#12/2011

Painéis de LED modernos: Características, tecnologias, razões escolher - Parte 1

Editor-chefe - Vladimir Krylov, PhD
Editor adjunto - Michael Nikulichev, PhD

A primeira parte do artigo trata aquelas características dos painéis de LED modernos que afetam a qualidade da imagem: controle de brilho com PWM, criação da imagem com divisão de tempo e taxa de atualização. Nós devotaremos a segunda parte do artigo à escala de brilho dinâmica, a renderização de cores e o contraste do painel de LED, os CI drivers e métodos modernos de controlar painéis de LED, compatibilidade eletromagnética e interferência eletromagnética.

Hoje nós tendemos a tomar painéis de LED para concedido. Certamente, transformaram-se características comuns em nossas cidades e nós pagamos na maior parte a atenção a seus parâmetros externos da qualidade. Mas desde que nossa revista se especializa nesta tecnologia, nós acreditamos que o tempo veio soletrar para fora princípios técnicos principais de painéis de LED modernos, aqueles princípios que se asseguram de finalmente que milhões dos povos consideram nos painéis de LED diários.

O painel de LED moderno é um sistema complexo com número enorme de componentes. A qualidade da imagem e os parâmetros operacionais dependem da qualidade de cada um daqueles componentes e também na funcionalidade do sistema de controle do painel de LED.

Diagrama de bloco típico de um painel de LED
Diagrama de bloco típico de um painel de LED

As seguintes características do painel de LED são essenciais do ponto de vista da qualidade da imagem:

  • Resolução do painel de LED (resolução espacial assim chamada), nos painéis de LED é estreitamente relacionada afastar-se entre pixéis ou tamanho do pitch;
  • Brilho máximo (medido nos Nits);
  • A escala de brilho dinâmica compreendida como o número de níveis do brilho que o painel de LED é capaz suportar (às vezes ele é chamada igualmente radiométrico ou resolução energética);
  • Os quadros por segundo medem como freqüentemente uma fonte da vídeo pode alimentar um quadro inteiro dos dados novos a um painel de LED, a freqüência dos quadros que mudam por o segundo (fps) e referido às vezes como a resolução temporal;
  • A taxa de atualização (medida no Hz) é o número de épocas em um segundo que um hardware do painel de LED desenha os dados, ou atualizações o quadro (igualmente referido como a resolução temporal);
  • Resolução espectral: As imagens da cor distinguem a luz de espetros diferentes. As imagens multi-espectral resolvem mesmo umas diferenças mais finas do espetro ou do comprimento de onda do que é necessário reproduzir a cor. O termo determina quantos componentes espectrais criam uma imagem;
  • Uniformidade da cor durante todo o painel de LED;
  • O balanço do branco e a possibilidade de ajuste fino;
  • Percepção linear do brilho - a qualidade subjetiva da qualidade da imagem que determina como o olho humano distingue entre o brilho adjacente nivela ambos nas peças escuras e brilhantes do painel de LED;
  • Contraste da imagem;
  • Qualidade da imagem determinada pelo ângulo de visão.

Aparte da qualidade da imagem é importante considerar alguns parâmetros operacionais chaves do painel de LED:

  • Sistema da realimentação ou de monitoração de condição do painel de LED;
  • Software maduro e sistema de controle detalhado que permitem à escamação do sistema e da construção do LCD e às redes de painel de LED com o de controle remoto através do Internet com o subsistema inerente da segurança de informação;
  • Nível de radiação eletromagnética sob a forma do IEM do painel de LED.

Deixar-nos considerar alguns dos parâmetros acima no maior detalhe.

Criação da imagem no controle do painel de LED e de brilho

Pulse-Width Modulation (PWM) e taxa de atualização

A imagem inicial a ser exibida é criada como um arquivo do PC, geralmente um clipe de *.avi ou de *.mpg. O arquivo é descodificado pelo PC do controle (ou pelo controlador do vídeo) e transformado no fluxo de vídeo especializado alimentado aos microchips de CI drivers constantes da corrente. Os CI drivers enviam a corrente constante ao LEDs que faz com que incandesçam em um determinado espetro.

PWM é uma técnica de uso geral para controlar vários níveis do brilho. Dependendo do nível do brilho necessário, a corrente é enviada ao LEDs intermitentemente girando o interruptor entre a fonte e a carga “ligado” e “desligado” rapidamente. Por exemplo, para conseguir o brilho de 50% a corrente deve ser enviada somente a metade da duração do ciclo. Para alcançar o brilho de 25% a corrente será “ligado” para somente o quarto da duração do ciclo. Ou seja um LED operar-se-á - em uma modalidade “desligado” “ligado” onde a duração do período “ligado” corresponda ao nível do brilho necessário.

A técnica de PWM assegura-se de que um painel de LED (e a tela inteira do vídeo) produza uma imagem cíclica. A duração do ciclo mínimo (quando um LED é “ligado” e “desligado” consecutivamente) é chamada um período de atualização ou uma taxa de atualização.

Considerar um exemplo: Deixar-nos dizer que a taxa de atualização de um painel de LED é igual a 100 Hz. Para assegurar o brilho que 100% máximo nós precisamos enviar a corrente durante o período inteiro de atualização que é neste caso igual à 10 ms. Para reduzir o brilho pela metade, a corrente deve ser enviada para a 5 ms e então “desligado” para a 5 ms. Então as repetições do ciclo na mesma maneira. Para conseguir o brilho de somente 1% nivelar a corrente será enviado ao LEDs durante 0.1 ms e o período “desligado” durará a 9.9 ms.

O método básico de PWM pode ser modificado e promovido. Os fabricantes diferentes usam a terminologia diferente: Scrambled PWM (Macroblock), Sequential Split Modulation (Silicon Touch), e Adaptive Pulse Density Modulation (MY’s-Semi). Todas estas funções tendem “a espalhar” o período “ligado” do LED sobre o período de atualização inteiro. Assim, a operação do painel de LED no brilho de 50% com uma taxa de atualização de 100 Hz olhará como um ciclo repetido: 1 ms LED “ligado” e 1 ms LED “desligado”. Significa que para um brilho de 50% o período de atualização aumentado cinco vezes e é igual à 2 ms. Conseqüentemente, taxa de atualização aumentada a 500 Hz. Este cálculo é somente verdadeiro para o brilho de 50%. Para cada padrão do brilho existe um brilho mínimo de um impulso (alguma duração mínima) quando o LED é “ligado”, o descanso do tempo onde é “desligado”.

Assim, os ciclos “tradicionais” estritos de PWM são distorcidos por métodos modificados modernos. Dependendo do nível do brilho necessário nós podemos identificar uns períodos mais curtos com taxa de atualização mais elevada. No painel de LED do detalhe uma taxa de atualização pode variar no meio, deixa nos dizer, 100 Hz e 1 kHz. Significa que durante o mínimo ou o brilho do máximo a taxa de atualização é ao redor 100 Hz. Mas a outros níveis do brilho nós encontramos períodos com taxa de atualização mais elevada.

Assim, porque métodos modificados de PWM o conceito da taxa de atualização torna-se um pouco enganador. Entretanto, se nós definimos a taxa de atualização como um período mínimo necessário renovar a imagem para todos os níveis do brilho, nós evitaremos todos os enganos desde que nesta definição a taxa de atualização não depende do processo de PWM.

A varredura entrelaçada baseou imagens e divisão de tempo em painéis de LED

Alguma imagem latente do painel de LED é estruturada de modo que impedir imediatamente a alimentação em corrente a todo o LEDs. Todo o LEDs em uma tela é separado nos grupos (geralmente 2, 4 ou 8) que são “ligados” por sua vez. Isso significa que esse os métodos de criar a imagem descrita acima estão aplicados por sua vez aos grupos diferentes de LEDs em uma tela. Se o painel de LED tem 2 tais grupos, a formação da imagem é equivalente à varredura entrelaçada no TV análogo.

Este método é usado na maior parte para fazer mais barato, desde que este método da formação da imagem precisa uma quantidade menor de CI drivers (em 2, 4 ou 8 vezes, correspondentemente). Desde que os CI drivers contribuem aproximadamente 15-20% ao custo do painel de LED, a economia pode ser significativa. Além disso, o método da divisão de tempo é praticamente inevitável em painéis de LED da alta resolução porque as telas pequenas do pixel pitch apresentam problemas sérios em posicionar o grande número de CI drivers sobre PCB e em arranjar a transferência térmica apropriada dos CI drivers.

Naturalmente, esta economia conduz para abaixar o brilho do painel de LED e uma mais baixa taxa de atualização (proporcional ao número de LED agrupa empregado).

Deixar-nos dizer que nós temos um painel de LED com método usando da divisão de tempo de dois grupos do LED. A corrente é fornecida a um grupo para assegurar o brilho necessário. O outro grupo é “desligado”. Após um período de atualização a substituição dos grupos: agora o segundo grupo é alimentado enquanto o primeiro fica escuro. Conseqüentemente o período necessário renovar toda a informação no painel de LED torna-se duas vezes mais longo.

O conceito da taxa de atualização torna-se neste caso ainda mais sutil. Estritamente o discurso, o período de atualização ou uma estadia mínima necessário para renovar o painel de LED da imagem em geral dobram. Entretanto, porque cada grupo o comprimento do período da formação da imagem continua sem alteração, e nós pode discutir que a taxa de atualização permanece a mesma que antes.

Painel de LED, taxa de atualização e olho humano

Primeiramente, a taxa de atualização afeta a percepção da imagem. Nós geralmente percebemos uma imagem em um painel de LED como liso e não observamos um efeito de cintilação porque a freqüência da cintilação é um pouco elevada. Nossa percepção visual é uma psicológica assim como o exame na natureza. Os flashes individuais da luz são resumidos no “alisam” a imagem por nosso cérebro. De acordo com a Lei do Bloch, este resumo dura a aproximadamente 10 ms e depende do brilho de flashes claros. Se a luz cintila com suficiente freqüência (alimentador de formulário contínuo assim chamado do ponto inicial - freqüência de cintilação crítica), o olho humano não observa a pulsação de acordo com a Lei do Talbot-Platô. O alimentador de formulário contínuo do ponto inicial depende de muitos fatores tais como o espetro da fonte luminosa, posicionamento da fonte luminosa com relação ao olho, nível do brilho. Entretanto, em circunstâncias normais esta freqüência nunca excede 100 Hz.

Assim, um olho humano não distinguirá nenhuma diferenças nas imagens do painel de LED dadas forma com um PWM ou uns métodos modificados de PWM com as taxas de atualização que variam 100 Hz a 1 kHz.

Painel de LED, taxa de atualização e uma câmera de vídeo

Entretanto, um olho humano não é o único instrumento que pode perceber imagens. Às vezes nós usamos as câmeras de vídeo aos painéis de LED do gravar, e o equipamento da vídeo é baseado nos princípios drasticamente diferentes de esse empregado pelo cérebro humano. Isto é especial importante para todas as instalações do painel de LED nos estádios dos esportes, nas feiras de negócios ou nos salões de concerto onde os eventos são gravados com câmeras de vídeo. O tempo de exposição ou a velocidade de obturador em câmaras de vídeo modernas podem variar dos segundos a um milissegundo.

Deixar-nos dizer que nós olhamos um painel de LED onde a imagem seja método tradicional usando dada forma de PWM com uma taxa de atualização de 100 Hz. O painel de LED exibe uma imagem de estática. Se nós tentamos ao gravar esta imagem com uma câmera de vídeo usando velocidade de obturador de 1/8 uma segundo (isto é tempo de exposição da 125 ms) o fotossensor luz do gravar da imagem do painel de LED produziu em 12.5 períodos de atualização. O painel de LED e nossa câmera de vídeo não são sincronizados e cada quadro gravado pela câmera de vídeo corresponderá ao tempo diferente relativo ao começo e à extremidade do ciclo da atualização. Mas com esta velocidade de obturador elevada não haverá nenhum conflito e a câmera de vídeo gravar uma imagem lisa do painel de LED.

Se nós reduzimos a velocidade de obturador a 1/250 de segundos em que o tempo de exposição iguala 4 ms, um quadro da câmera será 2.5 vezes mais curto do que o período de atualização no painel de LED. Esta vez a discrepância entre o começo do quadro da câmera de vídeo e o começo do ciclo de PWM será significativa. Alguns quadros corresponderão ao começo do ciclo de PWM, a outro ao meio, e a outro ainda à extremidade do ciclo. Cada quadro fluxo claro diferente do gravar e gradualmente o erro acumula. Quando nós vemos a vídeos gravados o brilho dos quadros será visivelmente diferente. Tipicamente, todos os objetos gravados com tempo de exposição curta parecem menos brilhantes. A câmera de vídeo efeito “de cintilação” do gravar no painel de LED. Se mais adicional reduzido do tempo de exposição o mesmo nós verá definitivamente que alguns quadros pretos (quando o começo do quadro da câmera de vídeo corresponde ao período curto de PWM em que o LEDs é “desligado") e a vídeo gravada cintilará ainda mais.

Assim, se nós usamos uma câmera vídeo ao gravar um painel de LED com função tradicional de PWM, a taxa de atualização deve ser compatível com ou exceder a exposição da câmera vídeo.

Em painéis de LED com função modificada de PWM a mesma lógica aplica-se. Desde que na modalidade do brilho elevado o giro sobre da época do LEDs “é espalhado” sobre o ciclo de PWM, a imagem gravada será mais estável comparada à função tradicional de PWM. Mas no baixo brilho a situação permanecerá a mesma: a imagem gravada perderá o brilho ou cintilará.

Como você vê sem sincronização apropriada toda a gravação do vídeo de um painel de LED conduzirá às distorções na imagem gravada. Nós podemos comparar este à gravação a TV análoga com uma câmera análoga: as diferenças em modalidades de exploração de dispositivos ambos conduzirão a um efeito das linhas pretas diagonais que separam quadros do TV.

Outro problema importante é a sincronização de controladores do painel de LED. Os grandes painéis de LED são feitos dos blocos (os módulos de LED ou os armários do LED) essa imagem latente do painel de LED gerada por controladores diferentes. Se estes controladores não sincronizam o começo do ciclo de PWM (isto é o começo do ciclo nas peças diferentes do painel de LED) nós podemos encontrar o seguinte problema: o ciclo da atualização em algumas peças do painel de LED corresponderá aos quadros da câmera vídeo e em outras peças do painel de LED não. Se a exposição é compatível com ciclo da atualização, a peça do painel de LED parecerá mais brilhante, outro mais escuro. A imagem inteira consistirá em retângulos escuros e brilhantes e será incômodo prestar atenção.

O custo da atualização elevada do painel de LED

Independentemente do método da geração de PWM todos têm características comuns. A geração de PWM opera sobre uma determinada taxa de clock F_pwm. Vamos assumir que nós temos que gerar um determinado número (N) de brilho nivela. Nessa taxa de atualização do caso F_r não pode exceder F_pwm/N.

Here are some examples to illustrate the above statement:

Taxa de clock de PWM Níveis do brilho Taxa de atualização
Fpwm  = 10 MHz N=256 (8 bit por o canal) Fr=39 kHz
Fpwm  = 10 MHz N=1024 (10 bit por o canal) Fr=9.8 kHz
Fpwm  = 10 MHz N=2048 (11 bit por o canal) Fr=4.9 kHz
Fpwm  = 10 MHz N=65536 (16 bit por o canal) Fr=152 Hz
Fpwm  = 20 MHz N=65536 (16 bit por o canal) Fr=305 Hz

Estes números demonstram que cada LED da tela do vídeo segue algum processo independente da geração de PWM, isto é o método da geração de PWM está programado diretamente em CI drivers.

Com os CI drivers simples e baratos, PWM é gerado em um controlador para o painel de LED. Nós devemos então considerar quantos CI drivers são ligados consecutivamente e são prestados serviços de manutenção por um processo da geração de PWM. Se um esquema da geração de PWM exige (M) 16 canal de saída de CI drivers, a taxa de atualização não pode exceder F_pwm/N*M*16, se não conduz para abaixar significativamente a taxa de atualização ou a necessidade aumentar a freqüência de relógio.

Em caso da divisão de tempo (se entrelaçar a exploração) a taxa de atualização cai em proporção ao coeficiente da divisão. Assim, para aumentar à taxa de atualização em painéis de LED as seguintes opções estão disponíveis:

  • Uso de CI drivers (caros) “inteligentes”;
  • Aumento da taxa de clock no processo da geração de PWM;
  • Reduzindo o número de níveis do brilho (profundidade de cor).

Cada método tem vantagens e deficiências. Os CI drivers intelectual são muito mais caros do que CI drivers simples. A ascensão na taxa de clock conduz a um consumo de energia mais elevado (exige conseqüentemente medidas adicionais para que a transferência térmica evite o superaquecimento); o baixo número de brilho nivela afeta negativamente a qualidade da imagem.

Conclusão: Atualização em painéis de LED

Os fabricantes do painel de LED usam freqüentemente a taxa de atualização como uma ferramenta do marketing ao gabar-se a qualidade excelente do painel de LED. O pressuposto é que mais elevada a taxa de atualização melhor é a qualidade da imagem. Entretanto, freqüentemente os números serem para confundir somente clientes potenciais. Por exemplo, a taxa de atualização de diverso kHz significa que ou o método modificado da geração de PWM está usado (quando a taxa de atualização é de fato diferente para níveis diferentes do brilho) ou que a profundidade de cor é inaceitavelmente baixa.

Nós devemos recordar que os valores da profundidade da taxa de atualização elevada e de cor elevada podem somente ocorrer a níveis do brilho elevado que em si é um equívoco, desde que um painel de LED não deve sempre se operar na capacidade 100%.

Para o exemplo da varredura entrelaçada o valor da taxa de atualização corresponderá somente a um ciclo de PWM para um grupo do LED, quando a taxa de atualização real para o painel de LED (que afeta nossa percepção) será diversas vezes mais baixo.

É mais informativo e honesto mencionar a profundidade e a taxa de clock de cor para PWM e a escala aproximada da taxa de atualização para o painel de LED (por exemplo, 200-1000 Hz) em caso da função modificada do painel de LED de PWM.

Se um painel de LED é baseado no princípio da divisão de tempo, então (por exemplo):

  • divisão de tempo = 1:1 - ausência de divisão de tempo;
  • divisão de tempo = 1:2 - PWM opera somente sobre a metade do painel de LED etc.

O parâmetro acima não é essencial para nossa percepção. O olho humano não registra nenhuma diferença na qualidade da imagem em freqüências acima de 100 Hz. Conseqüentemente, o cliente deve decidir se a taxa de atualização elevada é realmente necessária e se é que vale a pena que paga extremamente por ele.

A taxa de atualização e a uniformidade da imagem gravada do painel de LED são somente importantes nos casos onde um painel de LED se transforma freqüentemente um objeto para a gravação do vídeo (estádios e salões de concerto). Conseqüentemente, é melhor a primeiramente conduz alguma gravação da prova antes de assinar o contrato de compra.