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电视原理
关于LCD、LED、PDP及CRT工作原理的研究
摘要：
随着科学技术的发展，显示屏从成本到效果，都有了飞跃性的进步。
本文着重介绍了LCD（LiquidCrystalDisplay）、LED（LightEmittingDiode）、PDP（PlasmaDisplayPanel）等彩色显示屏的工作原理，对LED显示屏的驱动进行了详细的介绍，并且对各种显示屏的之间的优缺点进行了总结对比。
关键字：
LCDLEDPDP工作原理
LCD液晶显示器
LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。
比CRT要好的多，但是价钱较其贵LCD液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及多达1670万种色彩的靓丽图像。
LCD投影机的主要成像器件是液晶板。
LCD投影机的体积取决于液晶板的大小，液晶板越小，投影机的体积也就越小。
根据电光效应，液晶材料可分为活性液晶和非活性液晶两类，其中活性液晶具有较高的透光性和可控制性。
液晶板使用的是活性液晶，人们可通过相关控制系统来控制液晶板的亮度和颜色。
与液晶显示器相同，LCD投影机采用的是扭曲向列型液晶。
LCD投影机的光源是专用大功率灯泡，发光能量远远高于利用荧光发光的CRT投影机，所以LCD投影机的亮度和色彩饱和度都高于CRT投影机。
LCD投影机的像元是液晶板上的液晶单元，液晶板一旦选定，分辨率就基本确定了，所以LCD投影机调节分辨率的功能要比CRT投影机差。
LCD投影机按内部液晶板的片数可分为单片式和三片式两种，现代液晶投影机大都采用3片式LCD板。
三片式LCD投影机是用红、绿、蓝三块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。
光源发射出来的白色光经过镜头组后会聚到分色镜组，红色光首先被分离出来，投射到红色液晶板上，液晶板“记录”下的以透明度表示的图像信息被投射生成了图像中的红色光信息。
绿色光被投射到绿色液晶板上，形成图像中的绿色光信息，同样蓝色光经蓝色液晶板后生成图像中的蓝色光信息，三种颜色的光在棱镜中会聚，由投影镜头投射到投影幕上形成一幅全彩色图像。
三片式LCD投影机比单片式LCD投影机具有更高的图像质量和更高的亮度。
LCD投影机体积较小、重量较轻，制造工艺较简单，亮度和对比度较高，分辨率适中，现在LCD投影机占有的市场份额约占总体市场份额的70%以上，是目前市场上占有率最高、应用最广泛的投影机。
LCD的工作原理
我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。
液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的（或扁形的），它们的分子指向就可能有规律性。
于是我们就可将液态又细分为许多型态。
分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”，又简称“液晶”。
液晶产品其实对我们来说并不陌生，我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。
液晶是在1888年，由奥地利植物学家Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。
一般最常用的液晶型态为向列型液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm～10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。
1.被动矩阵式LCD工作原理
TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD之间的显示原理基本相同，不同之处是液晶分子的扭曲角度有些差别。
下面以典型的TN-LCD为例，向大家介绍其结构及工作原理。
在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中，通常是由两片大玻璃基板，内夹着彩色滤光片、配向膜等制成的夹板，外面再包裹着两片偏光板，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。
彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色构成的滤片，有规律地制作在一块大玻璃基板上。
每一个像素是由三种颜色的单元（或称为子像素）所组成。
假如有一块面板的分辨率为1280×1024，则它实际拥有3840×1024个晶体管及子像素。
每个子像素的左上角（灰色矩形）为不透光的薄膜晶体管，彩色滤光片能产生RGB三原色。
每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽，上下夹层中填充了多层液晶分子（液晶空间不到5×10-6m）。
在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，但长轴取向都是平行于偏光板的。
另一方面，在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90度。
其中，邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向，与所邻接的偏光板的偏振光方向一致。
在接近上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列，而下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向排列。
最后再封装成一个液晶盒，并与驱动IC、控制IC与印刷电路板相连接。
在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透途径。
而液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。
当液晶层施加某一电压时，由于受到外界电压的影响，液晶会改变它的初始状态，不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态。
因此经过液晶的光会被第二层偏光板吸收而整个结构呈现不透光的状态，结果在显示屏上出现黑色。
当液晶层不施任何电压时，液晶是在它的初始状态，会把入射光的方向扭转90度，因此让背光源的入射光能够通过整个结构，结果在显示屏上出现白色。
为了达到在面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩，多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。
2.主动矩阵式LCD工作原理
TFT-LCD液晶显示器的结构与TN-LCD液晶显示器基本相同，只不过将TN-LCD上夹层的电极改为FET晶体管，而下夹层改为共通电极。
TFT-LCD液晶显示器的工作原理与TN-LCD却有许多不同之处。
TFT-LCD液晶显示器的显像原理是采用“背透式”照射方式。
当光源照射时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子来传导光线。
由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的排列状态同样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。
但不同的是，由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。
LED及工作原理
LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
LED驱动原理介绍
由于LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量（φV）与IF的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。
超高亮LED的特性下图为正向压降（VF）和正向电流的（IF）关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值（约2V），即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比。
见表是当前主要超高亮LED的电气特性。
由表可知，当前超高亮LED的最高IF可达1A，而VF通常为2～4V。
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由于LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量（φV）与IF的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。
此外，LED的正向压降变化范围比较大（最大可达1V以上），而由上图中的VF-IF曲线可知，VF的微小变化会引起较大的，IF变化，从而引起亮度的较大变化。
所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。
因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。
下图是LED的温度与光通量（φV）关系曲线，由下图可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而一40℃时光输出是25℃时的1.8倍。
温度的变化对LFD的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。
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下图是LED的温度与光通量关系曲线。
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一般LED驱动电路介绍由于受到LED功率水平的限制，通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求，因此，需要专门的驱动电路来点亮LED。
下面简要介绍LED概念型驱动电路。
阻限流电路如下图所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算。
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式中：
Vin为电路的输入电压：
VF为IED的正向电流;VF为LED在正向电流为，IF时的压降;VD为防反二极管的压降（可选）;y为每串LED的数目;x为并联LED的串数。
由上图可得LED的线性化数学模型为
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式中：
Vo为单个LED的开通压降;Rs为单个LED的线性化等效串联电阻。
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当电阻选定后，电阻限流电路的IF与VF的关系为
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由上式可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压波动时，通过LED的电流也会跟随变化，因此调节性能差。
另外，由于电阻R的接人损失的功率为xRIF，因此效率低。
线性调节器介绍 线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或MOSFFET作为一动态可调电阻来控制负载。
线性调节器有并联型和串联型两种。
下图a所示为并联型线性调节器又称为分流调节器（图中仅画出了一个LED，实际上负载可以是多个LED串联，下同），它与LED并联，当输入电压增大或者LED减少时，通过分流调节器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使通过LED的电流保持恒定。
由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节。
下图b所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持LED上的电压（电流）恒定。
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由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。
开关调节器介绍 上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。
在用于低功率的普通LED驱动时，由于电流只有几个mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百mA甚至更高的高亮LED的驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。
开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到90%以上。
Buek、Boost和Buck-Boost等功率变换器都可以用于LED的驱动，只是为了满足LED的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。
下图（a）为采用Buck变换器的LED驱动电路，与传统的Buek变换器不同，开关管S移到电感L的后面，使得S源极接地，从而方便了S的驱动，LED与L串联，而续流二极管D与该串联电路反并联，该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。
但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个LED串联的场合。
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上图（b）为采用Boost变换器的LED驱动电路，通过电感储能将输出电压泵至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对LED的驱动。
优点是这样的驱动IC输出可以并联使用，有效的提高单颗LED功率。
上图（c）为采用Buck—Boost变换器的LED驱动电路。
与Buek电路相似，该电路S的源极可以直接接地，从而方便了S的驱动。
Boost和Buck-Boosl变换器虽然比Buck变换器多一个电容，但是，它们都可以提升输出电压的绝对值，因此，在输入电压低，并且需要驱动多个LED时应用较多。
PDP—等离子显示器
等离子显示屏，即PlasmaDisplayPanel简称PDP。
是继阴极射线管（CRT）和液晶屏（LCD）之后的一种新颖直视式图像显示器件。
等离子体显示器以出众的图像效果、独特的数字信号直接驱动方式而成为优秀的视频显示设各和高清晰的电脑显示器，它将是高清晰度数字电视的最佳显示屏幕。
等离子显示板是一种利用气体放电的显示技术，其工作原理与日光灯很相似。
它采用了等离子管作为发光元件，屏幕上每一个等离子管对应一个像素，屏幕以玻璃作为基板，基板间隔一定距离，四周经气密性封接形成一个个放电空间。
放电空间内充入氖、氙等混合惰性气体作为工作媒质。
在两块玻璃基板的内侧面上涂有金属氧化物导电薄膜作激励电极。
当向电极上加入电压，放电空间内的混合气体便发生等离子体放电现象。
气体等离子体放电产生紫外线，紫外线激发荧光屏，荧光屏发射出可见光，显现出图像。
当使用涂有三原色（也称三基色）荧光粉的荧光屏时，紫外线激发荧光屏，荧光屏发出的光则呈红、绿、蓝三原色。
当每一原色单元实现256级灰度后再进行混色，便实现彩色显示。
等离子体显示器技术按其工作方式可分为电极与气体直接接触的直流型PDP和电极上覆盖介质层的交流型PDP两大类。
目前研究开发的彩色PDP的类型主要有三种:
单基板式（又称表面放电式）交流PDP、双基板式（又称对向放电式）交流PDP和脉冲存储直流PDP。
PDP影像的形成主要取决于高能量的电子束打在屏幕上数以百万计的小点（我们称之为“像素”）后所产生的亮度，在绝大多数电视上，共有三种（红、绿、蓝）颜色的像素，这三种颜色的像素被平均的分布在整个屏幕上。
所有的色彩都可以通过选定的三种单色光，以适当的比例混合而成，而且绝大多数的彩色光也可以分解成特定的三种单色光。
这三种选定的颜色被称为三原色，三原色相互独立，其中任一种基色是不能由另外两种基色混合而得到的，但它们相互以不同的比例混合，就可以得到不同的其它颜色。
等离子显示屏是一种利用气体放电的显示装置，这种屏幕采用了等离子管作为发光元件。
大量的等离子管排列在一起构成整个全屏幕。
每个等离子管作为一个像素，每个像素由三种不同颜色的发光体组成——红、绿、蓝。
由这些像素的明暗和颜色组合变化产生各种灰度和色彩的图像，这与CRT的原理很相似。
等离子管的中心元件就是等离子体，它是由自由流动的离子（带电的原子）和电子（带负电的粒子）组成的气体。
在通常情况下，气体主要由不带电的粒子组成，也就是说，一个单独的气体分子包括了相同数量的质子（原子核里带正电荷的粒子）和电子，带负电荷的电子和带正电荷的质子保持着完美的平衡，所以原子的净电荷为零。
如果利用加大电压的方法把一些电子放入到气体内，那么它就会立刻产生变化，自由的电子与原子相撞，并使原子内部的电子数目失衡，这就会使其带正电荷，并产生了离子。
在稳定等离子体中如果有电流穿行其中，那么带负电的粒子就会冲向那些带正电粒子的区域，而带正电的粒子也会杀向那些带负电粒子的区域。
在这样的运动中，双方的粒子不断地进行着撞击。
这些撞击激发了等离子体中的气体原子，促使它们发出了光。
这个工作原理很类似于普通日光灯。
等离子显示屏上每个等离子对应的小室内都充有氖、氙原子，当它们被撞击时便发出了光。
一般来讲，这些原子发出的光只是紫外线光，而紫外线光人眼是无法辨别的。
但正是这些紫外线光，才激发了我们可见的光线。
CRT与LED、LCD、PDP等的主要区别
显示器件名称
主要优点
主要缺点
CRT显示器
①历史悠久，技术成熟，可靠性高，一致性好，温度稳定性好；
②发光强度高，平均100～120cd/m2；
③清晰度、对比度、灰度等级、发光效率高；
④响应速度快，显示运动图像无拖影；
⑤图像调制、寻址方式简单；
⑥价格低廉。
寿命长，一般大于2万小时
①为电真空器件，体积大，质量
重；
②屏幕尺寸在91cm（36in）以
下，再大有难度；
③扫描光栅有几何失真及非线
性失真，且易受地磁影响；
④屏幕边缘色纯裕度小，清晰
度差、分辨率及亮度低；
⑤有阳极高压，有X射线辐射；
⑥显像管电光特性有非线性，需
γ校正；
⑦功耗较大
LCD显示器
①由于是数字化像素寻址，可逐行寻址和高场频显示，故有利于消除行间闪烁和图像大面积闪烁；
②光栅无几何失真和非线性失真，不受地磁影响。
屏幕边缘的亮度清晰度与屏幕中心相同；
③像素密度大，清晰度高，可支持HDTV格式；
④质量轻、厚度薄、屏幕大（40in以上）、功耗小。
⑤电光转换近于线性，无须非线性γ校正；
⑥寿命长，可达5万小时
①不能主动发光，需要背光原；
②响应时间、屏幕亮度、对比
度、可视角度方面目前略低于
CRT显示器；
③价格略高
PDP等离子显示
①由于是数字化像素寻址的子帧驱动方式，可高场频显示，故有利于消除行间闪烁和图像大面积闪烁；
②自发光平面显示器件，不需背光源；
③光栅无几何失真和非线性失真，不受地磁影响。
屏幕边缘的亮度清晰度与屏幕中心相同；
④像素密度大，清晰度高，可支持HDTV格式；
⑤质量轻、厚度薄、屏幕大（40in以上）、功耗小。
⑥响应速度快，重显高速运动图像时无拖尾；
⑦低电压（几百伏），无X射线辐射；
⑧屏幕有记忆功能，可作壁挂画显示
①难以作小屏幕显示器，一般
在40in以上；
②发光效率低，功耗大；
③售价偏高
LED显示器
①自发光，全彩色，超轻超薄，可卷曲；
②亮度高，可达300cd/m2以上；
③视角宽；分辨率高，可达30线/mm以上；
④响应速度快，为微妙级；
⑤全固态集成器件，工作稳定，寿命长；
⑥工作电压低，通常为几伏，功耗低；
⑦发光材料丰富，制造工艺简单；
⑧是最有发展前途的显示器件
①发光材料老化问题有待解
决；
②价格较高
参考文献：
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