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Electrowetting

Tröpfchen als Display


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ansteuerung von bistabilen Electrowetting-Displays

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Bild 4: Verwendetes Display des Herstellers adt: Pixellayout (links) und Zahlendarstellung mittels Maske (rechts).

Im Rahmen der diesem Artikel zugrunde liegenden Arbeit entwickelte der Autor ein Ansteuersystem für ein bistabiles Electrowetting-Display mit 14 Pixeln, die nebeneinander in zwei Reihen mit jeweils sieben Zeilen angeordnet sind (Bild 4). Durch diese Anordnung lassen sich eine Siebensegment-Anzeige sowie Statusinformation und zwei Bargraphen visualisieren. Für jedes Pixel findet die Bewegung der Tropfen bistabil von links nach rechts und umgekehrt statt. Das gesamte Display wird mit sieben Zeilen- und acht Spaltenleitungen versorgt und mittels eines Multiplexverfahrens passiv angesteuert.

Hieraus folgen letztendlich auch die Anforderungen und Bauteile für die Hard- und Software, die Bild 5 als Blockdiagramm visualisiert: Auf einer batteriebetriebenen Platine sollen alle zum Betrieb der Anzeige in den oben erwähnten Modi notwendigen Bauteile untergebracht werden, inklusive des Umschalters der Anzeigemodi (Bedienelemente) und eines Lichtsensors für den Bargraph.

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Bild 5: Blockschaltbild des Electrowetting-Ansteuersystems

Ein DC/DC-Wandler erzeugt die notwendige Spannung von bis zu 40 V für die Electrowetting-Anzeige. Die Ansteuersignale werden im Mikrocontroller generiert und über eine Vier-Draht-Schnitstelle an einen Vakuum-Fluoreszenz-Display-Treiber (VFD) gesandt, der Spannungen bis 70 V treiben kann. Dessen Ausgänge sind mit den Zeilen- und Spaltenleitungen des Displays verbunden.

Für die Erzeugung der Spannungssequenzen, die zur Tropfenbewegung führen, kommt ein 8-bit-Mikrocontroller der Firma Microchip zum Einsatz. Dieser Controller verfügt über alle benötigten Analog/Digital-Schnittstellen und erlaubt zusätzlich einen sehr stromsparenden Betrieb. Die in C geschriebene Software übernimmt die gesamte Steuerung der Displayanzeige, der VFD-Treiber kommt im Wesentlichen zur Schaltung der Electrowetting-Spannung auf die jeweiligen Zeilen und Spalten zum Einsatz.

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Tabelle 1: Elektrodenanordnung und zwei grundlegende Softwarefunktionen zur Tropfenbewegung.

Aus Gedankenexperimenten hat sich eine zeilenweise Ansteuerung mit Betrieb beider Spalten als optimal im Code implementierbar herauskristallisiert: Insgesamt gibt es acht Fälle von Tröpfchenbewegungen, die sich als Unterprogramme einfach verwalten lassen.

Tabelle 1 zeigt die Elektrodenanordnung (links) sowie zwei von acht Verschiebesequenzen (rechts). Als »Step« wird die sequenzielle Aktivierung der Spaltenelektroden bezeichnet. Da Anfangs- und Endzustand der Anzeige »bekannt« sind, ist ein neuer Bildinhalt in maximal acht Steps realisierbar. Nicht zu ändernde Zeilen werden demzufolge nicht aktiviert.

Dieser Ansatz reduziert den Softwareaufwand und erleichtert die Portierung auf andere Mikrocontroller. Möglich ist diese kostengünstige Passiv-Matrix-Ansteuerung jedoch nur aufgrund der steilen elektro-optischen Kennlinie und des bistabilen Verhaltens der electrowetting-Anzeigen von adt.

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Bild 6: Software-Flowchart der Display-Ansteuerung

Bild 6 zeigt den Flowchart der gesamten Software: Nach der Initialisierung erfolgt die Abfrage eines Schiebeschalters zur Auswahl des Darstellungsmodus, und die Software wählt je nach Schalterstellung eine Bargraph-Anzeige zur Visualisierung des Umgebungslichts (lichtempfindlicher Widerstand, LDR), eine symbolisierte Statusanzeige oder eine Siebensegment-Anzeige aus.

Die Zahlendarstellung ist als repetierende aufsteigende Folge von 0 bis 9 beispielhaft implementiert.

Nach Abschluss der jeweiligen inhaltlichen Änderung ermittelt die Software den Batteriestatus und visualisiert ihn. Anschließend erfolgt eine erneute Abfrage des Schiebeschalters.

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Bild 7: Prototypen-Platine des Electrowetting-Ansteuersystems: In einer Serienausführung sind die Dioden nicht notwendig

Bild 7 zeigt den prototypischen Aufbau der Schaltung. Das Display ist zur besseren Veranschaulichung nicht dargestellt, es wird über dem VFD-Treiber angebracht.

Reflexiven LCDs überlegen

In einigen Tests (zum Beispiel Dauerbetrieb) wurden die Hard- und Software sowie die adt-Displays erfolgreich evaluiert. Es entstand eine universell nutzbare Plattform, die leicht auf andere Anwendungen portierbar ist. Das Ansteuersystem wurde auch genutzt, um die Displayeigenschaften der Electrowetting-Anzeigen zu messen und zu verifizieren.

Ein Beispiel zeigt Bild 8: Sowohl im Innenbereich (links, 130 lx) als auch im Außenbereich (rechts, 95 000 lx) ist dieses E-Paper-Prinzip reflexiven LCDs weit überlegen.

Ein Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist, dass Electrowetting-Anzeigen eine höchst interessante Displaytechnik darstellen, die für viele Einsatzbereiche große Vorteile bietet:

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Bild 8: Umgebungslicht-Performanz von Electrowetting- und reflexivem LCD
  • Bistabil, also kein Stromverbrauch (ecofriendly), wenn sich der Anzeigeinhalt nicht ändert. Die adt-Anzeigen sind deshalb auch für Statusanzeigen besonders geeignet, da die EU hier eine Begrenzung des Standby-Verbrauchs auf 500 mW für Haushaltsgeräte bis 2012 festgelegt hat und jede LED in etwa 40 mW benötigt.
  • Aufgrund der »mechanischen« Bistabilität ist kein Refresh wie bei ladungsbasierten E-Paper-Technologien notwendig. Eine Anwendung wären hier beispielsweise »Remote Stations«, bei denen zum Beispiel bei Stromausfall der »letzte« Zusatnd angezeigt bleibt.
  • Anpassbare Pixelgröße von 0,5 mm bis 10 mm
  • Leicht anpassbare Farben, zum Beispiel auf das jeweilige Coroprate Design.
  • Einzige Displaytechnologie, die im stromlosen Zustand weiß ist. Dieser Designvorteil lässt sich beispielsweise bei Haushaltsgeräten optimal nutzen.
  • Druckerähnliche Farbwiedergabe mit anpassbarem Gamut.
  • Papierähnliches Erscheinungsbild im Innen- und Außenbereich.
  • Großer Temperaturbereich (ca. -40 °C bis + 120 °C)
  • Kommerzielles Ansteuer-IC (VFD) mit Vier-Draht-Schnittstelle zur leichten Implementierung in eigene Schaltungen. Ein ASIC zur Nutzung von Kostenpotenzialen ist geplant.

Mit der vorliegenden Arbeit wurde der Einsatz von bistabilen Electrowetting-Anzeigen des Herstellers adt für Status- und 7-Segment-Anzeigen erfolgreich verifiziert. Zukünftige Pläne sind elektronische Plakate, bei denen die relativ großen Pixel (ca. 2 mm) in etwa der Augenauflösung entsprechen. Die Farbdarstellung erfolgt dann per subtraktiver CMY-Farbmischung, was dem gegenwärtigen Plakatdruck entspricht.


  1. Tröpfchen als Display
  2. Ansteuerung von bistabilen Electrowetting-Displays