vorsicht: Nach dem Entfernen bewegt sich die Platine gerne frei im Raum, das ist allerdings den angeschlossenen Flachbandkabeln nicht bekömmlich.
  • Das eigentliche TFT-Glasdisplay kann nun abgenommen und an einen möglichst staubfreien Platz gelegt werden. Die matte Seite ist die Front, die später nach außen zeigt. Sie ist unempfindlicher.

  • Zuletzt wird noch die Kombination aus verschiedenen Plastikfolien und Scheiben entfernt, die allesamt dazu dienen, das Licht der CCFLs möglichst einheitlich auf die gesamte Displayfläche zu verteilen. Auch hier muss staubfrei gearbeitet werden, weil man jedes Korn ansonsten später auf dem Bildschirm sieht. Dazu werden die vier schwarzen Haltekleber mit einem Schraubenzieher gelöst. Die Folien lassen sich dann gemeinsam anheben und mit der Plexiglasplatte entfernen.
  • Zuletzt bleibt noch eine weiße Folie zurück, die ebenfalls entfernt und zum Schutz wieder hinter die Plexiglasscheibe gelegt wird.

Entfernen der CCFL-Röhren und Vorbereiten der LED-Beleuchtung

Nachdem das Display nun zerlegt ist, verbleibt der Rahmen mit den beiden Anschlüssen für die Leuchtstoffröhren. Diese sind enorm dünn und zerbrechen leicht. Sie befinden sich in gut verriegelten, aber nicht verklebten Plastikeinsätzen am oberen und unteren Bildrand. Mit etwas Fingerspitzengefühl und Geduld lassen sie sich mitsamt der Kabel entfernen. Die Kabel können sogleich abgeschnitten werden; wir brauchen sie später noch. Die Röhren selbst ließen bei meinem iMac an den Seiten einen schwarzen Rand erkennen – untrügliches Zeichen für ein hohes Betriebsalter.

Die beiden abgeschnittenen Kabel werden dann an die neue LED-Beleuchtung gelötet; rosa an Plus und weiß an Minus. Für den 15″-iMac sind zwei Streifen mit 18 Leuchtdioden erforderlich.

Umbau des Rahmens

Es ist unschwer zu erkennen, dass die neuen LED-Streifen nicht in den Rahmen passen. Für die 8mm breiten Streifen sind nur 5mm Platz im Inneren. Das bedeutet spanende (und auch spannende) Arbeiten.

Es gibt aber auch gute Nachrichten. Während die CCFL nach allen Seiten Licht abstrahlen und somit eine Menge Ingenieurskunst darauf verwendet werden muss, dieses Licht in Richtung des Displays zu lenken, senden die LEDs ihr Licht von selbst dorthin, solange man sie nur korrekt ausrichtet. Die CCFLs werden durch Abstandhalter in Form gehalten, außerdem sorgt eine reflektierende Folie für bessere Reflexionen. Diese Tricks brauchen wir nicht mehr. Die Papierfolie kann komplett entfernt werden, und die beiden Gummiringe verbleiben auf den CCFLs.

Nun beginnt der Teil der Arbeiten, bei dem echtes Werkzeug benötigt wird, beginnend mit einem Dremel-Kleinfräser. Man findet sie in vielen Haushalten, meist in der hintersten Ecke des Kellers, weil sie einerseits im Baumarkt recht günstig angeboten werden, andererseits aber im Haushalt der richtige Anwendungsfall fehlt. Notfalls tut es aber auch eine Laubsäge.

  • Der Rahmen wird oben und unten auf einer Länge, die etwa der Länge des LED-Streifens entspricht, von der Umrahmung befreit. An beiden Seiten findet man bereits eine Nut, die man als Schnittkante nutzen kann.
  • Nun muss man das gleiche auch mit den beiden Leisten machen, die die CCFL gehalten haben. Letztlich muss oben und unten ein freier Bereich von ca 2mm entstehen, damit die LED-Lichtfolien mitsamt ihrer Lötstellen genug Platz finden.

  • Die kleinere der beiden Leisten musste ich sogar doppelt schneiden, da zunächst am oberen Rand zu wenig Platz blieb. Das abgeschnittene Stück wurde dann weiterverwendet.
  • Bitte die Reste noch nicht entsorgen, sie werden teilweise noch einmal benötigt.
  • Zum Abschluss werden alle Teile sorgfältig entgratet und dabei maximaler räumlicher Abstand zum TFT-Display und dem Hintergrund-Plexiglas eingehalten, um Grate auf den Scheiben zu vermeiden.

Der Rahmen ist nun reichlich instabil. Das ist aber nicht kritisch. Einerseits stützen später der Metall- und der Außenrahmen das Display, zudem muss der Rahmen keine Transportwege mehr von einer Fabrik zur nächsten überleben; er bleibt eingebaut in das G4-Display und ist dort stabil genug auch im Falle eines Umzugs.

Einbau der LED-Beleuchtung

Die notwendigen Lötarbeiten zum Befestigen der Kabel hatte ich bereits weiter oben erwähnt. Nun geht es an den Zusammenbau des Displays. Wie bereits erwähnt, ist eine exakte Positionierung der LEDs nicht ganz so wichtig – der LED-Streifen sollte mittig und nach unten ausgerichtet sein.

  • Beginnen wir mit dem Einbau der Hintergrund-Plexiglasscheibe und der zugehörigen Folien. Diese werden wieder unter die schwarzen Haltefolien geschoben und fixiert.
  • Danach werden die beiden verbliebenen Halteleisten oben und unten eingesetzt – die Kabel der LED-Beleuchtung werden dazu vorher durch die entsprechenden Löcher geführt.

  • Dann wird das TFT-Display aufgesetzt. Achtung: Die Leiterplatte des Displays muss oberhalb des oberen LED-Lichtbands verlaufen. Es wird dazu außerdem die Klebefolie des oberen LED-Lichtbands entfernt.
  • Die LED-Beleuchtung ist am oberen Rand noch nicht fixiert. Dazu habe ich einen der abgesägten Plastikstreifen zwischen LED-Band und Flachbandkabel geschoben – siehe rote Pfeile auf dem zweiten Bild. Danach hat das LED-Band die richtige Position. Die hintere Seite der TFT-Platine wird wieder durch den vorhin entfernten Aufkleber geschützt.

  • Als nächstes wird der Metallrahmen aufgesetzt und mit den drei kleinen Schrauben fixiert- Danach sitzt das Display fest – allerdings ist die untere LED-Leiste noch nicht im Rahmen. Diese kann nun in den verbliebenen Zwischenraum zwischen Rahmen und Display geschoben werden – vorher wieder die Klebefolie entfernen. Dabei verbleibt zu viel Platz. Die LEDs können aber fixiert werden, indem man wieder einen der abgesägten Plastikstreifen in den Zwischenraum schiebt – gegebenenfalls muss man ihn ein wenig zurecht schneiden (Pfeile auf dem ersten Bild).
  • Danach ist es Zeit für einen ersten Funktionstest. Wie man sieht, erhält man kein 100% gleich verteiltes Licht – es entstehen am oberen Rand kleine Helligkeitszonen. Mich stört das nicht, aber vielleicht ist für den einen oder anderen an dieser Stelle Schluss mit der Bastelidee. Getestet wurde hier mit einem einfachen 12-Volt-Netzteil. Die LEDs sind für 12 Volt bereits vorbereitet und benötigen keine Schutzwiderstände.

Der weitere Zusammenbau des Displays in den Rahmen erfolgt in umgekehrter Reihenfolge wie oben. Am Ende sollte man ein ausreichend stabiles Display mit denselben Anschlüssen an denselben Positionen wie vorher vor sich haben.

Das neue Inverterboard

Ein Nebenziel des Umbaus war es, am bestehenden Material möglichst wenig zu verändern. Sieht man einmal vom Displayrahmen ab, ist das bisher geglückt. Nun kommen wir zur internen Stromversorgung. Das bisherige Inverterboard besitzt an Pin5 (Minus, schwarzes Kabel) und Pin6 (Plus, grünes Kabel) eine 12-Volt-Stromversorgung, die man nutzen kann. Ich habe dazu eine handelsübliche Lochrasterplatine verwendet, die nötigen Bohrungen vorgenommen, vom bisherigen Inverterboard die Kabel und den Printstecker entfernt und sie auf der Lochrasterplatine wiederverwendet, um die beiden Pins mit den Steckern zu verbinden (rosa an Plus/grün und weiß an Minus/schwarz). Das neue „Board“ passt exakt an den bisherigen Platz.

Die vier weiteren Pins dienen zur Helligkeitssteuerung und zum gesteuerten Abschalten des Displays. Pin 3 liefert eine 3,3-Volt-Spannung, mit der man per Transistor (BC 548) und Vorwiderstand (hier: 8,2 kOhm, ist in weiten Grenzen variierbar) die Abschaltung des Bildschirms erreichen kann. Die Masseleitung (Pin 5) wird mit dem Emitter und die Kathoden der LED-Streifen mit dem Kollektor des Transistors verbunden. Die Basis des Transistors wird über den Vorwiderstand mit Pin 5 verbunden.

Nach dem Einbau des Boards wird das Display mit allen Anschlüssen verbunden, beginnend mit dem breiten Display-Flachbandkabel, gefolgt von den Inverterkabeln und schließlich den Kabeln für die Schlaf-LED und das Mikrofon. Die Ferritklammer wird wieder befestigt, danach kann das Display geschlossen werden. Die beiden Schrauben mit Feingewinde landen wieder an ihrer Position links und rechts mittig am Display, alle anderen Schrauben sind gleich und können daher beliebig verbaut werden.

Erster Start

Nach dem Einschalten erscheint nach wenigen Sekunden der Apfel und das Gerät bootet. Wie man erkennen kann, sind nach wie vor die kleinen „Theaterleuchten“ am oberen und unteren Rand zu erkennen. Später, in der grafischen Oberfläche sieht man es aufgrund des bunten Bildinhalts weniger deutlich, aber beim Booten kann man es gut erkennen.

Was gibt es sonst noch zu bemerken?

  • Die Helligkeitsregelung funktioniert nicht mehr. Die entsprechenden Symbole werden beim Betätigen der F-Tasten auch gar nicht mehr eingeblendet. Die Ursache liegt darin begründet, dass der passende Anschluss am Inverterboard ungenutzt bleibt.

Fazit

Endlich funktioniert mein Wohnzimmersurf-Mac wieder auf Anhieb und wenn man ihn braucht. Der Umbau erfordert Werkzeug, Geduld, eine ruhige Hand und die nötige Lust am Risiko. Es ist aber nicht unmöglich, wie man sieht. Ich würde es wieder tun und helfe gerne, wenn andere den Umbau nachvollziehen möchten.

Es grüßt

Ihr JeanLuc7

2 Kommentare zu iMac G4 mit LED-Beleuchtung

  1. Ken sagt:

    Useful article despite my pathetic schoolboy German.
    I’m working on LED backlights for the iMac G4. It’s simple to read the brightness signal and convert to PWM for LEDs, although instead of hardware I will doing this with a brain as I also want to drive fan according to CPU temp.
    When complete I’ll post a page on my website with details.
    Ken

  2. Martin sagt:

    Dieser Umbau funktioniert auch mit anderen LCD-Monitoren, die Inverterplatine kann entfallen, man muß sich nur irgendwo aus der Elektronik einen Punkt mit 12V suchen, der mit einigen 100 mA belastet werden kann. Nachteil ist, daß die LEDs u.U. nicht auf den Ein-Ausschalter des Monitors regieren und dauernd leuchten.
    Außerdem sind warmweiße LEDs sind nicht so gut geeignet.

    Bei LCDs mit zwei direkt nebeneinander liegenden Kaltkathodenröhren dürfte die Verwendung von LED-Streifen mit 8,3 mm LED-Abstand (120 LED pro Meter) eine gute Lösung sein (Samsung).

    Einen älteren 15″-Video7- und einem 17″-Samsung-LCD-Monitor konnte ich selber umbauen. Beim Samsung fand ich keinen Punkt, der mit dem Monitordrucktaster
    abschaltbar war.

    Die Helligkeit von LED-Streifen kann gut über eine Längsregelung einstellen,
    sie hat degenüber einer Schaltregelung die Vorteile von Einfachheit und Flimmerfreiheit, aber der Regelungstransistor wird warm.

    Mein LED-Streifen leuchtet ab 8 V und brennt bei 14 V (gleißend hell) nicht sofort durch (mit Labornetzteil getestet).

    Solche in Umbau erfordert auch eine sehr saubere Umgebung, wenn man hinterher keine Flusen im Display sehen will.

    Fotos a.A an 76w bei gmx punkt de.

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