Эволюция пикселя: От ламп до SMD светодиодов
Про электронные цифровые экраны написано многое. За почти 20 лет существования этого направления экраны претерпели кардинальные изменения. Эволюции ключевого элемента электронного экрана – пикселю – и посвящена наша новая статья.
Ламповый экран 12х9 метров в Москве, 2001 годПрообразом первых экранов стали электронные информационные табло и цветомузыкальные установки, в которых в качестве светоизлучающих элементов использовались простые лампы накаливания. Основным недостатком ламп накаливания является их непродолжительный срок службы – до 500 часов. Через 500 часов непрерывной работы, около половины ламп на табло или экране выйдут из строя и их нужно заменить.
Положение усугублялось тем, что лампы на экране работают в самом неблагоприятном для них режиме – “включилась-выключилась”. Для продления срока службы ламп был найден простой способ – снижение питающего напряжения ламп.
Но это приводило к другим проблемам, таким, как уменьшение силы света ламп и смещение их спектра излучения в красную область. Это не сильно сказывалось на качестве изображения монохромных экранов, но приводило к плачевным результатам на многоцветных и, особенно, “полноцветных” экранах.
Многоцветность экрана на лампах накаливания достигалась очень простым способом: лампочки, которые формировали пиксель (элемент изображения), раскрашивались в красный, зеленый, синий и светло-голубой цвета или размещались за соответствующего цвета светофильтрами.
Светофильтры поглощали значительную долю излучения лампы, поэтому для повышения отдачи под лампой размещался отражатель. Качество цветопередачи и яркость экрана полностью зависели от качества изготовления светофильтров и отражателей, и точности их взаиморасположения, а конструкция модуля, которая объединяла все это в единый узел, и обеспечивала простую замену ламп, была сложной и дорогой.
Модуль лампового экрана
Важнейшим недостатком экранов на лампах накаливания было их высокое энергопотребление. Например, в широко распространенных экранах с размером пикселя 3 дюйма (76,2 мм), в качестве светоизлучающего элемента использовались автомобильные лампы 1250X (Uраб=13,5 В, Iпот=0,37 А, наработка на отказ 500 часов). Таких ламп в пикселе было 4 штуки.
Один пиксель, при напряжении питания 12В, потреблял 16 Вт. Один квадратный метр экрана потреблял 3 кВт электроэнергии. Таким образом, небольшой экран с разрешением 112х84 пикселей и площадью 54,5 кв. метров, превращался в мощную энергопотребляющую установку, которая на пике белого (при максимальном энегропотреблении) потребляла 165 кВт электроэнергии.
Это приводило к тому, что зимой, падающий вдоль экрана снег, превращался в дождь, а в теплую погоду, экран просто перегревался. Для обеспечения нормальной работы лампового экрана, необходимо было ставить мощную вентиляционную систему, что приводило к дополнительному энергопотреблению (порядка 1/3 от потребляемой мощности экрана) и дополнительным проблемам, связанным с очисткой, забираемого в экран, воздуха и обслуживанием вентиляционной установки.
Лампа накаливания 1250X и светодиодыРазмер лампы 10,2х26,9 мм
Не смотря на высокие затраты электроэнергии, яркость экранов на лампах была недостаточной для их нормальной работы в дневное время, около 2500 нит. Повысить яркость за счет более плотного расположения элементов изображения не представлялось возможным, так как при этом быстро возрастает энергопотребление и, соответственно, тепловыделение.
Еще одна серьезная проблема экранов на лампах накаливания – их пожароопасность. Высокая энергонасыщенность, высокое тепловыделение, большие токи, подача воздуха и изготовленные из горючих материалов светофильтры приводили к очень высокой вероятности возникновения пожара. Применение различных защитных мер приводило как к снижению надежности экрана, так и значительно повышало его стоимость. Для того, что бы экраны стали более массовым и рентабельным продуктом, необходимо было устранить те недостатки, которые были присущи ламповым экранам.
Разработчики экранов давно присматривались к светодиодам, как к светоизлучающим элементам экрана. Сначала стали разрабатывать монохромные и двуцветные экраны – комбинируя красный и зеленый цвета, и используя опыт, накопленный при создании информационных табло и ламповых экранов. За счет применения новых светоизлучающих элементов удалось значительно снизить энергопотребление, повысить яркость и надежность экранов.
Первые светодиодные экраны создавались, как простая замена ламповым экранам. При их построении использовались, широко применяемые в информационных табло, кластеры. Кластер представлял собой законченный узел, в который входили светодиоды различных цветов в различной комбинации, корпус и соединительный кабель с разъемом. Такая конструкция позволяла легко заменять вышедший из строя кластер, новым. Хотя производители светодиодов и гарантировали длительный срок службы светодиодов (50 000 часов, а иногда и 100 000 часов), в реальной жизни лишь не многие производители реально достигали таких результатов (Nichia, Toyoda Gosei, HP/Agilent, Cotco/Cree). Поэтому замена кластеров была актуальной задачей.
Наружный светодиодный экран 8х6 м и шагом 22 мм в Москве, 2006 годВ 1990 году, японский изобретатель Судзи Накамура, работавший в японской корпорации “Nichia Chemical Industries”, изобрёл дешёвый синий светодиод. К 1993 году компании “Nichia” первой в мире удалось начать промышленный выпуск синих светодиодов. К 2002 году доля производства синих светодиодов у компании возросла до 60 процентов от общего объёма производства, и цены на них упали до уровня, когда их стало возможно использовать в полноцветных экранах.
Первоначально светодиодные экраны разрабатывались, как замена ламповым и их разрешение было не многим выше ламповых. Так на смену, широко распространенным ламповым экранам с шагом между пикселями 3 дюйма (76,2 мм) пришли светодиодные экраны с шагом 1,5 дюйма (38,1 мм). Соответственно, для того что бы сохранить яркость экрана или сделать ее выше и при этом сохранить баланс белого было необходимо собирать кластер из нескольких светодиодов, например: 4 красных, 4 зеленых, 2 синих. Такой пиксель потреблял порядка 1 Вт, что в 16 раз меньше чем ламповый экран. То есть увеличив разрешение экрана в два раза, мы получали более четкую и яркую картинку и при этом снижали расход электроэнергии в 4 раза по сравнению с ламповым экраном того же размера, не считая затрат на вентиляцию.
 |
 |
| Светодиодные кластеры 4R2G2B и 2R2G1B | Светодиодный экран с пикселями 2R2G1B |
Обладая рядом преимуществ, по сравнению с ламповыми: большая яркость экранов, большее разрешение и более качественная цветопередача, более низкое энергопотребление, экраны на кластерах обладали рядам существенных недостатков: большое количество разъемов сильно снижало общую надежность системы, большое количество мелких деталей приводило к повышению стоимости конструкции и большим затратам времени на сборку.
Повышение надежности и снижение стоимости самих светодиодов и компонентов, которые ими управляли, постоянное стремление к улучшению качества изображения и снижению стоимости одного пикселя привели к созданию одно или многоплатных модулей, на которых большое количество пикселей (64, 128, 256 и другие варианты) были расположены в одном модуле. При выходе из строя какого-то элемента, светодиода, элемента управления и пассивного компонента, модуль заменялся целиком и в большинстве случаев ремонту не подлежал. Особенно это касалось модулей, которые предназначались для работы на улице, и для обеспечения герметичности заливались компаундом.
Первые светодиодные экраны были простой заменой ламповым с незначительным увеличением разрешения. Но с увеличением скорости передачи данных внутри экрана, созданием специализированных микросхем, которые позволили значительно снизить объем потоков передаваемых данных, стало возможно недорого управлять каждым светодиодом отдельно. Таким образом, был открыт путь для создания светодиодных экранов большого разрешения с минимальным шагом между пикселями 10 мм.
В процессе уменьшения размера пикселей и улучшения яркостных характеристик светодиодов, пиксели, которые состояли из большого количества светодиодов, постепенно были заменены пикселями, в которые входили 2 красных светодиода, 1 зеленый и 1 синий, так называемые 2RGB-пиксели. Постепенно, у красных светодиодов был достигнут такой уровень силы света, что стало возможным формировать пиксели из 1 красного, 1 зеленого, 1 синего светодиода (RGB).
Уже применение двух красных и одного зеленого и синего светодиодов в пикселе, позволило разработчикам экранов снизить напряжение питания модулей с 12 В, как это было на ламповых и кластерных экранах, до 5 В, что привело к значительному снижению энергопотребления и тепловыделения. 2RGB или RGB пиксель потреблял 0,3 Вт, а квадратный метр экрана с популярным шагом 19 мм потреблял 830 Вт на пике белого, а весь экран с разрешением 320х240 пикселей и размером 6х4 метра (площадь 24 кв. метра) потреблял 20 кВт.
Кроме постепенного уменьшения шага между пикселями разработчики светодиодных экранов применяли программные методы для улучшения качества изображения – так называемый виртуальный (или динамический) пиксель. Наш журнал писал об этом в своей статье “Виртуальный пиксель: Рекламный трюк или улучшение качества изображения”.
Два наружных светодиодных экрана с шагом 6 мм в ГонконгеФото: Lighthouse Technologies
Но здесь возникло ограничение, которое затормозило дальнейшее совершенствование светодиодных экранов, особенно наружного исполнения. Дело в том, что традиционно для экранов применялись светодиоды, предназначенные для монтажа в отверстия платы - DIP-монтаж. Это связанно с тем, что технология производства этих светодиодов была хорошо отлажена, так как они применялись не только в экранах, но и в других радиоэлектронных устройствах, и эти светодиоды хорошо переносили влияние окружающей среды, и их выводы было легко заливать компаундом и обеспечивать герметичность конструкции.
При расстоянии между пикселями менее 10 мм, между отверстиями, куда устанавливались выводы светодиодов, невозможно было не только установить элементы управления светодиодами, но даже разъемы, которые позволяли к плате со светодиодами присоединить плату с элементами управления.
Поэтому большие усилия разработчиков светодиодов были брошены на создание SMD-светодиодов (светодиодов для монтажа на поверхность платы), которые не боятся влаги.
Для экранов применялись различные варианты исполнения SMD-светодиодов. Использовались, отдельные светодиоды, в которых был инкапсулирован один кристалл соответствующего цвета. Но большую популярность получили SMD-светодиоды 3-в-1, то есть в одном корпусе размещается три кристалла с красным, зеленым и синим цветом излучения. В настоящий момент минимальный размер пикселя ограничен физическими размерами светодиода и возможностями станков для поверхностного монтажа и составляет 4 мм.
Первоначально экраны на основе SMD-светодиодов предназначались только для помещений, но с развитием технологии появились и наружные светодиодные SMD экраны. Кроме того, для увеличения контрастности светодиодных экранов, стали выпускаться SMD-светодиоды с черной фронтальной поверхностью – так называемые black face SMD.
 |
 |
| Современный наружный светодиодный экран в Лондоне 12,3х3,5 м и шагом 12 мм Фото: Lighthouse Technologies |
Модуль светодиодного экрана с black face SMD Фото: Ekta |
Светодиодный модуль на основе технологии Dot MatrixПараллельно с SMD-технологиями развивалась технология Dot Matrix. Она заключалась в том, что, опять же, у информационных табло были заимствованы светоизлучающие элементы в виде матриц 8х8, в узлах которых размещались светоизлучающие кристаллы.
Достоинством данного подхода была минимизация количества выводов светоизлучающих компонентов, что позволяло при мелких шагах использовать DIP-монтаж компонентов и размещать все на одной плате. Основным недостатком было то, что узлы матриц окрашивались в белый цвет для повышения отдачи кристаллов, а это в свою очередь приводило к снижению контрастности изображения.
Сравнительная таблица последовательного снижения энергопотребления пикселя
| Пиксель 4 лампы | Кластер DIP LEDs | Пиксель DIP LEDs | Пиксель DIP LEDs | SMD LED 3-в-1 | |
|---|---|---|---|---|---|
| RGBbrB | 4R4G2B | 2RGB | RGB | RGB | RGB |
| 1:1 | 1:4 | ||||
| 16 Вт | 1 Вт | 0,4 Вт | 0,3 Вт | 0,3 Вт | 0,075 Вт |
Итак, за недолгие 20 лет, пиксель прошел большую дорогу, видоизменяясь и совершенствуясь. Совершенно очевидно, что это не конец, а быть может, только начало истории пикселя. Но так или иначе, а мы постарались эту историю описать и сохранить.
