Displays für mobile Geräte
Hell, kontrastreich und genügsam
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Display-Techniken im Detail
| Anwendungen für energiesparende Industrie-Displays |
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Als Lichtventil emittieren LC-Displays selbst kein Licht, sondern nutzen das vorhandene Licht, sei es von der eingebauten Hinterleuchtung oder einer externen Lichtquelle kommend. Wegen der geringen Transparenz von weniger als 10 Prozent muss die Hinterleuchtung eine hohe Helligkeit liefern, was eine hohe Energieaufnahme bedeutet. Der Betrieb des LCD-Controllers benötigt nur wenig Leistung, daher sollten Einsparmaßnahmen bei der Beleuchtung ansetzen.
Im Gegensatz dazu sind OLEDs Lichtquellen. Sie emittieren Licht und benötigen keine Hinterleuchtung. Die Leistungsaufnahme wird bei ihnen hauptsächlich von der Anzahl der aktiven Pixel bestimmt.
TN-Displays
Die älteste LCD-Technik TN ist in verschiedenen Varianten, STN, H-TN etc., weit verbreitet. Sie ist auch die Grundlage für TFT-Displays, bei denen die Ansteuerung der Bildpunkte durch einen lokalen Transistor unterstützt wird. TN zeichnet sich durch eine sehr niedrige Leistungsaufnahme aus, da nur im Moment des Umladens der LC-Moleküle ein Strom von nur wenigen µA fließt. Für die Ansteuerung eines Displays kann je nach Anzeigeumfang entweder ein im Mikrocontroller eingebauter LC-Displaytreiber eingesetzt werden, der automatisch die Kurvenformen für die Multiplex-Ansteuerung erzeugt, oder ein externer Controller mit integriertem Bildspeicher, der das Display unabhängig von der CPU auffrischt.
Vorteile sind die geringen Stückpreise und Kosten für ein kundenspezifisches Display-Design im Vergleich zu anderen Techniken. Daher werden TN-Displays in kostensensitiven Applikationen wie Verbrauchszählern eingesetzt. TN-Displays beginnen bei einfachen segmentierten Displays, gehen über Siebensegment-Anzeigen mit kundenspezifischen Icons bis hin zu Punktmatrixanzeigen.
Aufgrund der passiven Ansteuerung der einzelnen Bildelemente und Bildpunkte gibt es Grenzen für die Diagonale und die maximale Auflösung. Gebräuchliche Displays mit Single-Chip-Controller liegen im Bereich bis maximal 5 Zoll und Auflösungen von bis zu 320 × 240 Pixel.
Für die Beleuchtung gibt es verschiedene Möglichkeiten: vom rein reflektiven Display, das die Umgebungshelligkeit ausnutzt, über transflektive Varianten, die im Dunkeln von einer Hinterleuchtung unterstützt werden, bis hin zu transmissiven Varianten, die ohne Hinterleuchtung nicht abzulesen sind. Im Folgenden werden die reflektiven TN-Displays (Bild 3) betrachtet.
Die Ansteuerung von TN-Displays variiert stark je nach Anzeigeumfang und Betriebsart. »Statische« Displays, bei denen jedes Segment mit einer Leitung nach außen geführt ist, lassen sich mit den Ports eines Mikrocontrollers direkt ansteuern. Für gemultiplexte Displays bis zu 1:4 gibt es Mikrocontroller mit eingebautem LC-Displaytreiber. Darüber hinaus werden spezialisierte Controller- oder Treiber-ICs verwendet, die über SPI oder Datenbus mit dem Mikrocontroller des Systems verbunden sind und durch einen eingebauten Bildspeicher (Framebuffer) die CPU entlasten.
Reflektive TFT-Displays
Die Bezeichnung TFT für Thin-Film-Transistor deutet bereits darauf hin, dass bei diesem Displaytyp eine Halbleitertechnik eingesetzt wird. Zeilen und Spalten des Displays werden nicht über spezielle Kurvenformen von extern angesteuert. Jeder einzelne Bildpunkt wird von einem Transistor und Kondensator unterstützt. Diese halten bis zum nächsten Bild, das beispielsweise in 1/60 s folgt, den Ansteuerungspegel. Dadurch können Displays höherer Auflösung, besserem Kontrast und weiterem Ablesewinkel als mit TN-Technik gebaut werden.
Die Leistungsaufnahme von TFT-Displays ist höher als bei TN-Displays, sie ist aber immer noch gering. Wie reflektive TN-Displays sind reflektive TFT-Displays auf eine Beleuchtung von vorne angewiesen. Bild 4 zeigt ein solches Display im Betrieb in einem Gerät. Im oberen Teil der Anzeige ist der Kontrast schlecht, weil das Display hier beschattet ist und nicht beleuchtet wird.
Transflektive TFT-Displays
Den Nachteil reflektiver Displays, nämlich der schlechten Ablesbarkeit bei fehlendem Auflicht, löst die transflektive Technik. Ein transflektives TFT-Display kann bei allen Lichtsituationen eingesetzt werden. Im Dunkeln leuchtet das Licht der Hinterleuchtung durch TFT-Schicht und Farbfilter (Bild 5a), es zeigt gesättigte Farben. In heller Umgebung überwiegt der reflektive Anteil. Bild 5b zeigt das Display mit ausgeschalteter Hinterleuchtung, nur durch Auflicht beleuchtet, wie an den Lichtreflexen des Umgebungslichts zu erkennen ist.
MIP-TFT-Displays
Bei der MIP-Technik (Memory In Pixel) handelt es sich um ein TFT-Display, bei dem parallel zum Schalttransistor für das Pixel eine Speicherzelle geschaltet ist. Solange die Versorgungsspannung anliegt, behält diese den eingespeicherten Wert. Das Display muss also nicht periodisch aufgefrischt werden; lediglich zur Umpolung der Flüssigkristallzelle ist ein Takt erforderlich, um Elektrolyse zu vermeiden. Die Frequenz dazu kann bis herunter zu 1 Hz gehen und führt zu extrem energiesparenden Displays, weil nur beim Umschalten Strom fließt. Die TFT-Technik erlaubt feine Pixel und damit eine hohe Auflösung. MIP-TFT-Displays eignen sich für Anwendungen, die lange mit einer begrenzten Energiemenge auskommen müssen wie z. B. Wearables. MIP-TFT-Displays können reflektiv oder transflektiv realisiert werden, sodass für die Ablesbarkeit im Dunkeln eine Frontbeleuchtung oder eine Hinterleuchtung integriert werden kann. Mit kurzen Schaltzeiten eignet sich ein MIP-TFT-Display anders als E-Paper sogar für die Wiedergabe von Animationen und Video-Sequenzen.
Bild 6 zeigt ein Farb-MIP-TFT-Display mit einer Auflösung von 260 × 260 Pixel und einer Diagonale von 32 mm. Es ist mit einer Hinterleuchtung ausgestattet und macht so in dunklen Umgebungen den Inhalt ablesbar.
Passiv-Matrix-OLED-Displays
Die OLED-Technik ist mittlerweile weit verbreitet. Sie wird in High-End-Smartphones und -TV-Geräten eingesetzt, weil sie dort ihre Vorteile in Kontrast und Farbraum ausspielen kann. Allerdings werden dort Aktiv-Matrix-OLEDs (AMOLED) verwendet, die für den Einsatz in industriellen Anwendungen nicht geeignet sind: Die Auswahl der Display-Größen beschränkt sich auf mobile Geräte einerseits und TV-Geräte andererseits. Zwischengrößen von 7“ bis 24“, wie sie in der Industrie eingesetzt werden, sind schwer erhältlich oder gar nicht in Produktion. Die Auflösung der kleinen Displays ist dabei so hoch, dass für den Betrieb CPUs mit hoher Rechenleistung erforderlich sind, was wiederum mit einer höheren Leistungsaufnahme für die Ansteuerung einhergeht. Außerdem ist die Produktlebensdauer der OLED-Displays an den Lebenszyklus eines Smartphone-Modells angepasst – oft nur zwölf Monate, bevor das nächste Modell die Nachfolge antritt. Die Betrachtung hier beschränkt sich daher auf lang verfügbare Passiv-Matrix-OLED-Displays (PM OLED).
OLEDs sind selbstemittierend. Liegt an einem OLED-Pixel eine Spannung in richtiger Höhe an, leuchtet es. Die Farbe wird von den verwendeten Materialien bestimmt. Energiesparend sind OLEDs besonders dann, wenn die Bildinhalte nur dünn besetzt sind, also bei der Anzeige von Text mit heller Schrift auf dunklem Hintergrund (Dark Mode). Die Helligkeit von OLEDs ist eher gering, durch den dunklen Hintergrund ist der Kontrast jedoch sehr hoch und damit die Ablesbarkeit besonders gut. OLEDs kommen prinzipbedingt ohne Polfilter aus, trotzdem befindet sich an der Oberseite ein Polfilter, der Reflexionen minimiert. Bild 7 zeigt eine Auswahl an Standard-Farben von PM-OLED-Displays.
E-Paper-Displays
Die E-Paper-Technik verwendet bistabile, polarisierte eingefärbte Kügelchen, die in einem Kunststoffträger eingebettet, aber frei beweglich sind. Der Träger wiederum ist auf einem Substrat angeordnet, dessen Spannungspegel die Orientierung der Kügelchen beeinflusst. Für den besten Kontrast muss die Höhe der Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur genau eingehalten werden. Haben die Elemente ihre Position eingenommen, behalten sie die Position ohne Energie bis zum nächsten Wechsel (Refresh) bei. Bei E-Paper-Displays mit Zusatzfarben ist der Refresh etwas komplexer, das Prinzip ist aber identisch.
Für die Ansteuerung des E-Paper-Displays werden spezielle Treiber-ICs angeboten. Sie erzeugen die Spannungen zum Aktualisieren des Display-Inhalts. Das Interface zum System ist einfach, z. B. SPI oder Datenbus, sodass es von jedem Mikrocontroller angesteuert werden kann. Der Betriebstemperaturbereich von E-Paper-Displays ist auf den Einsatz in Räumen, also auf 0 bis 40 °C eingeschränkt; einige Modelle wurden auf den Einsatz in Tiefkühlschränken für Supermärkte ausgelegt und erreichen –25 °C.
Bild 8 zeigt ein E-Paper-Display mit einer Zusatzfarbe. Außer Schwarz und Weiß wird Rot als Akzentfarbe verwendet. Kann nicht auf Vollfarben verzichtet werden, stehen mittlerweile E-Paper-Displays auch in großen Diagonalen mit 4096 oder mehr Farben zur Verfügung. Ein Nachteil der Technik ist die mit höherer Farbanzahl deutlich steigende Update-Zeit. E-Paper-Displays sind nicht transparent, daher kann eine Beleuchtung nur von vorne erfolgen. In hellen Umgebungen sind sie hervorragend ablesbar, wie ein bedrucktes Blatt Papier.
Vergleich der Display-Techniken
In Tabelle 2 sind die verschiedenen Display-Techniken einander gegenübergestellt. Jede Display-Technik hat Stärken und Schwächen, sodass es auf den exakten Anwendungsfall ankommt, um das am besten geeignete Display auszuwählen.
| Eigenschaft | TN-Display | reflektives TFT-Display | transflektives TFT-Display | MIP-TFT-Display | PM-OLED-Display | E-Paper-Display |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Leistungsaufnahme | + | 0 | 01 | +2 | 03 | + |
| Ablesbarkeit im Dunkeln | –4 | –4,5 | + | –4 | + | –4,5 |
| Ablesbarkeit im Hellen | + | + | 06 | + | – | + |
| Maximale Größe | – | 0 | + | – | – | 0 |
| Farben | – | –7 | + | 0 | 0 | – |
| Schaltzeiten | 0 | 0 | 0 | 0 | + | – |
| Dicke | + | + | 01 | + | + | + |
| Varianten | + | – | 0 | 0 | + | 0 |
| Kosten | + | 0 | – | – | 0 | + |
| Anpassbarkeit | + | – | – | – | + | 0 |
| Betriebstemperaturbereich | 0 | + | + | 0 | + | – |
| Interface | –8 | 0 | 0 | + | + | + |
Tabelle 2. Vergleich energiesparender Display-Techniken, die sich für den Einsatz in mobilen, batteriebetriebenen Geräten eignen. (+: gut, positiv, 0: mittelmäßig, –: schlecht, negativ).
| Erläuterung der Indizes in Tabelle 2: |
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Auf der diesjährigen Messe embedded world in Nürnberg stellten überraschend viele Anbieter von E-Paper-Displays ihre Produkte aus. Bei stationären Anwendungen macht typischerweise die Leistungsaufnahme des Displays nur einen kleinen Teil der Gesamtleistungsaufnahme des Gerätes aus, z. B. bei Haushaltsgeräten. Anders sieht es bei portablen Geräten mit einer Batterie oder Solarzelle als Energiequelle aus. Hier kommt es auf jedes Milliwatt an. Transflektive Displays können über einen weiten Bereich an Umgebungshelligkeiten eingesetzt werden, da im Dunkeln die Hinterleuchtung und im Hellen der reflektive Anteil überwiegt. Gänzlich ohne Energiezufuhr kommen E-Paper-Displays im statischen Betrieb aus. Sie benötigen Energie nur dann, wenn der Displayinhalt geändert werden soll. Bei der Auswahl der am besten geeigneten Display-Technik spielen jedoch noch weitere Parameter eine Rolle, zum Beispiel die Fähigkeit, Videos wiederzugeben, oder das Interface zum System.
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