Kaltkathodenlampen in LCD und TFT Bildschirmen - DOZ

TECHNIK
Jürgen Stollenwerk, Schömberg
Kaltkathodenlampen in
LCD und TFT Bildschirmen
In den letzten Jahren haben sich Bildschirme als Anzeigen für Computer mit der schnell fortschreitenden
Technik vom Röhrenmonitor hin zur flachen Flüssigkeitskristallanzeige stark geändert. Zwar hat der
Röhrenmonitor im Grafikbereich und in der Bildverarbeitung als hochwertige Anzeige auch heute noch
seine Berechtigung. In normalen Geschäftsbereichen,
im Büroalltag und im privaten Bereich sind die Flachbildschirme als TFT-Monitore aber überwiegend
verbreitet. Auch als Anzeigen in Messgeräten,
Randbearbeitungsmaschinen und Blockgeräten sind
diese Anzeigen wegen der kleinen Abmessungen
unverzichtbar. Die Qualität dieser Anzeigen reicht für
diese Anwendungsbereiche bereits jetzt völlig aus,
werden sich aber sicher mit der rasanten technischen
Entwicklung noch erheblich weiter verbessern.
■ Anzeige mit Flüssigkristallen
TFT-Bildschirme sind prinzipiell LCD-Flüssigkristallanzeigen
(Liquid Cristal Display). Die flüssigen Kristalle als einzelne Pixel
sind zwischen Glasplatten eingeschlossen und werden durch
Dünnfilmtransistoren angesteuert (TFT = Thin Film Transistor).
Die einzelnen Pixel können, je nach angelegter Spannung,
lediglich verschiedene Grauwerte und schwarz und weiß
darstellen. Weil die Pixel selbst nicht leuchten, muss eine
ordentliche Hintergrundbeleuchtung für ausreichendes Licht
sorgen. Dabei ist es wichtig, dass die gesamte Anzeigenfläche
durch die Hintergrundbeleuchtung möglichst gleichmäßig
beleuchtet wird, denn sonst hat die Anzeige helle und dunkle
Stellen. Weil ja die Hintergrundbeleuchtung beim Betrieb der
Anzeige andauernd über die gesamte Fläche mit voller Kraft
leuchtet, ist es bei TFT-Bildschirmen schwierig, richtiges
Hier sind Kaltkathodenlampen für einen Computermonitor zu sehen.
Bild Unten:
Im Bild liegt die Lampe noch in der Verpackung und hat lange Anschlussdrähte
Bild Mitte:
Die Lampe ist ausgepackt und die Anschlussdrähte sind auf die richtige Länge gekürzt
Bild Oben:
Wegen der Hochspannung und der Betriebtemperatur von bis zu 60 Grad Celsius
sind die angelöteten Anschlussdrähte mit Teflon isoliert
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schwarz darzustellen, denn dazu muss jedes Pixel den Lichtstrom von der Hintergrundbeleuchtung völlig abdecken. Dies
gelingt jedoch nur unzureichend. Zwar glaubt der Betrachter
ein richtiges schwarz auf dem Display wahrzunehmen, in Wirklichkeit ist aber die Darstellung lediglich ein dunkles grau.
Der subjektive Eindruck von schwarz wird verstärkt, wenn die
umliegenden Pixel eine helle Darstellung haben.
Bei Farbbildschirmen ist jedes Pixel unterteilt in drei farbige
Sub-Pixel mit den Primärfarben rot, blau und grün, die ebenfalls elektrisch angesteuert werden. Sie üben je nach anliegender Spannung eine Farbfilterfunktion aus und können auf
diese Weise Farbbildschirme realisieren. Auch hier leuchten
die Pixel nicht selbst, sondern nur die weiße Hintergrundbeleuchtung. Die Sub-Pixel müssen deshalb als Filterelemente
in Abhängigkeit von ihrer eigenen Farbe, in der gewünschten
Intensität, die weiße Hintergrundbeleuchtung lediglich mehr
oder weniger abdecken.
■ Kaltkathodenlampen
Ähnlich der allseits bekannten Leuchtstofflampen sind Kaltkathodenlampen (KKL/CCFL) auch Gasentladungslampen.
Beide bestehen aus einem evakuierten Glasrohr, die innen mit
einem Leuchtstoff beschichtet sind. Die Glasrohre enthalten
kleine Mengen Quecksilber. Quecksilberatome strahlen, wenn
man sie mit Elektronen bombardiert, ultraviolettes Licht mit
einer Wellenlänge von ca. 185nm und 245nm ab. Dieses
ultraviolette Licht trifft auf den Leuchtstoff und regt ihn zum
Leuchten im Bereich des sichtbaren Lichts an. Je nach Leuchtstoffmischung können gewünschte Farben oder kaltweißes
oder warmweißes Licht erzeugt werden.
Während bei Glühlampen einfach durch Anlegen einer
Spannung Licht emittiert wird, gelingt das bei Leuchtstofflampen durch Anlegen einer Netzspannung von 230V leider nicht.
Leuchtstofflampen müssen vielmehr gezündet werden, damit
auch bei Netzspannung ein Stromfluss durch die Röhre erfolgt.
Zu diesem Zweck sind die beiden Elektroden an den beiden
Enden der Röhre als Glühwendel ausgeführt. Wird der Strom
eingeschaltet, so erhitzen sich die Glühwendel und emittieren
Elektronen. Unterbricht nun der Starter den Stromfluss, so erzeugt die Drossel (Spule/Induktivität) einen Hochspannungsimpuls im Bereich von 1000V, der die Röhre zündet. Es entsteht ein kontinuierlicher Stromfluss durch die Röhre von einer
Elektrode zur anderen. Die Hochspannung bricht nun zusammen und die Leuchtstofflampe wird mir ihrer niedrigen Brennspannung dauerhaft betrieben.
Die Kaltkathodenlampe hat auch an beiden Enden des
Bleiglasrohres Elektroden, jedoch nur ausgeführt als Stifte,
nicht als Glühwendel. Deshalb muss die Kaltkathodenlampe
nicht nur mit Hochspannung im Bereich um 1800V gezündet,
sondern auch mit einer Brennspannung um 600V dauerhaft
betrieben werden. Sowohl die Zündspannung als auch die
Brennspannung ist abhängig von der Größe der Kaltkathodenlampe. Die Spannungen werden durch elektronische Generatoren nach Bedarf in einem Vorschaltgerät oder Inverter (EVG)
erzeugt.
Die kompakte Bauweise und die Helligkeit sind die großen
Vorteile der Kaltkathodenlampen. Die Durchmesser der Glaskörper liegen im Bereich von 2mm bis etwa 4mm, wobei die
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Längen solcher Lampen bis 600mm betragen können. Es
versteht sich von selbst, dass diese Lampen sehr empfindlich
gegen Stöße und äußere Belastungen sind. Aber auch Betriebstemperaturen unter 0 Grad verkürzen die Lebensdauer der
Lampen drastisch. Die Elektroden sind in den Bleiglaskörper
eingeschmolzen. Erschütterungen, Korrosion, thermische und
mechanische Belastungen können an den Elektroden undichte Stellen verursachen. Die Lampen werden dadurch unbrauchbar. Ganz „kalt“ arbeiten diese Lampen aber nicht: So
sind Betriebtemperaturen von 40 Grad Celsius normal und an
den Elektroden können durchaus auch 60 Grad gemessen
werden, obwohl keine Glühwendel vorhanden sind.
Durch die Hochspannungen, die zum Start und Betrieb
dieser Lampen notwendig sind, ist der Einsatz in der Nähe von
explosionsgefährdeten Stoffen verboten. Vorsicht ist also beim
Tanken an gutbesuchten Tankstellen im Sommer geboten. Ein
Betrieb von Notebooks sollte an solchen Orten unbedingt
unterbleiben.
■ Der Betrieb von Kaltkathodenlampen in Geräten
Es gibt viele LCD-Anzeigen, die nur mit der Raumhelligkeit
betrieben werden. Ein Notlampe, die nur einige Sekunden
leuchtet, wird durch Knopfdruck eingeschaltet. Dem geringen
Stromverbrauch steht der gravierende Nachteil gegenüber,
dass bei schlechten Lichtverhältnissen oder bei Dunkelheit
diese Anzeigen nicht oder nur schlecht ablesbar sind.
Ein typisches Einsatzgebiet solcher Anzeigen sind z.B. Uhren,
Taschenrechner oder elektronische Wettergeräte. Kleinanzeigen können jedoch auch mit Leuchtdioden als Hintergrundlicht beleuchtet werden. Der Stromverbrauch ist aber sehr
hoch, daher schalten sich diese Anzeigen nach einigen Sekunden automatisch ab.
Alle anderen Flachanzeigen, die auch bei schlechtem Umgebungslicht und bei Dunkelheit leuchten, werden mit Kaltkathodenlampen als Hintergrundbeleuchtung mittels Akku oder
das Stromnetz betrieben. Großflächige Anzeigen müssen eine
möglichst gleichmäßige Helligkeit aufweisen. Das ist nicht einfach! Mit einer Plexiglasscheibe hinter der TFT-Anzeige, die an
der Längskante mit einer Kaltkathodenlampe beleuchtet wird,
ist das Problem jedoch zufriedenstellend zu lösen. Die Lampe
selbst und die hintere Plexiglasfläche sind hermetisch mit weißer Folie abgedeckt. Das von der Lampe ausgehende Licht
wird innerhalb der Plexiglasscheibe vielfach reflektiert und tritt
dann großflächig nach vorne aus und durchläuft nun die TFTAnzeige. Durch modernste Technik, neue Flüssigkristallmischungen und den Einsatz mehrerer Kaltkathodenlampen
sind diese Anzeigen heute so hell und kontrastreich, dass ein
Betrachter leicht den Eindruck gewinnen kann, als ob die einzelnen Pixel selbst leuchten. Wie wir wissen, ist das aber nicht
der Fall.
■ Lebensdauer und Ersatz
von Kaltkathodenlampen
Wie alle Lampen haben auch Kaltkathodenlampen eine
begrenzte Lebensdauer. Zwar ist der intensive Betrieb für mehrere Jahre möglich, jedoch können Umgebungsbedingungen
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die Lebenszeit von Kaltkathodenlampen stark zusetzen. Durch
starke Erschütterungen oder starke Temperaturänderungen
kann die Glasröhre an den Elektroden undicht werden. Die
Lampe leuchtet dann nur noch schwach oder gar nicht mehr.
In diesem Fall kann die Lampe durch eine Fachwerkstatt
ersetzt werden. Sind mehrere Lampen vorhanden, so müssen
alle Kaltkathodenlampen wegen der gleichmäßigen Helligkeit
ersetzt werden. Das ist nicht billig! Der Reparaturbetrieb muss
je nach Beschaffenheit der Lampe locker 40,– bis 80,– Euro
im Einkauf bezahlen, zuzüglich Versandkosten und Mehrwertsteuer. Dazu kommt noch der meist komplizierte Einbau der
sehr bruchempfindlichen Lampen. Es ist also immer von Fall
zu Fall zu prüfen, ob sich ein Austausch der Kaltkathodenlampen überhaupt noch lohnt. Von einem Selbstbau ist angesichts
des Schwierigkeitsgrades abzuraten oder nur von sehr erfahrenen Bastlern zu bewältigen, die sich über die Handhabung von
Kaltkathodenlampen bestens informiert haben. Selbst Fachbetriebe, die nicht auf den Austausch von Kaltkathodenlampen
spezialisiert sind, haben Schwierigkeiten.
Es gibt aber inzwischen spezialisierte Fachbetriebe, die im
Internet zu finden sind. Fachwerkstätten der Hersteller oder
nicht spezialisiert Fachbetriebe, die solche Reparaturen annehmen, tauschen in diesen Fälle gerne das ganze Display aus,
weil sie nicht wissen, dass nur die Kaltkathodenlampe im
Display einen Defekt hat und keiner weiß, wie solche Lampe
getauscht werden. Viele Hersteller bieten auch Kaltkathodenlampen für ihre Vertragswerkstätten nicht an, sondern nur
komplette Displays. Die Kosten hierfür sind jedoch sehr hoch.
Nur spezialisierte Werkstätten können hier helfen. Sie sind in
der Lage Kaltkathodenlampen in vorhandene Displays einzubauen.
■ Fazit
Kaltkathodenlampen sind zur Zeit eine stromsparende und
durch weitentwickelte Technik helle und farbige Anzeigen
mit begrenzter Lebensdauer. Ein Austausch der Lampen im
Selbstbau wird wegen der zu erwartenden Schwierigkeiten abgeraten. Fachbetriebe, die Kaltkathodenlampen austauschen
können sind noch nicht häufig anzutreffen. In jedem Fall ist zu
prüfen, ob sich eine Reparatur lohnt.
TFT-Bildschirme brennen nicht ein, weil hier, anders als bei
der Bildröhre, kein Elektronenstrahl auf eine Leuchtschicht
trifft, sondern die Hintergrundbeleuchtung durch die Pixel
abgedunkelt wird . Ein Dauerbetrieb ist daher möglich, jedoch
wegen der Kaltkathodenlampen nicht zu empfehlen. Wenn
also der Computer für mehrere Stunden nicht gebraucht wird,
dann bitte ausschalten.
Bewegte Pausenbilder sind zwar hübsch anzusehen, bringen aber keine Entlastung der Kaltkathodenlampen, weil sie ja
andauernd mit voller Leistung im Hintergrund leuchten, auch
wenn der Bildschirm dunkel erscheint. Dunkle Stellen werden
ja nur durch die Flüssigkeitsanzeige abgedeckt. Manche
Notebooks haben aber einen Schalter eingebaut, der den
Bildschirm echt abschaltet, wenn der Deckel geschlossen wird.
Auch sogenannte Stromsparschaltungen sollten genutzt
werden, um die Lampen zu schonen, denn anders als bei
bewegten Pausenbildern, wird hier die Hintergrundleuchte
richtig abgeschaltet.
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Die Steuerelektronik für einen TFT-Bildschirm ist sehr komplex.
Ganz links, oberhalb vom großen Netzschalter ist eine schmale,
lange Platine zu sehen. Diese Elektronik ist das Vorschaltgerät /
Inverter. Es erzeugt die Zündspannung und die Brennspannung für
die Kaltlichtlampe.
■ Literaturhinweise
• Backlight4you, Hauptstr. 25, 79725 Laufenburg: „Wichtige Hinweise
zur Sicherheit und Umgang mit Vorschaltgeräten für Kaltkathodenlampen“ und „Wirkungsweise und Aufbau von Kaltkathodenlampen“
• Zeitschrift INFOSAT: 1/2005, Nr. 202, Seite 164
• Zeitschrift Computer Anzeiger: 10/2003, Internet www.ca-bremen.de
• CCInfo: Internet www.elektronikinfo.de
Anschrift des Autors:
Jürgen Stollenwerk
Birkenweg 6
75328 Schömberg
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