現(xiàn)有LED顯示屏出于簡化驅動電路的考慮，幾乎都采用了掃描驅動方式，在一個掃描周期當中，各LED所發(fā)出的變化的光亮度根據(jù)“塔爾博特-普拉竇定律”平均到整個掃描周期當中，導致顯示屏的主觀視覺亮度下降，使得LED顯示屏在戶外使用時出現(xiàn)發(fā)光亮度不足的問題。到目前為止，解決LED顯示屏亮度不足的方法基本局限于以下3種：
1)單純地提高驅動脈沖電壓，增加LED器件的瞬時發(fā)光亮度，但這將縮短發(fā)光器件的使用壽命，并且能量效率較低；
2)不斷研制和應用高亮度甚至超高亮度LED器件；
3)通過縮短掃描周期或采用靜態(tài)鎖存方式驅動來提升顯示屏亮度。尤其是在室外屏的制造中，高端產(chǎn)品均采用靜態(tài)鎖存驅動，在要求不高的場合則采用縮短掃描周期的方式。對于一個大規(guī)模的顯示屏來說，無論縮短掃描周期還是采用靜態(tài)鎖存驅動，其后果都是驅動電路規(guī)模的顯著增加。
本文從“塔爾博特-普拉竇定律”入手，將光學雙穩(wěn)態(tài)特性引入LED顯示單元電路，研制了一種雙穩(wěn)態(tài)LED單元組成的雙穩(wěn)態(tài)LED屏。經(jīng)實際測試證明該顯示屏在掃描驅動方式下具有等同于靜態(tài)鎖存驅動的LED屏的亮度表現(xiàn)，并且其結構簡單，外圍電路與傳統(tǒng)器件完全兼容，易于使用和推廣。
1 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示單元的設計
1．1 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED電路結構及工作原理
雙行雙穩(wěn)態(tài)LED單元電路如圖1所示，它把觸發(fā)這個功能由端口V1和V2來完成，而關斷、保持這兩個功能由端口Vcc來完成。下面具體說明雙行驅動LED單元電路的工作原理。
其中BG1和BG2構成一個等效晶閘管，它由關斷到導通，有兩個必要條件：Vcc端有正向電壓，節(jié)點a的電壓幅值足夠大。因此，可在端點a提供一個觸發(fā)電壓，使等效晶閘管觸發(fā)，觸發(fā)脈沖過了之后，靠Vcc提供的電壓進行保持。
具體實現(xiàn)過程如下：
1)開啟掃描行的被選通單元：在端口V1和V2同時加上Von，則節(jié)點a的電壓值
若適當選擇R1(R2)、R3，且R3>>N使節(jié)點a的電壓Va≈Von>Va’，可使其觸發(fā)；
2)保持非選單元的關斷狀態(tài)：使端口V1和V2中至少有一個電壓為零，則即使另一個為Von(設端口V2接地)，用作觸發(fā)等效晶閘管的節(jié)點a的電壓值
若適當選擇R1(R2)、R3，且R3>>N，且使節(jié)點a的電壓
，可使其不觸發(fā)；
3)保持非掃描行的已選通單元的開啟狀態(tài)：觸發(fā)過后，LED單元靠端口Vcc所供的保持電壓Vhold來保持點亮；
4)關斷已選通單元：當從端口Vcc撤去保持驅動電壓Vhold的時候，LED則會關斷。
綜上，只要選擇適當?shù)腞1(R2)、R3，就可以把行掃描信號加在V1上，列信號加在V2上，給V1端口提供正向反轉電壓Von，如果某單元是非選的，則不給相應的端口V2提供正向反轉電壓Von即可，在非掃描時段的行，只要保持V1端口不提供正向反轉電壓Von則無LED單元可被觸發(fā)選通。通過上述驅動電壓，可使雙行雙穩(wěn)態(tài)LED單元工作在雙穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下。
1．2 雙行驅動LED單元電路正向反轉電壓區(qū)間分析
對于雙行驅動LED單元電路來說，要想使已經(jīng)點亮的LED單元關斷(清零)，只要使Vcc提供一個零電壓即可；要想使LED實現(xiàn)保持，則提供一個穩(wěn)定保持電壓Vhold即可。
R1(R2)、R3的選擇不僅要使V1、V2施加電壓值為Von時，LED單元能選通，而且在V1、V2其中有一個為零，另一個為Von時，LED單元應為非選狀態(tài)。通過理論計算得出LED單元的正向反轉電壓區(qū)間，即Von的取值區(qū)間為：
測得在雙行雙穩(wěn)態(tài)LED電路研究中采用高亮度白光LED時BG1和BG2等效晶閘管觸發(fā)電壓為：Va’=2．7 V。在選擇正向反轉電壓Von時，希望采用常規(guī)5 V驅動，以簡化驅動電路及電源部分的設計和制造，故令正向反轉電壓為：Von=5V。
另外，考慮電路實際，R1(R2)、R3還應符合以下條件：1)盡量選擇大電阻值；2)應盡量使R3>>N。
由此綜合考慮，一般可以選擇R1(R2)=5 kΩ，R3=51 kΩ。
2 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的驅動
2．1 行反相掃描方式
由雙穩(wěn)態(tài)LED單元組成的顯示陣列具有和傳統(tǒng)顯示陣列所不同的行列驅動電路。具體來講主要是在行驅動電路上：LED顯示矩陣只有一個行驅動信號，只需要一套行驅動電壓接入控制電路，而雙穩(wěn)態(tài)LED顯示矩陣有兩個行驅動信號。但這兩個行驅動信號之間具有固定的合作關系，故利用這個特性，雙穩(wěn)態(tài)LED單元并不需要因為行驅動信號的增加而增加行驅動電壓接入的控制電路規(guī)模，只需在一套行驅動電壓接入控制電路的基礎上簡單地添加一組反相器即可使兩個行驅動電路同時正常工作，這種驅動方式稱為“行反相掃描方式”。行反相掃描結構的工作原理如圖2所示。
如圖2所示，“反相掃描結構”上位機輸送的行掃描信號及其反相信號被分別用于上下兩行的行驅動電路的驅動電壓接入控制信號，虛線框內(nèi)為驅動電壓接入電路，邏輯“1”和“0”表示是否為相應行驅動電路接入所需的驅動電壓。通過此結構，可在上位機輸送一組行掃描信號序列的情況下，為顯示矩陣各行的兩組行驅動電路取得正確的驅動電壓接入控制信號，使顯示屏各行有序地工作在各自應處的工作狀態(tài)下。
反相掃描結構的優(yōu)點在于：
1)不明顯增加雙行雙穩(wěn)態(tài)顯示屏的驅動電路規(guī)模，仍然只使用一組上位機輸送的行掃描信號，與普通的LED掃描驅動電路兼容；
2)清零操作與行掃描選通操作同時在相鄰兩行進行，這樣列顯示數(shù)據(jù)的結構不需要為進行清零操作而插入冗余值占位，使得雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的顯示數(shù)據(jù)結構以及相應的列驅動機制與普通的LED掃描驅動電路兼容；
3)只需簡單改變上位機輸送的行掃描信號序列中“0”和“1”的排列情況，即可十分方便地改變和控制LED顯示屏的占空比系數(shù)，實現(xiàn)雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏與普通LED顯示屏之間的占空比性能的平滑過渡。
2．2 占空比的控制
一個N行的LED顯示矩陣，上位機輸送的行掃描信號為N位序列，其中M位為“1”，N-M位為“0”，由于“1”對應的行都處于“清零”狀態(tài)(其中最遠離“掃描”行的“清零”行的V1行驅動電路被接入了Von，與其他“清零”行不同，但這并不影響該行的清零工作)，全行關斷，故顯示屏占空比為：
。改變行掃描序列中“1”的個數(shù)M即可改變占空比。如對于1個8行的顯示屏來說，當行掃描序列為“1000 000 0”時，占空比為7／8；而當行掃描序列為“1110 0000”時，占空比即變成5／8；再考慮一個極端的情況，即行掃描序列為“1111 11110”時，占空比為1／8，此時的雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏即和普通掃描驅動LED顯示屏完全相同了，故普通掃描驅動LED顯示屏就成為了雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的一種特殊狀態(tài)。
綜上所述，通過“行反相掃描方式”，使雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏實現(xiàn)了對普通掃描驅動LED顯示屏外圍驅動電路的全兼容。
3 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的效果評測
為驗證雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏在提升LED顯示屏亮度方面的效果，設計了一個16x16的雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示矩陣，顯示屏矩陣結構如圖3所示。
通過實驗，讓雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏分別顯示3幅不同的圖像，對每一幅圖像都讓雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏工作在不同的占空比，并測試其對應的ANSI流明值。實驗結果如表1所示。
顯然，實驗結果符合塔爾博特一普拉竇定律，在使用相同LED發(fā)光器件的前提下，雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的亮度較普通掃描驅動LED顯示屏最高可提高N-1倍(其中N為顯示屏掃描周期內(nèi)的行數(shù))，與靜態(tài)鎖存驅動顯示屏性能相當，并可根據(jù)需要改變占空比實現(xiàn)亮度控制。
4 結論
結果證明，雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏相對于傳統(tǒng)的掃描驅動的LED顯示屏來說，可以明顯提高顯示屏的主觀視覺亮度，使其主觀視覺亮度指標達到靜態(tài)鎖存驅動的顯示屏水平，同時不明顯增加電路規(guī)模，大大地擴展了LED顯示屏的應用領域。
并且采用雙穩(wěn)態(tài)LED單元組成的LED顯示屏與傳統(tǒng)掃描方式驅動的LED顯示屏的外圍電路完全兼容，只需對雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的行列驅動器加入一組反相器，即可以完全沿用以前的設備和產(chǎn)品，故升級成本低。一旦技術成熟，憑借其自身良好的性能和只增加很少投入的成本控制，將十分易于推廣。該顯示驅動技術與高亮度或超高亮度LED器件搭配，顯示效果將大幅度提升。