Что такое идеальный светодиодный экран? Идеальный по каким параметрам? Зафиксируем параметры экрана для улицы: яркость 8 ККд/м2 (больше не надо) и шаг пикселей 5 мм (меньше не надо). Что остается? Мощность, надежность, срок службы.
Построим таблицу, аналогичную таблице в статье "Светодиодный экран как энергетический объект".
Что можно улучшить?
Светодиод
- Выберем лучший СМД светодиод 3 в 1 - CLX6D-FKB фирмы CREE (Существует близкий по параметрам светодиод NSSM432A фирмы Nichia)
- Возьмем максимальные ранги по силе света: P - для красного, S - для зеленого, K - для синего кристаллов
- Возьмем средние значения силы света в данном ранге (Iср=(Iмин+Iмакс)/2)
- Пересчитаем силу света с 20 на 5 ма (с учетом того, что на 5 ма эффективность красного светодиода не изменится, а зеленого и синего увеличится примерно на 15% по сравнению с 20 ма)
- Оставим баланс и требуемую силу света прежними
- Пересчитаем коэффициенты ШИМ (отношение требуемой силы света к силе света при 5 ма)
- В соответствии с этими коэффициентами, пересчитаем средний ток через кристалл (5 ма х Кшим)
- По вольт-амперной характеристике определим падение напряжения на кристаллах светодиода при токе 5 ма: 1,9 в, 2,9 в, 2,9 в
- Определим мощность светодиода по цветам и по белому цвету (P=U*I)
В итоге, при той же силе света, мощность светодиода снизится с 11,93 до 5,72 мвт, то есть на 48%.
Драйвер
Светодиоды питаются через микросхему - драйвер постоянного тока (например, DM134). Для стабилизации тока требуется, чтобы на драйвере падало определенное напряжение (не менее 1,0 в при токе 20 ма, 0,4 в при токе 5 ма). Стандартно на драйвера подается напряжение 5 вольт, независимо от типа кристалла. Поэтому на драйвере падает от 1,8 до 3,0 в.
Что здесь можно улучшить?
- Будем использовать два источника питания: один для красных светодиодов и один - для синих и зеленых (а также для питания самого драйвера)
- Напряжение первого источника питания для красных светодиодов (при токе 5 ма) составит 1,9 + 0,4 + 0,3 = 2,6 в, где 1,9 в - падение на светодиоде, 0,4 в - на драйвере, 0,3 в - на проводах и печатной плате)
- Напряжение второго источника составит 3,6 в (расчеты аналогичны)
- Для минимизации потерь необходимо использовать 4-слойную печатную плату, где один слой будет отведен под два питания, и один - под землю
В итоге мощность светодиода с драйвером снизится с 22,07 до 7,35 мвт, то есть на 33%.
Источники питания
Для кабинета 640х640 мм (128х128 светодиодов) потребуется один источник питания 0,00264*128*128=43 вт (2,6 в х 16,5 а) и один источник питания (0,00293+0,00177)*128*128=77 вт (3,6 в х 21,5 а). С учетом небольшого запаса потребуются источники 50 и 80 вт.
Стандартные низковольтные источники питания имеют КПД от 80 до 90%. Использование источников питания с корректором мощности и современными выпрямительными диодами с низким падением напряжения, позволит повысить КПД до 95%.
Кабинет
Конструкция кабинета не оказывает непосредственного влияния на потребляемую мощность, но прямо влияет на надежность. Стандартно кабинет размером 640х640 мм собирается из отдельных панелей 320х160 мм, соединяемых между собой плоскими кабелями с 16-контактными разъемами. Для кабинета потребовалось бы 2х4=8 панелей и 8 плоских кабелей с разъемами. В концепции идеального экрана светодиодные панели исключаются. В кабинете - моноблоке используется одна печатная плата размером 640х640 мм вместо 8 модульных плат 320х160 мм, что позволяет уменьшить число межсоединений, тем самым повысив надежность.
Входная мощность кабинета (при засветке по белому) составит 140 вт (включая 4-вт вентилятор).
Экран
Экран размером 1152 х 768 5-мм пикселей будет состоять из 9х6=54 кабинетов 128 х 128 пикселей. Следовательно, входная мощность экрана составит 0,14*54=7,56 Квт. Диаграмма распределения энергии по экрану будет выглядеть так:
Сравнивая эту диаграмму с диаграммой для стандартного экрана ( см. статью "Светодиодный экран как энергетический объект" можно заметить, что при том же световом выходе входная мощность идеального экрана в 3,2 раза меньше мощности стандартного экрана. И этот результат достигнут без смены элементной базы, а просто использованием более качественных компонент и конструктивных решений. Да, такой идеальный экран будет дороже ( за счет использования светодиодов более высоких рангов, источников питания двух номиналов, четырехслойных печатных платы вместо двухслойных). Но эта стоимость окупится увеличенными надежностью и сроком службы (многократно возросшим, в частности, за счет уменьшения тепловыделения экрана с 22 до 7 Квт). Такой экран это еще не победа, но уже большой жизненный успех.
Реалии
Закономерный вопрос: есть ли среди множества производителей экранов кто-нибудь, идущий по пути таких улучшений? Оказывается есть. Это фирма со странным названием OnlyLED (автор имел удовольствие работать с этой фирмой). Во-первых, фирма использует кабинет – моноблок, со всеми вытекающими преимуществами. Во-вторых, фирма наконец начала использовать отдельный источник питания для красных светодиодов (вначале они просто опускали питание с 5,0 до 4,2 в). И вот результат. Снижение потребления энергии снижает и рабочую температуру, что улучшает стабильность и надежность всей системы отображения и увеличивает срок службы.
Возьмем кабинет S-PH4.5-FOC этой фирмы. Размер кабинета 720х360 мм или 160х80 пикселей. Шаг пикселей 4,5 мм. Максимальная яркость 7 ККд/м2, максимальное потребление – 239 вт.
Потребление нашего кабинета 128х128 5-мм пикселей составляет 140 вт. А если бы мы выбрали такой же размер кабинета (720х360 мм) и такой же шаг (4,5 мм), то потребление нашего кабинета составило бы 109 вт против 239 вт. И это при яркости выше на 1000 кд/м2.
Тотальная эффективность Et (отношение выходной световой мощности экрана ко входной потребляемой) нашего идеального экрана составит 8%, экрана OnlyLED около 4% и, наконец, стандартного экрана - 2,5%. Если OnlyLED перестанет экономить на светодиодах и снизит рабочие токи, даже в ущерб сканированию, то она сможет приблизиться к эффективности 6 - 7%.
Что дальше? Оставаясь в рамках существующих технологий можно рассчитывать только на эффективность светодиодов, которая медленно, но неуклонно возрастает. Но, в любом случае, трудно представить светодиодный экран с тотальной эффективностью 20 -25%. Нужны новые технологии и новые подходы.
