Background Pic

Конструкция светодиодного экрана

ГлавнаяСтатьиНаши технологииКонструкция светодиодного экрана

Потребность в больших экранах существовала всегда, они были и остаются востребованы в диспетчерских центрах, военных штабных комплексах, на спортивных аренах, в рекламном и шоу-бизнесе. Эти потребности в разное время по разному удовлетворялись фирмами, назовем их «экраностроители», которые использовали для этого источники света соответствующие современному им уровню развития технологии - это были обычные лампы накаливания, газоразрядные матричные панели, флуоресцентные, галогенные лампы и другие источники света. Из тех, кто в прошлые годы занимался созданием больших экранов, никто до середины 90-х годов всерьез не делал ставки на светодиоды, как на светоизлучающие элементы больших экранов, однако, справедливости ради, нужно сказать, что тогда уже достаточно большое распространение получили светодиодные «бегущие строки», в которых использовались обычные индикаторные светодиоды, в основном красного цвета. Из-за низкой надежности и небольшой яркости, эти изделия использовались в основном в помещениях, но были крайне недолговечны.

Если совершить небольшой экскурс в историю больших экранов в России, следует вспомнить о знаменательном событии 1967 года, когда в Ленинграде, как тогда говорили, "городе трех революций" к 50-летнему юбилею самой главной, Октябрьской революции, был воздвигнут экран на одном из зданий  на площади Восстания у Московского вокзала. Экран размером около 50 кв. метров  был ламповым черно-белым, а программа управления изображением формировалась вручную с использованием трафаретов и методов мультипликации. Можно утверждать, что в те уже далекие времена, экран стал одной из первых в городе, да и в стране, установок наружной электронной рекламы. Рекламные сюжеты  рассказывали о новых фильмах и других культурных событиях в жизни города.

С окончанием советской власти капиталисты из ирландской фирмы «Сканнер Вижен» сломали ламповый экран и на его месте установили подержанное табло на галогенных лампах, которое уже могло воспроизводить 8 цветов, но имело очень низкое разрешение. До сих пор это место в Петербурге считается одним из лучших рекламных мест в городе, сейчас там работает светодиодный экран, установленный фирмой Ната-Инфо к 300-летию города (около 60 кв. метров, шаг пикселя 26,7 мм).

Примерно в то же самое время и к тому же знаменательному событию был сооружен грандиозный экран на фасаде одного из высотных зданий бывшего Калининского проспекта в Москве. Особенностью этого экрана было то, что в качестве излучающих элементов были использованы электронно-лучевые трубки, которые обеспечивали экрану довольно большую яркость, но также и низкую надежность.

Первые экраны, способные воспроизводить видео, появились в России на спортивных сооружениях Москвы и Ленинграда, а именно, к Олимпиаде-80 в Лужниках и в 1994 году на стадионе им.Ленина (ныне Петровский) к Играм доброй воли. Эти экраны были изготовлены известной в то время венгерской фирмой «Мегалюкс» на основе газоразрядных ламп, стоили огромных денег, но не отличались высоким качеством вследствие низкой разрешающей способности и проблем с цветопередачей.

Поистине новая эпоха в экраностроении началась в самом конце 90-х годов, когда на рынке впервые появились светодиоды, обладающие высокими показателям надежности, яркости и углов излучения. В 1995 году японский инженер Накамура (Shuji Nakamura) из компании Nichia Chemical Industries сумел получить образцы светодиодов сине-зеленого спектра излучения на основе соединения InGaN с выдающимися  по тем временам фотометрическими характеристиками и показателями световой эффективности. В 1997 году шустрые японцы уже сумели наладить массовый выпуск светодиодов такого замечательного качества и этот время, по праву, можно считать «первым пришествием» светодиодов на рынок больших экранов, в результате которого производство самих светодиодов, а также производство разнообразных светотехнических устройств на их базе, получило невиданный до тех пор импульс развития.

Конструкции экранов

Несмотря на сравнительно недолгую историю экраностроения с использованием светодиодов, конструирование этих установок прошло в своем развитии несколько этапов, назовем их условно так: кластеры, матрицы, SMD-блоки.

Общий принцип конструирования светодиодных экранов исходит из дискретной природы источников света, когда изображение формируется из набора светящихся точек, расположенных в узлах прямоугольной растровой сетки. Эти точки, называемые точками отображения информации, или иначе «пиксели» (сокращение от английского picture element), состоят из нескольких светодиодов трех основных цветов – красного (R), зеленого (G) и синего (B). Подавая на каждый светодиод импульсы тока получают по каждому цвету световые потоки разной интенсивности, которые, складываясь в пикселе, могут давать палитру из миллионов и, даже миллиардов, цветовых оттенков. Управляя определенным образом яркостью и цветом каждого пикселя, можно получить на экране цветное изображение. Поскольку скорость реакции светодиода на управляющий импульс весьма велика, в светодиодных экранах нет проблем с выводом видео и анимационных изображений. Эти экраны обладают еще одним замечательным качеством - по цветопередаче им нет равных среди существующих в настоящее время на рынке других дисплейных технологий.

Вначале, когда еще не появились диоды высокой яркости, изготовители светодиодных экранов использовали так называемые кластеры, герметичные компактные конструкции, которые заключали в себе от четырех-пяти до нескольких десятков светодиодов трех основных цветов. Светодиодные кластеры имели точки крепления, с помощью которых они устанавливались на поверхность металлического листа, образуя тем самым, излучающую поверхность, где каждый кластер выполнял роль пикселя светодиодного экрана. Экраны небольших размеров, в несколько квадратных метров, строились, как правило, моноблочными, однако такая технология была неприемлема для формирования больших информационных полей, поэтому сразу утвердился и до сих пор применяется модульный принцип создания больших светодиодных экранов.
Модуль представляет собой функционально законченный фрагмент экрана, размеры, конструкция и интерфейсы которого в максимальной степени приспособлены для быстрого и надежного монтажа больших экранов в месте эксплуатации. Наиболее распространен размер модуля площадью около одного квадратного метра, в состав модуля как правило входит блок питания, система термо- и пылевлаго- защиты электроники и светодиодов.

Лицевую поверхность модуля, или её излучающую поверхность, сначала формировали с помощью кластеров, затем им на смену пришли светодиодные матрицы. Матрица представляет собой плату печатного монтажа, на одной стороне которой установлены в периодическом порядке светодиоды основных цветов, на другой управляющие ими электрорадиоэлементы, пространство между светодиодами залито темным компаундом, а ряды между светодиодами разделены пластиковой солнцезащитной гребенкой. В отличие от кластерной системы, светодиоды в матрице могут пространственно не группироваться в пиксели, при этом диоды оного цвета располагают друг от друга на равных расстояниях, а в пиксели их объединяют программным способом. Переход к матрицам был обусловлен в основном двумя причинами: первая связана с появлением на рынке более ярких светодиодов, вторая – производство матриц более технологично и позволяет автоматизировать большинство операций при их изготовлении, а значит повысить качество сборки и снизить себестоимость производства светодиодных экранов.

Наконец, третьим этапом развития конструкций светодиодных экранов стал переход к SMD-блокам, который еще не стал повсеместным технологическим явлением, но без сомнения, что скоро им станет. SMD-блоки, по сути, являются теми же светодиодными матрицами, отличие заключается в элементной базе и технологии монтажа. Как отмечается в статье о светодиодах, SMD-светодиоды существенно отличаются по конструкции от диодов лампового типа, их использование позволяет полностью автоматизировать процесс сборки матриц и тем самым исключить ручные операции, которые зачастую являются причиной выхода некачественной продукции. Экраны, созданные на базе SMD-технологии в России еще не получили достаточного распространения по причине относительной дороговизны высокояркостных SMD-светодиодов, поэтому по данной технологии изготавливаются в основном небольшие экраны с высоким разрешением (шаг пикселя 5-12 мм) для помещений. Другой причиной медленного освоения данной технологии является необходимость переоснащения и автоматизации производства, что по карману далеко не всем производителям светодиодных экранов.

Говоря о конструкциях светодиодных экранов уместно отметить, что экраны для уличной эксплуатации, как правило, имеют внешний короб, который является несущей конструкцией и, одновременно, служит для защиты межблочных соединений и силовых электрических цепей экрана от влияния окружающей среды. Большинство производителей экранов поставляют заказчику только сам модульный экран с системой управления, внешняя конструкция проектируется и изготавливается местными специализированными организациями под конкретное место установки.

Защита экранов от внешних атмосферных воздействий обеспечивается как на уровне модулей, так и  на уровне внешних конструкций. Лучшие производители экранов используют такие меры защиты как герметизация лицевой поверхности модулей, лакирование плат печатного монтажа, использование специальных влагозащищенных разъемов и применение других специальных мер, позволяющих обеспечить пылевлагозащиту на уровне требований международного стандарта IP65. Качественный светодиодный экран можно мыть с помощью сильной струи воды с использованием моющих средств. Светодиодные экраны уличные сегодня уже вполне могут использоваться в самых тяжелых условиях.

Виртуальный пиксель

Несмотря на неуклонное снижение стоимости светодиодных экранов, они все еще достаточно дороги, причем их цена сильно зависит от разрешения экрана (общего количества пикселей), или иначе от количества светодиодов. Дело не только в том, что светодиоды дороги сами по себе, как известно, каждый светодиод управляется электронной схемой, поэтому с увеличением числа диодов в экране пропорционально растет и количество микросхем управления. С другой стороны, чем выше разрешение экрана, тем более он информативен, выше качество изображения, поэтому перед покупателем всегда стоит проблема поиска компромисса между стоимостью экрана и его разрешением.

Один из способов решения этой проблемы в свое время предложила очень авторитетная бельгийская фирма “Barco”, применив технологию так называемого «виртуального пикселя». Вокруг этой технологии в последнее время возникло очень много спекуляций, поэтому имеет смысл остановиться на этой теме подробнее.

 Как уже отмечалось выше, пиксель в светодиодной матрице можно задать программно, другими словами система управления экраном определяет сколько пикселей будет в экране и какие светодиоды войдут в состав конкретного пикселя. Здесь у разработчиков фирмы возникла идея: что если в промежутки между пикселями светодиодной матрицы с традиционной структурой, названной «физической», вставить пиксели, образованные из светодиодов, принадлежащих соседним физическим пикселям? Физические пиксели и вновь образованные, получившие название «виртуальных», можно демонстрировать в разных кадрах и тогда, учитывая инерционность человеческого зрения, можно получить целостную картинку с более высоким разрешением.

Уважаемая “Barco”, а вскоре и все ее последователи широко разрекламировали эту технологию, утверждая, что ее применение позволяет получить вдвое большее линейное разрешение, не увеличивая при этом количество светодиодов в экране, а значит и стоимость экрана. В действительности дело обстоит не так красиво, как это преподносится в рекламных проспектах, и результат выглядит гораздо скромнее. В реальности происходит некоторое увеличение разрешающей способности экрана, наблюдается сглаживание контурных линий и в этом смысле картинка улучшается. Но проблема заключается в том, что физический и виртуальные пиксели, принадлежащие разным кадрам, проецируясь на сетчатку глаза, сильно перекрывают друг друга, поскольку, фактически, построены на одних и тех же светодиодах. Виртуальный пиксель несет в себе дополнительную информацию о яркости и цвете, но она складывается с уже имеющейся в области пересечения с физическим и другими виртуальными пикселями, усредняется и ожидаемый эффект сводится к минимуму, а цветопередача даже искажается.Вывод необходимо сделать следующий: применение технологии виртуального пикселя дает некоторый положительный эффект, особенно при демонстрации динамических изображений, но далеко не такой, каким его представляют рекламные проспекты фирм-производителей. Если еще учесть, что использование этой технологии приводит к некоторому удорожанию экрана и небольшому снижению его яркости, выигрыш получается совсем незначительный, поэтому становится понятной последняя тенденция фирм-производителей экранов  к постепенному уходу от виртуального пикселя и она будет нарастать по мере снижения стоимости светодиодов. Светодиодные экраны уличные могут использовать эту технологию, но могут обходиться и без нее.

Качество светодиодных экранов

Перед тем как выложить полторы-две сотни тысяч долларов за уличный светодиодный экран средних размеров, любой предприниматель невольно задумается над вопросом, насколько качественный продукт он приобретает. Вопрос, надо сказать,  сложный, поскольку еще ни в России, ни за рубежом на сегодня не существует стандарта на светодиодные экраны, поэтому приходится уповать на добросовестность и опыт поставщика. Если не брать в рассмотрение такие мировые «бренды», как упоминавшуюся уже Barco, а также Daktronics, Panasonic, Mitsubishi и т.п., чей авторитет служит определенной гарантией качества, но чьи экраны достаточно дороги, при покупке экрана у других поставщиков не лишним будет обратить внимание на  некоторые моменты, определяющие качество изделия.

Факторы, влияющие на качество светодиодного экрана можно объединить в три основные группы: фотометрические характеристики, качество элементной базы, качество производства и сборки. К фотометрическим характеристикам, от которых зависит качество изображения, относят такие: разрешающая способность, яркость, уровень контраста, диапазон углов излучения.

Яркость экрана определяется выбором типа светодиодов, величиной протекающего через них тока  и считается достаточной для уличного экрана, если она превышает  5000 кд/кв.м при номинальной силе тока. Уровень контраста в светодиодных экранах, как правило, всегда достаточно высокий, если пространство между светодиодами в матрице залито темным компаундом.

Диаграмма направленности излучения светодиодного экрана формируется каждым светодиодом. Для того, чтобы диаграмма направленности экрана в целом соответствовала диаграмме направленности диодов, необходимо использовать светодиоды разных цветов свечения с идентичными конструктивными параметрами. Светодиоды должны устанавливаться в экран с минимально возможными отклонениями по высоте и углам наклона относительно осевой линии. Для овальных светодиодов также важно не допускать поворотов относительно оси. Нарушение этих требований приводит к разбросу диаграмм направленности излучения различных участков экрана. При наблюдении экрана под достаточно большими к нормали углами, такой разброс выражается в появлении на изображении аномально ярких точек или областей различных цветов.

От разрешающей способности, т.е. от плотности расположения пикселей по вертикали и горизонтали экрана, как известно, зависит его информативность, плавность линий и проработанность деталей изображения. Однако, стремиться к максимально возможной величине разрешения экрана не стоит, поскольку, с одной стороны, значительно растет цена экрана, с другой, глаз человека на больших расстояниях наблюдения все равно не способен различать мелкие детали изображения. Поэтому в случае светодиодного экрана следует определять оптимальную разрешающую способность, которая выражается через обратную величину, шаг пикселей – расстояние между двумя соседними пикселями. Оптимальный шаг можно определить как такой шаг пикселей, при котором зритель, находящийся на заданной минимальной дистанции наблюдения от экрана все еще видит эти два соседних пикселя как одну светящуюся точку. Приближенно оптимальный шаг пикселей можно рассчитать теоретически через разрешающую способность глаза, равную для человека со средним зрением одной угловой минуте, для более точного определения шага существуют таблицы, полученные экспериментальным путем.

Несколько слов о качестве элементной базы, в первую очередь, светодиодов. Качество светодиодов - один из ключевых факторов качества экрана, определяющий многие другие качественные показатели, в частности, упомянутые фотометрические характеристики, а также надежностные показатели: долговечность изделия и время наработки на отказ. В статье о светодиодах были названы некоторые ведущие фирмы, производящие светодиоды, используемые для создания табло и экранов. Хотя в последнее время такие компании, как Cree (США), Toyoda (Япония) и некоторые другие, заметно повысили качество своей продукции и завоевывают все большее внимание со стороны экраностроителей, все же ведущие мировые производители экранов предпочитают приобретать светодиоды японской компании Nichia.

Практически все поставщики светодиодов рекламируют высокие показатели своей продукции, включая долговечность до 50, а то и до 100 тысяч часов непрерывной работы, но в жизни иногда возникают печальные ситуации, когда прекрасно работающий экран, демонстрирующий на первых порах изображения хорошего качества, через 1,5-2 года эксплуатации покрывается пестрыми пятнами. Это связано с тем, что абсолютно все светодиоды подвержены процессу деградации яркости и время их жизни определяется сроком, в течение которого яркость уменьшается на 50%. Цветные пятна на экране появляются вследствие неравномерности в скорости деградации яркости светодиодов  разных цветов и борьба с этим явлением представляет серьезную технологическую проблему для производителей светодиодов, с которой далеко не все успешно справляются. Поэтому при заказе экрана настоятельно рекомендуется поинтересоваться, кто является производителем светодиодов.

Однако здесь следует заметить, что даже упоминание известного бренда не является полной гарантией качества. Дело в том, что поставка светодиодов осуществляется по рэнкам (rank), или партиям, в пределах которых светодиоды имеют оговоренные разбросы параметров. Партии с низким рэнком имеют большие разбросы по основным параметрам и стоят они дешевле, но качественный экран построить на них невозможно, поэтому важно знать какие конкретно диоды заказывает производитель экранов и желательно получить подтверждение их характеристик.
Доступность элементной базы и кажущаяся простота изготовления светодиодных экранов породили весьма значительное количество фирм в России и за рубежом, особенно в Китае, которые собирают экраны сомнительного качества, но успешно их продают, пользуясь благоприятной рыночной ситуацией. Фирмы, предлагающие экраны, имеют различную технологическую оснащенность, некоторые вовсе ее не имеют, но тоже считают себя производителями. Всех производителей экранов можно условно распределить по трем группам: первая – предприятия, имеющие полный технологический цикл от разработки до изготовления экранов, вторая – предприятия, имеющие недостаточную технологическую базу, но использующие сторонние производственные мощности по кооперации, третья – предприятия имеющие только сборочное производство и покупающие готовые узлы и блоки других производителей.

Очевидно, что только предприятия первой группы в состоянии контролировать качество и управлять им на всех стадиях создания экрана – от входного контроля комплектующих изделий до монтажа экрана у заказчика. Они могут оперативно решать все возникающие проблемы качества, не перекладывая их на потребителя. В России пока имеется всего несколько фирм, которые с полным правом можно отнести к этой группе, однако, есть все основания полагать, что их число в ближайшие годы должно значительно вырасти.

Светодиодные экраны уличные и их применение

Рынок светодиодных табло и экранов в России растет достаточно большими темпами. К сожалению на этот счет у нас не ведется достоверной статистики, но мы замечаем проявление этого роста по количеству установленных рекламных экранов во многих городах страны, по их возрастающей роли в оформлении телевизионных программ, уличных концертов и спортивных соревнований.

Наибольшими темпами растет количество экранов, используемых в качестве рекламоносителей. Больше всего таких экранов устанавливается, естественно,  в Москве, но и в других крупных городах России их становится с каждым годом все больше и представляется, что этот процесс все еще набирает силу. Так, например,  в Санкт-Петербурге первые четыре рекламных экрана были установлены в 2003 году, а через пять лет их уже было больше 30. Это объясняется не только тем, что рекламный бизнес на светодиодных экранах стал рентабельным, но и тем обстоятельством, что экраны вбирают в себя городскую рекламу, помогая в борьбе с засильем щитовой и баннерной рекламы, одновременно являясь, в определенном смысле, украшением городской среды, особенно в вечернее и ночное время. Светодиодные экраны уличные населением городов зачастую рассматриваюся как местная достопримечательность.

Среди других расширяющихся применений светодиодных конструкций следует отметить их использование в качестве рекламных вывесок и элементов светодинамических украшений торговых комплексов, здесь светодиоды начинают очень активно теснить газосветные установки. Все более широко мощные светодиоды применяются в архитектурной подсветке зданий, а также в осветительных устройствах. В Соединенных Штатах, например, рассматривается программа по переводу электрического освещения на светодиоды. Американское министерство энергетики подсчитало, что с внедрением светодиодов национальное потребление электроэнергии уменьшится к 2025 году на 29%, а общая экономия на  освещении жилых домов составит 125 млрд. долларов.

Успешно развиваются и российские компании, активно осваивая все новые приложения светодиодной технологии. В этой связи хотелось бы обратить внимание на одно перспективное направление, которое практически отсутствует в России, но достаточно хорошо развито в странах Запада, особенно в США. Речь идет о светодиодных устройствах для управления движением транспорта, но не столько о светофорах, сколько о средствах управления движением на автомагистралях. К этим средствам  относятся информационные табло и дорожные знаки переменной информации, которые являются составной частью автоматизированной системы управления дорожным движением (АСУДД). Элементы такой системы можно увидеть на Московской кольцевой автодороге, в полном объеме АСУДД должна быть реализована на кольцевой дороге вокруг Санкт-Петербурга. Эта система предполагает установку около 40 больших информационных табло и около 300 дорожных знаков переменной информации на светодиодах, а также создание центрального пульта управления с мультимедийным экраном. К сожалению руководство строительства дороги предполагает отдать реализацию этого грандиозного проекта иностранным компаниям, хотя наши российские предприятия вполне могли бы справиться с этой задачей на достаточно высоком техническом уровне. С учетом больших перспектив дорожного строительства в России этот опыт был бы чрезвычайно важен для развития наших наукоемких производств.