Industrie-LCDs Flachbildschirme ersetzen Röhrenmonitore in der Industrie

Röhrenmonitore sind im Aussterben begriffen. Das gilt auch für Anzeigen in der Industrie. Dort setzen sich zunehmend TFT-LCDs durch, die den CRT-Monitoren in Bezug auf Helligkeit, Auflösung und Bildqualität den Rang ablaufen. Auch die Produktlebenszyklen übersteigen bereits die der bewährten Röhrengeräte.

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Bedingt durch steigende Nachfrage und sinkende Preise bei TFT-LCD-Monitoren für Desktop- und TV-Anwendungen sowie Notebooks haben Flachdisplays auch im industriellen Umfeld eine dominierende Position eingenommen. Zum einen verdrängen die Active-Matrix-TFT-LCDs die passiven STN- (Super Twisted Nematic)-Displays und zum anderen werden durch stärkere Visualisierung immer mehr Industrie-Steuerungen mit einem Flachdisplay ausgestattet.

Die Klassifizierung „Industrie-Display“ ist allerdings nicht immer nur streng auf das industrielle Umfeld anzuwenden. Vielmehr deckt dieser Begriff alle Anwendungen ab, die nicht in den Konsumermarkt passen. So zählen neben den klassischen Steuerungs- und Regelungsprozessen der Produktionsautomation auch Messgeräte, Informations- und Bediensysteme, Medizintechnik und Kassensysteme zum Marktsegment der Industrieanwendungen.

Bei der Auswahl von Flachdisplays für industrielle Anwendungen entscheiden andere Aspekte als bei Anzeigen für Konsumgüter, denn die Ansprüche der Kunden in diesem Segment unterscheiden sich in wesentlichen Punkten von denen bei Konsumerprodukten. So sind eine hohe und konstante Grundhelligkeit, hoher Kontrast und weite Blickwinkel entscheidende optische Eigenschaften für Flachdisplays. Aber auch die mechanische und thermische Belastbarkeit sind wichtige Kriterien. Zudem ist neben diesen displayspezifischen Eigenschaften eine auf die Industrie abgestimmte Produktpolitik notwendig.

Platzbedarf und mechanische Abmessungen

Gerade der Mangel an Platz ist ein typisches Problem, dem Designer von industriellem Equipment regelmäßig gegenüberstehen. Flachdisplays erfreuen sich daher schon seit längerem wachsender Beliebtheit in diesem Marktsegment. Die Vorteile gegenüber den traditionellen Röhrenmonitoren in punkto Abmessungen und Gewicht liegen auf der Hand. Flatpanels sind flexibler einzusetzen, lassen sich wesentlich leichter positionieren und wenn nötig, auch transportieren. Viele mobile Anwendungen wie Diagnosegeräte oder Erfassungssysteme sind erst durch Flüssigkristalldisplays möglich geworden.

Im industriellen Umfeld sind klar dargestellte und präzise ablesbare Bildinhalte zwingend erforderlich. In Werkhallen ist es meist sehr hell, und auch die nicht immer idealen Blickrichtungen auf eine Anzeigeeinheit stellen große Herausforderungen an ein Flachdisplay dar.

Je heller die Umgebung ist, desto schwieriger wird es, ein traditionelles transmissives Display mit seinen typischerweise 250 bis 300 cd/m2 abzulesen. Einige wenige LCD-Hersteller, darunter auch NEC, bieten daher ausschließlich TFTs mit Leuchtdichten von mindestens 400 cd/m2 an.

Für extreme Anwendungen empfehlen sich Displays in der so genannten Natural-Light-Technologie (NLT) mit typischen Helligkeitswerten von 600 bis 800 cd/m2 und antireflektiv behandelter Oberfläche. Transflektive Displays vereinen die Vorteile von transmissiven und reflektiven Anzeigen für Umgebungen mit wechselnden Lichtverhältnissen. Solche Panels lassen sich sowohl in dunklen Räumen als auch bei direkter Sonneneinstrahlung gut ablesen.

Eine andere Möglichkeit, die Ablesbarkeit eines LCDs zu verbessern, besteht darin, das Kontrastverhältnis zu erhöhen. Typische Werte für nicht-industrielle Displays liegen im Bereich von 200:1 bis 300:1, was unzureichend für einen Maschinenführer sein kann, der die Anzeige aus der Distanz ablesen muß. Displays mit einem Kontrastverhältnis von 600:1 oder höher sind wesentlich geeigneter und ermöglichen es, auch aus der Entfernung noch klar zwischen hellen und dunklen Bildinhalten zu unterscheiden.

Größe, Auflösung und Blickwinkel

Weite Blickwinkel sind ein weiteres Kriterium, denn im industriellen Umfeld ist das Bedienpersonal nicht immer optimal zur Anzeige positioniert. Daher ist es wichtig, ein Display aus den unterschiedlichsten Betrachtungsrichtungen ablesbar zu machen und dabei Verzerrungen oder Farbverfälschungen zu minimieren. Auf ein klassisches Display aus dem Konsumerbereich kann man hier nicht zurückgreifen, denn schon aus leicht versetzter Position wirkt das dargestellte Bild meist blass und „ausgewaschen“.

Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe von Technologien, die hier Abhilfe schaffen, indem sie die Blickwinkel bis 60° oder sogar 80° erweitern. Für die meisten Anwendungen ist das ausreichend. In-Plane-Switching-Technologie (IPS), Multidomain Vertical Alignment (MVA) und Super-Fine-TFT- (SFT)Technologie bieten hier Alternativen. Diese – für gewöhnlich patentgeschützten – Technologien erzielen deutlich größere Blickwinkel als die zuvor erwähnten, filmbasierten Lösungen. 85° bis mittlerweile 88° in jede der vier Richtungen sind hier heutzutage Standard.

Die Größe der aktiven Fläche und die Anzahl der Bildpunkte spielen selbstverständlich auch eine wichtige Rolle. Die gängigsten Displaydiagonalen im industriellen Sektor reichen von 6,5" über 8,4", 10,4" und 12,1" bis 15". Diese Bildgrößen genügen für gewöhnlich, um Daten, Messkurven oder Kombinationen aus beidem darzustellen, ohne dabei mehr Platz in einer Anlage zu beanspruchen als wirklich nötig.

Die benötigte Bildauflösung hängt natürlich von der Art der darzustellenden Information ab. Bisher galten VGA (640 × 480 Bildpunkte), Super-VGA (800 × 600) und XGA (1024 × 768) als ungeschriebene Standards. Allerdings ist hier in letzter Zeit ein klarer Trend hin zu Anzeigen im so genannten Weitformat zu beobachten. Solche Displays mit einem Seitenverhältnis von etwa 15:9 oder 16:9 ermöglichen bei Auflösungen von 800 × 480 Bildpunkten (W-VGA) oder 1280 × 768 (W-XGA) zum Beispiel eine deutlich komfortablere Darstellung von zeitlichen Abläufen.

Auch die zeitgleiche Anzeige von Messkurven und -daten nebeneinander ist bei solchen „wide aspect ratios“ sehr viel besser möglich, als im konventionellen Seitenverhältnis von 4:3. Alternativ kann auch ein Teil der aktiven Fläche genutzt werden, um mit Hilfe eines Touchpanels programmierbare Knöpfe und Schalter zu simulieren, wie in Bild 2 dargestellt. Die gesamte Bedienoberfläche einer Maschine lässt sich so erheblich vereinfachen, und mittels Software lässt sich eine universelle Steuereinheit für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche konfigurieren.

Langlebigkeit und Zuverlässigkeit

Die Fähigkeit, sowohl Temperaturschwankungen, als auch Schock und Vibrationen standzuhalten, zählt zu den wichtigsten Kriterien bei der Auswahl geeigneter Anzeigen. Ein Display muss robust genug sein, Stöße und Erschütterungen abzufangen, die die Anlage oder das Bedienpersonal verursachen. LCDs können das besser als CRTs, und diese Aussage trifft auch für Temperaturschwankungen zu.

Sowohl Lager- als auch zulässige Betriebstemperatur sind Schlüsselparameter für Anzeigen in der Industrie. Für gewöhnlich sind Displays in einem Gehäuse untergebracht und oftmals Teil einer noch kompakteren Einheit. Neben den Umgebungstemperaturen ist auch die Selbsterwärmung des Displays ein nicht zu unterschätzender Aspekt.

Wärmeabfuhr durch Kühlkörper oder Lüfter sind angemessene Gegenmaßnahmen, aber oft kann allein schon die Auswahl eines geeigneten Displays Temperaturprobleme lösen: Mit optimierten Mischungen des Flüssigkristalls, mit speziell ausgewählten Bauteilen und Komponenten, nicht zuletzt aber auch durch geschicktes Moduldesign bieten TFT-LCDs für den Industriesektor heute Arbeitstemperaturen von mindestens –10 bis 70 °C an, oftmals auch schon mehr.

In Zukunft werden hocheffiziente, weiße Leuchtdioden zur Displayhinterleuchtung die heute noch üblichen Leuchtstoffröhren (CCFL) Schritt für Schritt ersetzen. LEDs sind nicht nur einfacher anzusteuern (zu dimmen) als Leuchtstoffröhren, sie erzeugen bei gleicher Helligkeit auch wesentlich weniger Abwärme.

Wichtiges Kriterium: Langfristige Verfügbarkeit

Aber auch andere, nicht ganz so offensichtliche Aspekte müssen in Betracht gezogen werden. Maschinenstillstand kostet bares Geld. Nur gute Qualität garantiert lange Wartungsintervalle, und sollte in Ausnahmefällen eine Reparatur nötig sein, so muss diese in kürzester Zeit und vor Ort durchführbar sein. Ersatz- oder Verschleißteile – etwa Hinterleuchtungseinheiten - müssen verfügbar sein.

Displays in industriellen Applikationen erfordern lange Lebenszyklen. Kündigt ein Modulhersteller sein Produkt ab, so sollte ein kompatibles Nachfolgemodell angeboten werden, das bedingungslos in vorhandene Gehäuse passt und auch elektrisch keinerlei Re-design erforderlich macht.

Traditionell waren Röhrenmonitore hier auf Grund Ihrer guten Verfügbarkeit sehr attraktiv. Allerdings hat sich die CRT-Technologie in den vergangenen Jahren nicht mehr spürbar weiterentwickelt und viele Hersteller haben die Produktion sogar ganz eingestellt. Gleichzeitig hat die LCD-Technologie große Fortschritte gemacht. Die Produktlebenszyklen von LCDs halten problemlos mit denen früherer CRTs mit, teilweise übersteigen sie sie bereits. Auch im industriellen Umfeld gehört die Zukunft daher ganz klar den Flachdisplays.

*Frank Jammers ist Senior Engineer, LCD Product Unit, bei NEC Electronics Europe.

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