LED與LCD基本知識(精)

1、LED與 LCD基本知識 第 1頁共 8頁 第一篇 LED 基本知識 在計算機或電視機中主要采用屏幕顯示， 但在各種數(shù)字儀表及各種家用電器中， 一般采 用顯示器件進行顯示。這里講的顯示器件是指數(shù)字顯示器件， 可以顯示一般的數(shù)字、符號和 簡單的圖形。 LED 數(shù)碼管是目前最常用的一種數(shù)顯器件。我們知道，發(fā)光二極管 （英文縮寫為 LED） 是由半導(dǎo)體材料制成的、能將電信號轉(zhuǎn)換成光信號的結(jié)型電致發(fā)光器件。 如果把發(fā)光二極管 制成條狀，再按照一定方式連接，組成數(shù)字“ 8”，就構(gòu)成 LED 數(shù)碼管，簡稱 LED。使用時 按規(guī)定使某些筆段上的發(fā)光二極管發(fā)光，即可組成 0 9 的一系列數(shù)字。 一、構(gòu)造與顯示

2、原理 LED 數(shù)碼管分共陽極與共陰極兩種， a g 代表 7 個筆段的驅(qū)動端，亦稱筆段電極。對 于共陰極 LED 數(shù)碼管，如下圖所示，將七只發(fā)光二極管的陰極（負極）短接后作為公共陰 極。其工作特點是，當筆段電極接高電平，公共陰極接低電平時，相應(yīng)筆段可以發(fā)光。共陽 極 LED 數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陽極（正極）短接后作為公共陽極。當驅(qū) 動信號為低電平，公共陽極接高電平時，才能發(fā)光。 I 一|i_ r 匚-n n 匚 二I丨匚|二| I I廠I廠11廠 I r廠 I_I I_I ri ri L 口 匚廠 S iZ 8發(fā)光二極管 LED 的輸出光譜決定其發(fā)光顏色以及光輻射強度，也反映出

3、半導(dǎo)體材料的特性。常見 管芯材料有磷化鎵（GaP）、砷化鎵（GaAs ）、磷砷化鎵（GaAsP ）、氮化鎵（GaN ）等。其 中氮化鎵可發(fā)藍光。 發(fā)光顏色不僅與管芯材料有關(guān)， 還與所摻雜質(zhì)有關(guān)， 因此用同一種管芯 材料可以制成發(fā)出紅、橙、黃、綠等不同顏色的數(shù)碼管。各種顏色 LED 數(shù)碼管的光譜曲線 都比較相似，僅發(fā)光峰值 入p值不同（磷砷化鎵黃色數(shù)碼管的 入p=585nm, 1nm=10-9n） LED 數(shù)碼管的產(chǎn)品中，以發(fā)紅光、綠光的居多，這兩種顏色也比較醒目。E12. 7七段數(shù)字顯淙 LED與 LCD基本知識 第 2頁共 8頁 LED 數(shù)碼管等效于多只具有發(fā)光性能的 PN 結(jié)。當 PN 結(jié)

4、導(dǎo)通時，依靠少數(shù)載流子的注 入及隨后的復(fù)合而輻射法光。 其伏安特性與普通二極管相似。 在正向?qū)ㄖ?，正向電流?似于零，筆段不發(fā)光。當電壓超過開啟電壓時，電流就急劇上升，筆段發(fā)光。因此， LED 數(shù) 碼管屬于電流控制型器件， 其發(fā)光亮度 L （單位是 cd/m2）與正向電流 IF有關(guān)，用公式表示： L=KIF 10mA 左右/段，既保證亮度適中，又不會損壞器件。 、分類 LED 數(shù)碼管不僅種類繁多，型號各異，大致有以下幾種分類方式: 1、 按外形尺寸分類 目前我國尚未制定 LED 數(shù)碼管的統(tǒng)一標準，型號一般由生產(chǎn)廠家自定， 小型 LED 數(shù)碼管 一般采用雙列直插式，大型 LED 數(shù)碼管采用印

5、刷板插入式。 2、 根據(jù)顯示位數(shù)劃分 根據(jù)器件所顯示位數(shù)的多少，可劃分成一位、 雙位、多位 LED 顯示器，一位 LED 顯示器 就是通常說的 LED 數(shù)碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。 雙位 LED 數(shù)碼管是將兩只數(shù)碼管封裝成一體， 其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低（與兩只一 位數(shù)碼管相比）。國外典型產(chǎn)品有 LC5012-11S （紅雙、共陰） 為簡化外部引線數(shù)量和降低顯示器功耗，多位 LED 顯示器一般采用動態(tài)掃描顯示方式。 其特點是將各位同一筆段的電極短接后作為一個引出端， 并且各位數(shù)碼管按一定順序輪流發(fā) 光顯示，只要位掃描頻率足夠高，就觀察不到閃爍現(xiàn)象。 3、根據(jù)顯示亮度劃分 有普通亮度和高

6、亮度之分。 普通 LED 數(shù)碼管的發(fā)光強度 I V仝 0.3mcd,而高亮度 LED 數(shù) 碼管的 lv 5mcd,提高將近一個數(shù)量級，并且后者在大約 1mA 的工作電流下即可發(fā)光。高亮 度 LED 數(shù)碼管典型產(chǎn)品有 2ED102 等。 4、按字形結(jié)構(gòu)劃分 有數(shù)碼管、符號管兩種。常見“ +”符號管可顯示正（+）、負（-）極性，“土 1”符號管 能顯示+1 或-1。其中以“米”字管的功能最全，除顯示運算符號 +、-、x、+之外，還可 即亮度與正向電流成正比。 LED 的正向電壓 UF則與正向電流以及管芯材料有關(guān)。 使用 LED 數(shù) 碼管時，工作電流一般選 目前國內(nèi)外生產(chǎn)的 LED與 LCD基本知識

7、 第 3頁共 8頁 顯示 AZ 共 26 個英文字母，常用作單位符號顯示。 此外，還可按共陽或共陰、發(fā)光顏色來分類。 三、 性能特點 LED 數(shù)碼管的主要特點如下： 1） 、能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與 CMOS、TTL 電路兼容。 2） 、發(fā)光響應(yīng)時間極短（0.1 卩 s）,高頻特性好，單色性好，亮度高。 3） 、體積小，zhon重量輕，抗沖擊性好。 4） 、壽命長，使用壽命在 10 萬小時以上，甚至可達 100 萬小時，成本低。 因此它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計算機的數(shù)顯器件。 四、 性能簡易檢測 LED 數(shù)碼管外觀要求顏色均勻，無局部變色及無氣泡等，在業(yè)余條件下可用干

8、電池為 例進一步檢查。現(xiàn)以共陰數(shù)碼管為例介紹檢查方法。 將 3 伏干電池負極引出線固定接觸在 LED 數(shù)碼管的公共負極端上，電池正極引出線依 次移動接觸筆畫的正極端。 這一根引出線接觸到某一筆畫的正極端時， 那一筆畫就相應(yīng)顯示 出來。用這種簡單的方法就可檢查出數(shù)碼管是否有斷筆（某筆畫不能顯示） ，連筆（某些筆 畫連在一起），并且可相對比較出不同筆畫發(fā)光的強弱性能。若檢查共陽極數(shù)碼管，只需將 電池正負極引出線對調(diào)一下，方法同上。 LED 數(shù)碼管每筆畫工作電流 ILED約在 510 mA 之間，若電流過大會損壞數(shù)碼管， 因此 必須加限流電阻，其阻值可按下式計算： R 限=（UO-LLED ） /

9、I LED 其中 Uo 為加在 LED 兩端電壓，ULED為 LED 數(shù)碼管每筆畫壓降（約 2V）。 利用數(shù)字萬用表的 hFE插口能夠方便的檢查 LED 數(shù)碼管的發(fā)光情況。選擇 NPN 檔時， C 孔帶正電，E 孔帶負電。例如檢查 LTS547R 型共陰極 LED 數(shù)碼管時，從 E 孔插入一根單 股細導(dǎo)線，導(dǎo)線引出端接陰極，再從 C 孔引出一根導(dǎo)線依次接觸各筆段電極，可分別顯示 所對應(yīng)的筆段。 LED與 LCD基本知識 第 4頁共 8頁 五、 使用注意事項 1） 、檢查時若發(fā)光暗淡，說明器件已老化，發(fā)光效率太低。如果顯示的筆段殘缺不全， 說明數(shù)碼管已局部損壞。 2） 、對于型號不明、又無管腳排

10、列圖的 LED 數(shù)碼管，用數(shù)字萬用表的 hFE檔可完成下LED與 LCD基本知識 述測試工作：判定數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)形式（共陰或共陽） ；識別管腳，檢查全亮筆段。預(yù) 先可假定某個電極為公共極，然后根據(jù)筆段發(fā)光或不發(fā)光加以驗證。 當筆段電極接反或公共 極判斷錯誤時，該筆段就不能發(fā)光。 第二篇 LCD 基本知識 一、LCD 的定義與特點 1、 LCD 的定義 液晶是一種幾乎完全透明的物質(zhì)。它的分子排列決定了光線穿透液晶的路徑。到 20 世 紀 60 年代，人們發(fā)現(xiàn)給液晶充電會改變它的分子排列，繼而造成光線的扭曲或折射，由此 引發(fā)了人們發(fā)明液晶顯示設(shè)備的念頭。 液晶顯示器，簡稱 LCD （ Liquid

11、Crystal Display ）。世界上第一臺液晶顯示設(shè)備出現(xiàn)在 20 世紀 70 年代初，被稱之為 TN-LCD （扭曲向列）液晶顯示器。盡管是單色顯示，它仍被 推廣到了電子表、計算器等領(lǐng)域。 80 年代，STN-LCD （超扭曲向列）液晶顯示器出現(xiàn)，同 時 TFT-LCD （薄膜晶體管）液晶顯示器技術(shù)被研發(fā)出來，但液晶技術(shù)仍未成熟，難以普及。 80 年代末 90 年代初，日本掌握了 STN-LCD 及 TFT-LCD 生產(chǎn)技術(shù)，LCD 工業(yè)開始高速發(fā) 展。 LCD 是在一定電壓下（僅為數(shù)伏 ），使液晶的特定分子改變另一種分子的排列方式， 由于分子的再排列使液晶盒的雙折射性、旋光性、二色性

12、、光散射性等光學性質(zhì)發(fā)生變化， 進而又由這些光學性質(zhì)的變化轉(zhuǎn)換成視覺的變化，也就是說 LCD 是一種液晶利用光調(diào)制的 受光型顯示器件。 2、 LCD 的特點 LCD 的特點是體積小、形狀薄、重量輕、耗能少（ 110 微瓦/平方厘米）、低發(fā)熱、工 作電壓低（1.56 伏）、無污染，無輻射、無靜電感應(yīng)，尤其是視域?qū)?、顯示信息量大、無 閃爍，并能直接與 CMOS 集成電路相匹配，同時還是真正的 平板”式顯示設(shè)備。這些特點 正在使顯示領(lǐng)域從傳統(tǒng) CRT 走向 LCD 、LCD 的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 液晶是一種介于液體和固體之間的熱力學的中間穩(wěn)定物質(zhì)形態(tài)。 其特點是在一定的溫度 范圍內(nèi)既有液體的流動性和

13、連續(xù)性， 又有晶體的各向異性，其分子呈長棒形，長寬之比較大, 分子不能彎曲，是一個剛性體，中心一般有一個橋鏈，分子兩頭有極性。 LCD 器件的結(jié)構(gòu)如圖 12. 14 所示。由于液晶的四壁效應(yīng)，在定向膜的作用下，液晶分 子在正、背玻璃電極上呈水平排列，但排列方向為正交，而玻璃間的分子呈連續(xù)扭轉(zhuǎn)過度， 這樣的構(gòu)造能使液晶對光產(chǎn)生旋光作用，使光偏轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn) 900。 14液晶顯示器基本構(gòu)造圍電扱 電扱 下電極基板c背） -下偏振片 -反射極 下偏振片 反射極 LED與 LCD基本知識 第 6頁共 8頁 圖 12.15 顯示了液晶顯示器的工作原理。當外部光線通過上偏振片后形成偏振光，偏振 方向成垂直排

14、列，當此偏振光通過液晶材料之后，被旋轉(zhuǎn) 900,偏振方向成水平方向，此方 向與下偏振片的偏振方向一致， 因此此光線能完全穿過下偏振片而達到反射極， 經(jīng)反射后沿 原路返回，從而呈現(xiàn)出透明狀態(tài)。當液晶盒的上、 下電極加上一定的電壓后，電極部分的液 晶分子轉(zhuǎn)成垂直排列， 從而失去旋光性。因此從上偏振片入射的偏振光不能被旋轉(zhuǎn)， 當此偏 轉(zhuǎn)光到達下偏振片時， 因其偏振方向與下偏轉(zhuǎn)片的偏振方向垂直， 因而被下偏振片吸收， 無 法到達反射板形成反射，所以呈現(xiàn)出黑色。根據(jù)需要，將電極做成各種文字、數(shù)字或點陣， 就可以獲得所需的各種顯示。 圖12 15液晶顯示器的工作原理EP 三、LCD 的驅(qū)動方式 液晶顯示器

15、的驅(qū)動方式由電極引線的選擇方向確定，因此，在選擇好液晶顯示器之后， 用戶無法改變驅(qū)動方式。 液晶顯示器的驅(qū)動方式一般有靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)驅(qū)動兩種。 由于直流 電壓驅(qū)動 LCD 會使液晶體產(chǎn)生電解和電極老化， 從而大大降低 LCD 的使用壽命，所以現(xiàn)在 的驅(qū)動方式多用交流電壓驅(qū)動。 1、靜態(tài)驅(qū)動方式 靜態(tài)驅(qū)動回路及波形圖如圖 12.16 所示。真值表如表 12. 3 所示。圖中 LCD 表示某個液 晶顯示字段，當此字段上兩個電極的電壓極性相同時， 兩電極之間的電位差為零， 該字段不 顯示，當此字段上兩個電極的電壓極性相反時， 兩電極之間的電位差不為零， 為二倍幅值的 方波電壓，該字段呈現(xiàn)出黑色顯示。

16、所謂靜態(tài)驅(qū)動是指讓需要顯示的段同時驅(qū)動的方法。液晶盒 下偏振片 反射板 LED與 LCD基本知識 第 7頁共 8頁 液晶顯示的驅(qū)動與 LED 的驅(qū)動有很大不同，對于 LED 而言，當在 LED 兩端加上恒定 的導(dǎo)通或截止電壓便可控制其亮或暗。而 LCD，由于其兩極不能加恒定的直流電壓，因而 給驅(qū)動帶來復(fù)雜性。一般應(yīng)在 LCD 的公共極（一般為背極）加上恒定的交變方波信號（一 般為 30150Hz）,通過控制前極的電壓變化而在 LCD 兩極間產(chǎn)生所需的零電壓或二倍幅值 的交變電壓，以達到 LCD 亮、滅的控制。目前已有許多 LCD 驅(qū)動集成芯片，在這些芯片中 將多個 LCD驅(qū)動電路集成到一起。圖

17、 12. 17 是七段 LCD 靜態(tài)驅(qū)動示意圖。 2、動態(tài)驅(qū)動方式 動態(tài)驅(qū)動實質(zhì)上是矩陣掃描驅(qū)動，可用于多位的 8 段數(shù)碼顯示和點陣顯示。點陣式 LCD 的控制一般采用行掃描方式，并且要采用時分割驅(qū)動方法，原理比較復(fù)雜。A B C 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 12. 16 波形團 畚吃一 3真值表 12. 1T 七段LCD顯示電跖 LED與 LCD基本知識 第 8頁共 8頁 3. LCD 顯示控制接口芯片介紹 隨著液晶顯示技術(shù)的迅速發(fā)展，各種專用的控制和驅(qū)動 LCD 的大規(guī)模集成電路 LSI , 使得 LCD 的控制和驅(qū)動極為方便， 而且可由 CPU 直接控制，滿足了用戶對

18、液晶顯示的多種 要求。目前這類 LSI已發(fā)展到既可顯示數(shù)字和字符，又可顯示圖形。常用的接口芯片是 T6963C 點陣式圖形液晶顯示 LSI。該芯片自帶字符 ROM，可產(chǎn)生標準的 128 個 ASCII字符 供用戶調(diào)用，還可外接擴展 RAM 存儲若干屏的顯示數(shù)據(jù)。還可在圖形模式下顯示漢字和圖 形。T6963C 常用于控制與驅(qū)動點陣圖形式 LCD，通過對其片腳的不同預(yù)置可進行文本、圖 形混合顯示。 四、LCD 的分類及其應(yīng)用 LCD 分為扭曲向列型（TN-LCD ）、超扭曲向列型（STN-LCD ）和薄膜晶體管（TFT-LCD） 等幾種。LCD（Liquid Crystal Display 液晶顯

19、示器）主要有三類應(yīng)用，即筆記本電腦顯示屏、 顯示屏主機一體化臺式電腦顯示器和單獨應(yīng)用的專用顯示器。 1、 TN-LCD 該材料液晶具有可視角較低，溫度范圍較窄， 適應(yīng)用于字符、數(shù)字型、段碼式要求的行 業(yè)應(yīng)用。也就是所謂字符型液晶的主要材料。它們的命名方式主要是以字符及行數(shù)來形容。 2、 STN-LCD TFT （Thin Film Transistor ）是指薄膜晶體管，意即每個液晶像素點都是由集成在象 素點后面的薄膜晶體管來驅(qū)動，從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。 TFT LCD 是目前最好的 LCD 彩色顯示設(shè)備之一， 其效果接近 CRT 顯示器，是現(xiàn)在筆記本 電腦和臺式機

20、上的主流顯示設(shè)備。 該材料具有的可視角相對 TN 要大，而且溫度范圍也好一些， 目前是市面上比較通用的 一種，根據(jù)功能及更深一步的開發(fā)還有 DSTN、FSTN 等多種規(guī)格，可實現(xiàn)單色或偽彩色的 不同需要，目前主要命名方式是圖形、點陣式液晶，如點陣 128*64640*200 單色或彩色液 晶。以上兩種可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、儀器設(shè)備、航空、科研、工業(yè)等。 3、TFT-LCD 分辨率點陣高、超簿、超輕、真彩色、響應(yīng)時間快等特點，而被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，甚至 是民用市場的液晶電腦顯示器，液晶電視機，監(jiān)視器等?？傊S著 TFT LCD 的技術(shù)進一步 成熟，它的應(yīng)用將無孔不入。 五、選購液晶顯示器應(yīng)注意的要

21、素。 1、尺寸 過去對電子表、計算器、手機的使用使我們對液晶顯示并不陌生，但大尺寸 的顯示屏則是現(xiàn)代液晶技術(shù)的具體體現(xiàn)。 在 TFT 技術(shù)的支持下，液晶板從以往的 8 英寸發(fā)展 該材料液晶是目前最好優(yōu)秀的液晶之一，該液晶繼承了 STN LCD 的命名方式，具有有 LED與 LCD基本知識 第 9頁共 8頁 到今天廣泛應(yīng)用的 14 英寸到 18 英寸，LG 甚至推出了 22 英寸的顯示器。沒有了傳統(tǒng)的電子 射線對顯示鏡面的轟擊，液晶板的尺寸可以做的“實實在在”， 在可視面積上要比同樣尺寸 的 CRT 可視面積大。當然這也與不同層次的應(yīng)用技術(shù)有關(guān)，如 LG的未來窗LCD 680LE的規(guī) 格尺寸是

22、16,顯示面積為 15.7 英寸，已相當于 CRT 中 17 英寸顯示器的顯示面積。 2、 視角 以往的液晶顯示器（如筆記本電腦），用戶必須正襟危坐在顯示器前面， 因為那時的視面 觀賞角度不大，稍微偏離屏幕正面，畫面就會失色。而現(xiàn)在的大尺寸 LCD 顯示器，140 至 160 度的水平可視角度以成為基本指標。較小尺寸的 15 英寸或 15 英寸以下的 LCD 顯示器，120 度的可視角度也足以顯示完整的畫面。 液晶顯示器的左、 右觀賞角度一般會大于上、 下觀賞 角度，也就是說，垂直的觀賞角度小于水平觀賞角度，當然， 越來越多的 LCD 顯示器強調(diào)其 水平與垂直觀賞角度相同。 LG 的未來窗 LCD 885LE 更是在水平和垂直視角上均達到了前所 未有的 180 度，也就是說沒有視覺死角。 3、 響應(yīng)速度 響應(yīng)時間是指液晶由明轉(zhuǎn)暗或者由暗轉(zhuǎn)明所需的時間。 一般來說響應(yīng)時間越短越好。響 應(yīng)時間越短，用戶在看移動的畫面時就不會感到類