LCD液晶显示器结构原理

液晶电视工作原理、优点及评判标准•近几年，由于液晶屏的关键技术不断取得突破和价格的不断下滑，液晶电视目前已经完全取代了CRT电视在家庭、办公、商场、医院、政府机关单位应用领域的霸主地位，成为各大企业首选的标配产品。•液晶电视产品的迅速普及，对于我们这些做技术服务的维修人员来说，就意味着一个新的学习任务摆在了我们的面前。•那么现在就让我们一起来共同学习液晶电视的工作原理和优点。•从上图我们可以知道，液晶电视在内部电路结构上主要有以下几个部分构成：•1、驱动板（也叫主板）：主要是用以接收、处理从外部送进来的模拟（VGA）或者数字（DVI）视频信号，并通过屏线送出信号去控制液晶屏（PANEL）正常工作。驱动板上含有MCU单元，它是液晶显示器的检测控制中心和大脑。•2、电源板：用于将90～240V的交流电压转变为36V、18V、24V12V、5V、3V等的直流电供给电视机工作。•3、背光板（也叫高压板）：用于将主板或电源板输出的36V、24V、18V、12V的直流电压转变为PANEL需要•的高频的1500V～1800V的高压交流电，用于点亮PANEL的背光灯。•电源板和背光板有时会做在一起也就是所谓的电源背光二合一板。•4、液晶屏：液晶显示用模块，它是液晶电视的核心部件，其包含液晶板和驱动电路。•其中,液晶屏是液晶显示器内部最为关键的部件，它对液晶显示器的性能和价格具有决定性的作用。液晶屏显像的工作原理•液晶电视(LCD)是指用液晶屏做显示器的电视机。•液晶电视屏幕由超过二百万个红、绿、蓝三色液晶光阀组成，液晶光阀在极低的电压驱动下被激活，此时位于液晶屏后的背光灯发出的光束从液晶屏通过，产生1024×768点阵(点距0.297mm)、分辨率极高的图像。•同时，先进的电子控制技术使液晶光阀产生1677万种颜色变化（红256×绿256×蓝256），还原真实的亮度、色彩度，再现自然纯真的画面。液晶显像从根本上改变了传统彩电以“行”为基础的模拟扫描方式，实现了以“点”为基础的数字显示技术。液晶电视的优点•液晶电视与传统显像管(CRT)电视相比有如下优点：•⑴画面稳定。去掉了场、行扫描方式，从而避免了因扫描带来的画面闪烁和不稳定；•⑵图像逼真。采用数字点阵显示模式，将画面的几何失真率降为零。采用高亮度、高对比度、防反光的液晶屏，大大增加了电视画面的透亮度和对比度．减少光线的反射和散射，可看到更明亮、清晰、细腻的画面；•⑶消除辐射。采用荧光灯透过液晶屏成像，彻底消除了CRT电子束高压加速轰击荧光粉产生的辐射和静电；•⑷节省空间。抛掉了庞大的CRT及其它元器件，使整机机身厚度不超过6cm，薄得可以贴在墙上，能节省存放空间•⑸节省能耗。液晶电视的最大耗电量为65W，比传统电视机节能70%，非常受消费者欢迎。•以下相对于我们维修行业•（6）维修成本低，零件、配件我们培众相当齐全。而对于客户来说因感觉屏幕大、功能多、机器贵重，所以我们收取的维修费用往往相对较高。•（7）工作原理简单，内部结构由五六片电路板组成，易学易懂。只要大家对液晶电视有兴趣一个月时间保证同学们可以学的非常好。•（8）学会了液晶电视的开关电源工作原理，用处非常大如：办公设备、电脑、家用电器全都要用到开关电源。俗话言一通百通。液晶面板（液晶屏）的原理•液晶是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物。如果把它加热会呈现透明状的液体状态，把它冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态，具有液体与晶体的特性，故称之为“液晶”。液晶显示的原理简单地说，就是将置于两个电极之间的液晶通电，液晶分子的排列顺序在电极通电时会发生改变，从而改变透射光的光路，实现对影像的控制。•液晶面板按照控制方式的不同可分为被动矩阵式（无源矩阵式）LCD及主动矩阵式（有•源矩阵式）LCD两种。•被动矩阵式LCD可分为TN-LCD(TwistedNematic-LCD，扭曲向列LCD)、STN-LCD(SuperTN-LCD，超扭曲向列LCD)和DSTN-LCD(DoublelayerSTN-LCD，双层超扭曲向列LCD)三种。TN、STN、DSTN液晶面板的原理基本相同，不同之处只是各个液晶分子的扭曲角度略有差异而已，其中DSTN（俗称“伪彩”）在早期的笔记本电脑显示器及掌上游戏机上广为应用。被动矩阵式LCD由于其必须借用外界光源来显像、可视角较小、反应较慢、画面质量不高等因素，使得这种显示设备不利于发展为桌面型显示器，但由于成本低廉，市场上仍有少数显示器采用了被动矩阵式LCD。对于被动矩阵式LCD，由于可以做得更薄更轻和更省电，如果能在技术上对其进行革新那对于掌上型电脑和游戏机来说还是非常有用的。•目前，液晶显示器普遍采用的是主动矩阵式LCD，也称TFT-LCD(ThinFilm•Transistor-LCD，薄膜晶体管LCD)。TFT液晶显示器是在画面中的每个像素内建晶体管，•可使亮度更明亮、色彩更丰富及更宽广的可视面积，具有屏幕反应速度快，对比度好，亮度•高，可视角度大，色彩丰富等优点。TFTLCD的中文翻译名称叫做薄膜晶体管液晶显示器。从液晶面板的工作原理我们可以知道液晶显示器需要电压控制来产生灰阶，而利用薄膜晶体管来产生电压，以控制液晶转向的显示器,就叫做TFTLCD。TFT液晶面板，由表及里分别由偏光板、玻璃基板、彩色滤光片、沉积在玻璃基板上的FET晶体管（薄膜晶体管）电极、液晶、同样沉积在玻璃质基板上的共通电极、底层偏光板、背光板（导光）以及背光源组成。光由底层透射进来，经过液晶的和偏光板的共同控制，借助滤光板产生色彩斑斓的图像。•从上面的切面结构图来看,在上下两层玻璃间,夹着液晶,从而形成了平行板电容器,我们称之为CLC(capacitorofliquidcrystal)。它的大小约为0.1pF,但是实际应用上,这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候。也就是说当TFT对这个电容充好电时,它并无法将电压保持住,直到下一次TFT再对此点充电的时候。(以一般60Hz的画面更新频率,需要保持约16ms的时间。)这样一来,电压有了变化,所显示的灰阶就会不正确。因此一般在面板的设计上,会再加一个储存电容CS(storagecapacitor大约为0.5pF),以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候.不过正确的来说,长在玻•璃上的TFT本身,只是一个使用晶体管制作的开关。它主要的工作是决定LCDsourcedriver上的电压是不是要充到这个点来。至于这个点要充到多高的电压,以便显示出怎样的灰阶，都是由外面的LCDsourcedriver来决定的。•偏光板(polarizer)•从高中物理我们已经了解了光的波动性，光波的行进方向是与电场及磁场互相垂直的，同时光波本身的电场与磁场分量，彼此也是互相垂直的。也就是说行进方向与电场及磁场分量，彼此是两两互相平行的。而偏光板的作用就像是栅栏一般，会阻隔掉与栅栏垂直的•分量，只准许与栅栏平行的分量通过。所以如果我们拿起一片偏光板对着光源看，会感觉像是戴了太阳眼镜一般，光线变得较暗。但是如果把两片偏光板迭在一起，那就不一样了。当您旋转两片的偏光板的相对角度，会发现随着相对角度的不同，光线的亮度会越来越暗。当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时，光线就完全无法通过了。而液晶显示器就是利用这个特性来完成的，利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间，充满液晶,再利用电场控制液晶转动，来改变光的行进方向，如此一来，不同的电场大小,就会形成不同灰阶亮度了。•彩色滤光片(colorfilter,CF)•如果你拿着放大镜去观察液晶面板的话，你会发现如下图中所显示的样子。我们知道红色、蓝色以及绿色是所谓的三原色。也就是说利用这三种颜色，便可以混合出各种不同的颜色。很多平面显示器就是利用这个原理来显示出色彩。我们把RGB三种颜色，分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把邻近的三个RGB显示的点，当作一个显示的基•本单位，也就是pixel。那这一个pixel，就可以拥有不同的色彩变化了。然后对于一个需要分辨率为1024*768的显示画面，我们只要让这个平面显示器的组成有1024*768个pixel，便可以正确的显示这一个画面。在图中,每一个RGB的点之间的黑色部分，就叫做Blackmatrix。它主要是用来遮住不打算透光的部分。比如像是一些ITO的走线，或是Cr/Al的走线，或者是TFT的部分。因此，我们在图中看到每一个RGB的亮点并不是矩形，在其左上角也有一块被blackmatrix遮住的部分，这一块黑色缺角的部份就是TFT的所在位置。•下图是常见的彩色滤光片的排列方式.条状排列(stripe)最常使用于OA的产品,也就是我们常见的笔记型计算机,或是桌上型计算机等等.为什么这种应用要用条状排列的方式呢?原因是现在的软件,多半都是窗口化的接口.也就是说,我们所看到的屏幕内容,就是一大堆大小不等的方框所组成的.而条状排列,恰好可以使这些方框边缘,看起来更笔直,而不会有一条直线,看起来会有毛边或是锯齿状的感觉.但是如果是应用在AV产品上,就不一样了.因为电视信号多半是人物,人物的线条不是笔直的,其轮廓大部分是不规则的曲线.因此一开始,使用于AV产品都是使用马赛克排列(mosaic,或是称为对角形排列).不过最近的AV产品,多已改进到使用三角形排列(triangle,或是称为delta排列).除了上•述的排列方式之外,还有一种排列,叫做正方形排列.它跟前面几个不一样的地方在于,它并不是以三个点来当作一个pixel,而是以四个点来当作一个pixel.而四个点组合起来刚好形成一个正方形.•背光板(backlight,BL)•在一般的CRT屏幕,是利用高速的电子枪发射出电子,打击在银光幕上的荧光粉,•藉以产生亮光,来显示出画面.然而液晶显示器本身,仅能控制光线通过的亮度,本身并无发光的功能.因此,液晶显示器就必须加上一个背光板,来提供一个高亮度,而且亮度分布均匀的光源.我们在上面的TFTLCD的切面结构图中可以看到,组成背光板的主要零件有灯管(冷阴极管),反射板,导光板,prismsheet,扩散板等等.灯管是主要的发光零件,藉由导光板,将光线分布到各处.而反射板则将光线限制住都只往TFTLCD的方向前进.最后藉由prismsheet及扩散板的帮忙,将光线均匀的分布到各个区域去,提供给TFTLCD一个明亮的光源.而TFTLCD则藉由电压控制液晶的转动,控制通过光线的亮度,藉以形成不同的灰阶.•框胶(Sealant)及spacer•在TFTLCD的切面结构图中另外还有框胶与spacer两种结构成分.其中框胶的用途,就是要让液晶面板中的上下两层玻璃,能够紧密黏住,并且提供面板中的液晶分子与外界的阻隔,所以框胶正如其名,是围绕于面板四周,将液晶分子框限于面板之内.而spacer主要是提供上下两层玻璃的支撑,它必须均匀的分布在玻璃基板上,不然一但分布不均造成部分spacer聚集在一起,反而会阻碍光线通过,也无法维持上下两片玻璃的适当间隙•(gap),会成电场分布不均的现象,进而影响液晶的灰阶表现。•开口率(Apertureratio)•液晶显示器中有一个很重要的规格就是亮度，而决定亮度最重要的因素就是开口率。开口率是什么呢?简单的来说就是光线能透过的有效区域比例。下图的左边是一个液晶显示器从正上方或是正下方看过去的结构图。当光线经由背光板发射出来时，并不是所有的光线•都能穿过面板，比如给LCDsource驱动芯片及gate驱动芯片用的信号走线，以及TFT本身，还有储存电压用的储存电容等等。这些地方除了不完全透光外,也由于经过这些地方的光线并不受到电压的控制，而无法显示正确的灰阶，所以都需利用blackmatrix加以遮蔽，以免干扰到其它透光区域的正确亮度。所以有效的透光区域，就只剩下如下图右边所显示的区域而已。这一块有效的透光区域，与全部面积的比例就称之为开口率。•当光线从背光板发射出来,会依序穿过偏光板,玻璃,液晶,彩色滤光片等等.假设•各个零件的穿透率如以下所示：偏