elektronische displays dt 1 -...
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Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 1 / 81
Vorlesungsbegleitendes Skript in Deutsch
Elektronische Displays
Karlheinz Blankenbach
1 Einführung Anwendungen, Markt, ...
2 Display Technologien Prinzip, Beispiele, Anwendungen, ...2.1 CRT Prinzip, Komponenten2.2 LCD Passiv - & Aktiv - Matrix, Ansteuerung, ...2.3 Plasma Prinzip2.4 VFD Prinzip, Ansteuerung2.5 (O)LED HL, OLED, LEP2.6 EL Displays & Hinterleuchtung
3 Messungen Kontrast, Farbe, Umgebungslicht, ...
4 Technologievergleich
Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach
FH Pforzheim ET/IT/TI
Tiefenbronner Straße 65
75175 Pforzheim
Tel.
Fax
Web
: 07231 / 28 - 6658
: 07231 / 28 - 6060
: www.displaylabor.de
www.k-blankenbach.de
Bilder, Daten etc. aus Firmenschriften, Internet, Büchern (Matschulat, Knoll, ...),
SID-Journal, Konferenzbände ELECTRONIC DISPLAYS, ...
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1. Einführung
Statement ‘Es gibt heute praktisch kein elektronisches Gerät ohne Display‘
Ziel - Anwendungen elektronischer Displays
- Grundlagen der relevanten Displaytechnologien
- Grundkenntnisse der wichtigsten Meßtechniken
- Aspekte zur Displayauswahl
Schlagwort 'Multimedia'
- Multimedia = Fähigkeit zur Ausgabe mehr als eines Formates
- Bilder
- Video
- Audio
- ...
- typischerweise versteht man hierunter einen PC, zunehmend aber
auch Anwendungen im industriellen und automobilen Bereich
Definition Multimedia Displays
- Auflösung ≥ QVGA (320 * 240)
- ≥ 256 Farben
- Schaltzeit < 100 ms
- Öffnungswinkel > 10°
- Format 4 : 3 ... 16 : 9
- ...
Marktvolumen - ≈ 40 Mrd. $ (2001), davon ca. 40 % Flachdisplays
- Steigerung bis 20 % pro Jahr prognostiziert
- CRT / FPD ≈ 1,5 : 1 (2001), ≈ 1 : 1 (2005)
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1.1 Beispiele 'guter' und 'schlechter' Display - Anwendungen
‘gut’ ‘schlecht’
Parkleitsystem Ulm (LCD) Öffentliches Internet-Terminal Ulm(CRT, 'verschrottet')
Plasma Display im Innenbereich(Spende ABLE DESIGN, München)
Shop in Frankfurt bei normalerBetrachtungsweise
Outdoor Sonnenlicht outdoor Schatten indoor
LCDs : reflektiv monochrom (links), ~ Farbe (Mitte, Spende Compaq) , transmissive (rechts)
→ Sorgfältige Displayauswahl vor allem bei hellem Umgebungslicht !
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1.2 Display - Einteilung
Displays
Direktsicht Projektion
LCD
Passiv Aktiv CRT
DMDDMD und Laser Displays sind keine Direktsicht-Displays Laser
Passiv Aktiv
'Licht schaltend' 'Licht emittierend'
Monochrome LCD
Reflektive Color LCD
Split Flap
Flip Dot
DMD (mit Lampe)
eInk
' Papier '
...
Color LCD
CRT
(O)LED
Plasma
VFD
EL
FED
....
Technologie - Bildgröße
d isp lay s ize(d iagonal)
400.1 1 5 10
projectiondirect v iew
100
C R T
L a se r TV , D M D
L C D
L E D
V F D , E L
/ inch
L C D , L E D , C R T, Sp lit F la p , F lip D o tb u ild w ith m o d u le s-> v id e o w a ll
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1.3 Display - Auswahl
Qualitätsaspekt → Technische Spezifikation
'Gute Ablesbarkeit' - Optik
- Elektronik
- Anwendung
Magic Circle
Optic
Electronic
Electro-Optic
ApplicationPower consumptionVoltageEMI, ...
ContrastSwitching timeGray scale, ...
Viewing angleContrastColorBrightnessReflections, ...
SizePriceWeightTemperatureVibrationDisplayed Data, ...
Weiterhin zu beachten:
- Lieferanten (Second Source, Liefertreue, ...)
- kundenspezifisch oder Serie
- Einsatzort (z.B. bei Großraumbüro mit CRTs muß evt. Klimaanlage größer dimensioniert
werden, somit können LCD - Monitore insgesamt billiger sein)
- Vorstellungen des Kunden (Design, Qualität, ...)
- 'Zukunft' der gewählten Technologie (VFD & FED sind möglicherweise am Aussterben)
- Produktlebensdauer und Weiterentwicklung
- ...
Alle diese Parameter müssen applikationsspezifisch gewichtet werden, der Kompromiß wird
oft über den Preises gefunden, nicht über die Qualität des Displays !
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1.5 Ergonomie
Auflösung des Auges:
α ≈ 1‘ = 1/60 ° = 1‘ Bogenmaß
αrad ≈ 3 . 10-4
→ dh
tan =α≈α
Minimum Reco gnable Ob ject Size
0,001
0,01
0,1
1
10
100
0,1 1 10 100 1000
viewing distance /m
heig
ht /c
m
Sichtwinkel ϕ
typisch 20° - 40°
empfohlen : 30°
h/2
d ( 6 0 - 90 c m)
ϕ 10° - 20°
/2
Büro d ≈ 60 cm Winkel 20° (Minimum) 40° (Maximum)
Bildschirmgröße 14" 28"
große LCDs in Verbindung mit einem kleinen Betrachtungsabstand sollten große
Blickwinkel aufweisen wegen Kontrastverminderung und Farbverschiebungen
Darstellung von Buchstaben
10mm
Segment 8Matrix 5*7 VGA 20*30
Readabilit ybad good
7-Segment
Starburst
14-Segment
A a
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1.5 Empfehlungen und Normen für Elektronische Displays
ANSI / HFS 100-1988 DIN 66234
Umgebungslicht 500 lx
Hintergrund-Leuchtdichte 10 cd/m²
Display-Leuchtdichte > 35 cd/m² 45 cd/m²
Betrachtungsabstand 50 cm
Buchstaben - Höhe 2,3 – 6,5 mm (d = 50 cm)(3,1 bevorzugt)
2,6 mmϕ = 18´
Breite ( ∅ vgl. I, M) 92 % der Höhe
Format (Punktmatrix) > 7 * 9 > 5 * 7
Modulation C M > 0,75 0,71
Kontrast Verhältnis C R 3 : 1 – 15 : 1(6 : 1 bevorzugt)
GleichmäßigkeitLeuchtdichte
> 50 %
CRT Flicker (Bildrate) vgl. 100 Hz Fernseher
Nicht beobachtet von90 % der Betrachter
50 – 60 Hz Negativmode,80 Hz Positivmode
Empfohlene Buchstabenhöhe Diagonale Höhe
21" 4,0 mm
Die Höhe nimmt mit der Diagonalen ab, da der 19" 3,6 mm
typische Betrachtungsabstand größer wird 17" 3,0 mm
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Darstellungs - ModiPositiv Negativ
Darstellung Dunkle Information aufhellem Hintergrund
Helle Information aufdunklem Hintergrund
Alternativ Positivkontrast Negativkontrast
Buchstabenleuchtdichte /cd/m² 10 - 15 80 - 160
Hintergrundleuchtdichte /cd/m² - 170 10 - 15
Optimaler Kontrast 1 : 8 - 1 : 12 8 : 1 - 10 : 1
CRT - Bildfrequenz /Hz 70 - 80 50 - 60
CRT : Negativmode ist wegen geringerer Bildfrequenz bei Computern leichter zu realisieren,
da die Wiederholrate geringer ist; vergleiche 'DOS – Mode' alter Computer mit Bernstein- oder
grüner Farbe (lange Abklingdauer des Phosphors ermöglicht eine flimmerfreie Bildfrequenz <
25 Hz)
Reflexionen scheinen bei Positivdarstellung (hell auf hellem Hintergrund) geringer auszufallen
als bei Negativdarstellung (hell auf dunklem Hintergrund), da die mittlere Leuchtdichte bei
Office-Anwendungen des Displays größer ist !
Displaynormen : CECC 20000 A3, ISO 9241, ISO 13406, IEC 47(CO)16, ...
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2. Displaytechnologien
2.1 Kathodenstrahlröhre (Cathode R ay Tube)
- seit mehr als 100 Jahren
- bis 1990 die einzige Technologie für Fernsehen und hochauflösende Anwendungen
- heutiger Marktanteil: > 60 % der Computermonitore und > 90 % der Fernseher
- einzigartiges Prinzip: ein Strahl wählt jedes Pixel an und steuert dessen Leuchtdichte
Hauptkomponente
n
der CRT
- + - +
.
. .
.
1
2 3
4
56
7
8
9
10
1 Evakuierter Glaskolben
2 Heizelement
3 aufgeheizte Kathode emittiert Elektronen
4 Wehnelt Zylinder (negatives Potential) fokussiert den Elektronenstrahl
5 abgelenkter Elektronenstrahl
6 Ablenksystem
- elektrostatisch für hohe Frequenzen (Oszilloskop) und kleine Ablenkwinkel
- magnetisch für große Ablenkwinkel und niedrigeren Frequenzen
7 Anode
8 Anodenspannung bis 35 kV zur Beschleunigung
9 Phosphor zur Lichterzeugung durch Aufprall schneller Elektronen
10 Wehnelt Spannung (Kathode, ≈ 80 V): je höher die Spannung desto geringer die
Strahlintensität und demzufolge die Leuchtdichte
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2.2.1 Lichterzeugung
- Elektronen treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Innenseite des Phosphors
- die Strahlung muß die Phosphorschicht zum Betrachter hin durchdringen (Dämpfung)
Bandbreite Video - Verstärker
U D
t
~ f~
< f
<< f video
Pixelfrequency - Videobandwidth
video
video
f pixel
f pixel
f pixel
Displayed Signal
eine geringe Bandbreite des Videoverstärkers 'verwäscht' die Konturen
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2.1.3 Magnetische Ablenkung
Bewegte Elektronen werden in Magnetfeldern
auf Kreisbahnen (Lorentz - Kraft) abgelenkt; das
tritt auch in Halbleitern auf (Hall - Effekt).
Abgeflachte und Flachbildröhren : b > a
bei 'gleichem' Ablenkwinkel !
sphere flat
a
b > a
R
α
β = α
Bemerkungen -
-
-
typische Ablenkwinkel : 90°, 110° ('short neck'), definiert als
'Öffnungswinkel' links oben - rechts unten
110° ermöglichen eine geringere Bautiefe als 90° Ablenkwinkel
kleinere Anodenspannung vergrößert Bild (Leuchtdichte geringerer)
- Flachbildröhren benötigen Korrekturmaßnahmen um Konvergenz,
Farbreinheit und Schärfe zu gewährleisten
Bildaufbau Magnetische Ablenkeinheit
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2.1.4 Bildqualität
Phosphorschicht, Ablenkung, nicht kugelförmiger Schirm etc. bedingen eine Beeinträchtigung
der Bildqualität. Mit speziellen Schaltungen und Spulen kann Abhilfe geschaffen werden - zu
Lasten des Preises.
Geometrische Fehler verursacht durch magnetische Ablenkung
Linearität
bmin bmax
amax
aminLinearitätsabweichung sollte < 10 % sein
%100b
bbd:horizontal
%100a
aad:vertikal
max
minmaxh
max
minmaxv
⋅−
=
⋅−
=
Beispiel : 21" CRT für CAD Anwendungen
Gitterbreite Soll 20 mm, gemessen 19 mm (Minimum) und 21 mm (Maximum)
%5.9%10021
1921%100
aaa
dmax
minmaxX =⋅−=⋅
−=
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2.1.5 Beispiele von Bildfehlern
Moiré - Effekt
'Abtasteffekt' zwischen Bildraster und Pixel-
Pitch. Tritt auf, wenn beide etwa gleich groß
sind.
Beispiel: fein karierte Kleidung im Fernsehen
Konvergenz
Der Elektronenstrahl einer Farbe
trifft auf benachbarte Pixel, was
zu Farbveränderungen führt; tritt
meist in den Ecken auf (s. u.).
Konvergenz - Korrektur
- durch spezielle Spulen und Schaltungen
- vor allem bei Flachbildröhren notwendig
ohne Korrektur mit dynamischem Fokus
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2.1.6 Elektronik
- Umwandlung der Video- und Synchron-Eingangssignale für den Bildaufbau
- spezielle Stromversorgung für Hochspannung (Anode) und hohe Ströme (Ablenkung)
- Videosignal - Aufbereitung ohne Beeinflussung durch Stromversorgung erforderlich
- ...
Leuchtdichte- (Helligkeit) und Kontrasteinstellung durch die Kathodenspannung
Leuchtdichte Kontrast
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2.1.7 Entwicklungstrends
Verkürzung derBautiefe
- + - +
.
. .
.
1
2 3
4
56
7
8
9
10
Anzahl der e--Strahlen proFarbe
1 2 ~ 109
Name 'Dromedar' mit 1 Höcker 'Kamel'≈ 2 * Preis
Field EmissionDisplay (Flat CRT)
2.1.8 Zusammenfassung
Pros Cons
Preis große Bautiefe
Signalkompatibilität hoher Leistungsaufnahme
Verschiedene Auflösungen Röntgenstrahlen
Bilddiagonalen 1" - 40" schwer *
Monochrom erhältlich EMV
Multimedia - fähig Geometriefehler
robust Flicker bei niedriger Bildfrequenz
zahlreiche Anwendungen Phosphor - Degradation
(*) : Gewicht : 15" LCD-Monitor ≈ 5 kg , 17" CRT-Monitor ≈ 20 kg, 28" Fernseher ≈ 50 kg
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2.2 LCD-Technologie
- LCD : Liquid Crystal Display - Flüssigkristall - Anzeige
- flüssigkristallin : Materiezustand zwischen fester und flüssiger Phase mit dem
Orientierungsvermögen eines Kristalls und der Beweglichkeit einer Flüssigkeit
- LCD ist prinzipiell eine passive Technologie mit niedrigster Leistungsaufnahme
Beispiele : Armbanduhren, LCD - Thermometer, ...
- wegen der starken Absorption der Farbfilter müssen transmissive Farb - LCDs
als quasi - aktiv angesehen werden (Emission von Licht)
- LCDs sind flach und leicht
- LCDs sind die universellste Displaytechnologie
- Direktsicht - Diagonale 0.5" ... 40 " und Projektiondisplays
- robust und hohe Verfügbarkeit (automotive, Flugzeuge und Militär)
- kann preislich noch nicht mit CRTs bei Fernsehern und PC-Monitoren konkurrieren
25 Jahre LCD - Anwendungen
1975 1980 1985 1995
Watch, pocket calulator, ...
1990
bw
Technological Steps
Segment 8
Dot Matrix, Alphanumeric
Dot Matrix, graphic, passive
Active matrix
Remote controller, control panels, ...
Laptop, mobile phone, ...
Laptop, video, ...
c o l o r
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Flüssigkristall - Technologien
C:\kb_files\VORLESUN\DISPLAYS\lcd_allgemein\lcd_technologien_cast_s_182.abc
Montag, 15. März 1999
20:23
Nematic
Direct MultiplexActive Matrix
2 Terminal Devices
Liquid Crystal Displays
Bi-stable
Standard TN
Supertwisted
ECB
OMI
STN DSTN FSTN
Silicon
Amorphous Si
poly Si
Deposited Recristallized
Bulk (MOS)
Non-Silicon
CdSe Ge Te
Plasma Adressed
Diode
2D Pin Ring
Back-to-back
Threshold enhanced
MIM SiNx
Varistor
Smectic A
thermal, electric
Smectic C
Ferroelectric Guest Host
LC-classDriving
Twisted Nematic
Guest Host
Modulated TN
Polymer Dispersed
Dynamic Scattering
- nicht alle Effekte bisher kommerziell genutzt :
- bistabile LCDs für Chipkarten
- Plasma Adressed LC für Fernseher
- manche Technologien haben Nischen erobert :
- Electronically Controlled Birefingence als Farbdisplay bei Gameboys
- Smectic A bei 'Badewannen - Thermometern'
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2.2.1 Grundlagen der LCDs
optisches Prinzip: 'Schalten' von Licht Elektro-optische Kurve
U
light
polarizerglass 1 mmITO 50 nm
alignment layer LC 10 µm
spaceranalyzer
Transmission
Driving voltage
10 %
90 %
UonUoff
Slope and shape:
- Viewing angle
- Twist
- Pretilt- T
- LC - type- ...
eo curve
Positivmode
Übersicht : LC - Effekte für Displays
Ansteuerung Effekt Anwendung
Temperatur - Farbwechsel
- Thermometer
- thermische Ansteuerung
z.B. mit Laser
Elektrisches- & Magnetfeld - Transmissionsänderung - LCD
Elektro - optische Effekte von Flüssigkristallen
Typ Anwendung
Dynamische
Streuung
+ : milchig ↔ transparent
DS - Displays + : großer Blickwinkel
- : kleiner Kontrast
Lichtabsorption - Doppelbrechung TN, STN, ferroelektrisch (FLCD)
- Guest Host LC + absorbierendes Material
(hoher Kontrast + großer Blickwinkel)
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Funktionsweise TN - LCD : 90° - Drehzelle
- Flüssigkristalle richten sich an der Orientierungsschicht aus
- Oberseite ⊥ Unterseite → 90 °Verdrillwinkel der LC - Helix
Positivmode
E
U = 0 V U > UThreshold
10 µm
glassITO
Driving Voltage
10 %
90 %
UThreshold
rel. Transmission
90°
Positive Type : Polarizer || Orientation
Pixel view
Uon
alignment layer
alignment direction
polariser
orientation of polarizer
light
Positiv - Darstellung Negativ - Darstellung
- Taschenrechner, Uhren
- monochrome Grafik - LCDs
- alle Farbdisplays
selten verwendet, meist aus Designgründen
oder bei monochromen transflektiven Displays
zur Verbesserung der Ablesbarkeit bei
Dunkelheit (leuchtende Buchstaben)
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Funktionsweise STN - LCD : Doppelbrechung
- Verdrillwinkel (Twist) : 180° - 270°
- Farbeffekte durch anisotropen Brechungseffekt
- Kontrastwirkung aus Leuchtdichte und Farbwirkung
180° twist
index ellipsoid
Typ STN F STN D STN (*)
Struktur
polariser
STN cell
retardation film
active STN cell
passive STN cell
Transmission
T
λ
on
off
T
λ
on
off
T
λ
on
off
Farbe gewählt Blau Schwarz Schwarz
" nicht gewählt Gelb - grün Weiß Weiß
Preis geringster mittel höchster
* : DSTN : Doppel-STN; bei Ansteuerung versteht man hierunter Dual Scan STN (s.u.)
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2.2.2 LCD Betrachtungsmodi
Name Prinzip Anwendung
Reflektiv
ligh t s ource
re fle c ted ligh t
re fle c to r
L C D
- nutzt Umgebungslicht
- niedrige Leistungsaufnahme
- Uhr
- Taschen-
rechner
Transflektiv
l igh t sourc e
re flec ted ligh t
transf lec to r
L C Dligh t sou rce
(backligh t)
trans m itted ligh t
- Transflektor reflektiert das
Umgebungslicht zu ≈ 70 %
- Backlight-Anteil ≈ 30 %
- Backlight im Hellen aus
- s/w LCD
- Außenan-
wendung mit
Ablesefähig-
keit im
Dunkeln
Transmissiv
light source
(backlight)
transmitted lightLCD
- Höchste Leistungsaufnahme
(ca. 50 % bei Laptops)
- Anwendung bei Farb-LCDs
wegen geringer Transmission
der Farbfilter
→ quasi-aktives Display
- Farb - LCD
- im Dunkeln
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2.2.3 Ansteuermethoden
Bezeichnun g Statisch Multiplex
Methode aktiv Passiv aktiv
LC - Typen TN STN TN
Prinzip
LimitierungR ITO
C pixel
U pixel
- RC - Tiefpass - großer Pixelabstand wegen Zuleitungen
RLC C UddotEntladung von C via RLC
während eines 'Bildes',z.B. SXGA : 1024 Zeilen
Spannungs-Charakteristik
t
U
Limitation
ideal
f ≈ 50 Hz
Upixel < Umax
→ Kontrastreduktion
t
U
Udrive
Upixel ideal
Upixel Limitation
1 frame
1 row
Upixel ≠ const. bei Passivmatrix
→ Kontrastreduktion
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2.2.4 Statische Ansteuerung
on offoff
U
0
0
plate, electrode
front (pixel)
back, common
pixel 0U
f = 30 - 70 Hz
U
U
-Us
s
s
s
Abhängigkeit des Kontrastes von der Ansteuerspannung
transmission
driving voltage
10 %
90 %
Uon
Uoff
Static
Us = Uselect > Uon
Unonselect = 0
8 Uoff
1.5 Uoff
2 0 ° 4 0 °θ
Φ
90 ° / 12 °°
180 ° / 9 °°
0 ° / 3 °°
270° / 6 °°U =s
geringere Us = kleinerer 'Blickkegel'
siehe Passivmatrix - Multiplexansteuerung
→ Kontrast AM > PM
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Beispiel für Sieben - Segment - Anzeige
'A' : Datensignal ('0' oder '1') , 'B' : Backplane - Signal ('clock')
Pixelspannung : VPixel = B - C
→ einfache Ansteuerung mit XOR, da die Spannungsinversion
(kein DC !) automatisch passiert; es ist nur das Pixel zu 'setzen' !
Multiplex - Ansteuerung mit mehreren Backplanes (Common)
- 7 Leitungen per Digit
bei 4 Digits 28 Segmente
1 Common
29 Leitungen
-----------------------------------------
- pro Digit 3 Segm. + 3 Com.
- 4 Digits : 4 * 3 Seg. + 3 Com.
= 15 Leitungen ≈ Hälfte !
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2.2.5 Matrix - Ansteuerung
CRT Auswahl und Daten für jedes Pixel mit nur einem beweglichen
Elektronenstrahl → gewisse Bautiefe des Displays ist notwendig
Flat Panel
Display
flache Bauweise mit Einzelpixel
→ Matrix - Ansteuerung
Prinzip der
Matrix -
Ansteuerung
Eine Seite des Displays wird in Zeilen unterteilt (Scan), die andere in
Spalten (Daten). Die Kreuzungspunkte bilden die Pixel. Die
Matrixansteuerung erfordert eine nichtlineare elektro-optische Kennlinie
Überblick
Ansteuerung Passiv Aktiv
Eigenschaft Jedes Pixel wird von der zuge-
hörigen Zeile und Spalte
angesteuert
Jedes Pixel besitzt zusätzlich ein
nichtlineares Schaltelement, z.B.
einen Transistor
Pros billig Hoher Kontrast
Cons geringer Kontrast Teuer
Beispiel PM LCD und -OLED
Plasma, VfDs
AM LCD (TFT)
AM OLED
2.2.5.1 Passiv - Matrix LCD Ansteuerung (PM LCD)
von oben (vereinfacht) Seitenansicht
ITO
ITO
driving-voltage
0 - U
+ U
0
0
|2U|
pixel voltage
row 'scan'
column 'data'
1 Pixel
|U|
|U|
glass
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Ansteuersignale für eine 2*2 Passiv - Matrix
Zeilen- (scan) und Spaltensignale (data) wirken auf die Pixel
0
a0
T
Scan
Data
1 2 1 2UD
US
b0
US
0
UD
a
inverted(no DC)
t
one lineadressing
Effektivspannung für Pixel 'a' und 'b'
off !
SXGA: 1 ... 1024
1 2 1 2a
Scan
Data
∆U
1 2 1 2b
-
=on !2U
U
Jede Zeile wird sequentiell angesteuert wobei die zugehörigen 'Daten' an allen Zeilen anliegen
→ alle Pixel des Displays 'sehen' die angelegte Spannung 'ihrer' Spalte
→ starke nichtlineare elektro-optische Kennlinie erforderlich !
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Passiv - Matrix - Ansteuerung : Berechnung der Spannung U select
Mit der Alt & Pleshko Formel werden die Ansteuerspannungen berechnet :
1N
1NU
UR
nonselect
select
−+==
mit N : Anzahl der Zeilen = Multiplexrate
1LN
LC
off
onR +=
Kontrastverminderung im Vergleich zur
Statischen Ansteuerung für kleine N
Multiplex 1 : 3
N = 3 → R = 2 → Uselect = 2 Unonselect
CR direct = 10 → CR PM ≈ 4
z. B. 7-Segment mit 3 Backplanes
Multiplex 1 : 64
N = 64 → R = 1,134 ⇒ Uselect = 1,134 Unonselect
Einstellung von Unonselect nach eo- Kennlinie (s. u.)
z. B. Kleingrafik mit 128 * 64 pixel
Anzahl der Ansteuerspannungen (BIAS)
Def: BIAS N= + 1 N BIAS Anzahl der Spannungen
2 2 - 3 2
16 5 5
64 9 6
Stromversorgung bei Passiv-Matrix - Modulen
VR : Potentiometer für Ucontrast
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 28 / 81
Einstellung von U nonselect für hohe Multiplex - Raten
transmission
driving voltage
10 %
90 %
Unonselect
Uselect(static)
1 : 64
twist 270°
1.134 Unonselect
shiftedby Ucontrast
Uselect(mux)
- Mux 1 : 2 : quasistatisch, hoher Kontrast (T10 - T90) : CR = 9 : 1
- Mux 1 : 64 : praktisch kein Kontrast (T90 - T85) : CR ≈ 1 : 1
Optimierung bei Multiplex - Ansteuerung
- LC mit steiler Kennlinie wählen (STN)
- verschiebe Unonselect und Uselect (= R Unonselect ) mittels der
sogenannten Kontrastspannung in den Bereich der höchsten
Steigung der elektro-optischen Kurve ( )
→ (T70 - T30) CR ≈ 2,3 : 1
→ - besserer aber immer noch kleiner Kontrast
- 'Ghosting' der nicht ausgewählten Pixel (rechts)
- geringe Graustufenfähigkeit
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 29 / 81
Abhängigkeit von Kontrast und Multiplexrate
TN STN
2 0 ° 4 0 °θ
φ
90 ° / 12 °°
180 ° / 9 °°
0 ° / 3 °°
2 70 ° / 6 °°
stat ic
1 : 4
1 : 16
2 0 ° 4 0 °θ
φ
90° / 12 °°
180° / 9 °°
0 ° / 3 °°
270° / 6 °°
1 : 64
1 : 24 0
Elektrische Eigenschaften der Flüssigkristalle
- Ansteuerspannung muß mit der Multiplexrate gesteigert werden
- Schaltzeiten erhöhen sich mit der Multiplexrate
- Schaltzeiten verringern sich bei höheren Temperaturen
- der maximal erreichbare Kontrast verringert sich bei steigender Multiplexrate
- der vertikale Blickwinkel verringert sich mit der Multiplexrate
- STN (270°) ermöglicht eine 10-20* höhere Multiplexrate im Vergleich zu TN (90°)
bei gleichbleibendem Blickkegel
Twist Multiplex Bias Betriebs-
spannung /V
Blickwinkel /°
vertikal horizontal
Schaltzeit
@ 25°C /ms
Kontrast-
Verhältnis
1/4 3 2,5 - 5 5 - 45 ± 45 80 - 150 10 - 15
1/8 4 3 - 4,5 0 - 40 ± 40 100 - 200 8 - 12TN
1/16 5 3 - 5 10 - 40 ± 30 150 - 250 7 - 10
1/16 5 4 - 5 -20 - 45 ± 50 200 - 300 6 - 15
1/64 3 9 - 15 0 - 45 ± 45 200 - 300 4 - 12
1/128 13 15 - 20 5 - 45 ± 45 250 - 350 4 - 10STN
1/240 17 20 - 25 5 - 40 ± 45 250 - 350 4 - 10
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 30 / 81
Optimierung bei Passiv - Matrix - Ansteuerung
Reduzierung der Multiplexrate für höheren Kontrast
Single Scan Dual Scan
LC D
d riv er
scan
LC D
d riv er 1
scan
d riv e r 2
1
2
Dual scan halbiert die Multiplexrate → höheres Kontrastverhältnis, aber höhere Kosten
durch Aufbringen des 2. Spaltentreibers (Anzahl der Spalten und Spalten bleibt konstant) und
aufwändigere Signale
Multi L ine A ddressing
- auch Active Adressing oder High Power Adressing genannt
- 2 oder mehr Zeilen werden gleichzeitig angesteuert → Pulsbreite ↑ , Ueff ↑ → CR ↑
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 31 / 81
2.2.5.2 Aktiv - Matrix - Ansteuerung
- jedes Pixel wird mittels einem nichtlinearen Schaltelement adressiert:
- 3 Terminal Devices : Thin Film Transistor; Farb - VGA: (640*480*3): ≈ 106 TFTs
- 2 Terminal Devices : - Thin Film Diode (TFD, EPSON)
- Metall Insulator Metall (MIM, LFB Stuttgart, 4 Maskenprozeß)
- Aktiv - Matrix erlaubt 'Rückkehr' zur TN 90° Technologie
- Zeilensignal steuert TFT - Gate, die Datenspannung wird dann nur in dieser Zeile
auf den Speicherkondensator geleitet
→ höhere und unabhängige Daten - Spannungen möglich als bei Passiv - Matrix
→ Kontrast ↑, Graustufen ↑, maximale Pixelzahl ↑
Schaltplan
MOSFET
Stora geLC
Frontplane
capacitor
Scan
Data
- Scan und Datensignal auf einer Seite
- 1 TFT pro Pixel (AM OLED : 2)
- Speicherkondensator hält die Pixel-
spannung während einer Ansteuerperiode
Typische Pixelform
- 1 Pixel = 3 Subpixel RGB
- Apertur ≈ 60%
- SXGA : 1280 * 1024 * 3 ≈ 4 *106 TFTs
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 32 / 81
Ansteuersignale für eine 2*2 Aktiv - Matrix
Das Zeilensignal am Gate des
MOSFETs schaltet die
Spaltenspannung (Daten) auf das
Pixel und den Speicherkondensator.
Dieser hält die Pixelspannung
(geringe Selbstentladung) bis zur
nächsten Ansteuerung der Zeile
konstant. Die Frontplane bildet den
2. Teil des Pixels und wird zwecks
Vermeidung von Gleichspannungs-
effekten getoggelt.
0
0
T
Scan / Gate
Data / Drain
Frontplane
0
U
1
1
2
2
1
1
2
2
fp
UD
UG
b0
UG
0
UD
t
a
on ! off !
SXGA: 1 ... 1024
Passive Matrixreduced contrast
1 2 1 2
t
a
FP
Scan
Data
∆U
Active Matrixdue to cap
1 2 1 2
t
b
-
=
An eingeschalteten Pixeln liegt die Maximalspannung an, alle ausgeschalteten Pixel haben
keine Spannung → TN 90° einsetzbar mit besserem Schalt- und Graustufenverhalten
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 33 / 81
2.2.5.3 Vergleich von Passiv- und Aktiv-Matrix - Ansteuerung
Die geringe Spannungsdifferenz von
Uselect - Unonselect bei Passiv - Matrix
bewirkt :
- geringen Kontrast
- wenig Graustufen
- Ghosting von Pixel
- Übersprechen der Signale
- komplexe Ansteuersignale
- Signalverzerrungen
- geringe Muxrate erlaubt nur eine
geringere Auflösung
- lange Schaltzeiten
(eingeschränkt videotauglich)
- temperaturempfindlich : Farbe,
Kontrast, Graustufen, Spannung, ...
0
0
0
Contrast
U pixel
Udrive
passive matrix
active matrix
Ceff
(AM)
Ceff
(PM)
AM
PM
Storage capacitor !
Conductivity of LC
Tframe
1/1000 of frame period for SXGA
Zusammenfassung für Matrixansteuerung (auch für andere Technologien)
- nichtlineare Eigenschaften sind für die Multiplexansteuerung erforderlich
- Passiv-Matrix ist bei LCDs, EL und (O)LEDs nur für kleine Pixelzahlen geeignet
- deutliche Verbesserung aller Eigenschaften bei Aktiv-Matrix
- Passiv-Matrix ist bei Plasmadisplays aufgrund der starken Nichtlinearität und der
schnellen Schaltzeiten ausreichend
Vergleich Matrix Passiv Aktiv
typisches Kontrastverhältnis 20 : 1 200 : 1 Blickwinkel (CR > 5:1) horizontal 60° 130° vertikal 50° 80° Graustufen - + typische maximale Auflösung XGA UXGA Farbwiedergabe - + relativer Preis 1 2
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 34 / 81
2.2.6 AMLCD - Modul
Nur 5 - 10 % des vom Backlight erzeugten Lichtes gelangen zum Betrachter, was
hauptsächlich vom Farbfiltern und den Polarisatoren verursacht wird
→ (quasi) aktiver Displaytyp
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 35 / 81
Unterschied zwischen amorphem und polykristallinem Silizium für TFTs
amorphes Silizium wird bei 'normaler' TFT - Herstellung (CVD, Sputtern) 'erzeugt'
a-Si Poly-Si
geringe Elektronenbeweglichkeit Höhere Elektronenbeweglichkeit
erlaubt auf dem Glas integrierte Treiber
Glas kompatibler Niedertemperatur - Prozeß Hochtemperatur - Prozeß, erfordert
spezielles Glas oder Quarz
Großflächiger Prozeß (bis zu 30") Prozeß limitiert auf kleine Flächen
(bis zu 7")
Erfordert externe Treiber Erlaubt integrierte Treiber
Geeignet für mittlere bis große AMLCD-Panel Geeignet für kleine hochauflösende
AMCLD, z.B. 2" XGA für Projektoren
Alternativen: - laserbehandeltes a-Si (Spectra Physics)
- c-Si auf einem transparenten Substrat
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 36 / 81
2.2.7 Ansteuerung von LCD - Modulen
Sieben - Segment direkt mit µC oder speziellem Controller
Alphanumerisch spezieller LCD Controller oder µC mit LCD - Ausgang
Kleingrafik spezieller LCD Controller
Hochauflösend Analoger Videoeingang oder Digitaltreiber
- RS 232- und Analog-Ansteuerung (geeignet bis QVGA) bei kleine Stückzahlen geeignet
- Ziel : Minimierung der Anschlußpins zur Elektronik
2.2.7.1 Sieben - Segment - Kleingrafik
Prinzip Bemerkung
IO-Pin von µC µC IO
- kein Multiplex
- Anzahl der µC-IO's
limitiert Digits
Multimeter-IC
7106Analog In
Spezieller IC mit
AD-Wandler
Character-
LCD µC HD 44780
ColumnDriver
- spezielle LCD-Controller
- teilweise in µC integriert
Grafik-
Controller µC HD 61830
ColumnDriver
CommonDriver
RAM
Mit Grafikbefehlen und
eingebautem Character-
Generator
Bit-Grafik
µC
ColumnDriver
CommonDriver
RAM
Der ganze Bildinhalt muß
im µC-RAM erstellt
werden und mit hoher
Datenrate zu den Treibern
übertragen werden
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 37 / 81
Character-LCD - Module
Empfehlung : Typen mit eingebautem Character - Generator und Display RAM einsetzen
Versorgung /V Mux RAM /bit Segment Common
HD 44780 4,5 - 6.5 1 : 16 640 100 32
SED 1520 (*) 2,7 - 7,0 1 : 32 2560 122 16
(*) : auch für kleine Grafikanwendungen
Beispiel : LCD Charakter - Modul mit HD 44780
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 38 / 81
Beispiel Befehl RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
8 Bit Interface 0 0 0 0 1 1 0 0 0 03 * 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0
0 0 0 0 1 1 0 0 0 02 Zeilen, 5*7 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0Display an 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0Display CLS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
Initialisierung
Eingabemode 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0Buchstabe ins
LCD RAM
'A' 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1
2 Zeilen LCD mit HD 44780 Pin- and Controller kompatibles VFD
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 39 / 81
2.2.7.2 Ansteuerung von Grafik-LCD - Modulen
Type Beispiel Pros Cons Typ. IC
Eingebauter
Controller
240 * 64 - einfach - wenig Fonts
- langsamer Bild-
aufbau
- HD 61830
- SED 1330
- T 6963
Modul mit
RAM
240 * 64 - geringe Leistungs-
aufnahme
- alles muß program-
miert werden
- Ansteuern mit
externem LCD-
Controller
- ca. 200 kB RAM für
4 Bit Graustufen
→ 16 Bit µC
Nur mit
Zeilen- und
Spalten-
treibern
320 * 240
(QVGA)
- Ansteuern direkt
vom µC
- Datenrate ~ MHz
- kein Font
- keine Grafik
- oft nur s/w
Color
Graphic
LCD's
VGA - Controller
verfügbar
- Preis
- PC - optimiert
- CL GD 62xx
- YG 610A
RS 232 Grafik - einfache Befehle - Preis
Analog-
eingang
QVGA -
UXGA
- kompatibel mit
analog PC-Karten
- Preis
- Bildqualität
PW 384
CL : CIRRUS LOGIC , T : TOSHIBA , YG : YAMAHA , PW : Pixelworks
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 40 / 81
Ansteuerung über RS232 - Interface
Beispiel : LCD 128 * 64 von ELECTRONIC-ASSEMBLY (www.lcd-module.de)
Obiger Befehl zeichnet ein 128 * 64 großer Rechteck mit Ursprung rechts oben.
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 41 / 81
2.2.7.3 Ansteuern von hochauflösenden LCD - Panels
Arten : - digitale Ansteuerung mit hohen Datenraten und speziellen Controllern
- Analogeingang mit AD-Wandler im LCD-Modul
Beide Arten sind sehr komplex, deshalb sind kommerzielle Lösungen zu bevorzugen,
besonders bei kleinen Stückzahlen (make or buy)
Panel mit Analogeingang
Spalten-treiber 1
240
Spalten-treiber 2
240
Spalten-treiber 3
240
Spalten-treiber 4
240
Gate-Treiber 1
120
Gate-Treiber 2
120
Clock-signale
R -V ideo-A /DR-Video-A/D
G-Video-A/DG-Video-A/D
B-Video-A/DB-Video-A/D
Frontplane-Signal
Spannungsversorgung fürLogik, Analogteil und Beleuchtung,
Referenzspannungserzeugung
S p a n n u n g s v e r s o r g u n g f ü r
L o g i k , A n a l o g t e i l u n d B e l e u c h t u n g ,
Referenzspannungserzeugung
Zeile
Spaltentreiberbank
Inverter und Dimmer für CFL
Inverter und Dimmer für CFL
Vss-Modulation
Buffer Buffer
Buffer Buffer
9 Analo g-Spannun gen fürColumn Treiber D/A
3 x 6 bitDaten
Clock,Latch,Invert
ControllerIC
ControllerIC
Sync-separator
Sync-separator
HsyncVsync
PLLNTSC/PAL
PLLNTSC/PAL
Synchronisation
Csync
R
G
B
Steuersi gnale
U1..U18
Regelun g:LC-Spannungen,Schwarzpegel,
Hellpegel, KontrastGraustufenentzerrung
Regelun g:LC-Spannungen,Schwarzpegel,
Hellpegel, KontrastGraustufenentzerrung
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 42 / 81
Panel mit Digitaleingang
•
QVGAController
IC
QVGAController
IC
IC 1
Versor gungs-spannun gen
DC/DC-Wandler
Versor gungs-spannun gen
DC/DC-Wandler
IC 3
D/AD/A Buffer/Speicher
Buffer/Speicher
Funktionsdaten-Register (EE)PROM
Referenzspannungen für Graustufenentzerrung
Funktionsdaten-Register (EE)PROM
Referenzspannungen für Graustufenentzerrung
IC 2
Referenz-
spannun gen
parallele,digitale Schnittstelle
6 bit Rot
6 bit Grün
6 bit Blau
Hsync
Vsync
Clock
Wandler (extern) für Hinterleuchtung
5" QVGA320 x 240 (234)
Pixel Pitch: 320 µm
Datenrate
Datenrate = Auflösung * RGB Farben * Farbtiefe * Bildwiederholrate
Beispiel : XGA : 1024 * 768 * 3 * 8 Bit * 60 Hz = 1,1 GBit/s
Norm Auflösung Pixel Clock / MHz
(Auflösung * Bildrate 60 Hz)
Datenrate / GBit/s
(8 Bit Farben)
VGA 640 * 480 18,5 0,45SVGA 800 * 600 28,8 0,7XGA 1024 * 768 47 1,1SXGA 1280 * 1024 78 1,9SXGAW 1600 * 1024 98 2,4UXGA 1600 * 1200 115 2,8HDTV 1920 * 1080 124 3,0UXGAW 1800 * 1200 130 3,1QXGA 2048 * 1596 196 4,7
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 43 / 81
Ansteuerung von PC - kompatiblen Flachdisplays
Analog Digital
Prinzip
Pros - kompatible mit Standard - Grafikkarten - unbeeinflußt gute Bildqualität
- geringere Kosten falls Standard
Cons - Verlust an Bildqualität (DAC-ADC)
- höhere Kosten
- noch nicht Standard
- BIOS - Anpassung einzelner Typen
Vergleich industrieller digitaler Übertragungs - Standards
LVDS / TMDS PECL RS422/485 TTL
Datenrate /Mbps > 400 > 400 < 50 < 100Leistungsaufnahme gering mittel hoch hochEMV - Empfindlichkeit gering mittel mittel hochEMI - Emission gering mittel mittel hochSpannungshub /V 0,3 0,8 3,5 3,7Abschlußwiderstand 1* 100Ω 1* 100Ω +
2* 220Ω422 : 1* 100Ω485 : 2* 50Ω
Unter-schiedlich
Kabellänge /m < 15 < 1 < 1200 < 1Relativer Preis mittel hoch mittel gering
Standardkabel mit 20 - 50 Leitungen erlaubt nur Kabellängen bis 50 cm !
Ziel von LVDS und TMDS : Reduktion der Leitungszahl und größere Länge
- Verwendung von Twisted Pair
- Multiplexing - De-multiplexing
- 0 und 1 sind als Spannungsdifferenz anstelle vom Pegel (low, high) definiert
- 'kleine' Kabel sind bei Laptops notwendig
- LVDS wrd auch bei Digitalkameras eingesetzt
- Problem : Statische Aufladung der Leitungen falls viele '0' oder '1' hintereinander
übertragen werden → Bitinversion
- beide Übertragungsverfahren sind etabliert
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 44 / 81
2.2.8 Hinterleuchtung von LCDs
Notwendig bei transmissiven und transflektiven LCDs, vor allem bei Farb - LCDs
Anforderungen
- hohe Leuchtdichte - gleichmäßige Leuchtdichte - dimmbar ohne Flackern
- niedrige Leistungsaufnahme - geringer Raumbedarf - niedrige Bauhöhe
- geringes Gewicht - geringe Wärmeentwicklung - freie Farbwahl
- weiter Temperaturbereich - hohe Lebensdauer - niedriger Preis
aber: diese Anforderungen sind (wie überall) nicht gleichzeitig erfüllbar !
HL-LED CCFL EL
Farben R,G,B, orange, gelb Weiß
(Farbe mit Filtern)
R,G,B, orange,
gelb, weiß
Leuchtdichte bei seit-
licher Einkopplung
≈ 50 cd/m² ≈ 150 cd/m² nicht möglich
Leuchtdichte bei Ein-
kopplung von unten
≈ 150 cd/m² ≈ 1200 cd/m² ≈ 50 cd/m²
Betriebsspannung 2 – 5 V pro LED 300 – 1300 V AC 50 – 200 V AC
Wechselspannung DC 30 – 100 kHz 200 – 1000 Hz
Helligkeitsregelung einfach aufwändig eingeschränkt
Leistungsaufnahme mittel - hoch gering gering
Wärmeentwicklung mittel - hoch gering – mittel gering
L pro mA @ 5V ≈ 0,3 cd/m² ≈ 2,5 cd/m² ≈ 1,25 cd/m²
Betriebstemperatur - 40 ... + 85 °C - 30 ... + 85 °C 0 ... + 50 °C
Lagertemperatur - 55 ... + 85 °C - 40 ... + 85 °C - 30 ... + 60 °C
Lebensdauer (L 50%) ≈ 120.000 h ≈ 70.000 h ≈ 10.000 h
Ausfallursachen Unterbrechung
LED-Bond, Lötstellen
Inverterelektronik,
mechanische
Schäden
Inverterelektronik
Bautiefe 1,5 – 7 mm 5 – 20 mm 0,7 – 1,5 mm
Bemerkung evt. auch OLED bzw.
PLED
Dimmung aufwändig Inverterfrequenz
im Hörbereich
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 45 / 81
LED
CCFL
EL
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 46 / 81
2.2.9 Kontaktierung von LCDs
- Kontaktierung ist notwendig für Anschluß des Displaymoduls an die Ansteuerelektronik
- Ziel ist die Reduzierung der Kontaktzahl zur 'Außenwelt'
z.B. Farb-VGA : 3 * 640 + 480 = 2400 Anschlüsse zu den Treibern auf dem Glassubstrat
typische Pixeltriplet-Breite 0,3 mm (RGB) = 0,1 mm pro Farbsubpixel (Dot)
minimal handelsüblich 8" VGA (4:3 Seitenverhältnis) → Breite ca. 160 mm
→ Pitch beträgt dann 160 mm / (640 * 3) = 0,08 mm = 80 µm
Technologien
PIN Zebra Heat Seal COG
Dicke - - O +Länge / Breite - - + -Einsatzgebiete Segment Alphanumerisch,
KleingrafikGrafik Grafik
Wärme / Feuchte O - O +Kosten - - O +Kontakt mit PCB löten Druck kleben / Druck anisotroper
LeitkleberVorteile einfach einfach einfach,
biegsamesAnschlußkabel
kleiner Pitch
Nachteile Baugröße, nurgroßer Pitch
Handmontage aufwändig
Vergleich der Pitch - Abstände
Pitch /µm 50 100 200 400 >1000
Pin
Zebra
Heat Seal
TAB
COG
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 47 / 81
Pin - Connector
Zebra Heat Seal
Chip on glas (COG)
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 48 / 81
2.3 Plasma Displays
- einzig kommerziell verfügbare Flachbildtechnologie mit großer Bilddiagonale
(≥ 42’’, Auflösung ≥ VGA, Bildformat 16:9)
- Lichterzeugung durch Plasmaeffekt (vergleichbar den Neonröhren)
- Farberzeugung durch Phosphore auf der dem Betrachter zugewandten Seite (vgl. CRT)
- Effizienz um etwa 2 Größenordnungen kleiner als bei Leuchtstoffröhren
Prinzip
- Zünden des Plasmas
erzeugt UV-Licht, das
vom Phosphor in sicht-
bares gewandelt wird
- Adressleitungen = Spalte
- horizontale Busleitungen
als Zeilen- und Halte-
elektrode
- Zeilenelektroden sind
einzeln selektierbar
- alle Haltelektroden sind
kammförmig miteinander
verzahnt
- 3 Subpixel (RGB) mit
entsprechenden
Phoshoren
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 49 / 81
Prinzipielles Ansteuersignal
- Ansteuerung: Wechselspannung von etwa 500 V und 50 kHz
- zwischen Zeilen- und Halteleitung liegt ständig eine subkritische Spannung
- Plasmazündung durch Spaltenleitung (Matrixprinzip)
- Wechselspannung Uwall erzeugt Lichtpulse
- Graustufen durch Subframes unterschiedlicher Dauer
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 50 / 81
Blockdiagramm
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 51 / 81
2.4 Vakuumfluoreszenz - Technologie
- flache Elektronenstrahlröhren
- waren in den ersten Taschenrechnern, später von LCDs verdrängt (Stromverbrauch)
- heute in Haushalts- und HiFi-Geräten bzw. US-Autos (Uhren) etabliert
Funktionsweise
- Triodenprinzip der Elektronenröhre
- Kathode (10 µm dicke Heizfäden) verdampft Elektronen
- beschleunigt durch Gitterspannung (ca. 50 V)
- Gitter hat charakteristische Wabenstruktur
- phosphorbeschichtete Anode (ca. 100 V liegt) zur Fluoreszenz - Anregung
- Lichterzeugung auf der dem Betrachter zugewandten Seite
- Leuchtdichte bis zu 30.000 cd/m²
- großer Blickwinkel, hoher Kontrast, große Lebensdauer
- nachteilig ist das schlechte Verhältnis von aktiver Displayfläche zu mechanischer Größe
- eingeschränkte Farbtauglichkeit
Seitenansicht
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 52 / 81
Aufbau
Beispiele
VFD- 7 - Segment + Symbole für
Mikrowellenherd (Spende FUTABA)
VFD 4*20 Zeichen
(LCD - kompatibel)
(Spende NORITAKE)
Farbanzeige SAMSUNG
Grafikdisplays ebenfalls möglich
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 53 / 81
Ansteuerprinzip
oft mit LCD - kompatiblem Interface
Beispiel für 4 Ziffern - Anzeige
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 54 / 81
2.5 (O)LEDs
Technologieunabhängig : kürzeste Schaltzeiten und höchste Leuchtdichte (Multiplex !)
2.5.1 Halbleiter-LEDs
- Halbleiterbauelement, daher Umwelteinflüsse (T, Vibration) weitgehend unkritisch
- Nichtgleichgewichts - Zustand (mehr Ladungsträger im Leitungs- als im Valenzband)
- der typische Wirkungsgrad nimmt mit der Wellenlänge zu :
Farbe blau grün rot IR
ηext 0,0005 0,001 - 0,01 0,01 - 0,2 0,05 - 0,3
Schichtaufbau Abstrahlcharakteristik
Spektrale Emission (OLED ähnlich)
Abstrahlwinkel ist begrenzt durch
Totalreflexion, kann durch diffuse
Strukturen vergrößert werden
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 55 / 81
7-Segment - Anzeigen
Bei großen Ziffern werden pro Segment mehrere LEDs in Reihe geschaltet.
Ansteuerung mit LED - Controller
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 56 / 81
Matrixanzeigen
Die Spanne reicht von kleinen
Modulen bis hin zu daraus
aufgebauten farbigen Videowänden
mit einer Fläche 1 - 50 m² mit Kosten
von ca. 50.000 DM/m²
Beispiel Außenanzeige ICE2
Hohe Leuchtdichte der Einzel - LED erforderlich
wegen Zeilenscan
VGA : 640 * 480 * 3 = 921.600 LEDs mit Leistungsaufnahme (2V, 20 mA) : 37 kW !!
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 57 / 81
2.5.2 Neue LED-Materialien
Schichtaufbau Effizienz *
/ Lm/W
Leuchtdichte **
/ cd/m² @ 6V
Orga-
nische
LED
(OLED)
ca. 5 V
Kathode: Alu
Elektronentransportierendeund lichterzeugende Schicht
Löchertransportschicht
ITOGlas
~ 10 1.000
Light
Emitting
Polymer
(LEP)
ca. 5 VKathode: Alu
Polymerschicht
ITOGlas
~ 10 5.000
(*) : Tendenz steigend, Vergleich: Glühbirne 20 Lm/W ; Neonröhre 70 Lm/W
aber CRT 1 Lm/W, AMLCD: 2 Lm/W
(**) : Tendenz steigend, OLEDs und LEPs bis 106 cd/m² im Labor
- derzeit Lebensdauer ≈ 5.000 h und Kfz-Temperaturbereich möglich (OLED-Autoradio)
- Herstellung
- OLED im Vakuum bzw. unter Inertgas - Atmosphäre mit Schattenmasken
- LEP mit InkJet - Druckverfahren oder Spincoaten
Pros Cons
- niedrige Betriebsspannung
- multiplexbar (Schaltzeit und Leuchtdichte)
- geringerer Stromverbrauch als HL-LED
- großer Blickwinkel (> LCD und HL-LED)
- Flachdisplay
- selbstleuchtend mit hohem Kontrast
- größtes Potential aller neuen Technologien
- Verfügbarkeit
- geringe Lebensdauer vor allem bei
hohen Leuchtdichten
- wenig Erfahrung
- 'Rennen' zwischen OLEDs und LEPs
noch offen
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 58 / 81
OLED Duty-Cycle - Leuchtdichte
0
200
400
600
800
2 3 4 5 6 7
Spannung /V
Leuc
htdi
chte
/cd/
m² Gleichspannung
1 : 1
1 : 4
1 : 40
- hohe Leuchtdichten für Passiv - Matrix OLEDs erforderlich
- getaktete Leuchtdichte ∼ Tastverhältnis
Matrix - Anzeigen
- Passiv - Matrix
- Aktiv - Matrix
2 polykristalline TFTs pro Subpixel erforderlich !
Bla
FH
Pf
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2.6 Elektro - Lumineszenz - Technologie
- selbstemittierende Festkörperbauelemente → robust
- einfacher Aufbau
- Elektro - Luminenszenz - Schicht aus dotiertem ZnS (Phosphoreigenschaften wie CRT)
- Phosphor - Schichtdicke ca. 1 - 100 µm, d.h. auch transparente Displays möglich
- Anregung leuchtfähiger Zentren durch Elektronen (Feldstärke ~ 105 V/cm)
- Anwendungen : Matrix - Displays, Folien zur LCD- und Schalter - Hinterleuchtung
- Folien kostengünstig durch Siebdruckverfahren herstellbar
- keine Blickwinkelabhängigkeit
Ansteuerparameter
- unterschiedlichen Spannungen für RGB erschweren die Realisierung von Farbanzeigen
- hohe Spannungen → teure Treiberbauelemente
- relativ geringer Wirkungsgrad
Bla
FH
Pf
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Matrixaufbau für (Farb-) Displays
Prinzip wie Passiv - Matrix LCDs
monochromes EL - Display
(Spende PLANAR)
Farbige EL - Matrixanzeigen können durch RGB - Phosphore oder durch 'Farbe aus Weiß'
(weißes EL - Licht wird durch RGB - Filter 'farbig') realisiert werden. RGB - Farben sind nicht
in ausreichendem Maße verfügbar → Entwicklung fast überall gestoppt
EL - Folien
- flexibel
- für Flächenanzeigen (Symbole) oder
zur LCD - Hinterleuchtung
- Kapazität Caktiv 0,3 - 0,6 nF/cm² (@ 150 VAC, 400Hz )
- Kapazität ~ Leuchtfläche
→ Inverterbelastung ~ Leuchtfläche
- praktisch nur Blindstrom
→ keine Erwärmung der EL - Folie
Bla
FH
Pf
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Treiber für EL - Folien
- Kosten, Gewicht, Volumen, Zuverlässigkeit, Wirkungsgrad
- Stromform: Rechteck (Streß des Systems), Puls, harmonisch
- Einstellbare Parameter: Frequenz, Spannung
- geregelter oder gesteuerter Betrieb: Ausgangsspannung oder Leuchtdichte
- Überwachung: Strom (Schutz EL und Inverter), Übertemperatur, Spannung
- dimmbar
- Abgleich der Initialhelligkeit
EL - Treiber - Technologien
Prinzip Merkmale
Rechteck-
Inverter
- 'Rechteck' streßt EL
- einfacher Aufbau
- nicht dimmbar
Selbst-
schwinger
- sinusähnlichen Strom
- Wirkungsgrad durchschnittlich
- kostengünstig
- gute EMV - Eigenschaften
- nicht dimmbar
- Parallelbetrieb zur Leistungssteigerung
und Redundanz
PWM -
Inverter - Frequenz einstellbar
- idealer, harmonischer Stromverlauf
EL-Treiber
mit
Transfor-
mator
- hoher Wirkungsgrad
- galvanische Trennung
- dimmbar
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 62 / 81
3. Messungen
Notwendig für - Evaluierung
- Messung der Applikations - Anforderungen
- Vergleich unterschiedlicher Displays und Technologien
- ...
hier : Schwerpunkt auf optischen Parametern
Weitere Aspekte - Ansteuerung, EMV, Stromversorgung, Temperatureffekte, Vibration, ...
- Schaltzeiten z. B. bei Passiv - Matrix LCDs (STN)
- ...
Grundlegende (elektro-) optische Meßparameter
- Leuchtdichte *
- Kontrast *
- Farbe *
- CRTs : Bildgröße, Linearität, Konvergenz, Spot, ...
- ...
(*) : Parameter für Messungen mit Umgebungslicht
Bedingungen - Einschalten
- Gleichmäßigkeit
- Blickwinkel
- Langzeitstabilität
- Lebensdauer
- Temperatur
- ...
L
t 9 - P un kt - Mess ung
D is p lay x
y
z
Φ
θ
0 ° / 3 °°
90 ° / 12 °°
180 ° / 9 °°
2 70 ° / 6 °°
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 63 / 81
3.1 Leuchtdichte
- [L] = cd/m²
- Leuchtdichte ist der wichtigste Parameter bei optischen Displaymessungen
- Messungen z. B. maximale Leuchtdichte, Gleichmäßigkeit, Graustufen, Blickwinkel, ...
- Meßwert für Kontrastbestimmung (s. u.)
- die maximale Leuchtdichte ist ein Marketingargument für LCD - Monitore, dies ist aber
nicht das entscheidende Äquivalent für die Ablesbarkeit (siehe Umgebungslicht)
- Meßprinzip : lichtempfindlicher Sensor mit Augenempfindlichkeitskurve V(λ)
- Meßgeräte : - einfache Sensoren, oft mit PC - Interface für automatischen Test
- Farbmessgeräte
- Leuchtdichte (Sender) nicht mit Helligkeit (Empfänger) verwechseln !
Applikationsanforderungen typische Leuchtdichte / cd/m²
Luftfahrt, Militär, Präsentation 5000
CAD, CAE, Multimedia, Simulation 300
Vergleich - Sonne am Mittag
- Mond
- Glühbirne
- Xenon - Lampe
108 cd/m²
102 cd/m²
105 cd/m²
108 cd/m²
Bemerkungen - die meisten Firmenangaben beziehen sich auf Dunkelheit
→ Sensor direkt auf Bildschirmoberfläche (Abschirmung)
- Meßfleck ≥ 25 Pixel für Monitore, sonst Einzelpixel - Messung
- maximale Leuchtdichte wird oft in Bildschirmmitte gemessen
- Gleichmäßigkeit ist bei Videobeamern oft unbefriedigend :
heller Spot in der Mitte und starker Abfall zum Rand
Bla
FH
Pf
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3.2 Kontrast
- Verhältnis der Leuchtdichte von weißen und schwarzen Pixeln oder Fläche
- Berechnung über Leuchtdichtemessungen
- unterschiedliche Bezeichnungen : - Pixel / Fläche weiß : on, select, bright
- Pixel / Fläche schwarz : off, non-select, dark
- Umgebungslicht hat starken Einfuß auf den Kontrast (s. u.)
Kontrastverhältnis
off
onR L
LC =
Beispiel: Papier ca. 10 : 1
Bemerkungen : - Angabe üblich als großer Wert : kleiner Wert
- menschlicher Bereich : CR = 3 : 1 - 500 : 1
- CR ≈ 10 : 1 wird für ermüdungsfreien Sehen empfohlen (Papier !)
- große Kontraste 'blenden' (entgegenkommendes Auto bei Nacht) !
- Meßwerte kritisch beurteilen, da relativ großer Meßfehler bei Loff
Messungen
LCD CRT
0
30
60
90
120
150
-40 -20 0 20 40
Angle /°
LCD Contrast Ratio @ 0lx / Horizontal Scan
- Blickwinkel nur mit Kontrastangabe !
- CR bis typ. 300 : 1
- Modulations Transfer Funktion
('0 - 1' - Zyklen pro mm)
- Kontrast durch Video-Bandbreite limitiert
Bla
FH
Pf
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3.3 Farbe
'Das menschliche Sehen kann als Strahlungsdetektor mit Signalverarbeitung und adaptiven
Fähigkeiten beschrieben werden. Demzufolge sind objektive Meßverfahren zur Bestimmung
von Farben notwendig'
Beispiele : -
-
-
Beleuchtung in Lebensmittelgeschäften bei Fleisch und Obst oft rötlich um
einen 'frischen' Eindruck hervorzurufen
Bekleidungsgeschäfte haben Tageslichtfenster zur Anprobe
elektronische Kameras benötigen Weißabgleich für 'natürliche' Farben
Notwendigkeit für Farbmessungen :
- menschliches Sehen ist nur deskriptiv
- Farbeindruck hängt von der Beleuchtung ab
- unterschiedliche Eingangssignale (Spektren) können dasselbe 'Farbsignal' hervorrufen
Color Management - durchgängige Farbtreue vom Display oder Scanner zum Drucker
→ Notwendigkeit für Farbmessungen und Standardbeleuchtung
- Beispiel: Firmenlogo sollte weltweit identisch sein, auch bei
unterschiedlichen Materialien und Umgebungslicht
'Weiße' Spektren verschiedener Displaytechnolgien
CRT LCD LED
Spectrum CRT white
380 420 460 500 540 580 620 660 700wavelength /nm
rel.
Inte
nsity
Spectrum LCD white
380 420 460 500 540 580 620 660 700wavelength /nm
rel.
Inte
nsity
Spectrum LED white
380 420 460 500 540 580 620 660 700wavelength /nm
rel.
Inte
nsity
→ - welches Display zeigt das 'wahre' Weiß ?
- Farbsysteme zur Farbbestimmung und -vergleich sind demzufolge notwendig !
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 66 / 81
3.3.1 CIE 1931 - Farbraum
- CIE : Commission Internationale d'Éclairage, 1931 : Jahr der Standardisierung
- CIE 1931 wird trotz einiger Schwächen heute noch verwendet
- auch als 'Lxy' bezeichnet in logischer Übereinstimmung mit anderen Farbmodellen
- Farbkoordinaten für - Gamut (Farbumfang)
- Color Management
- Blickwinkelabhängigkeit von LCDs
- Farbkodierung (Human Machine Interface)
- Einfluß von Umgebungslicht
Meßverfahren für CIE - Werte
- Messung der spektralen Emission eines beleuchteten oder emissiven Gerätes
- Multiplikation des Spektrums mit Normspektralwertfunktionen x (rot),y (grün),z (blau)
- Ergebnis sind die CIE Tristimulus Werte X, Y, Z, welche dann transformiert werden
- ZYX
Yy;
ZYXX
x++
=++
= (links mit RGB - Dreieck für Bildschirme)
Farbdifferenzen sind bei CIE 1931 koordinatenabhängig (MacAdam Ellipsen, rechts) :
starke Empfindlichkeit bei Blau für kleine Differenzen ∆x und ∆y im Gegensatz zu Grün
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 67 / 81
3.3.2 Neuere Farbnormen
CIE 1976 UCS (Uniform C hromaticity S cale)
- lineare Transformation der Normfarbwerte XYZ
- alternative Bezeichnung Lu'v'
- zur Displaymessung empfohlen gemäß ISO 13406-2
- Transformation
3y12x2y9
Z3Y15XY9
'v
3y12x2x4
Z3Y15XX4
'u
++−=
++=
++−=
++=
0,3
0,4
0,5
0,6
0,1 0,2 0,3 0,4u'
red
white
blue
yellow
green
cyan
magenta
primaries and color inks ; perpendicular view
v'
CIE 1976 UCS LCD 0Lx
1976 CIELAB und CIELUV
- nichtlineare Transformation von XYZ
- konstante Farbdifferenzen → Farbabstandsformel
- CIELUV( ) ( )
( ) ( ) ( )222uv
nn
31
n
*v*u*L*E:differencecolor
Whiteforvalue:'n'index;UCSCIE1976:'v,'u
'v'v*L13*v;'u'u*L13*u;11616
YY
116*L
∆+∆+∆=∆
−=−=
−
=
- ∆E = 1 ist erkennbar, ∆E > 5 deutlich sichtbar
- auch als L*a*b* bzw. L*u*v* bezeichnet
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 68 / 81
RGB - Farbraum
- RGB : additive Farbmischung der Primärfarben
- CMYK : subtraktive Mischung z.B. Drucker
- Anwendung bei elektronischen Displays zur Farbgenerierung
- aber Messung nach CIE
- relative Werte 0 ... 1 (z.B. 0 ... 255 für 8 Bit Grauskala)
- R = G = B = 1 : weiß
Meßgeräte zur Farbbestimmung
Monochromator Colorimeter
Prinzip Spektrum wird als Intensität für jede
Wellenlänge gemessen. Die
Farbkoordinaten werden gemäß
dem Farbmodell berechnet.
Licht wird mit 3 Sensoren mit speziellen
Filtern (Normspektralwert - Funktionen)
gemessen. Die Farbkoordinaten werden
gemäß dem Farbmodell berechnet.
Pros Hohe Genauigkeit Schnell, billig
Cons Langsames Meßverfahren Begrenzte Genauigkeit
Ein 'vernünftigen' Kompromiß ist ein Spektroradiometer , welches das komplette Spek-trum
mit einem Zeilensensor simultan mißt. Dies stellt ein schnelles, genaues und gün-stiges
Meßverfahren dar, bei dem das Display durch ein Objektiv angepeilt werden kann.
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 69 / 81
3.4 Farberzeugung bei Elektronischen Displays
- gemeinsames Prinzip : additive Farbmischung mit RGB Subpixeln
- Anordnung der Pixel hängt von der Technologie ab
- Direktsicht - Displays haben sequentielle Subpixel, bei 3-Panel-Beamern übereinander
3.4.1 CRT Maskentechnologien
Lochmaske Schlitz - Streifen - Maske Streifenmaske
- Effekte der Pixelkonfiguration s. u.
- Aufgabe: Auftreffen jedes Farbstrahls nur auf dem betreffenden Phosphor (Konvergenz)
- diese Schattenmasken können sich erwärmen, schwingen, ... → Bildqualität sinkt
3.4.2 Flachdisplay - Pixelanordnung
Direktsicht (links)
Bei 3 - Panel - Beamern liegen
die drei Farb - Subpixel auf der
Leinwand übereinander !
→ höhere Bildqualität
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 70 / 81
3.4.3 Vergleich CRT - Flachdisplay
- die Bilder zeigen alle 'Weiß'
- bei der Streifenmaske ist in der Mitte ein Stabilisierungsdraht sichtbar
- Streifenmasken habe eine höhere Leuchtdichte als Lochmasken
- Bildunschärfe bei CRTs durch Gaußförmiges Strahlprofil (wirkt verbreiternd)
CRT Lochmaske CRT Streifenmaske Flachdisplay (LCD)
CRT-Bilddiagonale bezeichnet die gesamte Röhrengröße inklusive den nicht sichtbaren
Bereichen. Nach DIN muß demzufolge die sichtbare Diagonale in 'cm' angegeben werden
bei Flachdisplays : sichtbare Diagonale - Panelgröße
Beispiel : 17" CRT entspricht von der sichtbaren Fläche einem 15" Flachdisplay
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 71 / 81
Bildanpassung bei verschiedenen Auflösungen und Bildfrequenzen
- Darstellung verschiedener Auflösungen, z.B. Video auf XGA - Bildschirm
- CRT - Multisync - Monitore sind hier weitgehend problemlos einsetzbar
- bei Flachdisplays ist die Pixelzahl fix, d.h. verschiedene Auflösung sind 'anzupassen'
→ Scaling - Prozessoren zur Anpassung
Tip: beste Bildqualität wenn Signalauflösung = Displayauflösung
Anpassung der Auflösung (Pixelzahl)
Beispiel : SVGA Beamer : XGA komprimiert, VGA und Video expandiert → Artefakte
Kompression (nicht maßstäblich) Expansion (nicht maßstäblich)
- bei Farbbildern treten auch Farbverschiebungen auf
- weitere erforderliche Maßnahmen bei Multimedia - Wiedergabe :
- De-Interlacing (interlaced Standard-Video → non-interlaced CRT oder Flachdisplay)
- Frame Rate Conversion (50 Hz Video → 75 Hz CRT-Monitor oder 60 Hz LCD)
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 72 / 81
Graustufen
... zur Darstellung von Bildern und Grafiken; Kleinanzeigen können nur '0' - '1' !
Video RAM = Auflösung * 3 (RGB-Farben) * # Bit Graustufen
Beispiel : 1024 * 768 * 3 * 8 Bit = 18,9 MBit = 2,4 MByte
Grafikspeicher
/MByte
Graustufen 4 Bit 8 Bit 16 Bit 24 Bit(8 bit per color)
Resolution Farbanzahl 16 256 65.565 16.7 106
VGA 640*480 0,15 0,3 0,6 0,9
SVGA 800*600 0,24 0,47 1,0 1,4
XGA 1024*768 0,39 0,78 1,5 2,4
Elektro - optische Kurve für CRTs und LCDs
(Flach) Displays sind aufgrund Standardisierung an die CRT-Kurve anzupassen !
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 73 / 81
3.5 Öffnungswinkel und Blickwinkel
- hauptsächlich für LCDs relevant
- 'Öffnungswinkel' (Kegel) bezeichnet die geometrisch auftretenden Maximalwinkel (2D)
- 'Blickwinkel' bezeichnet nur 1 Dimension (1D), z.B. horizontal oder vertikal
- die Blickwinkelabhängigkeit reduziert den Kontrast und den Farbumfang
- Aktiv - Matrix LCDs (TN) haben größere Blickwinkel als Passiv - Matrix STN - LCDs
Beispiel für Iso - Kontrast Plot
Berechnung des 'Viewing Cone' aus
Betrachtungsabstand und
Bildschirmgröße
Wird sinngemäß auch für
Farbverschiebungen verwendetcontrast
10 : 1
20° 40°θ
Φ90° / 12°°
180° / 9°°
0° / 3°°
270° / 6°°
viewing conefor 17" at 50 cm
15°
Messgeräte
GonoScope ConoScope
Pros - 'Open frame' für Messungen mit
'beliebigen' Umgebungslicht
- billiger Sensor
- einfache 1D - Blickwinkelmessung
- schnelles Verfahren (~ 30 sec) zur
Bestimmung des Iso-Kontrast Plots
Cons - hohe mechanische Präzision
- Meßdauer (≈ 2 Stunden für
Iso - Kontrast Plot)
- teuer
- 'ungenauer' Sensor (CCD)
- nur Umgebungslicht - Simulation
Prinzip
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 74 / 81
3.6 Umgebungslicht : Effekte und Optimierung
- Reflexionen des Umgebungslichtes auf dem Bildschirm 'überschreiben' dessen Inhalt
- alle Reflexionen (auch geringe) reduzieren Kontrast, Farbumfang und Graustufen
Beispiel : Umgebungslichtbedingungen für Automobil -
Ambient Bri ghtness on Instrument Cluster
1 10 100 1.000 10.000 100.000
Ambient Bri ghtness /lx
direct sunlight
ambient sunlight
clouds
city by night
night outside city
Kontrast - Umgebungslicht - Displayart
Contrast ratio =
3 : 1
500 : 1
Passive
Active
1 10 100 1000
Humanviewingrange
Backlight
Luminance of selected pixel
Luminance of nonselected pixel
Dimming
0.1
Rods & cones ConesAmbient li ghtdensit y / cd/m²
OutdoorIndoorNight
Rods < 10-3
- Aktive Display sind bei Umgebungslicht schlecht ablesbar, passive bei Dunkelheit
- durch Backlight und Dimmung sollte ein Kontrast von ca. 10 : 1 erzielt werden
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 75 / 81
Kontrastverhältnis bei Umgebungslicht
reflectedoff
reflectedonR
lightambientoff
onR LL
LLC
L
LC
++
=→=+
Anmerkung : In den meisten Spezifikationen und Anzeigen wird das Kontrastverhältnis bei
absoluter Dunkelheit angegeben, was wenig praxisrelevant ist.
Messergebnisse bei Umgebungslicht
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1 10 100 1000 10000
Ambient Bri ghtness /lx
Contrast ratio relative to 0 lx
Transflective LCD
Transmissive LCD with high power backlightTransmissive LCD,
CR, Plasma, EL
Emissive Displays sind bei
starkem Umgebungslicht nicht
mehr ablesbar. Transmissive
LCDs können mit starkem
Backlight auch im Hellen noch
abgelesen werden. Passive
Displays sind am besten !
Anmerkung: Das Backlight des
transflektiven LCDs ist etwas
zu schwach.
Graustufen
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
-1,25 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0
log (Gray Scale)
0 lx
50 lx
200 lx
1000 lx
2000 lx
gamma = 2.3
log (Luminance)
normalized values
Ambient Li ghtGCfAbi Ill i i
Bei starkem Umgebungslicht sind kleine Graustufen (dunkle Bildteile) nicht mehr
unterscheidbar. Bei LCDs werden 'Schatten' auch bei 0 Lux schlecht aufgelöst !
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 76 / 81
Blickwinkel - Kontrast und Farbe bei LCDs
Beleuchtungsstärke
| Leuchtdichte L on Farbe
0 lx
LCD 0 lx Horizontal Scan
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40
Angle /°
Lon /cd/m² CIE 1931 LCD 0lx Horizontal Scan
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 0,2 0,4 0,6x
y
1000 lx
LCD 1000 lx Horizontal Scan
0
40
80
120
160
200
-40 -20 0 20 40Angle /°
Lon /cd/m²
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6x
y
LCD CIE 1931 1000 lx Horizontal Scan
Einfluß auf die Leuchtdichte und den Kontrast
- Umgebungslicht aus einer bestimmten Richtung erhöht die Leuchtdichte selektiv
- an der Reflexionsstelle wird der Kontrast stark herabgesetzt
Einfluß auf die Farbe
- die Farben des Displays (hier RGB) werden zum Farbort der Beleuchtung verschoben
- bei weißem Licht spricht man vom 'Ausbleichen' der Farben
Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes und die Farbverschiebung müssen bei graphisch -
gestalterischen Aufgaben und Bildbearbeitung an LCD - Monitoren besonders beachtet
werden, ebenso wie der Einfluß von Umgebungslicht !
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 77 / 81
Anti - Reflexions - Maßnahmen
- alle Displays reflektieren das Umgebungslicht mehr oder weniger stark
- das reflektierte Licht addiert sich zur der vom Display erzeugten Leuchtdichte
Ausnahme sind reflektiv arbeitende Displays
- es gibt mehrere Methoden zur Entspiegelung
- Theorie: senkrechter Einfall auf Displays in Luft 2
1'n1'n
r
+−= mit n' für das Display
typischer Wert Luft - Glas : r ≈ 0,05 (5%)
Methoden
Antireflex-Schicht Polarisation Rauhe Oberfläche 'Jalousie'
Pros - gute Wirkung - Kontrast kann
verdoppelt
werden
- billig
- geringer Verlust
an Leuchtdichte
- billig
- eingeschränkter
Blickwinkel
(gut bei ATMs)
Cons - Farbfehler
- Verkratzen
- Preis
- empfindliche
Oberfläche
- Leuchtdichte-
einbuße
- Reflexion des
Polarisators
- Unschärfe - geringe Trans-
mission (0,3-0,7)
- eingeschränkter
Blickwinkel
Prinzip
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 78 / 81
4. Technologievergleich
Display - Technologie und anwendungsspezifischen Parameter müssen zu dem Optimum für
das zu entwickelnde Produkt verknüpft werden (siehe Magic Circle) !
4.1 Vergleich multimediafähiger Direktsicht - Technologien
|Ca.-Kosten
Technologie Video Kontrast weitere Vorteile Nachteile Potential in DM/"
CRT ++ +
Preis,
großes Format,
Blickwinkel,
Lebensdauer
hohe
Leistungsaufnahme,
hohe Spannungen,
Bautiefe, EMV,
Einbrennen
gering 20
Passiv LCD o -
Billig, reflektiv für
outdoor,
Leistungsauf-
nahme
Blickwinkel,
Temperaturbereich
active adres-
sing, anti-ferro-
elektrische LCD
40
AM LCD ++ ++
Blickwinkel,
Leistungsauf-
nahme, reflective
TFT, IPS
teurer als Passiv-LCD,
Lichtverlust durch
Apertur
Integrierte
Treiber bei
poly-Si,
Preis ↓
60
Plasma + ++
Großes Format,
Blickwinkel
teuer,
hohe
Leistungsaufnahme
PALC 200
EL - - ++
Mittleres
Leistungs-
vermögen
keine Videofarben,
Einbrennen Videofarben 150
VFD - ++ Blickwinkel,
Lebensdauer
hohe Spannungen,
Bautiefe, Gewicht
gering 300
FED - + Einfacher Aufbau hohe Spannungen Diamant FED 200
Fazit : Eine universell einsetzbare und optimale Displaytechnologie für alle Anwendungen
existiert (noch) nicht !
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 79 / 81
4.2 Industriemonitore
- Monitor, welcher in industrieller Umgebung genutzt wird, also auch ein 'Büromonitor'
oder ein speziell als 'Industriemonitor' entwickelter und gefertigter Bildschirm ?
- Veredelung aus Preisgründen von Büro- zu Industriemonitoren :
Blech- statt Plastikgehäuse, ... bereits ausreichend ?
- unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten:
- Einsatz in der Warte mit 'Rund um die Uhr' - Betrieb
- Einsatz zur Bedienung vor Ort (Vibration, EMV, Temperatur, ... , ggf. Ex-Fähigkeit)
Typische Anforderungen und Eigenschaften für Büro- und Industriemonitore
Anforderung Büro Industrie
Ausfallsicherheit eher gering hoch
Einschaltzeit pro Tag < 8 h 8 - 24 h
Lebensdauer 3 Jahre > 5 Jahre
Verfügbarkeit < 12 Monate 5 Jahre
Temperaturbereich 5 - 40 °C 0 - 70° *
Vibration gering 3 g, 5 - 150 Hz
Schock gering 100 g , 10 ms Halbsinus
EMV eher gering ja
Ex-Fähigkeit nein machbar
Statischer Bildanteil niedrig hoch
Bilddiagonale ≥ 17" ≥ 10"
Tageslichttauglichkeit nein ggf. ja **
Stecker, Kontakte low cost professionell
Schutzart niedrig bis IP 65
Relativer Preis bezogen auf
einen CRT-Büromonitor
relativ hierzu AMLCD
1
2 - 3
3
5 - 7
(*) : Leitwarte, Schaltschrank (**) : z.B. Schienenfahrzeuge
Bla
FH
Pf
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Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 80 / 81
Vergleich verschiedener Technologien bezüglich Industrieanforderungen
Technologie CRT LCD Plasma EL VFD FED
Leuchtdichte /cd/m² 100 300 200 150 1000 200
Tageslichttauglichkeit nein bedingt * bedingt möglich möglich bedingt
Einbrennen bzw.
Imagesticking
ja ja ja ja ja ja
Blickwinkel groß mittel -
groß
groß groß groß groß
Temperaturbereich
/°C
0 - 60 0 - 60 5 - 50 -20 - +65 0 - 50 0 - 50
Schock möglich nein -
möglich
nein ja ja möglich
Vibration möglich möglich nein ja ja möglich
EMV-Kosten hoch gering hoch gering mittel mittel - hoch
Industriestecker ja nein Ja ja möglich möglich
Verfügbarkeit /Jahre 5 1 1 3 2 ?
Lebensdauer /h ** 10.000 25.000 15.000 100.000 50.000 ?
(*) : beim Einsatz reflektiver Technologien ja
(**) : bis zum Austausch von Komponenten
Die Angaben beziehen sich auf handelsübliche Monitore, keine Sonderentwicklungen
Bla
FH
Pf
Elektronische Displays
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 81 / 81
Cost of Ownership
Kosten bei 5-jährigen Dauerbetrieb (50.000 h) inklusive Anschaffungskosten
Größe, Technologie * 17"-CRT 15"-AMLCD 10,4" EL 25" Plasma
Austauschkosten ** 1.800 400 - 30.000
Gesamtstromkosten ***
(0,15 DM/kWh) /DM
950 300 100 2.000
Anschaffungspreis
(Industrietauglich) /DM
2.000 4.000 3.000 10.000
Gesamtkosten in 5 Jahren 4.750 4.700 3.100 42.000
(*) : nutzbare Bildschirmfläche für CRT und LCD etwa gleich groß, bei EL und Plasma
keine größeren bzw. kleineren Diagonalen erhältlich
(**) : CRT 2* Bildröhre; LCD: 1 * Backlight, jeweils incl. Personaleinsatz;
Plasma 3* neu (Displaykosten ≈ Monitorkosten)
(***) : typische Leistungsaufnahme: CRT 130 W, LCD 40 W, EL 15 W, Plasma 270 W
- 'Gewinner' EL-Technologie bezogen auf Gesamt- und laufende Kosten
wenn Bilddiagonale und volle Farbfähigkeit 'egal', aber nur ein Produzent
- Plasmadisplays teuer aber große Bildfläche, kleinere nicht erhältlich
- Röhrenmonitore und AMLCD - Panel liegen bzgl. Kosten und Leistung etwa gleich
- LCD mit besseren EMV - Eigenschaften und kleinerem Einbauvolumen
- Vorteil CRTs durch jahrzehntelange Einsatzerfahrung
Fazit Die Entwicklung von Geräten mit elektronischen Displays erfordert ein um-
fangreiches Know How über die Technologien und ihre Leistungsfähigkeit!