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行业知识

LED显示单元和功能介绍


目前,市场上使用的室外LED全彩大屏幕,仍有少部分是使用单块 LED 电路模块进行的现场拼装,极易在运输、安装过程中造成各部件的损坏。因此,采用模块化的显示单元作为LED大屏幕组装部件,不仅十分有利于 LED 企业的生产规模化、产品规范化,也大大提高了安装、维护的方便性。LED 显示单元主要由 3部分组成:单元框架、LED 电路模块(如图 3.1 所示)及其他配套装置等。

单元框架

目前,多数 LED 显示单元的面积均达数千平方厘米,制造单块如此大的电路模块显然十分不便,因此不可避免地要由数块 LED 电路模块拼接而成。单元框架作为整个显示单元的主要支架,主要负责固定和连接各 LED 电路模块,确保整个显示单元作为一个整体,便于运输及组装。单元框架通常由铝制型材制成,呈“口”字形,中间设计有支架,各 LED 电路模块紧密排列固定其上;框架后部敞开,便于散热。

LED显示电路模块

LED显示电路模块由 LED 和配套电路(包括电路板及电子元件等)共同组成,作为整个大屏幕的发光器件,是最重要的显示部件之一。通常,一个 LED 电路模块根据其面积的大小,设计有数十至上百个像素点(如 8×8、10×10 等),每个像素点则由 3-6 个数量不等,包括了红、绿、蓝三色的 LED 构成,其中每种颜色的LED 比例是一个非常重要的设计方面,称之为 LED 配比,其直接关系到大屏幕的显示效果及使用寿命。

① LED 配比

根据LED全彩大屏幕的显示特性,由加色法原理可知,将 R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)三基色按不同比例混合,可以合成从白到黑各种颜色的光。因此,LED全彩大屏幕大多是采用 RGB 三色 LED 发光管作为基本的显示元件。根据色度学理论,白色是衡量 LED 大屏幕颜色显示是否正常的一个基本指标,称之为白平衡。即当光线中红、绿、蓝三色的亮度分别为 21%、69%和 10%时,混色后人眼感觉到的是纯白色。基于这一理论,在设计 LED 配比时,应尽量选择三基色发光强度大致为 3:6:1(R:G:B)比例的 LED 发光管组成一个像素点。

以往,由于绿色 LED 的价格较高,且人眼对绿色的颜色宽容度较大,故 LED配比都采用 2:1:1,即 2 红 1 绿 1 蓝的模式。对于略显缺乏的绿色成份,一般均采用增加绿色 LED 驱动电流(即增加其亮度)的办法,从而达到既减少了 LED 数量的使用(降低成本),又能基本满足白平衡和色还原度的要求。

随着人们欣赏水平的不断提高,以及 LED 生产水平和制造技术的迅速发展,绿色 LED 的价格已经可以接受;此外,绿色 LED 长期工作在大电流的驱动环境下,对其寿命的影响非常大,当绿色 LED 先行失效后,整个 LED 大屏幕的色彩平衡将遭受毁灭性破坏,直接导致 LED 全彩大屏幕完全不能使用。

另一方面,LED 的色衰问题也不得不引起重视。相同情况下,红色 LED 的衰减速度最慢,其次是绿色 LED,而蓝色 LED 最快。若采用 2 红1 绿 1 蓝的配比模式,当 LED 大屏幕使用一段时间之后,蓝色和绿色 LED 会先后因为衰减而破坏大屏幕出厂时的颜色配比平衡,从而严重影响大屏幕的显示效果,甚至无法使用。

由此可知,打破长久以来惯用的 2:1:1 配比非常必要,充分从色彩还原度等有利于显示效果,并保证LED显示屏正常使用年限及有效延长其寿命等方面考虑,一种 2:2:1 的配比方案。

该配比设计(2:2:1)改进之处主要在于其更加符合白平衡所要求的 3:6:1 比例。根据色度学理论,红、绿、蓝三色中绿色非常重要,其不仅占据了白色 69%的亮度,且位于色彩横向排列表的中心。因此,在权衡色纯度和价格两者之间的关系时,绿色应该是着重考虑的对象。另外,人眼对各种颜色的分辨率并不一致,其中对蓝色的分辨率大概只有对红、绿色分辨率的 1/4,并且蓝色 LED 使用过多会使大屏幕容易偏紫,实际应用也表明,蓝色实像素点有一定缺失对图像效果影响也比较小。

除此之外,由于人眼对绿色的变化最不敏感(相对于红色和蓝色而言,绿色的颜色宽容度最大),基于成本的控制考虑,并且参照以往的 2:1:1 配比,采用与红色等量的绿色 LED,足以在效果与价格方面找到一个平衡点。根据白平衡的标准比例 3:6:1,本文以一简便的方法来计算每种颜色 LED 需要的发光强度。如:一个像素点密度为 2500 点/m2,亮度为 8000nt 的室外 LED 全彩大屏幕,每个像素点中各个 LED 的发光强度如下:每个像素点的发光强度为:8000nt÷2500 点/m2=3.2cd/点=3200mcd/点

根据 3:6:1 的比例关系计算,则每种颜色 LED 的发光强度应该为:红:Iv_red=3200×30%=960mcd;绿:Iv_green=3200×60%=1920mcd;蓝:Iv_blue=3200×10%=320mcd。以日本日亚 NSP*546BS 型 LED 为例,三色 LED 的标准发光强度分别为:880mcd、1730mcd 和 500mcd。为方便计算,这里将需要的发光强度扩大 10 倍,则每种 LED 需要的个数依次为 10.9 个、11.1 个和 6.4 个,三者之比约为 2:2:1,也就是本文所提出的新配比。这说明在理论上,该配比不仅符合白平衡的标准比例3:6:1,也与目前行业中常用的 LED 发光强度相匹配。

基于以上各点,2:2:1 配比保持了蓝色 LED 的比例不变,而适当提高了绿色LED比例,不仅十分有效地提高室外全彩LED大屏幕的亮度和对比度,并且对延长 LED 大屏幕的使用寿命,提高显示效果非常有利。

② LED 倾角

在 LED 电路模块中,一般是将 LED 管垂直安装在电路板上。由于 LED 发出的光具有很强的方向性,即法线方向光强最大。因此,当 LED 大屏幕安装在离地面较高时,只能在较远距离时才能看清楚;而当近距离观看时,观看者不能看到清晰的图像,从而严重制约了大屏幕的有效使用。为了改善这一缺陷,本文设计了一种将 LED 管与电路板垂直方向具有一定向下的倾角安装方法。

LED 与电路板垂直方向之间具有一定的夹角 θ。实验结果表明,一个离地 5 米,高 6 米的 LED 大屏幕采用该设计后,当夹角范围为 4-6°时,最佳观看距离约为 60-140 米,再加上 LED 自身附带的 60°垂直视角,整个大屏幕在 5-500 米范围内均可观看。