Низкопрофильный светодиодный модуль с беспроводной передачей данных и способы его плотной упаковки
LOW-PROFILE LED MODULE WITH WIRELESS DATA TRANSMISSION AND METHODS OF ITS DENSE PACKAGING

Изобретение относится к области устройств для представления меняющегося информационного материала и может быть использовано для создания видеоэкранов.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известно устройство модуля бегущей строки (US 5990802 A, G09F 9/33, 18.05.1998). Модуль бегущей строки представляет собой плату со светодиодами сквозного монтажа и драйверами светодиодов. В светодиодном модуле присутствует микроконтроллер, который имеет уникальный адрес. Данные передаются с компьютера на микроконтроллер, который передает управляющий сигналы драйверам светодиодов. Драйверы в соответствии с управляющим сигналом подают ток на светодиоды. Недостатки: необходимость использовать разъемы для передачи данных; большая толщина светодиодного модуля из-за использования светодиодов сквозного монтажа; сложность монтажа светодиодов сквозного монтажа; невозможно обеспечить плотную упаковку из-за использования светодиодов сквозного монтажа.
Из существующего уровня техники известно устройство светодиодного модуля для светодиодного экрана (US 4445132 A, G09F 9/33, 13.06.1980). Светодиодный модуль представляет собой печатную плату с электропроводящими дорожками. По всей передней поверхности печатной платы размещены чипы светодиодов, которые соединены с токопроводящими дорожками с помощью тонких проводников. С задней стороны платы размещены штыревые токопроводящие контакты. Размер светодиодной матрицы - 8×8 светодиодов. Недостатки: из-за того, что вместо светодиодов использованы светодиодные чипы, нет возможности отремонтировать матрицу в случае выхода светодиода из строя; штыревые контакты увеличивают высоту светодиодной матрицы до 10 мм, что исключает возможность плотной упаковки; из-за необходимости сплошной заливки передней поверхности компаундом, не возможно размещение одних светодиодных чипов между другими, это снижает плотность упаковки; при увеличении размера матрицы надежность таких модулей будет низкой, поэтому размер матрицы приходится ограничивать.
Из существующего уровня техники известно устройство - светодиодный дисплей с возможностью контроля яркости (US 20060227085 A1, H04N 17/04, 25.04.2003). Светодиодная поверхность дисплея состоит из светодиодов RGB, при этом каждый светодиод имеет светочувствительный датчик. Датчик используется для измерения светового потока, излучаемого каждым светодиодом. Светочувствительный датчик представляет собой фотодиод. Фотодиоды используется для калибровки яркости экрана при первом включении и во время эксплуатации, чтобы восстановить исходный световой поток деградирующих светодиодов. Недостатки: необходимость использовать разъемы для передачи данных; большая толщина светодиодного модуля из-за использования светодиодов сквозного монтажа; из-за конструктивных особенностей светодиодного модуля не возможно размещение одних светодиодов между другими, это снижает плотность упаковки.
Из существующего уровня техники известно устройство распределенного беспроводного светодиодного экрана (CN 83401002, G09F 9/33, G09G 3/32, G09G 3/14, 15.11.2007). Система отображения состоит из беспроводного контроллера и множества беспроводных светодиодных модулей. При работе устройства фрагменты изображения предварительно передаются на светодиодные модули через беспроводной контроллер и сохраняются внутри светодиодного модуля. После чего с помощью синхронных сигналов управления, поступающих через беспроводной контроллер, картинка отображается одновременно на всех светодиодных модулях, формируя цельное изображение. Недостатки: светодиодные модули представляют собой сложные устройства, состоящие из герметичного корпуса с размещенными внутри светодиодными матрицами, блоками питания и видеоконтроллерами, минимальная толщина подобных модулей начинается с нескольких десятков миллиметров, что исключает высокую плотность упаковки; необходимость обеспечивать высокую пропускную способность беспроводного канала связи из-за того, что все модули управляются одним контроллером; при использовании больших светодиодных экранов придется использовать несколько видеоконтроллеров, это влечет за собой необходимость синхронизации работы соседних видеоконтроллеров или создания системы электромагнитных экранов для разграничения сигналов от соседних видеоконтроллеров; при больших размерах экрана устройство имеет низкую помехозащищенность; существует возможность взлома системы через беспроводной канал связи и несанкционированной трансляции произвольного изображения.
Недостатки существующих решений
Современный бизнес стремится к глобализации, компаниям для того, чтобы быть конкурентоспособными и расти, требуется присутствовать на международном рынке. Особое значение приобретает эффективная логистика и быстрая доставка товара клиенту в любую точку Земного шара. Скорость доставки имеет важное значение для дорогих товаров, так как для их производства берутся кредиты, проценты за которые начисляются, пока товар не доставлен клиенту. Чтобы ускорить доставку светодиодных модулей, необходимо использовать авиатранспорт. Для снижения стоимости доставки требуется минимальный вес и минимальный объем упаковки.
Большинство светодиодных экранов из-за особенностей конструкции имеют большую массу видеоповерхности и большой объем упаковки. Обычно плотность упаковки составляет нескольких квадратных метров видеоповерхности на кубометр упаковки. При этом вес обычно составляет несколько десятков килограммов на квадратный метр видеоповерхности. Современные технологии позволяют снизить массу, поднять плотность и снизить объем упаковки в несколько десятков раз, что позволяет во столько же раз снизить стоимость доставки.
Стандартные светодиодные модули представляют собой сложную конструкцию, для сборки которой нужны различные типы оборудования. Светодиодный модуль состоит из платы со светодиодами, сзади которой устанавливаются разъемы для подачи питания и сигналов. Плата размещается в пластиковом корпусе, а передняя сторона платы со светодиодами заливается компаундом, сзади по периметру светодиодного модуля устанавливается резиновая прокладка. Такая технология производства светодиодных модулей требует специализированных производственных линий и оборудования. Плотность упаковки таких модулей остается низкой из-за устаревшей технологии производства. Размещение таких модулей в светодиодном экране - трудоемкая операция, так как каждый модуль имеет несколько разъемов питания и сигналов, а также прикручивается к корпусу светодиодного экрана несколькими болтами. В каждом квадратном метре - несколько десятков подобных модулей, что и дает высокую трудоемкость сборки светодиодных экранов. Эта же устаревшая технология мешает организовать массовое автоматизированное производство.
Одна из существенных проблем современных светодиодных экранов, которую не удалось пока решить ни одному производителю, - это большое количество кабельных соединений между светодиодными модулями. Количество разъемных контактов в светодиодных экранах может достигать нескольких тысяч на квадратный метр. Как известно, одной из основных причин снижения надежности сложных электронных систем является низкая надежность разъемов, соединяющих различные электронные блоки. Чем больше разъемных контактов, тем ниже надежность электронной системы. Для обеспечения высокой надежности передачи данных в светодиодных экранах используют качественные и дорогие разъемы, это значительно повышает стоимость экрана.
В большинстве конструкций светодиодных модулей существует проблема эффективного распределения электрического тока. Из-за низкого напряжения и большого входного тока, достигающего нескольких десятков ампер, приходится устанавливать на каждый светодиодный модуль мощные силовые клеммы, непосредственно вокруг которых происходит сильный нагрев проводников печатных плат из-за высокой плотности тока. Такой локальный перегрев печатных плат ведет к перегреву светодиодов, что снижает их ресурс.
Задачами, на решение которых направлено данное изобретение, являются:
обеспечение высокой плотности упаковки в несколько сотен квадратных метров видеоповерхности на один кубический метр упаковки; упрощение упаковки; обеспечение производства светодиодных модулей на обычных линиях поверхностного монтажа без использования специализированного оборудования; отказ от ручного труда при сборке светодиодных модулей; уменьшение количества контактов внутри светодиодного экрана для повышения надежности; повышение надежности передачи данных светодиодным модулям; снижение токовой нагрузки на печатные платы светодиодных модулей и понижение температуры работы светодиодных модулей; снижение веса светодиодных модулей на квадратный метр видеоповерхности.
Поставленные задачи решаются следующим образом.
Низкопрофильный светодиодный модуль состоит из печатной платы (1) и светодиодов (2), расположенных с передней стороны печатной платы. На задней стороне печатной платы расположены низкопрофильные контакты питания (3, 4). Низкопрофильные контакты питания могут быть реализованы в виде электронных компонентов поверхностного монтажа (4), хорошо проводящих электрический ток, которые припаиваются к печатной плате, или в виде дорожек печатной платы (3) с отсутствием электроизолирующего покрытия. Низкопрофильные контакты питания (3, 4) равномерно распределяются по поверхности печатной платы, что снижает плотность тока в дорожках печатной платы, рядом с ними и устраняет возможный перегрев печатной платы.
На задней стороне печатной платы размещаются приемники данных, предназначенные для приема видеоданных, используемых для отображения светодиодным модулем. Приемники данных могут работать в оптическом или микроволновом диапазоне электромагнитных волн. Приемники данных состоят из приемного устройства и демодулятора. Оптические приемники данных используют в качестве приемного устройства модулированного оптического излучения фотодиоды (6). Микроволновые приемники данных используют в качестве приемного устройства модулированного микроволнового излучения низкопрофильные микроволновые антенны (7). Демодуляторы усиливают входящий сигнал, полученный из приемного устройства, выделяют из него полезный сигнал, который преобразуют в цифровую форму.
На задней стороне печатной платы размещаются передатчики данных, предназначенные для обеспечения обратной связи с центральным видеоконтроллером и передачи служебной информации. Передатчики данных состоят из модулятора цифрового сигнала и передающего устройства. Для оптической передачи данных посредством модулированного оптического излучения в качестве передающего устройства могут использоваться один или несколько светодиодов (5). Для микроволновой передачи данных в качестве передающего устройства может использоваться одна или несколько низкопрофильных микроволновых антенн (7). Модуляторы преобразуют входной цифровой сигнал в аналоговый сигнал, пригодный для передачи через передающее устройство, а также усиливают его до необходимого уровня.
Одна низкопрофильная микроволновая антенна (7) может использоваться для приема и передачи данных посредством модулированного микроволнового излучения. Микроволновая антенна (7) может быть реализована в виде дорожки печатной платы или виде плоского компонента поверхностного монтажа, припаянного к печатной плате.
Для программирования внутреннего контроллера светодиодный модуль может содержать низкопрофильные разъемы. С задней стороны светодиодного модуля расположен видеоконтроллер, который управляет светодиодным модулем. С задней стороны также расположены микросхемы драйверов светодиодов (8), которые управляют светодиодами (2).
Для обеспечения плотной упаковки светодиодных модулей, в которой светодиодные поверхности всех светодиодных модулей направлены в одну сторону, при проектировании светодиодных модулей размещение электронных компонентов с задней стороны печатной платы (1) выбирается таким образом, чтобы при упаковке эти электронные компоненты размещались между светодиодами (2).
Для обеспечения плотной упаковки светодиодных модулей со встречным расположение светодиодных поверхностей при проектировании светодиодных модулей размещение светодиодов (2) на поверхности печатной платы (1) выбирается таким образом, чтобы при упаковке светодиоды (2) соседних светодиодных модулей располагались между друг другом, а размещение электронных компонентов с задней стороны печатной платы (1) светодиодных модулей выбирается таким образом, чтобы при упаковке электронные компоненты соседних светодиодных модулей размещались между друг другом.
Краткое описание чертежей
На фигурах (1, 2, 3, 4) изображены варианты реализации светодиодного модуля. На фигуре (2) показан светодиодный модуль с низкопрофильными контактами питания в виде токопроводящих компонентов поверхностного монтажа и низкопрофильными контактами питания в виде дорожек печатной платы, с микроволновой антенной для приема и передачи данных. На фигуре (3) показан светодиодный модуль с низкопрофильными контактами питания в виде дорожек печатной платы, со светодиодом для передачи данных и фотодиодом для приема данных. На фигуре (4) показан светодиодный модуль с низкопрофильными контактами питания в виде дорожек печатной платы, со светодиодом для передачи данных и микроволновой антенной в виде дорожки печатной платы для приема данных.
На фигурах (5, 7, 8, 10) показан способ укладки светодиодных модулей с чередованием направлений светодиодной поверхности
На фигурах (6, 9) показан способ укладки светодиодных модулей в одном направлении
Список фигур
1. Светодиодный модуль вид спереди.
2. Светодиодный модуль вид сзади с микроволновой антенной для передачи данных.
3. Светодиодный модуль вид сзади с фотодиодом для приема и светодиодом для передачи данных.
4. Светодиодный модуль вид сзади с микроволновой антенной для приема данных и со светодиодом для передачи данных.
5. Укладка светодиодных модулей с чередованием направлений светодиодной поверхности с расположением светодиодов между светодиодами соседнего светодиодного модуля.
6. Укладка светодиодных модулей в одном направлении с расположением электронных компонентов между светодиодами.
7. Укладка светодиодных модулей со смещением.
8. Укладка светодиодных модулей с чередованием направлений светодиодной поверхности с расположением светодиодов между светодиодами соседнего светодиодного модуля, вид сбоку.
9. Укладка светодиодных модулей в одном направлении с расположением электронных компонентов между светодиодами, вид сбоку.
10. Укладка светодиодных модулей со смещением, вид сбоку.
Список элементов, изображенных на фигурах
1. Печатная плата.
2. Светодиод.
3. Низкопрофильный контакт питания в виде дорожки печатной платы.
4. Низкопрофильный контакт питания в виде токопроводящего компонента поверхностного монтажа.
5. Светодиод оптического передатчика данных.
6. Фотодиод оптического приемника данных.
7. Микроволновая антенна.
8. Микросхема драйвер светодиодов.
Устройство
Низкопрофильный светодиодный модуль состоит из печатной платы (1) и светодиодов (2), расположенных с передней стороны печатной платы. На задней стороне печатной платы расположены низкопрофильные контакты питания (3, 4). Низкопрофильные контакты питания могут быть реализованы в виде электронных компонентов поверхностного монтажа (4), хорошо проводящих электрический ток, которые припаиваются к печатной плате, или в виде дорожек печатной платы (3) с отсутствием электроизолирующего покрытия. Низкопрофильные контакты питания (3, 4) равномерно распределяются по поверхности печатной платы, что снижает плотность тока в дорожках печатной платы, рядом с ними и устраняет возможный перегрев печатной платы.
На задней стороне печатной платы размещаются приемники данных, предназначенные для приема видеоданных, используемых для отображения светодиодным модулем. Приемники данных могут работать в оптическом или микроволновом диапазоне электромагнитных волн. Приемники данных состоят из приемного устройства и демодулятора. Оптические приемники данных используют в качестве приемного устройства модулированного оптического излучения фотодиоды (6). Микроволновые приемники данных используют в качестве приемного устройства модулированного микроволнового излучения низкопрофильные микроволновые антенны (7). Демодуляторы усиливают входящий сигнал, полученный из приемного устройства, выделяют из него полезный сигнал, который преобразуют в цифровую форму.
На задней стороне печатной платы размещаются передатчики данных, предназначенные для обеспечения обратной связи с центральным видеоконтроллером и передачи служебной информации. Передатчики данных состоят из модулятора цифрового сигнала и передающего устройства. Для оптической передачи данных посредством модулированного оптического излучения в качестве передающего устройства могут использоваться один или несколько светодиодов (5). Для микроволновой передачи данных в качестве передающего устройства может использоваться одна или несколько низкопрофильных микроволновых антенн (7). Модуляторы преобразуют входной цифровой сигнал в аналоговый сигнал, пригодный для передачи через передающее устройство, а также усиливают его до необходимого уровня.
Одна низкопрофильная микроволновая антенна (7) может использоваться для приема и передачи данных посредством модулированного микроволнового излучения. Микроволновая антенна (7) может быть реализована в виде дорожки печатной платы или виде плоского компонента поверхностного монтажа, припаянного к печатной плате.
Для программирования внутреннего контроллера светодиодный модуль может содержать низкопрофильные разъемы. С задней стороны светодиодного модуля расположен видеоконтроллер, который управляет светодиодным модулем. С задней стороны также расположены микросхемы драйверов светодиодов (8), которые управляют светодиодами (2).
Для обеспечения плотной упаковки светодиодных модулей, в которой светодиодные поверхности всех светодиодных модулей направлены в одну сторону, при проектировании светодиодных модулей размещение электронных компонентов с задней стороны печатной платы (1) выбирается таким образом, чтобы при упаковке эти электронные компоненты размещались между светодиодами (2).
Для обеспечения плотной упаковки светодиодных модулей со встречным расположение светодиодных поверхностей при проектировании светодиодных модулей размещение светодиодов (2) на поверхности печатной платы (1) выбирается таким образом, чтобы при упаковке светодиоды (2) соседних светодиодных модулей располагались между друг другом, а размещение электронных компонентов с задней стороны печатной платы (1) светодиодных модулей выбирается таким образом, чтобы при упаковке электронные компоненты соседних светодиодных модулей размещались между друг другом.
Устройство изготавливается следующим образом:
Светодиодный модуль представляет собой печатную плату (1) с припаянными спереди светодиодами (2), с расположенными сзади печатной платы (1) микросхемами драйверами светодиодов (8) и другими электронными компонентами. Светодиодные модули изготавливаются с помощью стандартных промышленных методов сборки электроники.
Сначала изготавливается печатная плата (1). На печатную плату (1) наносится паяльная паста. Далее на печатную плату устанавливаются электронные компоненты (2, 4, 5, 6, 8) с помощью машин размещения компонентов поверхностного монтажа. Затем плата проходит в печь для оплавления припоя, где припой расплавляется и электронные компоненты (2, 4, 5, 6, 8) припаиваются к поверхности печатной платы (1). С другой стороны печатной платы (1) проделывается такая же операция, только температура плавления припоя выбирается ниже, чем с передней стороны, чтобы уже припаянные электронные компоненты (2, 4, 5, 6, 8) не отпаивались.
Низкопрофильные контакты питания в виде компонентов поверхностного монтажа (4) могут изготавливаться из металлической ленты методом штамповки. Низкопрофильные контакты питания в виде дорожек печатной платы (3) формируются при травлении печатной платы (1). Для улучшения токопроводности на поверхности низкопрофильных контактов питания (3, 4) наносится гальваническое покрытие, не подверженное окислению.
После сборки светодиодного модуля происходит программирование внутренних микросхем через низкопрофильный разъем программирования, а также автоматическое тестирование работоспособности светодиодного модуля.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
Низкопрофильные светодиодные модули используются в светодиодных экранах, где обмен данными с центральным контроллером идет по беспроводным каналам связи. В таких экранах для питания провода не используются. Светодиодные модули получают питание через профильные элементы корпуса, которые находятся в электрическом контакте с низкопрофильными контактами питания (3, 4) светодиодных модулей.
Приемники данных светодиодных модулей могут принимать микроволновый сигнал с помощью низкопрофильных микроволновых антенн (7) или оптический сигнал с помощью фотодиодов (6). Принятый сигнал с помощью демодулятора переводится в цифровую форму. Далее контроллеры светодиодных модулей преобразуют входящий сигнал в последовательность импульсов, управляющих драйверами светодиодов (8). Драйверы светодиодов (8) регулируют силу тока, проходящего через светодиоды (2) в соответствии с управляющим сигналом, формируя картинку видеоизображения на светодиодной поверхности.
Для транспортировки светодиодных модулей используется упаковка высокой плотности. Первый способ плотной упаковки низкопрофильных светодиодных модулей (фигуры 6, 9): светодиодные модули укладываются один за другим последовательно, при этом светодиодные поверхности светодиодных модулей направлены в одну сторону, а электронные компоненты светодиодных модулей (8) размещаются между светодиодами (2) соседних светодиодных модулей. Второй способ плотной упаковки низкопрофильных светодиодных модулей (фигуры 5, 7, 8, 10): светодиодные модули укладываются с чередованием направления светодиодной поверхности таким образом, что светодиодные поверхности соседних светодиодных модулей направлены навстречу друг другу, а светодиоды (2) светодиодных модулей размещаются между светодиодами (2) соседних светодиодных модулей.
При упаковке в коробки светодиодные модули могут поворачиваться по оси, перпендикулярной поверхности предыдущих светодиодных модулей, на 90 или на 180 градусов или смещаться вдоль поверхности предыдущих светодиодных модулей, для размещения электронных компонентов между электронными компонентами предыдущего светодиодного модуля. Между светодиодными модулями прокладывается полимерная пленка, которая предотвращает повреждение светодиодных модулей из-за трения друг о друга при транспортировке.