Energiesparende Displays
Verschiedene Technologien im Vergleich
Besonders bei portablen Geräten kommt es auf eine Unabhängigkeit vom Netz und ein kompaktes Design an. Die Elektronik darf dabei nur wenig Energie konsumieren. Im Vergleich zur Displaylogik nimmt das Backlight eine relativ hohe Leistung auf. Was also tun, wenn es gleichzeitig energiesparend, aber trotzdem auch unter hellen Umgebungsbedingungen wie im Freien gut ablesbar sein soll?
Nachdem die Beleuchtung des Displays einer der größten Verbraucher ist, soll für die Applikation eine Technologie ausgewählt werden, die möglichst wenig Energie verbraucht. Die folgende Abbildung zeigt die hier vorgestellten Technologien im Vergleich.
Reflektiv – transmissiv – transflektiv
Reflektive LCD in TN- und STN-Technologie werden in einfachen Anwendungen wie zum Beispiel Taschenrechner und Energiezähler verwendet. Sie verwenden das Umgebungslicht, um einen ausreichenden Kontrast herzustellen.
Transmissive Displays haben ein eingebautes Backlight. Sie eignen sich gut in Umgebungen mit mäßiger Helligkeit. Mit zunehmender Umgebungshelligkeit muss die Intensität des Backlights zunehmen, wodurch die Stromaufnahme steigt. Bei einem typischen TFT-Display (LG Display, 7“ Diagonale) benötigt die Logik 0,9W, das Backlight bei 450cd/m² hingegen 3W.
Transflektive Displays hingegen nutzen das einfallende Licht, um den Kontrast zu erhöhen. Ein Teil der inneren Struktur reflektiert das Licht, während ein anderer Teil das Licht des Backlights passieren lässt. Transflektive Displays sind als LCD in TN und TFT verfügbar. Sie werden dort eingesetzt, wo das Display sowohl bei viel als auch bei wenig Umgebungslicht ablesbar sein muss.
Geeignete Technologien
TN
Vorteile sind die geringen Stückpreise und Kosten für ein kundenspezifisches Design im Vergleich zu anderen Technologien. Daher werden sie in kostensensitiven Applikationen wie Verbrauchszählern eingesetzt. TN-Displays beginnen bei einfachen segmentierten Displays wie z.B. beim Wasseraufbereiter, gehen über Siebensegment-Anzeigen mit kundenspezifischen Icons bis hin zu Punktmatrixanzeigen.
Reflektives TFT
Im Vergleich zu TN können Displays höherer Auflösung, besserem Kontrast und weiterem Ablesewinkel gebaut werden. Die Leistungsaufnahme ist höher als bei TN, aber immer noch gering. Wie reflektive TN-Displays sind sie auf eine Beleuchtung von vorne angewiesen.
Transflektives TFT
Ein transflektives TFT kann bei allen Lichtsituationen eingesetzt werden. Im Dunkeln leuchtet das Backlight durch TFT und Farbfilter. In heller Umgebung wird der Kontrast durch das von außen einfallende Licht erzeugt.
MIP
Bei der MIP-Technologie (Memory In Pixel) ist parallel zum Schalttransistor für das Pixel eine Speicherzelle geschaltet ist. Solange die Versorgungsspannung anliegt, behält diese den eingespeicherten Wert. MIP eignen sich für Anwendungen, die lange mit einer begrenzten Energie auskommen müssen, wie z.B. Wearables. MIP-Display können reflektiv oder transflektiv realisiert werden.
Passiv-Matrix OLED
OLEDs sind selbst emittierend. Die Farbe wird von den verwendeten Materialien bestimmt. Energiesparend sind OLED besonders dann, wenn die Bildinhalte nur dünn besetzt sind, also bei der Anzeige von Text im „Dark Mode“ mit dunklem Bildhintergrund und heller Schrift. Die Helligkeit von OLED ist nicht sehr hoch, durch den dunklen Hintergrund ist der Kontrast sehr hoch und damit die Ablesbarkeit sehr gut. OLED kommen prinzipbedingt ohne Polfilter aus, trotzdem befindet sich an der Oberseite ein Polfilter, der Reflexionen minimiert.
E-Paper
Die E-Paper-Technologie verwendet bistabile, polarisierte eingefärbte Kügelchen, die in einem Kunststoffträger eingebettet, aber frei beweglich sind. Der Träger wiederum ist auf einem Substrat angeordnet, dessen Spannungspegel die Orientierung der Kügelchen beeinflusst. Für den besten Kontrast muss die Höhe der Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur genau eingehalten werden. Haben die Elemente ihre Position eingenommen, behalten sie diese ohne Energie bis zum nächsten Wechsel bei.
Vergleich der Technologien
In der Tabelle sind die verschiedenen Display-Technologien einander gegenübergestellt. Jede Technologie hat Stärken und Schwächen, so dass es auf den exakten Anwendungsfall ankommt, welche ausgewählt wird.
Erläuterungen der Indizes
- Das transflektive TFT nimmt nur wenig Leistung auf, solange das Backlight ausgeschaltet ist.
- MIP funktioniert auch (reflektiv) ohne Backlight und hat eine sehr geringe Leistungsaufnahme, die durch die reduzierte Framefrequenz unterstützt wird.
- Bei Passiv-Matrix-OLED benötigen nur die leuchtenden Bildelemente Strom für den Betrieb (Treiber-Chip vernachlässigt).
- Nicht selbst leuchtende Technologien müssen im Dunkeln mit einem Back- oder Frontlight unterstützt und beleuchtet werden.
- Frontlights werden besonders bei reflektiven TFTs und E-paper-Displays eingesetzt
- Die Farbsättigung ist bei transflektiven Displays im reflektiven Betrieb reduziert
- Rein reflektive TFTs sind für monochrome Darstellungen optimiert (Entfall des Farbfilters)
Anwendungen für energiesparende Displays
- Logistik: Ein- und Auschecken von Ware, Tracking, Inventur
- Mobilfunk: Tragbare Funkgeräte für Polizei, Feuerwehr, Rettungsdienste
- Fertigungsautomatisierung: Maschinensteuerung, Roboter, SPS, Prozess-Controller
- Test- und Messtechnik: Messwert-Erfassung, Diagnosegeräte, Programmiergeräte
- Medizin: Diagnosegeräte, Überwachungsanzeige in Pumpen, Patientenmonitor, Defibrillator, Thermometer
- Bau: Baumaschinen, Vermessung, Landwirtschaft, GPS
- Freizeit: Fitnessgeräte, Sportuhren, Smart Watch, Golf-Cart, Boot, e-Bike
- Home Automation: Steuergeräte für Heizung und Klima, Statusanzeige, Solarinverter, Küchenmaschinen, Energiezähler (Gas/Wasser/Strom)
- Batteriebetriebene Geräte: Rasierer, Zahnbürste, Fernsteuerung
- Outdoor: Geldautomat, Kassenterminal, E-Ladesäule, Zapfsäule
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