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Ein stromsparendes TFT-Display behält seine Informationen

Autor / Redakteur: Rudolf Sosnowsky * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein TFT-Display erneuert seinen Inhalt 60 Mal in der Sekunde. Mit der Memory-In-Pixel-Technik wird der Inhalt aufrecht erhalten, ohne dass das Display periodisch aufgefrischt werden muss.

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Displays: Der Einsatz eines elektronischen Displays ist vielfältig. Ein wichtiger Aspekt beim Einsatz ist ein energiesparender Betrieb.
Displays: Der Einsatz eines elektronischen Displays ist vielfältig. Ein wichtiger Aspekt beim Einsatz ist ein energiesparender Betrieb.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Der Vorteil eines TFT-Aktiv-Matrix-Displays gegenüber einem STN-Passiv-Matrix-Display liegt im deutlich gesteigerten Kontrast. Jedes Pixel wird dazu von einem eigenen Transistor angesteuert und die Kurvenform der Ansteuerung ist steiler, das LCD-Material wird besser ausgesteuert und der Kontrast steigt. Die Elektroden müssen sich dazu jedoch auf einem Halbleiter-Substrat befinden, im Gegensatz zum STN, wo eine einfache leitfähige Struktur ausreicht, die von außerhalb der Matrix angesteuert wird. Das Ansteuerungsprinzip für ein Punktmatrix-Display ist in beiden Fällen gleich: Sequentiell wird das Signal Zeile für Zeile an das Display gelegt, und an den Spalten stehen die Signale für Ein- und Ausschalten des entsprechenden Segments in der Zeile an.

Der Ansteuertransistor befindet sich am Kreuzungspunkt von Zeile und Spalte. Ein kleiner, in Halbleitertechnik aufgebauter, Kondensator speichert das Ansteuersignal, bis nach 1/60 s der Bildinhalt aufgefrischt wird. Diese Schaltung wird auch Sample-and-Hold-Schaltung genannt.

Leider ist dessen Kapazität klein und die Ladung fließt durch Leckströme schnell ab. Daher muss bei jedem Scannen des Displays neue Energie nachgeliefert werden. Eine logische Weiterentwicklung der Idee besteht darin, die Kombination von Transistor und Speicherkondensator durch einen Halbleiterspeicher zu ersetzen, der die Information hält, bis sie überschrieben wird, oder die Versorgungsspannung entfernt wird (Bild 1). Das zeichnet die MIP- (Memory-In-Pixel-)Technik aus.

Wie das Display Graustufen und Farbe darstellt

Anders als bei TFT, bei dem der analoge Spannungswert für ein Pixel in einem Kondensator gespeichert wird, kann die Speicherzelle für das Pixel nur zwei Zustände annehmen. Die Darstellung von mehreren Grau- oder Farbstufen ist daher nicht möglich. Bei einem Monochrom-Display können Graustufen nur durch Dithering dargestellt werden; abwechselnd weiße und schwarze Pixel erwecken den Eindruck einer Graustufendarstellung.

Anders bei Farbdisplays: Ein spezielles Design der Pixelstruktur erlaubt es, vier unterschiedliche Graustufen oder Farbabstufungen pro Primärfarbe darzustellen (Bild 2). Jedes Pixel ist in zwei Subpixel mit unterschiedlichen Flächeninhalten unterteilt. Dadurch ist eine Gewichtung möglich, die unterschiedliche Intensitäten der Transmission oder Reflexion ermöglicht (Bild 3).

Durch die niedrige Leistungsaufnahme – 1/50 zu einem STN-Display nur 1/50 – eignet sich die Technik speziell für batteriebetriebene Geräte. Sie baut auf einem TFT mit CGS-Technik auf, wobei die zugrunde liegende Display-Technik TN ist, die im Vergleich mit anderen wie IPS mit wenig Energie auskommt. Der Kontrast ist deutlich besser als bei einem STN-Display, weil die Pixel nicht gemultiplext werden. Mit kurzen Schaltzeiten eignet sich ein MIP-Display sogar für die Wiedergabe von Animationen und Video-Sequenzen.

Das Interface ist sehr einfach und zeitunkritisch und daher von jedem Mikrocontroller ohne spezielle Hardwareunterstützung anzusteuern. MIP-Displays sind in monochromer Ausführung und als Farbdisplays mit 64 Farben erhältlich. Farbdisplays werden meistens Wearables eingesetzt und sind rund, während monochrome Versionen rechteckig sind, aber nicht unbedingt im Seitenverhältnis 4:3 geliefert werden. Die Diagonalen gehen von knapp über 1'' bis zu 4,4'' und Auflösungen bis 500 x 300 Pixel. Die Displays sind grundsätzlich reflektiv oder schwach transmissiv, also ohne Backlight. Die optischen Eigenschaften sind auf die das Umgebungslicht abgestimmt; mit einem leicht transmissiven Polfilter können sie bei schwachem Auflicht mit einem Backlight mit niedriger Stromaufnahme abgelesen werden. Durch den integrierten Speicher wird das Display quasi statisch angesteuert und muss nur bei einer Änderung des Inhalts aktualisiert werden.

Bild 1: Das Funktionsprinzip des Memory in Pixel (MIP).
Bild 1: Das Funktionsprinzip des Memory in Pixel (MIP).
(Bild: HY-LINE Computer Components)

Bild 2: Der Aufbau eines RGB-Pixels.
Bild 2: Der Aufbau eines RGB-Pixels.
(Bild: HY-LINE Computer Components)

Bild 3: Die Ansteuerung der Farben.
Bild 3: Die Ansteuerung der Farben.
(Bild: HY-LINE Computer Components)

Vergleich mit anderen Display-Techniken

Bild 4: Ein Vergleich der Farbkoordinaten.
Bild 4: Ein Vergleich der Farbkoordinaten.
(Bild: HY-LINE Computer Components)

Um die Eigenschaften eines MIP-Farbdisplays gegenüber anderen Techniken zu bewerten, wurden ein STN-Modul und ein TFT-Modul herangezogen. Da 100% kompatible Module nicht zur Verfügung stehen, wurden relativ vergleichbare Module ausgewählt. Das Bild 4 zeigt die Farbkoordinaten des MIP und des TFT im Vergleich, wobei zu unterscheiden ist, dass das MIP im reflektiven Betrieb arbeitet und das TFT transmissiv mit LED-Backlight. Da MIPs ohne Backlight geliefert werden, ist hier nur der Farbort des Farbfilters dargestellt, die tatsächlich sichtbare Farbe hängt von der Überlagerung des Farbfilters mit dem Spektrum des Backlights oder Auflichts ab.

Bild 5: Vergleichstabelle MIP-STN-TFT.
Bild 5: Vergleichstabelle MIP-STN-TFT.
(Bild: HY-LINE Computer Components)

Im Bild 5 sind Displays in verschiedenen Technologien einander gegenübergestellt. Zum Vergleich wurden aus den Datenblättern die typischen Werte entnommen. Wird das STN-Modul reflektiv, also ohne Backlight betrieben, beträgt die Stromaufnahme 190 mW, während sie beim MIP im schlechtesten Betriebsfall bei 1,2 mW liegt – ein Faktor von 150. Das Backlight des flächenmäßig ähnlichen TFTs ist sparsam, das Display kann aufgrund der transmissiven Eigenschaft nicht ohne betrieben werden. Alleine die Logik des TFTs benötigt den dreifachen Strom zum Betrieb. In den optischen Eigenschaften abgeschlagen liegt das STN-Display. Der Blickwinkel ist nur bei mäßigem Kontrast mit den anderen Displays vergleichbar. Bei der Leistungsaufnahme der Logik ist beim STN-Modul der Controller und der Framebuffer eingeschlossen, es braucht wie das MIP im Gegensatz zum TFT nur einmalig beschrieben zu werden und stellt den Inhalt autark dar.

Wie die Systemintegration funktioniert

Bild 6: Die Schnittstelle eines MIP-Displays.
Bild 6: Die Schnittstelle eines MIP-Displays.
(Bild: HY-LINE Computer Components)

Die elektrische Schnittstelle eines MIP ist einfach (Bild 6). Da das Display die Informationen speichert, ist kein kontinuierlicher Refresh nötig, und die Daten können vom Timing her unkritisch über SPI- oder eine Software-Schnittstelle an das Display übertragen werden. Dadurch eignen sich MIPs auch für leistungsschwache oder anderweitig ausgelastete Prozessoren. In Hardware muss das Display mit zwei Spannungen für die Logik (typ. 3,3 V) und das Display selbst (typ. 5 V) versorgt werden. Da LCDs mit einer Wechselspannung betrieben werden müssen, um Elektrolysevorgänge innerhalb der Zelle auszuschließen, kann ein Displaytakt entweder über einen separaten Anschluss oder per Software erzeugt werden; er braucht nur in der Größenordnung von 1 Hz zu liegen.

Anwendungsbeispiele

Mit seiner geringen Leistungsaufnahme kann das MIP-Display überall dort eingesetzt werden, wo Geräte aus leistungsschwachen Energiequelle versorgt werden müssen: Batterien, Solarzellen, durch sognanntes Energy Harvesting betriebene netzunabhängige Geräte. Geringe Leistungsaufnahme bedeutet auch, dass Energiequellen mit limitierter Kapazität sehr lange zur Versorgung eines MIP-Displays ausreichen.

Durch den reflektiven Betrieb mit leichter Transmissivität kann ein Backlight temporär zur Beleuchtung im dunklen Umfeld zugeschaltet werden, im Normalfall jedoch ist das Display durch das Umgebungslicht ablesbar. Ähnlich wie ein E-Paper ist die Ablesbarkeit in hoher Helligkeit am besten, das Display ist jedoch deutlich schneller und kann Videos und Animationen flüssig wiedergeben.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2020 (Download PDF)

Fazit: Die an Stelle eines Kondensators verwendete Speicherzelle erlaubt, den Leistungsbedarf des Displays sehr stark zu reduzieren. Durch Reduktion der Framefrequenz kann die Stromaufnahme sogar bis auf wenige Mikrowatt reduziert werden. Die Ansteuerung bleibt dabei einfach genug, um vom Systemprozessor nur niedrige Rechenleistung zu fordern. Monochrom- und Farbtypen ermöglichen einer Vielzahl an Applikationen, trotz beschränkten Energiebudgets ein Display zur Visualisierung einzusetzen. Die Ablesbarkeit des reflektiven Displays kann bei Bedarf durch ein einfaches Backlight gesteigert werden.

Glossar

Aktive-Matrix: Punktmatrix-Display, bei dem an den Kreuzungen von Zeilen und Spalten aktive Bauelemente, wie Transistoren, die Ansteuersignale verstärken -> Passiv-Matrix

CGS: Continuous Grain Silicon; Silizium-Halbleitertechnologie als Trägermaterial für TFT-Displays. Silizium liegt hier in regelmäßiger statt amorpher Kristallstruktur vor.

MIP: Memory In Pixel; hier beschriebene Erweiterung der -> Aktiv-Matrix-Technologie um ein Speicherelement an der Kreuzung von Zeilen und Spalten.

Passiv-Matrix: Punktmatrix-Display, bei dem die an den Kreuzungen von Zeilen und Spalten resultierende Differenzspannung Flüssigkristalle beeinflussen und damit Bildinhalte sichtbar machen -> Aktiv-Matrix

Reflektiv: Display-Aufbau, bei dem die Pixel im angesteuerten Zustand das einfallende Licht reflektieren und dadurch sich von denen im nicht angesteuerten Zustand unterscheiden -> Transmissiv -> Transflektiv

SPI: Serial Peripheral Interface; Schnittstelle, bei der die Daten seriell und durch einen Takt synchronisiert übertragen werden.

STN: Super Twisted Nematic; üblicher Zellaufbau eines Passiv-Matrix LCDs; fortgeschrittene Version von -> TN.

TN: einfachste Flüssigkristall-Technologie -> STN.

TFT: Thin Film Transistor; gemeint sind -> Aktiv-Matrix-Displays, die auf einem Halbleitersubstrat anstelle eines mit ITO beschichteten Glases aufbauen.

Transflektiv: Display-Aufbau, bei dem transmissive Anteile des Backlights und reflektive Anteile des einfallenden Lichts zusammenwirken -> Transmissiv -> Reflektiv.

Transmissiv: Display-Aufbau, bei dem die Pixel im angesteuerten Zustand das Licht des Backlights (ggf. gefiltert durch den Farbfilter) von hinten nach vorne passieren lassen -> Reflektiv -> Transflektiv.






* Rudolf Sosnowsky ist CTO bei HY-LINE Computer Components in Unterhaching bei München.

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