Anatomia e fisica di un LED wall:
cosa succede dietro il pixel.

1. La matrice, il multiplexing e i registri a corrente costante

Un modulo LED non è una fila di sorgenti indipendenti: è una matrice a righe e colonne. Le colonne portano i canali di corrente — tre per pixel, uno per colore — e le righe sono selezionate a turno da interruttori di potenza. In un modulo ad anodo comune le righe portano il positivo attraverso un MOSFET di canale P e i driver di colonna tirano a massa (funzionamento sink); in un modulo a catodo comune avviene l'opposto: le righe vanno a massa e i driver erogano corrente dall'alto (source).

La distinzione non è un dettaglio di schema. Un package a catodo comune vuole un driver source e uno ad anodo comune un driver sink: sbagliare l'abbinamento non degrada la resa, non accende il pannello — e nessuno dei due datasheet lo dice, perché ognuno parla del proprio pezzo.

Il fattore di scansione e il duty cycle

Con uno scan 1/S ogni riga resta accesa per una frazione 1/S del tempo di fotogramma. Un pannello di H righe organizzato a 1/S ha H/S blocchi, e in ogni istante è acceso un rigo per blocco: sono H/S righe accese contemporaneamente. Da qui discende il numero di canali di driver che il modulo deve avere:

E da qui discende anche la corrente. Per ottenere una data luminanza media, il LED va pilotato con una corrente di picco pari al valore medio moltiplicato per S:

Qui sta la trappola più cara del capitolo. La corrente impulsiva massima dichiarata dai costruttori di package — 150 mA sul rosso e 110 mA su verde e blu, per citare i valori pubblicati da Nichia sulla serie NSSM432A — vale solo entro il duty dichiarato, che nei datasheet di Nichia e Nationstar è tipicamente minore o uguale a 1/10. Uno scan 1/8 corrisponde al 12,5%: è già fuori da quel limite. Su quel pannello il tetto vero non è la corrente impulsiva, è la corrente continua massima — 50 mA sul rosso, 35 mA su verde e blu. Chi legge «tanto è a impulsi» e dimensiona sull'impulsiva sta progettando un modulo che funziona il primo anno.

I registri a corrente costante

I driver di colonna sono shift register a corrente costante: si caricano in serie (dato, clock, latch), si abilitano con l'output enable e sono concatenabili — l'uscita seriale di uno entra nell'ingresso del successivo. La corrente di ciascun canale è fissata da una resistenza esterna e regolabile via registro interno (il current gain, oggi a 6 o 8 bit), che è ciò che rende possibile la calibrazione punto per punto.

I parametri che separano un integrato di fascia alta da uno economico sono quattro, e nessuno è la frequenza dichiarata:

Esiste anche il pilotaggio statico, senza multiplexing: ogni LED ha il proprio canale acceso in permanenza (MBI5124, MBI5043). È l'architettura più semplice e la più onerosa in numero di canali; i costruttori la propongono per insegne e display commerciali, non per un ledwall che deve reggere una scena scura. Sul piano concettuale è il punto in cui il ledwall si avvicina di più alla striscia indirizzabile — ed è l'unico.

2. Scala di grigi a 16 bit e refresh oltre 3.840 Hz: perché non si ottengono contando

Il modo ingenuo di produrre una scala di grigi a n bit è contare: si accende il LED e si conta fino al valore richiesto, su un totale di 2ⁿ tacche di clock. Con questa architettura la frequenza di fotogramma è vincolata:

La soluzione industriale si chiama Scrambled PWM (S-PWM). La durata totale di accensione non cambia — e quindi non cambia la luminanza — ma viene spezzata in molti segmenti distribuiti lungo il fotogramma: invece di un impulso lungo all'inizio, il LED lampeggia molte volte in modo che l'occhio e la telecamera vedano una frequenza multipla di quella di fotogramma. Il driver mantiene il fotogramma in una SRAM interna e lo riemette localmente: è questa memoria a disaccoppiare il refresh dalla banda dati in ingresso.

Con i dati di catalogo il conto torna. ChipOne dichiara sull'ICND3069 un clock di scala di grigi a 300 MHz: a 16 bit e scan 1/32 la frequenza di fotogramma di base è 300.000.000 / (65.536 × 32) ≈ 143 Hz. Spezzando in 32 segmenti si arriva a 143 × 32 ≈ 4.578 Hz di refresh visivo. Lo stesso schema su un driver con clock da 30 MHz darebbe 458 Hz: inutilizzabile. La frequenza dichiarata senza il clock e senza i bit non è un dato.

Sopra l'S-PWM le serie di punta aggiungono la modulazione di ampiezza combinata al PWM: il MBI5292 dichiara 19 bit fra PAM e PWM e la correzione della deriva di colore sui bassi grigi. È lì che un ledwall si giudica — non sul bianco, che riesce a chiunque, ma sul nero e sui primi gradini sopra il nero, dove la calibrazione del bianco non arriva.

Telecamere, otturatore e bande orizzontali

Una telecamera integra la luce per il tempo di posa t. Il numero di cicli di refresh che cadono dentro quella finestra è

Con un sensore a otturatore elettronico progressivo (rolling shutter) righe diverse dell'immagine vengono esposte in istanti diversi: se il residuo non è trascurabile, righe diverse raccolgono quantità di luce diverse e compaiono le bande orizzontali che scorrono. Sotto i cinque cicli per posa il fenomeno diventa visibile; sopra i dieci si perde nel rumore. È esattamente la ragione per cui il broadcast e lo slow-motion 4K chiedono 7.680 Hz e non 3.840, e per cui l'S-PWM non è un vezzo di marketing: senza la suddivisione in segmenti, la frequenza che la telecamera vede sarebbe quella di fotogramma, cioè un centinaio di hertz.

Il secondo effetto è il ghosting: alla commutazione di riga, la capacità parassita delle linee mantiene per un istante una tensione sufficiente ad accendere debolmente i LED della riga successiva. I driver lo contrastano con la pre-carica e i circuiti di de-ghosting — ma quelle funzioni le deve implementare anche il controller. Un driver di prima scelta su un sistema di controllo che non lo pilota lavora come uno da pochi centesimi, e sul preventivo si legge lo stesso nome.

3. 3,8 V, 4,2 V, 5 V: la fisica della tensione diretta e il calore del driver

La domanda che arriva sempre da chi progetta elettronica di potenza è perché un carico da centinaia di watt viaggi a meno di cinque volt, con tutte le conseguenze che questo comporta sulle correnti. La risposta è in due parti.

Perché i LED non si possono mettere in serie

In una striscia di illuminazione i LED si raggruppano in serie di tre o sei e la striscia lavora a 12 V, 24 V o 48 V: la corrente cala e i cavi si assottigliano. In un ledwall ogni singolo die deve avere il proprio PWM indipendente, perché è così che si forma la scala di grigi e la calibrazione pixel per pixel. Due die in serie condividerebbero la corrente e quindi la modulazione: sarebbero un pixel solo. La serie non è disponibile, e la tensione di alimentazione deve stare appena sopra la tensione diretta del colore più esigente.

La tensione diretta dipende dal materiale, non dal marchio

Il driver di colonna è un regolatore lineare: non commuta, non recupera nulla. Tutto ciò che non cade sul diodo cade su di lui.

Il conto su un metro quadro reale

Ipotesi dichiarate: pannello outdoor P3.91 (65.410 pixel/m²), scan 1/8, correnti impulsive 15 / 8 / 5 mA su rosso, verde e blu — i valori di prova con cui i cataloghi dichiarano circa 5.000 nit su quel passo e quello scan — e tensioni dirette 1,9 / 3,0 / 3,1 V. La corrente media per colore è il picco diviso per il fattore di scan:

• Rosso: 65.410 × 15 mA / 8 = 122,6 A/m²
• Verde: 65.410 × 8 mA / 8 = 65,4 A/m²
• Blu: 65.410 × 5 mA / 8 = 40,9 A/m²

La potenza che finisce nei diodi — cioè quella che produce luce — è la stessa in tutti gli scenari: 1,9×122,6 + 3,0×65,4 + 3,1×40,9 = 556 W/m². Cambia solo dove finisce il resto:

Stessa luce, tre bollette e tre temperature diverse. Il passaggio da 5,0 a 3,8 V toglie 275 W/m² di calore; il catodo comune ne toglie altri 123, perché il canale rosso — che è quello che tira più corrente e ha la tensione diretta più bassa — riceve un rail proprio a 2,8 V invece di bruciare 1,9 V per ogni ampere. È anche la ragione per cui i driver a catodo comune (MacroBlock MBI5756 e MBI5754, ChipOne ICND3069, che dichiara alimentazione da 2,8 a 4,2 V) sono source e vogliono package a catodo comune: sono un'architettura, non un'opzione da spuntare a valle.

4. LED wall contro strip indirizzabili: due paradigmi, non due misure

Le strisce a pixel indirizzabili — WS2812B e WS2813, UCS1903 e UCS1913, SK6812 — hanno reso ovvia un'idea che nel ledwall non è vera: che ogni pixel sia un dispositivo autonomo. In quelle strisce il controller è dentro il package, insieme ai tre die. Riceve 24 bit su un unico filo, li trattiene, rigenera il segnale e passa il resto al vicino; poi genera il proprio PWM in modo continuo e indipendente da chiunque altro.

La differenza che riassume tutte le altre è la sincronizzazione. Una parete di strip indirizzabili non ha un istante comune: ogni chip conta per conto proprio, quindi non esiste il genlock, non esiste una fase di refresh e non esiste un modo di riprenderla con una telecamera senza artefatti. Un ledwall è un unico dispositivo temporale, e questo è il motivo per cui costa e per cui è l'unico dei due che si può mettere davanti a una regia.

Il che non toglie nulla alle strisce, che nel loro campo sono la scelta giusta: profili architettonici, contorni, media-facade a bassissima risoluzione, effetti lineari. È un mestiere diverso, con componenti diversi — le strisce di illuminazione professionale a 24 o 48 V con driver a corrente costante e controllo DALI o Casambi non sono nemmeno lo stesso oggetto delle strisce a pixel di cui si parla qui.

5. Correnti, piani di rame, sezioni dei cavi — e perché l'alimentatore esiste ancora

Riprendiamo il conto della sezione 3 e portiamolo al cabinet. Un cabinet 500×500 mm è un quarto di metro quadro: a 870 W/m² di picco assorbe 217 W, che a 3,8 V sono 57 A. Un cabinet 500×1.000 mm arriva a 435 W e 114 A, normalmente ripartiti su due alimentatori. Le cifre di targa che si leggono sui datasheet degli alimentatori per ledwall — 200 W, 300 W, 400 W a 4,2 V, cioè 48, 71 e 95 A — non sono un'esagerazione commerciale: sono il carico vero.

La caduta di tensione non è una perdita, è un limite funzionale

Con un rail a 3,8 V e un driver che ha bisogno di 0,3–0,5 V di margine per regolare la corrente, il bilancio disponibile per le cadute è di poche decine di millivolt. Non è un problema di rendimento: sotto quel margine il driver esce dalla regione di regolazione, la corrente cala e il modulo si smorza — tipicamente nella zona più lontana dal punto di alimentazione, e prima sul canale che tira di più. Il sintomo è un gradiente di luminosità con deriva cromatica, e non ha nulla a che vedere con i LED.

Il conto è quello di sempre, R = ρ × L / A, con ρ del rame pari a 0,0172 Ω·mm²/m:

L'ultima riga contiene tutta l'architettura di un cabinet. La bassa tensione non si distribuisce: si genera dove serve. Sull'impianto viaggia la rete a 230 V, dentro il cabinet l'alimentatore sta a venti o trenta centimetri dai moduli, i conduttori sono corti e sovradimensionati, e i piani interni del PCB sono usati come conduttori di potenza cuciti da via multiple invece che come semplici masse.

Perché ci sono ancora gli alimentatori, e quali fasce esistono

La domanda ha una risposta secca: non esiste un convertitore per pixel. Il driver è lineare per costruzione, quindi ha bisogno di un rail già basso, stabile e a bassa impedenza; qualcuno deve convertire i 230 V alternati in quel rail, e l'unico posto sensato in cui farlo — visto il conto qui sopra — è dentro il cabinet. Un alimentatore da ledwall è quindi un componente di progetto, non un accessorio. Le fasce si distinguono su cinque numeri:

• Rendimento, tipicamente fra l'85% e il 94%. Su 870 W/m² la differenza fra 87% e 93% è circa 65 W/m² di calore in più dentro un contenitore chiuso, per tutta la vita dell'impianto. ⚠️ Il rendimento non è la durata: esistono alimentatori che durano dieci anni con un rendimento del 50%. Si risparmia all'acquisto e si paga in corrente, tutti i giorni.
• Fattore di potenza, da 0,90 a 0,98 con PFC attivo. Non cambia i kWh attivi ma alza la corrente in linea a parità di potenza utile: cavi più grossi, più perdite e, su un contratto business, il rischio di penali per energia reattiva.
• Uscita singola o doppia. L'architettura a catodo comune richiede un alimentatore a due rail (tipicamente 2,8 e 3,8 V): non è una preferenza, è la condizione perché quei 123 W/m² di risparmio esistano.
• Declassamento: si dimensiona con almeno il 20% di margine sulla potenza di picco, perché la potenza massima è quella del bianco pieno ed è la condizione in cui l'impianto deve continuare a funzionare, non quella in cui va in protezione.
• Vita dei condensatori alla temperatura di lavoro, che nella pratica è il parametro che decide quando l'impianto avrà bisogno di manutenzione. Torna nella sezione 8.

Sui nostri capitolati queste voci non sono lasciate al fornitore: dal tier Silver in su i ledwall sono assemblati su nostra specifica, dal chip LED alla viteria, passando per driver, alimentatori, cablaggi interni e calibrazione. Bronze ed Essential no: sono prodotti di serie, selezionati e sottoposti allo stesso collaudo in ingresso, ma non nascono da una nostra distinta — e dirlo in entrambe le direzioni fa parte della descrizione, non è una cautela. Il dettaglio dei livelli sta nella pagina dei sei tier.

6. Stress termico: derive cromatiche, gradienti e fatica dei giunti

Perché il bianco vira, e vira verso il freddo

Nei moduli RGB a emissione diretta non c'è fosforo di conversione: i tre colori escono da due famiglie di semiconduttori diverse, e le due famiglie non reagiscono al calore nello stesso modo. Il rosso AlGaInP perde intensità nell'ordine dello 0,5–1% per grado centigrado e sposta la lunghezza d'onda di picco verso il rosso profondo; il verde e il blu InGaN perdono un quinto o un decimo di quel valore.

Ne discendono due conseguenze operative. La prima: una calibrazione fatta a schermo freddo calibra uno stato che l'impianto non occupa mai — va eseguita a regime termico, dopo un'accensione prolungata a bianco pieno, ed è il motivo per cui il protocollo di collaudo prevede la misura dopo oltre sessanta minuti continui e non nei primi secondi. La seconda: i gradienti contano quanto le temperature assolute. Un cabinet al centro di una parete grande è circondato da altri cabinet caldi e non ha aria libera su nessun lato; uno al perimetro convette da due lati. Dieci o quindici gradi di differenza fra centro e bordo si vedono come una macchia colorata a forma di schermo, e nessuna taratura eseguita modulo per modulo la corregge.

La fatica dei giunti di saldatura

L'altro effetto del calore non è istantaneo: è ciclico. Il corpo del package (resina epossidica o PPA) e il laminato FR4 hanno coefficienti di dilatazione termica diversi, quindi ogni accensione e spegnimento carica meccanicamente il giunto di saldatura. La relazione di Coffin–Manson descrive la fatica a basso numero di cicli:

In un impianto pubblicitario esterno i cicli non sono solo le accensioni: sono anche l'irraggiamento solare del mattino e il raffreddamento notturno, cioè almeno un ciclo profondo al giorno oltre a quelli di esercizio. È la ragione per cui un profilo di declassamento della luminanza — far lavorare lo schermo al 60–70% del massimo invece che al 100% — non è una rinuncia estetica: è ciò che sposta il ginocchio della curva di vita, perché agisce insieme sulla temperatura media e sull'ampiezza dell'escursione. Sugli impianti DOOH la stessa leva serve anche a rispettare i limiti di luminanza notturna.

7. Diagnostica: dal sintomo alla topologia

Un ledwall si diagnostica prima con le immagini di prova e poi con il cacciavite. Il motivo è che la matrice multiplexata trasforma ogni guasto elementare in una figura geometrica riconoscibile: il sintomo dice dove guardare, e chi apre il cabinet senza averlo letto smonta il pezzo sbagliato. Le immagini che servono sono cinque: rosso pieno, verde pieno, blu pieno, bianco pieno e una rampa di grigi con i primi gradini sopra il nero.

Prevenzione: quello che si decide prima e non si corregge dopo

• Protezione superficiale coerente con l'ambiente. Per gli esterni e per gli ambienti umidi la resinatura (GOB) o un rivestimento conforme cambiano il modo di guasto più della classe IP dichiarata, che riguarda l'involucro e non il circuito.
• Non alimentare un cabinet freddo e umido. La condensa si forma quando la superficie è sotto il punto di rugiada: accendere in quel momento significa polarizzare un circuito bagnato, cioè innescare esattamente la migrazione descritta sopra. Sugli impianti esterni la gestione della respirazione del cabinet e delle resistenze anticondensa vale più di un grado di protezione in più sulla targa.
• Declassamento della luminanza come impostazione predefinita, non come rimedio.
• Raffreddamento passivo dove si può. Il ventilatore risolve il calore e apre due problemi: è un componente con cuscinetti e vita finita, e ogni presa d'aria è un ingresso per polvere e umidità — cioè è in conflitto diretto con la protezione dell'involucro. Il raffreddamento passivo chiede più superficie e più rame, che sono un costo di progetto, non un costo ricorrente.
• Lotto di scorta dello stesso binning cromatico, accantonato alla fornitura. Un modulo sostitutivo comprato tre anni dopo è della stessa serie e di un altro bin: si vede.

8. Misurare l'efficienza reale e ipotizzare la durata

Tutto quanto sopra converge in due domande che un capitolato dovrebbe porre e quasi mai pone: quanta luce dà davvero per ogni watt, e per quanto tempo continuerà a darla. Nessuna delle due si risponde con una brochure.

L'efficienza: la grandezza giusta e le condizioni giuste

La grandezza da misurare è la luminanza per unità di potenza a superficie — candele al metro quadro divise per watt al metro quadro — e va rilevata in tre condizioni dichiarate: 100% di bianco, a regime termico e alla tensione di alimentazione reale. Un valore misurato nei primi trenta secondi può superare del 30–50% quello stabile, ed è la differenza fra i nit di targa e i nit che l'impianto avrà in agosto.

La durata: cosa si estrapola e cosa non è lecito estrapolare

Sul package LED il riferimento sono i dati di prova LM-80 del costruttore e l'estrapolazione TM-21 verso L70 o L90. ⚠️ TM-21 pone un limite esplicito: non si estrapola oltre sei volte la durata della prova. Un dato «100.000 ore» ricavato da 6.000 ore di prova è fuori dal metodo, e chi lo cita di solito non ha letto la nota.

Sull'alimentatore il calcolo è più semplice e quasi sempre più vincolante, perché la vita è dominata dai condensatori elettrolitici e segue la regola dei dieci gradi:

A questi si aggiungono le prove accelerate che separano un fornitore serio da uno che risponde per analogia: 85 °C e 85% di umidità relativa sotto polarizzazione per la tenuta all'ambiente, e cicli termici fra −40 e +85 °C per la fatica dei giunti di cui alla sezione 6. E infine il metodo meno elegante e più informativo di tutti: misurare il lotto al ricevimento e rimisurarlo dopo qualche migliaio di ore reali. Una pendenza misurata su due punti propri vale più di qualunque curva pubblicata su un catalogo che nessuno ha verificato — ed è anche l'unico modo di consegnare a un committente un numero su cui si possa mettere una firma.