Évolution des pixels: Des lampes à SMD LED
Beaucoup a été écrit au sujet des écrans LED. Pendant 20 ans de leur histoire, écrans changés sensiblement. Nous avons décidé de consacrer cet article à l'évolution de l'élément principal dans un écran numérique, au pixel.
Écran de lampe de 12x9 m à Moscou, 2001Panneau d'information électronique et l’équipement d'éclairage et de bruit dynamiques ont servi de prototypes aux premiers écrans numériques. Au commencement ils tous ont été basés sur les lampes à incandescence. L'imperfection principale des lampes était durée de vie courte - jusqu'à 500 heures. Après 500 heures de fonctionnement continu 50% de lampes a pu échouer et remplacement nécessaire.
Les conditions de travail sur les écrans numériques sont les plus défavorables pour des lampes: un mode «marche-arrêt» constant. Pour prolonger la vie des lampes une méthode simple a été inventée: pour réduire l'alimentation de tension. Les lampes maintenant ont fonctionné plus longtemps mais un autre problème a fait surface: avec la puissance faible le spectre évident a décalé dans la zone rouge. Un monochrome examine ceci pourrait être facilement négligé mais a créé des problèmes graves pour les écrans multicouleurs et de Truecolor.
Il était assez facile de transformer un écran de lampe en installation multicouleur: des lampes blanches standard ont été peintes dans rouge, vert, bleu et bleu-clair ou placées derrière des filtres de couleur. Les filtres légers ont absorbé une grande partie de rayonnement léger et pour garder la luminosité d'écran qu'il était nécessaire de placer un réflecteur derrière la lampe. La qualité de couleurs, de la balance des blancs et de la luminosité de l'écran a entièrement dépendu de la qualité des filtres légers et des réflecteurs, leur positionnement précis. Naturellement, de tels systèmes étaient complexes dans la fabrication et l'assemblée, encombrants et chers.
Une autre imperfection sérieuse des lampes à incandescence était leur consommation de puissance élevée. Par exemple, les écrans-types avec le lancement de trois pouces (76,2 millimètres) ont utilisé des lampes pour l'industrie automatique 1250X (U=13.5V, I=0.37А, durée de la vie 500 heures). Un pixel a contenu 4 telles lampes.
Le 12V pour un pixel a consommé 16W, et un mètre carré d'un tel écran a consommé presque 3kW d'énergie. Ainsi, un écran relativement petit avec les pixels 112x84 et l'aire d'image de 54.5 mètres carrés s'est transformé en usine puissante avec la consommation de puissance maximum (crête blanche) de 165kW.
Module d'écran de lampe
Ceci a eu quelques effets particuliers: en hiver la neige devant l'écran de lampes qui a fondu s'est tournée vers la pluie, alors qu'en été de tels écrans surchauffés. Un dispositif puissant de ventilation ou de climatisation était nécessaire pour maintenir le fonctionnement normal de l'écran. Ceci a augmenté la consommation de puissance encore autre (presque 1/3 de la consommation de puissance d'écran). Contrôles et nettoyage réguliers requis de système de ventilation. Les coûts d'entretien d'écran étaient ainsi astronomiques.
Malgré la consommation de haute énergie, toute la luminosité sur des écrans de lampe était insuffisante pour le fonctionnement de jour, environ 2500 nits. Il était ensemble impraticable d'augmenter la luminosité en plaçant des lampes plus étroites: n'importe quelle augmentation de résolution mènent pour augmenter dans la consommation de puissance et les problèmes significatifs avec la dissipation thermique.
Ampoule des véhicules à moteur 1250X et LEDTaille d'ampoule 10.2x26.9 mm
Un autre problème grave des écrans de lampe était un risque d'incendie. Avec l'émission de consommation de puissance élevée et de chaleur élevée, les courants élevés et les ventilateurs puissants, les composants en plastique et les milles de câble - la probabilité du feu était réelle. Les divers moyens de protection contre l'incendie ont mené pour abaisser la fiabilité d'écran et les coûts de production plus élevés. À ce stade dans le développement technologique, il était impossible de transformer les écrans numériques de lampe en produit massif et commercialement attrayant.
Les fabricants d'écran étaient intéressés par la LED en tant que remplacement potentiel des lampes à incandescence. Au commencement, ils ont commencé à expérimenter avec le monochrome ou les écrans deux - couleur en combinant la LED rouge et verte. Nouveaux éléments luminescents permis de réduire de manière significative la consommation de puissance, la luminosité d'augmentation et la fiabilité.
Les premiers écrans LED ont été créés comme remplacement simple des écrans de lampe. Structurellement ils ont été basés sur des clusters employés couramment dans des signes de l'information. Un cluster est une unité qui inclut la LED (dans diverses combinaisons), l'armature (boîte) et les câbles connectant. Cette structure est commode dans l'entretien et permet le remplacement facile d'un cluster échoué. Bien que les fabricants aient garanti la longue vie de différente LED (50 000 heures, parfois même 100 000 heures) en réalité peu de fabricants ont atteint de tels excellents paramètres. Parmi ces peu sont Nichia, Toyoda Gosei, HP/Agilent, et Cotco/Cree. Les clusters étaient une étape intermédiaire ; une autre solution technologique était nécessaire.
Écran LED extérieur 8x6 m, pas de 22 millimètres à Moscou, 2006La première luminosité élevée LED bleue a été démontrée par Shuji Nakamura de Nichia Corporation en 1990. Par 1993 LED bleues étaient produits en série et disponibles pour le marché. Dix ans après, en 2002, Nichia était un leader mondial à la fabrication de LED et 60% de sa production était LED bleue. Les prix ont stabilisé et la fabriquer des écrans LED polychromes est devenue viable.
Les premiers écrans LED ont relativement à basse résolution. Des pixels typiques de lampe de 76,2 millimètres (3 pouces) ont été remplacés par le pixel LED de 38,1 millimètres (1,5 pouces). Pour maintenir ou même augmenter la luminosité (tout en maintenant la balance des blancs) du secteur d'image il était nécessaire d'arranger un cluster de plusieurs LED, par exemple, 4 de rouge, 4 le vert, le bleu 2. Ce pixel a consommé au sujet 1W, ou de 16 fois moins d'énergie qu'un pixel semblable de lampe. Ainsi, un écran avec la plus haute résolution de 2 fois fournirait une image bien meilleure et a la consommation de puissance de 4 fois plus bas. Plus réellement, puisque le système de ventilation n'a été plus requis.
Bien qu'une étape en avant ait comparé aux écrans de lampe, les écrans LED basés sur des clusters ont eu quelques imperfections sérieuses: trop de connecteurs ont réduit la fiabilité du système, le grand nombre de petits composants a eu comme conséquence le coût accru et le plus long délai d'assemblage.
La tâche de la fiabilité accrue et le plus peu coûteux ont été résolus en plaçant le grand nombre de la LED dans un module (64, 128, 256 et d'autres options). N'importe quel composant échoué sur un module (LED, composant passif, ou driver) a requis le remplacement d'un module entier. C'était particulièrement vrai par rapport aux écrans d'extérieur: des modules ont dû être protégés contre la pluie et la neige par le composé qui hermétiquement scellé la carte.
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| Clusters de 4R2G2B et de 2R2G1B LED | Écran LED avec les pixels 2R2G1B |
Comme les pixels se développaient plus petits et étaient plus serrés placé sur un circuit imprimé, la composition des pixels rigoureusement changés: d'un cluster de 7-12 LED à 2RGB-pixels de base (2 rouges, 1 vert, 1 bleu), et plus tard - au RGB.
L'utilisation de la LED permise de s'éloigner des systèmes d’un 12V (écrans de lampe) à 5V. Ce changement également mené pour abaisser la consommation de puissance et la meilleure dissipation thermique. 2RGB ou RGB 0.3W approximativement consommé par pixel, le mètre carré entier d'un écran basé sur des 19 millimètres populaire 839W consommé par pas du pixel à la crête du blanc. Un écran du mètre 6x4 avec les résolutions 320x240 a consommé seulement 20kW (une réduction énergique comparée aux écrans de lampe).
Car le pixel se développent physiquement plus petit, il est devenu plus futé: les réalisateurs des écrans LED ont commencé à employer de diverses techniques de perfectionnement de luminosité et de résolution. Notre revue a édité des articles concernant le pixel virtuel ou dynamique à plusieurs reprises: Pixel virtuel: Truc promotionnel ou amélioration de l’image?
Deux écrans LED extérieurs avec le pas de 6 millimètres à Hong KongCrédit de photo: Lighthouse Technologies
À un certain point la miniaturisation d'en raison arrêté par pixel du goulot d'étranglement technique. La norme DIP ovale LED de 5 millimètres employée pour former un pixel de RGB n'a pas pu être plus serrée placé ensemble: une certaine place libre sur le conseil était nécessaire pour d'autres composants électroniques et connecteurs. Une solution intermédiaire était d'employer 3 millimètres LED mais ceux-ci plus tard ont été rejetés en raison de la basse stabilité.
Tout le futur espoir de changer le pixel LED ont été concentrés sur un SMD LED (monter en surface). Une fois qu'inventé les LED SMD ont été signifiés pour d'applications intérieures seulement, parce que l'humidité affecte négativement leur fonctionnement.
Les LED SMD différents ont été examinés: LED simple de couleur LED, grand et de petite taille. Mais l'option la plus prometteuse de 3-en-1 LED SMD est devenue la plus populaire. Actuellement, la taille physique d'un LED SMD est limitée par des processus technologiques des machines de montage en surface à 4 millimètres.
Une des imperfections principales de LED SMD était mauvais contraste. Entièrement commuté outre de l'écran de SMD regarde blanchâtre en raison du fond blanc pour des chips de LED. Les efforts des réalisateurs ont été concentrés sur résoudre le problème de contraste - et finalement la solution est apparue sur le marché sous forme de soi-disant visage noir SMD.
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| Ecran LED moderne extérieur de pas de 12 millimètres à Londres: 12,3x3,5 m Crédit de photo: Lighthouse Technologies |
Module LED du visage noir SMD Crédit de photo: Ekta |
Module LED basé sur la technologie Dot Matrix(matrice de points)
Le parallèle à SMD, autre d'une technologie intérieure d'écran se développait - Dot Matrix (matrice de points). Des chips de LED sont arrangés dans la matrice 8x8: une approche minimaliste qui offre la solution économique. Comme avec SMD standard LED l'imperfection principale de la technologie de matrice de points est le contraste blanchâtre de fond et de pauvres. Tandis que le fond blanc sert de réflecteur et augmente la luminosité de l'écran, il mène à la qualité inférieure de l'image aux niveaux bas de luminosité.
Table comparative de la consommation de puissance dans le pixel en évolution
| Pixel de 4 lampes | Cluster de LED DIP | Pixel LED DIP | Pixel LED DIP | LED SMD 3-en-1 | |
|---|---|---|---|---|---|
| RGBbrB | 4R4G2B | 2RGB | RGB | RGB | RGB |
| 1:1 | 1:4 | ||||
| 16W | 1W | 0.4W | 0.3W | 0.3W | 0.075W |
Comme nous voyons, en plus moins de 20 ans de pixel a changé de manière significative et a modifié. Évidemment, ce n'est pas l'extrémité de la route; probablement, seulement le commencement de l'histoire de pixel. Mais celui qui le cas, nous devons savoir cette histoire bien.
