#1/2012

Painéis de LED modernos: Características, tecnologias, razões escolher - Parte 2

Editor-chefe - Vladimir Krylov, PhD
Editor adjunto - Michael Nikulichev, PhD

A primeira parte do artigo foi devotada a algumas características essenciais dos painéis de LED modernos que afetam a qualidade da imagem, controle de brilho com PWM, método do incluindo de criar a imagem com a multiplexação de tempo e a taxa de atualização. A segunda parte centra-se sobre a escala dinâmica da cor, a renderização de cores, o contraste, os CI drivers e o sistema de controle, compatibilidade eletromagnética e interferência industrial dos painéis de LED.

Intervalo de brilho dinâmico, renderização de cores e contraste de um painel de LED

Brilho e renderização de cores em um painel de LED

Fragmento de um módulo de LED para a painéis de LED exterior com estrutura do pixel 2R1G1B

Um parâmetro essencial dos painéis de LED é uma habilidade de exibir um determinado numero de cores. Todas as cores visíveis resultam da mistura da cor das cores básicas que compõem um pixel - tipicamente, vermelho (R), (G) verde e azul (B). Aparentemente, o mais colore uma tela pode renderizar, mais elevada a qualidade da imagem, contanto que as cores são naturais e transições da cor é lisa.

Inicialmente, a imagem é dada forma em um computador e a qualidade da imagem é avaliada em um monitor do PC. A imagem em um painel de LED deve estar tão perto à imagem inicial como possível. Um padrão de fato atual é uns 24-bit código de cores (cor verdadeira) onde o valor do brilho de cada canal é apresentado como um número de 8 bits. Assim, idealmente, um painel de LED da alta qualidade se o renderizar pelo menos 224 cores (ou mais de 16 milhões).

Nós já analisamos como a imagem é gerada em um painel de LED com a ajuda da técnica de PWM. Os níveis mais lógicos são suportados por PWM em uma tela dada, mais elevada é a qualidade da imagem.

O método de PWM estabelece uma dependência linear entre o nível corrente (o valor médio) e lógico de brilho. Assim, PWM com níveis de N assegura-se de que o brilho real do LEDs para todos estes níveis mude linear. Ou seja o brilho de um LED com o PWM a nível 1 será exatamente duas vezes abaixar mais baixo isso a nível 2 e 256 vezes do que a nível 256.

Os níveis lógicos de N em PWM correspondem aos níveis do brilho de N de LEDs na tela e o brilho real depende diretamente do nível de entrada. O olho de qualquer modo humano percebe o brilho em uma maneira não-linear. A psicofísica empírico de Lei Weber-Fechner postula a função logarítmica como um método para a percepção humana da intensidade de luz.

Em uma mais baixa intensidade o olho humano observará mesmo as mudanças insignificantes no brilho; em uma intensidade mais elevada a mudança insignificante similares no brilho passará despercebida. Uma mudança muito mais grande será necessário para registrar com o olho. Deixar-nos imaginar todos os níveis possíveis N do brilho (com o N que é nenhum menos de 100) como uma linha horizontal com 100 segmentos. O olho perceberá facilmente segmentos adjacentes do brilho no início da linha, a seguir no centro a diferença entre segmentos adjacentes não será evidente; e na extremidade da linha - não visível de todo. Na realidade isto significa que fora do número total de níveis de N nós podemos selecionar um número muito menor de níveis M que serão percebidos lineares.

É interessante aprender que a geração da imagem em monitores do LCD leva em conta este capricho da percepção humana. Em monitores do CRT esta é uma conseqüência direta do método da formação da imagem; em monitores do LCD uma correção gamma do hardware é utilizada. Todo o isto conduz a uma função relativamente linear que descreva a percepção subjetiva e o nível lógico codificado de brilho. Assim, o arquivo inicial da imagem tem 256 níveis do brilho (para a cor verdadeira) em cada canal que são percebidos em uma maneira linear.

Se PWM com 256 níveis lógicos é usado de exibir uma imagem inicial da cor verdadeira, nós observaremos distorções visíveis. Em seções escuras da imagem nós veremos beiras afiadas entre segmentos do brilho. Em seções brilhantes todos os níveis do brilho fundirão. As distorções afetarão as cores, especialmente onde um inclinação liso da cor é essencial, por exemplo em um retrato de um rosto humano. Isto acontece porque a imagem inicial usa 256 níveis não-lineares que são convertidos em uma tela nos níveis lineares - inoportunos para a percepção do olho humano.

Para que a imagem da cor verdadeira seja rendida em um painel de LED com distorções mínimas, os níveis lógicos do brilho têm que ser corrigidos. Isto pode ser conseguido aumentando o número de níveis lógicos em uma imagem gerada pelo PWM. Então, fora do número muito maior de níveis será mais fácil selecionar 256 níveis que podem ser codificados para uma percepção linear. Esta seleção de 256 iguala de um número muito maior é chamada “uma correção gamma” ou “uma escolha do paleta”. Mais níveis do brilho podem ser gerados através de PWM, mais fácil será fazer uma correção de modo que as cores e o brilho é percebido em um formato linear “apropriado”.

Presentemente os melhores painéis de LED oferecem PWM com 2¹⁶ níveis lógicos do brilho. Este é mais do que bastante para selecionar os 256 níveis necessários de exibir a imagem exata da cor verdadeira. Deve-se anotar que um painel de LED pode exibir as cores 256*256*256, e não 2¹⁶*2¹⁶*2¹⁶; significa que a cor está codificada ainda por uns 24 números, não um 48 bit. A paleta de cor artificial expandido é somente necessária para selecionar o número necessário mínimo de cores para assegurar a percepção natural da cor e do brilho.

Cada canal pode ser codificado em 8, em 10, em 12, o 14 bit ou brilho de 16 bits máximo. Em uns mais baixos códigos do canal a correção será naturalmente menos eficaz. De um lado, um painel de LED com número menor de níveis lógicos do brilho será mais barato quando a renderização de cores verdadeira exata na tela não for sempre necessária. Por exemplo, o painel de LED com ticker ou as telas digitais informativas não precisam o número enorme de cores.

Uma escala mais larga da cor é preferível para diversas outras razões:

Primeiramente, reserva ajustar o brilho dependendo da hora do dia, estação do ano, peculiaridades do painel de LED do local da tela. O olho humano adapta-se com flexibilidade às condições de iluminação geral; conseqüentemente, o brilho da tela em um dia ensolarado e durante a noite deve ser drasticamente diferente. Além disso, se um painel de LED é instalado no fundo do céu, seus parâmetros do ajuste devem diferir de uma tela similar que está na frente de um edifício ou que pendura na parede.
Em segundo lugar, permite o ajuste flexível do balanço do branco. As paletas podem ser selecionadas independentes em cada canal da cor; assim, nós podemos adicionar o azul ou reduzir o vermelho em uma imagem do alvo. Isto é essencial para os ajustes iniciais ambos da tela e uns ajustes mais atrasados que são necessário devido ao envelhecimento de opacidade perdedora da lente do LEDs (brilho perdedor do LEDs com idade) ou do LED.
Em terceiro lugar, permite alguma correção da cor nos módulos de LED individuais. Isto pode ser necessário quando alguns módulos de LED falham e são substituídos por sobressalentes: neste caso os parâmetros do LED nos módulos de LED novos e adjacentes serão diferentes e precisarão ajustar.

Esta função é essencial para o sistema de controlo, demasiado. Não é bastante para fazer PWM de 16 bits; os fabricantes devem ter a opção de ajustes flexíveis do brilho no hardware e no software do sistema de controle. Se não, esta aplicação importante não terá nenhum uso prático.

Contraste em um painel de LED

O contraste é um parâmetro essencial da renderização de cores em um painel de LED. O contraste é a diferença em propriedades visuais que faz um objeto (ou sua representação em uma imagem) distinguível de outros objetos e do fundo. Em caso de um painel de LED se a cor preta não é realmente “preta”, a seguir do olho humano não distinguirá os detalhes em áreas escuras da imagem - fundirão áreas menos escuras. A cor preta em um painel de LED não tem nada fazer com desempenho de um LED - o fundo preto é criado pelos materiais usados manufatura um painel de LED.

Os problemas podem resultar da reflexão da luz solar da superfície do painel de LED: neste caso quando todo o LEDs é desligado a superfície da tela pode parecer blanquecina na cor. Este efeito é causado pela lente epóxi branco do LED, pela superfície preta brilhante do plástico protetor entre o LEDs, pela posição incorreta de grelhas protetoras ou mesmo pelo estofamento da cor clara LED. Geralmente, melhor é a superfície escura do mate de um painel de LED que mais elevada é a qualidade do contraste e da imagem.

Número de cores e custo de um painel de LED

O número de cores em um painel de LED pode somente ser aumentado perto:

usando do CI drivers “intelectual”;
freqüência crescente de PWM;
reduzindo a freqüência da atualização.

Brilho, renderização de cores e contraste de um painel de LED: Conclusões

Mais níveis do brilho são gerados por PWM, mais fácil é ao painel de LED do fino ajustamentos à renderização de cores exata.
O ajuste da cor deve estar disponível em todos os componentes do sistema de controlo: do software aos CI drivers do LED. Número teoricamente calculado de funcionamentos das cores em bilhões e em trilhões. Entretanto, o sistema não é sempre capaz do exibindo todas estas cores.
A qualidade da imagem é afetada pelos componentes usados para a superfície do painel de LED da fabricação: deve ser como a obscuridade e o mate como possível.

CI drivers em painéis de LED

Um CI driver do LED é um microchip que fornece a corrente constante ao LEDs. Os CI drivers são baseados em circuitos integrados do comando. No formulário o mais simples pode ser um comando “Ligado-Desligado”. Em mais complexos do CI drivers “intelectual” os comandos incluem a possibilidade para controlar o brilho do LED através de PWM.

Com os simples do CI drivers, a função de PWM tem que ser cedida aos controladores que emitirão um comando aos CI drivers sobre o interruptor LEDs " Ligado " e " Desligado ". As vantagens são evidentes: os simples do CI drivers são baratos. As desvantagens são muitas: os controladores tornam-se mais complexos, torna-se difícil gerar o número necessário de níveis do brilho e de freqüência da atualização. Para conseguir controladores elevados da qualidade da imagem deve operar-se na modalidade de alta freqüência e transferir dados aos CI drivers. Mas estas freqüências têm limitações tecnológicas.

Os CI drivers “intelectual” tomam sobre algumas das funções acima e simplificam a operação dos controladores. Mas o custo do painel de LED vai acima. Para justificar este aumento do custo, o sistema de controle deve suficientemente ser sofisticado para suportar todas as funções novas de CI drivers e para retransmitir assim a imagem da alta qualidade na tela.

Para resumir, os CI drivers têm as seguintes características essenciais:

número de canais;
corrente de saída (escala, estabilidade);
freqüência de relógio;
capacidade de execução do PWM;
controlar a saída corrente para cada canal de PWM;
oscilador interno;
número de canais (largura da interface);
capacidade adicional do realimentação (superaquecimento, LED aberto/curto);
correção digital do ponto;
correção digital do brilho;
pacote CI driver: SOP, SSOP, QFN.

Os CI drivers estão tornando-se seguindo diversas tendências:

Atualização de “simples” CI drivers. As funções adicionais são introduzidas: por exemplo, diagnósticos e controle de brilho ou freqüência aumentada de transferência de dados.
Atualização de CI drivers do “intelectual”. As funções novas aparecem e os parâmetros quantitativos melhoram (freqüência, número de níveis de PWM). Os avançados do CI drivers suportam PWM de 16 bits nas freqüências que aproximam 20 МHz e escala larga de funções do serviço e da realimentação.
Os especializados numerosos do CI drivers com determinadas funções fixas aparecem: por exemplo, DM163 com 24 canais, o PWM de 8 bits e a correção do brilho de 6 bits. Isto igualmente está relacionados CI drivers com a sustentação inerente do pulso de disparo, por exemplo, MBI5050.

É uma tradição já para fazer CI drivers com 8 ou 16 canais. Entretanto isto não é sempre apropriado para painéis de LED porque o pixel moderno consiste geralmente em 3 LEDs que complica a topologia do PCB. Tecnologicamente, seria mais conveniente colocar um CI driver no centro de um cluster de 4 pixéis.

Infelizmente, a maioria de companhias envolvidas no projeto e a manufatura de CI drivers tendem a fazer produtos do “tudo em um”. CI drivers modernos sofisticados, têm a escala possível a mais larga das funções. Os clientes raramente usam todas estas funções mas têm que pagar por elas. Por exemplo, um DM634 excelente gabar-se a correção geral do brilho de PWM de 16 bits e de 7 bits. A última função é supérflua no melhor dos casos, porque com PWM de 16 bits e sistema de controle moderno do painel de LED é possível assegurar a correção geral do brilho através de outros métodos.

O problema da interface externa está separada. Os CI drivers diferentes do permitem transferência de dados e o controle de PWM nas maneiras diferentes - não sempre convenientes do ponto de vista do sistema de controle. Sem a aproximação unificada ao projeto de CI drivers e de sistema de controle, o problema aprofunda-se gradualmente: cada tipo de CI drivers exige o bloco diferente da interface. Assim, praticamente, cada painel de LED tem um sistema de controle original.

Os clientes que compram painéis de LED sabem pouco se qualquer coisa sobre CI drivers do LED. Aprendem sobre os parâmetros aceitáveis da tela nos termos de níveis da atualização e do brilho - mas estes parâmetros estão enganando-se freqüentemente. CI driver consome muita energia e aquece-se muito. Com projeto deficiente do módulo, os CI drivers superaquecerão e conduzirão ao LED e às falhas do módulo.

Para um desenvolvedor do sistema de controle do painel de LED escolher um CI driver é uma escolha difícil entre parâmetros da tela e o preço necessários.

Sistemas de controle modernos para painéis de LED

Em linhas gerais um sistema de controle inclui uma fonte de informação no de nível elevado (PC, reprodutor de mídia), software do vídeo, um jogo dos controladores que asseguram a alimentação e a conversão de dados, e os CI drivers do LED conectados com controladores em uma única rede e sinal digital de transferência na corrente enviaram ao LEDs.

O sistema de controle é uma ligação entre os subsistemas numerosos de um painel de LED e a imagem real que nós vemos em uma tela. Além disso, um sistema de controle deve oferecer a uma opção das ligações diversos painéis de LED em uma rede similar a uma rede do escritório dos PCes.

Estão aqui algumas funções essenciais para um sistema de controlo moderno

O sistema de controle deve sinal da vídeo do canal que utiliza a maioria de funções de CI drivers do LED;
O sistema de controle deve ter uma estrutura modular para utilizar funções diferentes do hardware;
O sistema de controle deve ser coordenado com software de programa para oferecer as melhores opções em clipes do programa em um painel de LED;
O sistema de controlo deve ter o ajuste flexível das cores e do brilho;
O sistema de controle deve permitir o ajuste flexível da geometria do painel de LED desde que os módulos similares podem ser arranjados nos painéis de LED de formas e de tamanhos diferentes.

Função da rede de um sistema de controle do painel de LED

Uma opção importante é adicionar telas individuais a uma rede maior do painel de LED. Para fazer este, o sistema de controle deve suportar a interface da rede para clipes da publicidade e ajustes de programa do conteúdo e do indivíduo das telas.

Idealmente, o sistema de controlo deve ser modular. Neste caso é possível subdividir funções da rede e controle da geração da imagem. A opção nova parece construir as redes heterogêneas que consistem em painéis de LED da arquitetura diferente, e mesmo as telas de LCD do incluindo. O controle geral sobre a rede será exercitado de um centro de controle unificado.

Atualmente, as redes de painel de LED são controladas através do Internet. As funções da rede dos sistemas de controlo devem incluir esta opção.

Monitoração de um painel de LED

O sistema de controle deve incluir funções da monitoração e da realimentação que inclui:

Registro do planificador esse gravares que videoclipes foram exibidos em um painel de LED;
Registro do hardware que gravares todos os defeitos e falhas do equipamento. Mais sofisticado o sistema de controle, mais detalhado é este realimentação técnico;
Registro do acesso que gravares cada entrada no sistema e cada mudança em ajustes da tela.

Segurança de informação do sistema de controle do painel de LED

Um painel de LED é controlado por um PC. Qualquer número de povos pode ter o acesso a um PC de controlo. Conseqüentemente, o sistema de controlo deve ter funções inerentes da segurança da informação.

Este subsistema da segurança de informação tem as seguintes medidas de segurança:

Primeiramente, maneiras de impedir um indicador desautorizado da informação em um painel de LED;
Os registros automaticamente gerados devem ser protegidos da moderação;
O subsistema da segurança deve ter opções de painel de LED execução como parte da rede maior e como uma tela individual, demasiado;
Integração com sistema de controle de modo que não pudesse ser removido ou suprimido da tela.

Compatibilidade eletromagnética (EMC) e interferência eletromagnética (EMI) dos painéis de LED

O grande painel de LED tem muitos componentes eletrônicos e é controlado através do sistema digital. Isto faz um painel de LED similar a todo o dispositivo eletrônico quando a parte da corrente elétrica consumida é emitida como a radiação eletromagnética capaz para induzir a interferência eletromagnética (EMI).

Esta radiação resulta do interruptor de alta freqüência de um número muito grande de componentes. Os dados e os sinais que se movem entre PCB geram a radiação. Um painel de LED consiste em muitos componentes similares - módulos de LED. A geometria de dúzias multiplicadas disposição do PCB das épocas cria uma antena gigantesca.

A interferência eletromagnética (EMI) pode interromper, obstruir, ou de outra maneira degradar a qualidade do rádio e os serviços do TV ou os telefones de rádio.

Minimizar a interferência de rádio é a tarefa importante para desenvolvedores dos painéis de LED que compreendem nos detalhes todos os intrincados do projeto eletrônico. Esta tarefa pode somente ser conseguida por medidas complexas em desenvolver as disposições eletrônicas, projetando os módulos de LED, controladores e prender seguros.