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【涨知识】LED显示屏基本结构及原理

类别:技术与产品发表于:2017-03-02 10:31

摘要:几十年前大型的电子显示屏是用灯泡或照明灯构成,发展到后来的显像管(CRT)显示技术, LCD液晶显示和PDP等离子显示,主要用在运动场所转播比赛,如今常用的电子显示屏是LED显示屏,LED显示屏被证明是最可靠,高效,节能,明亮的大型电子显示屏,在技术上也最方便实现.

    几十年前大型的电子显示屏是用灯泡或照明灯构成,发展到后来的显像管(CRT)显示技术, LCD液晶显示和PDP等离子显示,主要用在运动场所转播比赛,如今常用的电子显示屏是LED显示屏,LED显示屏被证明是最可靠,高效,节能,明亮的大型电子显示屏,在技术上也最方便实现。


    LED发光技术的原理是某些半导体材料在通以电流的情况下会发出特定波长的光,这种电到光的转换效率非常高,对所用材料进行不同的化学处理,就可以得到各种亮度和视角的LED。LED显示屏是将LED模块或像素管按照实际需要大小拼装排列成矩阵,配以专用显示电路,直流稳压电源,软件,框架及外装饰等,即构成一台LED显示屏。


    那么什么是LED呢?L-E-D是英文Light Emitting Diode (发光二极管) 的缩写。它是一种固态的半导体器件,可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,电子占主导地位。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里注入的电子跟空穴复合(注入的少数载流子与多数载流子复合时),电子由高能级跃迁到低能级,会把多余的能量以发射光子(电磁波)的形式释放出来,产生电致发光现象,从而把电能直接转换为光能。所以简单的说, 就是电子将多余的能量以光的形式释放出来。PN结加反向电压, 少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED 。而发出光的波长也就是光的颜色,它是由形成P-N结的材料决定的,也就是说其发光的颜色也与构成其基底(P-N结)的材质元素有关。


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    LED的发光颜色取决于波长,常见可见光的分类大致为:暗红色(700nm)、深红色(640-660nm)、桔红色(615-635nm)、琥珀色(600-610nm)、黄色(580---595nm)、黄绿色(565-575nm)、纯绿色(500-540nm)、蓝色(435-490nm)、紫色(380-430nm)。白光和粉红光是一种光的混合效果。最常见的是由蓝光+黄色荧光粉和蓝光+红色荧光粉混合而成。LED半导体器件常采用磷化镓(GaP,绿光)、镓铝砷(GaAlAs)或砷化镓(GaAs,红光)、氮化镓(GaN,蓝光)等材料组成,其内部结构具有单向导电性。


    LED的发光颜色和发光效率与制作LED 的材料和工艺有关 , 目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由于LED工作电压低(仅1.5-3V ),能主动发光且有一定亮度,亮度又能用电压(或电流)调节,本身又耐冲击、抗振动、寿命长(10万小时),所以在大型的显示设备中,目前尚无其他的显示方式与LED 显示方式匹敌。


    品质优良的LED要求向外辐射的光能量大,向外发出的光尽可能多,即外部效率要高。事实上,LED向外发光仅是内部发光的一部分。LED材料折射率很高。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时(无环氧封装)若垂直入射,被空气反射,反射率为:


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    反射出的占32%,鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收,于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率可采取以下措施:用折射率较高的透明材料(环氧树脂n=1.55并不理想)覆盖在芯片表面;把芯片晶体表面加工成半球形。


    前面有提到发光二极管是指当在其整流方向施加电压(称为顺方向)时,有电流注入,电子与空穴符合,其一部分能量变换为光并发射的二极管。这种LED由半导体制成,属于固体元件,工作状态稳定、可靠性高,其连续通电时间(寿命)可达105h以上。LED的发光来源于电子与空穴发生复合时放出的能量。作为LED用材料,一是要求电子与空穴的输运效率要高;二是要求电子与空穴复合时放出的能量应与所需要的发光波长相对应,一般多采用化合物半导体单晶材料。


    把红色和绿色的LED 放在一起作为一个象素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏;把红、绿、蓝三种LED 管放在一起作为一个象素的显示屏叫三色屏或全彩屏。制作室内LED 屏的象素尺寸一般是2-10 毫米,常常采用把几种能产生不同基色的LED管芯封装成一体,室外LED 屏的象素尺寸多为12-26 毫米,每个象素由若干个各种单色 LED 组成,常见的成品称象素筒,双色象素筒一般由3 红2 绿组成,三色象素筒用2 红1 绿1蓝组成。无论用LED 制作单色、双色或三色屏,欲显示图象需要构成象素的每个LED的发光亮度都必须能调节,其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。灰度等级越高,显示的图像就越细腻,色彩也越丰富,相应的显示控制系统也越复杂。一般256级灰度的图像,颜色过渡已十分柔和,而16 级灰度的彩色图像,颜色过渡界线十分明显。所以彩色LED屏当前都要求做成256 级灰度的。


    1. LED 发光灯(或称单灯),一般由单个LED 晶片,反光碗,金属阳极,金属阴极构成,外包具有透光聚光能力的环氧树脂外壳。可用一个或多个(不同颜色的)单灯构成一个基本像素,由于亮度高,多用于户外显示屏。


    2.LED 点阵模块, 由若干晶片构成发光矩阵,用环氧树脂封装于塑料壳内。适合行列扫描驱动,容易构成高密度的显示屏,多用于户内显示屏。


    3.贴片式LED 发光灯( 或称SMD LED), 就是LED 发光灯的贴焊形式的封装,可用于户内全彩色显示屏,可实现单点维护,有效克服马赛克现象。


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    贴片式LED 发光灯又可以分为表贴三合一,表贴三拼一,亚表贴等种类。


    表贴三合一5050,5.0*5.0mm表面贴装发光二极管;发光颜色:全彩色;防护等级:IPX5,防紫外线;常用于户外屏,网格屏等产品。


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    表贴三合一3528,3.5*2.8 mm表面贴装发光二极管;发光颜色:全彩色;常用于户内全彩屏P5及以上规格。


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    表贴三拼一,0805表面贴装发光二极管,发光颜色:R G B;常用于户内全彩屏

   P6及以上规格


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    亚表贴是介于DIP与SMT之间的一种产品,其LED灯的封装表面和SMT一样,但是它的正负级引脚和DIP的一样,生产时也是穿过PCB来焊接的,其优点是:亮度高,显示效果好,缺点是:工艺复杂,维修困难.


    由于LED显示系统具有亮度高、响应速度快、低电压、功耗小、耐震动、耐冲击、寿命长等优点,使其成为室内外信息显示终端的主要发光器件。典型的LED显示系统一般由信号控制系统、扫描和驱动电路以及LED阵列组成,如下图所示。信号控制系统可以是嵌入式LED 显示屏的单片机系统、独立的微机系统、传呼接收与控制系统等。其任务是生成或接收LED显示所需要的数字信号,并控制整个LED显示系统的各个不同部件按一定的分工和时序协调工作。


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    LED显示屏是利用发光二极管(LED)作为发光体制作的平板矩阵显示器。LED具有光电转换效率高、驱动电压低,易于与计算机接口、使用寿命长的特性,屏幕的大小可按需要无缝拼接。视屏—LED屏幕与其控制计算机的显示器具有点-点对应的映射关系,视屏具有灰度控制,并且与计算机显示器同步显示,因此可以播放动画、VCD,配接专用的多媒体卡,可以播放视频信号,具有丰富的表现力。视屏不能脱离计算机工作,一般情况下,一台计算机控制一块视屏。在一些具特殊要求的场合客户要求显示屏能够显示电视节目、DVD视频、DV机视频信息等.


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    行扫描电路主要由译码器组成,用于循环选通LED阵列行。列驱动电路多分为三级管阵列,给LED提供大电流。移位寄存器/锁存器由传入并出寄存器和锁存器(或带所存功能的移位寄存器)构成。待显示数据就绪后,控制系统首先将第一行数据打入移位寄存器并锁存,然后由行扫描电路选通LED阵列的第一行,持续一定时间后,在用同样方法显示后续行,直至完成一帧显示,如此循环往复。


    根据人眼视觉暂留时间,屏幕刷新速率每秒25帧以上就没有闪烁感。当LED显示屏面积很大时以提高视觉效果,可以分区并行显示。在高速动态显示时,LED的发光亮度与扫描周期内的发光时间成正比,所以,通过调制LED的发光时间与扫描周期的比值(几占空比)可实现灰度显示,不同基色LED灰度组合后便调配出多种色彩。


    LED显示器件扫描驱动电路实现对显示屏所要显示的信息内容的接收、转换及处理功能。一般地说,显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换和数字化处理电路、输出接口电路等,涉及的具体技术很多。


    驱动电路是LED(发光二极管)产品的重要组成部分,其技术成熟度正随着LED市场的扩张而逐步增强。无论在照明、背光源还是显示板领域,驱动电路技术架构的选择都应与具体的应用相匹配。作为LCD(液晶显示器)的背光源,LED在便携产品中的地位不可动摇,即便是在大尺寸LCD的背光源当中,LED也开始挑战CCFL(冷阴极荧光灯)的主流地位;而在照明领域,LED作为半导体照明最关键的部件,更是因为它节能、环保、长寿命、免维护等优点而受到市场的追捧。


    直流驱动是最简单的驱动方式。当前很多厂家生产的LED灯类产品都采用这种驱动方式,即采用阻、容降压,然后加上一个稳压二极管,向LED供电,如下图所示。


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    由于LED器件的正向特性比较陡,以及器件的分散性,使得在电压和限流电阻相同的情况下,各器件的正向电流并不相同,从而引起发光强度的差异。以白光LED为例,白光LED需要大约3.6 V的供电电压才能实现合适的亮度控制。大多数便携式电子产品都采用锂离子电池作电源,它们在充满电之后约为4.2V,安全放完电后约为2.8 V,显然白光LED不能由电池直接驱动。如果能够对LED的正向电流直接进行恒流驱动的话,只要恒流值相同,各LED的发光强度就比较相近。考虑到晶体管的输出特性具有恒流的性质,所以可以用晶体管来驱动LED,如下图所示。


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    此外,利用人眼的视觉暂留特性,采用反复通断电的方式使LED器件点燃的方法就是脉冲驱动法,如下图(c)所示。


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    脉宽调制 (Pulse-Width Modulation,PWM)技术是一种传统的调光方式,它利用简单的数字脉冲,反复开关LED驱动器,系统只需要提供宽窄不同的数字式脉冲,即可简单地实现改变输出电流,从而调节LED的亮度。该技术的优点在于:能够提供高质量的白光、应用简单、效率高。但有一个致命的缺点是容易产生电磁干扰,有时甚至会产生人耳能听见的噪声。


    LED大屏幕的发展呈现如下几个发展阶段:


    1、 第一代:单色LED显示屏


    以单红色为基色,显示文字及简单图案为主,主要用于通知、通告及客流引导系统。


    2、 第二代:双基色多灰度显示屏


    以红色及黄绿色为基色,因没有蓝色,只能称其为伪彩色,可以显示多灰度图像及视频,目前在国内广泛应用于电信,银行,税务,医院,政府机构等场合,主要显示标语,公益广告及形象宣传信息。


    3、 第三代:全彩色(full color)多灰度显示屏


    以红色,蓝色及黄绿色为基色,可以显示较为真实的图像,目前正在逐渐替代上一代产品。


    4.第四代:真彩色(true color)多灰度显示屏


    以红色,蓝色及纯绿色为基色,可以真实再现自然界的一切色彩(在色坐标上甚至超过了自然色彩范围)。可以显示各种视频图像及彩色广告,其艳丽的色彩,鲜亮的高亮度,细腻的对比度,在宣传广告领域应用具有极好的视觉震撼力。真彩色5mm户内大屏幕属于上述第四代产品。它具有高亮度,不受环境亮度影响,厚度薄,占用场地小,色彩鲜艳丰富,视角宽,可以在宽敞的厅堂环境应用,没有拼接图像损失。


    下面再简单介绍一下LED显示屏会用到的一些基本概念:


    LED:Light Emitting Diode(发光二极管)的缩写。

   

    单点直径(Single dot diameter),指一个像素点的直径,单位通常为mm。

   

    象素(PIXEL):指每单个或多个发光管组成的发光点。是画面上可以被独立控制的最小单元,PIXEL是picture element的缩写,在三基色显示屏上,象素由三部分组成:红,绿,篮,每一部分由一个或几个LED组成,理论上,分别调节红,绿,蓝的亮度,可以表现出任意颜色。

   

    间距(PITCH),相邻象素的中心距离。间距越小,可视距离越短。

   

    分辨率(Resolution),通常用于数字显示设备,表示总的象素数量,一般写成宽X高的形式,如800X600。

   

    可视角度(Viewing Angle,当观察者面对LED时可以看到LED的最大亮度,当观察者向左或右移动时,看到的亮度会减少,当亮度减到最大亮度的一半时,此时所处的角度加上向反方向移动得到的角度之和,称水平可视角度,垂直可视角度用同样方式测量。LED的视角厂家会给出参数。

   

    亮度(Brightness),亮度在任何显示设备中都是最重要的参数。亮度的主单位叫烛光(candela),用CD表示,单个LED的亮度通常用millicandelas,MCD,即千分之一CD,把一个平方米的LED亮度加在一起,就得到单位面积亮度,用尼特(NITS)表示,1 NITS=1 CD/m2。红绿蓝三色的亮度必须平衡才能准确的还原真实色彩,换句话说,LED的白色必须是白色,而不 是粉红色。如果红绿蓝都处于最高亮度,混合出的色彩通常不是白色,为了得到白色(通常称为6500K色温),红绿蓝中须有一个或两个的亮度调低,为了获取 正确的白色,必须反复测量调整亮度,这个过程称白平衡。

   

    可视距离(Viewing Distance,对于各种显示器件来说,最佳的观察距离应该是人眼无法分辨出象素的最小距离,,这个距离大约是点间距的3400倍。电视和电脑的观测距离通常要小于这个要求,但可接受的距离不能小于点间距的1700倍。

   

    灰度等级(Grey Levels),也称色彩深度,指不同亮度的数量,红绿蓝有各自的灰度,在全彩色系统中一般是256级灰度,可以产生256X256X256=16,777,216种颜色,在PC中称为24位色,在LED显示系统中称为8位系统。LED显示屏能表现的色彩数量取决于RGB三色的灰度等级,在标准的全彩显示屏中为256级灰度,对于体育场馆的LED全彩系统,256灰度是不够的,无法准确的恢复还原色彩。

   

    刷新率(Refresh Rate),显示屏画面更新的速率,通常用赫兹表示(Hz)。与帧频是不同的。


    帧频(Frame Rate),显示屏每秒显示的图像帧的数量,通常取决于输入的信号(25 fps for PAL, 30 fps for NTSC)


    场频(Field),PAL和NTSC的一半帧,因为PAL和NTSC是隔行扫描,每次刷新只显示半帧图像。


    纯绿(Pure green)和真绿(true green),过去30年,各种颜色LED被相继开发出来,首先是红色,黄色,黄绿色;蓝色LED和纯绿LED在90年代相继被日亚工程师发明。至此,制造LED全彩色显示屏成为可能。播放视频的LED显示屏必须用纯绿,如果用黄绿来做,颜色肯定不真实,如果一个象素里绿管的数量很多,比红管和蓝管的数量 多,那肯定是黄绿管,因为黄绿的亮度不够,必须用多个,但黄绿LED价格低廉。该种显示屏俗称伪彩屏。


    GAMMA矫正(gamma correction),这是一种通过变换函数来减少灰度数量,从而产生一个更接近真实环境的色彩和对比度,全彩屏实际表现的颜色受到很多限制,当夜晚时,必须降低屏体亮度,此时能够显示的色彩就会减少,因此,数字RGB显示的色彩肯定少于16M色,为了解决这个问 题,需要更高层次的灰度,1Bill色的系统(红绿蓝各1024级色)可以表现更真实的色彩,因为从256级灰度扩大到1024级,极大的丰富了可表现的 色彩数目。


    虚拟象素技术(Virtual Resolution),也称共享象素或动态象素,将4倍于物理象素的象素快速的按奇偶列和奇偶行分4次送到物理象素上显示,其效果相当于将间距缩小一半,其成本与传统做法基本相比,基本没增加,但可以做到原来4倍的分辨率。


    一致性(Uniformity),整个画面的质量很大程度上取决于LED的一致性。一致性的问题是LED固有的问题,当LED生产时。他们的亮度,视角,还有其它的特性实际上都不统一,这些参数分布在某一范围,制造商工艺控制的越好,这个范围越小,选用优质厂商提供的LED可以减少调试的工作量,人眼对颜色和亮度的敏感度相当高,对于LED之间的差别很容易察觉,特别在高亮的显示系统中,这种差别更大,设计者必须采用各种技术来消除这种差别,增加一致性。


    色差(Colour Shift),LED显示屏由红绿蓝三色组合来产生各种颜色,但这三种颜色由不同材料做成,视角是有差 异的,不同LED的光谱分布都是变化的,这些能被观测的差异称为色差。当偏过一定角度观察LED时,其颜色发生改变,人眼判断真实画面的色彩的能力(比如 电影画面)比观测计算机产生的画面要好。


    单元板规格(Cell board size),指单元板的尺寸,通常用单元板长乘以宽的表达式表示,以毫米为单位。(48×244)


    单元板的解析度(Cell board pixels),指一块单元板有多少个像素,通常用单元板像素的行数乘以列数的表达式表示。(如:64×32)


    像素密度(Lattice density),也称点阵密度,通常指每平方米显示屏上的像素个数。


    每平方米最大的功耗(Consumption per sqm),每平方米每小时的最大耗电量,通常是指显示屏全白色工作情况下的耗电量。因为在电源设计上我们采用了增容设计,所以在显示屏满负荷情况下,也不会达到电源的最大功率,对显示屏起到了很好的保护作用。


    重量(Kg),通常指每平方米屏体的重量(含电源、边框等),但不包括框架的重量。


    通讯距离(Communication distance),操作平台(电脑)与屏幕之间的距离。通常8芯网线传输不大于130米,光纤传输在500米—1300米。


责编:小瀞

来源:模拟世界

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