[科普中国]-LED屏

发光原理

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。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。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。1

光源特点1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 。

3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。

5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。

6. 对环境污染：无有害金属汞。

7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿蓝橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。

8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，一只LED的价格就可以与几只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。

发展历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20 毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。

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

到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。

90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。

应用最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。

汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。

另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。

白光LED

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。

GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光 LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。

表一列出了目前白色LED的种类及其发光原理。从表中也可以看出某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。

目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦， YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤；第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。

表一 白色LED 的种类和原理

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表二和表三列出了白色LED的效能进展。

表二 单颗白色LED 的效能进展

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表三 长远发展目标 单颗白色LED

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通过近几年来的快速发展,白光LED从1999年的15lm/W,到2001年的25lm/W,再到2005年的60lm/W,自从2006年日本的日亚公司向市场提供100lm/W的白光LED,至今超过100lm/W的白光LED仅Cree公司就已经出货百万以上.

最近几年,白光LED的研发成果：2008年9月Philips Lumileds与Osram Opto Semiconductors各发表了140.1 lm/W与136 lm/W且各产生138 lm与155 lm(lumen，流明)，他们均使用1mm大小的芯片并驱动于350mA下;今年1月21日,美国LED大厂Cree公司宣布,其白光发光二极管实现每瓦161lm/W.可见,白光LED在高发光效率,高照明方面有着诱人的前景.

业界概况在LED业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度LED，以及蓝紫光半导体激光（Laser Diode；LD），是业界握有蓝光LED专利权的重量级业者。在日亚化学取得蓝色LED生产及电极构造等众多基本专利后，坚持不对外提供授权，仅采自行生产策略，意图独占市场，使得蓝光LED价格高昂。但其他已具备生产能力的业者相当不以为然，部分日系LED业者认为，日亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光LED竞争中，逐步被欧美及其他国家的LED业者抢得先机，届时将对整体日本LED产业造成严重伤害。因此许多业者便千方百计进行蓝光LED的研发生产。

目前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商Cree，全球3大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及HP、Siemens、Research、EMCORE等都投入了该产品的研发生产，对促进白光LED产品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。

应用范围广泛应用于：政府广场、国庆庆典、休闲广场、大型娱乐广场、繁华商贸中心、广告信息发布牌、商业街、火车站、候车室、演艺中心、电视直播现场、展览场馆、演唱会现场等场所。2

常见故障分析及解决办法LED屏故障分析最直接、最有效的方法是排除法，显示屏是主要有三大硬件组成：控制卡、单元板、开关电源。

首先：我们判断控制卡是不是好的，你先看下把电源打开，控制卡指示灯是否点亮，如果不亮看下检查是否有5V供电，显示屏是不是能显示内容，只要能显示内容，说明控制卡显示内容功能是好的；然后你用控制卡软件查找一下控制卡，如果能查找的到，说明控制卡的发送内容的功能良好，如果查找不到，你看下通讯线有没有接好，如果接好了，就可能是卡有问题了。只要这两功能良好，控制卡就是好的，否则就要更换控制卡。

其次；我们要判断电源是不是好的，如果电源坏了，它会直接引起几块板同时不亮或不正常，因为一个电源是同时控制着好几块板的，也就是你的显示屏如果是在同一个小区域的几块板不显示或显示不正常，你应该考虑是不是电源坏了，最直接的检测方法是拿万用表地直流电压档测量输出电压是否在4.9~5.5V之间。如果是就要更换电源。

最后：我们要判断单元板是不是好的，LED全彩显示屏信号是从一个单元板的输出排针传送到另一个板的输入信号，所以一块板有问题，会引起它后面的整排不亮或异常，所以当显示屏一排有问题时，我们应该把这一排起始不正常的那个板换掉，或者用长排线将这块板跳过去，再看后面的板是否显示正常。

单元板故障分析

一、输出有问题

1、检测输出接口到信号输出IC的线路是否连接或短路。

2、检测输出口的时钟锁存信号是否正常。

3、检测最后一个驱动IC之间的级连输出数据口是否与输出接口的数据口连接或是否短路。

4、输出的信号是否有相互短路的或有短路到地的。

5、检查输出的排线是否良好。

二、全亮时有一行或几行不亮

检测138到4953之间的线路是否断路或虚焊、短路。

三、整板不亮

1、检查供电电源与信号线是否连接。

2、检查测试卡是否以识别接口，测试卡红灯闪动则没有识别，检查灯板是否与测试卡同电源地，或灯板接口有信号与地短路导致无法识别接口。（智能测试卡）

3、检测74HC245有无虚焊短路，245上对应的使能（EN）信号输入输出脚是否虚焊或短路到其它线路。

注：主要检查电源与使能（EN）信号。

四、在点斜扫描时，规律性的隔行不亮显示画面重叠

1、检查A、B、C、D信号输入口到245之间是否有断线或虚焊、短路。

2、检测245对应的A、B、C、D输出端与138之间是否断路或虚焊、短路。

3、检测A、B、C、D各信号之间是否短路或某信号与地短路。

注：主要检测ABCD行信号。

五、显示混乱，但输出到下一块板的信号正常

检测245对应的STB锁存输出端与驱动IC的锁存端是否连接或信号被短路到其它线路。

六、全亮时有一列或几列不亮

在模块上找到控制该列的引脚，测是否与驱动IC（74HC595/TB62726、、、）输出端连接。

七、有单点或单列高亮，或整行高亮，并且不受控

1、检查该列是否与电源地短路。

2、检测该行是否与电源正极短路。

3、更换其驱动IC。

八、显示混乱，输出不正常

1、检测时钟CLK锁存STB信号是否短路。

2、检测245的时钟CLK是否有输入输出。

3、检测时钟信号是否短路到其它线路。

注：主要检测时钟与锁存信号。

九、显示缺色

1、检测245的该颜色的数据端是否有输入输出。

2、检测该颜色的数据信号是否短路到其它线路。

3、检测该颜色的驱动IC之间的级连数据口是否有断路或短路、虚焊。

注：可使用电压检测法较容易找到问题，检测数据口的电压与正常的是否不同，确定故障区域。

十、全亮时有单点或多点（无规律的）不亮

1、找到该模块对应的控制脚测量是否与本行短路。

2、更换模块或单灯。

十一、在行扫描时，两行或几行（一般是2的倍数,有规律性的）同时点亮

1、检测A、B、C、D各信号之间是否短路。

2、检测4953输出端是否与其它输出端短路。

十二、所有LED都不亮

总电源没有打开;部分LED不亮：开关电源输出接线极性接反或者模组连线有断路现象。

十三、所有LED昏暗

负载LED个数过多或者模组极性接反；部份LED昏暗且灯珠发热：模组接线短路；LED亮度不一致：负载LED个数过多。

十四、LED闪烁

线路接触不良；烧保险：模组或者接线处有短路现象。3