#1/2012

Pantallas LED modernas: Características, tecnologías, razones para elegir - Parte 2

Principal redactor - Vladimir Krylov, PhD
Redactor del vicejefe - Michael Nikulichev, PhD

La primera parte del artículo fue dedicada a algunas características esenciales de las pantallas LED modernas que afectan a calidad de la imagen, incluyendo control de brillo con el PWM, el método de crear imagen con la multiplexación y la frecuencia de actualización del tiempo. La segunda parte se centra en gama dinámica del color, reproducción del color, contraste, los conductores del IC y sistema de control, compatibilidad electromagnética e interferencia industrial de las pantallas LED.

Gama de brillo dinámica, reproducción del color y contraste de una pantalla LED

Brillo y reproducción del color en una pantalla LED

Fragmento de un modulo LED para la pantalla exterior con la estructura del pixel 2R1G1B

Un parámetro esencial de pantallas LED es una capacidad de exhibir algunos colores. Todos los colores visibles resultan de la mezcla del color de los colores básicos que componen un pixel, típicamente, el Rojo (R), el Verde (G) y el Azul (B). Al parecer, más colorea a pantalla puede renderizado, cuanto más alta es la calidad de la imagen, a condición de que los colores son naturales y las transiciones del color es liso.

Inicialmente, la imagen se forma en una computadora y la calidad de la imagen se evalúa en un monitor de la PC. La imagen en una pantalla LED debe estar tan cerca a la imagen inicial como sea posible. Un estándar de hecho actual es 24-bit codificaciones policromáticas del pedacito (True Color) donde el valor del brillo de cada canal se presenta como número de 8 bits. Así, ideal, una pantalla LED de la alta calidad si el renderizado por lo menos 2²⁴ colores (o más de 16 millones).

Analizábamos ya cómo la imagen se genera en una pantalla LED con la ayuda de técnica del PWM. Los niveles más lógicos son apoyados por el PWM en una pantalla dada, más alta es la calidad de la imagen.

El método del PWM establece una dependencia linear entre actual (el valor promedio) y nivel lógico de brillo. Así, el PWM con los niveles de N se asegura de que el brillo verdadero del LEDs para todos estos niveles cambie linear. Es decir el brillo de un LED con el PWM en el nivel 1 será exactamente dos veces bajar eso en el nivel 2 y 256 veces más bajo que en el nivel 256.

Los niveles lógicos de N en el PWM corresponden a los niveles del brillo de N de LEDs en la pantalla y el brillo real depende directo del nivel de introducción de datos. El ojo al menos humano percibe brillo en una manera no linear. La ley psicofísica empírica de Weber-Fechner postula la función logarítmica como método para la percepción humana de la intensidad de luz.

En una intensidad más reducida el ojo humano notará incluso los cambios insignificantes en brillo; en una intensidad más alta los cambios insignificantes similares en brillo irán inadvertidos. Un cambio mucho más grande será necesario colocarse con el ojo. Imaginemos todos los niveles posibles N del brillo (con N siendo no menos que 100) como línea horizontal con 100 segmentos. El ojo percibirá fácilmente segmentos adyacentes del brillo al principio de la línea, después en el centro la diferencia entre los segmentos adyacentes no será evidente, y en el extremo de la línea - no sensible en absoluto. En realidad esto significa que fuera del número total de niveles de N podemos seleccionar un número mucho más pequeño de niveles M que sean percibidos linear.

Es interesante aprender que la generación de la imagen en monitores del LCD toma en cuenta este capricho de la percepción humana. En CRT-monitores ésta es una consecuencia directa del método de la formación de la imagen; en LCD-monitores se utiliza una corrección gamma del hardware. Todo el esto da lugar a una función relativamente linear que describa la percepción subjetiva y el nivel lógico cifrado de brillo. Así, el archivo de imagen inicial tiene 256 niveles del brillo (para True Color) en cada canal que se perciban en una manera linear.

Si el PWM con 256 niveles lógicos se utiliza para exhibir una imagen inicial de True Color, notaremos distorsiones visibles. En las secciones oscuras de la imagen veremos las fronteras agudas entre los segmentos del brillo, en secciones brillantes que todos los niveles del brillo se combinarán. Las distorsiones afectarán a los colores, especialmente donde está esencial un gradiente liso del color, e.g. sobre una imagen de un rostro humano. Esto sucede porque la imagen inicial utiliza 256 niveles no lineares que se conviertan en una pantalla en los niveles lineares - inadecuados para la percepción del ojo humano.

Para que la imagen de True Color sea rendida en una pantalla LED con distorsiones mínimas, los niveles lógicos del brillo tienen que ser corregidos. Esto puede ser alcanzado aumentando el número de niveles lógicos en una imagen PWM-generada. Entonces, fuera del número mucho más grande de niveles será más fácil seleccionar 256 niveles que se puedan cifrar para una percepción linear. Esta selección de 256 nivela de un número mucho más grande se llama “una corrección gamma” o “una opción de la gama de colores”. Más niveles del brillo se pueden generar vía el PWM, más fácil será hacer una corrección de modo que los colores y el brillo se perciba en un formato linear “apropiado”.

Las mejores pantallas LED ofrecen actualmente el PWM con 2¹⁶ niveles lógicos del brillo. Éste es más que bastante para seleccionar los 256 niveles necesarios para exhibir la imagen exacta de True Color. Debe ser observado que una pantalla LED puede exhibir los colores 256*256*256, y no 2¹⁶*2¹⁶*2¹⁶; significa que el color todavía es cifrado por 24-bit, no un 48-bit. La paleta de colores artificialmente ampliado sólo es necesario para seleccionar el número mínimo necesario de colores para asegurar un color natural y la percepción de brillo.

Cada canal se puede cifrar en 8, 10, 12, 14-bit o brillo de 16 bits máximo. En códigos de canal más bajos la corrección será naturalmente menos eficaz. Por una parte, una pantalla LED con un número más pequeño de niveles lógicos del brillo será más barata mientras que la interpretación exacta de True Color en la pantalla no es siempre necesaria. Por ejemplo, la señalización del LED con las letras corrientes o las muestras digitales informativas no necesita el gran número de colores.

Una gama más ancha del color es preferible por varias otras razones:

Primero, permite ajustar el brillo dependiendo de la época del día, estación del año, particularidades de la pantalla LED del sitio de la pantalla. El ojo humano se adapta flexiblemente a las condiciones de iluminación general; por lo tanto, el brillo de la pantalla en un día asoleado y durante la noche debe ser drástico diferente. Por otra parte, si una pantalla LED está instalada en el fondo del cielo, es parámetros del ajuste debe diferenciar de una pantalla similar que se coloca delante de un edificio o que cuelga en la pared.
En segundo lugar, permite el ajuste flexible del balance de blancos. Las gamas de colores se pueden seleccionar independiente en cada canal del color; así, podemos agregar el azul o reducir rojo en una imagen de la blanco. Esto es esencial tanto para los ajustes de la pantalla inicial y los ajustes posteriores que son necesarias debido al envejecimiento de los LED (LED de perder su brillo con la edad) o la opacidad de la lente LED perder.
En tercer lugar, permite una cierta corrección del color en módulos LED individuales de la pantalla. Esto puede ser necesario cuando algunos módulos fallan y son substituidos por los repuestos: en este caso los parámetros del LED en módulos nuevos y adyacentes serán diferentes y necesitarán templar.

Esta función es esencial para el sistema de control, también. No es bastante para hacer el PWM de 16-bits; los fabricantes deben tener la opción de los ajustes flexibles del brillo en el soporte físico y el software del sistema de control. De lo contrario, esta importante aplicación no tendrá ningún uso práctico.

Contraste en una pantalla LED

El contraste es un parámetro esencial de la reproducción del color en una pantalla LED. El contraste es la diferencia en características visuales que hace un objeto (o su representación en una imagen) distinguible de otros objetos y del fondo. En caso de una pantalla LED si el color negro no es realmente “negro”, después del ojo humano no distinguirá los detalles en áreas oscuras de la imagen - se combinarán las áreas menos oscuras. El color negro en una pantalla LED no tiene nada hacer con funcionamiento de un LED - el fondo negro es creado por los materiales usados fabrica a pantalla LED.

Los problemas pueden resultar de la reflexión de la luz del sol de la superficie de la pantalla LED: en este caso cuando todo el LEDs es apagado la superficie de la pantalla puede aparecer blanquecina en color. Este efecto es causado por la lente de epoxy blanca del LED, la superficie negra brillante del plástico protector entre el LEDs, la posición incorrecta de lumbreras protectoras o aún el acolchado del color ligero LED. Mejor es generalmente la superficie oscura mate de una pantalla LED que más alta es la calidad del contraste y de la imagen.

Número de colores y coste de una pantalla LED

El número de colores en una pantalla LED se puede aumentar solamente cerca:

usar IC conductores “intelectuales”;
aumento de la frecuencia de PWM;
reducción de frecuencia del actualizar.

Brillo, reproducción del color y contraste de una pantalla LED: Conclusiones

Más niveles del brillo son generados por el PWM, más fácil es a la pantalla de LEDs del ajuste preciso a la reproducción del color exacta.
El ajuste del color debe estar disponible en todos los componentes de sistema de control: de software a los conductores del LED. Número teóricamente calculado de funcionamientos de los colores en mil millones y trillones. Sin embargo, el sistema no es siempre capaz de exhibir todas estas tonalidades.
La calidad de la imagen es afectada por los componentes usados para la superficie de la pantalla LED de la fabricación: debe ser tan oscuro y mata como sea posible.

Conductores IC en las pantallas LED

Un conductor del LED es un microchip que suministra la corriente constante al LEDs. Los conductores IC se basan en los circuitos integrados del comando. En la forma más simple puede ser un comando “encendido-apagado”. En conductores “intelectuales” más complejos los comandos incluyen la posibilidad para controlar brillo del LED vía el PWM.

Con los conductores simples, la función del PWM tiene que ser entregada a los controladores que enviarán un comando a los conductores sobre la conmutación LEDs "ON" y "OFF". Las ventajas son evidentes: los conductores simples son baratos. Las desventajas son muchas: los controladores llegan a ser más complejos, llega a ser difícil generar el número necesario de niveles del brillo y de frecuencia del actualizar. Para alcanzar los altos controladores de la calidad de la imagen debe funcionar en modo de alta frecuencia y transferir datos a los conductores. Pero estas frecuencias tienen limitaciones tecnológicas.

Los conductores “intelectuales” asumen el control algunas de las funciones antedichas y simplifican la operación de controladores. Pero el coste de la pantalla LED sube. Para justificar este aumento del coste, el sistema de control se debe sofisticar suficientemente para apoyar todas las nuevas funciones de los conductores IC y para retransmitir así imagen de la alta calidad en la pantalla.

Para resumir, los conductores IC tienen las características esenciales siguientes:

número de canales;
corriente de salida (gama, estabilidad);
frecuencia de reloj;
PWM funcionando la capacidad;
controlar la salida actual para cada canal del PWM;
oscilador interno;
número de canales (anchura del interfaz);
capacidad adicional de la realimentación (sobrecalentamiento, LED abierto/corto);
digital de las punto-corrección;
corrección digital del brillo;
Paquete del conductor IC: SOP, SSOP, QFN.

Los conductores del LED se están convirtiendo siguiendo varias tendencias:

Actualización de conductores “simples”. Se introducen las funciones adicionales: e.g. diagnósticos y control de brillo o frecuencia creciente de la transferencia de datos.
Actualización de conductores “intelectuales”. Las nuevas funciones aparecen y los parámetros cuantitativos mejoran (frecuencia, número de niveles del PWM). Los conductores avanzados del LED apoyan el PWM de 16 bits en las frecuencias que acercan a 20 МHz y amplia gama de servicio y de las funciones realimentación.
Los conductores especializados numerosos con ciertas funciones fijas aparecen: por ejemplo, DM163 con 24 canales, el PWM de 8 bits y la corrección del brillo de 6 bit. Esto también se refiere a conductores a la ayuda incorporada del reloj, e.g. MBI5050.

Es una tradición ya para hacer conductores con 8 o 16 canales. Sin embargo esto no es siempre conveniente para las pantallas LED porque el pixel moderno consiste en generalmente 3 LEDs que complica la topología del PCB. Tecnológico, sería más conveniente colocar un conductor en el centro de un clúster de 4 pixeles.

Desafortunadamente, la mayoría de las compañías implicadas en diseño y la fabricación de conductores IC tienden a hacer productos del “todo-en-uno”. Los conductores modernos sofisticados, tienen la gama posible más ancha de funciones. Los clientes utilizan todas estas funciones pero tienen que raramente pagar ellas. Por ejemplo, un DM634 excelente se jacta del PWM de 16 bits y 7 bit la corrección general del brillo. La última función es superflua en el mejor de los casos, porque con el PWM de 16 bits y el sistema de control moderno de la pantalla LED es posible asegurar la corrección general del brillo vía otros métodos.

El problema del interfaz externo se coloca por separado. Diversos conductores permiten transferencia de datos y control del PWM de diversas maneras - no siempre convenientes desde el punto de vista del sistema de control. Sin acercamiento unificado al diseño de conductores y de sistema de control, el problema profundiza gradualmente: cada tipo de conductores requiere diverso bloque del interfaz. Así, prácticamente, cada pantalla LED tiene un sistema de control único.

Los clientes que compran a pantallas LED saben poco si cualquier cosa sobre conductores del LED. Aprenden sobre los parámetros aceptables de la pantalla en términos de niveles del actualizar y del brillo - pero estos parámetros se están engañando con frecuencia. El conductor consume mucha energía y la calienta mucho. Con diseño pobre del módulo, los conductores IC se recalentarán y llevarán a las faltas del LED y del módulo.

Para un revelador del sistema de control de la pantalla LED elegir un conductor es una opción difícil entre los parámetros de la pantalla necesarios y el precio.

Sistemas de control modernos para las pantallas LED

Hablando en general un sistema de control incluye una fuente de información video sobre el de alto nivel (PC, reproductor especializado), un software, un sistema de los controladores que aseguran la alimentación y la conversión de datos, y los conductores del LED conectados con los controladores en una sola red y la señal numérica de transferencia en corriente remitieron al LEDs.

El sistema de control es un acoplamiento entre los subsistemas numerosos de una pantalla LED y la imagen real que vemos en una pantalla. Por otra parte, un sistema de control debe ofrecer una opción de ligar a varias pantallas LED en una red similar a una red de la oficina de PC.

Aquí están algunas funciones esenciales para un sistema de control moderno

El sistema de control debe acanalar la señal video que utiliza la mayoría de las funciones de los conductores del LED;
El sistema de control debe tener una estructura modular para utilizar diversas funciones del hardware;
El sistema de control se debe coordinar con software de registrar para ofrecer las mejores opciones de clips de registrar en una pantalla LED;
El sistema de control debe tener ajuste flexible de colores y del brillo;
El sistema de control debe permitir el ajuste flexible de la geometría de la pantalla LED puesto que los módulos similares se pueden arreglar en las pantallas LED de diversas formas y tamaños.

Función de la red de un sistema de control de la pantalla LED

Una opción importante es agregar a pantallas individuales a una red más grande de la pantalla LED. Para hacer esto, el sistema de control debe apoyar el interfaz de red para los clips publicitarios de registrar y los ajustes contentos e individuales de pantallas.

Ideal, el sistema de control debe ser modular. En este caso es posible subdividir funciones de la red y el control de la generación de la imagen. La nueva opción aparece construir las redes heterogéneas que consisten en las pantallas LED de diversa arquitectura, e incluso incluyendo LCD pantalla. El control general sobre la red será efectuado de un centro de control unificado.

Actual, la red de pantalla LED es controlada vía el Internet. Las funciones de la red de los sistemas de control deben incluir esta opción.

Supervisión de una pantalla LED

El sistema de control debe incluir funciones de la supervisión y de la realimentación que incluye:

Registro del planificador ese grabares qué video clip fueron exhibidos en una pantalla LED;
Registro del hardware que grabares todos los defectos y faltas del equipo. Cuanto sofisticado el sistema de control, más detallada es esta realimentación técnica;
Registro del acceso que grabares cada entrada en el sistema y cada cambio en ajustes de la pantalla.

Seguridad de información del sistema de control de la pantalla LED

Una pantalla LED es controlado por un PC. Cualquier número de gente puede tener acceso a una PC que controla. Por lo tanto, el sistema de control debe tener funciones incorporadas de la seguridad de información.

Este subsistema de la seguridad de información tiene las salvaguardias siguientes:

Sobre todo, maneras de prevenir una exhibición desautorizada de la información sobre una pantalla LED;
Los registros automáticamente generados se deben proteger contra el temple;
El subsistema de la seguridad debe tener opciones de la pantalla LED corriente como parte de la red más grande y como pantalla individual, también;
Integración con el sistema de control de modo que no pudiera ser quitado o ser suprimido de la pantalla.

Compatibilidad electromagnética (EMC) e interferencia electromagnética (EMI) de pantallas LED

La pantalla de LEDs grande tiene muchos componentes electrónicos y es controlada vía sistema digital. Esto hace a pantalla LED similar a cualquier dispositivo electrónico cuando la parte de la corriente eléctrica consumida se emite como radiación electromagnética capaz para inducir interferencia electromagnética (EMI).

Esta radiación resulta de la conmutación de alta frecuencia de un número muy grande de componentes. Los datos y las señales que se mueven entre PCBs generan la radiación. Una pantalla LED consiste en muchos componentes similares - módulos LED. La geometría de las docenas multiplicadas disposición del PCB de épocas crea una antena gigantesca.

Interferencia electromagnética (EMI) puede interrumpir, obstruir, o degradar de otra manera la calidad de la radio y los servicios de la TV o los teléfonos de radio.

La reducción al mínimo de la interferencia de radio es la tarea importante para los reveladores de las pantallas LED que entienden en detalles todas las intrincaciones del diseño electrónico. Esta tarea se puede alcanzar solamente por medidas complejas en desarrollar las disposiciones electrónicas, diseñando los módulos LED, los controladores y la conexión seguros.