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Monochrome LCD-Displays – wie sie funktionieren und wo man sie einsetzt

Willkommen an der Riverdi University! Dieser Artikel behandelt die grundlegendste Art von LCD-Anzeigen – monochrome LCD-Anzeigen. Wir führen Sie durch die Grundlagen der Technologie, was sich dahinter verbirgt, wie sie funktionieren, wie die Pixel selbst funktionieren, und all das wird die Grundlage für unsere nächste Riverdi University-Vorlesung über den TFT (Dünnschichttransistor) bilden. In den nächsten Lektionen werden wir Farben und eine aktive Matrix hinzufügen, und jetzt werden wir über die einfachsten LCD-Displays und die Technologie dahinter sprechen.

Im Einzelnen geht es um TN, STN und FSTN, DFSTN und HTN-Technologie. Wir werden positive und negative LCD-Anzeigen erwähnen, wie sie sich voneinander unterscheiden. Als nächstes werden wir über das Licht in LCD-Displays sprechen, über reflektierende, transflektive und transmissive LCD-Displays. Wir werden auch über die Hintergrundbeleuchtung, Blickwinkel und Farben sprechen. Selbst monochrome LCD-Displays bieten verschiedene Farben. Natürlich sind die Displays immer noch einfarbig, d.h. es gibt eine Farbe für den Hintergrund und die Schriftfarbe, aber sie können verschiedene Farben haben, nicht nur schwarz und weiß.

Technologien für monochrome LCD-Anzeigen

Beginnen wir mit den Grundlagen der LCD-Display-Technologie. Die LCD-Anzeige ist mit Flüssigkristallen verwandt, und der Flüssigkristall ist ein ganz besonderes Material, das die Polarisation des Lichts ändern kann. Der Flüssigkristall ist in Wirklichkeit eine Flüssigkeit, die sich zwischen zwei Glasscheiben befindet, wie wir sie in jedem LCD-Display haben. Aufgrund der besonderen Eigenschaften des Flüssigkristalls können wir die Polarisation des Lichts durch elektrische Spannung ändern. Wir erzeugen ein elektrisches Feld zwischen diesen beiden Glasscheiben und bewegen dann die Kristalle im Inneren, wobei wir gleichzeitig die Polarisation des Lichts verändern. Das einfachste LCD-Display ist ein TN – Twisted Nematic. Es ist die erste und älteste Technologie, die heute noch verwendet wird. Seine Funktionsweise ist grundlegend. Zunächst einmal brauchen wir zwei Glasscheiben mit Flüssigkristallen darin. Dann brauchen wir Elektroden. Natürlich müssen die Elektroden transparent sein (in der Regel durch ITO-Beschichtung des Glases). ITO ist Indium-Zinn-Oxid, eine spezielle transparente, leitfähige Oberfläche auf dem Glas, die es uns ermöglicht, ein elektrisches Feld zwischen den beiden Glasscheiben, zwei Elektroden, zu erzeugen. Natürlich reicht es nicht aus, nur die Polarisation des Lichts zu ändern, um die Pixel ein- und auszuschalten und eine LCD-Anzeige zu erzeugen. Zunächst brauchen wir polarisiertes Licht, und um ein echtes Display zu erhalten, fügen wir zwei Polarisatoren hinzu, einen unten und einen oben auf dem Bildschirm. Sobald wir den Polarisator haben, haben wir polarisiertes Licht. Dann wird das Licht in den Flüssigkristallen verdreht, wenn diese sich im ausgeschalteten Zustand befinden. Im AUS-Zustand liegt keine Spannung an, das Licht wird durchgelassen, das Pixel leuchtet also. Wie Sie auf dem Bild oben sehen können, stehen die Polarisatoren im 90-Grad-Winkel zueinander. Das Licht geht durch den ersten Polarisator, schaltet den Flüssigkristall ein und tritt durch den anderen Polarisator wieder aus, wodurch das Pixel sichtbar wird. Echte Magie entsteht, wenn wir Spannung anlegen. Die Flüssigkristalle organisieren sich, die Lichtpolarisation wird nicht verändert, und da wir zwei Polarisatoren im 90-Grad-Winkel zueinander haben, wird das Licht durch den anderen Polarisator blockiert, und das Pixel leuchtet nicht, und das nennt man den EIN-Zustand. Durch Anlegen einer Spannung können wir das Pixel ein- und ausschalten, und sobald wir das tun können, haben wir ein LCD-Pixel, und mit einem Pixel können wir eine Matrix von Pixeln aufbauen und ein beliebiges Bild darstellen, also haben wir eine LCD-Anzeige.

Besonders wichtig und nützlich zu wissen ist, dass diese Kontrolle nicht nur den AUS- und EIN-Zustand betrifft. Wir können auch die Zwischenzustände kontrollieren, wir können vom weißen Pixel zum schwarzen Pixel in einigen Stufen übergehen, was uns eine Grauskala gibt. Die Skala kann 16 Schritte oder 256 Schritte lang sein. Normalerweise machen wir das über Bits, so dass es 16 zu 256 oder mehr sein wird. Bei einem TFT beispielsweise sind es Millionen, denn wir haben 24 Bits, die uns 16 Millionen Kombinationen für die Helligkeit jedes Pixels ermöglichen. Diese Technologie ermöglicht es uns, ein monochromes LCD-Display zu verwenden und Bilder in Graustufen darzustellen, aber normalerweise werden monochrome LCD-Displays nicht für diesen Zweck verwendet, weil die Technologie nicht perfekt genug ist. Es handelt sich um eine passive Technologie, d. h. es sind keine Transistoren mit der Zelle selbst verbunden, und die Steuerung der Helligkeit mit den Graustufen ist wirklich schwierig, so dass wir normalerweise nur EIN- und AUS-Zustände haben, um ein klares Bild zu erhalten.

Wenn wir erst einmal wissen, wie das Display und die Zelle funktionieren, und wir wissen, dass die grundlegendste LCD-Display-Technologie ein TN-Display, ein verdrehtes nematisches Display, ist, können wir uns andere Varianten ansehen. Es gibt viele von ihnen, aber die zweitbeliebteste ist STN – Super Twisted Nematic. Diese Technologie ermöglicht es uns, die Spannung zur Steuerung der Anzeige zu reduzieren. Sie ist besonders bei batteriebetriebenen Geräten nützlich und ermöglicht es uns, das Display direkt an die meisten Mikrocontroller anzuschließen, die mit 3 Volt oder noch niedrigeren Spannungen arbeiten, ohne spezielle Treiber. Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil ist der bessere Kontrast – wir sehen das Bild klarer. Wir haben in einer der früheren Riverdi University-Vorlesungen über Kontrast gesprochen – The Sunlight Readable Displays, wo Sie weitere wertvolle Informationen darüber erfahren können. Ein STN-LCD-Display kann schneller sein als ein TN-LCD-Display, das heißt, wir können es schneller aktualisieren und das Bild kann sich sogar bewegen oder klarer sein, wenn wir etwas auf dem Bildschirm ändern.

Eine andere Variante der monochromen LCD-Anzeige wird FSTN oder DFSTN genannt – Film compensated Super Twisted Nematic oder Double Film Super Twisted Nematic. Der Film ist eine zusätzliche Schicht, die wir auf das Glas auftragen und die die Bildqualität des Displays im Vergleich zu einem normalen TN- oder STN-LCD-Display verbessert. Durch das Hinzufügen der Folie haben wir einen höheren Kontrast – wir können einen schwärzeren Hintergrund wählen. In der Abbildung oben sehen Sie eine FSTN-Anzeige neben einer DFSTN-Anzeige. DFSTN bedeutet zwei FSTN-Schichten, und der Kontrast ist noch besser, wie Sie sehen, ist es schwärzer. Diese Technologien verursachen natürlich zusätzliche Kosten für den LCD-Bildschirm. Der billigste ist TN, STN ist etwas teurer und FSTN und DFSTN sind die teuersten. Diese Technologien sind, auch wenn sie sehr gut aussehen, nicht perfekt. Wenn wir die Betrachtungswinkel ändern, können wir sehen, dass der Kontrast sehr schnell verloren geht.

Diese Art von Technologie ist vor allem bei Anwendungen nützlich, bei denen wir direkt auf den Bildschirm schauen. Wenn wir das Display aus einem bestimmten Winkel sehen wollen, gibt es andere, geeignetere Technologien wie TFT oder OLED, aber monochrome Displays sind immer noch sehr beliebt, weil diese Technologie gut bekannt, bewährt und erschwinglich ist. Diese monochromen LCD-Displays sind in der Regel die günstigsten auf dem Markt erhältlichen LCD-Displays.

Eine weitere Variante sind HTN, High Twisted Nematic LCD-Displays. Diese Technologie ist ein wenig anders, aber ähnlich wie STN. Es wurde hauptsächlich für die Automobilindustrie entwickelt, und die Spannung zur Steuerung der Pixel ist sogar noch niedriger als bei STN-LCD-Anzeigen. Der Hauptvorteil von HTN-LCD-Displays ist jedoch der sehr breite Betriebstemperaturbereich.

Es gibt also mehrere Möglichkeiten, wenn wir uns für einen monochromatischen LCD-Bildschirm auf TN-Basis entscheiden, entweder STN und FSTN, HTN und andere Technologien. Es hängt immer von der Art der Anwendung, der Umgebung, der Temperatur und der Art des Lichts und der Farben ab, die wir benötigen.

Positive und negative LCD-Anzeigen

Was sind positive und negative Anzeigen? Es bedeutet den aktiven Zustand des Pixels. Wie in der obigen Abbildung dargestellt, handelt es sich um ein Pixel und einen Hintergrund. Eine positive Anzeige ist die einfachste, sie ist wie ein Taschenrechner. Was wir als Hintergrund sehen, ist nur der LCD-Bildschirm im normalen Zustand; wir können die helle Farbe des Hintergrunds durch die Hintergrundbeleuchtung erkennen. Im Beispiel auf dem Bild oben ist der Hintergrund gelb-grün, was die häufigste Hintergrundbeleuchtung für STN-Anzeigen ist, und die Pixel sind schwarz.

Bei einer negativen LCD-Anzeige ist die Situation umgekehrt. Das Licht ist normalerweise blockiert. Der Hintergrund in unserem Beispiel ist blau, weil es eine Eigenschaft des STN-Displays ist, dass die natürliche Farbe des LCDs blau wird, wenn wir weißes Licht darunter legen und eine negative Farbe erzeugen; aber wenn die Pixel das Licht nicht blockieren, sehen wir weiße Pixel. Die Hintergrundbeleuchtung ist also weiß und wird an den Stellen, an denen wir die Pixel haben, nicht blockiert.

Was ist die Anwendung für positive und negative Anzeigen? Positive LCD-Displays werden in der Regel bei stabilen Lichtverhältnissen verwendet und benötigen keine Hintergrundbeleuchtung. Bei einer positiven LCD-Anzeige ist es möglich, die Hintergrundbeleuchtung auszuschalten und trotzdem das Bild zu sehen. Wir können sie zum Beispiel in einem Taschenrechner verwenden, wo wir keine Hintergrundbeleuchtung benötigen, weil es sich um ein reflektierendes oder transflektives Display handelt. Bei einer negativen LCD-Anzeige benötigen wir immer eine Hintergrundbeleuchtung. Wenn Sie sich also für ein Display entscheiden und überlegen, welches Sie für Ihre Anwendung benötigen, sollten Sie auch an den Stromverbrauch denken. Wenn Sie ein batteriebetriebenes Gerät haben, dann ist die positive Anzeige wahrscheinlich die bessere Lösung, weil Sie damit die Hintergrundbeleuchtung ausschalten können, die der Hauptstromverbraucher ist, der Ort, an dem wir am meisten Energie verbrauchen. Bei negativen LCD-Anzeigen muss die Hintergrundbeleuchtung immer eingeschaltet sein, man kann sie nicht abschalten. Wenn wir die Hintergrundbeleuchtung einer negativen Anzeige ausschalten, sehen wir nichts mehr, sie ist also nicht die richtige Wahl für batteriebetriebene Geräte.

Transmissive LCD-Anzeigen

Sehen wir uns nun drei verschiedene Technologien an, die in Monochrom-Displays verwendet werden, wie das Licht übertragen wird und wie wir das Bild sehen. Die gängigste und am weitesten verbreitete Anzeige ist die transmissive LCD-Anzeige, bei der das Licht der Hintergrundbeleuchtung durch die LCD-Anzeige, den Polarisator, das LCD-Glas, den zweiten Polarisator, die Elektroden und die Oberfläche des Bildschirms (schwarzer Teil auf dem Bild) geleitet wird. Transmissive LCD-Anzeigen können negativ oder positiv sein, aber die Hintergrundbeleuchtung in einer transmissiven LCD-Anzeige muss immer eingeschaltet sein.

Reflektierende LCD-Anzeigen

Der nächste, ebenfalls recht einfache Anzeigetyp ist die reflektierende LCD-Anzeige. Im einfachsten Fall hat diese Art von Display überhaupt keine Hintergrundbeleuchtung. Ein Beispiel wäre ein Taschenrechner, bei dem wir normalerweise keine Hintergrundbeleuchtung haben und nur das reflektierte Umgebungslicht verwenden. Das Umgebungslicht geht durch den LCD-Bildschirm und wird dann auf dem Spiegel auf der Rückseite des Bildschirms reflektiert und zurückgegeben. Eine Variante des reflektierenden LCD-Displays könnte ein reflektierendes Display mit einer Frontbeleuchtung sein. Das Frontlicht gibt uns das zusätzliche Licht, das auf dem Spiegel auf der Rückseite des Bildschirms reflektiert wird.

Transflektive LCD-Anzeigen

Der dritte LCD-Anzeigetyp ist die transflektive LCD-Anzeige. Es handelt sich um eine Kombination aus dem transmissiven LCD-Display und dem reflektiven LCD-Display. Dabei werden beide Phänomene genutzt: zum einen die Reflexion und zum anderen die Transmission des Lichts. Bei den transflektiven LCD-Anzeigen benötigen wir einen Halbspiegel. Der Halbspiegel ist eine Art Spiegel, der die Hälfte des Lichts reflektiert und für die andere Hälfte des Lichts transparent ist.

Bei dieser Art von Display können wir externes Licht verwenden, um es zu reflektieren, und dann können wir die Hintergrundbeleuchtung ausschalten, aber in der Nacht, wenn wir kein externes Licht haben, können wir die Hintergrundbeleuchtung einschalten und dann können wir den Bildschirm wieder sehen. Diese Art von Displays ist bei monochromen LCD-Displays am weitesten verbreitet. Sie müssen positiv sein, das gleiche wie Reflective LCD-Displays, um die Reflexion zu erreichen, aber weil wir nicht brauchen die Hintergrundbeleuchtung während des Tages, können wir eine Menge Strom sparen.

Hintergrundbeleuchtung von LCD-Anzeigen

Jetzt werden wir über die Arten der Hintergrundbeleuchtung sprechen. Bei monochromen Displays gibt es grundsätzlich zwei Arten von Hintergrundbeleuchtungen. Am beliebtesten ist derzeit die Edge Light-Hintergrundbeleuchtung. Wir haben die LEDs nur am Rand des Bildschirms und wir haben einen Lichtdiffusor. Die LEDs befinden sich am Rand dieses Diffusors und pumpen das Licht in das Innere des Diffusors, dann wird das Licht von den Spiegeln reflektiert und tritt durch die LCD-Oberfläche aus. Zurzeit ist dies die gängigste und billigste Methode, um die Hintergrundbeleuchtung sehr effizient zu gestalten, da LEDs heutzutage sehr effizient im Stromverbrauch und in der Lichterzeugung sind.

Bei der anderen, ausgereifteren Technologie werden die LEDs für die Hintergrundbeleuchtung auf der gesamten Oberfläche des LCD-Bildschirms verwendet. Diese Technologie ist teurer, wir brauchen eine große Leiterplatte oder FPC, um LEDs hinter dem LCD anzubringen, und viele LEDs, um das Licht zu haben, daher wird sie nicht für monochrome LCD-Displays verwendet, aber sie wird manchmal für TFTs verwendet, für eine Funktion namens Local Dimming.

Betrachtungswinkel von LCD-Displays

Der nächste wichtige Punkt ist der Blickwinkel. Bei der LCD-Technologie ist es wichtig zu verstehen, dass das Bild, das wir sehen, wenn wir direkt auf einen Bildschirm schauen, völlig anders aussehen kann als das, was wir aus einem Winkel sehen. Dies ist in der Regel im Datenblatt des Displays sehr gut beschrieben. Die gängigsten Blickwinkel sind 50, 60 oder 70 Grad. Bei den besten TFT-Displays können die Blickwinkel sogar 89 Grad betragen.

Bei monochromen LCD-Displays sind die Zahlen in der Regel niedriger, und der Betrachtungswinkel ist der maximale Winkel, in dem der Benutzer ein klares Bild auf dem Bildschirm sehen kann. Es handelt sich also um eine recht einfache Definition, die jedoch normalerweise mit einer Kamera gemessen wird, so dass wir den tatsächlichen Kontrast messen. Es ist sehr wichtig, sich daran zu erinnern, dass wir bei einem zu großen Winkel kein klares Bild auf dem LCD-Bildschirm oder gar kein Bild sehen werden.

Farben in monochromen LCD-Anzeigen

Wie eingangs erwähnt, haben wir auch Farben für monochrome

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LCD-Anzeigen. Natürlich gibt es nur eine Farbe für die Hintergrundbeleuchtung und eine Farbe für die Zeichen, aber wie Sie hier auf dem Bild oben sehen können, könnte es viele Farben der Hintergrundbeleuchtung geben. Wir können eine weiße Hintergrundbeleuchtung, orange, grün, blau oder eine beliebige Farbe der Hintergrundbeleuchtung haben.

Es passt nicht jede Display-Technologie, positiv und negativ, aber wie Sie auf dem Bild oben sehen können, gibt es eine große Anzahl von Kombinationen von verschiedenen Technologien, positiv, negativ, STN, FSTN oder VA-Technologie (Vertical Alignment), ein wenig anders Technologie, so dass wir breite Betrachtungswinkel haben, und verschiedene Hintergrundbeleuchtung Farben. Es gibt also viele verschiedene Varianten, die für die Erstellung jeder Anwendung verwendet werden können.

Zeichen-LCD-Anzeigen und Grafik-LCD-Anzeigen

Im letzten Teil dieses Artikels geht es um Grafikdisplays und Zeichendisplays, den Unterschied zwischen ihnen und den Einfluss auf die Kosten eines LCD-Displays. Die grundlegendsten LCD-Anzeigen sind die segmentierten monochromen LCD-Anzeigen oder Symbolanzeigen. Bei dieser Art von LCD-Anzeigen gibt es nur einige Symbole und Zeichen, die jedoch bei der Herstellung der Anzeige festgelegt werden. Das, was wir auf dem Display sehen, ist festgelegt, und wir können nichts anderes haben, der andere Bereich ist komplett ausgeschaltet. Sie können nur die Anzeigesegmente ein- und ausschalten. Dies ist die billigste Technologie, die während der Produktion durch eine Maske hergestellt wird. Sie ist daher in der Regel Anwendungen mit hohen Stückzahlen vorbehalten, die während der Produktionsphase sehr genau definiert werden. Das kann zum Beispiel eine Art Uhr, ein Taschenrechner oder ein Temperaturregler sein. Der Vorteil sind die Kosten, aber der Nachteil ist, dass wir später nichts mehr ändern können, wir können die Software nicht ändern und ein anderes Symbol hinzufügen.

Monochrome LCD-Zeichenanzeigen

Eine andere Art von Display ist ein Grafikdisplay. Wir haben also Zeichenanzeigen und eine vollgrafische Anzeige. Die Zeichenanzeige ist auch eine sehr beliebte Technologie, und es ist eine Kombination zwischen einer Segmentanzeige und der grafischen Anzeige, weil wir die Felder haben, die definiert sind, und sie können nur die Zeichen, Buchstaben, Zahlen, Symbole und einige zusätzliche Zeichen zeigen, die von der Steuerung einer Anzeige definiert werden. Auf dieser Art von Bildschirm können wir nicht die gesamte Grafik darstellen, da jedes Zeichen physisch von den anderen getrennt ist.

Vollgrafische Monochrom-LCD-Anzeigen

Als Nächstes haben wir das vollgrafische Display. Bei dieser Art von LCD-Anzeige haben wir eine Matrix von Pixeln. Er kann 64 mal 256 oder 64 mal 128 Pixel groß sein. Auf dieser Art von Bildschirm können wir fast jedes Bild anzeigen, weil wir jedes Pixel ein- und ausschalten können. Wir können Buchstaben, Zeichen, Bilder, klein, groß, alles was wir wollen, darstellen. Der Nachteil ist die große Anzahl von Pixeln, die wir verbinden müssen. Der Controller und das Glas sind kompliziert, weil wir die Drähte von jedem Pixel aus dem Glas herausführen und mit dem Controller verbinden müssen. In der Familie der monochromen LCD-Displays ist diese Art von Display also die teuerste. Andere Arten von Bildschirmen sind billiger, nicht nur weil das Glas einfach ist, sondern auch weil die Steuerungen einfach sind.

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