Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie Bildschirme scharfe Bilder und leuchtende Farben erzeugen? Die Antwort liegt in der Steuerung von Millionen winziger Pixel über die Pixeladressierung, die hauptsächlich über Aktiv- und Passivmatrix-Technologie erfolgt.

Was sind Matrixanzeigen?

Matrixdisplays sind elektronische Anzeigen, die aus einem Raster winziger Lichtelemente, den sogenannten Pixeln, bestehen. Durch das Ein- und Ausschalten einzelner Pixel entstehen Zeichen, Symbole, Bilder und Videoanimationen. Diese Displays sind in modernen digitalen Bildschirmen wie Fernsehern, Smartphones, Laptops, industriellen und kommerziellen Displays und mehr weit verbreitet.

Funktionsweise von Matrixanzeigen

Matrixdisplays erzeugen Bilder, indem sie den Ein- und Aus-Zustand jedes Pixels innerhalb eines Rasters aus Zeilen und Spalten steuern. Jedes Pixel kann mithilfe des sogenannten Multiplexings separat angesprochen werden, wobei Zeilen und Spalten selektiv aktiviert werden, um bestimmte Pixel zu beleuchten. Die Art und Weise, wie diese Schnittstellen gesteuert werden, unterscheidet Aktivmatrix- von Passivmatrixdisplays.

Passive Matrix-Displays

Passivmatrix-Displays sind eine Displaytechnologie, die jedes Pixel über ein Raster aus vertikalen und horizontalen Leiterbahnen, sogenannten Elektroden, steuert. An den Schnittpunkten dieser Zeilen und Spalten befinden sich Pixel. Durch Anlegen einer Spannung wird das Pixel an diesem Schnittpunkt aktiviert, wodurch sich seine optischen Eigenschaften ändern und es leuchtet.

Aufbau von Passiv-Matrix-Displays

Passivmatrix-Displays sind im Vergleich zu Aktivmatrix-Displays einfacher aufgebaut. Sie nutzen ein Elektrodenraster zur Steuerung der Pixel an ihren Schnittstellen anstelle einzelner Transistoren. Hier eine Übersicht der wichtigsten Komponenten:

• Zeilenelektroden: Dies sind horizontale Leitungen, die elektrische Signale leiten. Sie verbinden alle Pixel einer bestimmten Zeile.
• Spaltenelektroden: Dies sind vertikale Leitungen, die elektrische Signale leiten. Sie verbinden alle Pixel einer bestimmten Spalte.
• Pixelelektroden: Diese befinden sich an den Schnittstellen der Zeilen- und Spaltenelektroden und bestimmen die Lichteigenschaften jedes Pixels (Helligkeit, Farbe) basierend auf der angelegten Spannung. Bei Flüssigkristallanzeigen (LCDs) werden die Eigenschaften der Pixelelektroden durch das elektrische Feld beeinflusst, um die durchtretende Hintergrundbeleuchtung zu steuern. Bei organischen Leuchtdioden ( OLEDs ) ist die Pixelelektrode selbst das lichtemittierende Element. Durch direktes Anlegen einer Spannung an die Pixelelektrode wird Licht emittiert.

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Funktionsweise von Passivmatrix-Displays

Passivmatrix-Displays verwenden ein Raster aus dünnen Drähten (Elektroden), um jedes Pixel auf dem Bildschirm zu steuern. Dieses Rasteradressierungssystem macht Passivmatrix-Displays einfach und kostengünstig. Es werden lediglich zwei Sätze von Steuerleitungen benötigt: eine für die Zeilen (m Zeilen) und eine für die Spalten (n Zeilen). Insgesamt ergibt sich so eine Anzahl von (m+n) Steuerleitungen – ein deutlich einfacheres Design im Vergleich zu anderen Displaytechnologien.

So funktioniert es:

Rasteradressierung: Passivmatrix-Displays nutzen ein Raster aus Elektroden (Zeilen und Spalten), um die Pixel an ihren Schnittpunkten zu steuern. Um ein bestimmtes Pixel zu aktivieren, wird gleichzeitig eine Spannung an die entsprechende Zeile und Spalte angelegt. Dadurch entsteht am gewünschten Pixelschnittpunkt eine Spannungsdifferenz (Vsel – Von oder Vunsel – Voff), die den Pixel ein- oder ausschaltet. Bei LCD-Panels verändert dieses elektrische Feld die Ausrichtung der Flüssigkristalle und lässt so mehr oder weniger Hintergrundlicht durch (helles Pixel) oder blockiert es (dunkles Pixel). Bei OLED-Displays steuert die angelegte Spannung direkt die Helligkeit des einzelnen OLED-Elements.

Aktualisieren des Bildes: Da die Pixel ihren eigenen Zustand nicht lange beibehalten können, muss der Bildschirm ständig aktualisiert werden, indem dieser Vorgang sehr schnell Zeile für Zeile wiederholt wird.

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Vorteile der Passivmatrix:

• Erschwinglich : Passivmatrix-Displays sind in der Herstellung günstiger, da sie weniger Komponenten benötigen.
• Geringerer Stromverbrauch (bei statischen Bildern): Da die Pixel nicht kontinuierlich aktiv gesteuert werden, können Passivmatrix-Displays bei der Anzeige statischer Bilder weniger Strom verbrauchen.
• Geeignet für grundlegende Anwendungen : Gut geeignet für grundlegende Anwendungen, die keine hohe Auflösung oder schnelle Bildwiederholraten erfordern.

Nachteile der Passivmatrix:

• Langsamere Reaktionszeit: Der Aktualisierungsprozess von Passivmatrix-Displays ist langsamer als der von Aktivmatrix-Displays, was zu Geisterbildern und Unschärfe führen kann, was insbesondere bei sich schnell bewegenden Bildern oder Videos auffällt.
• Eingeschränkter Betrachtungswinkel: Die Art und Weise, wie die passive Matrix die Pixel steuert, schränkt den Betrachtungswinkel ein. Die Bildqualität kann sich erheblich verschlechtern, wenn Sie nicht direkt auf den Bildschirm schauen.
• Geringerer Kontrast: Passivmatrix-Displays weisen im Allgemeinen einen geringeren Kontrast auf als Aktivmatrix-Displays. Dies bedeutet, dass Schwarztöne gräulicher erscheinen können, was die Bildqualität insgesamt beeinträchtigt.

Passive Matrix-Anwendungen

Passivmatrix-Displays finden sich typischerweise in Anwendungen, bei denen hohe Auflösung und Bildwiederholfrequenz keine Rolle spielen. Beispiele hierfür sind Taschenrechner, E-Book-Reader, Wecker, Digitalthermometer und einige einfache Digitaluhren.

Aktivmatrix-Displays

Aktivmatrix-Displays sind eine Displaytechnologie, die im Vergleich zu Passivmatrix-Displays eine bessere Leistung bietet. Die gängigste Aktivmatrix-Technologie ist die TFT-Technologie (Thin Film Transistor). Bei diesen Displays wird jedes Pixel einzeln von einem eigenen Transistor gesteuert. Diese Konfiguration ermöglicht die direkte Steuerung jedes Pixels und sorgt so für schnellere Reaktionszeiten und eine bessere Bildqualität. Die einzelnen Transistoren sorgen dafür, dass jedes Pixel seinen Zustand bis zum nächsten Bildwiederholzyklus beibehält, was zu schärferen und stabileren Bildern führt.

Aufbau von Aktivmatrix-Displays

• Signalelektroden : Diese Spalten übertragen das Videosignal und liefern die Spannung, die zur Steuerung der Transistoren in jeder Spalte erforderlich ist.
• Steuerelektroden : Dies sind die Zeilen in der Matrix und sind für die Aktivierung der Transistoren verantwortlich. Die Steuerelektroden sind mit den Gates der Transistoren verbunden und schalten diese ein und aus.
• Dünnschichttransistor (TFT) : Jeder Pixel in einem Aktivmatrix-Display verfügt über einen Transistor, der als Schalter fungiert. Source (S) und Drain (D) des Transistors steuern den Stromfluss, während die Gate-Elektrode (G) diesen reguliert. Durch Anlegen einer Spannung an das Gate wird der Transistor eingeschaltet, wodurch Strom von Source zum Drain fließt und die Pixelelektrode auflädt. Schaltet man den Transistor hingegen aus, stoppt der Stromfluss, und die Pixelelektrode bleibt geladen, wodurch das Bild auf dem Bildschirm erhalten bleibt.
• Gemeinsame Elektrode : Diese gemeinsam geerdete Elektrode wird von allen Pixeln gemeinsam genutzt und erzeugt zusammen mit der Pixelelektrode das elektrische Feld, das zur Steuerung des Flüssigkristalls oder der lichtemittierenden Elemente im Pixel erforderlich ist.
• Pixelelektrode : Jedes Pixel im Display verfügt über eine eigene Elektrode, die die Lichtmenge steuert, die durch das Pixel hindurchtritt oder von ihm emittiert wird. Die Pixelelektrode wird vom Transistor angesteuert.

Funktionsweise von Aktivmatrix-Displays

Aktivmatrix-Displays arbeiten mit einem Raster aus Transistoren und Kondensatoren. Jedes Pixel ist mit einem eigenen Transistor gekoppelt, was eine präzise Steuerung seines Zustands ermöglicht. Wird eine Spannung an den Transistor angelegt, lädt dieser den mit dem Pixel verbundenen Kondensator auf, der seinen Zustand bis zum nächsten Aktualisierungszyklus beibehält.

So funktioniert es:

• Die Steuerelektroden (Reihen) werden nacheinander aktiviert, wodurch die Transistoren in der ausgewählten Reihe eingeschaltet werden.
• Die Signalelektroden (Spalten) liefern für jedes Pixel in der Zeile das den Bilddaten entsprechende Spannungssignal.
• Wenn eine Zeile ausgewählt wird, ermöglichen die entsprechenden Transistoren, dass die Signalspannung die Pixelelektroden auflädt.
• Die Pixelelektroden behalten die Ladung bis zum nächsten Aktualisierungszyklus bei und gewährleisten so eine stabile Bildanzeige.

Vorteile der Aktivmatrix:

• Überragende Bildqualität : Die Transistoren sorgen dafür, dass jedes Pixel seinen Zustand (ein oder aus) bis zum nächsten Bildwiederholzyklus beibehält. Das Ergebnis sind schärfere und stabilere Bilder mit besserem Kontrast.
• Schnelle Reaktionszeiten : Die individuelle Ansteuerung der Pixel ermöglicht schnellere Reaktionszeiten, wodurch die Pixel schneller ihre Farbe oder Helligkeit ändern können. Dies reduziert Unschärfe- und Ghosting-Effekte, insbesondere bei schnellen Bildern oder Videos.
• Bessere Betrachtungswinkel : Aktivmatrix-Displays bieten bessere Betrachtungswinkel.

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Nachteile der Aktivmatrix:

• Höhere Kosten : Ihre Herstellung ist komplexer und daher teurer.
• Stromverbrauch : Aktivmatrix-Displays verbrauchen im Allgemeinen mehr Strom.

Aktivmatrixanwendungen

Aufgrund ihrer überlegenen Leistung eignen sich Aktivmatrix-Displays ideal für nahezu alle modernen visuellen elektronischen Geräte, darunter High-End-Industriebildschirme, Smartphones, Tablets, Monitore und Fernseher.

Passive vs. aktive Matrix

Sowohl Passiv- als auch Aktivmatrix-Displays verwenden Pixelraster, steuern aber jedes Pixel anders an. Passivmatrix-Displays verwenden ein einfaches Elektrodenraster, was sie zwar kostengünstig macht, aber ihre Reaktionsfähigkeit und Betrachtungswinkel einschränkt. Aktivmatrix-Displays nutzen Transistoren zur individuellen Pixelsteuerung, was zu schnelleren Reaktionszeiten, schärferen Bildern und größeren Betrachtungswinkeln führt . Diese höhere Leistung geht jedoch mit einem höheren Stromverbrauch und einem höheren Preis einher.

Passivmatrix-Displays eignen sich für einfache, kostengünstige Anwendungen, während die Aktivmatrix-Technologie bei hochauflösenden, leistungsstarken Displays in der modernen Elektronik dominiert.

Schlussfolgerung

Beide Displaytechnologien haben Stärken und Schwächen. Die optimale Wahl hängt von den spezifischen Anforderungen des Projekts ab. Passive Displays können eine geeignete Option für kostenbewusste Anwendungen mit geringeren visuellen Anforderungen sein. Aktivmatrix-Displays sind jedoch die klare Wahl für Anwendungen, bei denen Bildqualität, Geschwindigkeit und Betrachtungswinkel im Vordergrund stehen.