LCD-Hinterleuchtung LEDs für Industriedisplays

Mit LEDs hinterleuchtete LC-Displays sind inzwischen Stand der Technik für industrielle Anwendungen. Sie bieten gegenüber herkömmlichen LCDs mit CCFLs eine ganze Reihe von Vorteilen. In vielen Anwendungsbereichen, speziell im Außenbereich und bei Touchscreen-HMIs, empfiehlt sich darüber hinaus der Einsatz von LED-basierten High-Brightness-LCDs. Dank der großen Helligkeit, kombiniert mit der guten Dimmbarkeit der LED-Hintergrundbeleuchtung, lassen sich diese Displays sehr leicht an unterschiedliche Umgebungslichtbedingungen anpassen, was auch zur Energieeffizienz der Gesamtapplikation beiträgt.

Transflektive Displays waren bislang Stand der Technik, um die Ablesbarkeit unter sehr hellen Umgebungslicht-bedingungen oder gar direkter Sonneneinstrahlung zu ermöglichen. Hierbei unterstützt das einfallende Umgebungslicht die Hintergrundbeleuchtung. Dies ist eine adäquate Methode, um mit per Kaltkathodenröhren (CCFL) hinterleuchteten Displays die große Bandbreite unterschiedlicher Umgebungshelligkeiten abzudecken, obwohl sich die Leuchtstärke von CCFLs nur in geringem Maße regulieren lässt. Allerdings funktioniert der reflektive Modus der Technik nur bei direkter Sonneneinstrahlung wirklich gut und ist mit der Einschränkung von leichten Farbverschiebungen im Vergleich zum transmissiven Modus behaftet.

Schon bei heller, aber diffuser Umgebung verlieren transflektive Displays schnell an Kontrast, was die Ablesbarkeit erheblich beeinträchtigt. Ein konstant gutes Bild über das gesamte Spektrum von Umgebungshelligkeiten bieten hingegen High-Brightness-Displays mit LED-Hintergrundbeleuchtung. Auch Touchscreen-HMIs brauchen Displays mit größeren Leuchtdichten, da je nach Touch-Verfahren die berührungsempfindliche Oberfläche die Transmissivität des gesamten Moduls um bis zu 10% verringert.

Sharp hat für unterschiedliche HMI-Lösungen eine ganze Reihe von sehr hellen Displays im Programm mit Diagonalen von 5,7 Zoll bis 23,1 Zoll und Leuchtdichten bis zu 1200 cd/m2. Damit verfügen sie über genügend Leistungsreserven, um in sonniger Umgebung für gute Ablesbarkeit zu sorgen, können aber dank der LED-Hintergrundbeleuchtung bei Dunkelheit entsprechend abgedimmt werden, ohne die für CCFLs typische Beeinträchtigung der Lebensdauer.

Um Designingenieure darin zu unterstützen, die weitreichende Dimmbarkeit optimal zu nutzen, hat Sharp vor allem die neueren LCDs mit LED-Backlights bereits mit Treibereinheiten für Pulsbreitenmodulationsdimmung (PWM-Dimming) ausgestattet. Diese erspart es dem Anwender, die für die Dimmfunktion notwendige Steuereinheit selbst zu entwickeln.

Effizienter Kaltstart

Nebeneffekt der guten Dimmbarkeit ist die Verbesserung der Energieeffizienz, denn durch das Abdimmen der Displayhelligkeit entsprechend des Umgebungslichts reduziert sich die Leistungsaufnahme - bei Dunkelheit etwa auf ein Fünftel verglichen mit der Volllast bei hellem Sonnenschein. Gerätehersteller, die sich besonders umweltgerechten Designs verschrieben haben, kommen an LED-hinterleuchteten Displays daher nicht vorbei, zumal LEDs auch kein Quecksilber enthalten.

Die schnelle Reaktionszeit der Leuchtdioden macht sich auch beim Startverhalten des Displays positiv bemerkbar. CCFLs benötigen bereits bei normalen Umgebungs-temperaturen mehrere Minuten, bis sie die volle Helligkeit erreicht haben - bei Kälte sind die Anlaufphasen sogar bedeutend länger. LEDs erbringen ohne Verzögerung und temperaturunabhängig die volle Helligkeit, sobald Spannung anliegt (Bild 1).

Dadurch lassen sich TFT-LCDs mit LED-Hintergrundbeleuchtung auch abhängig von der tatsächlichen Nutzung gut steuern, denn viele Anwendungen benötigen die volle Displayhelligkeit erst, wenn ein Nutzer sich nähert. Besonders für Bank- und Verkaufsautomaten ist diese umgebungsabhängige Steuerung der Displayhelligkeit interessant, die je nach Tageszeit unterschiedlichen Lichtverhältnissen ausgesetzt sind und in der Regel für längere Zeit ungenutzt bleiben.

Die Bildschirmhelligkeit und entsprechend der Strombedarf dieser Anwendungen kann dadurch erheblich optimiert werden. Die Steuerung selbst lässt sich vergleichsweise einfach über Helligkeits- und Distanzmesssensoren realisieren, wie sie auch Sharp im Portfolio hat. Unter der Modellnummer »GP2AP002XXX« stehen kombinierte Näherungs-/Helligkeitssensoren bereit, die beide Funktionen in einer Komponente vereinen.

Haltbarkeitsdatum

Auch in puncto Haltbarkeit und Robustheit sind LED-Hintergrundbeleuchtungen gegenüber her-kömmlichen CCFLs im Vorteil: Während die Leuchtstoffröhren auch unter normalen Temperatur-bedingungen von der ersten Betriebsstunde an Helligkeit verlieren, setzt dieser Effekt bei LEDs erst sehr viel später ein. Niedrige Temperaturen beschleunigen die Degradation von CCFLs sogar noch, während sich die Lebensdauer von LEDs eher verlängert.

LED-hinterleuchtete Displays, die eher am unteren Ende der spezi-fizierten Betriebstemperatur be-trieben werden, erreichen eine Backlight-Lebensdauer von 200 000 Stunden und mehr (Bild 2). Am oberen Ende der Temperaturskala entscheidet hingegen, wie gut die Abwärme abgeführt werden kann. Sharp hat daher für Industrie-LCDs mit LED-Backlight ein spezielles Gehäusedesign entwickelt.

Durch die direkte thermische Kopplung der LEDs mit dem Chassis fungiert vor allem die Rückseite des Displaymoduls als Kühlkörper. Folglich sind die High-Brightness-Displays für Betriebstemperaturen in der Regel von bis zu +60 °C, einige sogar bis +75 °C bei einer Lebensdauer von 50 000 Stunden spezifiziert. Zudem verbessern LED-Backlights die mechanische Belastbarkeit von Industrie-TFT-LCDs, denn anders als die Glaskörper der CCFLs sind LEDs unempfindlicher gegen Stöße und Vibrationen, wie sie bei vielen Maschinen oder auch bei tragbaren Applikationen auftreten. Die meisten High-Brightness-Displays von Sharp sind daher auch für Vibrationen mit Beschleunigungen von 1 g ausgelegt.

Gleichstrom für EMV

Die Nutzung von LED-hinterleuchteten LCDs vereinfacht häufig auch das Design-in der Anzeige. Vor allem weil LEDs mit niedrigen Spannungen versorgt werden, ergeben sich einige Vorteile. Die Gleichspannung an sich führt zu einem wesentlich besseren EMV-Verhalten: CCFLs werden mit Wechselspannungen von 50 kHz bis 60 kHz betrieben, die eine Abschirmung von Leuchtstoffröhren und Invertern notwendig machen. Mitunter wird diese nicht vollständig erreicht - viele Displays mit CCFL-Backlight weisen daher ein leichtes Flimmern auf.

Auch die Hochspannungsversorgung der CCFLs mit bis zu 1,5 kV erfordert Schutzmaßnahmen, die bei LED-basierten Hintergrundbeleuchtungen entfallen können, da diese mit 32 V und weniger auskommen. Aber auch beim mechanischen Design haben LED-Backlights ihre Vorzüge: Aufgrund der kompakten Bauform der Leuchtmittel sind die Displaymodule insgesamt kompakter, was sich insbesondere im schmaleren Rahmen und der verringerten Einbautiefe bemerkbar macht.

Anwendungsgebiete

Anwendungsgebiete der High-Brightness-LCDs mit LED-Hinter-grundbeleuchtung von Sharp sind nicht nur klassische Industrie-anwendungen wie etwa Steuer-geräte von Anlagen und Maschinen, die unter hellen Arbeitslicht-bedingungen oder im Außenbereich eingesetzt werden. Dazu gehören unter anderem tragbares Test- und Mess-Equipment, Verkaufsautomaten, Baumaschinen, aber auch land- und forstwirtschaftliche Geräte.

Im maritimen Bereich finden die Displays ebenfalls ihren Einsatz. Beispielsweise wird das 23-Zoll-UXGA-Display vom Typ »LQ231U1LW31« in Kartenlesetischen für Schiffe verbaut. Hierbei zeigt sich die Bedeutung der Dimmbarkeit deutlich. Denn bei Tag wird auf der Schiffsbrücke die volle Lichtleistung von 500 cd/m2 benötigt, um eine optimale Ablesbarkeit zu gewährleisten, während nachts das Backlight entsprechend weit abgedimmt werden muss, damit der Kartentisch bei Dunkelheit nicht blendet oder gar Reflexionen in der Frontscheibe der Schiffsbrücke hervorruft, denn Sichtbehinderungen können in der Schifffahrt fatale Folgen haben.

Um diese Funktion einfach umsetzen zu können, hat auch das LQ231U1LW31 einen Treiber für das PWM-Dimming direkt mit an Bord. Für eine angemessene Karten-darstellung auch für mehrere Mitglieder der Crew sorgen überdies das Kontrastverhältnis von 600:1 und der Betrachtungswinkel von 170° aus allen Richtungen.

Auch e-Kiosksysteme, Bank- und Verkaufsautomaten sowie Info-Terminals gehören zu den typischen Zielapplikationen der hellen Displays. Allerdings stellen diese noch einmal höhere Ansprüche an die Bildqualität, da hier Produkte werbe- und verkaufswirksam präsentiert werden müssen. Daher eignen sich für diese Anwendungen die 12,1-Zoll-, 15-Zoll- und 19-Zoll-Displays vom Typ »LQ121X3LG02«, »LQ150X1LG11« und »LQ0190E1LX51«, die hohe Helligkeit mit 24 Bit Farbtiefe und hohen Kontrastwerten im Bereich von 800:1 bis 1000:1 kombinieren.

Über den Autor:

Gunter Wagschal ist Project Manager Business Unit Industrial bei Sharp.

Was heißt eigentlich »High Brightness«?
Ab welcher Helligkeit gelten LCDs als High-Brightness-Displays? Rein physikalisch wird die Displayhelligkeit als Leuchtdichte in Candela pro Quadratmeter - häufig auch als »nits« abgekürzt - angegeben. Industrie-LCDs gelten gemeinhin ab einer Helligkeit von 500 cd/m2 als High-Brightness-Displays, doch das menschliche Helligkeitsempfinden ist sehr stark abhängig von den äußeren Bedingungen. Daher lässt sich das Prädikat »High Brightness« nur schwer mit einem fixen Schwellwert verknüpfen, zumal sich die Umgebungsbedingungen vor allem bei Außenanwendungen stark und mitunter schnell verändern. Wichtigster Parameter für das Helligkeitsempfinden ist die Umgebungshelligkeit. Im hellen Tageslicht ist eine Bildschirmhelligkeit bis zu 1200 cd/m2 notwendig, um den Eindruck eines gut ausgeleuchteten Displays zu vermitteln. Anders bei dunkler Umgebung: Hier wirken bereits 100 cd/m2 bis 250 cd/m2 schon sehr hell und sind vollkommen ausreichend, um Bildinhalte gut zu sehen. Mehr Displayhelligkeit würde bei Nacht regelrecht blenden. Aber auch die Displaygröße spielt eine wichtige Rolle: Großflächige Displays wirken bei denselben Umgebungsbedingungen und der gleichen physikalischen Leuchtdichte dunkler als kleine Bildschirme. Im e-Signage-Bereich gelten daher erst Screens ab 1500 cd/m2 als »high bright« und sind für den Außenbereich empfohlen.