Светодиодные (LED) экраны

Само название "светодиодный экран" (LED-screen, LED-экран) говорит о технологии воспроизведения информации экранами данного типа. В экранах используются светодиоды - небольшие полупроводниковые приборы, излучающие свет при прохождении электрического тока.

Преимущества светодиодных экранов

Основное преимущество светодиодных экранов, обеспечивающее их всё более широкое распространение – длительный срок службы (до 100 тыс. часов, или более 10 лет непрерывной работы), высокая надёжность, при необходимости - исключительно высокая яркость и всепогодность, что позволяет использовать их в уличных условиях при солнечном свете.

Светодиодный (Led) экран относится к классу активных экранов, т.е. поверхность экрана является как модулятором, так и источником света, в отличие от проекторов, видеокубов и других устройств, в которых источник света отделен от экрана. При прямом попадании солнечного света изображение светодиодного экрана не теряет контрастность, особенно при использовании серых фильтров, ослабляющих внешний свет.

Светодиодный экран, устанавливаемый в помещении, не требует внутреннего охлаждения (вентиляторов), поэтому такие экраны можно использовать в помещениях с загрязненным воздухом, в помещениях, где предъявляются повышенные требования к малошумности.

Светодиоды. Пиксель (Pixel). Шаг пикселей (Pitch)

Каждый светодиод (рис.1)  излучает монохромный цвет определённой длины волны - красный, синий, зелёный. Для получения полноцветного экрана используются светодиоды всех указанных цветов.

Рис.1. Светодиоды

Пиксель (Pixel). Наименьшим элементом изображения в светодиодном экране является пиксель. Каждый пиксель состоит из одного или нескольких светодиодов (см. рис. 2).

Рис. 2. Пиксель

В полноцветных экранах каждый пиксель состоит из красных, зеленых и синих светодиодов, общим количеством обычно до 8 (однако бывает и больше). Встроенный процессор обеспечивает получение всех основных цветов и белого цвета с оттенками.

Шаг пикселей (Pitch). Физическое расстояние между центрами двух соседних пикселей. Чем меньше шаг, тем выше разрешение, тем, соответственно, выше качество изображения.

Технология изготовления светодиодных экранов

При изготовлении светодиодных экранов используются разные методы компоновки светодиодов.

1. Пиксели DIP. DIP - англ. dualin-line package, также DIL — название типа корпуса, применяемого для микросхем, микросборок и некоторых других электронных компонентов, в том числе светодиодов. Корпуса такого типа отличаются прямоугольной формой и наличием двух рядов выводов по длинным сторонам.
В этом варианте пиксели представляют собой отдельные группы светодиодов (чаще всего это три светодиода: R+G+B (красный+зелёный+синий), также можно встретить другие вариации с 4 и более светодиодами: 2R+2G+B, 2R+2G+2B и т.д., объединенные в одном корпусе. К недостаткам этой технологии относятся недостаточное смешение цветов и большой шаг пикселей, преимуществами является возможность применения крупных диодов с большой яркостью и использование более защищенных масок, поэтому эта технология широко используется в outdoor экранах с шагом пикселей от 10 до 50 мм.

Рис. 3. LED – экран. DIP пиксели

2. Пиксели SMD. Несколько позднее, чем пиксели DIP, в светодиодных экранах стали использовать технологию поверхностного монтажа (SMD,   от англ. surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность). В этом случае  светодиоды микроскопического размера помещаются в единый корпус (пиксель), который припаивается прямо к печатным проводникам (рис. 4). 

Рис. 4. LED – экран. Технология SMD

Применяемые размеры пикселей SMD в настоящее время – от 0,9  до 10 мм. Небольшие размеры пикселей позволяет достичь очень высокого разрешения. Такие экраны вначале использовались только в помещениях, , т.к. светодиоды были влагопроницаемы и имели относительно небольшую яркость. Однако в последнее время, за счёт ярких светодиодов и специального влагозащитного полотна, экраны данного типа стали успешно устанавливать и на улице.

3. Светодиодные кластеры - излучающие приборы с некоторым количеством светодиодов, помещенных в общий влагозащищенный и светоизолированный корпус. Один кластер соответствует одному пикселю изображения. Технология используется для изготовления больших уличных экранов (рис. 5).

Рис. 5. LED – экран. Светодиодный кластер

4. Светодиодные матрицы - совокупность диодов на поверхности экрана. Здесь пиксель конструктивно не оформлен, но каждый светодиод принадлежит строго определенному пикселю, и управление осуществляется пикселем как единым целым. Данная технология используется при изготовлении экранов для работы как на улице, так и в помещениях (рис. 6). На данный момент технология устарела и не используется.

Рис 6. LED – экран. Светодиодная матрица

5. Виртуальные пиксели. Здесь светодиоды не закреплены за конкретными пикселями, программным образом оперативно создаются пиксели из нескольких соседних светодиодов. Это позволяет искусственным образом существенно увеличить разрешение экрана. При объединении пикселей как вертикально, так и горизонтально количество видимых пикселей удваивается. Получается очень качественное изображение, как будто на экране в четыре раза больше пикселей (рис. 7). На данный момент технология устарела и не используется.

Рис 7. LED – экран. Виртуальные пиксели

Модуль. Пиксели (а также кластеры) объединяются в стандартные конструкционные элементы - модули, имеющие у разных производителей различные размеры, например: 130 х 65 мм, 160х160 мм, 256 х 256 мм  и др. Модуль – это специальная плата,  в которую с лицевой стороны встроены светодиоды (эту операцию выполняют на заводах специальные автоматы), а на тыльной стороне  размещается электронные элементы (рис. 8).

Рис. 8. Модуль светодиодного экрана

Модуль светодиодного экрана включает в себя определённое количество пикселей, зависящее от их диаметра. Модули являются основными элементами, подлежащими замене при выходе из строя светодиодов, определённое количество модулей всегда включают в состав ЗИПа.

Кабинет (панель). В большинстве случаев модули объединяют в крупные конструктивные элементы – кабинеты (или панели), содержащие определённое количество модулей (рис. 9). Размер кабинета кратен размерам модулей. Так, кабинет может иметь размер 960х960 мм и включать в свой состав 36 (6х6) модулей размером 160х160 мм каждый. Другой пример: кабинет размером 1024х768 мм, содержащий 12 (4х3)  модулей размером 256х256 мм. Линейные размеры кабинетов от 0,5 до 2 м, толщина примерно 175 мм (иногда меньше). Внешний вид кабинета (спереди и сзади) иллюстрируется фотографией (рис. 9). В составе кабинетов обязательно имеются источники питания. Кабинеты крепятся друг к другу без зазоров, что позволяет создать единое экранное полотно. Кабинетное построение позволяет создавать экраны любых размеров, сохраняя при этом их мобильность и ремонтопригодность.

Рис. 9. Кабинет LED – экрана

Корпус кабинета обычно выполняют из стали, при этом вес 1 кв. м экранной поверхности составляет 65-70  кг для экранов Outdoor и примерно 35 кг для экранов Indoor. Однако выпускаются также алюминиевые корпуса (27 кг  на 1 кв. м) и карбоновые корпуса (20 кг  на 1 кв. м). Такие облегченные кабинеты, как правило, применяют для экранов, предназначенных для арендного использования, где важно уменьшить вес перемещаемого и монтируемого оборудования.

Кабинеты LED – экранов бывают двух типов - с тыловым креплением и с фронтальным креплением.

Тыловое крепление требует использования специальной конструкции, обеспечивающей лёгкий доступ к задним частям кабинетов при монтаже и обслуживании. Кабинеты с фронтальным креплением используют в тех случаях, когда подход к кабинетам сзади затруднителен. Некоторые компании выпускают универсальные кабинеты, пригодные как для тылового, так и для фронтального крепления.

Светодиодный экран - сетка. Существуют также  лёгкие экраны-сетки, или гибкие полупрозрачные экраны, имеющие крупный шаг и используемые для уличных иллюминаций, в качестве задников театральных сцен и т.п., где не требуется высокое разрешение (см. рис. 10).

Рис 10. Светодиодный экран - сетка

Основные технические характеристики светодиодного экрана

• Графическое разрешение (Graphic definition): количество пикселей, имеющихся на экране. Указывается так: горизонтальное разрешение х вертикальное разрешение. Например: 400х300.

• Яркость (Standard brightness): яркость излучаемого модулем света, измеренная в канделах на квадратный метр (NIT). Для уличных экранов (Outdoor) яркость находится в пределах от 6000 до 12000 кд/м2. Для экранов, используемых внутри помещений (Indoor), достаточно яркости в пределах 1000-3000 кд/м2.
  

• Угол обзора экрана (Viewing angle): показывает реальный угол обзора, при котором яркость изображения падает в два раза относительно яркости при перпендикулярном взгляде. Угол обзора может быть в диапазоне от 100 до 160 градусов.
  

• Потребляемая мощность (Power Consumption): средняя обычно в пределах 250-300 Вт/м2, максимальная (пиковая) 750-900 Вт/м2.

Условия эксплуатации

Экраны Indoor рассчитаны на обычную комнатную температуру и влажность. Если экран предназначен для работы в условиях повышенной влажности (например, в бассейне, на катке,  и т.п.), исполуется специальная защитная плёнка.
Экраны Outdoor имеют степень защиты IP65/IP46 (фронт/тыл) и могут работать при температуре от +30 до -30ºС. При эксплуатации наружных экранов на территории России в некоторых случаях необходимо предусматривать систему вентиляции или кондиционирования, чтобы экраны могли работать как при высоких, так и при самых низких температурах окружающей среды.

Выбор формата экрана

Всегда предпочтительно, чтобы LED-экран имел формат, соответствующий стандартному формату компьютерных и видео материалов, т.е. 4:3 или 16:9. В противном случае подготовка контента будет сильно затруднена. Таким образом, при формате 4:3 рекомндуемые размеры экрана будут, например, 2х1,5 м  3х2,25 м, 4х3 м,  6х4 м, 8х6 м и т. п. При формате 16:9 -  2х1,125 м, 3х1,68 м, 4х2,25 м, 6х3,375 м, 8х4,5 м и т. п  Однако в ряде случаев используют экраны с нестандартным форматом.

Выбор шага пикселей

а) Принято считать, что светодиодный экран, обеспечивающий приемлемое качество изображения, должен иметь графическое разрешение не менее 256х192 пикселей (при формате экрана 4:3).  Например, для экрана с размерами 6х4 м шаг пикселей  должен быть не более 23,5 мм, для экрана с размером 3х2,25 – не более 11,75 мм. Естественно, чем меньше шаг, тем выше качество изображения.

б) Второй ограничивающий параметр – дистанция просмотра.

Минимальная дистанция просмотра, выраженная в метрах, при которой изображение выглядит удовлетворительно, в первом приближении равна шагу пикселей, выраженному в мм. При меньшей дистанции будет заметна пиксельная структура изображения, что раздражает зрителей. Например,  при шаге пикселей 16 мм минимальная дистанция – 16 м, при шаге пикселей 4 мм минимальная дистанция – 4 м.

Максимальную дистанцию комфортного просмотра можно приблизительно оценить по формуле: максимальная дистанция (м) = 6 B, где В – ширина экрана в метрах.

Наружные экраны (Outdoor) обычно используют пиксели с шагом в пределах от 6 до 40 мм.
В настоящее время  наиболее употребительный шаг для больших уличных экранов - 16 мм.

Светодиодный экран для помещений (Indoor) может иметь шаг от 1,2 до 10 мм, причём в ближайшее время шаг станет ещё меньше. Чем меньше шаг, тем дороже экран.
Гибкий светодиодный экран-сетка может иметь шаг пикселей от 10 мм до любого значения, заданного Заказчиком.

Выбор типа светодиодов

Стоимость (и качество) LED-экрана зависит не только от шага пикселей, но и от типа используемых светодиодов. Самые качественные и, соответственно, самые дорогие светодиоды – японские Nichia, затем идут американские Cree, затем целая группа: тайванские Epistar, корейские Samsung, китайские улучшенные (светодиоды китайского производства, сделанные на базе, как правило, тайванских криталлов Epistar) и, наконец – наиболее распространённые китайские Silan. Разница в стоимости может доходить до двух – трёх раз при сходных технических характеристиках. Качество выражается в надёжности и сроке службы светодиодов, а также в идентичности светодиодов по яркости и цветовой гамме.

Источники изображения

Светодиодные экраны способны воспроизводить видеоизображение с различных источников:

• Компьютеры
• Компьютерные сети (в том числе Интернет и Интранет)
• Системы видеоконференцсвязи
• DVD-проигрыватели
• Видеомагнитофоны
• Видеокамеры
• Приемники спутникового и кабельного телевидения
• Системы промышленного видеонаблюдения

Управление светодиодным экраном

Светодиодный экран в своём составе обязательно имеет в необходимом количестве передающие и приёмные карты (Sending Cards, Receiving Cards), обеспечивающие передачу  сигналов управления от компьютера. Между экраном и контроллером (Sending Cards) необходимо проложить сигнальный кабель типа "витая пара", при большом разрешении LED экрана необходимо прокинуть несколько кабелей. Данная кабельная трасса между контроллером и приемными картами (Receiving Cards) в кабинетах возможна на расстоянии до 100 м, в противном случае следует перейти на оптическую связь с помощью дополнительного оборудования. Схема управления экраном иллюстрируется рис. 11.

Установка светодиодных экранов

Уличные экраны могут устанавливаться на крыше зданий, закрепляться на стенах зданий, устанавливаться на специальных конструкциях типа «ноги». Внутри помещений экраны крепятся к стенам, устанавливаются на специальных стойках, подвешиваются на тросах. Во всех случаях производится разработка проекта установки экрана и изготовление, при необходимости, специальной металлоконструкции. При креплении экрана на крыше или стене здания проводится обследование здания и выполнение расчётов, подтверждающих возможность такой установки. Получение разрешение на установку экрана и подвод электропитания является функцией Заказчика.