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.

Matrix Displays in LCD vs OLED Technologies

Matrix technology is used in both LCD and OLED displays to control pixels, but the way they manage light differs.

LCDs use a backlight that shines through liquid crystal cells. The matrix tells each cell when to twist open or closed, adjusting how much light passes through. Passive LCDs use a simple grid of electrodes, while active LCDs assign a transistor to each pixel for more control.

OLEDs don’t need a backlight. Each pixel lights up on its own. PMOLEDs (Passive Matrix OLED) use basic grids, while AMOLEDs (Active Matrix OLED) use individual transistors for faster response and sharper images.

Both display types use matrix addressing, but the matrix choice affects performance, power use, and image quality.

PMOLED vs. AMOLED

Passive matrix and active matrix are two ways of controlling OLED displays. Both use self-emitting pixels, but the difference lies in how those pixels are addressed.

PMOLEDs rely on simple row-and-column grids to activate pixels. This setup limits resolution and size but works well for compact displays where simplicity and low power use matter most.

AMOLEDs use a thin-film transistor at each pixel, allowing faster switching, higher contrast, and better motion clarity. This makes them a strong fit for larger or more advanced applications, such as smartphones and industrial interfaces.

The choice between PMOLED and AMOLED depends on the level of performance needed: PMOLED for basic tasks, AMOLED for high-speed, high-detail visuals.

Evolution of Matrix Technologies

Matrix addressing has progressed alongside growing demands for better screen performance. Early implementations used passive matrix systems due to their simple construction and lower cost. These were commonly found in devices like gaming controllers, USB accessories, and compact electronics such as password keychains, where display demands were minimal.

As expectations for image quality and speed increased, active matrix technology became more common. Today, active matrix displays are standard in advanced applications, including smartphones, high-end televisions, gaming monitors, and devices like the Nintendo Switch. Passive matrix remains a practical choice for designs that prioritize low power use and basic visual output.

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.

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Vorteile der Passivmatrix:

• Erschwinglich : Passivmatrix-Displays sind in der Herstellung günstiger, da sie weniger Komponenten benötigen.
• Lower power consumption (for static images): Since the pixels aren't actively controlled continuously, passive matrix displays can consume less power when displaying static images.
• 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

Passive and active matrix displays both use grids of pixels, but they control each pixel differently. Passive matrix displays use a simple grid of electrodes, which makes them affordable but limits their responsiveness and viewing angles. Active matrix displays use transistors for individual pixel control, resulting in faster response times, sharper images, and wider viewing angles. However, this superior performance comes at the cost of higher power consumption and a higher price.

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

Power Efficiency Considerations

Passive matrix displays typically use less power, especially when showing static content. Their simpler structure and lack of active components help reduce energy use in basic applications.

Active matrix displays consume more power due to constant pixel control, especially in larger or brighter screens. However, improvements in active matrix design have made them more efficient over time.

Power needs often come down to how often the screen updates and how complex the visuals are. Simpler displays benefit from passive matrix efficiency, while more advanced screens trade power for performance.

Impact on User Experience

The way each matrix manages pixel response has a direct effect on how a display looks and responds. Passive matrix displays can show noticeable blurring or ghosting during motion, and colors may shift when viewed from an angle. These trade-offs are less noticeable in simple interfaces or devices that display static content.

Active matrix displays offer smoother motion, sharper images, and consistent color across wider viewing angles. This makes them better suited for touch interfaces, video playback, and any application where clarity and responsiveness matter.

When to Choose Passive Matrix Over Active Matrix

Passive matrix displays make sense in devices where cost, simplicity, and low power use matter more than speed or image sharpness. They're a good fit for basic applications like thermometers, smaller control panels, wearables, and industrial meters that show limited or static information.

Active matrix is the better choice for any display that needs to handle motion or high-resolution content. If the screen is expected to refresh often or present detailed visuals, an active matrix will provide a noticeably better experience.

Comparison of Passive vs Active Matrix

Schlussfolgerung

Passive and active matrix displays serve different roles depending on the performance and design goals of a project. Passive matrix is a practical fit for simpler interfaces where power use and cost take priority. Active matrix is built for speed, clarity, and responsiveness, making it the preferred choice for modern, high-performance displays.

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