Evolução dos pixéis: Das lâmpadas aos SMD LEDs
Muito foi escrito sobre painéis de LED. Durante 20 anos de sua História, telões mudados significativamente. Nós decidimos devotar este artigo à evolução do elemento-chave em um telão digital, ao pixel.
Telão da lâmpada 12x9 m em Moscou, 2001O letreiro da informação eletrônica e o som e o equipamento de iluminação dinâmica serviram como protótipos para primeiros telões digitais. Todos foram baseados inicialmente em lâmpadas incandescentes. A deficiência principal das lâmpadas era tempo de vida curto - até 500 horas. Após 500 horas da operação contínua 50% das lâmpadas podiam falhar e recolocação necessário.
As condições de trabalho em telões digitais são as mais desfavoráveis para lâmpadas: uma modalidade “ligado-desligado” constante. Para estender a vida das lâmpadas um método simples foi inventado: para reduzir a tensão de alimentação. As lâmpadas funcionaram agora mais por muito tempo mas um outro problema aplainou: com mais baixa tensão o espetro visível deslocado na zona vermelha. As telões de um monocromática isto podiam facilmente ser negligenciadas mas criavam problemas graves para telões da multicolor e cor verdadeira.
Para transformar um telão da lâmpada em uma instalação multicolor era razoavelmente fácil: as lâmpadas brancas padrão foram pintadas em filtros de cor de trás vermelhos, verdes, azuis e azul claro ou colocou. Os filtros leves absorveram uma grande parte da radiação clara e para manter o brilho que do telão era necessário colocar um refletor atrás da lâmpada. A qualidade das cores, do balanço do branco e do brilho do telão dependeu inteiramente da qualidade de filtros leves e de refletores, seu posicionamento preciso. Naturalmente, tais sistemas eram complexos na fabricação e no conjunto, volumosos e caros.
Outra deficiência séria das lâmpadas incandescentes era seu consumo de potência elevada. Por exemplo, as telões típicas com pixel pitch de três polegadas (76.2 mm) usaram lâmpadas para a auto indústria 1250X (Uwork=13.5V, Icons=0.37А, tempo de vida 500 horas). Um pixel conteve 4 tais lâmpadas.
12V na tensão um o pixel consumiu 16W, e 1 m2 de tal telão consumiu quase 3kW da energia. Assim, uma telão relativamente pequena com os pixéis 112x84 e a área da imagem de 54.5 m2 transformou em uma planta de energia poderosa com o consumo de energia máximo (pico branco) de 165kW.
Módulo do telão da lâmpada
Isto teve alguns efeitos peculiares: no inverno a neve na frente do telão das lâmpadas derreteu e girou para a chuva, quando no verão tais telões superaqueceram. Um sistema poderoso da ventilação ou de condicionamento de ar era necessário manter o funcionamento normal do telão. Isto aumentou o consumo de energia mesmo mais adicional (quase 1/3 do consumo de energia do telão). Controles regulares necessários e limpeza do sistema de ventilação. Os custos da manutenção da telão eram assim astronômicos.
Apesar do consumo de energia elevada, o brilho total em telões da lâmpada era insuficiente para a operação dia, aproximadamente 2500 nits. Para aumentar o brilho colocar as lâmpadas mais próximas era junto pouco prático: todo o aumento na resolução conduz para aumentar no consumo de energia e em problemas significativos com dissipação de calor.
Lâmpada automotriz 1250X e LEDsBulbo tamanho 10.2x 26.9 mm
Outro problema sério dos telões da lâmpada era um perigo de fogo. Com consumo de potência elevada e emissão do calor elevado, correntes elevadas e ventiladores poderosos, componentes plásticos e milhas de cabo - a probabilidade do fogo era real. Os vários meios da prevenção de fogo conduziram para abaixar a confiabilidade do telão e uns custos de gastos de fabricação mais elevados. Nesta fase no desenvolvimento tecnológico, transformar telões da lâmpada digitais no produto maciço e comercialmente atrativo era impossível.
Os fabricantes do telão estavam interessados no LEDs como a recolocação potencial das lâmpadas incandescentes. Inicialmente, começaram experimentar com o monocromático ou telões de duas cores combinando o LEDs vermelho e verde. Elementos luminescentes novos permitidos reduzir significativamente o consumo de energia, o brilho do aumento e a confiabilidade.
Os primeiros painéis de LED foram criados como uma recolocação simples dos telões da lâmpada. Foram baseados estruturais em clusteres amplamente utilizados em sinalizações da informação. Um cluster é uma unidade que inclua o LEDs (em várias combinações), o quadro (caixa) e cabos de conexão. Esta estrutura é conveniente na manutenção e permite a recolocação fácil de um cluster falho. Embora os fabricantes garantiram a vida longa de LEDs individual (50 000 horas, às vezes mesmo 100 000 horas) na realidade poucos fabricantes alcançaram tais parâmetros excelentes. Entre aqueles poucos estão Nichia, Toyoda Gosei, HP/Agilent, e Cotco/Cree. Os clusteres eram uma fase intermediária; alguma outra solução tecnológico era necessária.
Painel de LED exterior 8x6 m, 22 mm em Moscou, 2006O primeiro brilho elevado LED azul foi demonstrado por Shuji Nakamura de Nichia Corporação em 1990. Por 1993 o azul LEDs estava produzido em massa e disponível para o mercado. Dez anos mais tarde, em 2002, Nichia era um líder de mundo na fabricação do LED e 60% de sua produção era LEDs azul. Os preços estabilizaram e a manufatura de painéis de LED do de cor completa tornou-se viável.
Os primeiros painéis de LED têm a resolução relativamente baixa. Os pixéis típicos da lâmpada de 76.2 mm foram substituídos por um pixel do LED de 38.1 mm. Para manter ou mesmo aumentar o brilho (ao manter o balanço do branco) da área da imagem era necessário arranjar um cluster dos diversos LEDs, por exemplo, 4 vermelho, 4 verde, azul 2. Este pixel consumiu sobre 1W, ou 16 vezes menos energia do que um pixel similar da lâmpada. Assim, as telões com 2 vezes resolução mais elevada forneceriam uma imagem muito melhor e têm o consumo de energia de 4 vezes mais baixo. Mais realmente, desde que o sistema de ventilação era já não necessário.
Embora uma etapa adiante comparou aos telões da lâmpada, os painéis de LED baseados em clusteres tiveram algumas deficiências sérias: conectores demais reduziram a confiabilidade do sistema, o grande número de componentes pequenos conduziu ao custo aumentado e a um tempo mais longo do conjunto.
A tarefa da confiabilidade aumentada e o mais barato foram resolvidos coloc o grande número de LEDs em um módulo (64, 128, 256 e outras opções). Alguns falharam o componente em uma recolocação necessário do módulo de LED (LED, componente passivo, ou motorista) de um módulo de LED inteiro. Isto era especial verdadeiro com relação aos painéis de LED exterior: os módulos tiveram que ser protegidos de encontro à chuva e à neve pelo composto que selado hermeticamente o PCB.
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| 4R2G2B e de 2R2G1B clusteres LED | Painel de LED com os pixéis 2R2G1B |
Porque os pixéis eram crescimento menor e estavam mais apertados colocou em um PCB, a composição dos pixéis mudados drasticamente: de um cluster de 7-12 LEDs a 2RGB-pixels básico (2 vermelhos, 1 verde, 1 azul), e mais tarde - ao RGB.
O uso de mover-se permitido LEDs longe dos sistemas um 12V (telões da lâmpada) para 5V. Esta mudança igualmente conduzida para abaixar o consumo de energia e a melhor dissipação de calor. 2RGB ou o pixel do RGB consumiram aproximadamente 0.3W, o 1 m2 de um painel de LED baseado em um tom de pixel popular de 19 mm consumiu 839W no pico do branco. Uma telão do 6x4 metro com resoluções 320x240 consumiu somente 20kW (uma redução drástica comparada aos telões da lâmpada).
Porque o pixel cresce fisicamente menor, tornou-se mais inteligente: os desenvolvedores dos painéis de LED começaram várias técnicas usando do realce do brilho e da resolução. Nossa revista publicou artigos sobre o pixel virtual ou dinâmico repetidamente: “Pixel virtual: Truque promocional ou melhoria da imagem”.
Dois painéis de LED exterior com pixel pitch 6 mm em Hong Kong Em algum ponto a miniaturização de parado pixel devido ao ponto de estrangulamento técnico. DIP oval LEDs 5 mm do padrão usado para dar forma a um pixel do RGB não podia estar mais apertado colocou junto: algum lugar livre no PCB era necessário para outros componentes eletrônicos e conectores. Uma solução intermediária era usar 3 mm LEDs mas estes foram rejeitados mais tarde por causa da baixa estabilidade.
Toda a esperança futura mudar o pixel do LED foi concentrada em um SMD LED (montagem em superfície). Uma vez que inventado SMD LEDs foram significados para aplicações interiores somente, porque a umidade afeta negativamente sua operação.
SMD diferentes LEDs foram testados: única cor LEDs, grande e pequeno - LEDs feito sob medida. Mas a opção a mais prometedora do 3 em 1 SMD LEDs tornou-se a mais popular. Presentemente, o tamanho físico de um SMD LED é limitado por processos tecnológicos de máquinas da montagem em superfície a 4 mm.
Uma das deficiências principais de SMD LEDs era contraste ruim. A telão inteiramente desligado de SMD olha blanquecina por causa do fundo branco para chips do LED. Os esforços dos desenvolvedores foram centrados sobre a resolução do problema do contraste - e finalmente a solução apareceu no mercado sob a forma de SMD face preta assim chamada.
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| Painel de LED exterior moderno 12 mm em Londres: 12.3x3.5 m | Módulo de LED do SMD face preta |
Módulo de LED baseado na tecnologia da matriz de pontosA paralela a SMD, uma outra tecnologia interior da telão estava tornando-se - matriz de pontos. Os chips do LED são arranjados na matriz 8x8: uma aproximação minimalista que ofereça a solução econômico. Como com SMD padrão LEDs a deficiência principal da tecnologia da matriz de pontos é o contraste blanquecina do fundo e dos pobres. Quando o fundo branco servir como um refletor e aumentar o brilho do telão, conduz à menos qualidade da imagem a baixos níveis do brilho.
Tabela comparativa do consumo de energia no pixel em desenvolvimento
| 4 Lamps Pixel | DIP LED cluster | DIP LED pixel | DIP LED pixel | SMD LED 3-in-1 | |
|---|---|---|---|---|---|
| RGBbrB | 4R4G2B | 2RGB | RGB | RGB | RGB |
| 1:1 | 1:4 | ||||
| 16W | 1W | 0.4W | 0.3W | 0.3W | 0.075W |
Como nós vemos, em menos de 20 anos de pixel mudou e modificou significativamente. Obviamente, esta não é a extremidade da estrada; provavelmente, somente o começo da história do pixel. Mas o que quer que o caso, nós temos que saber esta história bem.
