#1/2012

Moderne LED-Bildschirme: Eigenschaften, Technologien, Gründe zu wählen - Teil 2

Chefredakteur - Vladimir Krylov, Dr.-Ing.
Stellvertreter Chefredakteur - Michael Nikulichev, Dr. phil.

Das erste Teil des Artikels wurde einigen wesentlichen Eigenschaften der modernen LED-Bildschirme gewidmet, die Bildqualität, einschließlich Helligkeitseinstellung mit PWM, Methode der Schaffung des Bildes mit der Zeitmehrkanalausrüstung und -Bildwiederholfrequenz beeinflussen. Das zweite Teil konzentriert sich auf dynamische Farbenstrecke, Farbwiedergabe, Kontrast, IC-Treiber und Steuersystem, elektromagnetische Verträglichkeit und industrielle Störung von den LED-Bildschirmen.

Dynamische Helligkeitsstrecke, -Farbwiedergabe und -kontrast eines LED-Bildschirms

Helligkeit und Farbwiedergabe auf einem LED-Bildschirm

Fragment eines LED-Moduls für outdoor Bildschirm mit Struktur des Pixels 2R1G1B

Ein wesentlicher Parameter der LED-Bildschirme ist eine Fähigkeit, einige Farben anzuzeigen. Alle sichtbaren Farben resultieren aus dem Farbenmischen der grundlegenden Farben, die einen Pixel - gewöhnlich, Rot (R), grünes (G) und Blau (B) bilden. Anscheinend färbt mehr einen Bildschirm kann Bildsynthese, das höher die Bildqualität, vorausgesetzt dass die Farben natürlich sind und Farbenübergänge glatt sind.

Zuerst wird das Bild auf einem Computer gebildet und Bildqualität wird auf einen PC-Monitor ausgewertet. Das Bild auf einem LED-Bildschirm muss zum Anfangsbild so nah sein, wie möglich. Ein gegenwärtiger tatsächlicher Standard ist eine 24 Bitfarbkennzeichnung (True Color) wo der Helligkeitswert jedes Kanals als 8-Bitzahl dargestellt wird. So ideal ein Qualität LED-Bildschirm, Bildsynthese mindestens 2²⁴ Farben wenn (oder mehr als 16 Million).

Wir analysierten bereits, wie das Bild auf einem LED-Bildschirm mithilfe der PWM-Technik erzeugt wird. Logischeren Niveaus werden durch PWM auf einem gegebenen Bildschirm gestützt, das höher ist die Bildqualität.

PWM-Methode stellt eine lineare Abhängigkeit zwischen Strom (Durchschnittswert) und logischem Niveau der Helligkeit her. So garantiert PWM mit N-Niveaus, dass die reale Helligkeit von LED für alle diese Niveaus linear ändert. Das heißt, ist die Helligkeit einer LED mit PWM auf Niveau 1, genau zweimal das auf Niveau 2 und 256mal als auf Niveau 256 niedriger zu senken.

N-logische Niveaus in PWM entsprechen N-Helligkeitsniveaus von LED auf Bildschirm und die tatsächliche Helligkeit hängt direkt von der Erfassungsebene ab. Jedoch menschliches Auge empfindet Helligkeit auf eine nicht lineare Weise. Das empirische psychophysische Weber-Fechner Gesetz fordert die logarithmische Funktion als Methode für menschliche Wahrnehmung der Lichtintensität.

Bei niedrigerer Intensität beachtet menschliches Auge sogar die bedeutungslosen Änderungen in der Helligkeit; bei höherer Intensität gehen ähnliche bedeutungslose Änderungen in der Helligkeit unbemerkt. Eine viel grössere Änderung ist erforderlich, mit dem Auge zu registrieren. Uns alle möglichen Helligkeitsniveaus N (wenn N keine weniger als 100,) als ist horizontale Linie mit 100 Segmenten sich vorstellen lassen. Das Auge empfindet leicht angrenzende Segmente der Helligkeit zu Beginn der Linie, dann in der Mitte ist der Unterschied zwischen angrenzenden Segmenten nicht offensichtlich; und am Ende der Linie - nicht wahrnehmbar überhaupt. In Wirklichkeit bedeutet dieses, dass aus der Gesamtzahl N-Niveaus heraus wir eine viel kleinere Anzahl von Niveaus M vorwählen können, die linear empfunden werden.

Es ist interessant, zu erfahren, dass das Bilderzeugung auf LCD-Monitoren diese Verschrobenheit der menschlichen Wahrnehmung berücksichtigt. In den CRT-Monitoren ist dieses eine direkte Konsequenz der Bildanordnungsmethode; in den LCD-Monitoren wird eine Hardware-Gammakorrektur verwendet. Alles ergibt dieses eine verhältnismäßig lineare Funktion, die die subjektive Wahrnehmung und das kodierte logische Niveau der Helligkeit beschreibt. So hat die Anfangsbild-Datei 256 Helligkeitsniveaus (für True Color) in jedem Kanal, die auf eine lineare Weise empfunden werden.

Wenn PWM mit 256 logischen Niveaus verwendet wird, um ein AnfangsTrue Color-Bild anzuzeigen, beachten wir sichtbare Verzerrungen. Auf dunklen Abschnitten des Bildes sehen wir scharfe Ränder zwischen Helligkeitssegmenten. Auf hellen Abschnitten vermischen alle Helligkeitsniveaus. Verzerrungen beeinflussen die Farben, besonders in denen eine glatte Farbensteigung wesentlich ist, z.B. auf einer Abbildung eines menschlichen Gesichtes. Dieses geschieht, weil das Anfangsbild 256 nicht lineare Niveaus benutzt, die auf einem Bildschirm in den linearen Niveaus umgewandelt werden, die für Wahrnehmung des menschlichen Auges unpassend sind.

Damit True Color-Bild auf einem LED-Bildschirm mit minimalen Verzerrungen übertragen werden kann, die logischen Helligkeitsniveaus müssen korrigiert werden. Dieses kann erzielt werden, indem man die Zahl logischen Niveaus auf einem PWM-erzeugten Bild erhöht. Dann aus der viel größeren Zahl Niveaus heraus ist es einfacher, 256 Niveaus vorzuwählen, die für eine lineare Wahrnehmung kodiert werden können. Diese Vorwähler von 256 gleicht von einer viel größeren Zahl wird benannt „eine Gammakorrektur“ oder „eine Wahl der Palette“ aus. Können mehr Helligkeitsniveaus über PWM erzeugt werden, ist es, eine Korrektur zu bilden das einfacher, damit Farben und Helligkeit wird empfunden in einem „korrekten“ linearen Format.

Zurzeit bieten die besten LED-Bildschirme PWM mit 2¹⁶ logischen Helligkeitsniveaus an. Dieses ist mehr als genug zum Vorwählen die notwendigen 256 Niveaus, um genaues True Color-Bild anzuzeigen. Es sollte gemerkt werden, dass ein LED-Bildschirm Farben 256*256*256 anzeigen kann, und nicht 2¹⁶*2¹⁶*2¹⁶; es bedeutet, dass Farbe noch durch eine 24 Zahl kodiert wird, nicht ein 48- Bit. Die künstlich erweiterte Farben-Palette ist nur notwendig, um die minimale notwendige Zahl Farben vorzuwählen, um natürliche Farben- und Helligkeits-Wahrnehmung sicherzustellen.

Jeder Kanal kann in 8, in 10, 12, 14-Bit oder in kodiert werden, maximale 16-Bithelligkeit. Auf niedrigeren Kanalcodes ist die Korrektur natürlich weniger wirkungsvoll. Einerseits ist ein LED-Bildschirm mit kleinerer Zahl der logischen Helligkeitsniveaus preiswerter, während genaue True Color-Wiedergabe auf Bildschirm nicht immer notwendig ist. Z.B. benötigen LED-Bildschirm mit Ticker oder informierende digitale Bildschirme nicht sehr große Zahl von Farben.

Breitere Farbenstrecke ist aus einigen anderen Gründen vorzuziehend:

Zuerst darf sie LED-Bildschirmhelligkeit abhängig von der Tageszeit justieren, Jahreszeit des Jahres, Eigenheiten des Bildschirmaufstellungsortes. Menschliches Auge passt sich flexibel Zuständen der allgemeinen Beleuchtung an; folglich sollte Bildschirmhelligkeit an einem sonnigen Tag und während der Nacht drastisch unterschiedlich sein. Außerdem wenn ein LED-Bildschirm auf den Hintergrund des Himmels angebracht ist, müssen seine Adjustierungparameter von einem ähnlichen Bildschirm sich unterscheiden, der vor einem Gebäude steht oder an der Wand hängt.
Zweitens lässt sie flexible Adjustierung des Weißabgleichs zu. Paletten können auf jedem Farbenkanal unabhängig vorgewählt werden; so können wir Blau addieren oder Rot in einem Zielbild verringern. Dieses ist für beide AnfangsBildschirmeinstellungen und neueren Justagen wesentlich, aufgrund der Alterung der LEDs (LEDs Helligkeit verlieren mit dem Alter) oder LED-Linse verlieren Opazität.
Drittens erlaubt es irgendeine Farbenkorrektur in den einzelnen LED-Bildschirmmodulen. Dieses kann notwendig sein, wenn einige Module ausfallen und durch Reserven ersetzt werden: in diesem Fall sind LED-Parameter in den neuen und angrenzenden Modulen unterschiedlich und müssen abstimmen.

Diese Funktion ist für das Steuersystem, auch wesentlich. Sie ist nicht genug, zum von 16-Bit-PWM zu bilden; Hersteller müssen die Wahl der flexiblen Helligkeitsjustagen in der Hardware und in der Software des Steuersystems haben. Andernfalls hat diese wichtige Anwendung keinen praktischen Gebrauch.

Kontrast auf einem LED-Bildschirm

Kontrast ist ein wesentlicher Parameter der Farbwiedergabe auf einem LED-Bildschirm. Kontrast ist der Unterschied bezüglich der Sichteigenschaften, der einen Gegenstand (oder seine Darstellung in einem Bild) unterscheidbar von anderen Gegenständen und vom Hintergrund bildet. Im Falle eines LED-Bildschirms, wenn die schwarze Farbe nicht wirklich „schwarz“ ist, dann des menschlichen Auges unterscheidet nicht die Details über dunkle Bildbereiche - sie vermischen werden weniger dunkle Bereiche. Schwarze Farbe auf einem LED-Bildschirm hat nichts, mit Leistung einer LED zu tun - schwarzer Hintergrund wird durch die benutzten Materialien herstellen einen LED-Bildschirm verursacht.

Probleme können aus Reflexion des Tageslichtes von der LED-Bildschirmoberfläche resultieren: in diesem Fall, wenn alle LED ausgeschaltet sind, kann die Bildschirmoberfläche in der Farbe weißlich aussehen. Dieser Effekt wird durch weißes LED-Epoxidobjektiv, glänzende schwarze Oberfläche des schützenden Plastiks zwischen LED, falsche Position der schützenden Luftschlitze oder sogar Auffüllen der hellen Farbe LED verursacht. Im Allgemeinen das besser ist die dunkle Mattoberfläche eines LED-Bildschirms, das höher ist die Kontrast- und Bildqualität.

Zahl von Farben und Kosten eines LED-Bildschirms

Zahl von Farben auf einem LED-Bildschirm kann nur vorbei erhöht werden:

Verwertung „intellektuelle“ IC-Treiber;
Zunehmen PWM-Frequenz;
Verringerung von Refreshfrequenz.

Helligkeit, Farbwiedergabe und Kontrast eines LED-Bildschirms: Zusammenfassungen

Werden mehr Helligkeitsniveaus durch PWM erzeugt, ist es zum Feinabstimmung LED-Bildschirm zur genauen Farbwiedergabe das einfacher.
Farben Adjustierung muss auf allen Steuersystembestandteilen vorhanden sein: von Software zu LED-Treiber. Theoretisch berechnete Zahl der Farbendurchläufe in Milliarden und in Trillionen. Jedoch ist das System nicht immer zum Anzeigen aller dieser Farben fähig.
Bildqualität wird durch die Bestandteile beeinflußt, die für Herstellung LED-Bildschirmoberfläche benutzt werden: es sollte so dunkel und matt sein, wie möglich.

IC-Treiber auf LED-Bildschirmen

Ein LED-Treiber ist ein Mikrochip konstanten Strom an LED liefernd. IC-Treiber basieren auf integrierten Befehlsschaltungen. In der einfachsten Form kann es ein „Ein-Aus“ Befehl sein. Komplizierteren „in den intellektuellen“ Treibern umfassen Befehle die Möglichkeit, um LED-Helligkeit über PWM zu steuern.

Mit einfachen Treibern muss PWM-Funktion zu den Controllern überreicht werden, die einen Befehl zu den Treibern über Schaltung LED "Ein " und "Aus" schicken. Vorteile sind offensichtlich: einfache Treiber sind preiswert. Nachteile sind viele: Controller werden komplizierter, wird es schwierig, die notwendige Zahl der Helligkeitsniveaus und der Refreshfrequenz zu erzeugen. Zu hohe Bildqualitäts Controller zu erzielen muss im Hochfrequenzmodus funktionieren und Daten auf Treiber übertragen. Aber diese Frequenzen haben technologische Beschränkungen.

„Intellektuelle“ Treiber übernehmen einige der oben genannten Funktionen und vereinfachen Betrieb der Controller. Aber die LED-Bildschirmkosten steigen. Um diese Kostenzunahme zu rechtfertigen, muss das Steuersystem genug verfeinert werden um alle neuen Funktionen der IC-Treiber zu stützen und Qualitätsbild auf Bildschirm folglich neu zu legen.

Um aufzusummieren, haben IC-Treiber die folgenden wesentlichen Eigenschaften:

Zahl der Kanäle;
Ausgangsstrom (Strecke, Stabilität);
Taktfrequenz;
PWM-laufende Fähigkeit;
Stromabgabe für jeden PWM-Kanal steuern;
interner Oszillator;
Zahl der Kanäle (Schnittstelleenbreite);
zusätzliche Rückkopplungfähigkeit (Überhitzung, LED geöffnet/kurz);
digitale Punktkorrektur;
digitale Helligkeitskorrektur;
IC-Treiberpaket: SOP, SSOP, QFN.

LED-Treiber entwickeln sich, einigen Tendenzen folgend:

Verbesserung „der einfachen“ Treiber. Zusätzliche Funktionen werden eingeführt: z.B. Diagnosen und Helligkeitseinstellung oder erhöhte Frequenz der Datenübertragung.
Verbesserung „der intellektuellen“ Treiber. Neue Funktionen erscheinen und quantitative Parameter verbessern (Frequenz, Zahl der PWM-Niveaus). Vorgerückte LED-Treiber stützen 16-Bit-PWM bei den Frequenzen, die 20 МHz und breite Dienstleistungspalette und Rückkopplungfunktionen sich nähern.
Zahlreiche fachkundige Treiber mit bestimmten örtlich festgelegten Funktionen erscheinen: zum Beispiel DM163 mit 24 Kanälen, 8-Bit-PWM und Helligkeitskorrektur mit 6-Bits. Dieses betrifft auch Treiber mit eingebauter Taktgeberunterstützung, z.B. MBI5050.

Es ist eine Tradition, bereits, zum der Treiber mit 8 oder 16 Kanälen herzustellen. Jedoch ist dieses nicht immer für LED-Bildschirme verwendbar, weil moderner Pixel normalerweise aus 3 LED besteht, der die Topologie der Leiterplatte erschwert. Technologisch würde es bequemer sein, einen Treiber in die Mitte eines Clusters mit 4 Pixeln zu legen.

Leider neigen die meisten Firmen, die mit Entwurf beschäftigt gewesen werden und die Fertigung der IC-Treiber, „alles in einem“ Produkte zu bilden. Hoch entwickelte moderne Treiber, haben sie die breiteste mögliche Strecke der Funktionen. Abnehmer selten verwenden, alle diese Funktionen aber müssen für sie zahlen. Z.B. rühmt sich ein ausgezeichnetes DM634 16-Bit-PWM-und mit 7 Bits allgemeine Helligkeitskorrektur. Die letzte Funktion ist bestenfalls überflüssig, weil mit 16-Bit-PWM und modernem LED-Bildschirm-Steuersystem es möglich ist, allgemeine Helligkeitskorrektur über andere Methoden sicherzustellen.

Das Problem externer Schnittstelle steht separat. Verschiedene Treiber ermöglichen Datenübertragung und PWM-Steuerung auf die verschiedenen Arten - nicht immer bequem vom Gesichtspunkt des Steuersystems. Ohne vereinheitlichte Annäherung an Entwurf der Treiber und des Steuersystems, vertieft sich das Problem stufenweise: jede Art Treiber erfordert unterschiedlichen Schnittstelleenblock. So praktisch hat jeder LED-Bildschirm ein einzigartiges Steuersystem.

Die Abnehmer, die LED-Bildschirme kaufen, wissen wenig wenn alles über LED-Treiber. Sie erlernen über die annehmbaren Bildschirmparameter in Refresh- und Helligkeitsniveaus ausgedrückt - aber diese Parameter führen häufig irre. Treiber verbraucht viel Energie und erhitzt viel. Mit armem Modulentwurf überhitzen IC-Treiber und führen zu LED-und Modulausfälle.

Für einen Entwickler des LED-Bildschirm-Steuersystems, einen Treiber ist zu wählen eine schwierige Wahl zwischen notwendigen Bildschirmparametern und Preis.

Moderne Steuersysteme für LED-Bildschirme

Allgemein gesprochen umfaßt ein Steuersystem eine Quelle der videoinformationen über das hoch qualifizierte (PC, fachkundiger Player), Software, ein Satz Controller, die Datenzufuhr und -umwandlung sicherstellen, und die LED-Treiber, die mit Controllern in ein einzelnes Netzwerk und bringendem digitalem Signal in Strom angeschlossen wurden, schickten zu LED nach.

Steuersystem ist eine Verbindung zwischen zahlreichen Subsystemen eines LED-Bildschirms und dem tatsächlichen Bild, die wir auf einen Bildschirm sehen. Außerdem muss ein Steuersystem eine Wahl der Verbindung einiger LED-Bildschirme in ein Netzwerk anbieten, das einem Büro-Netzwerk von PC ähnlich ist.

Sind hier einige Funktionen, die für ein modernes Steuersystem wesentlich sind

Steuersystem muss das Videosignal kanalisieren, welches die meisten Funktionen der LED-Treiber verwendet;
Steuersystem muss eine modulare Struktur haben, zum der verschiedenen Hardwarefunktionen zu verwenden;
Steuersystem muss mit Ablaufplanung-Software koordiniert werden, um die besten Wahlen in den Ablaufplanung-Clips auf einem LED-Bildschirm anzubieten;
Steuersystem muss flexible Adjustierung von Farben und von Helligkeit haben;
Steuersystem muss flexible Adjustierung von LED-Bildschirmgeometrie erlauben, da ähnliche Module in den LED-Bildschirmen der verschiedenen Formen und der Größen geordnet werden können.

Netzwerkfunktion eines LED-Bildschirm-Steuersystems

Eine wichtige Wahl ist, einzelne Bildschirme einem größeren LED-Bildschirm-Netzwerk hinzuzufügen. Um dies zu tun, muss das Steuersystem Netzwerk-Schnittstelle für Ablaufplanung-Werbungs-Clips und die zufriedenen und einzelnen Einstellungen der Bildschirme stützen.

Ideal muss Steuersystem modular sein. In diesem Fall ist es möglich, Netzwerkfunktionen und Steuerung des Bilderzeugung zu unterteilen. Neue Wahl scheint, die heterogenen Netzwerke zu errichten, die aus LED-Bildschirmen der unterschiedlichen Architektur und sogar einschließlich LCD Bildschirm bestehen. Die allgemeine Steuerung über dem Netzwerk wird von einer vereinheitlichten Steuermitte ausgeübt.

Z.Z. sind LED-Bildschirm-Netzwerke über das Internet kontrolliert. Die Netzwerkfunktionen der Steuersysteme müssen diese Wahl umfassen.

Überwachung eines LED-Bildschirms

Steuersystem muss Funktionen der Überwachung und der Rückkopplung umfassen, die umfasst:

Das dieses Schedulermaschinenbordbuch notiert, welche Videoclips auf einem LED-Bildschirm angezeigt wurden;
Hardwaremaschinenbordbuch, das alle Defekte und Ausfälle der Ausrüstung notiert. Verfeinert dem Steuersystem, das ausführlicher ist diese technische Rückkopplung;
Zugangsmaschinenbordbuch, das jede Eintragung in das System und jede Änderung in den Bildschirmeinstellungen notiert.

Informationssicherheit des LED-Bildschirm-Steuersystems

Ein LED-Bildschirm wird durch einen PC gesteuert. Alle mögliche Anzahl Personen können Zugang zu einem steuern PC haben. Folglich muss das Steuersystem eingebaut Informationssicherheitsfunktionen haben.

Dieses Informationssicherheitsubsystem haben den folgenden Schutz:

Hauptsächlich Weisen, eine nicht autorisierte Anzeige der Informationen über einen LED-Bildschirm zu verhindern;
Automatisch erzeugte Maschinenbordbücher müssen vor dem Mildern geschützt werden;
Sicherheitssubsystem muss Wahlen des laufenden LED-Bildschirms als Teil des größeren Netzwerkes und als einzelner Bildschirm haben, auch;
Integration mit Steuersystem, damit es nicht aus dem Bildschirm entfernt werden oder gelöscht werden konnte.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) und Funkstörung (EMI) der LED-Bildschirme

Großer LED-Bildschirm hat viele elektronischen Bauelemente und ist über digitales System kontrolliert. Dieses stellt einen LED-Bildschirm ähnlich jeder elektronischen Vorrichtung her, wenn der Teil der verbrauchten elektrischen Energie als elektromagnetische Strahlung ausgestrahlt wird, die, um Funkstörung zu verursachen fähig ist (EMI).

Diese Strahlung resultiert aus Hochfrequenzschaltung einer sehr großen Anzahl von Bestandteilen. Die Daten und Signale, die zwischen Leiterplatten sich bewegen, erzeugen Strahlung. Ein LED-Bildschirm besteht aus vielen ähnlichen Bestandteilen - LED-Modulen. Die Geometrie der multiplizierten Dutzende der Leiterplatte Plan Zeiten stellt eine gigantische Antenne her.

Funkstörung (EMI) kann die Qualität des Radios und Fernsehapparat-Dienstleistungen oder der Radiotelefone unterbrechen, versperren oder anders vermindern.

Die Funkstörung herabzusetzen ist die wichtige Aufgabe für Entwickler der LED-Bildschirme, die ausführlich alle Verwicklungen des elektronischen Entwurfs verstehen. Diese Aufgabe kann durch komplizierte Masse nur erzielt werden, wenn man die elektronischen Pläne entwickelt und sicheren LED-Module, Controller und das Verdrahten entwirft.