Grafikdisplay Kriterien für die Auswahl eines elektronischen Displays

Autor / Redakteur: Thomas Biller * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bei der Wahl eines elektronischen Displays sollten Entwickler einige Kriterien unbedingt berücksichtigen. Denn jede Anwendung hat ihre spezifischen Anforderungen.

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Grafikdisplay: Displays für industrielle Anwendungen gibt es in vielen Ausführungen
Grafikdisplay: Displays für industrielle Anwendungen gibt es in vielen Ausführungen
(Bild: Schukat)

Die Schritte bei der Wahl eines passenden elektronischen Displays sind zwar variabel, aber es kommt auf einige wichtige Punkte an. Sollen nur Zahlen bzw. Zahlen und Buchstaben auf dem Display abgebildet werden, dann kommt aus Kostengründen eine Sieben-Segment- oder Dot-Matrix-Anzeige infrage.

Der Entwickler muss an dieser Stelle genau genau prüfen, ob eine solche Anzeige ausreichend ist. Sollen künftig auch Grafiken auf dem Display angezeigt werden, dann muss die Entscheidung Richtung Grafikdisplay gehen. Es kommt nicht allein auf den Inhalt an, der auf dem Display angezeigt wird. Wichtig für die Wahl des Displays ist der Umfang der darzustellenden Informationen.

Bei alphanumerischen Anzeigen umfasst dieser Punkt die Anzahl der erforderlichen Zeichen und Zeilen, bei Grafik-Anzeigen die Anzahl der für eine klare Darstellung erforderlichen Bildpunkte. Zusammen mit der benötigten Auflösung legt der Entwickler damit bereits das spätere Format fest: Hoch- oder Querformat.

Wie sich das Display korrekt dimensionieren lässt

Wenn der Darstellungsumfang festgelegt ist, dann folgt für die Auswahl das Seitenverhältnis. Durch unterschiedliche Segment- bzw. Pixelgeometrien können die Hersteller der Displays verschiedene Erscheinungsbilder und Seitenverhältnisse für gleiche Zeichengrößen oder Auflösungen in gewissen Grenzen umsetzen.

Damit die Anzeigengröße festgelegt werden kann, muss zunächst zwischen der Größe der Anzeige selbst, also Zeichenhöhe bzw. Sichtbereich, Viewing Area, und den Außenabmessungen, also den Einbaumaßen, der Anzeige unterschieden werden. Bei den gebräuchlichen Ableseentfernungen limitieren oftmals die Applikationen, das Gerät oder das Gehäuse die Anzeigengröße. So definieren beispielsweise Handheld-Geräte festgelegte maximale Abmessungen oder die Geräte-/Einbaugröße für die Anzeige. Ist die Entfernung zwischen Anwender und Display hoch, dann ist eine bestimmte Mindestgröße der Anzeige notwendig.

Die Anzeigegröße dimensionieren

Sind die äußeren Abmessungen noch nicht durch das zu entwickelnde Gerät vorgegeben, erfolgt die Dimensionierung der Anzeigengröße unter Berücksichtigung von Aspekten wie: vorgesehene Ableseentfernung, Auflösungsvermögen und Gesichtsfeld des Auges (Scharfsicht ohne Kopf- oder größere Augenbewegungen). Da das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges bis zu eine Winkelminute (1/60 Grad), das horizontale Gesichtsfeld ungefähr 40° und das vertikale ungefähr 30° betragen, ergeben sich folgende Werte:

  • Für normale Ableseentfernungen von 30 bis 50 cm: maximal Anzeigengröße 22 cm x 16 cm bis 36 cm x 27 cm, minimale Auflösung des Auges: 0,09 mm bis 0,15 mm.
  • Für größere Ableseentfernungen ab 5 m: maximale Anzeigengröße: 3,6 m x 2,7 m, minimale Auflösung des Auges: 1,5 mm.

Damit die Anzeige mit einem Blick vollständig erfasst werden kann, darf die maximale Anzeigengröße nicht überschritten werden.
Damit die Anzeige mit einem Blick vollständig erfasst werden kann, darf die maximale Anzeigengröße nicht überschritten werden.
(Bild: Schukat)

Um die Anzeige mit einem Blick vollständig erfassen zu können, darf die maximale Anzeigengröße nicht überschritten werden. Damit Anwender die Zeichen einer alphanumerischen Darstellung problemlos erkennen, sollte die minimale Zeichengröße ein Mehrfaches, ungefähr ein Faktor 10 bis 20, der minimalen Auflösung des Auges betragen. Bei Grafikdisplays ist die minimale Auflösung wichtig in Bezug auf die maximale Pixelgröße. Beträgt sie ein Vielfaches der minimalen Auflösung, wird die Grafik verpixelt wahrgenommen.

Ansteuerschnittstelle und Versorgungsspannung

Sobald feststeht, welcher Mikrocontroller die Anzeige ansteuert, ist in der Regel eine Schnittstelle vorgegeben: 8-Bit-Parallel, SPI oder I²C. Das schränkt die Display-Auswahl stark ein, denn eine einfache, langsamere Schnittstelle kann kein Farb- oder Grafikdisplay mit hoher Auflösung und Farbtiefe ansteuern. Bei den aktuellen Displays besteht oft die Wahl, diese über verschiedene Interfaces anzusteuern. Sofern der Entwickler bei der Schnittstellenwahl noch ungebunden ist, lässt sich am Ende des Designprozesses entscheiden, welche Schnittstelle am besten geeignet ist.

Ein anderer begrenzender Faktor für die Wahl des Displays ist die Versorgungsspannung. Für spezielle Anwendungen können bereits eine oder mehrere feste Versorgungsspannungen für alle Komponenten festgelegt sein. Viele Anzeigen hingegen kommen mit einer der gängigen Versorgungsspannung von 3,3 V oder 5,0 V aus.

Ein Frage der Optik: Mehrfarbig oder monochrom darstellen

Bei passiven LCD-Anzeigen und negativer Darstellung erscheinen die Zeichen bzw. Pixel in der Farbe des Backlights.
Bei passiven LCD-Anzeigen und negativer Darstellung erscheinen die Zeichen bzw. Pixel in der Farbe des Backlights.
(Bild: Schukat)

Ob das Display Farben darstellen soll, kann durch das Corporate Identity eines Unternehmens vorgegeben sein. Grundsätzlich gilt es zu entscheiden, ob eine mehrfarbige Anzeige, also die gleichzeitige Darstellung verschiedener Farben, oder eine monochrome Anzeige, etwa eine reine Zahlen-/Textanzeige bzw. Dot-Matrix-Anzeige, gewünscht ist. Bei monochromen passiven LC-Displays stellt sich die Frage nach der positiven oder negativen Darstellung, ob weiße Zeichen auf dunklem Hintergrund oder umgekehrt dargestellt werden sollen. Bei passiven LCD-Anzeigen und negativer Darstellung erscheinen die Zeichen bzw. Pixel in der Farbe des Backlights, das hier unbedingt erforderlich ist.

Soll auf eine LCD-Hinterleuchtung verzichtet werden, empfiehlt sich der Einsatz einer OLED-Anzeige.
Soll auf eine LCD-Hinterleuchtung verzichtet werden, empfiehlt sich der Einsatz einer OLED-Anzeige.
(Bild: Schukat)

Soll zur Minimierung der Leistungsaufnahme bei einer negativen Darstellung auf eine LCD-Hinterleuchtung verzichtet werden, empfiehlt sich der Einsatz einer OLED-Anzeige. Hier sind die Zeichen/Pixel selbstleuchtend, der Leistungsverbrauch ist wesentlich geringer und der Kontrast besser als bei vergleichbaren LC-Displays. Allerdings ist zu bedenken, dass die Kosten höher ausfallen. Bei mehrfarbigen Grafikdisplays wie 16,7M, 262k, 256 oder Farben besteht die Wahl zwischen verschiedenen Display-Techniken: mehrfarbige OLED-Anzeigen, passive LCD-Anzeigen/CSTN, Aktiv-Matrix-Displays/TFT und mehr.

Das HMI-Interface und die Umgebungsbedienungen

Mit einer Grafikanzeige kann das Display gleichzeitig als Eingabeeinheit bzw. Human Machine Interface (HMI) dienen. Entscheidet sich der Entwickler für diese Option, spart das möglicherweise Kosten für alternative Eingabekomponenten. In diesem Fall fällt die Wahl auf ein Grafikdisplay mit Touchpanel (PCAP oder resistiv).

Ebenfalls ausschlaggebend für die Wahl des Displays sind die zu erwartenden Umgebungsbedingungen: Staub und Feuchtigkeit, Betriebstemperaturbereich sowie vorherrschende Lichtsituation. Die Umgebungshelligkeit im Betrieb entscheidet darüber, ob grundsätzlich eine selbstleuchtende Anzeige wie LED oder OLED oder bei LC-Displays eine Hinterleuchtung (Backlight) erforderlich ist.

Display bei Dunkelheit oder schwacher Beleuchtung

Soll die Anzeige bei Dunkelheit oder schwachem Umgebungslicht ablesbar sein, schließt das rein reflektive LCD-Anzeigen aus. Das schränkt die Auswahl auf transflektive oder transmissive LC-Displays, wie STN, FSTN oder TFT mit Hinterleuchtung, sowie auf selbstleuchtende Anzeigetechniken wie LED/OLED ein. Fällt die Auswahl auf LCD-Anzeigen mit Hinterleuchtung, kann der Entwickler zwischen verschiedenen Hinterleuchtungs-Typen wie LED oder CCFL wählen. LED-Hinterleuchtungen punkten mit geringem Stromverbrauch und langer Lebensdauer.

Bei einer hohen Umgebungshelligkeit wie dem Einsatz im Freien sind eine ausreichende Helligkeit und ein hohes Kontrastverhältnis bei der Anzeige entscheidend. Hier eignen sich Anzeigen mit Helligkeiten von über 1000 cd/m² und einem Kontrastverhältnis von über 1000:1. Eine kontrastreiche Darstellung bieten E-Paper- und OLED-Displays. Für den Einsatz im Gebäude genügen Standardanzeigen mit 300 bis 600 cd/m² und 500:1 aus.

Die weiteren Umweltbedingungen bestimmen unter anderem die notwendige Schutzklasse des Displays. Bei einem geplanten Einsatz unter extremen Temperaturen, etwa im Umfeld des Automobilbaus, fällt die Wahl auf Displays mit erweitertem Temperaturbereich von -30 bis 85 °C oder sogar mehr. Standard-Displays sind für Temperaturbereiche von -20 bis 70 °C spezifiziert und eignen sich somit in Mitteleuropa für den Außeneinsatz.

Wenn es auf dem Betrachtungswinkel des Displays ankommt

Da ein Display bei extremen Betrachtungswinkeln immer dunkler und kontrastloser erscheint, sind zwei optische Charakteristiken zu beachten. Meist befindet sich der Betrachter mit den Augen ober- oder unterhalb der Display-Mitte und nicht genau senkrecht darüber. Für diese beiden Situationen lassen sich Displays bezüglich ihres Kontrastes optimieren: Schaut der Anwender überwiegend von unten, dann wählt der Entwickler eine Anzeige, die vom Betrachten einer Uhr entlehnt ist. In diesem Fall „Viewing Direction 6 o’clock“. Im umgekehrten Fall ist das „Viewing Direction 12 o’clock“. Displays mit Full Viewing besitzen keine Vorzugsrichtung bezüglich des vertikalen Betrachtungswinkels.

Den maximalen Betrachtungswinkel in horizontaler und vertikaler Richtung, in dem das Display noch akzeptabel ablesbar ist, spezifiziert der Parameter Viewing Angle. Soll die Anzeige selbst aus extremen Winkeln gut lesbar sein, ist ein Display mit dem größten Betrachtungswinkel in horizontaler Richtung die richtige Wahl. Gute TFT-Displays erreichen horizontale Betrachtungswinkel von bis zu ±85 Grad und können so von einem Betrachter abgelesen werden, der fast seitlich von der Anzeige steht. Für die meisten Applikationen reicht der Standard-Betrachtungswinkel von ±60° oder ±65°.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 4/2021 (Download PDF)

Die Leistungsaufnahme und Bildwechsel eins Displays

Die verschiedenen Display-Techniken und -ausführungen unterscheiden sich in Bezug auf die Leistungsaufnahme teilweise erheblich. Der Entwickler sollte nicht nur auf die tatsächlich benötigten Eigenschaften Wert legen, zusätzliche Eigenschaften erhöhen die Kosten. Vor allem bei portablen bzw. batteriebetriebenen Geräten ist die Leistungsaufnahme des Displays oftmals entscheidend. Sie steigt grundsätzlich mit der Größe und Ausstattung der Anzeige. Sind die Eigenschaften festgelegt, lässt sich beim Einsatz monochromer Anzeigen die Leistungsaufnahme durch folgende Kriterien stark reduzieren:

  • Soll im Dunkeln abgelesen werden, ist eine selbstleuchtende OLED-Anzeige einer LCD-Anzeige mit Backlight vorzuziehen. OLED-Anzeigen besitzen eine geringere Leistungsaufnahme und einen besseren Kontrast, sind aber kostenintensiver.
  • Für Displays in einer hellen Umgebung eignen sich reflektive LCD-Anzeigen oder E-Paper. Sie bieten ausreichend Kontrast und benötigen nur bei einem Bildwechsel Energie.

Ein nicht zu unterschätzendes Kriterium bei einem Display ist die Response Time, also der Bildwechsel. Sie gibt an, mit welcher Verzögerung der Bildinhalt gewechselt werden kann. Die Reaktionszeit von Standard-Displays genügt für die meisten Applikationen. Für eine flüssige Videowiedergabe kommen Displays mit weniger als 15 ms infrage. Aktuelle LCD-TFT-Displays auf dem Markt sind mit Reaktionszeiten von 5 bis 30 ms spezifiziert.

* Thomas Biller arbeitete als Produkt-Manager bei Schukat electronic.

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