Passive Matrix vs. Active Matrix – Ein Leitfaden für Anfänger

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.

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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.

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Matrix-Displays in LCD- und OLED-Technologien

Die Matrix-Technologie wird sowohl in LCD- als auch in OLED-Displays zur Steuerung der Pixel verwendet, jedoch unterscheiden sich die beiden Technologien in der Art und Weise, wie sie das Licht verwalten.

LCDs verwenden eine Hintergrundbeleuchtung, die durch Flüssigkristallzellen scheint. Die Matrix teilt jeder Zelle mit, wann sie sich öffnen oder schließen soll, und passt so die Lichtdurchlässigkeit an. Passive LCDs verwenden ein einfaches Gitter aus Elektroden, während aktive LCDs jedem Pixel einen Transistor zuweisen, um eine bessere Steuerung zu ermöglichen.

OLEDs benötigen keine Hintergrundbeleuchtung. Jedes Pixel leuchtet selbstständig. PMOLEDs (Passive Matrix OLED) verwenden einfache Gitter, während AMOLEDs (Active Matrix OLED) einzelne Transistoren für eine schnellere Reaktion und schärfere Bilder verwenden.

Beide Displaytypen verwenden Matrixadressierung, aber die Wahl der Matrix wirkt sich auf die Leistung, den Stromverbrauch und die Bildqualität aus.

PMOLED vs. AMOLED

Passive Matrix und aktive Matrix sind zwei Arten der Steuerung von OLED-Displays. Beide verwenden selbstleuchtende Pixel, der Unterschied liegt jedoch darin, wie diese Pixel angesprochen werden.

PMOLEDs nutzen einfache Zeilen- und Spaltenraster, um Pixel zu aktivieren. Diese Konfiguration schränkt die Auflösung und Größe ein, eignet sich jedoch gut für kompakte Displays, bei denen Einfachheit und geringer Stromverbrauch am wichtigsten sind.

AMOLEDs verwenden einen Dünnschichttransistor an jedem Pixel, was eine schnellere Umschaltung, einen höheren Kontrast und eine bessere Bewegungsklarheit ermöglicht. Dadurch eignen sie sich besonders gut für größere oder anspruchsvollere Anwendungen wie Smartphones und industrielle Schnittstellen.

Die Wahl zwischen PMOLED und AMOLED hängt vom erforderlichen Leistungsniveau ab: PMOLED für grundlegende Aufgaben, AMOLED für schnelle, detailreiche Darstellungen.

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Entwicklung der Matrix-Technologien

Die Matrixadressierung hat sich parallel zu den steigenden Anforderungen an eine bessere Bildschirmleistung weiterentwickelt. Frühe Implementierungen verwendeten aufgrund ihrer einfachen Konstruktion und geringeren Kosten passive Matrixsysteme. Diese waren häufig in Geräten wie Spielecontrollern, USB-Zubehör und kompakten Elektronikgeräten wie Passwort-Schlüsselanhängern zu finden, bei denen die Anforderungen an die Anzeige minimal waren.

Mit steigenden Erwartungen an Bildqualität und Geschwindigkeit wurde die Aktivmatrix-Technologie immer häufiger eingesetzt. Heute sind Aktivmatrix-Displays Standard in fortschrittlichen Anwendungen wie Smartphones, High-End-Fernsehern, Gaming-Monitoren und Geräten wie der Nintendo Switch. Passivmatrix bleibt eine praktische Wahl für Designs, bei denen geringer Stromverbrauch und einfache Bildausgabe im Vordergrund stehen.

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.

Verwandte : Unterschied zwischen LCD und OLED

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.

Weitere Informationen: Transmissive vs. reflektierende vs. transflektive Displays

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, verbrauchen Passivmatrix-Displays bei der Anzeige statischer Bilder weniger Strom.
• 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.

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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.

Weitere Informationen: Alles über Folien zur Verbesserung der Helligkeit

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.

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Passive vs. aktive Matrix

Passive und aktive Matrixanzeigen verwenden beide Pixelraster, steuern jedoch jedes Pixel unterschiedlich. Passive Matrixanzeigen verwenden ein einfaches Elektrodenraster, wodurch sie kostengünstig sind, jedoch in ihrer Reaktionsfähigkeit und ihren Betrachtungswinkeln eingeschränkt sind. Aktive Matrixanzeigen verwenden Transistoren zur individuellen Pixelsteuerung, was zu schnelleren Reaktionszeiten, schärferen Bildern und größeren Betrachtungswinkeln führt. Diese überlegene 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.

Überlegungen zur Energieeffizienz

Passive Matrix-Displays verbrauchen in der Regel weniger Strom, insbesondere bei der Anzeige statischer Inhalte. Ihre einfachere Struktur und das Fehlen aktiver Komponenten tragen dazu bei, den Energieverbrauch in grundlegenden Anwendungen zu senken.

Aktivmatrix-Displays verbrauchen aufgrund der konstanten Pixelsteuerung mehr Strom, insbesondere bei größeren oder helleren Bildschirmen. Durch Verbesserungen im Aktivmatrix-Design sind sie jedoch im Laufe der Zeit effizienter geworden.

Der Strombedarf hängt oft davon ab, wie oft der Bildschirm aktualisiert wird und wie komplex die Darstellungen sind. Einfachere Displays profitieren von der Effizienz passiver Matrizen, während fortschrittlichere Bildschirme Leistung gegen Stromverbrauch eintauschen.

Auswirkungen auf die Benutzererfahrung

Die Art und Weise, wie jede Matrix die Pixelreaktion verwaltet, hat einen direkten Einfluss darauf, wie ein Display aussieht und reagiert. Passive Matrix-Displays können bei Bewegungen eine deutliche Unschärfe oder Geisterbilder aufweisen, und die Farben können sich verändern, wenn man sie aus einem bestimmten Winkel betrachtet. Diese Nachteile fallen bei einfachen Benutzeroberflächen oder Geräten, die statische Inhalte anzeigen, weniger ins Gewicht.

Aktivmatrix-Displays bieten flüssigere Bewegungen, schärfere Bilder und konsistente Farben über größere Betrachtungswinkel. Dadurch eignen sie sich besser für Touch-Oberflächen, die Wiedergabe von Videos und alle Anwendungen, bei denen es auf Klarheit und Reaktionsfähigkeit ankommt.

Wann sollte man Passivmatrix gegenüber Aktivmatrix bevorzugen?

Passive Matrix-Displays sind sinnvoll in Geräten, bei denen Kosten, Einfachheit und geringer Stromverbrauch wichtiger sind als Geschwindigkeit oder Bildschärfe. Sie eignen sich gut für einfache Anwendungen wie Thermometer, kleinere Bedienfelder, Wearables und industrielle Messgeräte, die begrenzte oder statische Informationen anzeigen.

Die aktive Matrix ist die bessere Wahl für alle Displays, die Bewegungen oder hochauflösende Inhalte verarbeiten müssen. Wenn der Bildschirm häufig aktualisiert werden muss oder detaillierte Grafiken anzeigen soll, bietet eine aktive Matrix ein deutlich besseres Erlebnis.

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Vergleich zwischen passiver und aktiver Matrix

Aspekt	Passive Matrix	Aktive Matrix
Pixelsteuerung	Verwendet ein Raster aus Zeilen- und Spaltenelektroden.	Jedes Pixel wird durch einen eigenen Transistor gesteuert.
Bildqualität	Geringerer Kontrast und geringere Schärfe.	Höherer Kontrast, klarere Bilder.
Reaktionszeit	Langsamer, kann Unschärfe zeigen.	Schnell, besser für Videos und Bewegungen.
Stromverbrauch	Effizienter für statische oder einfache Inhalte.	Höher aufgrund der ständigen Kontrolle der Pixel.
Komplexität	Einfach, weniger Komponenten.	Komplexere Schaltkreise und Konstruktion.
Kosten	Geringere Produktionskosten.	Teurer in der Herstellung.
Beste Anwendungsfälle	Einfache Geräte, statische Anzeigen, kostensensible Anwendungen.	Hochauflösende Displays, interaktive und medienreiche Geräte.

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Schlussfolgerung

Passive und aktive Matrix-Displays erfüllen je nach Leistungs- und Designzielen eines Projekts unterschiedliche Aufgaben. Passive Matrix eignet sich besonders für einfachere Schnittstellen, bei denen Stromverbrauch und Kosten im Vordergrund stehen. Aktive Matrix wurde für Geschwindigkeit, Klarheit und Reaktionsfähigkeit entwickelt und ist daher die bevorzugte Wahl für moderne, leistungsstarke Displays.

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