LED与LCD基本知识

LED与LCD基本知识第1页共8页第一篇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=10-9m）。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。LED与LCD基本知识第2页共8页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/m2）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。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。LED与LCD基本知识第3页共8页此外，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5～10mA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：R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LED与LCD基本知识第4页共8页述测试工作：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（LiquidCrystalDisplay）。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。LED与LCD基本知识第5页共8页图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。LED与LCD基本知识第6页共8页液晶显示的驱动与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。LED与LCD基本知识第7页共8页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。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(LiquidCrystalDisplay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-LCDTFT（ThinFilmTransistor）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