Evolución de pixeles: de las lámparas a SMD LED
Mucho se ha escrito sobre las pantallas LED. Durante 20 años de su historia, pantallas cambiadas perceptiblemente. Decidíamos dedicar este artículo a la evolución del elemento dominante en una pantalla digital, al pixel.
Pantalla de la lámpara de 12x9 m en Moscú, 2001Las muestras de la información electrónica y el sonido y el equipo de iluminación dinámicos sirvieron como prototipos para las primeras pantallas digitales. Todas fueron basadas inicialmente en las bombillas incandescentes. El defecto principal de lámparas era vida útil corta - hasta 500 horas. Después de 500 horas de operación continua el 50% de lámparas podían fallar y reemplazo necesario.
Las condiciones de trabajo en las pantallas digitales son las más desfavorables para las lámparas: un modo “encendido-apagado” constante. Para ampliar la vida de lámparas un método simple fue inventado: para reducir el voltaje de alimentación. Las lámparas ahora funcionaron más de largo pero otro problema emergió: con una potencia más baja el espectro visible cambió de puesto en la zona roja. Las pantallas de un monocromo esto podrían ser desatendidas fácilmente pero crearon los problemas graves para las pantallas multicoloras y a todo color.
Para dar vuelta a una pantalla de la lámpara en una instalación multicolora era bastante fácil: las lámparas blancas estándar fueron pintadas en rojo, verde, azul y azul claro o colocadas detrás de los filtros de color. Los filtros de luz absorbieron una parte grande de radiación de luz y guardar el brillo de la pantalla que era necesario colocar un reflector detrás de la lámpara. La calidad de colores, del balance de blancos y del brillo de la pantalla dependió completamente de la calidad de los filtros de luz y de los reflectores, su colocación exacta. Naturalmente, tales sistemas eran complejos en la fabricación y la asamblea, abultados y costosos.
Otro defecto serio de bombillas incandescentes era su consumo de alta energía. Por ejemplo, las pantallas típicas con el pitch de tres pulgadas (76.2 milímetros) utilizaron las lámparas para la industria auto 1250X (U=13.5V, I=0.37А, vida útil 500 horas). Un pixel contuvo 4 tales lámparas.
En 12V el voltaje uno el pixel consumió 16W, y un metro cuadrado de tal pantalla consumió casi 3kW de la energía. Así, una pantalla relativamente pequeña con los pixeles 112x84 y el área de la imagen de 54.5 metros cuadrados dio vuelta en una central de energía de gran alcance con el consumo de energía máximo (pico blanco) de 165kW.
Módulo de la pantalla de la lámpara
Esto tenía algunos efectos peculiares: en invierno la nieve delante de la pantalla de las lámparas derritió y dio vuelta a la lluvia, mientras que en verano tales pantallas se recalentaron. Un sistema de gran alcance de la ventilación o de aire acondicionado era necesario mantener la operación normal de la pantalla. Esto aumentó el consumo de energía incluso más futuro (casi 1/3 del consumo de energía de la pantalla). Sistema de ventilación requiere chequeos regulares y limpieza. Los costes de mantenimiento de la pantalla eran así astronómicos.
A pesar del consumo de alta energía, el brillo total en las pantallas de la lámpara era escaso para la operación diurna, cerca de 2500 nits. Para aumentar brillo colocando las lámparas más cercanas junto era impráctico: cualquier aumento en la resolución lleva para aumentar del consumo de energía y de problemas significativos con la disipación de calor.
Bombilla automotora 1250X y LEDsTamaño del bulbo 10.2x26.9 mm
Otro problema serio de las pantallas de la lámpara era un riesgo de incendios. Con la consumición del poder más elevado y emisión del alto calor, altas corrientes y ventiladores de gran alcance, componentes plásticos y millas de cable - la probabilidad del fuego era tangible. Los varios medios de la prevención contra los incendios llevaron para bajar confiabilidad de la pantalla y costes de producción más altos. En esta etapa en el desarrollo tecnológico, dar vuelta a las pantallas digitales de la lámpara en producto masivo y comercialmente atractivo era imposible.
Los fabricantes de la pantalla estaban interesados en el LEDs como reemplazo potencial de bombillas incandescentes. Inicialmente, comenzaron a experimentar con las pantallas monocromáticas o bicolores combinando el LEDs rojo y verde. Nuevos elementos luminiscentes permitidos reducir perceptiblemente el consumo de energía, el brillo del aumento y la confiabilidad.
Crearon a las primeras pantallas LED como reemplazo simple de las pantallas de la lámpara. Los basaron estructural en los clústeres ampliamente utilizados en muestras de la información. Un clúster es una unidad que incluye el LEDs (en varias combinaciones), el cuadro (caja) y los cables de conexión. Esta estructura es conveniente en mantenimiento y permite el reemplazo fácil de un clúster fallar. Aunque los fabricantes garantizaron vida larga de LEDs individual (50 000 horas, a veces incluso 100 000 horas) en realidad pocos fabricantes alcanzaron tales parámetros excelentes. Entre esos pocos están Nichia, Toyoda Gosei, HP/Agilent, y Cotco/Cree. Los clústeres eran una etapa intermedia; una cierta otra solución tecnológica era necesaria.
Pantalla LED exterior 8x6 m, pitch de 22 mm en Moscú, 2006El primer alto brillo LED azul fue demostrado por Shuji Nakamura de Nichia Corporation en 1990. Por 1993 el azul LEDs estaba producido en serie y disponible para el mercado. Diez años más adelante, en 2002, Nichia era un líder de mundo en la fabricación del LED y el 60% de su producción eran LEDs azul. Los precios se estabilizaron y la fabricación de pantallas LED a todo color llegó a ser viable.
Las primeras pantallas LED tienen resolución relativamente baja. Los pixeles típicos de la lámpara de 76.1 milímetros (3 pulgadas) fueron substituidos por el pixel del LED de 38.1 milímetros (1.5 pulgadas). Para mantener o aún aumentar el brillo (mientras que mantiene el balance de blancos) del área de la imagen era necesario arreglar un clúster de varios LEDs, por ejemplo, 4 el rojo, 4 verde, azul 2. Este pixel consumió sobre 1W, o 16 veces menos energía que un pixel similar de la lámpara. Así, una pantalla con una resolución 2 veces más alta proporcionaría una imagen mucho mejor y tiene consumo de una energía 4 veces más baja. Más realmente, puesto que el sistema de ventilación fue requerido no más.
Aunque un paso a continuación comparó a las pantallas de la lámpara, las pantallas LED basadas en los clústeres tenían algunos defectos serios: demasiados conectadores redujeron la confiabilidad del sistema, el gran número de pequeños componentes dio lugar a coste creciente y a un tiempo de montaje más largo.
La tarea de la confiabilidad creciente y el más barato fueron solucionados poniendo el gran número de LEDs en un módulo (64, 128, 256 y otras opciones). Cualquier componente falla en un módulo (LED, componente pasivo, o conductor) requirió el reemplazo de un módulo entero. Esto era especialmente verdad en lo referente a las pantallas exteriores: los módulos tuvieron que ser protegidos contra la lluvia y la nieve por el compuesto que sellado herméticamente el PCB.
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| LED clústeres 4R2G2B y 2R2G1B | Pantalla LED con los pixeles 2R2G1B |
Como los pixeles crecían más pequeños y eran más apretados colocado en un PCB, la composición de los pixeles cambiados drástico: de un clúster de 7-12 LEDs a 2RGB-pixels básico (2 rojos, 1 verde, 1 azul), y más adelante - al RGB.
El uso del LEDs permitió moverse lejos de los sistemas un 12V (pantallas de la lámpara) a 5V. Este cambio también llevó al consumo de una energía más baja y a una mejor disipación de calor. 2RGB o el pixel del RGB consumió aproximadamente 0.3W, el metro cuadrado entero de una pantalla basada en los 19 milímetros popular 839W consumido pixel pitch en el pico del blanco. Una pantalla del metro 6x4 con las resoluciones 320x240 consumió solamente 20kW (una reducción drástica comparada a las pantallas de la lámpara).
Pues el pixel crece físicamente más pequeño, llegó a ser más inteligente: los reveladores de pantallas LED comenzaron a usar varias técnicas del realce del brillo y de la resolución. Nuestra revista publicó los artículos acerca del pixel virtual o dinámico en varias ocasiones: “Virtual pixel: Promocionales truco o la mejora de la imagen”.
Dos pantallas LED exteriores con pitch de 6 mm en Hong-KongCrédito de foto: Lighthouse Technologies
En un cierto punto la miniaturización de parada pixel debido al embotellamiento técnico. El estándar 5 milímetro DIP oval LEDs usado para formar un pixel del RGB no podía ser más apretado colocado junto: un cierto lugar libre en el tablero era necesario para otros componentes electrónicos y conectadores. Una solución intermedia era utilizar 3 milímetros LEDs pero éstos fueron rechazados más adelante debido a estabilidad baja.
Toda la esperanza futura de cambiar el pixel del LED fue concentrada en un SMD LED (dispositivo de montaje superficial). Una vez que estuvieron inventados SMD LEDs fueron significados para los usos de interior solamente, porque la humedad afecta negativamente a su operación.
Diversos SMD LEDs fueron probados: solo LEDs del color LEDs, grande y pequeño. Pero la opción más prometedora del 3-en-1 SMD LEDs llegó a ser la más popular. Actualmente, el tamaño físico de un SMD LED es limitado por procesos tecnológicos de las máquinas del montaje superficial a 4 milímetros.
Uno de los defectos principales de SMD LEDs era mal contraste. La pantalla completamente apagada de SMD parece blanquecina debido al fondo blanco para LED chips. Los esfuerzos de reveladores fueron centrados en solucionar el problema del contraste - y finalmente la solución apareció en el mercado bajo la forma de negro cara de SMD supuesto (black face SMD).
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| Pantalla LED exterior moderna del pitch de 12 mm en Londres: 12.3x3.5 m Crédito de foto: Lighthouse Technologies |
Modulo LED del negro cara de SMD Crédito de foto: Ekta |
Modulo LED basado en tecnología de la matriz de puntosEl paralelo a SMD, otra tecnología de interior de la pantalla se convertía - matriz de puntos. El LED chips se arregla en la matriz 8x8: un acercamiento minimalistic que ofrece la solución económica. Como con SMD estándar LEDs el defecto principal de la tecnología de la matriz de puntos es el contraste blanquecino del fondo y de los pobres. Mientras que el fondo blanco sirve como reflector y aumenta el brillo de la pantalla, lleva a la mal calidad de la imagen en los niveles bajos del brillo.
Tabla comparativa de consumo de energía en el píxel de la evolución
| Pixel de 4 lámparas | Clúster del DIP LED | Pixel del DIP LED | Pixel del DIP LED | 3-en-1 SMD LED | |
|---|---|---|---|---|---|
| RGBbrB | 4R4G2B | 2RGB | RGB | RGB | RGB |
| 1:1 | 1:4 | ||||
| 16W | 1W | 0.4W | 0.3W | 0.3W | 0.075W |
Como vemos, en menos de 20 años de pixel cambió y se modificó perceptiblemente. Obviamente, éste no es el extremo del camino; probablemente, solamente el principio de la historia del pixel. Pero lo que el caso, tenemos que saber esta historia bien.
