УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЕМ СВЕТОДИОДНОЙ МАТРИЦЫ
APPARATUS FOR CONTROLLING RADIATION OF LIGHT-EMITTING DIODE ARRAY

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах обработки и отображения информации на светодиодных панелях.
Преимущественно изобретение относится к устройствам для управления источниками света, не отнесенным к другим подклассам, и может быть использовано в визуальных системах отображения информации, в частности в рекламных щитах для показа статических или движущихся изображений.
Известно устройство для отображения информации (SU 1275525 A1 МПК7 G09G 3/28, оп. 07.12.1986 г.). Устройство содержит газоразрядный индикатор, включенные последовательно генератор импульсов, счетчик развертки, дешифратор и первый блок коммутации, выходы которого подключены к горизонтальным электродам индикатора, синхронизирующий вход - к выходу генератора, а управляющие входы являются информационными входами устройства. Новым является включение второго выхода первого блока коммутации к входу блока датчиков тока, выход которого соединен с управляющим входом генератора. Кроме этого, между выходом генератора и управляющим входом дешифратора включен мультивибратор, позволяющий осуществить защиту индикаторного устройства от разрушения при пропадании тактовых импульсов с генератора. Устройство позволяет устранить эффект залипания развертки путем изменения длительности паузы между импульсами развертки в зависимости от величины протекающего через ключи тока.
Известно устройство для отображения информации (S 1695374 A1 МПК7 G09G 3/282, оп. 30.11.1991 г.). Цель изобретения - повышение контрастности изображения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок ввода информации, газоразрядную индикаторную панель, ключи, блок развертки, блок синхронизации, введены коммутатор и согласующие элементы на диодах, что позволяет уменьшать задержку переключения ключей и скважность управляющих импульсов. В этом устройстве уменьшение и стабилизация времени задержки выключения ключевых транзисторов обеспечивается за счет пропускания через открытый транзистор и соответствующий диод дополнительного тока. Однако это вызывает существенное увеличение потребляемой мощности, ужесточает требования, предъявляемые к ключевым транзисторам.
Известно устройство для отображения информации (RU 206732 С1 МПК6 G09G 3/28, оп. 27.09.1996 г.). Устройство содержит блок ввода информации, матричный индикатор, ключи, блок развертки, нагрузочные элементы на резисторах, первый и второй источники напряжения, согласующие элементы на диодах, согласующий элемент на резисторе, блок сравнения, источник опорного напряжения.
Известны устройства для отображения информации (телевизоры или мониторы компьютеров), содержащие электронно-лучевые трубки, у которых изображение на экране формируется за счет отклонения пучка электронов электрическим или магнитным полем (Донченко А.Л. Ремонт зарубежных мониторов: книга 2. - М. "СОЛОН-Р", 2000. С.115, схема TNPA0917X). Недостатком этого устройства является сложность и высокая стоимость, а также невысокая яркость изображения, не позволяющая использовать его для установки на открытом воздухе, например, для рекламных целей.
Более эффективными являются устройства отображения информации, выполненные на светодиодах (Быстров Ю.А. Оптоэлектронные приборы и устройства: Учебн. пособие. - М.: ИП Радио Софт, 2001. - С.113, рис.4.1). Недостатком подобных устройств является их сложность и высокая стоимость, так как для управления каждым из светодиодов требуется иметь специальный отдельный ключ.
Известно также устройство с использованием светодиодной матрицы, состоящей из M на N светодиодов, управление которой осуществляется меньшим количеством первых M и вторых N ключей (применение оптоэлектронных приборов: Пер. с англ. / С.Гейг, Д.Эванс, М.Ходдап, Х.Соренсен - М.: Радио и связь, 1981. - С.63, рис.2.37). Недостатком этого устройства является значительная потребляемая мощность, так как для формирования требуемой величины электрического тока через единичные светодиоды матрицы используются активные резисторы, рассеивающие бесполезную мощность потерь. Это препятствует применению подобного устройства при больших площадях отображаемой информации, когда количество светодиодов велико.
Наиболее близким по назначению аналогом к заявленному изобретению является устройство для управления излучением светодиодной матрицы (RU 2262217 C2 МПК H05B 43/00, оп. 10.10.2005 г.). Изобретение относится к устройствам для питания источников света, не отнесенным к другим подклассам, и может быть использовано в визуальных системах отображения информации, в частности в рекламных щитах для показа статических или движущихся изображений.
Устройство содержит M первых и N вторых ключей, управляющие входы которых подключены к выходам схемы управления, а также светодиодную матрицу, состоящую из M на N светодиодов, у которых катоды каждой из групп светодиодов светодиодной матрицы, состоящих из li,…ki,…Ni светодиодов, соединены через соответствующие силовые электроды M ключей с общим полюсом устройства, причем аноды светодиодов li,…ki,…Ni каждой из групп светодиодов светодиодной матрицы соединены между собой. В устройство введены N трансформаторов, начала первичных обмоток которых подключены к потенциальному полюсу источника электропитания, а концы через силовые электроды ключей соединены с началами вторичных обмоток трансформаторов и с общим полюсом устройства, причем концы вторичных обмоток N трансформаторов подключены к точкам соединения анодов li,…ki,…Ni групп светодиодов светодиодной матрицы соответственно. Формирование токов через светодиоды осуществляется путем изменения временного порядка включения и выключения первых M и вторых N ключей.
В рассмотренных устройствах управления излучением светодиодной матрицы используется метод разнесения управления светодиодами по времени (мультиплексирование в группы). Рассмотрим временную диаграмму, изображенную на фиг.1, прилагаемых чертежей. В таких системах при обновлении кадра (F) также применяется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для регулировки яркости. Обновление кадра происходит за один или несколько последовательных вложенных циклов (mF1…mFM).
В каждом вложенном цикле светодиод может находиться во включенном состоянии (1.1…1.М) и выключенном состоянии (2.1…2.М). Для регулировки яркости светодиода применяется метод управления скважностью импульсов включения и выключения светодиода. Соотношение между продолжительностью нахождения светодиода во включенном и выключенном состоянии определяет уровень средней яркости светодиода.
Количество отображаемых уровней яркости зависит от количества отсчетов состояний светодиода в каждом вложенном цикле. Цветовое разрешение устройства измеряется в битах и рассчитывается по формуле:
;
где:
r
F - частота дискретизации ШИМ;
g
N - количество групп светодиодов;
f
N - количество вложенных циклов;
k - коэффициент, зависящий от аппаратной реализации схемы управления.
Недостаток этого метода заключается в том, что повышение цветового разрешения в нем требует повышения частоты дискретизации либо уменьшения количества групп, что приводит к существенному усложнению аппаратной реализации - увеличению количества используемых компонентов и потребляемой мощности или уменьшению количества вложенных циклов, что снижает качество отображаемой информации - приводит к появлению мерцания изображения.
Задачей изобретения является создание устройства для управления излучением светодиодной матрицы, использование которого в светодиодных экранах позволит обеспечить высокое цветовое разрешение без увеличения потребления энергии и усложнения аппаратной реализации.
Технический результат изобретения состоит в увеличении количества отображаемых уровней яркости при сохранении аппаратной реализации и уровня потребляемой энергии.
Указанный технический результат изобретения достигается тем, что в устройстве для управления излучением светодиодной матрицы, содержащем М ключей, управляющие входы которых подключены к выходам схемы управления, светодиодную матрицу из М на N светодиодов, образующих группы, состоящие из l.i, …k.i, …N.i светодиодов, новым является то, что оно имеет блок стабилизаторов тока высокой точности (стабилизатор тока, поддерживающий ток с точностью не хуже 1%), вход которого соединен с выходом схемы управления через шину данных для передачи информации, а выход его соединен с катодами светодиодов соответствующей группы светодиодов, при этом аноды каждой из групп светодиодов светодиодной матрицы соединены с соответствующими силовыми электродами М токовых ключей, при этом другие силовые электроды этих токовых ключей соединены с положительным полюсом источника питания, а катоды каждой из групп светодиодов светодиодной матрицы соединены между собой.
Указанная новая совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения приведенного технического результата. Поясним это, рассмотрев временную диаграмму, полученную при использовании заявленного изобретения, изображенную на фиг.2, прилагаемых чертежей.
Во вложенных циклах обновления кадра вводится дополнительное управление состоянием светодиода. При этом светодиод может находиться во включенном состоянии на один такт дискретизации широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в одном или более вложенных циклах (3.1…3.М), в зависимости от дополнительных битов управления цветового разрешения. Разрешение цвета в известных устройствах для управления излучением светодиодной матрицы составляет 3 бита (8 уровней яркости), а при использовании заявленного изобретения составляет 5 бит (32 уровня яркости), что является значительным увеличением количества отображаемых уровней яркости при сохранении аппаратной реализации и уровня потребляемой энергии.
Примером реализации устройства служит приведенная блок-схема на фиг.3 чертежей.
Устройство для управления излучением светодиодной матрицы содержит М ключей 1, управляющие входы которых подключены к выходам схемы 2 управления, а также светодиодную матрицу, состоящую из М на N светодиодов 3, у которых аноды каждой из групп светодиодов светодиодной матрицы, состоящих из l.i,…k.i,…N.i светодиодов, соединены через соответствующие силовые электроды М ключей 1 с полюсом 4 положительным источника питания, причем катоды светодиодов l.i,…k.i,…N.i каждой из групп светодиодной матрицы соединены между собой. Устройство имеет блок 5 стабилизаторов тока высокой точности (стабилизатор тока, поддерживающий ток с точностью не хуже 1%), вход которого соединен с выходом схемы 2 управления через шину 6 данных для передачи информации, а выход его соединен с катодами светодиодов соответствующей группы светодиодов, при этом аноды каждой из групп светодиодов светодиодной матрицы соединены с соответствующими силовыми электродами (истоками) М токовых ключей, при этом другие силовые электроды (стоки) этих токовых ключей соединены с положительным полюсом источника питания, а катоды каждой из групп светодиодов светодиодной матрицы соединены между собой.
Блок 5 стабилизаторов тока высокой точности может быть выполнен в виде одно- или многоканальных микросхем стабилизаторов тока - STP16 СР05.
Схема 2 управления выполнена на основе одной или нескольких микросхем программируемой логики - ALTERA ЕР 2С 5Т144.
Устройство работает следующим образом. Схема 2 управления в каждый период мультиплексирования формирует импульсные сигналы данных, принимаемые по шине 6 данных для передачи информации блоком 5 стабилизаторов тока высокой точности, соединенным с отрицательным полюсом 7 источника питания, устанавливающие включенное и выключенное состояние блока 5 стабилизаторов тока высокой точности, и сигналы управления токовыми ключами 1, подключающими и отключающими каждый свою группу светодиодов 3 с положительным полюсом 4 источника питания. В следующий период мультиплексирования происходит формирование сигналов для управления очередной группой светодиодов от 1 до М. В общем случае в каждом периоде мультиплексирования светодиод может находиться во включенном состоянии, когда подключенный к его катоду блок 5 стабилизаторов тока высокой точности находится во включенном состоянии и подключенный к его аноду токовый ключ открыт, или в выключенном состоянии - когда блок 5 стабилизаторов тока высокой точности находится в выключенном состоянии или закрыт указанный токовый ключ. При этом светодиод может находиться, как указывалось выше, во включенном состоянии на один такт дискретизации ШИМ дольше в одном или более вложенных циклах (3.1…3.М). Специальный алгоритм схемы 2 управления производит выборку и определение порядка и количества вложенных циклов, в которых происходит коррекция состояния светодиода. Цветовое разрешение увеличивается на значение (в битах), рассчитанное по формуле:
2
f
Δcd=log(N);
где:
Δcd - изменение цветового разрешения в битах,
f
N - количество вложенных циклов.
Использование устройства обеспечивает более высокое цветовое разрешение выводимой на светодиодную матрицу информации без увеличения потребления энергии и усложнения аппаратной реализации по сравнению с существующими устройствами.