LED显示屏的原理与性能研究

摘 要：随着2008年北京奥运会和2010年上海世博会的举行，LED显示屏作为一种绿色、节能的显示媒体得到日益广泛的应用。文章重点对LED显示屏的原理以及衡量显示效果的性能指标进行分析，以期对LED屏显市场的发展提供帮助。

关键词： LED；显示屏；显示技术；光电子技术

中图分类号：TN27 文献标识码：A

Research on the Principles and Performance of LED Display Screen

XU Wan-li

(Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen Fujian 361012, China)

Abstract: As the 2008 OLYMPIC Games in Beijing and Shanghai 2010 EXPO have been held, the LED display screen as a kind of green and environmentally-friendly display media, is widely applied. This article mainly describes the principles and performance of LED display screen, contributing to promote the development of the display.

Keywords: LED; display screen; display technology; photo-electronic technology

引 言

LED即发光二极管，最早诞生于1923年，当时罗塞夫在研究半导体SIC时发现掺有杂质的PN结，通电后会有光发射出来，由此研制出了发光二极管。随后几十年，随着半导体加工工艺逐步成熟和完善，以及人们对发光材料研究的逐步深入，先后发明了红光LED、绿光LED以及蓝光LED，这使全彩色显示成为可能，而LED的亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、寿命长等诸多优点，日趋奠定了LED在固体显示中的主导地位。随着2008年北京奥运会和2010年上海世博会的举行，LED显示屏得到了更广泛的应用，给整个产业的发展创造了新的机遇。

1LED的发光原理与驱动方式

LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物，如GaAs、GaP等半导体材料制成的，其核心是PN结，具有正向导通、反向截止等一般PN结的特性。当给PN结施加正向电压时，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子的一部分与多数载流子复合而发光，其原理如图1所示。

使用不同的半导体材料，可直接发出不同颜色的光，即不同波长的光。光的波长λ与所用半导体材料的禁带宽度Eg有关，它们之间的关系为：

其中，h为普朗克常数，q为载流子所带电荷，c为光速，λ为发光波长。

LED的驱动就是使它的PN结处于正向偏置，而为了控制它的发光强度，同时还要解决正向电流的调节问题。实际使用的LED驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等，通过不同的LED驱动方式，在LED显示屏上就可得到不同效果的文字或图像。驱动芯片的优劣对LED显示屏的显示质量起着重要的作用，LED驱动芯片可分为通用芯片和专用芯片。通用芯片一般用于LED显示屏的低端产品，如户内的单、双色屏等；专用芯片一般提供恒流源，可以保证LED的稳定驱动，消除LED的闪烁现象，比较适用于要求大电流、高画质的场合，如户外全彩屏、室内全彩屏等。

2 LED显示屏的原理

LED显示屏是一种新型的信息显示媒体，它是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。图2所示为8×8点阵LED显示屏的结构图，从图上看，8×8点阵共需要64个发光二极管，且每个发光二极管放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置高电平，某一列置低电平时，则相应的二极管点亮。例如要显示文字时，就可以按照组成文字的笔画将相应的二极管点亮，从而达到显示文字的目的，如图3所示。而完整的点阵可由16×16、32×32等组成显示模块。

单基色LED显示屏的每个像素由1个单色LED发光二极管组成， 即每个像素包含1个LED发光二极管；双基色LED显示屏的每个像素由2个2种单色的LED发光二极管组成， 即每个双基色像素包含2个LED发光二极管；而对于三基色全彩LED显示屏来说，组成像素点的二极管包括了3个或3个以上，如由分别发红光、绿光和蓝光的3个二极管组成，这样就可以根据三基色的配色原理，达到彩色显示的目的；而有些显示屏为了改善显示效果，可能由4个二极管组成：2个红光LED、1个绿光LED和1个蓝光LED。

3 LED显示屏的性能及选购注意事项

2001年4月，LED显示屏专委会在杭州召开LED显示屏检测技术研讨会，会议通过的《LED显示屏检测方法》中，详细介绍了LED显示屏的性能要求及专业检测要点，而在实际使用时，只要注意以下几个方面即可。

（1） LED显示屏的颜色

LED显示屏分为单色显示屏、双基色显示屏和全彩显示屏，可根据应用场合和所要求的显示效果来选择。如单色显示屏一般用来播放简单文字，证券公司或者银行等机构用得比较多；双基色显示屏一般采用的是红、绿两种颜色，用来播放文字、简单图片等，一般用在车站等场所；全彩显示屏可以用来播放文字、图片、视频等，一般应用于商业广告、舞台演出等。

（2） 像素和分辨率

像素是组成显示屏的最小单位，如一个单红显示屏，它其中的一个红灯，便称之为一个像素。而如果是全彩显示屏，它的一个像素就是组成白色最小的一个点（1R1G1B）。显示屏的分辨率是指这个显示屏由多少个像素组成，就是屏幕图像的精密度。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示屏可显示的像素越多，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多，画面就越精细。

（3）点间距

一个显示屏相邻两个像素之间的距离称为点间距，一般叫法是PX，如P10表示两个像素中心之间的距离为10mm。点间距越小的屏，播放效果越好，图像越清晰。点间距和显示屏可视距离有直接关系，一般来说PX的屏，它的最佳观看距离是X/2m之外，比如P10的显示屏，在5m外观看效果会比较好。

（4） 亮度

室内应用的显示屏一般要求表面的发光亮度高于1,000cd/m2，而室外应用时则亮度应在4,000cd/m2以上。整屏亮度取决于组成每个像素点的红、绿、蓝三种LED亮度值的叠加，红、绿、蓝的亮度值近似按照3:6:1的比例配比。当然亮度并不是越高越好，合适就行。

（5） 视角

视角的选择需要根据具体的用途来决定。一般来说户外显示屏大多选用水平视角100°、垂直视角50°的椭圆LED，室内显示屏则选用水平、垂直视角均为120°的贴片LED。视角与亮度互为矛盾，大视角会降低亮度。

（6） 一致性

① 亮度一致性

LED全彩显示屏的亮度一致性取决于LED器件的亮度一致性，一般要求LED器件每种颜色的最高与最低亮度比不高于1.3，相邻两个同色LED的亮度差异小于10%；

② 色度一致性

组成LED全彩显示屏的LED器件均要求一定的波长范围，波长范围过宽，会影响显示屏色度的一致性，一般来说，红、绿、蓝每种颜色的波长范围均要求在5nm以内；

③ 角度一致性

LED全彩显示屏由一个个有角度的LED组成，LED角度的一致性会直接影响显示屏不同角度的亮度、色度一致性。

（7） 盲点

LED全彩显示屏的一个重要指标是LED的盲点率，一般来说，用于全彩显示屏的高品质LED器件其1,000小时的失效率应低于万分之一。

（8） 衰减特性

LED全彩显示屏长时间工作后会出现亮度下降和显示屏颜色不一致的现象，主要是由于LED器件的亮度衰减造成的。LED亮度的衰减会造成显示屏整屏亮度的降低，红、绿、蓝LED亮度衰减幅度的不一致会造成LED显示屏颜色的不一致，就是常说的花屏现象。按1,000小时常温点亮20mA标准，红色衰减应小于2%，蓝、绿色衰减应小于10%，故蓝、绿色LED在显示屏设计时尽量不要用到20mA电流，最好只用70～80%的额定电流。衰减特性除与红、绿、蓝LED本身特性相关外，使用电流、PCB板散热设计、显示屏使用环境温度等均会对衰减造成影响。

（9） 寿命

由于显示屏在工作时并不是每只LED每时每刻都在满负荷工作，在正常播放视频节目的情况下，显示屏的寿命期是LED寿命期的6～10倍，当LED工作在小电流的状况下寿命可以更长。一般来说，LED的寿命决定了显示屏的寿命，LED作为一种半导体材料，其理论寿命通常在10万小时以上，而在实际使用中是达不到的。

4 结论

LED显示屏尽管在色彩显示、色彩控制等诸多方面还有需要改进的地方，但是LED显示屏作为一种绿色、节能的显示技术日益受到人们的青睐，也必将作为一种主流显示媒体，引领显示技术的未来。

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作者简介：许万里（1978-），男，籍贯河南，硕士研究生，就职于厦门海洋职业技术学院，讲师，主要从事光电专业方向的教学与科研工作，E-mail：。