Vintage Displays - LCD

Ein LCD Display aus einem alten Kopierer mit vielen Symbolen. Heute würde man für diesen Zweck ein grafisches Display verwenden. Seinerzeit (Datecode auf den Chips: 1983) konnte man sich das aufgrund der begrenzten zur Verfügung stehenden Rechenleistung nicht erlauben. Das Display hat eine CCFL Lampe als Hintergrundbeleuchtung, die Farben werden durch farbige Folien auf der Rückseite erzeugt. Das LCD Display besitzt 80 Elektroden die über zwei HD44100H Controller angesteuert werden.

LCD bzw. Flüssigkristallanzeigen sind heute die dominierende Anzeigetechnik.
Daher passen sie eigentlich nicht in die "Vintage" Ecke.
Aufgrund des Alters und der Bedeutung der Technik habe ich mich dennoch entschlossen, einen kleinen Artikel zu verfassen.
Erste LCD Anzeigen gibt es seit den späten 60er Jahren.
Einen großen Schub erlebte die LCD Technologie in den späten 70er bzw. frühen 80er Jahren.
Der extrem geringe Stromverbrauch ermöglichte erstmals digitale Armbanduhren, die dauerhaft die Zeit anzeigen können ohne die Batterie innerhalb kürzester Zeit zu verbrauchen.
LCD Anzeigen haben eine sehr lange Lebensdauer und eine gute Ablesbarkeit.
Die meisten LCD Anzeigen werden exklusiv für einen speziellen Anwendungszweck kundenspezifisch hergestellt.
Das farbenfrohe Display aus dem Kopierer ist ein Beispiel hierfür.
Weit verbreitet sind heute auch standardisierte Displays (Text oder Grafik) mit integrierten Controllern.
Die Krönung dieser Technik sind Flachbildschirme und TV Geräte, die sich im Prinzip der gleichen Technik bedienen.

Wie funktionieren die Anzeigen? (sehr einfach erklärt, mehr unter dem passenden WIKIPEDIA Artikel https://de.wikipedia.org/wiki/Fl%C3%BCssigkristallanzeige)

Einfallendes Licht wird durch zwei Polarisationsfilter gesendet zwischen denen sich ein Flüssigkristall befindet.
Durch das Anlegen einer Spannung werden die Kristalle ausgerichtet und der Lichtstrom gesteuert.
Die Anordnung der Polarisationsfilter bestimmt, ob durch das Anlegen der Spannung Licht durchgelassen wird oder gesperrt wird.
Das oben gezeigte Exemplar wird bei Anlegen einer Spannung lichtdurchlässig.
Die elektrische Kontaktierung erfolgt durch eine hauchdünne aufgedampfte Metallschicht.
Das Design der Metallbeschichtung ergibt die anzeigbaren Symbole.

Die praktische Anwendung:

In den seltensten Fällen wird man es mit einem "nackten" LCD Display zu tun haben.
In der Regel kauft man fertige Module die einen entsprechenden Controller beinhalten.
Ein Mikrocontroller überträgt Daten über eine Schnittstelle an den Controller. Mit dem eigentlichen Display hat man als Anwender nichts mehr zu tun.
Einfache Textmodule bedienen sich z.B. meist des HD44780 oder eines kompatiblen Controllers.
Die meisten Entwickler-Tools für Mikrocontroller haben entsprechende Bibliotheken zur Ansteuerung.
Anderenfalls hilft das Datenblatt weiter.
Bausteine zur Ansteuerung von LCD Anzeigen gibt es inzwischen unzählige.
Das Beispiel oben benutzt z.B. zwei HD44100H Controller. Das ist im Prinzip ein 2 X 20 Bit Schieberegister.
Die Bausteine sind hintereinander geschaltet. Man überträgt also einfach seriell 80 Bit an das Display.
Eine "1" steht für ein aktives Segment, eine "0" für ein inaktives.
So einfach geht das mit den passenden Bausteinen.

Hat man ein Display ohne Controller vorliegen, muss man sich über die Ansteuerung selbst Gedanken machen.
Die meisten LCD Displays haben für jedes Segment einen Anschluss und eine gemeinsame Elektrode, auch Backplane genannt.
Sie werden statisch angesteuert, benötigen also für jedes Segment einen Treiber!
Durch ihren geringen Stromverbrauch können sie direkt mit CMOS Gattern oder auch direkt an den Ausgängen eines Mikrocontrollers angeschlossen werden.
Wichtig: Das Display muss mit Wechselspannung angesteuert werden, ansonsten wird es innerhalb kurzer Zeit durch Elektrolyseeffekte zerstört!
Die Versorgungsspannung liegt meist im Bereich von 3 - 5 Volt.
Eine geeignete Schaltung zur Ansteuerung ist nachfolgend dargestellt.
Der CD4543 Siebensegment Treiber hat einen "Phase" Eingang.
Beim Schalten des Einganges werden alle Ausgänge invertiert.
Zusammen mit einem weiteren Inverter, der die gemeinsame Elektrode bedient kann eine Gleichstromfreie Ansteuerung erreicht werden.
Das "Phase" Signal muss ein Impuls/Pausen Verhältnis von exakt 50% haben.
In der Zeichnung ist nur ein CD4543 gezeichnet. Es wird natürlich für jedes Segment einer benötigt!
Man kann das natürlich auch mit einem Mikrocontroller und passender Software erreichen.
Nicht benutzte Segmente müssen auf das Potential der Backplane gelegt werden!

Hat man ein Display mit mehreren Backplane Anschlüssen, wird es kompliziert!
Inaktive Segmente müssen zusammen mit den inaktiven Backplane Anschlüssen auf einem anderen Spannungsniveau gehalten werden, wie die gerade aktiven Anschlüsse.
Meiner Meinung nach sollte man spätestens jetzt zu einem geeigneten LCD Treiber greifen, der die Arbeit verrichtet.
Ein geeigneter moderner Baustein wäre z.B. der PCF8576C aus dem Hause NXP.
Er hat 40 Segment und vier Backplane Ausgänge.
Insgesamt können also 160 Segmente angesteuert werden! Die werden über einen I2C Bus geliefert.
Es gibt auch Mikrocontroller, die LCD Treiber beinhalten und kleinere Displays direkt ansteuern können.

Beispiel für die Ansteuerung mit Logikbausteinen (nur eine Stelle!):

Dieses 100 mm große Display wird direkt von einem Mikrocontroller angesteuert.
Die nötige Wechselspannung wird durch die Software erzeugt.