原创 LED原理

一、什么是LED？
　　LED是light-emitting diode的缩写，在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
　　二、LED电子显示屏的特点优势所在
　　LED电子显示屏作为一种现代电子媒体，以其灵活的显示面积（可分割、任意拼装）、高亮度、长寿命、大容量、数字化、实时性的特点，是其他任何一种媒体所不可替代的。
 　　LED电子显示屏充分运用现代信息技术，将声、光、电、机等学科整合并完美组合、集视频、动画、字幕、图片于一体的高科技信息发布的终端产品。LED显示屏还可延伸到网络、通讯、综合布线、监控、广播等弱电系统。
　　LED电子显示屏的具体功能有哪些？
　　1） 视频播出
　　LED显示系统具有多种视频、音频输入源，即采用视、音频举阵对视、音频源进行管理。视、音频切换举阵具有多个视、音频输入和输出，能将各种形式的视、音频信息源引入系统（如广播电视和卫星电视信号、摄像视频信号、录像机VCD视频信号、计算机动画信息等），实现了下列功能: 　　☆实时显示视频图像
　　☆.转播广播电视及卫星电视
　　☆电视、摄像、影碟等视频信号的即时播放
　　☆视频画面叠加文字
　　☆特写、慢镜头、特技等效果的实时编辑和播放
　　☆同时播放左右不同比例的画面及文字
　　2)计算机信息播出
　　☆显示各种图形.图像及计算机三维动画
　　☆有多种文字和字型可供选择
　　☆播出系统配有多媒体软件,可灵活输入及播出
　　☆播出方式有:立即上屏、上移、下移、翻滚、闪烁、飘雪、横开幕、竖关幕、外扩、内收、反白……使单调的文字和画面有了较强的吸引力。
　　3)其他功能
　　☆配有标准网络接口，可与其他标准网络连网，同时播出网络信息，实现网络控制。通过网络系统进入INTERNET，享受网络无穷魅力。
　　☆配有声卡，具有声音接口，可与广场广播系统连接，可达到声像同步，极富立体感。
　　相关知识
　　有关单基色、多色、全彩LED电子显示屏及灰度等级
　　LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，目前有红、绿、蓝三种基本颜色。 　　只有红色组成的显示屏叫单红色显示屏 ；把红色和绿色的LED放在一起作为一个象素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏；把红、绿、蓝三种LED管放在一起作为一个象素的显示屏叫三色屏或全彩屏。 　　制作室内LED屏的二极管尺寸有φ3.7和φ5矩阵块两种，3.7和5都是二极管的直径，（单位：毫米）另外常常采用把几种不同基色的LED管芯封装成一体.室外LED屏的象素尺寸多为12-32毫米，每个象素由若干个各种单色LED组成，常见的成品称象素筒，双色象素筒有2红3绿、2红4绿、4红8绿、6红15绿等组成，三色象素筒用2红1绿1蓝、4红2绿1蓝等组成。（这些规格完全能够满足客户的各方面需要）。
　　显示屏屏体矩阵部分由许多的发光二极管组成的。首先将发光管集成像素，像素再集成模块，模块再组装成大屏。发光管采用无色透明的大椭圆形硅胶封装，管内安装曲面反光碗，使亮度和对比度大大提高，色彩更加艳丽！
　　无论用LED制作双色或三色屏，欲显示图象，需要构成象素的每个LED的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。灰度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。一般256级灰度的图像，颜色过渡已十分柔和，所以，多色及全彩LED屏当前都要求做成256级灰度，如多色屏则可显示65536种颜色，全色屏则可显示16.8兆种颜色。单色屏不存在灰度问题。
　　有关LED电子显示屏的分类，运用范围及区别
　　1显示屏从大的方面来分可分为室内屏和室外屏两种，两者最大的区别在于室外屏要考虑室外各种情况可能给屏造成的影响。基于室外屏工作环境相对复杂，为保证其长时间稳定运行，常见的防护措施有：防水、防静电、防雷击、防风、防潮、防冻。
　　2显示屏从控制方式分为同步屏和异步屏，所谓同步屏是指计算机屏幕显示的内容同时逐点的显示在大屏上，是一种即时状态，而异步屏的实效性不及同步屏，用户可先编辑好图片、文字等内容，再发送到显示屏上显示出来，一般同步屏适用与播放视频信息，如球赛实况转播等。而异步屏则显示文字及图片、三维动画等。 　　显示屏从单色、双基色到全彩色，从室内到室外全天候产品，广泛运用于：
　　城市广场，会展中心，电子广告
　　交易中心，招投标中心
　　金融证券系统应用
　　交通、医院、通信、电力
　　工商税务、法院、政府机关
　　餐饮业
　　交通灯，高建路，草坪灯，铁路信号灯
　　工业控制
　　军事基地指挥所
　　电视台、娱乐场所
　　体育厂馆显示系统等等
　　LED电子显示屏控制亮度的方法
　　有两种控制LED亮度的方法：
　　一种是改变流过LED的电流，一般LED管允许连续工作电流在20毫安左右，除了红色LED有饱和现象外，其他LED亮度基本上与流过的电流成比例；
　　另一种方法是利用人眼的视觉惰性，用脉宽调制方法来实现灰度控制，也就是周期性改变光脉冲宽度（即占空比），只要这个重复点亮的周期足够短（即刷新频率足够高），人眼是感觉不到发光象素在抖动。由于脉宽调制更适合于数字控制，所以在普遍采用微机来提供LED显示内容的今天，几乎所有的LED屏都是采用脉宽调制来控制灰度等级的

LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和制程有关，目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由于LED工作电压低(仅1.5-3V)，能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压(或电流)调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长(10万小时)。制造LED的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，藉此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。

　　史上第一个LED所使用的材料是砷(As)化镓(Ga) ，其正向PN结压降(VF，可以理解为点亮或工作电压)为1.424V，发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷(P)化镓(Ga)，其正向PN结压降为2.261V，发出的光线为绿光。

　　基于这两种材料，早期 LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构，理论上可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED，下标X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通过 PN结压降可以确定LED的波长颜色。其中典型的有GaAs0.6P0.4 的红光LED，GaAs0.35P0.65的橙光LED，GaAs0.14P0.86的黄光 LED等。由于制造采用了镓、砷、磷三种元素，所以俗称这些LED为三元素发光管。

　　而GaN(氮化镓)的蓝光 LED 、GaP 的绿光 LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。而目前最新的制程是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料制造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。

　　发光强度：发光强度的衡量单位有照度单位(勒克司Lux)、光通量单位(流明Lumen)、发光强度单位(烛光　Candle power) 1CD(烛光)指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方公分面积的发光强度。(以前指直径为2.2公分，品质为75.5克的鲸油烛，每小时燃烧7.78克，火焰高度为4.5公分，沿水平方向的发光强度) 1L(流明)指1 CD烛光照射在距离为1公分，面积为1平方公分的平面上的光通量。

　　1Lux (勒克司)指1L的光通量均匀地分布在1平方公尺面积上的照度。一般主动发光体采用发光强度单位烛光　CD，如白炽灯、LED等;反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L，如LCD投影机等;而照度单位勒克司Lux，一般用于摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。比如：如果说一部LCD投影机的亮度(光通量)为1600流明，其投影到全反射萤幕的尺寸为60英寸(1平方公尺)，则其照度为1600勒克司，假设其出光口距光源1公分，出光口面积为1平方公分，则出光口的发光强度为1600CD。而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有50%的效率就很好了。

　　实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的资料单位或变向使用。对于LED萤幕这种主动发光体一般采用CD/平方公尺作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司;将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个图元的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室外LED萤幕须达到4000CD/平方公尺以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。普通室内LED，最大亮度在700～2000 CD/平方公尺左右。

　　单个LED的发光强度以CD为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。单管的发光强度从几个mCD到5000mCD不等。LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。

　　在计算萤幕发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以30%～90%不等，作为单管平均发光强度。一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100，000小时以上，实际还应注意 LED的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。

　　亮度衰减周期与LED生产的材料制程有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。配色、白平衡：白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21%，蓝色的亮度为10%时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED红绿蓝三色的色品座标因制程过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。当为全彩色LED萤幕进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成图素。