[科普中國]-LED屏

發(fā)光原理

50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文LightEmittingDiode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。

發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。1

光源特點1. 電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。

2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80% 。

3. 適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。

4. 穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%。

5. 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級。

6. 對環(huán)境污染：無有害金屬汞。

7. 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠藍橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。

8. 價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，一只LED的價格就可以與幾只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構成。

發(fā)展歷史最早應用半導體P-N結發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀60年代初。當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅動電流為20 毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。

70年代中期，引入元素In和N，使LED產生綠光（λp=555nm），黃光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。

到了80年代初，出現了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。

90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（λp=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。

應用最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。

汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。

另外，LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領域都得到了應用。

白光LED

對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。

GaN芯片發(fā)藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍光 LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG 熒光粉的化學組成和調節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。

表一列出了目前白色LED的種類及其發(fā)光原理。從表中也可以看出某些種類的白色LED光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍粉和石榴石結構的黃色粉，在未來較被看好的是三波長光，即以無機紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光，預計三波長白光LED今年有商品化的機機會。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小，穩(wěn)定性要求也高，具體應用方面還在探索之中。

目前已商品化的第一種產品為藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發(fā)光效率約為25流明/瓦， YAG多為日本日亞公司的進口，價格在2000元/公斤；第二種是日本住友電工亦開發(fā)出以ZnSe為材料的白光LED，不過發(fā)光效率較差。

表一 白色LED 的種類和原理

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表二和表三列出了白色LED的效能進展。

表二 單顆白色LED 的效能進展

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表三 長遠發(fā)展目標 單顆白色LED

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通過近幾年來的快速發(fā)展,白光LED從1999年的15lm/W,到2001年的25lm/W,再到2005年的60lm/W,自從2006年日本的日亞公司向市場提供100lm/W的白光LED,至今超過100lm/W的白光LED僅Cree公司就已經出貨百萬以上.

最近幾年,白光LED的研發(fā)成果：2008年9月Philips Lumileds與Osram Opto Semiconductors各發(fā)表了140.1 lm/W與136 lm/W且各產生138 lm與155 lm(lumen，流明)，他們均使用1mm大小的芯片并驅動于350mA下;今年1月21日,美國LED大廠Cree公司宣布,其白光發(fā)光二極管實現每瓦161lm/W.可見,白光LED在高發(fā)光效率,高照明方面有著誘人的前景.

業(yè)界概況在LED業(yè)者中，日亞化學是最早運用上述技術工藝研發(fā)出不同波長的高亮度LED，以及藍紫光半導體激光（Laser Diode；LD），是業(yè)界握有藍光LED專利權的重量級業(yè)者。在日亞化學取得藍色LED生產及電極構造等眾多基本專利后，堅持不對外提供授權，僅采自行生產策略，意圖獨占市場，使得藍光LED價格高昂。但其他已具備生產能力的業(yè)者相當不以為然，部分日系LED業(yè)者認為，日亞化工的策略，將使日本在藍光及白光LED競爭中，逐步被歐美及其他國家的LED業(yè)者搶得先機，屆時將對整體日本LED產業(yè)造成嚴重傷害。因此許多業(yè)者便千方百計進行藍光LED的研發(fā)生產。

目前除日亞化學和住友電工外，還有豐田合成、羅沐、東芝和夏普，美商Cree，全球3大照明廠奇異、飛利浦、歐司朗以及HP、Siemens、Research、EMCORE等都投入了該產品的研發(fā)生產，對促進白光LED產品的產業(yè)化、市場化方面起到了積極的促進作用。

應用范圍廣泛應用于：政府廣場、國慶慶典、休閑廣場、大型娛樂廣場、繁華商貿中心、廣告信息發(fā)布牌、商業(yè)街、火車站、候車室、演藝中心、電視直播現場、展覽場館、演唱會現場等場所。2

常見故障分析及解決辦法LED屏故障分析最直接、最有效的方法是排除法，顯示屏是主要有三大硬件組成：控制卡、單元板、開關電源。

首先：我們判斷控制卡是不是好的，你先看下把電源打開，控制卡指示燈是否點亮，如果不亮看下檢查是否有5V供電，顯示屏是不是能顯示內容，只要能顯示內容，說明控制卡顯示內容功能是好的；然后你用控制卡軟件查找一下控制卡，如果能查找的到，說明控制卡的發(fā)送內容的功能良好，如果查找不到，你看下通訊線有沒有接好，如果接好了，就可能是卡有問題了。只要這兩功能良好，控制卡就是好的，否則就要更換控制卡。

其次；我們要判斷電源是不是好的，如果電源壞了，它會直接引起幾塊板同時不亮或不正常，因為一個電源是同時控制著好幾塊板的，也就是你的顯示屏如果是在同一個小區(qū)域的幾塊板不顯示或顯示不正常，你應該考慮是不是電源壞了，最直接的檢測方法是拿萬用表地直流電壓檔測量輸出電壓是否在4.9~5.5V之間。如果是就要更換電源。

最后：我們要判斷單元板是不是好的，LED全彩顯示屏信號是從一個單元板的輸出排針傳送到另一個板的輸入信號，所以一塊板有問題，會引起它后面的整排不亮或異常，所以當顯示屏一排有問題時，我們應該把這一排起始不正常的那個板換掉，或者用長排線將這塊板跳過去，再看后面的板是否顯示正常。

單元板故障分析

一、輸出有問題

1、檢測輸出接口到信號輸出IC的線路是否連接或短路。

2、檢測輸出口的時鐘鎖存信號是否正常。

3、檢測最后一個驅動IC之間的級連輸出數據口是否與輸出接口的數據口連接或是否短路。

4、輸出的信號是否有相互短路的或有短路到地的。

5、檢查輸出的排線是否良好。

二、全亮時有一行或幾行不亮

檢測138到4953之間的線路是否斷路或虛焊、短路。

三、整板不亮

1、檢查供電電源與信號線是否連接。

2、檢查測試卡是否以識別接口，測試卡紅燈閃動則沒有識別，檢查燈板是否與測試卡同電源地，或燈板接口有信號與地短路導致無法識別接口。（智能測試卡）

3、檢測74HC245有無虛焊短路，245上對應的使能（EN）信號輸入輸出腳是否虛焊或短路到其它線路。

注：主要檢查電源與使能（EN）信號。

四、在點斜掃描時，規(guī)律性的隔行不亮顯示畫面重疊

1、檢查A、B、C、D信號輸入口到245之間是否有斷線或虛焊、短路。

2、檢測245對應的A、B、C、D輸出端與138之間是否斷路或虛焊、短路。

3、檢測A、B、C、D各信號之間是否短路或某信號與地短路。

注：主要檢測ABCD行信號。

五、顯示混亂，但輸出到下一塊板的信號正常

檢測245對應的STB鎖存輸出端與驅動IC的鎖存端是否連接或信號被短路到其它線路。

六、全亮時有一列或幾列不亮

在模塊上找到控制該列的引腳，測是否與驅動IC（74HC595/TB62726、、、）輸出端連接。

七、有單點或單列高亮，或整行高亮，并且不受控

1、檢查該列是否與電源地短路。

2、檢測該行是否與電源正極短路。

3、更換其驅動IC。

八、顯示混亂，輸出不正常

1、檢測時鐘CLK鎖存STB信號是否短路。

2、檢測245的時鐘CLK是否有輸入輸出。

3、檢測時鐘信號是否短路到其它線路。

注：主要檢測時鐘與鎖存信號。

九、顯示缺色

1、檢測245的該顏色的數據端是否有輸入輸出。

2、檢測該顏色的數據信號是否短路到其它線路。

3、檢測該顏色的驅動IC之間的級連數據口是否有斷路或短路、虛焊。

注：可使用電壓檢測法較容易找到問題，檢測數據口的電壓與正常的是否不同，確定故障區(qū)域。

十、全亮時有單點或多點（無規(guī)律的）不亮

1、找到該模塊對應的控制腳測量是否與本行短路。

2、更換模塊或單燈。

十一、在行掃描時，兩行或幾行（一般是2的倍數,有規(guī)律性的）同時點亮

1、檢測A、B、C、D各信號之間是否短路。

2、檢測4953輸出端是否與其它輸出端短路。

十二、所有LED都不亮

總電源沒有打開;部分LED不亮：開關電源輸出接線極性接反或者模組連線有斷路現象。

十三、所有LED昏暗

負載LED個數過多或者模組極性接反；部份LED昏暗且燈珠發(fā)熱：模組接線短路；LED亮度不一致：負載LED個數過多。

十四、LED閃爍

線路接觸不良；燒保險：模組或者接線處有短路現象。3