Warum Displays vorzeitig ausfallen Thermomanagement ist selten alleine schuld

Klaus Wammes, Wammes & Partner
»Im Feld beschleunigt eine Kombination von inkorrektem Thermomanagement und nicht hinreichend angepassten Prozessen das Ableben von Displays.«
Klaus Wammes, Wammes & Partner »Im Feld beschleunigt eine Kombination von inkorrektem Thermomanagement und nicht hinreichend angepassten Prozessen das Ableben von Displays.«

Murphys Law besagt, dass in komplexen Systemen früher oder später schiefgeht, was schiefgehen kann. Dies trifft auch auf Displays zu, von denen viele embedded sind.

Oft handelt es sich dabei um systemische Ansätze, um Vorwärtsintegrationen, die auf eine allgemeine, ideelle Anwendung ausgelegt sind. Ein typischer ausfallverursachender Fehler ist schlechtes Wärmemanagement. Ganz im Sinne Murphys ist es allerdings selten allein am Display-Versagen schuld.

Im Feld beschleunigt das Ableben dann eine Kombination von inkorrektem Thermomanagement und nicht hinreichend angepassten Prozessen, beispielsweise bei Vandalenschutz und Optical Bonding, oder schlicht und ergreifend die Sauberkeit des Arbeitens. Im Alltag ist das am besten am Beispiel von Advertisement-Displays sowie Fahrkarten- oder Bankautomaten zu sehen: also Embedded-Systemen, die rund um die Uhr betrieben werden – egal ob Indoor oder Outdoor.

Diese Devices haben typischerweise ein robustes Gehäuse zum Schutz vor Bedienern und Umwelt. Dazu sind sie mechanisch stabiler verbaut. Weil die Temperatur im Gerät elementar für dessen Funktionsfähigkeit ist, ist in den meist metallischen Gehäusen infolge der Dauernutzung ein Lüfter oder ein anderer Wärmetauscher integriert. Dieser soll dafür sorgen, dass die Displays nicht heißer werden, als es die Spezifikation zulässt, für die die Displays wiederum zugelassen sind. Preisgünstige Komponenten sind meist nur für kleine Temperaturbereiche zugelassen. Damit müssen sich Systemintegratoren jedoch mehr Gedanken über Thermomanagement machen. Kostspieligere Komponenten weisen öfter einen größeren Temperaturbereich auf, weshalb weniger potenzielle Probleme für das Thermomanagement resultieren. Es gibt jedoch keine eierlegende Wollmilchsau. Ein gut durchdachtes System ist so oder so notwendig und meist auch gleichbedeutend zu einem kostenmäßig günstigeren System.

Oft wird suggeriert, dass neue Geräte weniger Energie verbrauchen und daher dem Thermomanagement weniger Beachtung gewidmet werden muss. Das stimmt so aber nicht, denn es geht um Energiemenge pro Volumen und Oberfläche. Leider verstärkt daher zum Beispiel gerade der Schutz vor Vandalismus – aber auch vor äußeren Einflüssen wie Feuchte, Staub und Abrieb etwa an Bahnhöfen – den Ausfall der Devices. Um sie zu schützen, wurden sie möglichst dicht gebaut. Daraus ergibt sich zwangsläufig mehr Aufwand, weil die Wärmeentwicklung stärker berücksichtigt werden muss. Entscheidend ist, wie stark die Konvektionsmöglichkeit für das System insgesamt ist. Auch hier gilt: Je besser sie ist, desto leichter fällt Integratoren das Thermomanagement.

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Warum Displays vorzeitig ausfallen

Unzureichendes Thermomanagement ist selten alleinige Ursache

So sind komplett geschlossene Gehäuse für Heavy-Duty-Anwendungen häufig aus mechanisch bearbeitetem Metall. Stand der Technik heute ist nach wie vor, dass Bohrmilch eingesetzt wird, um das Material bei der Bearbeitung zu schmieren und zu kühlen. Diese Flüssigkeit enthält diverse Stoffe, darunter Kriech-Öle für gute Oberflächen-Benetzung. Leider werden sie allerdings oft nicht ordentlich aus dem Metallkasten beziehungsweise dem Fräsling entfernt. In der Realität bleibt dann Bohrmilch in den Ritzen, Bohrungen und Kanten zurück.

Der profane Grund ist monetär: Eine gründliche Reinigung ist ein eigenständiger Arbeitsschritt mit eigenständigen Kosten, die gerne wegrationalisiert werden. Wenn also die Devices von vornherein unsauber verbaut werden, entsteht in den lokalen Heißbereichen, den sogenannten Hotspots, entweder eine Verdunstung oder die Bohrmilch fängt an zu kriechen, weil sie wärmer und die Viskosität damit geringer wird. Entsprechend physikalischen Grundgesetzen verharrt sie wieder dann an jenen Stellen, die kälter sind – beispielsweise im Foliensatz der Hinterleuchtung. Die Folge sind helle respektive weiße, sich verändernde Flecken.

Es ist allerdings auch nicht so, dass sich die maximale Gesamtenergie im System brav und gleichmäßig auf das gesamte Device verteilt ist. In der Regel überhitzen das Display oder Teile der embedded-Elektronik lokal an den Hotspots. Gepaart mit hochfrequenz-generierenden Einheiten, entsteht eine Kombination aus großer Hitze und großer Feldstärke. Wenn sich dem Gespann dann noch ein spezieller Verbau anschließt, – zum Beispiel komplett aus Kunststoff –, kann die Hitze nicht weitergegeben werden. Im Gegensatz zu Metall isoliert Kunststoff Hitze und beeinflusst Feldstärke nur eher selten. Damit reduziert sie beides an diesen Stellen nicht.

So kann lokal die Feldstärke und/oder Temperatur displayspezifische Grenzwerte über der Clear-Temperatur des Liquid-Crystal-Materials erreichen. Dadurch entstehen Hotspots entweder hinter oder auch direkt im Display. Es kommt hierbei zu starken thermischen und elektrischen Beeinträchtigungen, weshalb lokal die Eigenschaften des Liquid-Crystal-Materials verändert werden. Meistens zeigt sich dies als eine Überschreitung der Clear-Temperatur, also der Temperatur bei der das Liquid-Crystal-Material seine doppelbrechende Eigenschaft verliert. Das Display bekommt an dieser Stelle schwarze, meist runde Flecken. Allerdings können diese Flecken auch weiß sein, je nachdem, ob es sich um „active white“- oder „active black“-Displays handelt.