LED Videwalls

LED Displays und ihre Funktionsweise

In der Beleuchtungstechnik und Lichttechnik ist LED schon längst nicht mehr wegzudenken. Aber auch LED-Videowände werden immer populärer. Die Bildauflösung hängt von der Pixeldichte ab. Je mehr Pixel auf einer bestimmten Fläche vorhanden sind, desto höher ist die Bildauflösung der Videowand.

Hochauflösende 8k/4k-LED-Wand mit einem Pixelabstand von 1,2 mm auf der ISE 2016 bei der Lang AG
Hochauflösende 8k/4k-LED-Wand mit einem Pixelabstand von 1,2 mm auf der ISE 2016 bei der Lang AG

Meistens sind LED-Videowände aus Modulen aufgebaut. Anders als bei LCD und Quantrum Dot erzeugen LED-Displays (nicht zu verwechseln mit TFT-Displays mit LED-Backlight) das erforderliche Licht selbst. Sie sind nämlich aus einzelnen punktförmigen anorganisch einkristallinen Leuchtdioden (LED) zusammengesetzt.

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Funktionsprinzip der Lichterzeugung bei LED

Die LEDs selbst bestehen im Wesentlichen aus sogenannten p- und n- dotierten Halbleiterschichten. Die p-Schicht weist sogenannte Löcher n (fehlende Elektronen) auf, während die n-Schicht überdotiert ist. Bei Anlegen einer genügend großen Spannung überschreiten die n-Elektronen die zwischen p und n liegende Barriere, wobei elektromagnetische Energie und damit Photonen („Lichtteilchen“) freigesetzt werden.

Eine Leuchtdiode besteht aus mehreren Layern halbleitenden Materials. Das Material (z. B. AlGaAs oder GaASP für Rot; InGaN, GaP für Grün, ZnSe, InGaN für Blau) bestimmt die Wellenlänge und damit die Farbe des emittierenden Lichts, jedoch in einem sehr schmalen Wellenlängenbereich. Dieses monochromatische Licht kann im leichten UV-, Infrarot-, oder sichtbarem Bereich stattfinden. Mischfarben lassen sich mittels Verwendung und verschiedener LED-Anordnungen und deren Ansteuerung oder den Zusatz von Leuchtstoffen auf den Chips erzeugen.

Weißes Licht

Zur Erzeugung von weißem Licht gibt es zwei Methoden: die Photolumineszenz und die additive Farbmischung. Die additive Farbmischung ist hinreichend bekannt. In der einfachsten Form werden mit RGB-LEDs weiß und alle Mischfarben erzeugt. Man braucht hier also mindestens 3 Dioden, um Weiß darzustellen. Bei allen Video-Outdoor-Modulen wird die RGB-Bestückung eingesetzt.

Je höher die Auflösung und je größer die Bildwand umso mehr Dioden plus Ansteuerungstechnik sind vonnöten. Bei der Photolumineszenz wird oberhalb der blauen LED eine dünne Phosporschicht aufgetragen. Das kurzwellige und energiereiche Licht der LED regt die Phosporschicht zum Leuchten an, die energieärmeres gelbes Licht abgibt. Bei diesem Vorgang wird das blaue Licht jedoch nicht vollständig verbraucht. Die dadurch entstehende Licht-Mischung erscheint als weißliches Licht.

Um einem „reinen“ Weiß möglichst nahe zu kommen, bringen Firmen wie Nichia und Osram ständig verbesserte weiße LED auf den Markt. So wird der verbleibende Blauanteil verringert und mehr ins rötliche umgewandelt, in dem man Konversationsfarbstoffe aus Seltenen Erden einsetzt.

Farbwiedergabe und Helligkeit

Wichtig für das Empfinden und noch wichtiger bei Fotografie, Videoaufnahmen und im Broadcast Bereich ist der Begriff der Farbtemperatur. Erhitzt man einen schwarzen Metallkörper, so strahlt er je nach Temperatur von Rot über Weiß nach Blau, gemessen in Kelvin.

Moderne Phosphormischungen erlauben es, LEDs in Farbtemperaturen von 2.700K, 3.000K, 4.000k bis zu 10.000k und einem Farbwiedegabeindex Ra >90 herzustellen (im Vergleich Sonnenlicht, mittags: 5.500K, abends: 15.000k, Halogenlampe: 3.000K).

Der Farbwiedergabeindex Ra (engl. CRI) gibt Auskunft über die Qualität der Farbwiedergabe von Lichtquellen. Dazu wird die Darstellung der Farbe eines Körpers zwischen der betrachteten Lichtquelle und dem natürlichen Tageslicht (100) verglichen. Bedingt durch den Produktionsprozess weisen LEDs unterschiedliche Güte und Merkmale des Farbortes und der Helligkeitsklasse auf. Diese werden selektiert und klassifiziert.

Aufbau einer LED
Aufbau einer LED mit p- und n- dotierten Halbleiterschichten. Die p-Schicht weist fehlende Elektronen auf, während die n-Schicht überdotiert ist. Bei Anlegen einer genügend großen Spannung überschreiten die n-Elektronen die zwischen p und n liegende Barriere, wobei elektromagnetische Energie und damit Photonen freigesetzt werden.

Dieser „Binning-Prozess“ wird in dem Ansi Standard (oder SDCM Wert) festgehalten. Beim genauen Analysieren der Spezifikationen einer Videowall erklären sich somit dann auch die sehr unterschiedlichen Preise von sonst auf den ersten Blick gleichen LED-Modulen. Wesentlich für die Bildqualität ist auch die Prozessorleistung, sprich die Wiedergabe von Helligkeitsstufen von RGB. 8 Bit z. B. bezeichnen pro Farbe 256 Abstufungen, d. h. 16,8 Millionen mögliche Farben.

Mittlerweile arbeiten fast alle Displays mit mindestens 10 Bit. Daneben ist noch die Bildaufbaurate von Belang. Feine Farb- und Graustufenübergänge werden besonders bei Bewegt-Bildern durch extrem kurze Bildfolgen simuliert, so dass der Prozessor die Dioden in Nanosekunden dafür schaltet. Diese einzelnen LEDs werden bei großformatigen Displays in Modulen zusammengestellt, welches den Vorteil einer nahtlosen Kaskadierung hat.

LEDs haben eine hohe Lichtausbeute bis zu 8.000 cd/m2, bieten Zuverlässigkeit auch bei schwierigen Umgebungsbedingungen, garantieren eine lange Lebensdauer von mindestens 50.000h und eine 24/7-Anwendung, jedoch nimmt die Lichtleistung über die Lebensdauer ab.

Einflüsse auf die LED-Lebensdauer

Wie bei allen Leuchtkörpern entsteht auch bei LEDs Wärme, die negativen Einfluss auf die Lebensdauer und den Lichtstrom hat. Deshalb ist es unbedingt notwendig, diese durch entsprechende Kühlkörper abzuleiten. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch der Wirkungsgrad: Je weniger Stromzufuhr, umso weniger Wärmeentwicklung, natürlich ohne Reduzierung der Helligkeit. Feuchtigkeit und chemische Einflüsse wie durch Smog und Salzwasserluft haben hauptsächlich Einflüsse auf verschiedene Verbauteile wie Metallteile, Anschlüsse, elektronische Bauteile der Module, und führen dann zum Ausfall der ganzen Wand.

Grundsätzlich gilt: Je kühler, desto länger die Lebensdauer und desto effizienter und heller die LED.

Steckbrief LED

Lichtstarke LED-Screens werden bei größeren Betrachtungsabständen im In- und Outdoor-Bereich oft in Event- und Festinstallation eingesetzt. Eine lange Lebensdauer mit 24/7-Anwendung machen LED-Videowände zum Allrounder.

In der Outdoor-Digital-Signage Branche (DOoH) gibt es ab 12 m2 Bildgröße keine Alternative. Bei Festinstallationen im Indoor-Bereich sind LED-Displays mit dem guten Kontrastverhältnis vor allem ab Größen von 100″ und mit kleinen Pixel-Pitch-Abständen bis zu 0,6 mm und damit Auflösungen von 4K eine echte Alternative zu LC-Displays. LED-Module sind fast nahtlos und einfach zu kaskadieren. Viele Module sind sogar frontseitig zu öffnen für einfachere Wartung und Service.

 

Weitere Technologie-Grundlagen finden Sie hier:

LCD

Quantum Dot

OLED

HDR

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Kommentare zu diesem Artikel

  1. hallo ich wollte fragen ob ihr mir einen kompletten guten led monitor vortrag zusammenstellen könnt, denn ich brauche die gute note! LOL! Danke!

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  2. Sehr schöne Zusammenfassung finde ich. Ich spiele viel, deswegen lohnt sich ein guter LED-Monitor immer wieder.

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