LCD – Flüssigkristallanzeige

Die Ziffern auf dem Taschenrechner, die grau-schwarze Anzeige des Multimeters, das blau leuchtende Textdisplay mit zwei Zeilen im Bastelprojekt und der Bildschirm, auf dem du gerade liest: Das alles sind Flüssigkristallanzeigen, kurz LCD (Liquid Crystal Display). Anders als eine LED oder eine OLED erzeugt ein LCD selbst kein Licht. Es ist ein Lichtventil – es lässt Licht durch oder sperrt es, je nachdem, welche Spannung an einem Bildpunkt liegt. Deshalb kommt eine Uhr mit Segment-LCD jahrelang mit einer Knopfzelle aus, während ein Farbbildschirm eine kräftige Hintergrundbeleuchtung braucht.

Aufbau und Funktionsweise

Flüssigkristalle sind organische Stoffe aus langgestreckten Molekülen. Sie fließen wie eine Flüssigkeit, ordnen ihre Moleküle aber wie ein Kristall in eine gemeinsame Richtung. Diese Ordnung lässt sich durch zwei Dinge beeinflussen: durch feine Rillen in einer Ausrichtungsschicht, an die sich die Moleküle anlegen, und durch ein elektrisches Feld, nach dem sie sich drehen.

Eine einfache Zelle nach dem TN-Prinzip (Twisted Nematic) ist ein Stapel aus diesen Schichten:

• zwei Glasplatten mit hauchdünnen, durchsichtigen Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid (ITO),
• darauf je eine Ausrichtungsschicht, deren Rillen auf beiden Seiten um 90° gegeneinander gedreht sind,
• dazwischen eine nur wenige Mikrometer dicke Schicht Flüssigkristall,
• außen zwei Polarisationsfilter, ebenfalls um 90° gekreuzt.

Ohne Spannung folgen die Moleküle den Rillen und bilden eine Vierteldrehung, eine Art Wendeltreppe. Das Licht, das der erste Polarisator durchlässt, wird auf dem Weg durch die Zelle mitgedreht und passt danach genau durch den zweiten Filter: Der Bildpunkt ist hell. Liegt Spannung an, stellen sich die Moleküle parallel zum Feld auf, die Wendel verschwindet, das Licht wird nicht mehr gedreht und bleibt am zweiten Polarisator hängen: Der Bildpunkt wird dunkel. Wie Licht als Welle schwingt und was Polarisation bedeutet, zeigt elektromagnetische Welle.

Elektrisch ist ein Bildpunkt fast nur ein winziger Kondensator: zwei Elektroden mit dem Flüssigkristall als Dielektrikum. Im Ruhezustand fließt kein Strom, nur beim Umladen (siehe Kondensator an Gleichspannung). Daher kommt der extrem kleine Strombedarf einfacher Segmentanzeigen – oft nur wenige Mikroampere.

Bauarten

Die TN-Zelle ist die einfachste Form. Für größere Anzeigen und bessere Bilder gibt es Weiterentwicklungen:

Bei der Passivmatrix kreuzen sich Zeilen- und Spaltenelektroden; der Controller steuert die Zeilen nacheinander an. Je mehr Zeilen, desto kleiner der Unterschied der Effektivwerte zwischen „an“ und „aus“ – der Kontrast sinkt. Bei der Aktivmatrix hält ein Transistor mit Speicherkondensator jeden Bildpunkt bis zum nächsten Bild auf seiner Spannung. Erst das macht große, schnelle Farbbildschirme möglich; die Farbe entsteht durch rote, grüne und blaue Filter vor drei Unterbildpunkten.

Außerdem unterscheidet man positive Anzeigen (dunkle Zeichen auf hellem Grund, gut bei Tageslicht ablesbar) und negative (helle Zeichen auf dunklem Grund, nur mit Hintergrundbeleuchtung sinnvoll, etwa weiße Schrift auf Blau).

Kennwerte

Ein LCD hat kein Schaltzeichen im engeren Sinn. Im Schaltplan erscheint es als Rechteck mit Anschlüssen, bei Modulen mit Controller wie ein IC. Wichtig für die Auswahl sind:

• Betriebsspannung von Panel und Controller – Module gibt es für 5 V und für 3,3 V.
• Kontrast- bzw. Treiberspannung – bei Textmodulen am Anschluss V0 einstellbar.
• Betrachtungsrichtung – TN-Anzeigen sind für einen bevorzugten Blickwinkel optimiert, etwa „6 Uhr“ (von unten) oder „12 Uhr“.
• Temperaturbereich – Standardtypen arbeiten von etwa 0 bis 50 °C, Typen mit erweitertem Bereich von −20 bis 70 °C. In der Kälte schaltet der Flüssigkristall träge, Bilder ziehen Schlieren; bei Hitze wird die Anzeige ganz dunkel oder ganz hell.
• Schaltzeit – von wenigen Millisekunden bei schnellen Monitoren bis über 100 ms bei einfachen Segmentanzeigen in der Kälte.
• Hintergrundbeleuchtung – heute fast immer LEDs, mit eigener Flussspannung und eigenem Strom.

Bauformen

• Segment-LCD: eine Glaszelle mit fest geformten Segmenten, Ziffern und Symbolen, kontaktiert über Stifte oder einen Leitgummistreifen. Ansteuern muss sie ein Mikrocontroller mit eingebautem LCD-Treiber oder ein Treiber-IC. Ideal für Batteriegeräte.
• Textdisplay (Zeichen-LCD): zum Beispiel 16 × 2 oder 20 × 4 Zeichen auf einer Trägerplatine mit Controller HD44780 oder einem kompatiblen Nachbau. Jedes Zeichen ist ein Feld aus 5 × 8 Punkten.
• Grafikdisplay: Monochrome Punktmatrix, etwa 128 × 64, mit eigenem Controller.
• TFT-Modul: Farbdisplay von etwa 1 bis 7 Zoll, meist per SPI oder Parallelbus angeschlossen, mit Controllern wie ILI9341 oder ST7789.

Textdisplay mit HD44780 anschließen

Das Textdisplay ist das LCD, mit dem die meisten Bastler beginnen. Seine 16 Anschlüsse sind fast immer gleich belegt:

Im 4-Bit-Betrieb brauchst du nur sechs Leitungen zum Mikrocontroller: RS, E und D4–D7. Noch sparsamer sind Module mit aufgestecktem I²C-Adapter (Portexpander PCF8574), die nur zwei Signalleitungen belegen.

Für den Kontrast liegt an V0 eine Spannung, die bei 5-V-Modulen meist zwischen etwa 0,3 und 1 V liegt. Üblich ist ein 10-kΩ-Potentiometer zwischen VDD und Masse; für eine Serie genügt ein fester Spannungsteiler.

Den Vorwiderstand rechnest du wie bei jeder LED, siehe LED-Vorwiderstand berechnen. Prüf vorher, ob auf der Modulplatine schon ein Widerstand sitzt – viele haben einen, manche nicht.

Der Controller ist langsam: Die meisten Befehle brauchen rund 40 µs, „Display löschen“ und „Cursor nach Hause“ etwa 1,5 ms. Wer ohne Bibliothek programmiert, wartet nach jedem Befehl lang genug oder fragt das Busy-Flag ab. Acht eigene Zeichen lassen sich im Zeichen-RAM ablegen – genug für Pfeile, Gradzeichen oder einen Balken.

Auswahl und Praxistipps

Für Anzeigen mit wenigen Ziffern und kleinem Stromverbrauch ist ein Segment-LCD unschlagbar. Für Text am Mikrocontroller ist das Textmodul günstig und robust; bei schlechter Beleuchtung oder großem Blickwinkel ist eine OLED besser lesbar, für helle Ziffern aus der Entfernung eine Siebensegmentanzeige. Wo das Bild sich selten ändert und ganz ohne Strom stehen bleiben soll, kommt E-Paper in Frage.

Häufige Fehler:

• Nur schwarze Kästchen in der ersten Zeile: Das Display hat Strom, wurde aber nicht initialisiert – Verdrahtung von RS, E und Daten prüfen, Wartezeit nach dem Einschalten (über 40 ms) einhalten.
• Nichts zu sehen: Kontrast falsch eingestellt. V0 an Masse zeigt meist volle Schwärze, das ist ein guter erster Test.
• 5-V-Modul an 3,3 V: Die Logik läuft oft noch, der Kontrast reicht aber nicht; dann braucht V0 eine negative Spannung, oder du nimmst gleich ein 3,3-V-Modul.
• R/W nicht auf Masse: Liest der Controller zurück, legt das Modul 5 V auf die Datenleitungen – für einen 3,3-V-Mikrocontroller zu viel.
• Glaszelle geknickt oder gedrückt: Druck auf das Glas verschiebt den Flüssigkristall sichtbar; ein Bruch ist nicht reparierbar. Leitgummistreifen bei Segment-LCDs nicht verschieben.
• Gleichspannung an einem nackten Segment-LCD: zerstört es langsam, siehe oben.

Selbsttest