Цифровой светодиодный RGB пиксель (LED RGB PIXEL)

Термин светодиодный пиксель используется применительно к устройствам отображения информации (экраны, мониторы и тд)

В нашем понимании светодиодный RGB пиксель - это электронное устройство с использование RGB светодиода(ов) и специализированной микросхемы управления.

В быту и интернете эти устройства называют: умный пиксель, умный светодиод, интеллектуальный светодиод, цифровой светодиод, смарт пиксель (smart pixel), флеш-модуль, dreamled и тд.

Главным отличием RGB пикселя от простого RGB модуля является наличие специализированной микросхемы (pixel driver). Что позволяет программировать каждый пиксель в гирлянде отдельно, создавая яркие, сложные и уникальные видео (анимационные) эффекты.

Совсем недавно светодиодные пиксели были больших габаритов, и использовали протокол DMX512. Применение протокола DMX512 резко ограничивало возможности применения светодиодных пикселей как по количеству так и по возможностям программированию.

Развитие современной электроники позволило резко уменьшить габариты пикселей и применить более скоростные шины передачи данных. Что практически сняло ограничения по количеству пикселей в проекте и значительно увеличило частоту "перерисовки". Появление "недорогих" программируемых контроллеров дало возможность создавать уникальные динамические системы практически любой сложности.

Независимо от конкретной модели светодиодный пиксель состоит из корпуса, платы, микросхемы управления (IC), и от одного до нескольких светодиодов.

Рассмотрим составные части пикселя

Светодиоды.

1. SMD LED Наиболее часто в светодиодных пикселях применяются обычные RGB SMD 5050 (3 в 1) светодиоды. Они обеспечивают высокую равномерность свечения. Яркость обеспечивается увеличением количества светодиодов в пикселе (до 18 шт). Для помещений рекомендуем использовать пиксели только на SMD светодиодах.
2. DIP LED Реже в пикселях применяются выводные светодиоды (R+G+B), несмотря на более высокую яркость, они обладают плохой смешивающей способностью. Рекомендуется используется для наружных применений.

Микросхема управления.

На рынке представлено огромное количество микросхем управления для пикселей. При том один и тот же тип пикселя может быть изготовлен на разных микросхемах управления.

Грубо микросхемы управления можно разделить на 3 группы

- однопроводный интерфейс управления.

К этому классу относятся TM1803, TM1812, UCS1903, UCS1904, UCS1909, TLS3001, TLS3002, TLS3003 и тд.

Пиксели на этих микросхемах соединяются по трех-проводной схеме. Два провода питание и один сигнальный.

- двухпроводный интерфейс

LPD6803, LPD6806, MY9221, WS2801, MBI 6020, MBI 6024, DM412, D705, MBI 6030, SM16176 и др.

Пиксели на этих микросхемах соединяются по четырех-проводной схеме. Два провода питания и два сигнальных.

- 3-проводный и более интерфейс

DM413, MBI 5030, MBI 5031, AUR6352, AUR6353, HL1609, MY9231, MY9293,

Пиксели на этих микросхемах соединяются по пяти-проводной схеме. Два провода питания и три сигнальных.

Мы отдаем предпочтение пикселям на базе микросхем LPD6803 (5 bit) и WS2801 (8 bit).

Вопрос . B какие лучше 5 битные или 8 битные пиксели.

Ответ . С точки зрения частоты обновления, то 5 битные микросхема однозначно лучше, она на 33% быстрее.

С точки зрения кол-ва цветов, для 5 бит - 32768 цветов, для 8 бит – 16 млн., то 8 битная микросхема однозначно лучше.

Для применений, где не будет плавных переливов (градиентные переходы), и будут использоваться контрастные быстрые переходы рекомендуем использовать пиксели на базе микросхемы LPD6803.

Для применений где основной «упор» делается на плавность переходов рекомендуем пиксели на базе микросхемы WS2801.

Корпус.

Корпусное исполнение пикселя определяет сферу его применения. В подавляющем большинстве предлагаемые нами пиксели имеют высокую степень защиты, что позволяет применять их как на улице так и в помещении. Зачастую корпус пикселя изготовлен и пластика, что требует дополнительной защиты от ультрафиолетового излучения.

В данной статье рассмотрим, каким образом из пикселей можно создать видеоэкран или бегущую строку

Пиксели имеют внешний вид:

Размер пикселей представлен на чертеже ниже

Пиксели поставляются соединенными в гирлянды по 50штук.

В каждом RGB LED модуле или пикселе, находится контроллер управления.
Чип и сам светодиод залиты в водонепроницаемый, прозрачный, мягкий, силиконовый корпус. Особенность пикселей в том, что они могут управляться независимо друг от друга, это обеспечивается микросхемой внутри пикселя. Это свойство позволяет создавать на основе пикселей видеоэкраны и бегущие строки.

Технические характеристики пикселей:

Таблица степеней защиты

Степень защиты пикселей IP67 означает, что от пыли они защищены полностью, также выдерживают временное погружение в воду до 1м.

1) Небольшая стоимость
2) Высокая яркость
3) Высокая степень защиты IP65 (не боится не пыли не воды может находится на улице ничем не закрытый)
4) Простота монтажа (любого человека за 10 минут можно обучить монтажу пикселей, следовательно, вам не нужно нанимать дорогостоящих специалистов).
5) Возможность демонтажа и повторного применения
6) При работе пиксель не греется

Основной сферой применения пикселей данного типа является:

1) Светодиодные полноцветные динамические табло и бегущие строки любой формы, например, медицинский крест, сердце.
2) Динамические логотипы любой геометрии.
3) Использование пикселей, как динамического источника света для воплощения дизайнерских идей.
4) Поскольку пиксель имеет простой способ крепления в отверстие диаметром 12 мм, это дает возможность устанавливать его на любые криволинейные поверхности (шар, колонны).

Расчет необходимого количества пикселей для использования в проекте.

Для понимания, какое количество пикселей вам необходимо, и через какое расстояние их расположить нужно, учитывать следующее:

1) С какого расстояния должно быть видно изображение.
2) Какой размер изображения в пикселях вы хотите отобразить.

Расстояние между пикселями определяется исходя из следующей таблицы.

Основное правил для выбора шага пикселя:

15 мм комфортное расстояние просмотра более 17 метров,
25 мм комфортное расстояние просмотра более 30 метров,
50 мм комфортное расстояние просмотра более 60 метров.

Зная размер изображения в пикселях, который вы хотите отобразить, можно посчитать количество необходимых пикселей, например, если размер изображения 32см х 32см с шагом 10мм, то вам необходимо 1024 пикселя.

Из нашего опыта, шаг пикселей 20-30мм комфортен для восприятия.

Иногда, перед пикселями, на небольшом расстоянии устанавливается дополнительный светорассеивающий элемент (лист матового акрила) для уменьшения эффекта «точек».

Также, важно хорошо продумать контент который вы планируете отображать на табло из управляемых пикселей.

ПО для контроллера, который управляет пикселями, позволяет вставлять в проект уже готовую анимацию AVI, GIF, видео в различных форматах и Flash-анимацию, созданную в других редакторах. Что дает возможность создания анимации любой сложности.

Электрическое подключение LED пикселей.

Пиксели подключаются последовательно c с помощью 4-проводного шлейфа. Где два провода цифрового последовательного интерфейса DAT и CLK и два провода питания +5В и минус. Пиксели поставляются в виде гирлянд по 50шт с разъемами на концах.
Максимальный шаг установки 70мм без удлинения, но его можно увеличить. Для этого нужно разрезать стандартный кабель и удлинить его на необходимое расстояние (до 1.5 метров).
Ниже приведена схема подключения пикселей к контроллеру и блоку питания.

Требования по подключению, в случае автономной системы.
1) Пиксели подключаются в виде непрерывной гирлянды, длиною до 2048 штук.
2) Если количество более 2048 штук, то используется контроллер с несколькими выходами, где на каждый цифровой выход можно подсоединить по 2048 пикселов.
3) Питание 5В необходимо подключать через каждые 40-50 пикселей т.е в начале и конце гирлянды.
4) Если последний отрезок пикселей менее 25шт, то питание на конец гирлянды можно не подводить.
5) Если в проекте используется несколько блоков питания, то в месте перехода гирлянды на другой блок питания шина 5В разрывается, как показано на рисунке ниже

6) Оставшиеся провода питания в конце последней гирлянды нужно заизолировать друг от друга.
7) Если изделия планируется эксплуатировать на улице, то лучше гирлянды соединять между собой не через разъемы, а при помощи пайки и изолировать их термоусадочной трубкой
8) Будьте внимательны, пиксель имеет вход и выход, на вход поступают сигналы с контроллера, а с выхода сигналы уходят на входы соседних пикселей.
9) Вход первого пикселя подключается к контроллеру только проводами GND, DAT, CLK.

Назначение проводов пикселя.

Для разных моделей пикселей цвет и назначение проводов может отличаться. Цвет шлейфа в разных партиях может также может отличаться.

Выбор мощности блока питания

Расчет необходимой мощности блоков питания производится из расчета количество пикселей N умножить на максимальную мощность пикселя 0,6Вт и умножить на коэффициент 1,2

Например, в проекте используются 1024 пикселя, умножаем на максимальную мощность пикселя 1024 х 0,6 = 614.4 Вт и множим полученную мощность на коэффициент 1,2, получим 737.28Вт. Источник питания с такой мощностью или большей на напряжение 5В нам нужно использовать или можно использовать несколько источников питания меньшей мощности, если берем три источника питания то мощность каждого должна быть не менее 738/3=246Bт.

Выбор контроллера

Из выше изложенного, теперь мы можем определить, какое количество пикселей будет участвовать в проекте. Выбор конкретной модели контроллера зависит от общего количество пикселей в проекте. Если до 2000 пикселей, то достаточно контроллера CS1. Он имеет один порт для подключения пикселей. Если больше 2000, но меньше 4000, то нужно взять контроллер CS2, который имеет два порта, каждый для управления 1024 пикселами. И т.д.
При использовании много-портовых контроллеров желательно равномерно распределять пиксели по портам.

Например:

В проекте используется 2150 пикселей, применен контроллер CS2, у которого 2 выхода. Тогда на первый порт пойдет 1074 шт, второй – 1074 шт.

Рассматриваемые пиксели их еще называют «палец», устанавливаются в отверстие диаметром 12 мм в любом материале толщиной 2-3 мм. Поверхность может быть как плоской так и криволинейной (дуга, цилиндр, шар и т.д.)

Габаритно-установочные размеры пикселей

1) LED-пиксели монтируются в виде непрерывной гирлянды, с подключением питания через 40-50 шт.
2) Отверстия необходимо стараться размещать в сетке с одинаковым шагом, это упростит создание программы на PC .

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1. Можно на этих пикселях собрать видео экран (медиа фасад)?
Ответ. Смотря что вы подразумеваете под видеоэкраном, вы можете на этих пикселях собрать полноцветное табло на котором можно проигрывать простую анимацию и flash-ролики.

Полноценный видеоэкран с высокой частотой обновления информации и большим разрешением более 240х320 собрать проблематично.

Предлагаемые нами контроллеры позволяют воспроизводить анимационный ролик, заранее записанный в память контроллера. Этот ролик можно сделать в любом видео-редакторе или редакторе Flash-анимации и он может содержать любую графику, в том числе и текст.

Вопрос 2 . Можно ли увеличить стандартное расстояние между пикселями.
Ответ. Да можно в разумных пределах.
Пиксели управляются по цифровому протоколу SPI. Этот протокол не защищен от электромагнитных помех. Увеличение длины между пикселями может привести к полному отказу системы или периодическим «промаргиваниям».
На длинный кабель могут влиять различные факторы:
1) Сопротивление провода
2) Частота сигнала CLK. Чем выше частота CLK, тем меньше удлинение можно выполнить.
3) Электромагнитные помехи. Наличие в непосредственной близости силового кабеля или приемо-передающей антенны может привести к непредсказуемому результату.
Если удлинять необходимо, рекомендуем следующее:
1) Снизить частоту сигнала CLK до минимально возможного значения. Внимание: уменьшение частоты приведет к уменьшению скорости "перерисовки" анимации.
2) Для удлинения применять 8 жильный кабель типа сетевого компьютерного в экранирующей оплетке. Для питания использовать по 3 провода, на сигналы DAT и CLK по одному. Экран соединить с минусом (GND). Причем провода DAT и CLK должны быть «свиты» относительно GND по отдельности.
Данные рекомендации не являются полной гарантией результата.

Ученые вывели слово "HI" на дисплей, созданный по новой технологии

Исследователи из Университета Центральной Флориды создали технологию, позволяющую заменить в дисплеях субпиксели разных цветов (RGB) на один пиксель, меняющий свой цвет в зависимости от приложенного напряжения. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Современные цветные дисплеи используют RGB-схему, в которой каждый пиксель состоит из трех субпикселей красного, зеленого и синего цвета. За счет изменения интенсивности субпикселей можно смешивать три основных цвета и получать миллионы различных оттенков. Однако такая схема увеличивает сложность устройства и расходует на каждый пиксель в три раза больше площади.

Исследователи решили создать технологию для дисплеев, которые смогут обойтись без субпикселей. Их работа основана на предыдущей , в которой для покрытия пикселем всего видимого спектра ученым приходилось использовать несколько наноструктур. В новом исследовании ученым удалось создать универсальную структуру, которая меняет цвет в диапазоне видимого света только в зависимости от напряжения.

Основу пикселя составляет подложка, по форме напоминающая картонную упаковку для яиц, которая была покрыта слоем алюминия. Над ней находятся поляризатор и прозрачный электрод. Между подложкой и верхним слоем расположены жидкие кристаллы, ориентацию которых можно менять с помощью электрода. Верхний слой жидких кристаллов всегда направлен параллельно поляризатору из-за взаимодействия с ним.

Структура пикселя

Daniel Franklin et al. / Nature Communications, 2017

Смена цвета происходила следующим образом. Пиксель облучался светом, который попадал на подложку и из-за возникновения на поверхности плазмонного резонанса частично поглощался. Непоглощенный свет отражался и выходил из пикселя. Меняя напряжение на электроде, исследователи меняли ориентацию жидких кристаллов, за счет чего менялась поляризация падающего на подложку света. Это определяло характеристики плазмонного резонанса и в конечном итоге - частоту выходящего из пикселя цвета.

Устройство, выполненное по такой схеме, может быть реализовано с помощью уже существующих технологий, что и продемонстрировали ученые. Они создали дисплей, подсоединили его к компьютеру и вывели на него статические и динамические изображения. Необходимо отметить, что такой экран нельзя считать цветным дисплеем в классическом понимании. Его цветовой охват можно представить в виде одномерной линии в двумерном цветовом пространстве и точки в синей области пространства.