Как устроен модуль светодиодного экрана (LED экрана) и бегущих строк

Что такое модуль светодиодного экрана?

Светодиодный модуль - это

Светодиод - полупроводниковый прибор излучающий свет, является основным элементом светодиодного экрана.

 

Виды светодиодов применяемых в светодиодных экранах

 

DIP светодиодный модуль, SMD модуль LED экрана
Светодиод DIP корпус
SMD светодиод Led экран

 

DIP и SMD - два типа корпуса светодиодов, преимущественно используемых в производстве экранов.

В светодиодных модулях применяются монохромные и полноцветные светодиоды:

DIP монохромный
одноцветный светодиод в цилиндрическом корпусе монтируются на выводах, запаянных в сквозные отверстия печатной платы
DIP полноцветный
многоцветный или RGB светодиод в цилиндрическом корпусе, монтируются в отверстия печатной платы
SMD монохромный
одноцветный светодиод поверхностного монтажа, паяется на поверхность платы.
SMD полноцветный
многоцветные или RGB светодиод в корпусе для поверхностного монтажа на плату.

DIP технология применяется преимущественно на уличных экранах.
SMD технология поверхностного монтажа, на сегодняшний день наиболее распространённый метод сборки печатных плат.

 

Основные преимущества SMD светодиодов

  • Маленький размер светодиода позволяет создать экран с высоким разрешением HD, UHD , 4K .
  • Меньший вес и меньшая толщина светодиодного модуля при применении SMD компонентов.
  • Больший угол обзора, DIP корпус ограничивает видимость соседнего светодиода.
  • Большая яркость и срок службы, за счёт высокой теплопередачи от кристалла диода к печатной плате модуля.

 

Основные параметры светодиодов

  • Угол обзора светодиодов, используемых в создании LED экранов, более 120 градусов.  
  • Яркость свечения и угол обзора, два тесно связанных между собой параметра.
  • Ток светодиода обычно ограничен 20 миллиампер (0,02 Ампера).

 

Виды светодиодных модулей для экранов и бегущих строк

одноцветные
имеют свечение одного цвета, иногда их называют монохромные модули, бывают белые, красные, зелёные, синие и т.д.
полноцветные
умеют воспроизводить множество цветов, могут называться многоцветные или RGB модуль, у таких модулей каждый пиксель состоит из трёх светодиодов: красного, зелёного и синего
внутренние
модули рассчитанные на эксплуатацию внутри помещений, имеют облегчённую конструкцию, малую яркость свечения и не защищены от попадания влаги
уличные
модули изготавливают устойчивыми к воздействию солнца и влаги с высокой яркостью свечения

В производстве светодиодных экранов применяют модули

внутренний монохромный
одноцветный модуль облегчённой конструкции
внутренние полноцветные
многоцветный модуль без влагозащиты с низким энергопотреблением
уличные монохромные
одноцветный влагозащищённый модуль
уличные полноцветные
многоцветный модуль с защитой от воздействия внешней среды

 

Устройство модуля светодиодного экрана и бегущей строки

Светодиоды
припаяны к электронной плате управления, при этом образуются столбцы и строки. На плате управления размещены чипы управления светодиодами.
Плата
зафиксирована на пластиковом каркасе, с лицевой стороны промежутки между светодиодами накрыты маской.
Маска
это пластиковая накладка, имеющая отверстия под светодиоды, над отверстиями расположены козырьки, защищающие каждый светодиод от солнечных лучей и капель дождя.

На уличных модулях пространство под маской заполнено герметизирующим компаундом.

 

Как работает светодиодный модуль?

Модуль - 

Маска светодиодного модуля, герметизирующий компаунд модуля

Маска модуля и герметизирующий компаунд.

 

Основные параметры модулей, применяемых в светодиодных экранах

Производитель
производитель кристалла светодиода или производитель модуля
Страна производитель
в какой стране расположен производитель
Степень защиты IP
степень защиты модуля от пыли и воды ; IP65 - уличные IP33 - внутренний
Тип исполнения пикселя
DIP, SMD ; DIP546, SMD3535, SMD2020
Плотность пикселей
количество пикселей на квадратный метр
Цветность
указывает какие цвета воспроизводит модуль ; Полноцветный (RGB), Монохром (Красный)
Шаг пикселя
основной параметр модуля, расстояние между светодиодами в миллиметрах ; 10мм, 6мм, 3мм
Область применения
для каких условий эксплуатации предназначен модуль ; уличный, внутренний
Тип управляющей микросхемы
марка основного чипа управления модулем ; SM74HC595D, MBI5024
Оптимальное расстояние просмотра
со скольких метров не видно зернистости экрана, упрощённый расчёт: шаг пикселей умножить на 1000. Если шаг 3мм*1000=3м.
Частота обновления
с какой частотой модуль способен обновлять картинку ; 1920Гц
Вес
сколько весит модуль, уличные тяжелей внутренних ; 0.25 Кг, 0.7 Кг
Угол обзора
горизонтальный и вертикальный угол видимости изображения ; 110° / 60°, 140° / 130°
Яркость
это общее количество света, излучаемое светодиодным модулем независимо от направления, измеряют в канделах на квадратный метр или кд/м2, внутренние модули ≥ 600 кд/м2, уличные ≥5000 кд/м2
Диапазон рабочих температур
при какой температуре способен сохранять работоспособность ; -40 / +60 С
Рабочее напряжение
величина напряжения питания модуля ; 5В
Разрешение модуля
количество светодиодов горизонтально и вертикально ; 32 х 16 , 64x32
Интерфейс
тип интерфейса управления модулем ; HUB75, HUB12
Размер модуля
габаритные размеры, ширина и высота светодиодного модуля 320x160, 256x128, 192x192, 250x250, 240x120
Срок службы
в часах заявленный производителем ; 100 000 ч
Потребляемая мощность
максимальная мощность потребления LED модуля ; 20Вт
Максимальное снижение эффективности
Максимальное снижение эффективности в течение 3 лет ; 15%
Коэффициент дефектности
среднее взвешенное количество дефектов одного модуля ; 0.0001
Уровень серого
разрешающая способность яркости модуля ; 13 бит
Скан
указывает на сколько равных частей разделён модуль

 

 

Интерфейс управления модулем


Наиболее распространённые интерфейсы управления модулем:
HUB08, HUB12, HUB40, HUB75

HUB08 Pinout | Светодиодный модуль | led matrix
HUB40 Pinout | Светодиодный модуль | led matrix
HUB12 Pinout | Светодиодный модуль | led matrix
HUB75 Pinout | Светодиодный модуль | led matrix

Распиновка популярных интерфейсов управления модулями

 

Тип сканирования светодиодного модуля

По типу сканирования модули делятся на статические и динамические.

Cтатическое сканирование
изображение выводится постоянно на всей площади модуля.
Динамическое сканирование
изображение выводится частями, на которые разделён модуль. 
Режим сканирования
показывает какая часть светодиодов модуля светится в единицу времени.
  • Динамические модули имеют параметр - режим сканирования.
  • Контроллер циклически выводит картинку на все части модуля.

 

Структурная схема светодиодного модуля

Структурная схема светодиодного модуля

Структура светодиодного модуля.

  1. Дешифратор выбора строк - декодирует двоичное представление номера строки.
  2. Выходной драйвер - управляет светодиодом и контролирует через него ток.
  3. Сдвиговый регистр - преобразует последовательно представление двоичные данные в параллельную шину данных.  
  4. Защёлка данных сдвигового регистра - переносит данные из сдвигового регистра в выходной драйвер.

 

Определение параметров светодиодного модуля по внешнему виду

Светодиодный модуль P5(2121)6432-16S-M1

В качестве примера рассмотрим светодиодный модуль с маркировкой P5(2121)6432-16S-M1

  • Шаг пикселей - 5мм
  • Размер светодиодов - 2,1 х 2,1 мм  тип SMD
  • Разрешение модуля  -  64х32 пикселя, 
  • Режим сканирования -  1/16
  • Интерфейс управления - HUB75
  • Напряжение питания - 5V
  • Чип    -  ICN2028BP
  • Количество чипов -  24 штуки

 

  • Интерфейс управления HUB75 имеет 6 линий данных R1,G1,B1,R2,G2,B2.
  • Если разделить 24 чипа на 6 линий данных, получается на одной линии данных установлено 
  • 4 последовательно соединённых 16 битных сдвиговых регистра ICN2028BP.
  • Умножаем 4 чипа на 16 бит, получаем 64 светодиода на линию.
  • Одновременно можно засветить 2 группы (R1, G1, B1 и R2, G2, B2) по 64 RGB светодиода, всего 128 RGB светодиодов.
  • Общее количество пикселей модуля 64*32=2048 умножим на режим сканирования 1/16 получаем 128 RGB светодиодов.
  • Общий объём данных 6144 бита, 16 строк по 64*2*3 бит.

Как формируется изображение на светодиодном модуле

  • CLK    - сигнал синхронизации данных на шинах R1, G1, B1, R2, G2, B2 фиксация по переднему фронту
  • R1(R2) - вход последовательных данных сдвигового регистра
  • LAT    - защёлка данных в сдвиговый регистр.
  • OE     - включает и выключает светодиоды модуля.
Сигналы управления светодиодным модулем

Временная диаграмма вывода данных в светодиодный модуль

  • Сигналы сканирования подаются на линии A, B, C, D, E и обеспечивает выбор строки вывода.
  • Выбор строки передаётся в двоичном коде и декодируется ICN2012.
Скан 1/16 | формирование изображения на модуле | динамическое сканирование

Процесс вывода изображения на динамический модуль светодиодного экрана.
Последовательно засвечиваются части модуля, в данном случае строки.

 

 

Полезная информация:

Everything You Didn't Want to Know About RGB Matrix Panels

32x16 and 32x32 RGB LED Matrix

Marc's Public Blog - Arduino Hacking