Основы построения светодиодных экранов на основе RGB светодиодов

Цветовая информация становится частью нашей повседневной жизни. Общепринятые цвета красный, оранжевый и зеленый используются повсюду на транспорте для информационных панелей типа «бегущая строка». Рекламные вывески некоторых сетевых магазинов уже не просто представляют собой анимированные логотипы, но и позволяют выводить дополнительную информацию на логотипе, представляющем собой одновременно LED-дисплей. Полноцветные индикаторные панели стали частью оформления залов для представлений, партийных съездов и спортивных мероприятий.

Рекламные LED-экраны позволяют реализовать смелые акции, прокручивать высококачественные ролики в высоком разрешении. Технология LED позволяет устройствам работать во всем диапазоне температур на улице, при прямом солнечном освещении и предоставляет неограниченные возможности для дизайнеров в выборе размеров и форм построения информационных объектов. Светодиодные экраны становятся и значимыми арт-объектами. Примером может служить инсталляция Seven Screens у офиса компании OSRAM в Мюнхене (рис. 1).

Рис. 1. Инсталляция Seven Screens у офиса компании OSRAM в Мюнхене

Выступления артистов и музыкантов сопровождаются дополнительным увеличенным изображением на экране для удобства большой аудитории (рис. 2.)

Так в чем же преимущество светодиодных панелей по сравнению с другими типами индикаторов? Рассмотрим поподробнее.

Рис. 2. Светодиодные экраны на концерте группы Bon Jovi

Механическая прочность. Любые другие экраны содержат стекло, и это делает ограниченным их применение для перемещаемых устройств и устройств, подверженных воздействию ударов и вибрации (рекламные панели на стадионе, на транспортных средствах и т.д.).

Неограниченные возможности по размерам. Светодиодные экраны позволяют создать бесшовные конструкции длиной до 300—400 метров длинной (круговые рекламные дисплеи на спортивных соревнованиях).

Повышенная яркость. Мощность современных цветных светодиодов позволяет использовать их не только как элемент информационных табло, но и как элемент дизайнерского освещения.

Высокий контраст. Дополнительные средства, такие как применение светодиодов с темным корпусом, позволят уменьшить отражение от внешнего источника света, существенно повышая контрастность изображения

Малые размеры пикселя (2×2 мм) позволяют создавать экраны с разрешением HD.

Современные светодиоды позволяют создавать экраны и информационные панели с я яркостью до от 500 до 1500 кд/м2 для применения внутри помещений, офисов, телестудий. Яркость около 2000 кд/м2 применяется для закрытых спортивных сооружений и арен. Яркость от 2000 до 5000 кд/м2 применяется для наружных экранов, экранов располагающихся по периметру зданий.

Продукция OSRAM для построения полноцветных дисплеев начинается с самого маленького RGB-светодиода LRTB R98G из серии Multi ChipLED (рис. 3). Данный светодиод размером 1,6×1,6 мм позволяет создавать экраны с разрешением HDTV приемлемого размера. Шаг пикселя для таких экранов составляет 2 мм. Например, экран площадью 10 квадратных метров может воспроизводить HDTV и содержать 2 миллиона пикселей.

Рис. 3. Светодиод LRTB R98G

Дисплей размером 2,5×4,0 м, построенный на данных светодиодах, обладает яркостью 1500—2500 кд/м2. Это соответствует яркости традиционных экранов LCD TFT (рис. 5.)

Внутри Multi ChipLED светодиода находятся красный, зеленый и синий кристаллы, выполненные по технологии Thinfilm и ThinGaN . При работе RGB LED на токе 20 мА каждый кристалл производит 250 мкд (красный), 350 мкд (зеленый) и 70 мкд (синий) светового потока.

Типичная эффективность интенсивности светового потока составляет 4 кд/Вт, что соответствует эффективности 12 лм/Вт. Угол луча светодиода составляет 120°.

Также готовится к выпуску вариант этого светодиода без черной рамочки (рис. 4.), что позволить создавать экраны с более эффективными значениями светоотдачи и без видимой границы межу пикселями.

Рис. 4. Светодиод LRTB R9TG

Примером применения данных светодиодов являются экраны HDTV компании FormoLight Technologies (рис. 5.)

Рис. 5. Экран HDTV компании FormoLight Technologies

Помимо механической прочности данный экран обладает важным преимуществом. Это постоянство цветопередачи вне зависимости от угла обзора. Это постоянство основано на 2 основных технологических принципах. Первый принцип — это максимально плотная упаковка светодиодов на экране. Второй принцип — это применение специального диффузионного рассеивающего материала, из которого изготовлен светодиод, который обеспечивает идеальное смешение световых потоков от 3 кристаллов и дает однородное свечение по всем направлениям.

Для экранов большего размера применяются диоды в корпусах PLCC6 серии MULTILED размером 3,5×3,5 мм позволяют создавать экраны с шагом пикселя 5 мм и выше (рис. 6 и 7).

	Рис. 6. Светодиод LRTB GFUG
	Рис. 7. Светодиод LRTB GFTG

Отличительной особенностью данных диодов является расположение кристаллов в одну линию, что позволяет сохранить цветопередачу во всем диапазоне углов наблюдения в одной из плоскостей. Это важно в случае наблюдения нескольких экранов одновременно под разными углами как, например консольные экраны под крышей стадиона. В случае применения диодов с треугольным расположением кристаллов наблюдение двух экранов одновременно приводило бы к различной цветопередаче для наблюдателя.

При построении сценических решений или решений для оформления рекламы применяется комбинация экрана высокой четкости в центре и дизайнерская подсветка или экран низкого разрешения на заднем плане с управлением от общего контроллера. Данный подход позволяет существенно сократить затраты на световое оформление и в то же время реализовать художественный замысел продюсеров в полном объеме.

Несколько примеров построения экранов

Сцена для выступления артистов (рис. 8) В данном решении применен экран высокого разрешения, экран низкого разрешения в качестве декораций и RGB прожекторы различной мощности для цветной подсветки.

Рис. 8. Сцена для выступления артистов

Применяемые светодиоды:

– LATB Txxx или LRTB Gxxx для полноцветного экрана;

– LATB Txxx, LRTB Gxxx, Lx E6Sx или Lx G6Sx для элементов дизайнерского освещения.

Оформление спортивной арены Timberwolves (рис. 9). В данном решении применены экраны высокого разрешения на консоли под крышей стадиона, экран среднего разрешения по кругу в качестве рекламного щита и табло низкого разрешения для вывода текстовой и числовой информации.

Рис. 9. Оформление спортивной арены Timberwolves

Применяемые светодиоды:

– LATB Txxx или LRTB Gxxx для полноцветного экрана;

– Lx E6Sx или Lx P4xx для настенных дисплеев;

– Lx E6xx, Lx P4xx, Lx T68x или LSG T676 для табло.

Светодиоды для подсветки

Для сценической подсветки, изготовления прожекторов и экранов низкого разрешения применяются более мощные светодиоды RGB.

Примером может служить светодиод LE ATB S2W серии OSRAM OSTAR (6×5 мм) с мощностью кристаллов до 3 Вт (рис. 10). Он содержит красный, синий и 2 зеленых кристалла.

Рис. 10. Светодиод LE ATB S2W

А также менее мощные светодиоды LRTD C9TP серии Multi CERAMOS (3×4 мм) с мощностью кристаллов 0,75 Вт (рис. 11).

Рис. 11. Светодиод LRTD C9TP

Данные диоды могут применяться как непосредственный источник света с рассеивающим экраном, таки использоваться для создания прожекторов засветки объектов (стены, вода, элементы декораций).

Комбинации экрана высокого разрешения и световой стены с обратной подсветкой также применяются при оформлении выставок и рекламных мероприятий (рис. 12).

Рис. 12. Оформление стенда SAAB на автомобильной выставке

Решения для RGB экранов на основе CHIPLED

Указанные выше решения, как правило, являются дорогостоящими по причине использования большого количества светодиодов. Для минимального экрана HDTV требуется около миллиона светодиодов. Альтернативой для построения больших экранов с яркостью 1000—1500 кд/м2 (спецслужбы, ситуационные центры, видеоконференция для органов власти) служит применение миниатюрных диодов поверхностного монтажа с конфигурацией пикселя из 4 светодиодов.

Для построения чаще всего используются конфигурации 2R-G-B или R-2G-B. При использовании таких решений надо учитывать потерю силы свечения красных светодиодов с нагревом, которая составляет до 50% при температуре кристалла 90°С. И учитывать суммарную пропорцию силы света каждого кристалла для получения эквивалентного белого света D65, принятого в качестве стандарта для светодиодных экранов. Квадратное расположение пикселей создает возможность для виртуального учетверения разрешения экрана программными способами (рис. 15). Недостатком такого решения является отсутствие смешивания цветов на экране и необходимость использования данного экрана для наблюдения с расстояния в несколько метров.

Традиционные экраны, построенные на дискретных светодиодах используют стандартные диоды в корпусе диаметром 5 мм с выводами. Данное решение предусматривает ручную установку и пайку диодов с ограниченной возможностью автоматизации и масштабирования производства. Компания OSRAM рекомендует для построения такого вида экранов светодиоды поверхностного монтажа серии CHIPLED размера 0603 (рис. 14.) с возможностью автоматической установки на печатную плату и пайки современными методами.

Рис. 15. Принцип учетверения разрешения экрана при использовании дискретных светодиодов

Рис. 14. Цветные светодиоды серии CHIPLED размера 0603

Основные преимущества:

– Типоразмер 0603 (0,8×1,6 мм).

– Матовый рассеивающий корпус.

– Пайка с использованием печи.

– Малый размер пикселя, возможность построения небольших экранов с высоким разрешением.

Один из вариантов подбора комплекта светодиодов серии CHIPLED для построения RGB LED экранов приведен в таблице 1

Таблица 1. Комплект RGB светодиодов серии CHIPLED 0603
Тип	Цвет	Длина волны	Сила света @ ток	I max	Потеря силы света при 90°С
LS Q976	Красный	633 нм	160 мкд @ 20 мА	25 мА	0,55
LT Q39G	Зеленый	530 нм	240 мкд @ 5 мА	15 мА	0,95
LB Q193	Синий	470 нм	50 мкд @ 10 мА	20 мА	0,9

При построении экранов на основе CHIPLED также есть возможность добавления в пиксель белого светодиода, что существенно повышает яркость и энергоэффективность экранов при выводе изображения с высоким содержанием белого цвета (рис. 13).

Рис. 13. Светодиод белого свечения LW Q38E из серии CHIPLED 0603

Коррозионная стойкость светодиодов для построения экранов

Для светодиодов, применяемых для изготовления экранов, очень важным параметром является время жизни и стойкость к воздействию внешних факторов. Особенно эти параметры важны для дисплеев, которые эксплуатируются на улице и под действием прямого солнечного света, осадков и коррозионных газов, образующихся при работе двигателей автомобилей. Для этого в компании OSRAM провидятся специальные испытания диодов на устойчивость к воздействию внешних факторов по стандарту EN 60068-2-60 (метод 4): с усиленным тестированием коррозионной устойчивости:

– Температура тестирования 40°C.

– Влажность 90%.

– Содержание H2S 15 ppm.

– Длительность тестов 336 часов.

Очень часто можно видеть на улице экраны с неравномерностью цвета, вызванной применением некачественных светодиодов. Поэтому производителям экранов нужно не только учитывать основные технические аспекты при выборе конструкции экрана, но и обращать внимание на соответствие современным требованиям по надежности, сроку службы и коррозионной устойчивости светодиодов.

Автор: Василий Зибаров, v.zibarov@osram.com Инженер по применению продукции, OSRAM Opto Semiconductors. Окончил Московский институт электронной техники (МИЭТ) в 1994 г. по специальности «радиотехника». С 1994 года работает в высокотехнологичных компаниях в России и за рубежом. С 2010 возглавляет технологическое направление в московском представительстве компании OSRAM Opto Semiconductors.

Источник: russianelectronics.ru