Màn hình ma trận và bảng hiệu dựa trên đèn LED đang mang đến những chiều hướng mới về tính linh hoạt và hiệu ứng hình ảnh đẹp mắt cho số lượng ứng dụng ngoài trời và trong nhà ngày càng tăng. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ LED thậm chí còn gây khó khăn cho việc phân biệt hình ảnh tĩnh trên màn hình chất lượng cao của chúng với bảng quảng cáo được in hoặc sơn truyền thống.
Nội dung
Khái niệm cơ bản về điều khiển màn hình LED ma trận
Trước tiên, chúng ta sẽ so sánh các mạch điều khiển LED khác nhau để xác định phương pháp tốt nhất.
Kết nối nguồn điện áp
Ai cũng biết rằng đèn LED (hoặc đi-ốt) bắt đầu BẬT khi có đủ điện áp chuyển tiếp (VF). Khi BẬT, dòng điện thuận của nó phát ra ánh sáng. Từ kiến thức cơ bản này, người ta có thể đưa ra tùy chọn đầu tiên trong Hình 1a nhưng nó sẽ không hoạt động.
Vì cường độ dòng điện của đèn LED là hàm số mũ của độ lệch điện áp (phương trình 1), nên cường độ ánh sáng từ đèn LED rất nhạy cảm với điện áp. Trong hầu hết các trường hợp, điều kiện dòng điện cao biến đèn LED có tuổi thọ cao thông thường thành một bóng đèn flash rất đắt tiền.
(tương đương 1)
Đây là lý do tại sao Hình 1a sẽ không hoạt động. Trong phương trình 1, I S , R S là một hằng số, tùy thuộc vào sản phẩm LED và liệu V T có phải là điện áp nhiệt hay không. Giả sử điện trở sê-ri R S là lý tưởng và bằng không, chỉ 0,1V thay đổi V F tạo ra sự khác biệt 47 lần trong đèn LED I .
(phương án 2)
Ví dụ: giá trị dòng điện của đèn LED mục tiêu 20 mA tăng lên 1A chỉ với chênh lệch dòng điện phân cực của nó chỉ 0,1V. Ngay cả khi tính đến giá trị R S thực tế , một thiết bị LED thực vẫn hiển thị chênh lệch từ 10 đến 20 lần với chênh lệch độ lệch 0,1V.
Hình 1. So sánh ba mạch điều khiển LED
Nguồn điện áp có điện trở
Bây giờ hãy xem hình 1b. Một điện trở hạn dòng R LIMIT được thêm vào để bảo vệ đèn LED. Vì điện trở giới hạn nên đèn không nổ. Tuy nhiên, nó không phải là tuyệt vời trong việc kiểm soát cường độ ánh sáng LED trong các ứng dụng hiển thị video.
Đường cong LED và đường cong tải theo R GIỚI HẠN xác định giá trị dòng LED của nó. Như thể hiện trong các chú thích màu đỏ hoặc xanh lam, đèn LED và điện trở này có các biến thể về điện áp chuyển tiếp và điện trở do lỗi sản xuất.
Các yếu tố lỗi này làm thay đổi dòng LED (màu xanh) ở mức không đáng kể.
Nguồn dòng điện không đổi
Hình 1c sử dụng mạch dòng điện không đổi thay vì điện trở. Mạch điều khiển dòng không đổi này điều chỉnh dòng LED trực tiếp ở giá trị mục tiêu. Đèn LED dẫn truyền một giá trị nhất định, bất kể đèn LED có bao nhiêu biến thể V F trong quá trình sản xuất.
Do cường độ ánh sáng của đèn LED liên kết chặt chẽ với các điện tích đi qua đường giao nhau PN của nó nên phương pháp trình điều khiển dòng điện không đổi này là lý tưởng để thu được ánh sáng phát ra đồng đều từ đèn LED.
Hơn nữa, ai cũng biết rằng mạch tích hợp (IC) cung cấp các cặp mạch phù hợp tốt. Đây là một lợi ích khác của việc chọn phương pháp dòng điện không đổi. Hình 2 cho thấy cấu trúc giai đoạn đầu ra cơ bản của trình điều khiển LED. Nhiều IC trình điều khiển LED trên thị trường có thiết bị đầu cuối cài đặt dòng điện tham chiếu IREF và dòng điện tham chiếu này được phản chiếu dòng điện không đổi đến các đầu ra của nó.
Hình 2. Cấu hình đầu ra IC điều khiển LED cơ bản
Hình 2 minh họa kết quả của cuộc thảo luận này, cấu hình mạch đầu ra cơ bản của trình điều khiển màn hình LED.
Điều khiển bằng màu
Cho đến nay, chúng ta đã có thể xác định cách điều khiển một đèn LED riêng lẻ. Bước tiếp theo là đạt được đầu ra ánh sáng đủ màu cho các hệ thống hiển thị video. Bằng cách kết hợp các sắc thái khác nhau của ba màu cơ bản của ánh sáng, đỏ, lục và lam (RGB), bất kỳ màu nào cũng có thể được tạo ra. Một ví dụ quen thuộc là công cụ chọn màu trên máy tính cá nhân (PC).
Điều khiển thang màu xám bằng kỹ thuật số hoặc tương tự
Hệ điều hành của PC pha trộn ba màu trong 256 bước (8 bit nhị phân mỗi bước) hoặc nhiều hơn để hiển thị một pixel màu đầy đủ. Đối với hệ thống hiển thị LED, cần có khái niệm tương tự về kiểm soát cường độ màu theo từng bước.
Mục tiêu là đạt được khả năng kiểm soát bước hoặc kiểm soát thang màu xám trong thiết kế trình điều khiển LED.
Quyết định đầu tiên của bạn là nên sử dụng điều khiển kỹ thuật số hay tương tự. Như đã giải thích trước đó, tổng số điện tích đi qua điểm nối PN xác định cường độ ánh sáng, do đó, cả phương pháp kỹ thuật số và analog đều có thể kiểm soát cường độ ánh sáng.
Hình 3 minh họa 50 phần trăm kiểm soát thang độ xám trong các phương pháp kỹ thuật số và tương tự. Trong một ví dụ tổng cộng 256 bước, 50 phần trăm này cho biết mục tiêu có thang màu xám là 128.
Thay đổi màu sắc
Tại thời điểm này, cần xem xét tác động của sự thay đổi dòng điện đối với giá trị bước sóng của đầu ra ánh sáng LED. Một bước sóng thay đổi có nghĩa là thay đổi màu sắc đối với mắt người. Hình 4 cho thấy một ví dụ về đèn LED màu lục.
Thông thường, 510 nm đại diện rộng rãi cho màu xanh lá cây trong ngành. Do đó, hầu hết các nhà sản xuất đèn LED đều thiết kế bóng đèn có dòng điện định mức tối đa là 510 nm của các sản phẩm đèn LED. Trong Hình 4, bước sóng đạt tới 510 nm khi dòng LED tăng lên.
Cách tốt nhất để có được màu xanh lục là luôn điều khiển bóng đèn càng gần dòng định mức tối đa càng tốt. Điều này giải thích tại sao sử dụng điều khiển kỹ thuật số tốt hơn điều khiển analog.
Một lợi ích khác của việc chọn điều khiển kỹ thuật số là dễ dàng thực hiện điều khiển trên IC điều khiển LED dưới dạng khối mạch kỹ thuật số. Đối với điều khiển thang màu xám trong phạm vi 256 bước, điều khiển kỹ thuật số có chi phí thấp hơn điều khiển analog.
Điều khiển kỹ thuật số BẬT/TẮT này được gọi là điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) hoặc làm mờ PWM. Bây giờ các công tắc điều khiển PWM được thêm vào Hình 2.
Cách tạo thành màn hình led ma trận hoặc hình ảnh 2D
Đèn LED RGB được sắp xếp để tạo thành hình ảnh 2 chiều (2D).
Cấu trúc của hệ thống hiển thị
Đèn LED RGB được sắp xếp để tạo thành cấu trúc đế hình vuông hoặc mô-đun. Nó thường bao gồm một PCB với mảng pixel từ 16 X 16 đến 64 X 64, tùy thuộc vào ứng dụng. Nhiều mô-đun được kết hợp để tạo thành cấu trúc cơ khí và hệ thống hoặc bảng điều khiển.
Các nhà cung cấp hệ thống hiển thị LED thường cung cấp bảng điều khiển. Mỗi bảng điều khiển có một khung cơ học để giữ nhiều mô-đun. Nó chứa một hoặc nhiều đơn vị điều khiển để cung cấp phân phối điện, giao diện dữ liệu và bộ xử lý.
Tại một địa điểm xây dựng hệ thống hiển thị, chẳng hạn như màn hình sân vận động hoặc biển quảng cáo bên đường, nhiều bảng được lắp đặt để tạo thành màn hình cuối cùng. Tại công trường, tất cả dữ liệu và cáp nguồn từ mỗi bảng điều khiển được chuyển đến các thiết bị điều khiển trung tâm.
Hệ thống màn hình LED Pixel pitch
One bao gồm một số lượng lớn đèn LED và nguồn điện lớn của màn hình led. Tối ưu hóa mật độ đèn màn hình LED là một mục quan trọng cần xem xét khi thiết kế một hệ thống. Mật độ đèn LED này được coi là khoảng cách của từng pixel hoặc cao độ pixel. Nếu độ cao của pixel quá chật, nó sẽ không cải thiện chất lượng đầu ra của hình ảnh khi nó mịn hơn mức mắt người có thể phát hiện được và làm tăng thêm chi phí.
Mắt người có thể phân biệt được hai nguồn sáng riêng lẻ khi hai điểm này tạo thành 1/60 của một độ cung (= một phút cung).
Hình 6 minh họa cách mắt người phân biệt độ cao điểm ảnh D PP1 được tính toán trong phương trình 3 trong đó L là khoảng cách xem.
(tương đương 3)
Trong thực tế tốt nhất, DPP1 được coi là quá mức cần thiết trong đó khoảng ba lần D PP1 là đủ tốt cho một hệ thống video chất lượng tốt. D PP là hướng dẫn trong phương trình 4.
(eq 4)
Một cách dễ dàng để nhớ phương trình 4 là:
Yêu cầu Pixel Pitch tính bằng milimét (mm) = “Xem khoảng cách tính bằng mét”(m)
Ví dụ: một hệ thống có khoảng cách xem là 5 m yêu cầu độ phân giải pixel là 5 mm để đạt được độ phân giải tốt. Một ví dụ trực quan khác được hiển thị trong Hình 7, minh họa mức độ quá thấp của điểm ảnh làm giảm chất lượng hình ảnh đầu ra.
Hình ảnh độ phân giải pixel 12,5 mm (trên cùng) trông thô và không thể nhận thấy ở khoảng cách gần. Tuy nhiên, hình ảnh bắt đầu có ý nghĩa khi xem nó ở độ dài của cánh tay, tương tự như xem hình ảnh có độ phân giải pixel 5 mm (phía dưới). Đây là một ví dụ điển hình về mối quan hệ giữa khoảng cách xem và cao độ pixel.
Ổ đĩa tĩnh và ổ đĩa ghép kênh thời gian
Từ Hình 2, phía cực âm của đèn LED được điều khiển bởi các IC điều khiển LED phổ biến trên thị trường hiện nay. Ở đây, mạch điều khiển cho phía cực dương của đèn LED được xem xét. Với lợi ích của việc sử dụng truyền động dòng điện không đổi ở phía cực âm, phía cực dương dự kiến sẽ cung cấp đủ điện áp. Tuy nhiên, một quyết định quan trọng là cần thiết: làm thế nào để lái phía cực dương!
Hình 8 so sánh các hệ thống truyền động anode tĩnh và ghép kênh theo thời gian. Cấu hình điều khiển anode tĩnh rất đơn giản: một IC điều khiển LED điều khiển một đèn LED. Khi thiết kế một hệ thống có số lượng pixel khổng lồ, ổ anode tĩnh yêu cầu một số lượng lớn IC điều khiển LED.
Ngược lại, hệ thống truyền động anode ghép kênh theo thời gian sử dụng ít IC điều khiển đèn LED hơn bằng cách chia sẻ một IC với nhiều đèn LED. Một sự đánh đổi với ổ đĩa ghép kênh thời gian là cường độ ánh sáng LED đầu ra bị giảm do chia sẻ thời gian.
Trong các hệ thống hiển thị ngoài trời, cần có công suất LED rất mạnh để vượt qua độ sáng của mặt trời nhằm đưa hình ảnh đến mắt người. Trong các hệ thống ngoài trời như vậy, ổ anode tĩnh được ưu tiên hơn. Mặt khác, trong các hệ thống trong nhà, truyền động anode ghép kênh theo thời gian là một phương pháp tốt để giảm chi phí xây dựng hệ thống.
Vì ghép kênh theo thời gian đã trở thành kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng ngày nay, nên chúng ta sẽ sử dụng nó cho các ứng dụng mà chúng ta thảo luận trong phần còn lại của tài liệu này.
Cách tạo ảnh phim/video cho bảng hiệu màn hình led ma trận
Trước đó chúng ta đã thảo luận về cách hiển thị ảnh tĩnh. Nếu chúng ta tiếp tục thay đổi hình ảnh tĩnh đó, chúng ta có thể biến nó thành phim hoặc video.
Tốc độ khung hình / tốc độ làm mới khung hình màn hình led ma trận
Các hệ thống TV analog cũ được sử dụng để hiển thị 24 hình ảnh tĩnh khác nhau trong một giây, với tốc độ khung hình là 24
Khi một camera TV analog xem một màn hình TV analog khác, nó sẽ tạo ra một hỗn hợp ngựa vằn bao gồm các hình ảnh video và các dải màu đen (Hình 9). Điều này là do camera TV và tốc độ quét màn hình TV được đồng bộ hóa.
Vấn đề tương tự cũng xảy ra khi máy ảnh chụp màn hình LED sử dụng ổ anode ghép kênh theo thời gian. Ví dụ bao gồm camera TV ghi lại hình ảnh sân khấu hòa nhạc với màn hình LED phóng to nghệ sĩ biểu diễn trên bức tường phía sau hoặc camera TV xem tỷ số sân vận động/bảng hiển thị tại một sự kiện thể thao.
Để tránh vấn đề này, màn hình LED ngày nay cần hoạt động nhanh hơn hệ thống camera, đặc biệt là trong thị trường màn hình LED sử dụng chuyên nghiệp.
Để đáp ứng yêu cầu hoạt động nhanh hơn này, nhiều hệ thống màn hình LED hiển thị lặp lại cùng một hình ảnh trong một khoảng thời gian khung hình, được gọi là tốc độ làm mới khung hình. Hình 10 cho thấy mối quan hệ của tốc độ khung hình và tốc độ làm mới. Chỉ có hai ảnh khung: A và B. Mỗi khung lặp lại “ảnh x” hai lần. Do đó, ví dụ này là “Tốc độ làm mới khung hình” = 2 ×”Tốc độ khung hình”.
Trong hệ thống màn hình LED thông thường, tốc độ khung hình nằm trong khoảng từ 50 Hz đến 120 Hz và tốc độ làm mới khung hình nằm trong khoảng từ 50 Hz đến 2 kHz.
Trình điều khiển điều khiển BẬT/TẮT hoặc trình điều khiển điều khiển PWM
Để đáp ứng các yêu cầu hệ thống về tốc độ khung hình và tốc độ làm mới, cần đưa ra quyết định giữa hai cách triển khai mạch logic. Đầu tiên là trình điều khiển điều khiển BẬT/TẮT và thứ hai là trình điều khiển điều khiển PWM.
Hình 11a cho thấy một hệ thống có IC điều khiển BẬT/TẮT, có một thanh ghi BẬT/TẮT tương ứng với từng bit ở đầu ra của nó. Mức logic cao của bit thanh ghi BẬT đầu ra tương ứng; mức logic thấp sẽ TẮT nó.
Hình 11b cho thấy một hệ thống có IC điều khiển PWM, có đầu vào đầu vào đồng hồ tham chiếu thang màu xám tham chiếu bộ đếm đồng hồ. Ngoài ra, IC có một bộ thanh ghi chứa mã logic thang màu xám. Bộ so sánh PWM so sánh và tạo các mẫu đầu ra PWM từ thanh ghi bộ đếm và thang màu xám (GS).
Đối với cả hai loại IC trình điều khiển, hai thao tác được thực hiện song song:
– Khối trình điều khiển dòng không đổi điều khiển dãy đèn LED của nó dựa trên đầu vào từ dữ liệu chu kỳ hiển thị hiện tại.
– Trong khi đó, dữ liệu cho chu kỳ hiển thị tiếp theo được nhận vào thanh ghi dịch chuyển.
Tóm tắt
Bắt đầu với mạch điều khiển cho một đèn LED đơn, cấu trúc IC điều khiển LED hoàn chỉnh được tạo ra bằng cách xem xét chi tiết các đặc tính vật lý của đèn LED; bố trí vật lý và cấu trúc của hệ thống hiển thị; và điều khiển ghép kênh tĩnh và thời gian.
Trong Phần 2, chúng ta sẽ đề cập đến việc truyền dữ liệu giữa bộ điều khiển xử lý hình ảnh và IC điều khiển đèn LED với các ví dụ được cung cấp. Các tính năng và chủ đề liên quan đến IC của trình điều khiển màn hình LED cũng sẽ được kiểm tra
Cảm ơn bạn đã đọc bài viết này của chúng tôi, Nếu bạn cần làm bảng hiệu đèn led ma trận thì bạn có thể liên hệ đến chúng tôi thông qua Facebook Nguyễn Long này nhé!
Cảm ơn bạn đã đọc bài viết này của tôi.
