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【LED显示技术】LED显示技术
发布者: |来源:|发布时间:2018-05-22 09:41:30 | 浏览次数:


LED显示技术


    一、LED(发光二极管)

    LED是发光二极管英文Light Emitting Diode的简称,是一种发展迅速并具有广阔前景的新型光源。LED类似普通晶体二极管,它的结构如图9-6所示,它由芯片、阳极引脚、阴极引脚和环氧树脂封装外壳组成。其核心部分为具有注入复合发光功能的PN结,即芯片。在高掺杂的PN结芯片上,当外加一直流偏压时,电子和空穴将克服在PN结处的势垒,分别流向P区和N区。在PN结处,电子与空穴相遇,并复合而产生光。环氧树脂封装除具有保护芯片的作用之外,还具有透光、聚光的能力,以增强显示效果。

    二、LED显示屏的分类

    1.按显示屏的基色划分

    ①单色显示屏。采用标准8x8单色LED矩阵模块标准组件,一般为红色,可显示各种文字、数据、两维图形。室内单色显示屏经济实用,只是色彩有些单调。

    ②双基色显示屏。顾名思义,LED双基色显示屏就是可同时显示两种颜色的显示屏。常用的有室外双基色大型LED屏和室内LED双色单面显示屏两大类。

    ③三基色显示屏(全彩)。采用标准8×8双基LED矩阵模块,每一像素点有红、黄、绿三种颜色,每种基色有16×16级灰度=256或256×256级灰度≈64000种颜色,甚至更多。

    2.按点阵密度划分

    按点阵密度分主要有普通密度和高密度显示屏。

    显示屏的密度与像素直径相关,像素直径越小,显示屏的密度就越高。对于具体选型来说,观看距离越近,显示屏的密度就应越高;观看距离越远,显示屏的密度就可越低。室内LED显示屏按采用的LED单点直径可分为φ3mm、φ3.75mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm等显示屏,以φ5m和φ3.7mm最为常见。室外LED显示屏按采用的像素直径可分为φ19mm、φ22mm和φ26mm等显示屏。

    3.按工作方式划分

    按工作方式来分主要有两大类,一类称全功能型显示屏,另一类称智能型显示屏。两者均采用国际标准8×8 LED矩阵模块拼装而成,屏体表面完全相同,基本显示功能相同。智能型显示屏平时无须连接上位机,显示屏有内置CPU,能掉电保存多幅画面,可脱离上位机独立运行。需要修改显示内容时,通过RS-232连接微机修改。全功能型显示屏则必须连接一台微机才能工作。但智能型显示屏的显示方式通常较少,全功能型显示屏则显示方式多样。此外,智能型显示屏的操作简单,全功能型显示屏则需有专人操作、维护,如果要制作动画节目,还需专业知识。

    4.按使用环境划分

    LED显示屏按使用环境可分为室内LED显示屏和室外LED显示屏。室外LED显示屏主要在抵御风霜雨雪等恶劣自然环境损害方面有较完善的装置。

    5.按灰度级划分

    按灰度级可分为16、32、64、128、256级灰度LED显示屏等。

下面介绍LED显示屏与背投显示系统等大屏幕显示屏相比的优、缺点。

三、LED显示屏的优、缺点

LED显示屏的优点如下。

①亮度高,屏幕视角大。LED属于自发光器件,亮度高,可在室外阳光下显现出清晰的图像,这是LED显示屏的最大优势。LED室内屏视角大于160°,室外屏视角达110°

②薄型,轻量,高像素密度。LED显示屏具有轻量、薄型、可显示弯曲面和安装成本低等优点,而且可在建筑物墙面完工后再安装,适合安装的场所较多。LED显示屏能够实现高像素密度。室外使用的直径不到4mm的炮弹型LED,像素间距为8mm,近年发展到6mm和3mm的间距,清晰度大大提高,但价格也相对提高。室内使用的LED显示屏是将三种颜色的边长0.3mm的四方形半导体芯片封装在一起(称为表面贴装器件,Surface M01mt Device,SMD)构成的,像素间距为3mm。显示屏的点间距越小,则显示的画面越细腻、越清晰;而点间距越大,单位面积的发光点越小,单位面积价格越低,而显示效果则越差。

③耐冲击,寿命长。LED显示屏结构牢固,耐冲击,寿命长,维护成本低。它采用低电压(DC 5V)驱动,安全性和可靠性高。LED显示系统不需要日常维护,由于LED显示屏是模块化结构,个别LED损坏时更换起来非常简便。LED显示屏的寿命长达10万小时,使用时不要让LED显示屏过热。显示屏的通风和冷却装置可以保证其内部元件和LED的长期连续安全运行。

④发光效率,对比度高,耗电少。

⑤色彩表现能力强,绿色、红色的色度好,色再现范围广,理论上它可显示16384级灰度和1万亿种色彩。

⑥动态响应速度快(ns级),能实现视频级的显示刷新速度,全屏刷新速度72帧/秒以上。

目前,LED显示屏还存在如下缺点。

①分辨率较低。

②可能存在亮斑和色斑。由于LED器件亮度的分散性较大,整个屏幕可能出现不均匀的亮斑。另外由于用于室外的LED显示屏的配光视角较狭窄而且光轴的分散大,加上绿、蓝与红的配向特性不同,所以从偏离正面的位置看可能出现不均匀的色斑。

③局部更换后,亮度不均。LED显示屏是模块化的,几乎可以做成任意大小。但是,一旦某模块出故障后,就要更换,新的模块比较高(因为LED是新的),换上去之后很突出。

④价格贵。

四、LED显示屏系统组成

LED显示屏系统。一般由显示屏本体、显示屏控制系统、外围设备等组成。其中,显示屏本体包括LED发光显示单元和电源,显示屏控制系统包括主控器、分配卡、HUB卡、专用显卡、编辑卡、播放软件等,外围设备包括计算机、功放、音响、摄像机、打印机、防雷器和其他相关软件。LED显示屏系统如图9-7所示。具体说来,它一般由以下几个部分组成。

(l)金属结构框架。室内屏一般由铝合金(角铝或铝方管)构成内框架,搭载显示板等各种面板以及开关电源,外边框采用茶色铝合金方管,或铝合金包不锈钢,或钣金一体化制成。室外屏框架根据屏体大小及承重能力一般由角钢或工字钢构成,外框可采用铝塑板进行装饰。

(2)显示单元。由发光材料及驱动电路构成。室内屏就是各种规格的单元显示板,室外屏就是单元箱体。显示单元一般由带有灰度级控制功能的移位寄存器、锁存器构成,只是视频LED显示屏的规模往往更大,通常使用超大规模的集成电路。

显示单元是LED显示屏的主体部分,应用于显示屏的LED发光材料有以下三种形式。

①LED发光灯(或称单灯)。一般由单个LED晶片、反光碗、金属阳极、金属阴极构成,外包具有透光、聚光能力的环氧树脂外壳。可用一个或多个(不同颜色的)单灯构成一个基本像素,由于亮度高,多用于室外显示屏。

②LED点阵模块。由若干晶片构成发光矩阵,用环氧树脂封装于塑料壳内。它适合行、列扫描驱动,容易构成高密度的显示屏,多用于室内显示屏。

③贴片式LED发光灯(或称SMD LED)。就是LED发光灯的贴焊形式的封装,可用

于室内全彩色显示屏,可实现单点维护,有效克服马赛克现象。

扫描板。扫描板所起的作用正所谓承上启下,一方面它接收主控制器的视频信号,另一方面把属于本级的数据传送给自己的各个显示控制单元,同时还要把不属于本级的数据向下一个级联的扫描板传输。

开关电源。将220V交流电变为各种直流电提供给各种电路。

双绞线传输电缆。主控制仪产生的显示数据及各种控制信号由双绞线电缆传输至屏体。

屏幕控制器。从计算机显示配卡获取~屏各像素的各色亮度数据,然后分配给若干块扫描板,每块扫描板负责控制LED显示屏上的若干行(列),而每一行(列)上的LED显

示信号则用串行方式通过本行的各个显示控制单元级联传输,每个显示控制单元直接面向

LED显示屏体。屏幕控制器所做的工作,是把计算机显示配卡的信号转换成LED显示屏所

需要的数据和控制信号格式。

专用显示卡及多媒体卡。除具有计算机显示配卡的基本功能外,还同时输出数字RGB信号及行、场、消隐等信号给屏幕控制器。多媒体除以上功能外,还可将输入的模拟视频信号变为数字RGB信号(即视频采集)。

计算机及其外围设备。如电视机、DVD/VCD机、摄/录像机及切换矩阵等。

五、LED显示屏的选用

1.模组规格和单管亮度的计算

(1)间距计算方法。每个像素点到另外一个像素点之间的距离,每个像素点可以是1只LED灯,如PH10 (1R);2只LED灯,如PH16 (2R);3只LED灯,如PH16 (2RIG);4只LED灯,如PH16 (2RIGIB);8只灯、12只灯等。

(2)长度和高度计算方法。长度、高度的计算公式如下:

    点间距×点数=长/高

【例l】  PH16长度=16点×1.6cm= 25.6(cm),高度=8点×1.6cm=12.8(cm); PH10长度= 32点×1.0cm= 32cm,高度=16点×1.0cm=16(cm)。

(3)屏体使用模组数。

屏体使用模组数的计算公式如下:

总面积÷模组长度÷模组高度=使用模组数

【例2】  10m2的PH16室外单色LED显示屏使用模组数为

    10m2÷0.256m÷0.128m=305.17578≈305  (个)

更加精确的计算方法为

    长度使用模组数×高度使用模组数=使用模组总数

【例3】  长5m、高2m的PH16单色LED显示屏使用模组数为

长度使用模组数:5m÷0.256m= 19.53125≈20(个)

            高度使用模组数:2m÷0.128m= 15.625≈16(个)

                使用模组总数目:20个×16个=320(个)

(4)单管亮度的计算。以两红、一绿、一蓝为例,其计算方法如下。

            红色LED灯亮度:亮度(Cd/m2)÷点数/m2×0.3÷2

            绿色LED灯亮度:亮度(cd/m2)÷点数/m2×0.6

            蓝色LED灯亮度:亮度(cd/m2)÷点数/m2×0.l

例如:每平方米2500点密度,2RIGIB,每平方米亮度要求为5000cd/m2,则

            红色LED灯亮度:5000÷2500×0.3÷2=0.3   (cd/m2)

            绿色LED灯亮度:5000÷2500×0,6=1.2   (cd/m2)

            蓝色LED灯亮度:5000÷2500×0.1=0.2   (cd/m2)

因此,每像素点的亮度为:0.3×2+1.2+ 0.2=2.0    (cd/m2)

2.显示屏性能选择

首先是对LED管芯的选用。目前中高档LED管芯的生产厂家主要有日本的日亚公司、丰田公司,美国的科瑞公司、惠普公司,德国的西门子公司,我国台湾的国联公司、鼎元公司和光磊公司等,其中,日本、美国及欧洲的公司主要以生产纯蓝、纯绿LED管芯为主,而我国台湾公司则以生产红绿LED管芯为主。

从目前的实际应用及红绿色彩搭配来看,一红四绿的显示屏,红管采用的是四原素的红,绿管采用的是三原素的绿。在管芯的使用上,一般采用台湾国联公司的712SOL红管管芯,采用台湾鼎元公司的113YGU绿管管芯,这种管芯的搭配是目前双基色室内显示屏配置较高的一种。另外,还有二红加一纯绿的配置方式(室外双色)。

在选择屏体大小时,要结合显示内容的需求、场地空间条件的限制以及投资等诸多因素。例如:要看显示屏是用在室内还是室外;主要用途是主要显示文字,或主要显示简单的图片及文字,或主要播放各种视频信号、动画、图像及文字等情况;另外,显示屏观看距离、准备采取哪种控制方式(同步控制或异步控制或无线控制等)也是非常重要的因素。

设计室内屏的参考尺寸:φ3.0mm的点间距是4.00mm,屏体最大尺寸约为2.0m(高)×3m;Φ3.75mm的点间距是4.75mm,屏体最大尺寸约为2.5m(高)x 4m;φ5.0mm的点间距是7.62mm,屏体最大尺寸约为3.7m(高)×6m。

在设计室内显示屏的几何尺寸时,应以显示屏单元模板的尺寸为基础。一块单元模板分辨率一般为32行×64列,即共有2048个像素,其几何尺寸为:φ3.75mm单元板尺寸为152mm(高)×304mm(宽);φ5mm单元模板尺寸为244mm(高)×487mm(宽)。

室内显示屏体外边框的尺寸可按要求确定,一般应与屏体大小成比例。外边框的尺寸通常为510cm(每边)。

对于室外屏而言,首先要确定像素尺寸。像素尺寸的选定除了应考虑之前提到的显示内容的需要和场地空间因素外,还应考虑安装位置和视距。安装位置与主体视距越远,则像素尺寸应越大,因为像素尺寸越大,像素内的LED就越多,亮度就越高,而有效视距也就越远。但是,像素尺寸越大,单位面积的像素分辨率就越低,显示的内容也就越少。

一般来说,如果图像要求高和可视距离近,则选择点密度高的双基色或全彩色的显示屏;如果文字播放量大,则选择点密度低的产品。此外,还应该根据资金选择全色、双基色或单色显示屏,根据装修情况选择不同的外框用材,根据使用特点选择不同的控制方式。LED显示屏的最佳视距见表9-4。

    具体来说,选用LED显示屏时应注意以下几个方面。

    (1)尽量选用新型广视角管。因为它视角宽阔,色彩纯正,一致协调,寿命长。

在水平和垂直两个方向的亮度分别为LED显示屏法线方向亮度的一半时,该观察方向与LED显示屏法线的夹角分别称为水平视角和垂直视角,一般以“±”表示左右和上下各多少度。如果一块显示屏的水平视角为120°、垂直视角为45°,在此观看范围内能使所有观众享受到最佳的观看效果。超出此范围,观众将可收看到低于正常高度50%的视觉效果。LED显示屏的视角越大,其受众群体越多,覆盖面积越广,反之越小。LED晶片的封装方式决定了LED显示屏的视角大小,其中,表贴LED灯的视角较好,椭圆形LED单灯的水平视角较好。LED显示屏的视角范围见表9-5。

    (2)选择外封装。目前最流行的外封装是带遮沿方形简体,硅胶密封,无金属化装配。其外形精致美观,坚固耐用,具有防阳光直射、防尘、防水、防高温、防电路短路的“五防”特点。

    (3)室内屏的选用。根据不同LED显示屏的特点,结合用户的实际需求,选择合适的显示屏。例如:对于银行、商场等场合展示企业形象、广告等应用,要求价格低廉,使用φ3.75mm双基色显示屏:如果要求显示效果好,可使用φ5mm全彩色显示屏:对于大厅等面积较大的

场合,使用φ5mm双基色显示屏;如果要求显示效果,使用φ10mm全彩色显示屏。

    室内全彩色LED显示屏应具备如下功能。

    ①视频播出功能。播放摄像机节日,清晰、无闪烁的显示视频图像,实现各种节目的现场直播;播放录像机、影碟机( VCD、DVD)等视频节目,满足文体活动的基本需求;可以播放AVI、MOV、MPG、DAT、VOB等多种格式的文件;亮度、对比度、饱和度、色度可以通过软件调节,调节范围为256级;具有重叠( VGA+VIDE)、影像(Video)、VGA三种显示模式;具有视频影像压缩控制功能;具有显示同步功能;采用Line-Double功能将交错画面转换为非交错画面,进行移动补偿;有一路单频信号提供给功放,留有至少两路摄像视频输入接口。

    ②信息发布功能。可以显示各种计算机信息、图形、图画及二、三维动画等,具有丰富的播放方式,显示滚动信息、通知、标语号等,存储数据信息容量大;有多种中文字体和字型可供选择,还可以输入英文、法文、德文、希腊文、俄文及日文等诸多的外文;播出系统具有多媒体软件,可灵活输入及播出多种信息;可播放文本信息,播放形式包括滚点、滚行,引入、引出模式,可上移、左移,消息可循环播出;字体、字号可任意选择,可设置播放速度,另外多条消息可同时播出或动画、图像同时播出;可进行日期、时间显示或字符串、表达式显示;用于国家政策、法规及服务承诺的宣言;天气预报的播放;其他公众信息的发布。

    ⑨网络功能。配有网络接口,可以与计算机联网,同时播出网络信息,实现网络控制根据客户要求,针对不同地点多块显示屏通过网络集中控制,可采用“VPM+宽带”进行远程控制。

表9-6所示为室内全彩色(三基色)LED显示屏的技术参数。

    (4)室外屏的选用。显示器安装在室外,经常日晒雨淋,风吹尘盖,工作环境恶劣,因此对质量有更高的要求,要考虑的因素很多。

    针对以上特殊要求,室外LED显示屏必须采取以下措施。

    ①屏体及屏体与建筑物的结合部必须严格防水、防漏;屏体要有良好的排水措施,一旦发生积水能顺利排放。

    ②在显示屏及建筑物上安装避雷装置。显示屏主体和外壳保持良好接地,接地电阻值小于3Ω,使雷电引起的大电流及时泄放。

    ⑨安装通风设备进行降温,使屏体内部温度在-10~40℃。屏体背后上方安装轴流风机,排出热量。

    ④选用工作温度在-40~80的工业级集成电路芯片,防止冬季温度过低使显示屏不能启动。

    ⑤为了保证在环境光强烈的情况下远距离可视,必须选用超高亮度LED。

    从使用角度看,全彩色屏是目前的主流,因为其亮度高,色彩全,可全天候工作,但价格偏高。从应用的角度看,双基色显示屏价格低廉,技术成熟稳定,可满足于显示文字、色彩要求不高而又没有蓝色的场合。室外解的朝向、距离对价格起着决定性的作用。距离越远,像素越大,高度越高。朝向东北的显示屏要比朝向西南的显示屏便宜得多。

    室外显示屏应具有的功能与室内屏基本相同。

    3.配电系统及耗电量的选择

    LED显示屏是一个较大的电子设备,良好的配电设备是系统实现可靠工作的重要条件之一。显示屏均配有专用的配电系统,并且应该具有以下特点。

    ①配电系统具有远程控制功能。

    ②具有供电指示功能。

    ③具有过电流、短路、断电等多种保护功能,可自动处理各种紧急情况。

    ④具有定时自动开关屏的功能,可实现无人留守,具有多路输出和延时上电的功能。

    ⑤智能化的电源,可实现风扇的自动开启和关闭,过热的自动保护,并能自动恢复,无须人去维护。

    显示屏的耗电量分为平均耗电量和最大耗电量。平均耗电量又称工作电量,是平时实际耗电量。最大耗电量是启动时或全亮等极端情况时的耗电量,最大耗电量是交流电供电(线径、开关等)必须考虑的要素。平均耗电量一般为最大耗电量的1/3。

    显示屏属于大型精密电子设备,为了安全使用及可靠工作,其AC 220V电源输入端或与其相连计算机的AC 220V电源输入端必须接地(计算机的AC 220V电源输入接地端已与计算机机壳相连)。

  六、LED显示屏故障与解决方法

  各个厂家生产的LED显示屏所出现的常见故障基本上大同小异,表9-7是艾比森LED全彩显示屏的常见故障及解决方法,供维护

 
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