Zeichen-orientierte LCDs (Liquid-Crystal Displays) sind in der Industrie seltener zu finden. Eigentlich zu Unrecht, denn hinsichtlich ihrer Langlebigkeit sind sie unübertroffen. Die einzelnen Displays sind in 38 beziehungsweise 72 Segmente unterteilt. Letztere ermöglichen auch die Darstellung kleiner alphanumerischer Zeichen. Jedes Segment wird einzeln angesteuert und zwischen transparent oder deckend schwarz umgeschaltet. Im transparenten Zustand ist der hinter dem LCDGlas angeordnete, meist gefärbte „Lichtwandler“ zu sehen, der von der Hinterleuchtung angestrahlt wird. Da die Lichtwandler auftreffendes Umgebungslicht reflektieren, eignen sich LCDs sehr gut für helle Umgebungen, insbesondere im Außenbereich.

LCDs unterliegen keinem Verschleiß, sie funktionieren bei Betriebstemperaturen von –20 °C bis +80 °C. Das homogene Schriftbild ermöglicht eine optimale Ablesbarkeit aus großen Blickwinkeln. Auf Grund transflektiver Lichtwandler ist der Kontrast selbst bei Sonnenlicht brillant. In Verbindung mit einer Hinterleuchtung mit langlebigen LEDs (Light Emitting Dioden) entfällt der lästige Lampenwechsel der üblichen Leuchtstoffröhren. Zudem verringern sich Leistungsaufnahme und Betriebskosten. Gleichzeitig ermöglicht die LED-Beleuchtung einen um rund 60 % flacheren Aufbau. An Stelle von Leuchtstoffröhren setzt die Firma Wöhrle unmittelbar hinter den Lichtwandler ein Leuchtpaneel aus Acrylglas ein, an dessen Kanten das LED-Licht eingekoppelt wird. Dieses Licht tritt über die zum LCD gerichtete Fläche gleichmäßig aus. Neben dem kompakteren Aufbau – die Gesamttiefe beträgt lediglich 20 mm – sind wesentlich weniger LEDs notwendig als bei konventionellen Bauweisen. Zudem ist diese Sandwich-Konstruktion wesentlich unempfindlicher gegen eindringende Verschmutzungen, womit sich der Wartungsaufwand verringert. Abhängig von der geforderten maximalen Ablese-Entfernung gibt es Display- Gläser von 30 mm bis 600 mm Zeichenhöhe. Besonders für Anzeigen mit individueller Aufteilung, zum Beispiel bei einer Kombination von variablen und fixen Texten, lassen sich die Display-Gläser optimal einsetzen. Einschränkungen ergeben sich, wenn mehrfarbige oder grafische Darstellungen notwendig sind.

LED-Displays: Public-Viewing vor Ort

Was mit LED-Displays möglich ist, wurde spätestens beim Public-Viewing während der Fussball-WM deutlich. Die Geräte für die Darstellung von Prozessdaten im industriellen Umfeld sind zwar kleiner, bestehen aber aus den gleichen Komponenten. Damit solche LED-Displays handhabbar sind, werden mehrere LEDs auf einem Träger montiert. Diese Module können hinsichtlich ihrer Größe und Auflösung variieren. Als kleinstes Modul zur Darstellung alphanumerischer Zeichen ist das 5×7-Matrixmodul (Breite × Höhe) bekannt. Die Darstellungsgröße wird durch den so genannten Pitch bestimmt, der Abstand zwischen den benachbarten LEDs einer LED-Matrix. Monochrome LED-Module beginnen etwa bei einem Pitch von 4,5 mm, bei RGB-Modulen von 6 mm. Je größer die Betrachtungs-Entfernung, desto größer wird der Pitch gewählt. Im Gegensatz zu LCD-Modulen steigt mit dem Pitch aber die minimale Ablese-Entfernung. Wird diese unterschritten, rücken die einzelnen Lichtpunkte für den Betrachter weiter auseinander. Dies verschlechtert die Lesbarkeit. Das gleiche gilt für den Betrachtungswinkel: Je größer der Pitch, desto geringer der Ablesewinkel. Die auf einem Gesamtdisplay zur Verfügung stehenden Anzahl an LEDs bestimmt die Auflösung des Displays und signifikant den Preis.

Der klassische Aufbau der LCD-Hinterleuchtung

Als klare Vorteile gegenüber den LCDModulen sind die Grafikfähigkeit und der punktuelle Farbwechsel bei LED-Displays zu nennen. Anders als bei transflektiven LCDs verringert eine helle Umgebung oder direkt auf das LED-Display einfallendes Sonnenlicht den Kontrast und damit die Lesbarkeit der LED-Displays. Die Lebensdauer, das heißt der Helligkeitsabfall auf 50 % der Anfangshelligkeit, und die Helligkeit von LEDs haben verbessert. Die Lebensdauer beträgt heute bei den meisten Modulen 100 000 Betriebsstunden. Dies entspricht einem theoretischen Dauerbetrieb von etwa elf Jahren. Die Praxis sieht allerdings anders aus: Jede Erhöhung der Umgebungs- und damit der Betriebstemperatur, häufiges Ein- und Ausschalten, Stromschwankungen sowie die Welligkeit der Betriebsspannung reduzieren die tatsächliche Lebensdauer drastisch. Realistisch sind etwa 45 000 Betriebstunden.

Gehört TFT-Displays die Zukunft?

Bedingt durch die gigantischen Stückzahlen im Consumer-Markt (Flachbild- Fernsehgeräte) fallen die Preise für großformatige TFT-Displays (Thin Film Transistor) dramatisch. Einer Ablösung von LCD- oder LED-Großanzeigen durch TFT-Monitore steht damit eigentlich nichts mehr im Wege. Mit Standard- Auflösungen von 1366 × 768 Pixel bei WXGA und 1920 × 1080 Pixel bei WUXGA bei vollem Farbvolumen sind sie im Bezug auf Grafikfähigkeit jedem LED-Display weit überlegen. Ebenso überlegen sind sie bei einem Vergleich der Kosten pro Pixel oder Zeichen.

Die Einsatzbedingungen bestimmen das Produkt

Einsatz- und Auswahlkriterien für Großanzeigen: Die Reihenfolge der Anforderungen entspricht einer möglichen Gewichtung.

Dennoch gibt es Einschränkungen: beispielsweise beim Bildformat, das auf 16:9 festgelegt ist, und den genormten Displaygrößen. Individuelle Aufteilungen (LCD) oder Formate (LED) lassen sich nicht realisieren. Der Betriebstemperaturbereich von etwa +5 °C bis +40 °C fällt vergleichsweise bescheiden aus und erfordert unter Berücksichtigung der Verlustleistung bei industrieüblichen Umgebungstemperaturen ein Kühlkonzept. Standard-Displays haben eine Helligkeit von 500 cd/m² – zu wenig bei einer hellen Umgebung oder bei direkt einfallendem Sonnenlicht. Dann verlieren TFT-Displays dramatisch an Lesbarkeit. Für sonnenlichttaugliche Displays gibt es zwei Konzepte: Die Erhöhung der Backlight-Helligkeit auf 1000 bis 2000 cd/m²; dadurch erhöhen sich aber die Leistungsaufnahme und der Preis deutlich. Das zweite Konzept setzt auf transflektive TFT-Displays; die Grundhelligkeit dieser Displays entspricht dem Standard von rund 500 cd/m². Jedoch wird wie bei den LCD-Modulen das einfallende Licht zur Erhöhung des Kontrasts genutzt. Als sonnenlichttauglich haben sich transflektive TFT-Displays mit optisch gebondeter Frontscheibe erwiesen.

Als negative Eigenschaft der TFT-Displays gilt das so genannte Image-Sticking. Dieser „Einbrenneffekt“ entsteht, wenn über längere Zeit das gleiche Bild angezeigt wird. Das von Plasma-Displays und älteren TFT-Generationen bekannte schnelle „Einbrennen“, das bereits nach ein bis zwei Betriebsjahren sichtbare Spuren hinterließ, wurde durch Gegenmaßnahmen deutlich reduziert. Praktische Erfahrungswerte mit „Anti-Sticking“- Geräten jüngerer Generationen liegen noch nicht vor. Zur Ansteuerung der Displays wird üblicherweise ein Windows-PC mit dem erforderlichen Grafiktreiber eingesetzt. Diese Kombination ist nicht immer erwünscht und auch nicht zwingend erforderlich, da es Display-Controller gibt, die ohne Windows-Betriebssystem arbeiten.

Kein Patent-Rezept parat

Keine der drei Technologien wird allen Anforderungen im vollen Umfang gerecht. Deshalb sollten vor einer Produktentscheidung die Varianten unter realistischen Einsatzbedingungen untersucht werden – zumal ein Vergleich auf dem Papier nicht möglich ist: Bei der Auswahl von TFT-Displays ist die Display-Helligkeit wesentlich stärker zu gewichten als der Kontrast. Bei der Gegenüberstellung von LCD- und LED-Technologie lässt sich die Display-Helligkeit aber nicht unbedingt mit einer guten Lesbarkeit gleichsetzen: Bei LCD-Displays gibt es überhaupt keinen Parameter Helligkeit, da LCDs kein Licht emittieren. Die Lesbarkeit von LCDs hängt ausschließlich vom Kontrast ab. Ganz anders bei LED-Displays: Hier ist die Helligkeit maßgebend, der Kontrast dagegen irrelevant. Daher geht nichts über einen Vergleich der Technologien an Hand realer Geräte: In einer aus Fertigungszellen bestehenden Anlage sollte in jeder Zelle ein Informations- Display mit sechs Zeilen und jeweils 40 Zeichen installiert werden, um Fertigungs- Anweisungen als Texte anzuzeigen. Die Tiefe der Fertigungszellen liegt zwischen 5 m und 10 m. Favorisiert waren zunächst LED-Displays. Auf Grund der Platzverhältnisse vor Ort liegt die Lese- Entfernung meistens unter 5 m. Ein Testaufbau unter realen Bedingungen zeigte, dass LED-Displays wegen des Pixelabstandes und der intensiven Helligkeit der einzelnen LEDs ungeeignet sind. LCDs erwiesen sich in diesem Fall als wesentlich geeigneter: Deren flimmerfreies Schriftbild wurde von den Werkern als sehr angenehm und „wie gedruckt“ empfunden.

Autor: Wolfram Held ist Geschäftsführer bei Wöhrle electronic in Steinenbronn.