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LED-發光二極體

張貼者:2010年8月15日 上午2:40唯統科技   [ 已更新 2010年8月15日 上午2:42 ]

  發光二極體 (Light-emitting diode, LED)是一種半導體元件。初時多用作為指示燈、顯示板等;隨著白光發光二極體的出現,也被用作照明。它是21世紀的新型光源,具有效率高、壽命長、不易破損等傳統光源無法與之比較的優點。加正向電壓時,發光二極體能發出單色、不連續的光,這是電致發光效應的一種。改變所採用的半導體材料的化學組成成分,可使發光二極體發出在近紫外線可見光紅外線的光。


           這種利用注入式電致發光原理製作的二極體叫發光二極體,通稱LED。由於LED 工作電壓低(僅1.5V -3V),能主動發光且有一定亮度,亮度又能用電壓(或電流)調節,本身又耐衝擊、抗振動、壽命長(10 萬小時),所以在大型的顯示設備中,目前尚無其他的顯示方式與LED 顯示方式匹敵。廣泛見於日常生活中,如家用電器的指示燈,汽車後防霧燈等。LED的最顯著特點是使用壽命長,光電轉換效能高。

優點

  • 發光(能量轉換)效率高 - 也即較省電。比燈泡高,但與螢光燈相約。而且隨著時間的推移, LED的光效會越來越高。
  • 反應(開關)時間快 - 可以達到很高的閃爍頻率。
  • 使用壽命長 - 在適當的散熱和應用環境下可達35,000 ~ 50,000小時,相對螢光燈為10,000 ~ 15,000小時,白熾燈為1,000 ~ 2,000小時。
  • 耐震盪等機械衝擊 - 由於是固態元件,沒有燈絲, 相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震盪。
  • 體積小 - 其本身體積可以造得非常細小(小於2mm)。
  • 便於聚焦 - 因發光體積細小,易於而以透鏡等方式達致所需集散程度,藉改變其封裝外形,方向性從大角度的散射以至集中於細角度都可以達到。
  • 多種顏色 - 能在不加濾光器下提供多種不同顏色,而且單色性強。
  • 色域豐富 - 白色LED覆蓋色域較其他白色光源廣。
  • 冷光束 - LED光束本身不包含紅外或者紫外, 對注重保護被照對象的場合, 如博物館展品的照明應用最適合。 

已知的LED應用列表

訊息指示 由於體積細小,耗電低,容易推動,LED被普遍用作訊息、狀態顯示,例如:

  • 消費性電子產品的狀態指示燈
  • 應急車輛上的發光條
  • 機場和火車站的輕薄型消息顯示板,以及用於火車、汽車、電車以及渡輪的終點顯示牌
  • 紅、黃、綠和藍光LED可用於鐵路建設模型
  • 緊急出囗指示燈
  • 交通燈
  • 汽車轉向燈與停車燈
  • 有機發光二極體(OLED)可用作平板顯示器,可顯示圖象以至視頻訊息

照明

  • 城市亮化照明
  • 道路照明
  • 隧道照明
  • 手電筒
  • 商業照明
  • 家居照明
  • 辦公室照明
  • 液晶電視的動態背光模組 

IP防護等級
        IPINTERNATIONAL PROTECTION)防護等級系統是由IECINTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION)所起草。將燈具依其防塵防濕氣之特性加以分級。這裏所指的外物含工具,人的手指等均不可接觸到燈具內之帶電部分,以免觸電。IP防護等級是由兩個數位所組成,第1個數字表示燈具離塵、防止外物侵入的等級,第2個數位表示燈具防濕氣、防水侵入的密閉程度,數字越大表示其防護等級越高,兩個標示數位所表示的防護等級如表一及表二。
表一:第一個標示特性號碼(數字)所指的防護程度

第一個標示數字防護等級定義

0

沒有防護 對外界的人或物無特殊防護。

1

防止大於50mm的固體物體侵入 防止人體(如手掌)因意外而接觸到燈具內部的零件。防止較大尺寸(直徑大於50mm)的外物侵入。

2

防止大於12mm的固體物體侵入 防止人的手指接觸到燈具內部的零件防止中等尺寸(直徑大12mm)的外物侵入。

3

防止大於2.5mm的固體物體侵入 防止直徑或厚度大於2.5mm的工具、電線 或類似的細節小外物侵入而接觸到燈具內部的零件。

4

防止大於1.0mm的固體物體侵入 防止直徑或厚度大於1.0mm的工具、電線或類似的細節小外物侵入而接觸到燈具內部的零件。

5

防塵 完全防止外物侵入,雖不能完全防止灰塵進入,但侵入的灰塵量並不會影響燈具的正常工作。

6

防塵 完全防止外物侵入,且可完全防止灰塵進入。



表二:第二個標示特性號碼(數位)所指的防護程度

第二個標示數字防護等級定義

0

沒有防護 沒有防護。

1

防止滴水侵入 垂直滴下的水滴(如凝結水)對燈具不會造成有害影響。

2

傾斜15度時仍可防止滴水侵入 當燈具由垂直傾斜至15度時,滴水對燈具不會造成有害影響。

3

防止噴灑的水侵入 防雨,或防止與垂直的夾角小於60度的方向所噴灑的水進入燈具造成損害。

4

防止飛濺的水侵入 防止各方向飛濺而來的水進入燈具造成損害。

5

防止噴射的水侵入 防止來自各方向由噴嘴射出的水進入燈具造成損害。

6

防止大浪的侵入 裝設於甲板上的燈具,防止因大浪的侵襲而進入造成損壞。

7

防止浸水時水的侵入 燈具浸在水中一定時間或水壓在一定的標準以下能確保不因進水而造成損壞。

8

防止沉沒時水的侵入 燈具無限期的沉沒在指定水壓的狀況下,能確保不因進水而造成損壞

IP66的概念來說,即是IP66是防水防塵的標準,簡要來說如下:
第一個塵密 完全防止外物侵入,且可完全防止灰塵侵入 
第二個防止大浪的侵入,裝設於甲板上的燈具,防止因大浪的侵襲而浸水造成損壞 (但並不指可以在水中長時間浸泡)

LED顯示幕的灰度定義

       灰度是指圖元發光明暗變化的程度,一種基色的灰度一般有8級至256級。例如全彩色LED顯示幕在各自256級灰度變化的情況下,所能顯示的色彩種類是256*256*256=16777216種顏色。所以256級灰度的顯示幕顯示的色彩更豐富,圖像更細膩

LED屏的解析度定義
      LED顯示幕的像素的行列數稱為LED顯示幕的解析度。相應的單位面積內LED顯示幕的解析度越高則顯示的圖像越清晰。
全彩色顯示幕
       眾所周知紅綠藍三色不同比例的搭配就能構成自然界中千變萬化的顏色。所以紅綠藍三基色的LED燈管在各自不同的灰度配比下就能構成全彩色的顯示。由於顯示幕主要元器件的價格逐步降低,所以目前全彩色屏已成為主流的LED顯示幕。

什麼是實圖元屏,什麼是虛擬屏?

        實圖元屏與虛擬屏是相對應的。簡單來說,實圖元屏就是指構成顯示幕的紅綠藍三種發光管中的每一種發光管最終只參與一個圖元的成像使用,以獲得足夠的亮度。


         虛擬屏則是利用軟體演算法控制每種顏色的發光管最終參與到多個相鄰圖元的成像當中,從而使得用較少的燈管實現較大的解析度,能夠使顯示解析度約提高四倍。


          眾所周知,一個
LED顯示幕當中成本支出最大的在於LED燈管,如何在在不損失亮度的情況下為用戶節省燈管成本,是LED顯示技術追求的目標之一。而虛擬技術正是一個發展方向。而虛擬技術也決非是燈管的簡單參與成像,對於亮度、灰度的影響也是十分大的。這就要求控制系統與驅動晶片的配合,利用軟體演算法與驅動晶片的回應時間相結合,達到基本無損亮度的前提下,節約燈管成本的目的。
點間距
        LED顯示幕的相鄰像素間的中心距離稱為點間距英文為PH。點間距越密,在單位面積內像素密度就越高,解析度亦高,成本也高。像素直徑越小,點間距就越小。
色溫知識

          色溫定義:光源發射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時,黑體的溫度稱為該光源的色溫。


          因為大部分光源所發出的光皆通稱為白光,故光源的色表溫度或相關色溫度即用以指稱其光色相對白的程度,以量化光源的光色表現。根據Max Planck的理論,將一具完全吸收與放射能力的標準黑體加熱,溫度逐漸升高光度亦隨之改變;CIE色座標上的黑體曲線(Black body locus)顯示黑體由紅——橙紅————黃白————藍白的過程。黑體加溫到出現與光源相同或接近光色時的溫度,定義為該光源的相關色溫度,稱色溫,以絕對溫KKelvin,或稱開氏溫度)為單位(K=+273.15)。因此,黑體加熱至呈紅色時溫度約527800K,其他溫度影響光色變化。


           光色愈偏藍,色溫愈高;偏紅則色溫愈低。一天當中畫光的光色亦隨時間變化:日出後
40分鐘光色較黃,色溫3,000K;正午陽光雪白,上升至4,800-5,800K,陰天正午時分則約6,500K;日落前光色偏紅,色溫又降至紙2,200K。其他光源的相關色溫度。因相關色溫度事實上是以黑體輻射接近光源光色時,對該光源光色表現的評價值,並非一種精確的顏色對比,故具相同色溫值的二光源,可能在光色外觀上仍有些許差異。僅馮色溫無法瞭解光源對物體的顯色能力,或在該光源下物體顏色的再現如何。

不同光源環境的相關色溫度光源色溫

北方晴空

8000-8500k

冷色營光燈

4000-5000k

陰天

6500-7500k

高壓汞燈

3450-3750k

夏日正午陽光

5500k

暖色營光燈

2500-3000k

金屬鹵化物燈

4000-4600k

鹵素燈

3000k

下午日光

4000k

鎢絲燈

2700k

            光源色溫不同,光色也不同,色溫在3300K以下有穩重的氣氛,溫暖的感覺;色溫在3000--5000K為中間色溫,有爽快的感覺;色溫在5000K以上有冷的感覺。不同光源的不同光色組成最佳環境
LED顯示幕應用
       顯示技術的應用已經十分廣泛,在體育場館,大螢幕顯示系統可以顯示比賽實況以及比賽成績、時間等;在交通運輸行業,可以顯示運行情況;在金融行業,可以即時顯示金融資訊,如股票、匯率等;在商業郵電系統,可以向廣大顧客顯示通知、消息、廣告等等。顯示技術還可以廣泛應用於工農業生產、軍事、醫療單位、公安系統乃至宇航事業等國民經濟,社會生活和軍事領域中,並起著重要作用。
LED顯示幕與LED燈飾比較

相同點

差異點

  1. 都是採用LED發光管利用人眼的視覺暫留特性占空比驅動的。
  2. 形成色彩都是用紅綠藍三中發光管形成豐富的色彩。
  3. 均可顯示各種色彩的文字、圖像、視頻。
  1. 顯示幕要求LED發光管的一致性要高;燈飾要求發光管的一致性較低。
  2. 顯示幕點陣的排列緊密;燈飾的排列稀疏。
  3. 顯示幕顯示精細的圖像與視頻,要求寫實性,可以比做照片;燈飾顯示多為七彩變幻,在較好的控制與驅動情況下,也可顯示圖像與視頻,多為輪廓性的、概念性的顯示,可以比做油畫。
  4. 顯示幕生產成本較高,燈飾生產成本較低。

LED顯示幕關鍵指標 
  • pixel (像素)
  • pitch (點間距)
       
  • 密度density (點數)
            單位面積上圖元點的數量(單位:點/m2)。點數同點間距存在一定計算關係,計算公式是:密度=1÷圖元中心距2LED顯示幕的密度越高,圖像越清晰,最佳觀看距離範圍越小。
  • 平整度level up degree
              發光二極體、圖元、顯示模組、顯示模組在組成LED顯示幕平面時的凹凸偏差。LED顯示幕的平整度不好易導致觀看時,屏體顏色不均勻。
  • 電性能指標
  • 灰度等级gray scale
           LED顯示幕同一級亮度中從最暗到最亮之間能區別的亮度級數。
              一般為無灰度、8級、16級、32級、64級、128級、256級等,LED顯示幕的灰度等級越高,顏色越豐富,色彩越豔麗;反之,顯示顏色單一,變化簡單。
  • 換幀頻率refresh frame frequency
           LED顯示幕畫面資訊更新的頻率。
               一般為25Hz30Hz50Hz60Hz等,換幀頻率越高,變化的圖像連續性越好。

  • 刷新頻率refresh frequency
          LED顯示幕顯示資料每秒鐘被重複顯示的次數。
             常為60Hz120Hz240Hz等,刷新頻率越高,圖像顯示越穩定。
  • 光學指標
  • 顯示幕亮度luminance of LEDscreen
          LED顯示幕在法線方向的平均亮度。單位:cd/m2
             在同等點密度下,LED顯示幕的亮度取決於所採用的LED晶片的材質、封裝形式和尺寸大小,晶片越大,亮度越高;反之,亮度越低。
  • 視角viewing angle
             在水平和垂直兩个方向的亮度分别为LED顯示屏法線方向亮度的一半時,該觀察方向與LED顯示器法線的夾角分别稱为水平視角和垂直視角,一般以±表示左右和上下各多少度。
              如果一塊顯示幕的水準視角為120度、垂直視角為45度,在此觀看範圍內能使所有觀眾享受到最佳的觀看效果。超出此範圍,觀眾將可收看到低於正常亮度50%的視覺效果。LED顯示幕的視角越大,其受眾群體越多,覆蓋面積越廣,反之越小。LED晶片的封裝方式決定LED顯示幕的視角的大小,其中,表貼LED燈的視角較好,橢圓形LED單燈的水準視角較好。視角與亮度成反比。 amily: Arial;color:#333333;mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language:ZH-TW; mso-bidi-language:AR-SA'>等,刷新頻率越高,圖像顯示越穩定。
顯示幕壽命life of LED screen
         LED是一種半導體器件,其壽命為10萬小時。LED顯示幕的壽命取決於其所採用的LED燈的壽命和顯示幕所用的電子元器件的壽命。一般平均無故障時間不低於1萬小時。
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