Каталог товаров

Светодиодные экраны

Основные параметры и подбор

 

Светодиодные экраны (LED screen) отличаются от прочих, прежде всего, тем, что отдельные его элементы являются самостоятельными активными источниками света. В данном случае светодиодами, понятно. И в этом их главное преимущество – одинаково эффективная работа как в условиях затемнения, так и в солнечный день. Кроме того, светодиоды обладают громадными (до 100 000 часов) сроком службы независимо от числа циклов включения/выключения и быстродействием, неприхотливы к наружным, в том числе температурным, условиям. Низкая температура при работе, как правило, исключает необходимость принудительного охлаждения. Тем же объясняется и низкое энергопотребление. К существенным недостаткам можно отнести высокую стоимость и невозможность просмотра с близкого расстояния.

Свойства самих светодиодов определяют возможные условия применения экранов: как наружное (outdoor), так и внутри помещений (indoor), стационарные и мобильные, хоть с автомобиля. С одинаковым успехом светодиодные экраны могут использоваться для видеотрансляций, рекламы, как информационные и т.д. Модульная структура экранов позволяет с относительной лёгкостью монтировать конструкции любого размера и пропорций. Также возможны и весьма распространены гибкие экраны. Таким образом, можно утверждать, что высокая стоимость светодиодных экранов вполне компенсируется относительной простотой в обращении, универсализмом, эффективностью. Короче – хорошей окупаемостью.

Выгоднейшим образом, например, светодиодные экраны отличаются от плазменных. При сравнимой глубине, плазменные панели не обладают достаточной яркостью и контрастностью в условиях интенсивной подсветки. При этом расход электроэнергии ими может достигать 1.5 кВт/м²(!). Нормальный расход светодиодного экрана составляет 250…300 Вт/м². Стабильной работы плазмы можно ожидать от +5°С, в то время как светодиодные экраны свободно переносят и -20°С. Срок службы плазмы не превышает 20 000 часов, против не менее чем 50 000 светодиодных экранов.

 

«Элементарной частицей» экрана является пиксель (pixel) – самостоятельная точка с собственным оттенком. Собственно, само сокращение от «picture element» («элемент изображения») говорит само за себя. Пиксель (если он не монохромный) физически включает в себя несколько светодиодов с цветами, необходимыми для реализации системы синтеза цвета RGB, что и делает его полноцветным (true color). Для улучшения динамики изображения широко применяются, так называемые, виртуальные пиксели. Они формируются программными способами из близко расположенных, подходящих по цвету светодиодов и позволяют визуально повысить разрешение экрана.

Пиксель может быть реализован, в частности, в виде кластера – группы светодиодов в отдельном влагозащищённом и светоизолированном корпусе. Кластер может иметь самые разнообразные формы и размеры. В настоящее время такое исполнение считается устаревшим и почти не используется. Куда более распространена SMD-технология. Surface montage detailes (поверхностный монтаж деталей) обеспечивает пайку диодов непосредственно в плату, что намного технологичнее и обеспечивает дополнительный отвод тепла. В конечном счёте это даёт возможность использования более мощных и ярких светодиодов. Весьма популярны полноцветные SMD-диоды «3 в 1». Для наружного применения SMD-платы заливают специальными герметизирующими составами.

Группы пикселей объединяются в модули, в свою очередь, являющимися элементами экранов. Модули могут иметь произвольные размеры и содержать любое число пикселей любого состава. Модули характеризуются наличием собственного электропитания и управления. Модульная структура экрана обеспечивает возможность быстрого монтажа/демонтажа и замены неисправного элемента.

 

Очевидно, пиксель не является точкой, но имеет вполне себе физические размеры. Также очевидно, что изображение будет тем качественнее, чем эти размеры будут меньше, и чем концентрация пикселей будет выше. Шаг (pitch) – расстояние между центрами соседних пикселей – однозначно характеризует минимальное расстояние комфортного просмотра от зрителя до экрана. Считается, что это самое минимальное расстояние не должно быть меньше в метрах, чем шаг в миллиметрах.

Также весьма характеризуют качество изображения разрешение (resolution) – количество пикселей в одном квадратном метре поверхности экрана и графическое разрешение (graphic definition) – количество пикселей на экране. Считается, что приемлемое качество изображения можно получить при разрешении 256х192.

 

Способность работы экрана в различных условиях освещённости характеризует его яркость. Стандартная яркость (standart brightness) – яркость, излучаемого модулем света, измеренная в канделах на квадратный метр (кд/м² или нит). Считается, что для помещений достаточно яркости 1500…2000 нит, для ориентированного на север экрана – 3500…4000, для подсвеченного солнцем – не менее 5000 нит. Для сравнения, яркость телевизионных экранов не превышает 500 нит.

Управление уровнем яркости светодиодов (в частности, для формирования цветов) осуществляется при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWMpulse-width modulation). Скорость обновления изображения характеризуется частотой подачи импульсов на светодиод или частотой рефреша (refresh rate). Время цикла называется периодом рефреша (refresh time). Яркость свечения для человеческого глаза определяется длительностью импульса. Частота рефреша в современных экранах составляет не менее 100 Гц.

Также применяются более изощрённые методы ШИМ: Scrambled PWM (Macroblock), Sequential Split Modulation (Silicon Touch), Adaptive Pulse Density Modulation (MY-Semi). Яркость определяется не простым отсечением части импульса, а его дроблением по различным алгоритмам. Суммарное время отрезков будет соответствовать времени по обычной ШИМ.

Обычное 8-битное на канал управление яркостью даст 256 её градаций (2 в 8-ой степени). Учитывая, что в синтезе участвуют три цвета, получим более 16 миллионов оттенков (256 в кубе).

 

Контрастность экрана определяется отношением яркости участка экрана с информацией и без таковой. Для светодиодных экранов эта величина составляет, как правило, от 500:1 до 1000:1. Это для затемнённых помещений, в условиях подсветки данная величина снижается.

Также немаловажен угол обзора экрана. Он определяется, прежде всего, углом светодиода. Угол светодиода (LED angle) – максимальный угол, при котором яркость светодиода падает не более, чем в 2 раза. Обычно составляет 70°…120°. Для экранов угол обзора (viewing angle) определяется аналогично и обычно составляет 100°…160°.

 

Видеосигнал на управляющий светодиодным экраном компьютер может поступать от любого источника: проигрыватель, видеокамера, удалённый рабочий стол и т.д. Главное, чтобы доступен был формат видеопотока. Изображение для вывода на экран формируется в виде компьютерного файла, преобразуемого управляющим компьютером и видеоконтроллерами в цифровой код. Код, в свою очередь, поступает на управляющие схемы драйверов (источников тока) светодиодов, которые и формируют изображение.

Непосредственное управление экраном может осуществляться компьютером с соответствующим программным обеспечением через контроллер. Передача данных происходит по протоколу TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – протокол управления передачей/интернет протокол). То есть, по стеку протоколов, где протоколы более высокого уровня базируются на протоколах с менее высоким уровнем. Наименее высокие уровни – физический и канальный. Например, протокол Ethernet, определяющий проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколом управления доступом – на канальном. Протоколы этих уровней реализуются, например, в сетевой карте компьютера.

Выше следует сетевой уровень, где реализуется протокол IP, описывающий структуру сети и доставку пакетов, протокол, лежащий в основе Интернета. Согласно ему, каждый узел в сети имеет свой IP-адрес, состоящий из 4-х байт. Каждый узел передаёт пакеты узлам своей подсети напрямую, прочим – через маршрутизатор, сетевое устройство, пересылающее пакеты данных между различными сегментами сети.

Протокол TCP основывается на IP и также предназначен для отправки пакетов, но с существенными усовершенствованиями. Так, протокол TCP обеспечивает установку соединения, что позволяет ему, в отличие от IP, гарантировать доставку пакетов. Использование же портов делает возможным обмен пакетами между приложениями, а не узлами. Потеря данных при передаче регистрируется и, в случае необходимости, организовывается дублирующая передача.

Для экономии аппаратно-компьютерных средств в экранах часто используется чресстрочная развёртка. Суть этого метода заключается в последовательном воспроизведении чётных и нечётных строк отдельно. Как следствие, вдвое снижаются фактическая частота рефреша и яркость.

Для больших экранов или при слишком большом числе светодиодов применяют временное разделение. Модули экрана разбивают на группы (2, 4, 8 и т.д.) и подключают поочерёдно. Яркость и частота рефреша падают пропорционально числу групп. Следует отметить, что человеческий глаз не различит мерцания при фактической частоте рефреша более 100 Гц.

Все эти ухищрения направлены, в основном, на уменьшение числа драйверов. Во-первых, драйверы сами по себе весьма недёшевы, и экономия на них существенно удешевляет конструкцию вообще. Во вторых, снижение плотности расположения аппаратуры улучшает охлаждение. В третьих, просто экономия энергоресурсов.

 

Драйверы в светодиодных экранах непосредственно отвечают за работу источников света, являясь конечным исполнительным устройством. В идеале, требования к ним таковы: подстройка тока для каждого светодиода; ШИМ (PWM) – регулировка общей яркости; широкий диапазон напряжения питания; встроенная защита от перегрева; встроенная схема обнаружения обрыва и замыкания в светодиодах. Часто используют задержку времени включения каналов на несколько наносекунд для предотвращения скачков тока в момент включения токовых ключей. Большое распространение получили 8-ми канальные драйверы с диапазоном питающих напряжений 3-5 В, выходных 1.25-17 В, выходной ток до120 мА с погрешностью 4% в одной микросхеме с возможностью управления постоянным током, протекающим через светодиод по каждому пикселю отдельно.

Более современны 16-канальные драйверы с программируемыми выходами. Их особенности: 16-битная PWM на каждый канал, 7-битный общий контроль яркости, тактовая частота до 25 МГц с соблюдением вышеуказанных требований. Существенно упрощают проектирование, поскольку основная часть задачи реализуется программными средствами. Облегчается процесс настройки светового баланса.

С появлением светодиодов, работающих на токах более одного ампера, встал вопрос об управлении такими токами. Были разработаны одноканальные драйверы, способные обеспечить выходной ток более одного ампера с управляемым токовым выводом. Управляющий ток приблизительно в 100 раз меньше. Рабочее напряжение более 30 В может запитать большое количество мощных светодиодов, подключённых последовательно. Обеспечивает их включение/выключение и позволяет регулировать яркость при помощи PWM-регулировки.

 

Подбор параметров светодиодного экрана зависит, прежде всего от условий применения. Экраны для наружного применения будут в любом случае дороже, поскольку должны быть рассчитаны, например, на более широкий диапазон температур (как правило, -20°С…+40°С). Также должны иметь высокую степень защиты*16*. Для любых уличных приборов рекомендуется не менее IP65. Кроме того, весьма желательны солнцезащитные козырьки и т.п. Яркость уличного экрана должна составлять 5000 нит. При этом нужно учесть возможное снижение яркости при применении чересстрочной развёртки или временного разделения.

Для определения размеров экрана необходимо представлять расположение зрителей по отношению к экрану. Максимальное расстояние просмотра может составить 20…30 высот экрана. Это корректно при часто используемом отношении сторон 4:3. Шаг пикселей определяется исходя из минимального расстояния просмотра: минимальное расстояние просмотра в метрах должно соответствовать шагу в миллиметрах. Разрешение экрана вытекает из размеров экрана и шага. Искусственно повысить разрешение можно, применив виртуальные пиксели.

Для обеспечения наилучшего угла просмотра лучше применять пиксели из трёх светодиодов базовых цветов. При этом отдельной настройки требует баланс белого цвета. То есть он должен быть именно белым, без оттенков. В режиме белого экрана не должно быть пятен. В противном случае нужна калибровка по свечению наименее ярких диодов. Но часто этим можно и пренебречь, поскольку при калибровке неизбежно снижение общей яркости экрана. Да и сбивается она достаточно быстро. Если не требуется такое уж высокое качество изображения, при выборе минимального расстояния до экрана можно руководствоваться минимальной дистанцией смешения цветов. Она приблизительно равна 500 шагам пикселей.

 

Конструктивное оформление светодиодных экранов предусматривает наличие корпуса и опорных, либо крепёжных конструкций. Внутри корпуса располагаются фермы для крепления модулей и оборудования, силовые и информационные кабели, управляющие контроллеры и драйверы. Управляющий компьютер может находиться как внутри корпуса, так и снаружи. Корпус предназначается в том числе и для защиты перечисленного оборудования от внешних воздействий.

Мобильные экраны устанавливаются прямо на автомобильном шасси. Там же монтируются технологическое помещение для обслуживания и управления экраном, генераторная установка для обеспечения автономного электропитания и акустические системы. Приведение установки из транспортного положения в рабочее составляет около 30 минут (быстросборные модульные экраны разворачиваются за три часа минимум). Ценны возможностью оперативно обслужить мероприятие средних масштабов при минимальных затратах времени и труда. Не нуждаются в коммуникациях. Габариты экрана ограничиваются возможностями шасси автомобиля.

Весьма специфическим изделием является гибкий светодиодный экран, дающий возможность придания конструкции сложных форм. Использование SMD-технологий позволяет добиться высокого качества изображения. Небольшой вес модулей и отсутствие корпуса обуславливает простоту монтажа. Как и все SMD-изделия обладает очень большим углом обзора. Может использоваться в качестве элемента архитектурного дизайна.

К списку статей