Elektronische Seekartentische verdeutlichen wie kaum ein anderes Beispiel, wie wichtig die Kombination aus großer Displayhelligkeit und der weitreichenden Regelbarkeit der Hintergrundbeleuchtung sein kann. D.h. tagsüber ist eine große Displayhelligkeit gefragt, damit der Seekartenplotter auf Schiffsbrücken mit vielen Fenstern gut ablesbar bleibt, während nachts der Bildschirm auf ein Minimum abgedunkelt werden muss – aus sicherheitstechnischen Gründen, denn er darf den Schiffsführer weder blenden noch dürfen Reflektionen in den Fensterscheiben die Sicht behindern.
Industrieeinsatz erfordert LED-Backlight
Für den Einsatz im Außenbereich müssen TFT LCDs eine ganze Reihe von Eigenschaften mit sich bringen: hohe Robustheit, Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen und lange Lebensdauer – eine Selbstverständlichkeit bei vielen Industrie LCDs. Für eine optimale Ablesbarkeit unter häufig wechselnden Lichtverhältnissen sind jedoch LED-Hintergrundbeleuchtungen unabdingbar, denn anders als herkömmliche Kaltkathodenlampen bieten sie die notwendige Dimmbarkeit über das gesamte Spektrum für eine flexible Steuerung der Displayhelligkeit. High Brightness Industrie LCDs, wie sie Sharp im Portfolio führt, verfügen zudem über genügend Leistungsreserven, die auch bei hellem Sonnenschein für eine gute Ablesbarkeit sorgen. Doch Vorsicht bei der Auswahl: Technologiebedingt benötigen LED-Backlights eine dezidierte Wärmeabfuhr, da Wärmestaus die Lebensdauer des Displays verkürzen können, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen. Sharp hat daher für LED hinterleuchtete Industrie LCDs eine patentierte Lösung entwickelt, bei der die Displaygehäuse daher gleichzeitig als Kühlkörper fungieren.
Was für elektronische Seekartenplotter insbesondere gilt, ist letztendlich aber für alle Applikationen relevant, die häufig und stark wechselnden Lichtverhältnissen ausgesetzt sind. Dazu zählen alle Systeme, die im Außen- und Halbaußenbereich eingesetzt werden wie beispielweise e-Kiosk Systeme, Verkaufsautomaten, Informationsterminals und e-Signagemonitore, aber auch portable Test- und Messgeräte oder Steuereinheiten für Land-, Forst und Baumaschinen.
Generell benötigen Displays unter direktem Sonnenlicht je nach Größe und Einbausituation in etwa 1200 cd/m², damit die Bildschirminhalte gut zu sehen sind, während bei Bewölkung rund die halbe Helligkeit schon ausreicht. Nachts sind hingegen schon 250 cd/m² deutlich ausreichend – mehr Helligkeit führt bei dunkler Umgebung zu Blendeffekten und störenden Reflektionen.
LED-Backlights – leicht dimmbar, sparsam und robust
Dort, wo es auf die Regelbarkeit der Displayhelligkeit ankommt, sind LED hinterleuchtete TFT LCDs gegenüber herkömmlichen Bildschirmen mit CCFL-Backlight generell im Vorteil. Kaltkathodenlampen lassen sich technologiebedingt nur in engen Grenzen dimmen. Anders LEDs: aufgrund ihres physikalischen Aufbaus und ihres extrem schnellen Ansprechverhaltens lässt sich ihre Helligkeit von Null bis zum Maximalwert stufenlos regeln. Dies geschieht bevorzugt digital durch Pulsweitenmodulation.
Positiver Nebeneffekt der guten Dimmbarkeit von LED Hintergrundbeleuchtungen ist eine erhöhte Energieeffizienz bei optimaler Displayausleuchtung. Denn im Gegensatz zu CCFL-Backlights lassen sich LEDs, die bei gleicher Helligkeit ohnehin in etwa nur die Hälfte der Leistung aufnehmen, einfach in Korrelation zum Umgebungslicht steuern. Entsprechend reduziert sich dann auch die Leistungsaufnahme nachts im Vergleich zur Volllast an sonnigen Tagen auf rund ein Fünftel.
Auch in puncto mechanischer Belastbarkeit haben LEDs als Displayhinterleuchtung die Nase vorne. Hinzu kommt jedoch, dass sich LEDs mit einer Niederspannung begnügen. Der Wegfall von Hochspannungskonvertern reduziert die Systemkomplexität des gesamten Displaymoduls, wodurch LED-Backlights wesentlich unempfindlicher gegenüber mechanischen Belastungen sind.
High-Brightness Displays mit Leistungsreserven für alle Lichtverhältnisse
Für den Außen- und Halbaußenbereich, wo Anwendungen schnell und sehr stark wechselnden Lichtverhältnissen unterliegen, hält Sharp eine Serie von High Brightness TFT LCDs mit Diagonalen von 12,1 bis 23,1 Zoll bereit. Mit einer Displayhelligkeit von bis zu 1200 cd/m² bieten sie genügend Leistungsreserven für eine gute Ablesbarkeit auch bei sehr hellem Tageslicht und direkter Sonneneinstrahlung. Dank der LED-Hintergrundbeleuchtung, lässt sich die Displayhelligkeit aber bei dunkler Umgebung einfach entsprechend zurück fahren. Die extrem hellen Backlights sind aber auch von Vorteil, wenn die Displays – wie bei e-Kiosk Applikationen, Verkaufs- und Bankautomaten und interaktiven Informationsterminals häufig der Fall – mit Touchscreens versehen werden. Das Aufbringen der berührungsempfindlichen, zusätzlichen Schicht reduziert die ursprüngliche Helligkeit des LCD-Moduls um rund zehn Prozent.
Zu den neuen High Brightness LCDs von Sharp zählt beispielsweise das im Aufmacherbild gezeigte 19-Zoll SXGA-Display vom Typ LQ190E1LX51, das eine Helligkeit von bis zu 1.000 cd/m² mit einem Kontrastverhältnis von 900:1 und einen Betrachtungswinkel von 170° bietet. Um eine Dimmfunktion zur Steuerung der Displayhelligkeit einfach realisieren zu können, sind beim LQ190E1LX51 bereits die Treiber für PWM-Dimming integriert. Neben den klassischen industriellen Anwendungen eignet es sich beispielsweise ideal für e-Kiosk-Applikationen, welche mittlerweile häufig im Halbaußen- aber durchaus auch im Außenbereich ihre Anwendung finden.
Das ebenfalls neue 23-Zoll UXGA-Display vom Typ LQ231U1LW32 liefert eine Displayhelligkeit von bis zu 500 cd/m², ein Kontrastverhältnis von 600:1 und ebenfalls einen Betrachtungswinkel von 170°. Es wird beispielsweise schon in elektronischen Seekartentischen auf Schiffen eingesetzt. Um die Dimmfunktion für den Nachtbetrieb einfach zu realisieren, hat auch das LQ231U1LW32 einen Treiber für das PWM-Dimming direkt mit an Bord.
Bild 3: Das 12,1 Zoll XGA-Display vom Typ LQ121X3LG02, welches Sharp bereits Mitte letzten Jahres vorgestellt hat, besticht durch eine Displayhelligkeit von bis zu 1.200 cd/m² sowie ein Kontrastverhältnis von 1.000:1.Alle Bilder Sharp
Das 12,1 Zoll XGA-Display vom Typ LQ121X3LG02, welches Sharp bereits Mitte letzten Jahres vorgestellt hat, besticht durch eine Displayhelligkeit von bis zu 1.200 cd/m² sowie ein Kontrastverhältnis von 1000:1 (Bild 3).
Auch bei den Themen Robustheit und mechanische Belastbarkeit überzeugen die neuen high-brightness LCD Module von Sharp: Das 19 Zoll LCD verkraftet sowohl im ein- als auch im ausgeschalteten Zustand Beschleunigungen von bis zu 19,6 m/s² beim Vibrationstest im Bereich von 57…500 kHz. Beim Standardstoßtest kann es im Betriebsmodus Stöße mit Beschleunigungswerten in der Größenordnung von bis zu 294 m/s² unbeschadet aushalten. Gute Werte verzeichnet hier auch das 23 Zoll LCD. Beim Vibrationstest im Bereich von 57…500 kHz kann es Beschleunigungen von bis zu 9,8 m/s² und beim Standardstoßtest Stöße mit Beschleunigungswerten in der Größenordnung von bis zu 147 m/s² verkraften.
Alle drei Displaytypen arbeiten in einem Temperaturbereich von -20 bis +60 Grad Celsius und sind somit sowohl für heiße Sommertage als auch für kalte Wintertage gerüstet. Mit einer Lebensdauer von mindestens 50.000 Stunden sowie langer Verfügbarkeit bietet Sharp seinen Kunden mit diesen Displays optimale Lösungen für den Einsatz im Außenbereich, gleichzeitig sind sie natürlich auch für Industrieapplikationen und Indoor-Anwendungen gut geeignet.
Herausforderung Temperaturmanagement
Bild 1: LCDs mit LED-Hinterleuchtung benötigen ein spezielles Wäremmanagement, um die Anforderungen an Industrie übliche Temperaturbereiche von -30…+80°C zu erfüllen. Bei Sharp erreicht man dies, in dem man die Abwärme über die besonders gestaltete Gehäus
Die Herausforderung bei der Integration von LED-Hintergrundbeleuchtungen in Industrie Displays ist und bleibt das Temperaturmanagement. Anders als für CE-Geräte spezifizierte Displays, die bei Raumtemperatur und auch nur über wenige Stunden am Tag betrieben werden, sind Industriedisplays häufig Temperaturen im Bereich von -20 bis 60 Grad Celsius und Dauerbetrieb ausgesetzt. Eine Herausforderung, insbesondere am oberen Ende der Temperaturskala.
Denn bei höheren Temperaturen sind LEDs empfindlich. Starke Wärmeentwicklung, die lokal an den Leuchtmitteln entsteht, muss effektiv abgeführt werden, da sie das LCD Panel und die Hintergrundbeleuchtung selbst schädigen kann, was zur erheblichen Minderung der Lebensdauer führt. Sharp hat für LED hinterleuchtete Industriedisplays daher ein spezielles Chassis entwickelt, bei dem die LEDs der Hintergrundbeleuchtung thermisch direkt mit den mechanischen Teilen des Moduls gekoppelt sind (Bild 2). Dadurch fungiert das Chassis gleichzeitig als Kühlkörper, der die Abwärme über die Rückseite des Displays effektiv an die Umgebung ableitet, so dass selbst bei hoher Umgebungstemperatur kein schädigender Wärmestau entsteht.
Bild 2: Sharp hat für LED hinterleuchtete Industriedisplays ein spezielles Chassis entwickelt, bei dem die LEDs der Hintergrundbeleuchtung thermisch direkt mit den mechanischen Teilen des Moduls gekoppelt sind.
Bei niedrigen Temperaturen sind LEDs technologiebedingt CCFLs ohnehin klar überlegen: bei Umgebungstemperaturen unter Null Grad Celsius können LED-Backlights eine Lebensdauer von mitunter 200.000 Stunden erreichen. Außerdem erbringen LEDs unmittelbar nach dem Einschalten die volle Lichtleistung während hier bei CCFLs, vor allem bei niedrigen Temperaturen, vom Anwender doch einige Geduld verlangt wird.
Interview mit Gunter Wegschal, Sharp
Warum LED-Backlight für Industriedisplays?
Mit dem Einsatz von LEDs zur Hintergrundbeleuchtung von LCDs in Fernsehgeräten wurde ein Paradigmenwechsel bei Flachdisplays eingeleitet. Da lag es auf der Hand, die Vorteile auch auf Industriedisplays zu übertragen.
Fragen an den Experten Gunter Wagschal, Projekt Manager bei Sharp, zur Industrietauglichkeit von LED Backlights. Sharp
Fragen an den Experten Gunter Wagschal, Projekt Manager bei Sharp, zur Industrietauglichkeit von LED Backlights.
Warum setzen LED-Backlights bei Industriedisplays erst jetzt durch wo sie doch bei LCD-Fernsehern schon längst Gang und Gäbe sind?
„An industrietaugliche Displays werden ganz andere Anforderungen gestellt, was vor allem auch die thermische Belastbarkeit und die tägliche Betriebsdauer anbelangt. CE Geräte sind generell für den Betrieb bei Raumtemperatur ausgelegt bei einer Betriebsdauer von 3…4 Stunden täglich. Screens im industriellen Umfeld müssen mitunter Umgebungstemperaturen von 60°C und mehr standhalten und dies bis 24 Stunden am Tag. Gerade bei hohen Betriebstemperaturen waren CCFL bis vor kurzem noch besser geeignet. Durch die zunehmende Energieeffizienz und damit verbunden geringere Abwärme von LEDs einerseits und durch ein spezielles Chassisdesign, wie es Sharp entwickelt hat, andererseits, können LEDs jetzt auch als Hintergrundbeleuchtung von Industrie LCDs ohne Abstriche in der Lebensdauer eingesetzt werden“.
Wie verhalten sich LED-Backlights bei extrem kalten Temperaturen?
„Bei Frost waren LEDs schon immer im Vorteil. Sie erreichen gleich beim Anlegen der Versorgungsspannung die volle Helligkeit, während CCFLs erst „warmlaufen“ müssen, bevor sie voll da sind – dies kann mitunter auch einige Minuten dauern. Im Gegensatz zu CCFLs verlängern kalte Temperaturen auch die Lebensdauer von LEDs bis auf 200.000 Stunden bei Temperaturen unter Null Grad. Abgesehen davon sind LEDs auch bei mechanischer Belastung deutlich robuster als CCFLs mit ihren Glaskörpern“.
Ganz generell, wie verändern LED-Hintergrundbeleuchtungen das Design von Mensch-Maschinen-Schnittstellen?
„Das Design von HMIs orientierte sich bislang immer an der maximal erforderlichen Displayhelligkeit, da das Dimmen von CCFLs deren Lebensdauer verkürzt. Dank der neuen Generation von Industrie LCDs mit LED-Hintergrundbeleuchtung haben Entwicklungsingenieure mehr Flexibilität und können die Standardeinstellungen für die Displayhelligkeit z.B. auf die Hälfte der Backlightleistung festlegen, ohne dass sich dadurch die Lebensdauer verkürzt. So bleiben genügend Reserven, um bei sehr hellem oder dunklem Umgebungslicht die Displayhelligkeit entsprechend nachzusteuern. Solche Situationen treten häufig bei Anwendungen wie e-Kiosksystemen und Informationsterminals auf, die im Freien oder Halbaußenbereich aufgestellt sind. Speziell für diese Anwendungen hat Sharp auch High Brightness Displays mit LED-Backlight im Programm, die Dank ihrer großen Helligkeit auch gegen Sonnenlicht ankommen, die aber unter normalen Lichtbedingungen problemlos bei halber Helligkeit betrieben werden können, ohne dass die Hintergrundbeleuchtung leidet. Sharp unterstütz diese neuen Designkonzepte und hat die neuen High Brightness LCDs gleich mit Treibern für PWM-Dimmung ausgestattet“.
Gunter Wagschal
(sb)
