Pode ser que eu esteja enganado, mas a iluminação dos backlights das TVs com o uso de LEDs vai retirar de cena a lâmpada fluorescente do tipo CCFL a médio ou curto prazo. Só não acho possível ainda prever que tipo de LED irá ser preferencialmente usado, ou se haverá um tipo específico de LED para cada montagem.
Apesar do relativo pouco tempo de uso em TVs e do preço alto praticado pelos fabricantes de LEDs, que é repassado ao consumidor, existe uma tendência clara de substituição do backlight tradicional das telas LCD por conjuntos de LEDs, por conta de uma série de fatores, incluindo até mesmo o fator ambiental, com clara poupança de energia elétrica e diminuição de componentes poluentes.
Existe, por outro lado, uma estratégia óbvia por parte dos fabricantes de TVs, que é a de incorporar o máximo de recursos e novidades nos modelos movidos a LED, empurrando assim o consumidor que precisa de ou quer novos recursos para um gasto, de outro modo, até desnecessário.
A mudança de tecnologia e de métodos neste campo vem se alterando tão rapidamente, que eu não ficaria surpreso se o conteúdo deste texto ficasse totalmente obsoleto em cerca de seis meses, a partir de hoje.
As desvantagens da luz fluorescente
A luz fluorescente de catodo frio (Cold Cathode Fluorescent Light ou CCFL), usada nos backlights de telas LCD emite uma luz branca intensa, porém o espectro de emissão é bastante irregular (vide a figura abaixo). Além disso, para se ligar uma luz CCFL, é preciso aplicar 270 a 300 VAC (volts em corrente alternada), o que obriga o uso de um inversor de corrente (circuito que transforma, no caso, corrente contínua em corrente alternada). Uma vez acesa, a luz CCFL não se apaga mais, a não ser quando o televisor é desligado. Isto, de cara, impede a modulação de amplitude ou o desligamento sistemático do sistema de iluminação da tela. As implicações que isso irá ter para os níveis de preto serão mostradas mais adiante.
As telas de LCD recebem a luz branca do backlight e a passam para um difusor, espalhando assim a luz em cima de uma camada de cristais líquidos nemáticos. O papel desses cristais é o de deixar passar ou não a luz incidente e transmiti-la a outra camada, composta dos pixels RGB, bem antes de chegar à tela.
São esses pixels, que são construídos com a ajuda de filtros para esses comprimentos de onda (Vermelho, Verde e Azul), que ajudarão a comprometer a qualidade final da cor obtida. Este problema ocorre em função da banda passante (faixa de comprimento de onda da luz transmitida) através de cada um desses filtros, que, no caso, é muito ampla. Na prática, isto quer dizer que passam luzes de comprimentos de onda adjacentes ao comprimento de onda principal, o que é indesejável.
Note que isto é uma característica de qualquer filtro de corte. Não é possível, portanto, se conseguir uma maior seletividade nesta passagem, a não ser que fosse usado um monocromador em cada ponto de luz, o que é fisicamente impossível.
Note ainda, que apesar dessas limitações na combinação de cores e da diminuição da gama total de cores obtida desta maneira, ainda assim são poucos aqueles que conseguem visualizar os percalços das telas LCD, neste particular. Por outro lado, fica evidente que a gama de cores obtida convencionalmente, mesmo limitada, é suficiente para a reprodução satisfatória da maioria dos sinais de fonte.
A natureza eletro-ótica dos LEDs
LED é um diodo dos mais simples! Ele é formado por um semicondutor, ou seja, um fio composto por uma ou mais substâncias cujas propriedades de condutividade elétrica estão num meio termo entre um metal e um isolante. A natureza química do composto determina o comprimento de onda da luz emitido pelo LED, como, por exemplo, o arsenieto de gálio (GaAs), que emite na faixa do infra-vermelho.
A emissão de luz é possível, por causa do seguinte fenômeno: quando a corrente passa pelo semicondutor, os elétrons de certos orbitais são energizados, e saltam para um orbital mais acima. Na volta ao orbital de origem, a energia acumulada é liberada na forma de luz, de um determinado comprimento de onda.
A quantidade de energia elétrica necessária para a emissão de luz pelo semicondutor é muito baixa, motivo pelo qual os LEDs são bastante econômicos. Ao contrário das lâmpadas fluorescentes, não há necessidade de descarregar uma alta tensão para que eles acendam, o que é uma enorme vantagem na sua aplicação em aparelhos de televisão.
A estrutura típica de um LED pode ser vista na figura abaixo:
O LED é alimentado por corrente contínua e portanto dispensa o uso de um inversor. E como pode ser observado no diagrama ao lado, a luz emitida passa por um domo, que serve também de lente. Nos tipos mais simples de LEDs o domo pode ser coberto por um corante de qualquer cor, mas nos tipos mais complexos o domo pode ser impregnado por sais de algum elemento, provocando uma irradiação singular. É assim, por exemplo, que se faz um LED para luz branca, com o uso de uma camada de fósforo.
Em aplicações mais demandantes, usa-se o LED de alta potência (High Power LED ou HPLED), que emite, como o nome sugere, uma luz de grande intensidade. Este tipo de LED tem aplicação nas telas de televisão ou nos projetores de vídeo, inclusive.
A mudança para os backlights de LED
Chamados pela indústria de LED TV, o que tem irritado muito os puristas (porque TV com LED é outra coisa), a TV com backlight a base de LEDs pode ser construída de duas maneiras básicas:
1 – Arranjo de LEDs em “full array”.
O backlight deste tipo pode ser (e geralmente é) construído com uma matriz bidimensional de LEDs. Qualquer ponto da matriz pode ser identificado digitalmente através de métodos de endereçamento. Isto permite a modulação da amplitude de luz, tanto vertical quanto horizontal da matriz (“2-D color dimming”). Visto de frente, ele teria este aspecto:
A montagem na forma de uma matriz permite a iluminação diferenciada de uma área, em relação às outras. Esta modulação é chamada de “local dimming” (escurecimento local). Isto faz com o contraste dinâmico, que é a relação de amplitude entre zonas claras e escuras e conseqüentemente, o nível de preto, sejam os melhores possíveis.
O design full array com o uso de escurecimento local aparece nos modelos high-end, porém ele padece de dois problemas graves:
O primeiro se refere ao fato de que o tamanho dos LEDs é muito superior ao do pixel LCD, o que significa dizer que a luz de um único LED ilumina uma área maior do que devia. Na prática, isto significa que o escurecimento de uma determinada área da matriz, próxima a outra área mais clara, vai provocar o extravasamento de luz da segunda para a primeira (crosstalk ótico). O artefato é chamado de “blooming”, em alusão ao estufamento de áreas claras em tela escura, que ocorria nos antigos tubos CRT, quando o nível de contraste ajustado era excessivo.
Um segundo problema é o do número excessivo de LEDs usados para compor a matriz do backlight. O arranjo em si é antieconômico, gasta mais energia e aumenta desnecessariamente a profundidade do painel como um todo.
2 – Arranjo de LEDs em montagem “edge-lit” (luz nas bordas).
Claramente menos eclético que o primeiro, por não permitir o mesmo tipo de local dimming, ainda assim os painéis montados com LEDs nas bordas têm ganhado novos contornos nos modelos recentes das telas de TV. A explicação para isso está no seguinte argumento: o design e a construção do backlight são incrivelmente simplificados.
A iluminação pelas bordas não tem o mesmo tipo de crosstalk ótico das telas full-array. As suas principais limitações são consistentes com a ausência do local dimming e do menor nível de preto.
Em princípio, o escurecimento (dimming) pode ser executado em qualquer tipo de backlighting, porque se trata de uma característica dos drivers que comandam os LEDs, ou seja, nada tem a ver com o fato do arranjo ser full array ou edge-lit.
No caso da iluminação nas bordas, a luz é inicialmente direcionada ao centro da tela através de um guia ótico. Este guia é construído com fibra acrílica, porque as resinas acrílicas são excelentes dispersoras de luz. Com este arranjo, cada LED das bordas pode permanecer aceso, ao mesmo tempo em todos os outros são apagados, o que permite prever que a luz será espalhada de maneira a haver quase nenhum crosstalk ótico vertical.
Em contrapartida, a área iluminada será maior do que a necessária, impedindo assim um controle tão bom quanto o local dimming. Este detalhe torna o uso de dimming um processo, em princípio, impraticável, para a iluminação parcial da imagem.
A solução é adotar outro método de iluminação e escurecimento, de modo a manter o brilho da tela constante. Neste ponto, a tecnologia usa uma propriedade biológica da visão humana, que é a persistência de visão de uma imagem, frente a uma maior intensidade da mesma. Se alguém olhar para uma luz forte, que depois é apagada e acendida sucessivamente, o olho tende a reter a imagem da luz acesa e não ver a mesma luz apagada.
Na tela de LCD com edge-lit, cada fileira de LEDs é apagada em seqüência, de cima para baixo, numa freqüência determinada pelo driver que as modula. Este é um efeito estroboscópico, que pode ser usado em várias aplicações. Uma delas é essa de manter o brilho da tela relativamente constante. Outra é eliminar um artefato de movimento comum nas telas LCD, chamado de “blur” (“borrão”).
O borrão é derivado do fato do tempo de retenção da luz emitida, quando a camada de LCD não tem tempo de bloquear a sua passagem (tempo de resposta do cristal lento). Embora este tempo esteja hoje em níveis muito baixos (abaixo de 8 ms), o apagamento completo da emissão pelo LED do backlight elimina o problema ao invés de atenuá-lo. Freqüências na ordem de 100 Hz e acima são suficientes para conseguir um efeito estroboscópico imperceptível.
Tipos de LEDs
Para aplicações em telas LCD, retroprojetores DLP ou projetores LCD e DLP, o uso de alta potência luminosa é de particular importância. Para as montagens do tipo edge-lit, o uso de LEDs RGB em um único encapsulamento representa economia e versatilidade. Mas ele também poderá ser usado nas montagens full-array.
Uma segunda maneira de se obter um bom backlight de LED é o uso de LEDs vermelho, verde e azul separadamente. No caso dos painéis full array, a montagem terá este aspecto:
Gama de cores:
Os LEDs RGB, sejam do tipo único ou com emissões separadas, apresentam uma característica das mais interessantes: o espectro de emissão na luz visível é bastante uniforme!
Mesmo com a adição dos filtros de barreira à frente dos cristais LCD, as emissões das faixas de Vermelho Verde e Azul são significativamente mais puras do que com o uso de luz fluorescente. O gráfico acima mostra bem este efeito.
Em função disso, outra vantagem do uso de LEDs RGB é imediatamente conseguida: a gama de cores do padrão NTSC é superada em mais de 100%:
Note no diagrama de cromaticidade acima que se o LED branco (White LED ou LED com camada de fósforo no domo) ou a luz fluorescente (CCFL) estivessem em uso, a extensão da crominância seria notoriamente limitada e inferior. Na prática, isto significa que, com o uso de LEDs RGB existe maior chance de se conseguir uma imagem colorida natural e o mais próxima possível da imagem real capturada.
Os LEDs RGB têm faixas de emissão de luz que ocupam as diferentes regiões do espectro visível, de maneira uniforme, conforme mostra o diagrama de cromaticidade a seguir:
Outra abordagem, ainda mais sofisticada, é aquela proposta pela Sony, com o nome Triluminos®, onde se usa um conjunto emissor RGB composto de quatro LEDs (2 verdes somados a vermelho e azul), conforme a ilustração a seguir:
O espectro de emissão, neste caso, atinge a um nível superior ao conseguido com LEDs RGB convencionais, conforme mostra o gráfico a seguir:
Uma tecnologia relativamente recente foi desenvolvida pela Luminus, chamada de PhlatLight LED, com aplicações tanto em telas LCDs quanto em microprojetores, retroprojetores e projetores DLP:
A aplicação nos backlights do tipo edge-lit é mostrada a seguir:
O uso de backlights com LEDs nas telas LCD é acompanhada de uma série de outros melhoramentos, que se beneficiam das características elétricas e de iluminação dos mesmos, mas isto só será visto no artigo a seguir. Por favor, aguardem. [Webinsider]
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Paulo Roberto Elias
Paulo Roberto Elias é professor e pesquisador em ciências da saúde, Mestre em Ciência (M.Sc.) pelo Departamento de Bioquímica, do Instituto de Química da UFRJ, e Ph.D. em Bioquímica, pela Cardiff University, no Reino Unido.
15 respostas
O meu próprio filho, lendo o meu texto, vai chover hoje! Que pena que o resto da família não segue o seu exemplo…
Ou então, isto deve ser fruto de um comentário que eu andei fazendo de que iria dar uma pausa nas colunas (espero que não!).
Então, meu filho, não é por ser o texto do teu velho, mas olha aí como se tira dúvidas das idiossincrasias que a tecnologia tem com a gente. Acredite, a Internet foi, depois de um certo ponto da minha vida, a substituta ideal da biblioteca que eu não freqüento mais. E eu fui do tempo em que era preciso carregar um monte de livros de índices diversos para a mesa de estudo da biblioteca e garimpar a informação manualmente. Não quero nem lembrar deste tempo. E olhe como o Brasil custou a entrar na era da modernidade. A Internet entrou aqui sem ninguém fazer nada para merecê-la! Por sorte nossa, ela veio pela iniciativa do meio acadêmico, na época em que algumas pessoas de lá tinham visão sobre a distribuição de informação.
Excelente, Pai!
Parabéns.
Ricardo,
Eu tenho um amigo que não dispensa uma tela de plasma, embora ele esteja cercado de LCDs e projetores diversos.
Os argumentos que ele usa, toda vez que ele toca no assunto, e a nossa amizade de mais de vinte anos, me impedem de refutá-lo. Aliás, se ele ler isso, não vai ficar surpreso, mas eu já sei que vou ouvir de volta!…
O problema maior é que os compostos de fósforo usados em qualquer tela que tenha este tipo de excitação variam de tela para tela, e talvez por isso essa conversa que as telas de plasma são superiores cai por terra abaixo, porque as performances variam muito.
É muito fácil colocar óbices numa tela de plasma, a começar pela trama de pixels, que é particularmente grosseira. Mas, se eu fizesse isso, digamos, aqui na coluna, eu estaria sugerindo ao leitor que faça a opção pelas telas de LCD, o que não me interessa. Como professor e como pai, eu sempre advoguei o princípio pelo qual eu fui educado pelos meus pais: o da liberdade de escolha!
Cabe ao leitor e aos meus amigos, é claro, tornar essa escolha pessoal. Se isso não for interesse de algum amigo meu, e se ele/ela fizer questão da minha opinião, eu vou recomendar LCD, com as devidas explicações.
Esse meu grande amigo acha que a LCD vende mais porque é um produto de massa. Já eu acho que ela vende mais porque as pessoas conseguem ver a imagem com muito mais conforto, e isto só já é um fator psicológico importante e determinante.
As potenciais desvantagens das telas LCD têm impulsionado os fabricantes em melhorar a performance desses produtos, o que é inegável com o emprego crescente de LEDs e com os avanços nos processamentos de imagem. Em última análise, é o processador de imagem que nos traz a maior parte da qualidade que a gente vê na tela.
Muito obrigado pela resposta, Paulo Roberto. Gostei das explicações e concordo quando você se refere a subjetividade na hora de avaliar o desempenho de um equipamento de vídeo. Nem sempre um TV que seja tecnicamente perfeito será o mais agradável aos olhos de uma ou outra pessoa. É por isso que existem ferrenhos defensores desta ou daquela tecnologia. Tem gente que ama plasma, outros amam LCD … O problema reside no fato de se pensar que uma tecnologia exclui a outra. Acho que, quanto mais opções existirem, melhor fica a situação para o consumidor, que poderá escolher aquela que mais se adapta ao seu gosto, seu bolso e seu uso. Mas que plasma é melhor, isso é! rsrsrs
Olá, Ricardo,
Se você me permite dar uma opinião muito pessoal nisso, eu acho perigoso traçar este tipo de comparação. Primeiro, porque se você olhar os diagramas de cromaticidade dos diferentes displays (veja em http://www.displaymate.com/ShootOut_Part_2.htm, por exemplo), você pode ter a falsa impressão da superioridade de um sobre o outro, mas os picos de energia espectral variam também de um para o outro. Além disso, outros fatores, como a falta de linearidade na resposta do olho humano (o que torna a análise visual da imagem bastante subjetiva e pessoal) e principalmente o design dos drivers dos adaptadores de vídeo das TVs, que pode perfeitamente tornar um painel de plasma ou LCD ótimos ou umas bombas.
Supostamente, o backlight de LED RGB está mais próximo da energia espectral das telas de plasma, mas mesmo que assim o fosse, a forma de transmissão de energia luminosa é bastante diferente. Na TV de plasma a emissão se dá por excitação do fósforo debaixo de luz UV, enquanto que nas LCDs a luz que se vê é aquela incidente na tela da frente, portanto muito mais para projetada do que para emitida.
O bom senso manda que, se o usuário é mais afetivo para uma dessas tecnologias, e prefere um dado modelo de TV, ele deve ajustar a imagem da mesma de maneira a ter a cor mais natural possível. A referência, no caso, se faz às condições de luz do local onde a pessoa mora, e não à procura do branco absoluto (D65) que muitos hobbyistas procuram fanaticamente nos seus ajustes. Essa procura deixa de fazer sentido, em função do fato de que o ponto D65 (branco absoluto) do CIE 1931 é arbitrário. A prova disso é que vários trabalhos publicados demonstram que a luz artificial ambiente preferida em países ou continentes variam de um lugar para outro, ou seja, o espectro de emissão de um tipo de lâmpada é mais agradável aos olhos num país e nem tanto no outro. O que muda entre esses lugares é a luz ambiental natural, mais fria ou mais quente. E porque é que não pode ser assim com a tela de TV? Só porque os estúdios usam um determinado ajuste de branco?
Se a gente for fanático o suficiente, vai ter que ajustar o ponto de branco, e portanto a crominância como um todo, a partir de cada fonte de vídeo reproduzida. Este é, aliás, o objetivo do Optimode THX, e me pergunta se alguém hoje dá bola para isso?
Eu não uso plasma há muitos anos, não quero e não gosto. Se alguém me perguntar hoje se é melhor investir numa TV de plasma, mesmo dessas mais novas, eu responderia prontamente que se as cores e a performance agradam, porque não?
Note que, plasma ou LCD, não existe esta coisa de display perfeito. Nós, aliás, estamos agora há anos luz dos tubos, com amplas vantagens. Mas os tubos também tinham lá as suas virtudes, e se ele não ocupa mais lugar nem nos estúdios, é porque as novas telas o substituem com grandes vantagens, percebe?
Sei que é frustrante não te passar um outro tipo de opinião, mas prefiro não me arriscar numa comparação que, no frigir dos ovos, vai acabar caindo no vazio.
Antes de terminar, um conselho, se você me permite: nunca confie na imagem de uma TV dentro de uma loja! Elas são ajustadas para impressionar os olhos dos desavisados!
Um abraço e obrigado pela leitura.
Paulo Roberto, parabéns pelo artigo. Sei que o assunto não foi esgotado, mas gostaria que vc fizesse um comparativo do desempenho na reprodução de cores entre o led e o plasma. Abraço.
Oi, Paulo
Li seu belo trabalho com satisfação e entusiasmo.
Parabéns – voce entrou num tema difícil e controverso e foi fundo na matéria, graças aos seus conhecimentos técnicos, pesquisa, interesse inesgotável pelo assunto e rigor acadêmico.
E quem ganha somos nós todos, amantes do audio e
do video, da música e do cinema.
O assunto é fascinante porque dá margem a muita experimentação, e no caso dos projetores DLP, os arrays de LEDs poderão até definir um padrão comercial de exibição de video de alta qualidade.
Isto é para guardar com carinho juntamente com o próximo artigo que voce anunciou e está por vir.
Continue sempre assim.
Parabéns!
Oi, Stefano,
Que bom que você achou coisas úteis no texto. Isso me deixa com a sensação de que o esforço não foi em vão, e eu fico muito feliz de ver as pessoas conhecerem coisas novas e criarem algo com elas. Sucesso para o seu show!
Parabéns pelo artigo, ótimo. Estou pesquisando sobre iluminação com Leds para utilizar no próximo espetáculo de teatro de animação que estou montando. E esse artigo ajudou a entender melhor sobre o funcionamento da iluminação com Leds e dar algumas idéias.
Valeu!
Isso não foi um artigo…
Foi uma aula sobre LED e LCD convencional.
Sensacional!!!
😀
Nolan,
Mais uma vez eu te agradeço o incentivo, mas como já lhe disse antes, escrever um livro está totalmente fora dos meus planos.
Mesmo on-line, é muito difícil se estabelecer um nível de texto que contemple as minhas limitações e a compreensão do leitor.
O que, de certa forma, me consola é que on-line eu tenho um espaço onde o leitor pode colocar as suas dúvidas e no caso do livro não.
Editar um livro demanda a gente fazer um monte de coisas nas quais eu não tenho mais vontade de me envolver. Além disso, eu tenho tido notícias de pessoas que estão aproveitando esses textos da coluna, para orientar terceiros, e isso me gratifica o suficiente para continuar escrevendo e tocando as minhas pesquisas.
Quisera eu que a tecnologia fosse fácil. Mas, você, que é do ramo, sabe que é tudo muito críptico, mesmo para os engenheiros com experiência, como é o seu caso, por causa da distância entre os projetistas das indústrias e o público!
Já disse,Paulo,VC deveria escrever um livro com os teus artigos.Muito bom.Parabens.
caracoles!!
diante de abordagens desse tipo só podemos tirar o chapéu para a velha e boa perspectiva tecnológica sobre as coisas, que sempre nos deu muito bons frutos.
com isto, nem desprezo e nem confronto, de modo ‘terminante’, a perspectiva humanística (ou a tecnológica), ainda que tenhamos muito, diante de nós, situações em que esse confronto vem forte.
o melhor é vermos o que existe entre e que se liga, explicando mais completamente as coisas, desde essas duas perspectivas.
nem ciência absoluta, nem sem ciência.
não li tudo, mas vou ler e tenho certeza de que será muito útil.
ao webinsider, meus parabéns em ter dado espaço a um artigo como este. foi demonstração de inteligência a ‘cabeça aberta’.
obs. como arquiteto, estou sempre no meio desse ‘fogo cruzado’ do conhecimento humanístico e do tecnológico.
Nossa Paulo,
Um artigo essencialmente técnico. Vou procurar entender e digerir gradativamente.
Abraço.
Mais um ótimo artigo do Paulo.