Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Светодиодные экраны. 2

Содержание

Светодиоды
Светодиодные экраны
Телевизоры с LED подсветкой
OLED дисплеи
3D LED Cube
Список использованных источников

1. Светодиоды

Светодиод или светоизлучающий диод (LED) – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет, в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром [ 1 ].

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

высокая световая отдача;
высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);
длительный срок службы: от 30.000 до 100.000 часов (но и он не бесконечен: при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости);
малая инерционность (включаются сразу на полную яркость);
количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов;
различный угол излучения: от 15 до 180 градусов;
низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж;
безопасность (не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 градусов Цельсия);
нечувствительность к низким и очень низким температурам (однако, высокие температуры противопоказаны);
экологичность (отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения).

Применение светодиодов:

в уличном, промышленном, бытовом освещении (светодиодная лента);
в качестве индикаторов (в виде одиночных светодиодов или цифрового или буквенно-цифрового табло);
в больших уличных экранах, в бегущих строках;
как источник света в фонарях и светофорах;
в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ)
в подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т.д.);
в играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее;
в светодиодных дорожных знаках.

2. Светодиодные экраны

Светодиодный экран (LED screen, LED display) – устройство отображения и передачи визуальной информации, в котором каждой точкой, пикселем, является один или несколько полупроводниковых светодиодов.

Первые видеоэкраны появились в Японии и Северной Америке. Сначала их можно было увидеть на стадионах и спортивных площадках, но затем они заработали и на улицах городов.

Первый настоящий светодиодный экран для телевизора был разработан, продемонстрирован и документально описан Дж. П.Митчеллом в 1977 году. Модель 1977 года была монохроматической и не могла конкурировать с цветными телевизорами того времени.

Лишь после создания достаточно ярких цветных светодиодов появились первые цветные LED-телевизоры.

Самый большой в мире светодиодный телевизор находится на стадионе Ковбойз в Арлигтоне, штат Техас, США. Его размеры 49 × 22 метров, плошадь 1070 квадратных метров.

Существуют светодиодные дисплеи и гораздо больших размеров, но они не предназначены для телевидения.

Светодиодные экраны обладают широкими возможностями вывода информации, позволяют демонстрировать динамическую рекламу, знако-графическую информацию, черно-белые и цветные видеоролики, а также отображать температуру, дату, текущее время и т.п.

Источником видеосигнала для светодиодного экрана может быть видеомагнитофон, телеприемник, компьютер. Управление светодиодным экраном обычно осуществляется с помощью компьютера.

Кроме блока управления в комплект светодиодного экрана входит установочная рама для крепления модулей. Модуль – это герметичный, пыленепроницаемый и влагозащищенный корпус, на лицевой поверхности которого смонтированы светоизлучающие матрицы, и имеющий: внутри – контроллер и блок питания, на задней панели – разъем питания, информационные разъемы, индикаторы, отображающие служебную информацию о работоспособности и режиме работы модуля, а также ручки для переноски и монтажа/демонтажа модуля.

Несколько светодиодов образуют ячейку дисплея, называемую пикселем, который в конструкции светодиодного модуля и светодиодного экрана отвечает за воспроизведение и яркость цвета. Можно сказать и по-другому: пикселем называется элементарная точка, составленная из трех основных цветов (R – красный, G – зеленый, B – синий), с помощью которых набирается полноцветное изображение. Пиксели объединяются в модули, составляющие LED экран.

Светодиоды на крупных экранах соответствуют пикселям – как в обычном телевизоре. Если при близком рассматривании каждый «пиксель» заметен, то на большом расстоянии пиксели «сливаются», создавая целостное изображение.

Светодиодные экраны позволяют вести трансляцию круглосуточно, делить ее на рекламные блоки определенной протяженности, устанавливать хронометраж ролика, количество трансляций в блоке, а также и количество дней размещения.

На основе видеоэкранов создают видеостены и медиафасады, ведь несколько светодиодных дисплеев можно достаточно легко объединить в единую информационную систему.

Главным образом используют светодиодные экраны в наружной и внутренней рекламе, во время массовых городских мероприятий, на выставках, ярмарках, в концертных залах, на стадионах, на вокзалах, в аэропортах, метро, в офисных центрах, на биржах, в диспетчерских пунктах и т.д. Видеоэкраны незаменимы во время трансляции изображения для больших аудиторий.

Видеоэкраны предоставляют рекламодателям большие возможности по созданию эффективной рекламы. Она может быть текстовой, графической, статичной, динамичной, черно-белой и цветной. При этом видеоэкраны обеспечивают высокое качество изображения. Изображение на светодиодных экранах можно смотреть практически с любого угла.

Современные светодиодные экраны позволяют демонстрировать рекламные ролики и информационные текстовые блоки одновременно (статичный текст или бегущая строка). При использовании видеоэкранов нет ограничений на формат отображаемой информации: выбираются произвольные вид и размер шрифта, яркость, возможно наложение объектов друг на друга с заданной прозрачностью.

Поверхность светодиодных экранов не дает бликов, такие экраны имеют уровень яркости, который позволяет получать полноценное изображение даже при попадании солнечного света на лицевую панель экрана (хотя картинка и существенно засветляется). Это качество светодиодных дисплеев часто используется во время презентаций для больших аудиторий – текст, графики, таблицы отчетливо видны с самых дальних точек зрительного зала при любом освещении.

Видеоэкраны универсальны, их легко переключать для использования в различных режимах: как информационное видеотабло, как информационное текстовое табло, как полноцветный видеоэкран для демонстрации рекламных роликов. Светодиодный экран может транслировать как одну большую, так и несколько малых картинок одновременно. Управление таким экраном можно вестись в режиме реального времени или по заданной программе.

Светодиодные экраны легко и просто монтировать, обслуживать. Любой модуль можно очень быстро заменить. Неисправности быстро находятся и исправляются. Поверхность видеоэкрана имеет высокую ударопрочность, что защищает экран от механических повреждений.

Светодиодные экраны по принципу построения делятся на два типа:

Кластерные светодиодные экраны.

Кластеры, образующие информационное поле экрана, закреплены при помощи винтов на лицевой поверхности экрана. От каждого кластера отходит жгут проводов, подключаемый, посредством электрического разъема, к соответствующей схеме управления (плате). Такой способ построения полноцветных светодиодных экранов постепенно отмирает, уступая место более технологичному матричному принципу.

Матричные светодиодные экраны.

В этом случае кластеры и управляющая плата объединены в единое целое – матрицу, то есть на управляющей плате смонтированы и светодиоды, и коммутирующая электроника, которые залиты герметизирующим компаундом. В зависимости от размера и разрешения экрана, количество светодиодов, составляющих пиксель, может колебаться от трех до нескольких десятков. А распределение количества светодиодов по цветам в пикселе изменяется от типа применяемых светодиодов в интересах соблюдения баланса белого.

Светодиодные экраны могут быть как стационарными, так и мобильными (установленными на передвижной платформе), как наружными (предназначенными для применения на улице), так и внутренними (предназначенными для применения помещений).

Изготовление видеоэкранов происходит на модульной основе с применением различных вариантов компоновки. Модули имеют поверхность черного цвета и горизонтальные жалюзи, позволяющие добиться яркого и высококонтрастного изображения, в том числе и при прямом попадании солнечных лучей на поверхность экрана. Все модули легко стыкуются без видимой потери шага между светодиодами, соответственно на поверхностях видеоэкранов отсутствуют стыковочные швы. За счет использования модулей с различным шагом между пикселями получают экраны необходимых размеров и разрешения.

Для показа видеоизображения на полном поле экрана без геометрических искажений соблюдается соотношение сторон экрана равное 4:3.

При выборе светодиодного экрана нужно решить, будет ли светодиодный экран использоваться для показа предварительно созданных дизайнером роликов, будет ли необходим режим прямой видео трансляции от телекамер или других источников. Также стоит обратить внимание на планируемое применение экрана (внешнее или внутреннее), на рабочее расстояние до экрана, на размер экрана, на разрешение экрана, на качество используемых светодиодов. Рабочее расстояние до экрана нужно определить, чтобы рассчитать размер экрана и его разрешение.

Стоит также выбрать тип светодиодов и шаг пикселя.

Обычно используются два типа светодиодов:

DIP (обычные колбовые светодиоды, когда чип одного цвета упакован в одну прозрачную колбу (корпус)).
SMD (также их обозначают «RGB», т.е. в корпусе сразу три чипа трех основных цветов: красного, синего, зеленого).

SMD-технология более новая, и светодиодные экраны с использованием этой технологии обладают повышенной цветопередачей и контрастностью, давая более качественную картинку. Однако DIP-технологии обладают повышенной яркостью, и при установке уличных LED экранов на солнечной стороне, чаще выбирают экраны на светодиодах DIP.

Шаг пикселя – это расстояние между центрами соседних пикселей. Чем меньше шаг пикселя, тем больше точек изображения на экране и тем выше его разрешение. Качество воспроизводимого изображения будет выше на экране с меньшим шагом пикселя и, соответственно, с большим количеством светодиодов (и цена будет выше).

Светодиодные экраны обладают следующими основными преимуществами:

высокая яркость;
возможность сборки экрана больших размеров (до сотен метров в ширину и высоту);
произвольное соотношение высота/ширина;
надёжность (повреждение части экрана не ведёт к его неработоспособности в целом).

К неоспоримым преимуществам можно отнести возможность уличного круглогодичного использования таких видеоэкранов.

К недостаткам можно отнести:

довольно большой размер зерна у экрана;
зачастую весьма низкое разрешение экрана;
сложность самостоятельной сборки;
высокая стоимость.

Светодиодные экраны получают всё большее распространение — всё чаще используются в целях рекламы на улицах крупных городов или в качестве информационных экранов и дорожных знаков. Эксперты развития рынка рекламы сходятся в едином мнении о том, что с каждым годом доля светодиодных информационных экранов на рынке рекламных технологий будет только возрастать. Действительно, полноцветные светодинамические табло сочетают в себе все основные преимущества существующих визуальных рекламных технологий. Единственным их недостатком может считаться довольно высокая стоимость по сравнению с другими технологиями рекламы.

3. Телевизоры с LED подсветкой

В торговле нередко «LED-телевизорами» называют телевизоры, имеющие ЖК-экран со светодиодной подсветкой.

ЖК-телевизор со светодиодной подсветкой (LED TV) – телевизор с жидкокристаллическим дисплеем, подсветка экрана которого осуществляется светодиодной матрицей (LED).

С потребительской точки зрения ЖК-телевизоры со светодиодной подсветкой имеют следующие преимущества в сравнении с подсветкой на основе люминесцентных ламп:

улучшенная контрастность;
улучшенная цветопередача (особенно с RGB-матрицей);
пониженное энергопотребление;
малая толщина.

Из недостатков отмечается некоторая «синеватость» изображения.

Если управления яркостью подсветки осуществляется широтно-импульсной модуляцией, экран едва заметно мерцает (частота мерцания составляет обычно до 200 герц, максимум до 400). Это можно проверить, покачав ручкой или карандашом на фоне экрана. Если частота слишком маленькая, силуэт ручки распадётся на несколько. У людей, чувствительных к мерцанию, устают глаза и может начаться мигрень.

Такой термин как «LED TV» был введен корпорацией Samsung для продвижения собственной линейки жидкокристаллических телевизоров с СД-подсветкой (Edge-LED). Этот термин, LED TV, вызывает много споров в вопросе правомерности его использования, так как технически такие телевизоры не являются на 100 % светодиодными (светодиодами осуществляется только подсветка) – современные полупроводниковые светодиоды по своим размерам намного крупнее, чем пиксели современного телевизора, поэтому реальное использование полноценной светодиодной матрицы для формирования изображения возможно лишь на очень больших дисплеях (например табло стадионов, рекламные экраны).

Улучшению потребительских свойств ЖК телевизоров с СД-подсветкой способствовали компании Sharp, Sony, Nokia, Kodak, Принстонский университет и др. Основные направления работы – повышения яркости при солнечном свете и повышение контрастности, увеличение диагонали монитора при уменьшении его толщины. При этом основные технические решения и способы изготовления LED TV, как правило, защищались патентами, которые обеспечивают надёжную защиту товарных рынков.

В 2009 году в Калужской области была запущена производственная линия по выпуску наиболее современных плоско панельных телевизоров Samsung со светодиодной подсветкой — так называемых LED TV.

В январе 2010 года компания Apple представила планшет Apple iPad, оснащённый 9,7-дюймовым мультисенсорным экраном с LED-подсветкой и разрешением 1024x768 точек.

Хотя технология СД-подсветки не решает всех проблем, связанных с отображением информации, сейчас именно такие экраны занимают лидирующее положение на рынке, практически вытеснив подсветку лампами, и конкурируя с новыми поколениями плазменных телевизоров.

4. OLED дисплеи

В XXI веке получили распространение дисплеи на органических светодиодах (OLED).

Органический светодиод (OLED) – полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток.

Основное применение технология OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев).

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом, катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой – положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.

Схема двухслойной OLED-панели представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема двухслойной OLED-панели

Составные части: 1 – катод(-), 2 – эмиссионный слой, 3 – испускаемое излучение, 4 – проводящий слой, 5 – анод (+).

Прибор не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит.

В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.

Преимущества (в сравнении c жидкокристаллическими дисплеями):

меньшие габариты и вес;
отсутствие необходимости в подсветке;
большие углы обзора (изображение видно без потери качества с любого угла);
мгновенный отклик (на несколько порядков выше, чем у LCD);
высокий контраст;
возможность создания гибких экранов;
большой диапазон рабочих температур (от −40 до +70 градусов Цельсия);
яркость, контрастность;
углы обзора.

Технология OLED позволяет смотреть на дисплей с любой стороны и под любым углом, причем без потери качества изображения.

Недостатки:

маленький срок службы люминофоров некоторых цветов (порядка 2-3 лет);
как следствие первого, невозможность создания долговечных полноценных TrueColor дисплеев;
дороговизна и неотработанность технологии по созданию больших матриц.

Главная проблема OLED – время непрерывной работы должно быть более 15.000 часов. Одна проблема, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии в мониторах и телевизорах, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства.

Дисплеям телефонов, фотокамер, планшетов и иных малых устройств этих показателей вполне достаточно в связи с быстрыми темпами устаревания аппаратуры и еë неактуальности уже через несколько лет. Средняя продолжительность непрерывной работы этих устройств составляет около 5 тысяч часов, поэтому OLED в них успешно.

Можно считать это временными трудностями становления новой технологии, поскольку разрабатываются новые долговечные люминофоры. Также растут мощности по производству матриц.

OLED-технология применяется многими разработчиками узкой направленности, например, для создания приборов ночного видения. Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, коммерческие OLED-телевизоры, выпускаются небольшие OLED-дисплеи для цифровых индикаторов, лицевых панелей автомагнитол, карманных цифровых аудиопроигрывателей и т. д.

Ведётся разработка телевизионных OLED-систем.

Потребность в преимуществах, демонстрируемых органическими дисплеями с каждым годом растёт. Этот факт позволяет заключить, что в скором времени дисплеи, произведëнные по OLED технологиям, с высокой вероятностью станут доминантными на рынке электроники народного потребления.

5. 3D LED Cube

В настоящее время подавляющее большинство трёхмерных изображений создается при помощи стереоскопического эффекта, как наиболее лёгкого в реализации, хотя использование одной лишь стереоскопии нельзя назвать достаточным для объёмного восприятия. Многие компании предпринимают попытки создать эффект так называемого естественного 3D, когда объемное изображение формируется без посредничества специальных очков и прочих приспособлений. Одной из таких разработок является светодиодный экран - устройство отображения и передачи визуальной информации, в котором каждой точкой, пикселем (pix) является один или несколько полупроводниковых светодиодов.

Светодиодные экраны по принципу построения делятся на два типа — кластерные и матричные.

В кластерных экранах каждый пиксель, содержащий от трех до нескольких десятков светодиодов, объединён в отдельном светоизолированном корпусе, который залит герметизирующим компаундом. Такой конструктивный элемент называется кластером. Кластеры, образующие информационное поле экрана, закреплены при помощи винтов на лицевой поверхности экрана. От каждого кластера отходит жгут проводов, подключаемый, посредством электрического разъема, к соответствующей схеме управления (плате).

В матричном принципе кластеры и управляющая плата объединены в единое целое — матрицу, то есть на управляющей плате смонтированы и светодиоды и коммутирующая электроника, которые залиты герметизирующим компаундом. В зависимости от размера и разрешения экрана, количество светодиодов, составляющих пиксель, может колебаться от трех до нескольких десятков.

Важной особенностью таких экранов является возможность управления и программирования каждого отдельного светодиода, которая реализуется за счет использования в схеме микроконтроллеров.

Светодиодный куб – это электронное устройство, используемое в качестве рекламного носителя или световой декорации, передающей динамическое изображение логотипов, слоганов, приветствий, любой другой текстовой и графической информации, видимой с любого угла обзора.

С технической точки зрения светодиодный куб – это куб, по всему объему которого расположены светодиоды и каждый светодиод – управляется отдельно.

Светодиодный куб может отображать различную световую анимацию, которая уже запрограммирована в нем. Сложные схемы трехмерных светодиодных кубов даже могут отображать различные объемные слова и надписи. Светодиодный куб по своей сути является объёмным монитором, только с низким разрешением, который позволяет отображать пространственные структуры и графику. Это решение не подходит для просмотра видео, но может быть хорошо использовано для оформления шоу и презентаций, для развлечений и выставок, рекламы и дизайна. Светодиодные мониторы таких, объемных, типов появились относительно недавно. Тем не менее, светодиодные мониторы приобретают разнообразные формы, в виде шаров, параллелепипедов, пирамид. Однако, как показывает практика, наиболее оптимальным размером и формой обладает именно куб.

Список используемых источников

Баюков А.В., Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. – Москва: Энергоатомиздат, 1984;
Юрий Рубан, февраль 2009 г Светодиодный свет для чайников, http://led22.ru;
Ф.Е. Шуберт, "Светодиоды" , Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2008 год;
www.radiokot.ru;
www.meandr.org.