发光二极管的发现


　　早在1923年，德国学者罗塞夫（o．w．lossew）将探针插在当时作检波器的碳化硅上，加上直流电压后观察到这种物质发光现象。到了50年代，人们在对砷化镓的电光效应研究日益加深的基础上，又对磷化镓进行研究，认识到在某些半导体材料的pn结上加正向电压，使其pn结势垒下降后，n区的电子和p区的空穴分别越过势垒进入p区和n区，由于注入少数载流子在与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放，从而把电能直接转换成光能。pn结加反向电压时，结势垒升高，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用所谓注入式电致发光原理制作的二极管就叫发光二极管，通称led。

　　led的发光颜色与发光效率和制作led的材料及生产工艺有关。1962年第一支红色led问世，它是用磷砷镓混晶制作的，1969年利用磷化镓掺氮工艺制作出发绿光的led，而能发蓝色光的led却一直由于发光效率低和制作成本高而难以普及应用。近来，由于蓝色led在生产工艺上的突破，蓝色管的价格已大幅度下降，普及用三基色led作显示屏已为期不远。


　　led显示的奥妙


　　用led作显示器可有单片型和混成型两大类。前者是在一块单晶片上制作许多互相绝缘的led，这些led就是像素；后者是用led元件或管芯在绝缘板上整齐排列装配而成。单片方式晶体利用率低，造价高且随像素点增大，引线变长，电阻增大，功耗亦增大。布线也越来越困难，所以只适用于小型的高密度显示器。

　　较大面积的显示采用混成方法，通常是在一块陶瓷芯片上排列64×64个led管芯，形成一个50×50毫米的led显示器件，像素电流为10毫安，如果是彩色器件，则在每组管芯（由红、绿或红、绿、蓝组成）后置镀金反射罩以提高器件亮度。用这种方法早于80年代初就能够实现平板电视的制作，但由于蓝管制作困难而迟迟不能实现全彩化。由于led显示屏做大容易做小难，而lcd显示屏做小容易做大难，目前在中、小显示屏上lcd（彩色液晶显示方式）已占据了优势。


　　图一 室内用三基色led及点阵模块

　　由于led工作电压低（仅1．5－3v），能主动发光且亮度比较强，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗震动、寿命长（10万小时），所以在大型的显示设备中，目前尚无其他的显示方式与led显示方式匹敌。




　　图二 室外用像素筒


　　双色屏与三色屏


　　把红色和绿色的led放在一起作为一个像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像素的显示屏叫三色屏或全彩屏。制作室内led屏的像素尺寸一般是2－10毫米，通常采用把几种能产生不同基色的led管芯封装成一体，如图一；室外led屏的像素尺寸多为12－26毫米，每个像素由若干个各种单色led组成，常见的成品称像素筒，如图二。双色像素筒一般由3红2绿组成，三色像素筒用2红1绿1蓝组成。

　　无论用led制作单色、双色或三色屏，欲显示图像需要将构成像素的每个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，而16级灰度的彩色图像，颜色过渡界线就十分明显。所以，彩色led屏当前都要求做成256级灰度的。


　　让显示屏亮起来


　　目前有两种控制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），人眼就感觉不到发光像素在抖动。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的控制系统通常由主控箱、扫描板和显控装置三大部分组成。主控箱从计算机的显示卡中获取一屏像素的各色亮度数据，然后重新分配给若干块扫描板，每块扫描板负责控制led屏上的若干行（列），而每一行（列）上led的显控信号则用串行的方式传送。传统的led屏多选用74ls595作显控芯片。这是一种串行输入，8位并口输出带锁存可级连的小规模ic芯片，十分适合作led的显控装置。为了减少芯片使用数量，降低成本，74ls595在显控电路中一般只起控制开闭led作用，led的亮度控制则由扫描板完成。即将每个74ls595的并口输出都接一个led管，同一行的74ls595进行级连以便传输串行数据。扫描板将来自控制箱的各行像素的亮度值进行分解（即脉宽调制），然后将各行led的开闭信号以脉冲形式（点亮为1，不亮为0）按行用串行方式传输到相应的74ls595的并口输出脚上并锁存，待扫描板再次传输各行开关led信号时，已锁存信号则控制led的点亮。这种在扫描板上集中控制各像素的灰度的做法，需要使用较高的串行传输频率，例如一个每行有n个像素的led屏，采用由16级灰度控制时，在每个像素重复点亮的周期内（即光脉冲周期）完成一次串行传输需要16×n个脉冲，而进行256级灰度控制时，完成一次串行传输需要256×n个脉冲。由于受器件工作频率的限制，这种方法一般只能使led屏做到16级灰度。（见图三）。


　　图三 用扫描板控制led屏灰度等级示意图

　　另一种方法是扫描板串行传输的内容不是每个led的开关信号而是一个8位二进制的亮度值。每个led都有一个自己的脉宽调制器来控制点亮时间。这样，在一个重复点亮的周期内，16级灰度只需要4×n个脉冲，256级灰度只需8×n个脉冲，大大降低了串行传输频率。用这种分散控制led灰度的方法可以很方便地实现256级灰度控制，但是使用芯片的数量十分惊人，电路也更复杂，工作可靠性也相应地降低，所以一般很少采用（见图四）。


　　图四 用显控板分散控制led屏灰度等级示意图


　　关于辐射


　　led的显控电路工作频率可高达20兆赫芝，已进入射频范围。虽然这一频段还不至于对人体健康形成威胁，但也有一个射频干扰问题，尤其是大屏，这个问题可能更严重。我国虽有“无委会”对有关无线电的频段进行分配和管理，但对射频的干扰尚无明确的规定。在美国，所有电子产品在销售前都必须经美国联邦通信委员会（fcc）的最后检验，领到合格证书后才能销售，其目的是为了限制对电讯设备的干扰。因此，销往海外的led屏必须考虑电磁辐射的屏蔽问题。我国目前对这方面要求不严，但随着电讯事业的发展，相关的法规也必然会产生。

　　要防止led屏产生的射频辐射对邻近电讯设备的干扰可采用屏蔽的方法。通常在设计屏体的单元板时，尽量选用表面粘贴器件，把元件集中在印刷电路板的正面，印刷电路板背面制作大面积地线以屏蔽正面电路产生的电磁辐射，在电路板的正面再覆盖一金属盖板并接地，如图五。一方面起屏蔽作用，另一方面又保护表面粘贴器件。也可以使用全金属化箱体作屏蔽。


　　需要规范化的市场


　　led屏的市场初期是极不规范的。由于使用小规模ic，使led屏背面元件星罗棋布，线路错纵复杂，加上用户对led的工作原理和控制方法又了解不多，使初期的led屏生产商牟取暴利有可趁之机。

　　初期的led屏估计有5～10倍甚至更高的利润。在利益的驱动下，一些掌握led屏生产技术的人员就纷纷从原有的公司分离出来成立各种小公司生产led屏。为了争夺市场，他们往往采用高额回扣、贿赂有关人员等不正当手段来谋取订单以获取高额利润。

　　为使led屏市场规范化，有效地克服种种不正当的竞争手段，逐步淘汰那些手工作坊式的、高成本、低效率、产品质量低劣、主要依靠种种不正当手段赖以生存的led屏制作公司，净化led屏市场，逐步走向以服务为市场竞争的主要手段，最终保证led屏直接用户的利益。

　　笔者认为，有远见的led生产厂家和有实力的led屏生产公司应联起手来，组织工业化、规模化生产各种规格的led屏显示单元，以低成本、高质量的优势组织销售，占领led屏市场；实行工业化、规模化生产，净化并规范led屏市场。只有这样，在这“信息爆炸”的时代，作为显示公众信息的一种重要工具的大型led显示屏才能真正发挥它应有的社会效益和经济效益。


　　图五 led显示单元结构