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LED与LCD基本知识


LED 与 LCD 基本知识

第一篇 LED 基本知识
在计算机或电视机中主要采用屏幕显示, 但在各种数字仪表及各种家用电器中, 一般采 用显示器件进行显示。这里讲的显示器件是指数字显示器件,可以显示一般的数字、符号和 简单的图形。 LED 数码管是目前最常用的一种数显器件。我们知道,发光二极管(英文缩写为 LED) 是由半导体材料制成的、 能将电信号转换成光信号的结型电致发光器件。 如果把发光二极管 制成条状,再按照一定方式连接,组成数字“8” ,就构成 LED 数码管,简称 LED。使用时 按规定使某些笔段上的发光二极管发光,即可组成 0 ~ 9 的一系列数字。

一、构造与显示原理
LED 数码管分共阳极与共阴极两种,a ~g 代表 7 个笔段的驱动端,亦称笔段电极。对 于共阴极 LED 数码管,如下图所示,将七只发光二极管的阴极(负极)短接后作为公共阴 极。其工作特点是,当笔段电极接高电平,公共阴极接低电平时,相应笔段可以发光。共阳 极 LED 数码管则与之相反,它是将发光二极管的阳极(正极)短接后作为公共阳极。当驱 动信号为低电平,公共阳极接高电平时,才能发光。

LED 的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射强度,也反映出半导体材料的特性。常见 管芯材料有磷化镓(GaP) 、砷化镓(GaAs) 、磷砷化镓(GaAsP) 、氮化镓(GaN)等。其 中氮化镓可发蓝光。发光颜色不仅与管芯材料有关,还与所掺杂质有关,因此用同一种管芯 材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。各种颜色 LED 数码管的光谱曲线 都比较相似,仅发光峰值λp 值不同(磷砷化镓黄色数码管的λp=585nm, 1nm=10 m) 。LED 数码管的产品中, 以发红光、绿光的居多,这两种颜色也比较醒目。
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LED 数码管等效于多只具有发光性能的 PN 结。当 PN 结导通时,依靠少数载流子的注 入及随后的复合而辐射法光。其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前,正向电流近 似于零,笔段不发光。当电压超过开启电压时,电流就急剧上升,笔段发光。因此,LED 数 码管属于电流控制型器件, 其发光亮度 L (单位是 cd/m ) 与正向电流 IF 有关, 用公式表示: L=KIF 即亮度与正向电流成正比。LED 的正向电压 UF 则与正向电流以及管芯材料有关。使用 LED 数 码管时,工作电流一般选 10mA 左右/段,既保证亮度适中,又不会损坏器件。
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二、分类
目前国内外生产的 LED 数码管不仅种类繁多,型号各异,大致有以下几种分类方式: 1、按外形尺寸分类 、 目前我国尚未制定 LED 数码管的统一标准, 型号一般由生产厂家自定, 小型 LED 数码管 一般采用双列直插式,大型 LED 数码管采用印刷板插入式。 2、根据显示位数划分 、 根据器件所显示位数的多少,可划分成一位、双位、多位 LED 显示器,一位 LED 显示器 就是通常说的 LED 数码管,两位以上的一般称作显示器。 双位 LED 数码管是将两只数码管封装成一体,其特点是结构紧凑、成本较低(与两只一 位数码管相比) 。国外典型产品有 LC5012-11S(红双、共阴) 。 为简化外部引线数量和降低显示器功耗,多位 LED 显示器一般采用动态扫描显示方式。 其特点是将各位同一笔段的电极短接后作为一个引出端, 并且各位数码管按一定顺序轮流发 光显示,只要位扫描频率足够高,就观察不到闪烁现象。 3、根据显示亮度划分 、 有普通亮度和高亮度之分。 普通 LED 数码管的发光强度 IV≧0.3mcd, 而高亮度 LED 数码 管的 IV≧5mcd,提高将近一个数量级,并且后者在大约 1mA 的工作电流下即可发光。高亮度 LED 数码管典型产品有 2ED102 等。 4、按字形结构划分 、 有数码管、符号管两种。常见“+”符号管可显示正(+) 、负(-)极性, “±1”符号管 能显示+1 或-1。其中以“米”字管的功能最全,除显示运算符号+、-、×、÷之外,还可 显示 A~Z 共 26 个英文字母,常用作单位符号显示。

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此外,还可按共阳或共阴、发光颜色来分类。

三、性能特点
LED 数码管的主要特点如下: 1) 、能在低电压、小电流条件下驱动发光,能与 CMOS、TTL 电路兼容。 2) 、发光响应时间极短(<0.1μs) ,高频特性好,单色性好,亮度高。 3) 、体积小,zhon 重量轻,抗冲击性好。 4) 、寿命长,使用寿命在 10 万小时以上,甚至可达 100 万小时,成本低。 因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。

四、性能简易检测
LED 数码管外观要求颜色均匀,无局部变色及无气泡等,在业余条件下可用干电池为 例进一步检查。现以共阴数码管为例介绍检查方法。 将 3 伏干电池负极引出线固定接触在 LED 数码管的公共负极端上,电池正极引出线依 次移动接触笔画的正极端。 这一根引出线接触到某一笔画的正极端时, 那一笔画就相应显示 出来。用这种简单的方法就可检查出数码管是否有断笔(某笔画不能显示) ,连笔(某些笔 画连在一起) ,并且可相对比较出不同笔画发光的强弱性能。若检查共阳极数码管,只需将 电池正负极引出线对调一下,方法同上。 LED 数码管每笔画工作电流 ILED 约在 5~10 mA 之间, 若电流过大会损坏数码管, 因此 必须加限流电阻,其阻值可按下式计算:

UoR 限 =(Uo-ULED)/ILED
其中 Uo 为加在 LED 两端电压,ULED 为 LED 数码管每笔画压降(约 2V) 。 利用数字万用表的 hFE 插口能够方便的检查 LED 数码管的发光情况。选择 NPN 档时, C 孔带正电,E 孔带负电。例如检查 LTS547R 型共阴极 LED 数码管时,从 E 孔插入一根单 股细导线,导线引出端接阴极,再从 C 孔引出一根导线依次接触各笔段电极,可分别显示 所对应的笔段。

五、使用注意事项
1) 、检查时若发光暗淡,说明器件已老化,发光效率太低。如果显示的笔段残缺不全, 说明数码管已局部损坏。 2) 、对于型号不明、又无管脚排列图的 LED 数码管,用数字万用表的 hFE 档可完成下
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述测试工作:①判定数码管的结构形式(共阴或共阳) ;②识别管脚,③检查全亮笔段。预 先可假定某个电极为公共极, 然后根据笔段发光或不发光加以验证。 当笔段电极接反或公共 极判断错误时,该笔段就不能发光。

第二篇 LCD 基本知识
一、LCD 的定义与特点
1、LCD 的定义 、 液晶是一种几乎完全透明的物质。它的分子排列决定了光线穿透液晶的路径。到 20 世 纪 60 年代,人们发现给液晶充电会改变它的分子排列,继而造成光线的扭曲或折射,由此 引发了人们发明液晶显示设备的念头。 液晶显示器,简称 LCD(Liquid Crystal Display) 。世界上第一台液晶显示设备出现在 20 世纪 70 年代初,被称之为 TN-LCD(扭曲向列)液晶显示器。尽管是单色显示,它仍被 推广到了电子表、计算器等领域。80 年代,STN-LCD(超扭曲向列)液晶显示器出现,同 时 TFT-LCD(薄膜晶体管)液晶显示器技术被研发出来,但液晶技术仍未成熟,难以普及。 80 年代末 90 年代初,日本掌握了 STN-LCD 及 TFT-LCD 生产技术,LCD 工业开始高速发 展。 LCD 是在一定电压下(仅为数伏 ) ,使液晶的特定分子改变另一种分子的排列方式, 由于分子的再排列使液晶盒的双折射性、旋光性、二色性、光散射性等光学性质发生变化, 进而又由这些光学性质的变化转换成视觉的变化,也就是说 LCD 是一种液晶利用光调制的 受光型显示器件。 2、LCD 的特点 、 LCD 的特点是体积小、形状薄、重量轻、耗能少(1~10 微瓦/平方厘米) 、低发热、工 作电压低(1.5~6 伏) 、无污染,无辐射、无静电感应,尤其是视域宽、显示信息量大、无 闪烁,并能直接与 CMOS 集成电路相匹配,同时还是真正的“平板”式显示设备。这些特点 正在使显示领域从传统 CRT 走向 LCD

二、LCD 的基本结构及工作原理
液晶是一种介于液体和固体之间的热力学的中间稳定物质形态。 其特点是在一定的温度 范围内既有液体的流动性和连续性, 又有晶体的各向异性, 其分子呈长棒形, 长宽之比较大, 分子不能弯曲,是一个刚性体,中心一般有一个桥链,分子两头有极性。 LCD 器件的结构如图 12. 14 所示。由于液晶的四壁效应,在定向膜的作用下,液晶分 子在正、背玻璃电极上呈水平排列,但排列方向为正交,而玻璃间的分子呈连续扭转过度, 这样的构造能使液晶对光产生旋光作用,使光偏转方向旋转 900。

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图 12.15 显示了液晶显示器的工作原理。当外部光线通过上偏振片后形成偏振光,偏振 方向成垂直排列,当此偏振光通过液晶材料之后,被旋转 900,偏振方向成水平方向,此方 向与下偏振片的偏振方向一致, 因此此光线能完全穿过下偏振片而达到反射极, 经反射后沿 原路返回,从而呈现出透明状态。当液晶盒的上、下电极加上一定的电压后,电极部分的液 晶分子转成垂直排列,从而失去旋光性。因此从上偏振片入射的偏振光不能被旋转,当此偏 转光到达下偏振片时,因其偏振方向与下偏转片的偏振方向垂直,因而被下偏振片吸收,无 法到达反射板形成反射,所以呈现出黑色。根据需要,将电极做成各种文字、数字或点阵, 就可以获得所需的各种显示。

三、LCD 的驱动方式
液晶显示器的驱动方式由电极引线的选择方向确定,因此,在选择好液晶显示器之后, 用户无法改变驱动方式。 液晶显示器的驱动方式一般有静态驱动和动态驱动两种。 由于直流 电压驱动 LCD 会使液晶体产生电解和电极老化, 从而大大降低 LCD 的使用寿命, 所以现在 的驱动方式多用交流电压驱动。 1、静态驱动方式 、 静态驱动回路及波形图如图 12.16 所示。真值表如表 12. 3 所示。图中 LCD 表示某个液 晶显示字段,当此字段上两个电极的电压极性相同时,两电极之间的电位差为零,该字段不 显示,当此字段上两个电极的电压极性相反时,两电极之间的电位差不为零,为二倍幅值的 方波电压,该字段呈现出黑色显示。所谓静态驱动是指让需要显示的段同时驱动的方法。

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液晶显示的驱动与 LED 的驱动有很大不同,对于 LED 而言,当在 LED 两端加上恒定 的导通或截止电压便可控制其亮或暗。而 LCD,由于其两极不能加恒定的直流电压,因而 给驱动带来复杂性。一般应在 LCD 的公共极(一般为背极)加上恒定的交变方波信号(一 , 般为 30~150HZ) 通过控制前极的电压变化而在 LCD 两极间产生所需的零电压或二倍幅值 的交变电压,以达到 LCD 亮、灭的控制。目前已有许多 LCD 驱动集成芯片,在这些芯片中 将多个 LCD 驱动电路集成到一起。图 12. 17 是七段 LCD 静态驱动示意图。

2、动态驱动方式 、动态驱动方式 动态驱动实质上是矩阵扫描驱动, 可用于多位的 8 段数码显示和点阵显示。 点阵式 LCD 的控制一般采用行扫描方式,并且要采用时分割驱动方法,原理比较复杂。
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3. LCD 显示控制接口芯片介绍 随着液晶显示技术的迅速发展,各种专用的控制和驱动 LCD 的大规模集成电路 LSI, 使得 LCD 的控制和驱动极为方便, 而且可由 CPU 直接控制, 满足了用户对液晶显示的多种 要求。目前这类 LSI 已发展到既可显示数字和字符,又可显示图形。常用的接口芯片是 T6963C 点阵式图形液晶显示 LSI。该芯片自带字符 ROM,可产生标准的 128 个 ASCII 字符 供用户调用,还可外接扩展 RAM 存储若干屏的显示数据。还可在图形模式下显示汉字和图 形。T6963C 常用于控制与驱动点阵图形式 LCD,通过对其片脚的不同预置可进行文本、图 形混合显示。

的分类 四、LCD 的分类及其应用
LCD 分为扭曲向列型 (TN-LCD) 超扭曲向列型 、 (STN-LCD) 和薄膜晶体管 TFT-LCD) ( 等几种。LCD(Liquid Crystal Display 液晶显示器)主要有三类应用,即笔记本电脑显示屏、 显示屏主机一体化台式电脑显示器和单独应用的专用显示器。 1、TN-LCD 、 该材料液晶具有可视角较低,温度范围较窄,适应用于字符、数字型、段码式要求的行 业应用。也就是所谓字符型液晶的主要材料。它们的命名方式主要是以字符及行数来形容。 2、STN-LCD 、 TFT(Thin Film Transistor)是指薄膜晶体管,意即每个液晶像素点都是由集成在象 素点后面的薄膜晶体管来驱动,从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。 TFT-LCD 是目前最好的 LCD 彩色显示设备之一,其效果接近 CRT 显示器,是现在笔记本 电脑和台式机上的主流显示设备。 该材料具有的可视角相对 TN 要大,而且温度范围也好一些,目前是市面上比较通用的 一种,根据功能及更深一步的开发还有 DSTN、FSTN 等多种规格,可实现单色或伪彩色的 不同需要,目前主要命名方式是图形、点阵式液晶,如点阵 128*64~640*200 单色或彩色液 晶。以上两种可广泛应用于医疗、仪器设备、航空、科研、工业等。 3、TFT-LCD 、 该材料液晶是目前最好优秀的液晶之一,该液晶继承了 STN LCD 的命名方式,具有有 分辨率点阵高、超簿、超轻、真彩色、响应时间快等特点,而被广泛应用于各大领域,甚至 是民用市场的液晶电脑显示器,液晶电视机,监视器等。总之随着 TFT LCD 的技术进一步 成熟,它的应用将无孔不入。

五、选购液晶显示器应注意的要素。
1、尺寸 、 过去对电子表、计算器、手机的使用使我们对液晶显示并不陌生,但大尺寸 的显示屏则是现代液晶技术的具体体现。 TFT 技术的支持下, 在 液晶板从以往的 8 英寸发展 到今天广泛应用的 14 英寸到 18 英寸,LG 甚至推出了 22 英寸的显示器。没有了传统的电子 射线对显示镜面的轰击, 液晶板的尺寸可以做的“实实在在”, 在可视面积上要比同样尺寸 的 CRT 可视面积大。当然这也与不同层次的应用技术有关,如 LG 的未来窗 LCD 680LE 的规
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格尺寸是 16,显示面积为 15.7 英寸,已相当于 CRT 中 17 英寸显示器的显示面积。 2、视角 、 以往的液晶显示器(如笔记本电脑), 用户必须正襟危坐在显示器前面, 因为那时的视面 观赏角度不大, 稍微偏离屏幕正面, 画面就会失色。 而现在的大尺寸 LCD 显示器, 140 至 160 度的水平可视角度以成为基本指标。较小尺寸的 15 英寸或 15 英寸以下的 LCD 显示器,120 度的可视角度也足以显示完整的画面。液晶显示器的左、右观赏角度一般会大于上、下观赏 角度,也就是说,垂直的观赏角度小于水平观赏角度,当然,越来越多的 LCD 显示器强调其 水平与垂直观赏角度相同。LG 的未来窗 LCD 885LE 更是在水平和垂直视角上均达到了前所 未有的 180 度,也就是说没有视觉死角。 3、响应速度 、 响应时间是指液晶由明转暗或者由暗转明所需的时间。 一般来说响应时间越短越好。 响 应时间越短, 用户在看移动的画面时就不会感到类似残影或者拖沓的痕迹。 按照人眼的反应 时间,响应时间如果超过 40 毫秒,就会出现运动图像的迟滞现象。目前液晶显示器的标准 响应时间大部分介于 50-100 毫秒之间,不过也有少数机种可达到 30 毫秒左右,如 LG 的未 来窗 LCD 570LS、885LE;EMC 的 BM-568,完全可以和 CRT 显示器媲美。 4、色彩 、 显示器的色彩是目前 CRT 显示器能够对抗 LCD 显示器的一大优势。LCD 显示器在轻松达 到 1024*768 分辨率的同时,也使自己需要 240 万个像素来满足红、蓝、绿三色的显示,这 在技术上提出了很高的要求。 一般的 LCD 显示器只能支持几十万种色彩, 市场上多见的是支 持 24 位色彩, 即显示色彩的像素数量达到 262144 的显示器。 但也有一些突破了技术上的瓶 颈,LG 公司的液晶显示器如未来窗 LCD 885LE,在分辨率达到 1280*1024 的情况下,显示色 彩达到 1670 万种,色阶过渡相当完美,会使用户体会到名副其实的真色彩。 5、分辨率 、 分辨率是所有显示器最重要的选购技术指标之一,分辨率越高,显示的效果越好。液晶 显示器的分辨率不同于 CRT 显示器, 因为它一般是不能随便调整的, 经由制造商设置和规定 后, 只有工作在标称的分辨率模式下, 液晶显示器才能达到最好的显示效果。 所以, 购买时, 要注意该显示器的分辨率。一般的液晶显示器,它的标准分辨率为 1024*768,这一分辨率 可以支持目前一般用户大部分用途的显示要求, 一些一般性的专业绘图要求也可满足。 当然, 更高的分辨率也已出现。LG 的未来窗 LCD 680LE 的分辨率可以达到 1280*1024,完全可以达 到 17 英寸 CRT 显示器的应用标准。

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