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Technologie LCD-Displays / Passive Displays
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| LCD-Zelle im ausgeschalteten
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LCD-Zelle im eingeschalteten
Zustand |
Die Flüssigkristallsubstanz besitzt die Eigenschaft, ihre
Ausrichtung zu ändern, wenn eine elektrische Spannung bzw.
ein elektrisches Feld angelegt wird. Dadurch wird es möglich,
Licht durch die Zelle durchzulassen oder nicht durchzulassen.
 
Kontrast
Der Kontrastwert ist immer das Verhältnis zwischen dem Helligkeitswert
der Pixel im ein- bzw. ausgeschalteten Zustand.
Helligkeit der Pixel im ausgeschalteten Zustand
K = ---------------------------------------------------------------------
Helligkeit der Pixel im eingeschalteten Zustand
Der Kontrast wird deshalb immer als Verhältnis ohne Einheit angegeben z.B. 20:1
Sichtwinkel
Unter dem Sichtwinkel versteht man den Winkel, unter dem das Display ein bestimmtes Kontrastverhältnis erreicht. Der Referenz-Kontrastwert wird bei der Angabe der Sichtwinkel spezifiziert.
Meist werden vier Winkel angegeben: der Winkel nach links und
rechts von der Mitte aus gemessen, sowie der Winkel nach oben
und unten von der Mitte aus gemessen.
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Viewing Direction
Die Viewing Direction bezeichnet den bevorzugten Betrachtungswinkel eines LCD-Displays.
Vor allem bei Passiv-Displays sind die Sichtwinkel nicht von allen Seiten her gleich.
Bedingt durch den Produktionsprozess ergibt sich (immer von der Mitte des Displays betrachtet) auf eine Seite ein grösserer Sichtwinkel. Diese bevorzugte Seite wird mithilfe einer Angabe in Form einer Analoguhr angegeben.
Ist z.B. bei einem Display der Sichtwinkel von der Mitte nach unten am grössten, so wird die Viewing Direction mit 6 Uhr (6 o'clock) angegeben.
Durch Anpassung des Produktionsprozesses kann die Viewing Direction
in fast alle Richtungen gedreht werden. Dadurch kann ein Display
auf die Bedürfnisse des Kunden angepasst werden.
Wird ein Display so eingebaut, dass der Betrachter von unten auf das Display schaut, kann ein Display mit Viewing Direction 6 Uhr eingebaut werden.
Wird das Display von oben betrachtet, kann ein 12 Uhr Display eingesetzt werden.
Es ist auch möglich, Displays mit Viewing Direction 3 Uhr oder 9 Uhr herzustellen.
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Positive und Negative Mode
Ein Passiv-LCD kann entweder im Positive Mode oder im Negative
Mode hergestellt werden.
Positive Mode bedeutet, dass die eingeschalteten Pixel dunkel
dargestellt werden und der Hintergrund hell ist.
Negative Mode bedeutet, dass die eingeschalteten Pixel hell
dargestellt werden und der Hintergrund dunkel ist.
Softwaremässig kann das Display invertiert werden.
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| Positive Mode |
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Negative Mode |
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Negative Mode
softwaremässig invertiert |
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Positive Mode
softwaremässig invertiert |
Reflektiv / Transmissiv / Transflektiv
Die Funktion eines LCD's beruht darauf, dass Licht von hinten nach vorne durch die LCD-Zelle strömt. Dabei kann das Licht entweder von hinten (Hintergrundbeleuchtung) kommen oder von vorne (Umgebungslicht, Sonne). Wenn das Licht von vorne kommt, muss es an der Rückseite des Displays reflektiert werden.
Je nach Einsatzzweck und Anforderungen kann das Display auf
drei Arten aufgebaut sein:
Reflektiv
Hinter der eigentlichen LCD-Zelle befindet sich ein Reflektor,
der das von vorn eintretende Licht komplett reflektiert. Ein
reflektives Display arbeitet nur mit Umgebungslicht. Die Ablesbarkeit
wird besser, je heller die Umgebung ist (Sonnenlicht).
Vorteile:
Nachteile: |
– Sehr stromsparend (benötigt keine Hintergrundbeleuchtung)
– Kann in dunkler Umgebung nicht abgelesen werden |
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Transmissiv
Ein transmissives Display arbeitet nur mit dem Licht der Hintergrundbeleuchtung. Die Ablesbarkeit wird besser, je dunkler die Umgebung ist.
Vorteile:
Nachteile: |
– Sehr gute Ablesbarkeit in dunklen Umgebungen
– Bei starkem Umgebungslicht (direkte Sonneneinstrahlung) wird die
Ablesbarkeit schlechter.
– Die Hintergrundbeleuchtung muss immer eingeschaltet sein
(Stromverbrauch, Lebensdauer). |
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Transflektiv
Hinter der LCD-Zelle ist eine halbdurchlässige, spiegelnde Schicht angebracht. Dadurch kann sowohl das von vorne eintretende Umgebungslicht reflektiert werden, wie auch das Licht der Hintergrundbeleuchtung nach vorne strömen.
Vorteile:
Nachteile: |
– Gute Ablesbarkeit bei allen Umgebungsbedingungen (hell oder dunkel)
– Die Hintergrundbeleuchtung kann bei heller Umgebung
ausgeschaltet
werden (Strom sparen).
– Ein transflektives Display ist ein Kompromiss zwischen einem reflektiven und einem transmissiven Display. Bei Extrembedingungen (ganz helle oder ganz dunkle Umgebung) erreicht ein transflektives Display nicht die gleich guten Werte wie ein reflektives oder transmissives Display. |
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Hintergrundbeleuchtung
Je nach Grösse und Einsatzzweck können verschiedene Hintergrundbeleuchtungen verwendet werden:
CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp)
Die CCFL-Röhre erzeugt ein helles, weisses Licht.
Zum Betrieb ist ein Inverter notwendig, welcher eine Wechsel-Hochspannung von 400-600 V erzeugt. Die Taktrate der Wechselspannung liegt typisch bei 30 bis 50 kHz und verursacht meist erhebliche EMV-Störungen.
CCFL-Röhren werden aufgrund der hohen Helligkeit bei grösseren Displays eingesetzt. Bei sehr grossen Displays werden auch mehrere Röhren verwendet.
LED (Light Emitting Diode)
LEDs werden entweder als Matrix zur direkten Beleuchtung des LCDs
oder als LED-Streifen mit einem Lichtleiter als Hintergrundbeleuchtung
eingesetzt.
LEDs sind in verschiedenen Farben verfügbar (yellow-green,
weiss, blau, orange, rot usw.) und erlauben eine hohe Variabilität
(z.B. Mischen von Farben usw.).
Die Helligkeit von LEDs ist kleiner als bei CCFL-Röhren,
weshalb aus konstruktiven und wirtschaftlichen Gründen
eine LED-Hintergrundbeleuchtung nur bis Displaygrössen
von ca. 5.7" eingesetzt wird.
EL-Folie
Die EL-Folie besteht aus einem Phosphor-Layer, der Licht emittiert,
wenn eine Wechsel- spannung angelegt wird. Die Folie ist sehr
dünn, was konstruktive Vorteile beim Design eines LCD-Modules
bringt. Die notwendige Wechselspannung wird mit einem Inverter
erzeugt, was wiederum EMV-Probleme verursachen kann.
Es sind verschiedene Farben erhältlich (blau, türkis,
grün, gelb, rot, weiss usw.).
Luminova-Folie
Die Luminova-Folie besteht aus einem fluoreszierenden Layer, der
in der Dunkelheit nachleuchtet (bis zu zwei Stunden). Die Luminova-Folie
benötigt also keine Stromversorgung.
Lebensdauer von Hintergrundbeleuchtungen
Die Lebensdauer eines LCD wird definiert durch die Lebensdauer der Hintergrundbeleuchtung.
Die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung nimmt mit der Betriebsdauer
ab. Das Ende der Lebensdauer ist mit 50% der ursprünglichen
Helligkeit definiert.
Typische Werte für Hintergrundbeleuchtungen:
CCFL: 10'000 bis 50'000 h
LED: weiss & blau: 10'000 bis 20'000 h
yellow-green: 100'000 h
EL-Folie: 3'000 bis 10'000 h
Einsatz von LCD Displays
Generelles
Ein LCD besteht aus einem Verbund von Glas und Polarisator. Die Polarisatoren bestehen aus einer gereckten Kunststofffolie. Folgende Vorsichtsmassnahmen sollten eingehalten werden:
- Die in der Spezifikation angegebenen Temperaturwerte sollten
im Betrieb und während der Lagerung eingehalten werden.
Polarisator-Degenerierung, Blasenbildung oder Polarisator-Ablösungen
können bei zu hohen Temperaturen oder Feuchtigkeit
auftreten.
Bei zu tiefen Temperaturen können so genannte Vakuolen entstehen, ein irreversibler Schaden, bei dem das Liquid Crystal in Mitleidenschaft gezogen wird.
Besonders sollte darauf geachtet werden, dass kein Kondenswasser am LCD entsteht. Wenn die Lagerung in einer warmen Umgebung bei über 40°C erfolgt, sollte die relative Luftfeuchtigkeit unter 60% liegen.
Im Betrieb sollte mit konstruktiven Massnahmen (Lüfter, mechanische Massnahmen) dafür gesorgt werden, dass kein Kondenswasser entsteht.
- Der Polarisator darf nicht mit harten Gegenständen (z.B. Glas, Kugelschreiber usw.) berührt, gedrückt oder gerieben werden.
- Das LCD darf nicht mit Mitteln gereinigt werden, welche Aceton, Toluol, Ethanol oder Isopropylalkohol enthalten. Zur Reinigung empfohlen wird N-Hexan.
Wenn das Display Staub auf der Oberfläche aufweist,
kann es mit einem weichen, fuselfreien Tuch (z.B. Brillentuch)
und evtl. Leichtbenzin gereinigt werden.
Öl, Fett, Speichel und Wasser sollten möglichst schnell vom Display entfernt werden.
- Glas ist brüchig! Vermeiden Sie Schläge besonders an den Kanten und Ecken des Displays.
ESD-Massnahmen
LCD-Module sind meistens mit CMOS-ICs bestückt. Deshalb ist im Umgang mit LCD-Modulen die gleiche Vorsicht wie im Umgang mit reinen CMOS-Komponenten geboten:
- Beim Umgang mit LCD-Modulen sollte der Operator geerdet sein.
- Bevor das LCD-Modul der elektrostatischen Verpackung entnommen
wird, sollte sichergestellt sein, dass der Operator und
das LCD-Modul dasselbe elektrische Potential haben.
- Wenn auf dem LCD-Modul gelötet wird, sollte sichergestellt sein, dass die Löteinrichtung geerdet ist.
- Wenn das LCD angeschraubt wird, sollte der Schraubenzieher
geerdet sein (speziell mit bei elektrischen Schraubern).
- Die Arbeitskleidung und der Arbeitsplatz sollten geerdet sein.
- Um die Erzeugung von elektrostatischer Spannung zu vermeiden,
sollte die Luft im Arbeitsraum nicht zu trocken sein (eine
relative Luftfeuchtigkeit von 50 bis 60% wird empfohlen).
Löten an LCD-Modulen
Wird an einem LCD-Modul ein Stecker, Kabel, o.ä. angelötet, sollten folgende Parameter eingehalten werden:
Löttemperatur: max. 260°C
Lötzeit: max. 3 bis 4 Sekunden
Wenn kein Halogen-freies Flussmittel verwendet wird, sollte
dieses nach dem Lötprozess vom LCD-Modul entfernt werden.
Die Oberfläche des Displays sollte mit einer Schutzfolie oder Abdeckung vor Lötspritzern geschützt werden.
Sicherheit
Wenn das Glas des LCD-Displays bricht, können scharfe
Kanten entstehen. Je nach Einsatz sollten Massnahmen getroffen
werden, damit sich der Benutzer im Falle eines Glasbruches nicht
verletzt (z.B. Automobil).
Läuft die Flüssigkristallsubstanz aus dem Display aus, sollten Körperteile welche damit in Berührung kommen mit Seife und Wasser gewaschen werden.
Flüssigkristallsubstanz sollte niemals eingenommen werden.
Obwohl die Toxizität extrem gering ist, sollte im Umgang
mit Flüssigkristallen grösstmögliche Vorsicht
gelten.
Passiv-LCD / Passive Displays
Ein Passiv-Display enthält keine aktiven elektronischen
Komponenten zwischen den beiden Glasplatten selbst (im Gegensatz
zu TFT).
Alle zur Ansteuerung des LCD's notwendigen Komponenten befinden sich als IC ausserhalb der aktiven Fläche.
TN (Twisted Nematic)
Dies ist die einfachste LCD-Technologie. Der Drehwinkel des Flüssigkristalls beträgt 90°
Diese Technologie wird bei kleineren Displays bis zu einer Multiplexrate von ca. 1/32 Duty eingesetzt.
Wird vor allem bei Segment-Displays und im Automotive-Bereich angewendet.
HTN (High Twisted Nematic)
Der Drehwinkel des Flüssigkristalls beträgt 120°. Dies ergibt bessere Sichtwinkel und verbesserten Kontrast gegenüber der TN-Technologie. HTN hat die gleichen Limiten wie TN.
STN (Super Twisted Nematic)
Hier hat die Flüssigkristallsubstanz einen Drehwinkel von 170° bis 270°.
Für Displays mit grösserem Duty (ab 1/16) können
bessere Sichtwinkel und Kontraste realisiert werden.
STN-Displays können in den Hintergrundfarben yellow-green,
grau oder blau hergestellt werden.
FSTN (Film STN)
Eine zusätzliche Kunststoff-Folie (retardation film)
auf der Oberfläche des Displays sorgt dafür, dass
das Display mit weissem Hintergrund und schwarzen Pixeln gesehen
wird (oder umgekehrt). Siehe Positive und Negative Mode).
DSTN (Double STN)
Um die Temperatur-Abhängigkeit der LCD-Zelle zu kompensieren,
wird auf die erste LCD-Zelle eine zweite aufgebracht. Die Drehrichtungen
des Flüssigkristalls in den beiden Zellen ist gegenläufig.
Somit heben sich die Effekte der Temperatur-Abhängigkeit
auf.
Diese Technologie ist aufwändig zu produzieren und dementsprechend
teuer. Sie wird vor allem im Automobilbau angewendet.
CSTN (Color STN)
Zwischen den beiden Glasplatten wird ein zusätzlicher Farbfilter mit den
Farben rot, grün und blau aufgebracht. Ein Pixel eines
CSTN-Modules besteht aus drei Sub-Pixeln mit den Farben rot,
grün und blau.
Durch das unterschiedliche Steuern der Helligkeiten der drei
Sub-Pixel wird für das menschliche Auge der Eindruck eines
einzigen Pixels mit der Mischfarbe der drei Sub-Pixel erweckt.
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Admatec AG
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