Exakte RGB-Farbbestimmung

Berechnung des Treiberstroms

Um einen echten Weißpunkt und eine exakte Farbwiedergabe in Halbleiter-Displays zu erzeugen, müssen die Treiberströme für die LEDs von einem neuen RGB-Mischungsverhältnis abgeleitet werden. Dieses muss mit den chromatischen Koordinaten der tatsächlich in der Anzeige eingesetzten LEDs und dem gewünschten Zielweißpunkt neu berechnet werden. Das RGB-Mischungsverhältnis kann genau so wie bei den Farbbildröhren abgeleitet werden.

In vielen Fällen (so auch in diesem Beitrag) können die Werte mit Hilfe spezieller Tabellen für Entwickler oder verfügbarer Software abgeleitet werden. Sollte keines dieser Hilfsmittel zur Verfügung stehen, kann das genaue RGB-Mischungsverhältnis nach dem sogenannten „Center of Gravity“-Verfahren berechnet werden (ein durchgerechnetes Beispiel findet sich hier).

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Tabelle 2. CIE-1931-Koordinaten gängiger Ziel-Weißpunkte/Standard-Normlichtarten.

In unserem Beispiel benutzen wir für die Treiberstrom-Berechnung die Daten der Tabelle 2. Diese enthält die Koordinaten von gängigen Standard-Normlichtarten, die als Ziel-Weißpunkt für die RGB-Mischungsberechnung genutzt werden.

Sobald das RGB-Mischungsverhältnis für eine spezielle LED-Kombination und die Normlichtart des Ziel-Weißpunktes abgeleitet wurde, können wir den Treiberstrom für die roten, grünen und blauen Emitter bestimmen, um daraus das Weiß zu erzeugen, das dem Ziel-Weißpunkt ähnlich ist. Die Vorgehensweise für die Ableitung der RGB-Treiberströme aus dem Mischungsverhältnis wird in den folgenden Schritten beschrieben.

In fünf Schritten zum Treiberstrom

Für die nachfolgenden Berechnungen gehen wir von einer gewünschten Ziel-Leuchtdichte (nits) eines RGB-LED-Anzeigen-Displays von 8.000 cd/m² mit einem Pixelraster von 12,5 mm aus.

Schritt 1:

Für die Berechnung der RGB-Mischungswerte entnehmen wir das RGB-Mischungsverhältnis aus den Daten von Tabelle 1:

• RGB-Mischungsverhältnis = 4,1 : 10,6 : 1,0
• Summe des RGB-Mischungsverhältnisses = (4,1 + 10,6 + 1,0) = 15,7

Wie bereits erwähnt, können diese Werte auch von den CIE-1931-Koordinaten der Ziel-Normlichtart und den RGB-LEDs der Anzeige abgeleitet werden - entweder nach dem „Center of Gravity“-Verfahren oder, falls möglich, über die Design-Software.

Schritt 2:

Aus dem Datenblatt jeder LED übernimmt man den Wert für die typische Lichtstärke von Rot, Grün und Blau. In unserem Beispiel sind die Werte für die LEDs bei Rot 622 nm, Grün 530 nm und Blau 465 nm wie folgt:

• Rot: 0,745 cd
• Grün: 1,60 cd
• Blau: 0,38 cd

Schritt 3:

Berechnung der Ziel-Helligkeit pro Pixel unter Verwendung der gewünschten Ziel-Leuchtdichte (Target Luminance, TL) und des Pixel-Abstands (PP) in Millimeter durch die Formel:

• Ziel-Helligkeit = TL × (PP/1.000)²cd = 8.000 × (12,5/1.000)²cd = 1,25 cd

Schritt 4:

Berechnung der entsprechenden Lichtstärke für die roten, grünen und blauen Emitter mit folgender Formel:

• (R, G oder B Mischungsverhältnis/Summe des RGB-Mischungsverhältnisses) × Ziel-Helligkeit (cd)

Rot = (4,1/15,7) × 1,25 = 0,3264 cd
Grün = (10,6/15,7) × 1,25 = 0,84395 cd
Blau = (1,0/15,7) × 1,25 = 0,0795 cd

Schritt 5:

Bestimmung des Treiberstromes, um die gewünschte Lichtstärke mit dem Treiberstrom über der Kurve der Lichtausbeute zu erzielen, die im LED-Datenblatt angegeben ist.

Den die Größe des erforderliche Treiberstroms entnimmt man aus einem Diagramm, das vom Hersteller für die auswählte LED zur Verfügung gestellt wird. Dieses stellt für jede Farbe den (nichtlinearen) Verlauf der  Lichtstärke über dem Treiberstrom dar. Aus dem Diagramm wird zu den berechneten relativen Lichststärken (Relative Luminous Intensity) für jede Farbe der zugehörige Treiberstrom abgelesen. In unserem Fall sind dies:

• Rot: ~ 8,8 mA
• Grün: ~10,5 mA
• Blau: ~4,2 mA

Diese Ströme werden für die Bestimmung der Werte der Hardware-Komponenten genutzt, um die Vorspannung der Treiber-ICs einzustellen. Die variablen Werte werden für die Definition des Ausgangsbereiches der LED Treiber-Software genutzt.

Das Beispiel zeigt die Herausforderungen, einen akkuraten Ziel-Weißpunkt für LED-Displays als Ergebnis der spektralen Eigenschaften roter, grüner und blauer LEDs für elektronische Anzeigen zu erzeugen, wenn diese nicht mit den Phosphoren traditioneller Farbbildröhren übereinstimmen. Wird das übliche Verhältnis 3 : 6 : 1 genutzt, ergibt sich ein ungenau definierter Weißpunkt, und für jede Applikation muss ein neuer Verhältniswert berechnet werden.

Diese Berechnungen sind auch dann erforderlich, wenn Weißpunkt und Leuchtdichte individuell nach Kundenwunsch für spezielle Designs benötigt werden. In diesen LED-Designs muss das Mischungsverhältnis auf der Basis der spezifischen spektralen Charakteristika des von den R-, G- und B-Emittern abgestrahlten Lichtes berechnet werden. Danach wird der Treiberstrom jedes einzelnen Bauteiles ermittelt.

Das direkte Verfahren ist ein wichtiges Tool bei der Entwicklung von Vollfarben-Anzeigen. So lassen sich LEDs und Treiberwerte wählen, die den Leistungsanforderungen optimal entsprechen. Mit dieser Methode können auch schnell das RGB-Mischungsverhältnis und die Treiberströme neu berechnet werden, wenn sich ein (oder mehrere) Parameter ändern sollte(n).

1. Exakte RGB-Farbbestimmung
2. Berechnung des Treiberstroms
3. Die »Center of Gravity«-Methode

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