Kalt-Kathoden-Fluoreszenz-Röhren (Cold Cathode Fluorescent Lamps, CCFLs) haben sich lange als Leuchtmittel zur Hinterleuchtung von Industriedisplays behauptet: Sie liefern eine große Helligkeit und vor allem bei großformatigen Displays eine hohe Lichtausbeute. Moderne LCD-Fernseher benötigen beispielsweise rund 500 Candela pro Quadratmeter (cd/m²), einige Industriedisplays 600 cd/m² und mehr. Ein 52-Zoll-Panel nimmt dabei eine Leistung von rund 230 W auf.
Um ein vergleichbar großes Panel mit aktuell verfügbaren LEDs zu hinterleuchten, bedarf es etwa 600 W. Weiterhin sprechen für die CCFLs der kompakte Formfaktor bei geringem Gewicht, die lange Lebensdauer von bis zu 60.000 Stunden sowie die hohe Verfügbarkeit der bewährten Technik. Aber CCFLs besitzen auch Nachteile, wie etwa die hohe Betriebsspannung. Die benötigten Spannungsinverter und Spannungsschutzvorkehrungen machen CCFL-Hintergrundbeleuchtungen zu komplexen Systemen. Zudem stoßen CCFLs schnell an ihre Grenzen, z.B. bei tiefen Temperaturen, beim Dimmen des Backlights sowie bei Vibrationen und anderen mechanischen Belastungen. Hinzu kommt die quecksilberhaltige Gasfüllung der Röhren. Für CCFLs gibt es zwar eine Ausnahmeregelung vom RoHS-Reglement, doch nur so lange wie keine adäquate Alternative zur Verfügung steht.
LEDs für großformatige Displays
LEDs sind generell dazu geeignet, CCFLs als Leuchtmittel für mittlere und große Displays zu ersetzen. Zunächst einmal wiegen sie die oben angeführten Nachteile der Röhren auf: So begnügen sich LEDs beispielsweise mit einer Niedervoltversorgungsspannung. Dadurch entfällt der für CCFL-Lampen notwendige Hochspannungskonverter. Konsequenz: Neben einer reduzierten Systemkomplexität lassen sich LCDs mit LED-Backlight überall dort gut einsetzen, wo Hochspannung unerwünscht ist, etwa in explosionsgefährdeten Bereichen. Dazu gehören in der Regel Produktionsstätten, wo große Mengen Stäube auftreten, zum Beispiel in Betrieben, in denen Mehl verarbeitet oder leicht entzündliche Flüssigkeiten gehandhabt werden.
Weiterer Vorteil von LEDs als Hintergrundbeleuchtung ist ihr schnelles Ansprechverhalten. CCFLs erbringen die volle Lichtleistung erst, wenn sie ihre normale Betriebstemperatur erreicht haben. Das kann schon bei Raumtemperatur einige Minuten dauern. LEDs hingegen erreichen selbst in kalten Umgebungen ihre volle Leuchtkraft sobald die Betriebsspannung anliegt. Leuchtdioden lassen sich zudem über einen weiten Bereich stufenlos dimmen und enthalten kein Quecksilber. Darüber hinaus sind sie mechanisch wesentlich robuster als CCFLs. Dies ist ein wichtiger Aspekt, vor allem bei Displays für die große Bandbreite industrieller Anwendungen. Die Lichtleistung ist jedoch der entscheidende Punkt für den Einsatz von LEDs als Hintergrundbeleuchtung für großformatige Displays. Hier haben sich die Dioden der neuen Generation deutlich verbessert. Die LEDs für Backlights von Sharp liefern inzwischen eine Helligkeit im Bereich von 2 bis 2,3 Candela und liegen damit gut ein Viertel über dem Leistungsniveau der Vorläufermodelle. Werden weniger LEDs für die geforderte Displayhelligkeit benötigt, sinkt der Strombedarf deutlich. Trotz aller Fortschritte bei der Entwicklung effizienter LEDs liegt die Leistungsaufnahme von mit LEDs hinterleuchteten Displays vergleichbarer Größe noch um den Faktor 2,5 bis 3 über dem von LCDs mit CCFL-Backlight. Genau in der im Vergleich zu CCFLs erhöhten Leistungsaufnahme von LEDs liegt die Herausforderung beim Design von Industriedisplays mit LED-Backlight. Der von den Leuchtmitteln aufgenommene Strom wird größtenteils in Wärme umgewandelt, wobei LED-Backlights die ungefähr 2,5- bis 3-fache Wärmemenge produzieren. Hinzu kommt, dass lokal im unmittelbaren Umfeld der Leuchtdioden sehr hohe Temperaturen entstehen. Auf diese Weise kann im Displayinneren ein Hitzestau entstehen, der den LCDs zusetzt, sofern die Wärme nicht abgeführt wird. Industrie-LCDs mit LED-Hintergrundbeleuchtung benötigen daher ein dezidiertes Wärmemanagement.
Wärmemanagement gegen Hitzestau
Viele Displayhersteller ersetzen allerdings nur die CCFL-Kartusche durch einen mit LEDs besetzten Einschub. Da hier keine direkte Verbindung mit dem äußeren Panelgehäuse besteht, kann die Wärme nur schlecht entweichen. Die Folge ist häufig ein Wärmestau im Bereich der Hintergrundbeleuchtung, der die Flüssigkristalle und die Farbfilter schädigen kann. Herkömmliche LCDs mit LED-Backlight sind daher nur für vergleichsweise geringe Maximaltemperaturen ausgelegt und haben eine im Vergleich zur CCFL-Variante verkürzte Lebensdauer. Durch ihre speziell für die LED-Hintergrundbeleuchtung entwickelten Gehäuse verfügen die Industriedisplays des Herstellers über ein dezidiertes Wärmemanagement, bei dem Wärmeleiter die Abwärme der LEDs an die rückwärtige Außenseite des Panels transportieren, wo sie leicht an die Umgebung abgegeben werden kann.
Die aktuellen LED-Backlight-Varianten aus der Strong-2-LCD-Serie des Herstellers erfüllen daher die volle Industriespezifikation mit einer Lebensdauer von 50.000 Stunden. Je nach Modell liegt die Betriebstemperatur im Bereich von –30 bis 80 °C. Dabei bieten die mit LEDs hinterleuchteten LCDs Betrachtungswinkel von bis zu 160 Grad in alle Richtungen, 262.144 Farben sowie eine spezielle Antireflektionsbeschichtung. Damit eignen sich die aktuellen TFT-LCDs besonders für solche Anwendungen, wo harte Umgebungsbedingungen auf schnell wechselnde Lichtverhältnisse treffen – zum Beispiel im Außenbereich bei Forst-, Landwirtschafts- und Baumaschinen sowie im Transportwesen. Wenn es um farbechte Bildwiedergabe geht, sind LEDs den CCFLs als Hintergrundbeleuchtung klar überlegen. Verglichen zum NTSC-Standard lassen sich Werte von 120 Prozent und mehr erreichen. LED-Backlights ermöglichen somit eine naturgetreuere Bildwiedergabe als CCFL-Röhren, die nur einen Farbgammut von rund 75 Prozent erreichen. Die sehr hohen NTSC-Werte werden speziell mit RGB-LEDs erzielt: Durch separate Ansteuerung der Rot-, Grün- und Blau-LEDs lässt sich die Spektralzusammensetzung der Hintergrundbeleuchtung in Korrelation zum Bildschirminhalt optimieren. Solche Systeme werden künftig vor allem in Displays mit Bildschirmdiagonalen ab etwa zehn Zoll eingesetzt. Es muss allerdings genügend Platz für RGB-LEDs vorhanden sein. Mögliche Anwendungen sind beispielsweise Geräte der medizinischen Diagnostik oder im Bereich Grafik, Werbung und Medien, wo es auf eine naturgetreue Farbwiedergabe besonders ankommt. Ist eine kompaktere Bauweise gefragt, führt eine Verbesserung der Phosphorbeschichtung der LED-Chips zu höheren NTSC-Werten. Herkömmliche Weißlicht-LEDs bestehen aus einer blauen Diode, die mit gelbem Phosphor beschichtet ist. Das Wellenspektrum dieser Pseudo-Weißlicht-LEDs besteht aus einem scharfen Blaulichtpeak bei 450 nm und einem breiten Kegel zwischen circa 500 und 630 nm. Durch eine Mischung von rotem und grünem Phosphor konnte der Hersteller den breiten Kegel des Wellenspektrums in zwei, wenn auch breite Peaks mit Intensitätsspitzen bei 540 und 640 nm auflösen. Die Folge ist eine deutlich größere Abdeckung des natürlichen Farbspektrums mit einem NTSC-Wert von bis zu 80 Prozent.
Fazit
Vor allem dort, wo es auf Aspekte wie hohe Farbtreue bei der Bildwiedergabe, große Robustheit, weiten Helligkeitsregelbereich und die Vermeidung von Quecksilber und Explosionsschutz ankommt, sind LED-Backlights gegenüber den herkömmlichen Kalt-Kathoden-Fluoreszenz-Röhren im Vorteil.
In puncto Lichtleistung haben LEDs gegenüber den CCFLs noch erheblichen Nachholbedarf. Wer jedoch bereits heute auf die neue Backlight-Technik setzt, muss darauf achten, dass die Displays mit einem dezidierten Wärmemanagement ausgestattet sind. Ein Hitzestau im Inneren des Displays kann ansonsten die Lebensdauer drastisch verkürzen.
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