LEDs für Displays ansteuern Verbesserter Kontrast dank analoger und digitaler Dimmverfahren

Autor / Redakteur: David Gamperl* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Damit ein verbesserter Kontrast bei einem Display erreicht werden kann, wird bei einem speziellen IC für die LED-Hintergrundbeleuchtung auf das PWM-Signal eine analoge Stromsteuerung aufgesetzt.

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Auflösung und Kontrast: Moderne Treiberschaltungen für LED-Backlights kombinieren digitale und analoge Dimmverfahren.
Auflösung und Kontrast: Moderne Treiberschaltungen für LED-Backlights kombinieren digitale und analoge Dimmverfahren.
(Bild: eranicle/Fotolia.com)

Die Auflösung bei Displays für TV-Geräte aber auch für Displays im industriellen Umfeld steigt stetig und ist oft ein Kaufargument. Der Anwender ist bereit, Aufpreise für HD- (High-Definition-)Displays und für 4k-Displays zu zahlen. In den Startlöchern stehen bereits Modelle, die 8k-Auflösungen bieten. Hier allerdings für Endkunden oder für die medizinische Bildgebung. Neben der Auflösung spielt bei einem Display auch der Kontrast eine entscheidende Rolle, was sich seit der Einführung von HDR- (High-Dynamic-Range-)Displays zeigt. (Bild 1). HDR-Displays bieten einen wesentlich größeren Kontrast zwischen den hellsten Farben und den dunkelsten Schwarztönen.

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HDR-Displays benötigen ein helles Backlight

Für die Hersteller von HDR-Displays stellt die Entwicklung allerdings vor ein Problem bei der Systementwicklung: Der gewünschte hohe Kontrast erfordert eine besonders helle Hintergrundbeleuchtung, um die extrem hellen Bildelemente originalgetreu nachbilden zu können. Doch das Display muss sich auch niedrig dimmen lassen, um dunkle Bildelemente korrekt wiederzugeben. Gleichzeitig müssen die Hersteller strenge Vorschriften und Richtlinien einhalten: beispielsweise das Energy-Star-Programm des US-amerikanischen Energieministeriums, um den durchschnittlichen Energiebedarf eines Displays zu begrenzen.

Herkömmliche PWM-Methoden, um die Hintergrundbeleuchtung zu dimmen, erzielen bestenfalls ein Verhältnis von 1:1000 zwischen der höchsten und niedrigsten Helligkeit. Ein IC zum Ansteuern eines HDR-Displays, das ausschließlich digital PWM dimmt, mindert nicht nur die Bildqualität, sondern benötigt unnötig viel Energie. Notwendig ist ein neuer Ansatz, um die die LEDs für das Backlight anzusteuern, damit ein breiteres Spektrum zwischen den Spitzen- und Minimalhelligkeitsstufen bzw. eine granulare lokale Steuerung mehrerer Segmente der Display-Hintergrundbeleuchtung erreicht werden kann.

Eine komplexe Ansteuerung der LEDs ist erforderlich

Für tiefblaue, schwarze oder auch graue Farben muss das Backlight ausreichend gedimmt werden. Liegt die Spitzenhelligkeit bei 4000 cd/m² und ein herkömmlicher PWM-Controller bestenfalls auf 0,1% dimmen kann, dann ist die Minimalhelligkeit des Displays nicht niedrig genug. In der Praxis spezifizieren die Hersteller von HDR-Displays daher eine Spitzenhelligkeit von etwa 800 bis 1000 cd/m².

Mit diesem Kompromiss lassen sich sehr dunkle Farben besser wiedergeben. Eine rein digitale PWM-Steuerung liefert keinen Ausweg aus diesem Problem: Ein PWM-gesteuerter MOSFET hat eine bestimmte minimale Einschaltzeit, die unter anderem auch durch seine Schaltverzögerung bestimmt wird.

Ein weiterer limitierender Faktor ist, dass der LED-Controller selbst bei minimalem PWM-Tastverhältnis den LED-Strom sehr genau regeln muss, da große Abweichungen schnell sichtbar werden. Allerdings ist diese Regelung nicht unendlich schnell. Diese beiden Faktoren hindern PWM-Controller daran, auf weniger als 0,1 Prozent der Spitzenleistung zu dimmen.

Die Art der Hintergrundbeleuchtung des Displays wirkt sich auf den Kontrast und die Dimming-Anordnung aus. Viele Displays mit LEDs für die Hinterleuchtung sind kantenbeleuchtet: Wenn der Großteil des Bildes hell ist, wird die Hintergrundbeleuchtung für das gesamte Display mit voller oder fast voller Leistung betrieben. Und wenn der Großteil des Bildes dunkel ist, wird die Hintergrundbeleuchtung für das gesamte Display auf ein niedriges Niveau gedimmt.

Solch ein globales Dimming ist für HDR-Displays ungeeignet. Daraus folgt: Die HDR-Technik erfordert eine direkte Hintergrundbeleuchtung mit lokalem Dimming – eine Hintergrundbeleuchtungsarchitektur, die mehr LED-Kanäle und eine komplexere LED-Ansteuerung verlangt.

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