LCD-Hintergrundbeleuchtung für industrielle Anwendungen: Typen, technische Daten und Auswahlhilfe

Ein LCD-Bildschirm steuert, wie viel Licht durch jedes einzelne Pixel hindurchgelassen wird, erzeugt jedoch kein eigenes Licht. Die dahinter liegende Hintergrundbeleuchtung sorgt dafür, dass das Bild sichtbar wird.

Die meisten modernen industriellen TFT-LCDs verwenden LED-Hintergrundbeleuchtung. Die richtige Wahl ist nicht einfach die hellste verfügbare Variante. Gleichmäßigkeit, Leistungsaufnahme, Baudicke, Betriebstemperatur, Dimmbarkeit und Lebensdauer beeinflussen alle die Leistung im fertigen Gerät.

Was ist eine LCD-Hintergrundbeleuchtung?

Die Hintergrundbeleuchtung ist die Beleuchtungseinheit hinter der TFT-LCD-Zelle. Eine typische Einheit mit Kantenbeleuchtung enthält:

• eine oder mehrere LED-Lichtleisten;
• eine Lichtleiterplatte, die das Licht über den Anzeigebereich verteilt;
• ein Reflektor hinter dem Lichtleiter;
• Diffusor- und Prismenfolien, die die Gleichmäßigkeit verbessern und mehr Licht auf den Betrachter lenken;
• ein Metall- oder Formrahmen, der den optischen Stapel in Position hält.

Bei einer Direktbeleuchtung befinden sich die LEDs stattdessen hinter dem Displaybereich. Die Hintergrundbeleuchtung beeinflusst Helligkeit, Gleichmäßigkeit, Farbtemperatur, Leistungsaufnahme, Wärmeentwicklung, Dicke und Lebensdauer.

Einen Überblick über die übrigen Komponenten rund um die Hintergrundbeleuchtung finden Sie in unserem Leitfaden für industrielle Ausstellungsstrukturen.

LED-Hintergrundbeleuchtung im Vergleich zu herkömmlicher CCFL-Hintergrundbeleuchtung

LEDs sind bei neuen industriellen TFT-LCD-Projekten Standard. Sie zeichnen sich durch einen kompakten Aufbau, einen guten Wirkungsgrad und eine unkomplizierte Helligkeitsregelung aus.

In älteren HMIs, CNC-Steuerungen und anderen Altgeräten kommen nach wie vor CCFL-Hintergrundbeleuchtungen zum Einsatz. Eine CCFL benötigt einen Wechselrichter. Ein LED-Ersatzteil hat zwar möglicherweise eine ähnliche Form, weist jedoch hinsichtlich Stromversorgung, Helligkeitsregelung oder interner Anschlüsse nicht die gleiche Kompatibilität auf.

Überprüfen Sie bei einer Reparatur oder Nachrüstung das genaue LCD-Modell, bevor Sie das Panel austauschen oder die Hintergrundbeleuchtung umrüsten.

Edge-Lit- vs. Direct-Lit-LED-Hintergrundbeleuchtung

Bei einer Randbeleuchtung sind LEDs an einer oder mehreren Kanten der Lichtleiterplatte angebracht. Optische Elemente lenken das Licht zum LCD um. Durch diesen Aufbau lässt sich ein dünnes Modul herstellen.

Bei einer direkt beleuchteten Hintergrundbeleuchtung befinden sich die LEDs hinter dem sichtbaren Bereich. Da Platz benötigt wird, um die einzelnen Lichtquellen harmonisch ineinander übergehen zu lassen und helle Flecken zu vermeiden, ist die Bauweise in der Regel tiefer.

Faktor	Kantenbeleuchtet	Direktbeleuchtet
LED-Position	Entlang der Kante des Lichtleiters	Hinter dem Ausstellungsbereich
Lichtverteilung	Lichtleiterplatte	LED-Abstand und Diffusionsraum
Modultiefe	In der Regel dünner	In der Regel tiefer
Größte Herausforderung bei der Konzeption	Effiziente Lichtaufnahme über die gesamte Platte hinweg	Vermeidung sichtbarer LED-Hotspots
Typische Verwendung	Bei kleinen und mittleren TFT-LCDs üblich	Ausgewählte größere oder speziell entwickelte Displays

Keine der beiden Anordnungen ist automatisch heller oder gleichmäßiger. Die Ergebnisse hängen von der LED-Leistung, der optischen Effizienz, den Toleranzen sowie der Temperatur- und Stromanpassung ab. Ein LCD mit 1.000 Nit benötigt nicht zwangsläufig eine direkt beleuchtete Hintergrundbeleuchtung; es sind auch hochhelle, seitlich beleuchtete Panels erhältlich. Die Auswahl sollte anhand der gemessenen Leistung und der mechanischen Grenzen erfolgen, nicht allein anhand der Bezeichnung der Architektur.

Wichtige technische Daten zur LCD-Hintergrundbeleuchtung

Helligkeit

Die LCD-Leuchtdichte wird normalerweise in cd/m² angegeben, auch als „Nits“ bezeichnet. Prüfen Sie, ob es sich um einen typischen oder einen Mindestwert handelt und ob sich dieser auf das reine LCD-Modul oder das fertige Touchdisplay bezieht.

Ein Berührungssensor, ein Deckglas und die Oberflächenbehandlung beeinflussen das Licht, das den Benutzer erreicht. Durch optisches Verkleben lassen sich Reflexionen reduzieren, doch die fertige Baugruppe muss dennoch vermessen werden.

Bei direkter Sonneneinstrahlung oder starkem Umgebungslicht spielt auch die Reflexionskontrolle eine Rolle. Lesen Sie dazu unseren Leitfaden unter Auswahl eines bei Sonnenlicht gut lesbaren Monitors für diese gesonderte Entscheidung.

Helligkeitsgleichmäßigkeit

Ein hoher Messwert in der Bildmitte garantiert noch keinen gleichmäßig ausgeleuchteten Bildschirm. Ein schlechtes Design der Hintergrundbeleuchtung kann zu dunklen Rändern, hellen Ecken, Hotspots oder sichtbaren Streifen führen.

Die Gleichmäßigkeit wird anhand von Messwerten berechnet, die an mehreren Stellen ermittelt wurden, wobei die Formeln jedoch variieren. Einige Hersteller verwenden das Verhältnis von minimaler zu maximaler Leuchtdichte; andere das Verhältnis von minimaler zu durchschnittlicher Leuchtdichte. Vergleichen Sie die Werte nur, wenn die Messpunkte, die Aufwärmzeit, die Helligkeitseinstellung und die Formel bekannt sind.

Überprüfen Sie nach der Aufwärmphase weiße und mittelgraue Testbilder; bei mittelgrauen Bildern lassen sich oft subtile Ungleichmäßigkeiten deutlicher erkennen.

Stromverbrauch und Wärmeentwicklung

Die Leistung der Hintergrundbeleuchtung hängt von der Anzahl der LEDs, der Konfiguration der LED-Stränge, dem Betriebsstrom und dem optischen Wirkungsgrad ab. Ein höherer Strom kann die Helligkeit erhöhen, führt jedoch auch zu einer stärkeren Wärmeentwicklung und einem höheren Lumenverlust.

Erfragen Sie die Leistung der Hintergrundbeleuchtung bei der gewünschten Helligkeit und nicht nur die maximale Leistung des gesamten Monitors. Berücksichtigen Sie in einem geschlossenen Außengehäuse auch die Solarlast und andere elektronische Komponenten. Siehe Überhitzung eines industriellen Außendisplays wegen des Problems auf Systemebene.

Moduldicke

Die verfügbare Tiefe kann die Konstruktion einschränken. Kantenbeleuchtete Modelle sind in der Regel dünner; direkt beleuchtete Modelle benötigen Platz, um das Licht zu mischen. Überprüfen Sie die Gesamtdicke des LCD-Moduls, einschließlich des Rahmens und etwaiger kundenspezifischer Strukturen für hohe Helligkeit.

Farbtemperatur und Farbkonsistenz

Zwei gleich helle Hintergrundbeleuchtungen können sichtbar unterschiedliche Weißpunkte aufweisen. Bei mehreren Displays, Ersatzteilen oder wiederholten Chargen sollten Sie einen akzeptablen Farbtemperaturbereich festlegen und das LED-Binning überprüfen. Überprüfen Sie außerdem Farbabweichungen innerhalb des Bildschirmbereichs, die durch LEDs, optische Folien, mechanischen Druck oder Alterung verursacht werden können.

Betriebstemperatur

Die Helligkeit und der Wirkungsgrad der Hintergrundbeleuchtung ändern sich mit der Temperatur. Hitze erhöht die Belastung der LEDs und ihres Treibers; niedrige Temperaturen können die LED-Leistung, das Verhalten des Treibers und die optische Leistung beeinflussen. Die angegebene Temperaturklasse des LCD-Displays garantiert keine volle Helligkeit über den gesamten Temperaturbereich. Falls dies von Bedeutung ist, fordern Sie Daten zur Leistungsreduzierung an und führen Sie Tests an den tatsächlichen Grenzwerten durch.

Lebensdauer der Hintergrundbeleuchtung

Eine Hintergrundbeleuchtung mit einer Lebensdauer von “50.000 Stunden” schaltet sich nicht nach 50.001 Stunden aus. Diese Angabe bezeichnet in der Regel die Zeit, bis die Helligkeit unter den angegebenen Bedingungen auf einen bestimmten Prozentsatz ihres Ausgangswerts abfällt.

Es gibt keinen allgemeingültigen Endpunkt. In einem Datenblatt wird möglicherweise eine Anfangshelligkeit von 50% angegeben, in einem anderen 70% oder eine andere Definition für einen Ausfall. Auch Temperatur, LED-Strom und Einschaltdauer beeinflussen das Ergebnis.

Bevor Sie zwei Panels vergleichen, überprüfen Sie Folgendes:

• der Endpunkt der Resthelligkeit;
• die Prüftemperatur;
• der an die LED angelegte Strom;
• ob es sich um einen typischen oder einen garantierten Wert handelt;
• ob LED-Ausfälle in der Definition enthalten sind.

Bei einer rund um die Uhr in Betrieb befindlichen HMI kann die Reduzierung unnötiger Helligkeit die Nutzungsdauer verlängern.

Dimmbarkeit

LED-Hintergrundbeleuchtungen nutzen PWM, analoge Stromregelung oder beides. Bei PWM wird die Einschaltdauer der LEDs verändert, während bei der analogen Dimmung der LED-Strom angepasst wird. Der Regelbereich, die minimale stabile Helligkeit und der Steuereingang hängen vom LCD-Bildschirm oder vom externen Treiber ab.

Stellen Sie mithilfe von Kameras oder Bildverarbeitungssystemen sicher, dass durch PWM keine Streifenbildung entsteht. Informationen zur Tag-/Nacht-Helligkeitsregelung finden Sie unter Automatische Helligkeitsregelung bei Industrie-Displays.

So wählen Sie eine LCD-Hintergrundbeleuchtung für den industriellen Einsatz aus

Verwenden Sie die folgende Checkliste, bevor Sie ein Panel oder eine kundenspezifische Hintergrundbeleuchtung freigeben:

Artikel	Was ist zu bestätigen?
Erforderliche Leuchtdichte	Mindest- und typische Helligkeit an der fertigen Displayoberfläche
Gleichmäßigkeit	Formel, Messpunkte und Abnahmewert
Aufbau der Hintergrundbeleuchtung	Kantenbeleuchtung oder Direktbeleuchtung, sofern zutreffend
Verfügbare Tiefe	Maximale Dicke des LCD-Moduls
Strom	Leistung der Hintergrundbeleuchtung bei der vorgesehenen Helligkeit
Farbe	Farbtemperaturbereich und Chargenkonsistenz
Temperatur	Erforderlicher Betriebsbereich und etwaige Helligkeitsreduzierung
Lebenslang	Betriebsstunden, Endpunkt der Resthelligkeit und Prüfbedingungen
Dimmen	PWM, analog oder hybrid; erforderlicher Dimmbereich
Einschaltdauer	Tägliche Betriebszeiten und normale Helligkeitseinstellung
Validierung	Serienrepräsentatives Muster, das unter realen Gehäusebedingungen getestet wurde

Prüfen Sie das Muster nach dem Aufwärmen bei der vorgesehenen Spannung, Helligkeit und Temperatur. Falls Touch- und Deckglas eingebaut werden sollen, testen Sie den fertigen Stapel.

Häufige Fehler bei der Auswahl der Hintergrundbeleuchtung

• Vergleich nur der Helligkeit in der Bildmitte: Ein hoher Messwert kann dunkle Ränder oder eine mangelhafte Gleichmäßigkeit verschleiern.
• Unter der Annahme, dass Direktbeleuchtung immer besser ist: Die Architektur allein garantiert weder Helligkeit noch Gleichmäßigkeit noch Effizienz.
• Vergleich der Betriebsstunden ohne Definitionen: Die beiden Angaben von 50.000 Stunden können auf unterschiedlichen Endpunkten und Testbedingungen beruhen.
• Strom erhöhen, ohne die Temperatur zu überprüfen: Die anfängliche Helligkeit kann zunehmen, während sich die Lebensdauer und die Farbstabilität verschlechtern.
• Nur die blanke Platte genehmigen: Touch- und Deckglas können die Helligkeit, Reflexionen und das thermische Verhalten beeinflussen.

FAQ

Welche Art von Hintergrundbeleuchtung wird in industriellen LCDs verwendet?

Die meisten aktuellen industriellen TFT-LCDs verwenden weiße LED-Hintergrundbeleuchtung. CCFL-Hintergrundbeleuchtung findet man vor allem in älteren Geräten und bei Austauschprojekten.

Was ist besser: Edge-Lighting oder Direct-Lighting?

Keine der beiden Varianten ist grundsätzlich besser. Die Edge-Lit-Bauweise ist in der Regel flacher, während die Direct-Lit-Bauweise mehr Tiefe benötigt. Vergleichen Sie die tatsächliche Leuchtdichte, Gleichmäßigkeit, Leistungsaufnahme, Temperatur und mechanische Leistung.

Was bedeutet eine Lebensdauer der Hintergrundbeleuchtung von 50.000 Stunden?

In der Regel handelt es sich dabei um die Betriebszeit, bis die Helligkeit unter festgelegten Bedingungen auf einen bestimmten Prozentsatz ihres Ausgangswerts abfällt. Die Endwerte, die Temperatur und den LED-Strom entnehmen Sie bitte dem jeweiligen Datenblatt.

Kann ein Standard-LCD auf eine Hintergrundbeleuchtung mit höherer Helligkeit aufgerüstet werden?

Manchmal, aber dabei müssen möglicherweise die LED-Leiste, der Treiber, das Netzteil, die Metallkonstruktion und der Wärmepfad angepasst werden. Überprüfen Sie die Umrüstung als komplettes Modul und nicht als einfachen LED-Austausch.

Schlussfolgerung

Die richtige LCD-Hintergrundbeleuchtung für den industriellen Einsatz sorgt für die erforderliche Helligkeit des fertigen Displays, ohne dass es zu inakzeptablen Ungleichmäßigkeiten, einem zu hohen Stromverbrauch, einer zu großen Dicke, einer zu starken Wärmeentwicklung oder einer verkürzten Lebensdauer kommt. Vergleichen Sie die technischen Daten unter Verwendung derselben Definitionen und testen Sie ein repräsentatives, fertig montiertes Display vor Beginn der Serienproduktion.