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    【漲知識】LED顯示屏基本結構及原理

    類別:技術與產品發表于:2017-03-02 10:31

    摘要:幾十年前大型的電子顯示屏是用燈泡或照明燈構成,發展到后來的顯像管(CRT)顯示技術, LCD液晶顯示和PDP等離子顯示,主要用在運動場所轉播比賽,如今常用的電子顯示屏是LED顯示屏,LED顯示屏被證明是最可靠,高效,節能,明亮的大型電子顯示屏,在技術上也最方便實現.

        幾十年前大型的電子顯示屏是用燈泡或照明燈構成,發展到后來的顯像管(CRT)顯示技術, LCD液晶顯示和PDP等離子顯示,主要用在運動場所轉播比賽,如今常用的電子顯示屏是LED顯示屏,LED顯示屏被證明是最可靠,高效,節能,明亮的大型電子顯示屏,在技術上也最方便實現。


        LED發光技術的原理是某些半導體材料在通以電流的情況下會發出特定波長的光,這種電到光的轉換效率非常高,對所用材料進行不同的化學處理,就可以得到各種亮度和視角的LED。LED顯示屏是將LED模塊或像素管按照實際需要大小拼裝排列成矩陣,配以專用顯示電路,直流穩壓電源,軟件,框架及外裝飾等,即構成一臺LED顯示屏。


        那么什么是LED呢?L-E-D是英文Light Emitting Diode (發光二極管) 的縮寫。它是一種固態的半導體器件,可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片,晶片的一端附在一個支架上,一端是負極,另一端連接電源的正極,使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成,一部分是P型半導體,在它里面空穴占主導地位,另一端是N型半導體,電子占主導地位。但這兩種半導體連接起來的時候,它們之間就形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候,電子就會被推向P區,在P區里注入的電子跟空穴復合(注入的少數載流子與多數載流子復合時),電子由高能級躍遷到低能級,會把多余的能量以發射光子(電磁波)的形式釋放出來,產生電致發光現象,從而把電能直接轉換為光能。所以簡單的說, 就是電子將多余的能量以光的形式釋放出來。PN結加反向電壓, 少數載流子難以注入,故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管,通稱LED 。而發出光的波長也就是光的顏色,它是由形成P-N結的材料決定的,也就是說其發光的顏色也與構成其基底(P-N結)的材質元素有關。


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        LED的發光顏色取決于波長,常見可見光的分類大致為:暗紅色(700nm)、深紅色(640-660nm)、桔紅色(615-635nm)、琥珀色(600-610nm)、黃色(580---595nm)、黃綠色(565-575nm)、純綠色(500-540nm)、藍色(435-490nm)、紫色(380-430nm)。白光和粉紅光是一種光的混合效果。最常見的是由藍光+黃色熒光粉和藍光+紅色熒光粉混合而成。LED半導體器件常采用磷化鎵(GaP,綠光)、鎵鋁砷(GaAlAs)或砷化鎵(GaAs,紅光)、氮化鎵(GaN,藍光)等材料組成,其內部結構具有單向導電性。


        LED的發光顏色和發光效率與制作LED 的材料和工藝有關 , 目前廣泛使用的有紅、綠、藍三種。由于LED工作電壓低(僅1.5-3V ),能主動發光且有一定亮度,亮度又能用電壓(或電流)調節,本身又耐沖擊、抗振動、壽命長(10萬小時),所以在大型的顯示設備中,目前尚無其他的顯示方式與LED 顯示方式匹敵。


        品質優良的LED要求向外輻射的光能量大,向外發出的光盡可能多,即外部效率要高。事實上,LED向外發光僅是內部發光的一部分。LED材料折射率很高。當芯片發出光在晶體材料與空氣界面時(無環氧封裝)若垂直入射,被空氣反射,反射率為:


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        反射出的占32%,鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收,于是大大降低了外部出光效率。為了進一步提高外部出光效率可采取以下措施:用折射率較高的透明材料(環氧樹脂n=1.55并不理想)覆蓋在芯片表面;把芯片晶體表面加工成半球形。


        前面有提到發光二極管是指當在其整流方向施加電壓(稱為順方向)時,有電流注入,電子與空穴符合,其一部分能量變換為光并發射的二極管。這種LED由半導體制成,屬于固體元件,工作狀態穩定、可靠性高,其連續通電時間(壽命)可達105h以上。LED的發光來源于電子與空穴發生復合時放出的能量。作為LED用材料,一是要求電子與空穴的輸運效率要高;二是要求電子與空穴復合時放出的能量應與所需要的發光波長相對應,一般多采用化合物半導體單晶材料。


        把紅色和綠色的LED 放在一起作為一個象素制作的顯示屏叫雙色屏或彩色屏;把紅、綠、藍三種LED 管放在一起作為一個象素的顯示屏叫三色屏或全彩屏。制作室內LED 屏的象素尺寸一般是2-10 毫米,常常采用把幾種能產生不同基色的LED管芯封裝成一體,室外LED 屏的象素尺寸多為12-26 毫米,每個象素由若干個各種單色 LED 組成,常見的成品稱象素筒,雙色象素筒一般由3 紅2 綠組成,三色象素筒用2 紅1 綠1藍組成。無論用LED 制作單色、雙色或三色屏,欲顯示圖象需要構成象素的每個LED的發光亮度都必須能調節,其調節的精細程度就是顯示屏的灰度等級?;叶鹊燃壴礁?,顯示的圖像就越細膩,色彩也越豐富,相應的顯示控制系統也越復雜。一般256級灰度的圖像,顏色過渡已十分柔和,而16 級灰度的彩色圖像,顏色過渡界線十分明顯。所以彩色LED屏當前都要求做成256 級灰度的。


        1. LED 發光燈(或稱單燈),一般由單個LED 晶片,反光碗,金屬陽極,金屬陰極構成,外包具有透光聚光能力的環氧樹脂外殼??捎靡粋€或多個(不同顏色的)單燈構成一個基本像素,由于亮度高,多用于戶外顯示屏。


        2.LED 點陣模塊, 由若干晶片構成發光矩陣,用環氧樹脂封裝于塑料殼內。適合行列掃描驅動,容易構成高密度的顯示屏,多用于戶內顯示屏。


        3.貼片式LED 發光燈( 或稱SMD LED), 就是LED 發光燈的貼焊形式的封裝,可用于戶內全彩色顯示屏,可實現單點維護,有效克服馬賽克現象。


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        貼片式LED 發光燈又可以分為表貼三合一,表貼三拼一,亞表貼等種類。


        表貼三合一5050,5.0*5.0mm表面貼裝發光二極管;發光顏色:全彩色;防護等級:IPX5,防紫外線;常用于戶外屏,網格屏等產品。


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        表貼三合一3528,3.5*2.8 mm表面貼裝發光二極管;發光顏色:全彩色;常用于戶內全彩屏P5及以上規格。


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        表貼三拼一,0805表面貼裝發光二極管,發光顏色:R G B;常用于戶內全彩屏

       P6及以上規格


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        亞表貼是介于DIP與SMT之間的一種產品,其LED燈的封裝表面和SMT一樣,但是它的正負級引腳和DIP的一樣,生產時也是穿過PCB來焊接的,其優點是:亮度高,顯示效果好,缺點是:工藝復雜,維修困難.


        由于LED顯示系統具有亮度高、響應速度快、低電壓、功耗小、耐震動、耐沖擊、壽命長等優點,使其成為室內外信息顯示終端的主要發光器件。典型的LED顯示系統一般由信號控制系統、掃描和驅動電路以及LED陣列組成,如下圖所示。信號控制系統可以是嵌入式LED 顯示屏的單片機系統、獨立的微機系統、傳呼接收與控制系統等。其任務是生成或接收LED顯示所需要的數字信號,并控制整個LED顯示系統的各個不同部件按一定的分工和時序協調工作。


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        LED顯示屏是利用發光二極管(LED)作為發光體制作的平板矩陣顯示器。LED具有光電轉換效率高、驅動電壓低,易于與計算機接口、使用壽命長的特性,屏幕的大小可按需要無縫拼接。視屏—LED屏幕與其控制計算機的顯示器具有點-點對應的映射關系,視屏具有灰度控制,并且與計算機顯示器同步顯示,因此可以播放動畫、VCD,配接專用的多媒體卡,可以播放視頻信號,具有豐富的表現力。視屏不能脫離計算機工作,一般情況下,一臺計算機控制一塊視屏。在一些具特殊要求的場合客戶要求顯示屏能夠顯示電視節目、DVD視頻、DV機視頻信息等.


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        行掃描電路主要由譯碼器組成,用于循環選通LED陣列行。列驅動電路多分為三級管陣列,給LED提供大電流。移位寄存器/鎖存器由傳入并出寄存器和鎖存器(或帶所存功能的移位寄存器)構成。待顯示數據就緒后,控制系統首先將第*行數據打入移位寄存器并鎖存,然后由行掃描電路選通LED陣列的第*行,持續一定時間后,在用同樣方法顯示后續行,直至完成一幀顯示,如此循環往復。


        根據人眼視覺暫留時間,屏幕刷新速率每秒25幀以上就沒有閃爍感。當LED顯示屏面積很大時以提高視覺效果,可以分區并行顯示。在高速動態顯示時,LED的發光亮度與掃描周期內的發光時間成正比,所以,通過調制LED的發光時間與掃描周期的比值(幾占空比)可實現灰度顯示,不同基色LED灰度組合后便調配出多種色彩。


        LED顯示器件掃描驅動電路實現對顯示屏所要顯示的信息內容的接收、轉換及處理功能。一般地說,顯示屏的控制系統包括了輸入接口電路、信號的控制、轉換和數字化處理電路、輸出接口電路等,涉及的具體技術很多。


        驅動電路是LED(發光二極管)產品的重要組成部分,其技術成熟度正隨著LED市場的擴張而逐步增強。無論在照明、背光源還是顯示板領域,驅動電路技術架構的選擇都應與具體的應用相匹配。作為LCD(液晶顯示器)的背光源,LED在便攜產品中的地位不可動搖,即便是在大尺寸LCD的背光源當中,LED也開始挑戰CCFL(冷陰極熒光燈)的主流地位;而在照明領域,LED作為半導體照明最關鍵的部件,更是因為它節能、環保、長壽命、免維護等優點而受到市場的追捧。


        直流驅動是最簡單的驅動方式。當前很多廠家生產的LED燈類產品都采用這種驅動方式,即采用阻、容降壓,然后加上一個穩壓二極管,向LED供電,如下圖所示。


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        由于LED器件的正向特性比較陡,以及器件的分散性,使得在電壓和限流電阻相同的情況下,各器件的正向電流并不相同,從而引起發光強度的差異。以白光LED為例,白光LED需要大約3.6 V的供電電壓才能實現合適的亮度控制。大多數便攜式電子產品都采用鋰離子電池作電源,它們在充滿電之后約為4.2V,安全放完電后約為2.8 V,顯然白光LED不能由電池直接驅動。如果能夠對LED的正向電流直接進行恒流驅動的話,只要恒流值相同,各LED的發光強度就比較相近??紤]到晶體管的輸出特性具有恒流的性質,所以可以用晶體管來驅動LED,如下圖所示。


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        此外,利用人眼的視覺暫留特性,采用反復通斷電的方式使LED器件點燃的方法就是脈沖驅動法,如下圖(c)所示。


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        脈寬調制 (Pulse-Width Modulation,PWM)技術是一種傳統的調光方式,它利用簡單的數字脈沖,反復開關LED驅動器,系統只需要提供寬窄不同的數字式脈沖,即可簡單地實現改變輸出電流,從而調節LED的亮度。該技術的優點在于:能夠提供高質量的白光、應用簡單、效率高。但有一個致命的缺點是容易產生電磁干擾,有時甚至會產生人耳能聽見的噪聲。


        LED大屏幕的發展呈現如下幾個發展階段:


        1、 第*代:單色LED顯示屏


        以單紅色為基色,顯示文字及簡單圖案為主,主要用于通知、通告及客流引導系統。


        2、 第二代:雙基色多灰度顯示屏


        以紅色及黃綠色為基色,因沒有藍色,只能稱其為偽彩色,可以顯示多灰度圖像及視頻,目前在國內廣泛應用于電信,銀行,稅務,醫院,政府機構等場合,主要顯示標語,公益廣告及形象宣傳信息。


        3、 第三代:全彩色(full color)多灰度顯示屏


        以紅色,藍色及黃綠色為基色,可以顯示較為真實的圖像,目前正在逐漸替代上一代產品。


        4.第四代:真彩色(true color)多灰度顯示屏


        以紅色,藍色及純綠色為基色,可以真實再現自然界的一切色彩(在色坐標上甚至超過了自然色彩范圍)??梢燥@示各種視頻圖像及彩色廣告,其艷麗的色彩,鮮亮的高亮度,細膩的對比度,在宣傳廣告領域應用具有極好的視覺震撼力。真彩色5mm戶內大屏幕屬于上述第四代產品。它具有高亮度,不受環境亮度影響,厚度薄,占用場地小,色彩鮮艷豐富,視角寬,可以在寬敞的廳堂環境應用,沒有拼接圖像損失。


        下面再簡單介紹一下LED顯示屏會用到的一些基本概念:


        LED:Light Emitting Diode(發光二極管)的縮寫。

       

        單點直徑(Single dot diameter),指一個像素點的直徑,單位通常為mm。

       

        象素(PIXEL):指每單個或多個發光管組成的發光點。是畫面上可以被獨立控制的最小單元,PIXEL是picture element的縮寫,在三基色顯示屏上,象素由三部分組成:紅,綠,籃,每一部分由一個或幾個LED組成,理論上,分別調節紅,綠,藍的亮度,可以表現出任意顏色。

       

        間距(PITCH),相鄰象素的中心距離。間距越小,可視距離越短。

       

        分辨率(Resolution),通常用于數字顯示設備,表示總的象素數量,一般寫成寬X高的形式,如800X600。

       

        可視角度(Viewing Angle,當觀察者面對LED時可以看到LED的最大亮度,當觀察者向左或右移動時,看到的亮度會減少,當亮度減到最大亮度的一半時,此時所處的角度加上向反方向移動得到的角度之和,稱水平可視角度,垂直可視角度用同樣方式測量。LED的視角廠家會給出參數。

       

        亮度(Brightness),亮度在任何顯示設備中都是最重要的參數。亮度的主單位叫燭光(candela),用CD表示,單個LED的亮度通常用millicandelas,MCD,即千分之一CD,把一個平方米的LED亮度加在一起,就得到單位面積亮度,用尼特(NITS)表示,1 NITS=1 CD/m2。紅綠藍三色的亮度必須平衡才能準確的還原真實色彩,換句話說,LED的白色必須是白色,而不 是粉紅色。如果紅綠藍都處于*高亮度,混合出的色彩通常不是白色,為了得到白色(通常稱為6500K色溫),紅綠藍中須有一個或兩個的亮度調低,為了獲取 正確的白色,必須反復測量調整亮度,這個過程稱白平衡。

       

        可視距離(Viewing Distance,對于各種顯示器件來說,*佳的觀察距離應該是人眼無法分辨出象素的最小距離,,這個距離大約是點間距的3400倍。電視和電腦的觀測距離通常要小于這個要求,但可接受的距離不能小于點間距的1700倍。

       

        灰度等級(Grey Levels),也稱色彩深度,指不同亮度的數量,紅綠藍有各自的灰度,在全彩色系統中一般是256級灰度,可以產生256X256X256=16,777,216種顏色,在PC中稱為24位色,在LED顯示系統中稱為8位系統。LED顯示屏能表現的色彩數量取決于RGB三色的灰度等級,在標準的全彩顯示屏中為256級灰度,對于體育場館的LED全彩系統,256灰度是不夠的,無法準確的恢復還原色彩。

       

        刷新率(Refresh Rate),顯示屏畫面更新的速率,通常用赫茲表示(Hz)。與幀頻是不同的。


        幀頻(Frame Rate),顯示屏每秒顯示的圖像幀的數量,通常取決于輸入的信號(25 fps for PAL, 30 fps for NTSC)


        場頻(Field),PAL和NTSC的一半幀,因為PAL和NTSC是隔行掃描,每次刷新只顯示半幀圖像。


        純綠(Pure green)和真綠(true green),過去30年,各種顏色LED被相繼開發出來,首先是紅色,黃色,黃綠色;藍色LED和純綠LED在90年代相繼被日亞工程師發明。至此,制造LED全彩色顯示屏成為可能。播放視頻的LED顯示屏必須用純綠,如果用黃綠來做,顏色肯定不真實,如果一個象素里綠管的數量很多,比紅管和藍管的數量 多,那肯定是黃綠管,因為黃綠的亮度不夠,必須用多個,但黃綠LED價格低廉。該種顯示屏俗稱偽彩屏。


        GAMMA矯正(gamma correction),這是一種通過變換函數來減少灰度數量,從而產生一個更接近真實環境的色彩和對比度,全彩屏實際表現的顏色受到很多限制,當夜晚時,必須降低屏體亮度,此時能夠顯示的色彩就會減少,因此,數字RGB顯示的色彩肯定少于16M色,為了解決這個問 題,需要更高層次的灰度,1Bill色的系統(紅綠藍各1024級色)可以表現更真實的色彩,因為從256級灰度擴大到1024級,極大的豐富了可表現的 色彩數目。


        虛擬象素技術(Virtual Resolution),也稱共享象素或動態象素,將4倍于物理象素的象素快速的按奇偶列和奇偶行分4次送到物理象素上顯示,其效果相當于將間距縮小一半,其成本與傳統做法基本相比,基本沒增加,但可以做到原來4倍的分辨率。


        一致性(Uniformity),整個畫面的質量很大程度上取決于LED的一致性。一致性的問題是LED固有的問題,當LED生產時。他們的亮度,視角,還有其它的特性實際上都不統一,這些參數分布在某一范圍,制造商工藝控制的越好,這個范圍越小,選用優質廠商提供的LED可以減少調試的工作量,人眼對顏色和亮度的敏感度相當高,對于LED之間的差別很容易察覺,特別在高亮的顯示系統中,這種差別更大,設計者必須采用各種技術來消除這種差別,增加一致性。


        色差(Colour Shift),LED顯示屏由紅綠藍三色組合來產生各種顏色,但這三種顏色由不同材料做成,視角是有差 異的,不同LED的光譜分布都是變化的,這些能被觀測的差異稱為色差。當偏過一定角度觀察LED時,其顏色發生改變,人眼判斷真實畫面的色彩的能力(比如 電影畫面)比觀測計算機產生的畫面要好。


        單元板規格(Cell board size),指單元板的尺寸,通常用單元板長乘以寬的表達式表示,以毫米為單位。(48×244)


        單元板的解析度(Cell board pixels),指一塊單元板有多少個像素,通常用單元板像素的行數乘以列數的表達式表示。(如:64×32)


        像素密度(Lattice density),也稱點陣密度,通常指每平方米顯示屏上的像素個數。


        每平方米最大的功耗(Consumption per sqm),每平方米每小時的最大耗電量,通常是指顯示屏全白色工作情況下的耗電量。因為在電源設計上我們采用了增容設計,所以在顯示屏滿負荷情況下,也不會達到電源的最大功率,對顯示屏起到了很好的保護作用。


        重量(Kg),通常指每平方米屏體的重量(含電源、邊框等),但不包括框架的重量。


        通訊距離(Communication distance),操作平臺(電腦)與屏幕之間的距離。通常8芯網線傳輸不大于130米,光纖傳輸在500米—1300米。


    責編:小瀞

    來源:模擬世界

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