LCD-Anzeigen - Kristalle sehen schwarz

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
1 CMOS-IC 4069
2 CMOS-IC 4518
2 CMOS-IC 4543
2 Widerstand 47 kOhm  
1 Kondensator 100 nF  
1 Elko 10 µF  
1 2-stellige LCD-Anzeige

 

 

Grundlagen

 

In sehr vielen Geräten sind sie zu finden. Immer dort, wo es ein 'Muss' ist, dass das Gerät eine geringe Stromaufnahme besitzt. Die Rede ist hier von LCD-Anzeigen. LCD ist die Abkürzung für Liquid Crystal Display. LCD-Anzeigen bestehen aus zwei klaren Folien zwischen denen eine kristalline Flüssigkeit eingebettet ist. Diese Flüssigkeit hat die Eigenschaft, dass diese beim Anlegen einer Spannung polarisiert und somit undurchsichtig wird.

 

Ein Problem gibt es hierbei aber. Legt man an das entsprechende Display nur eine einfache Spannung so wird die Flüssigkeit zwar polarisiert aber zersetzt sich auch allmählich wenn die Spannung dauerhaft konstant anliegt. Erkennen kann man dieses dadurch, dass nach einer bestimmten Zeit die entsprechende Segmente polarisiert bleiben, also ständig aktiv sind, oder sie sich nicht mehr polarisieren lassen.

 

Um dies zu verhindern muss man die Spannung an der Anzeige ständig wechseln. Das heißt, die Anzeige muss mit Wechselspannung betrieben werden. Daher ist der Schaltungsaufwand etwas höher, wenn man eine Applikation mit einer LCD-Anzeige ausstatten möchte. Belohnt wird man hierdurch, dass so eine Schaltung einen äußerst geringen Strombedarf hat. Jeder dürfte wohl die digitalen Armbanduhren kennen. Diese kommen mit einer winzig kleinen Knopfzellen-Batterie etliche Monate aus. Dies ist der LCD-Technik zu verdanken.

 

LCDs gibt es etlichen verschieden Arten. Von einfachen Anzeigen bis hin zu komplexen grafischen Bildschirmen. Sogar Fernsehgeräte können mittlerweile mit dieser Technik hergestellt werden.

 

Für die Versuche hier verwenden wir eine 2-stellige 7-Segment-LCD-Anzeige. Diese besteht aus 2 dünnen Glasplättchen zwischen denen die LCD-Schicht eingebracht ist. Die Anschlüsse für die einzelnen Elemente werden auf Pinleisten heraus geführt. Auf der unteren Glasscheibe ist eine Silberne Reflexionsschicht aufgebracht die dafür sorgt, dass einfallendes Licht zurück geworfen wird. Da eine LCD kein eigenes Licht erzeugt, würde man ansonsten nichts erkennen können, wenn das Display etwas anzeigt.

Wie herum das Display eingesetzt werden muss, erkennt man an eine kleine 'Nase' auf der linken Seite.

Im Anschlussbild in der nebenstehenden Grafik wurden alle Pins benannt. Neben den bekannten Namen für die einzelnen Elemente der beiden 7-Segment-Anzeige und den beiden Dezimalpunkten findet man an Pin 1 und 18 die Bezeichnung BP. BP steht für Backplane. Hier wird der eine Pol der Wechselspannung angeschlossen. Verbindet man nun den anderen Pol der Wechselspannung mit einem Segment-Anschluss, 'leuchtet' das entsprechende Segment auf.

 

 

Grundaufbau für die Ansteuerung

 

Wenn wir das LCD-Display in Betrieb nehmen wollen, haben wir erst einmal ein kleines Problem. Wir wollen natürlich wieder die 9V Gleichspannung aus unserer Blockbatterie verwenden. Das Display jedoch benötigt doch eine Wechselspannung. Wir müssen also aus der Gleichspannung erst einmal so etwas wie eine Wechselspannung machen. Dies ist gar nicht mal so schwierig. Wir benötigen hierzu nur einen Taktgeber und einen weiteren Inverter.

 

Bei digitalen Schaltkreisen werden die Ausgänge immer mit 0V oder der Betriebsspannung verbunden. Nehmen wir einmal an, der Taktgeber führt gerade 0-Signal. Der Ausgang ist also mit 0V bzw. dem Minus-Pol der Batterie verbunden. Durch den Inverter wird das Signal 'umgedreht' und an dessen Ausgang wird nun der Plus-Pol durchgeschaltet.

 

Schaltet nun der Taktgeber um, liefert dieser den Plus-Pol. Der Inverter sorgt nun dafür das der Minus-Pol durchgeschaltet wird.

Wenn wir nun zwischen dem Ausgang des Inverters und dem Takt einen Verbraucher hängt, ist dieser ständige Polaritätswechsel für ihm eine Wechselspannung. Ebenso würde es unser LCD-Display sehen.

 

 

Bei dem ersten Aufbau sind die beiden Querbalken, also die beiden Segmente G, angesteuert. Sobald die Batterie angeschlossen wird, gehen diese an.

Im Schaltplan sieht man nun sehr gut dass der Backplane-Anschluss direkt mit dem Taktgeber verbunden ist. Gleichzeitig wird der Takt noch über einen weiteren Inverter geführt. Dessen Ausgang geht dann an die Anschlüsse für die beiden G-Segmente.

Wer möchte, kann auch andere Segmente mit dem Ausgang des Inverters versorgen. Will man z.B. einmal alle Segmente sehen, muss man nur sämtliche übrigen Pins mit dem Inverter verbinden. Man muss sich dabei keine Sorgen machen ob der Inverter überlastet wird. Den Strom, den die Anzeige braucht, ist verschwindend gering.

 

 

Ansteuerung mit Dekoder-IC

 

Um die LCD-Anzeige mit einem Dekoder anzusteuern können wir leider nicht jeden beliebigen Dekoder verwenden. Der entsprechende Schaltkreis muss in der Lage sein die einzelnen Segmente auch mit Wechselspannung ansteuern zu können. Wir müssen aber nicht lange suchen. Der 7-Segment-Dekoder 4543 den wir bereits im Lehrgang 7-Segment-Anzeigen - Sichtbare Binärzahlen verwendet haben, ist für die Ansteuerung von LCD-Anzeigen gut geeignet.

Wenn wir uns den Anschlussplan dieses ICs noch einmal ansehen, so gibt es dort einen Eingang mit den Namen 'PH' (Phase). Je nachdem welchen Signalpegel man dort anlegt, werden die aktiven Ausgänge entweder mit 0V oder Betriebsspannung verbunden. Wird eine '0' an PH gelegt, so werden die aktiven Ausgänge auf + geschaltet. Bei einem '1'-Signal legt der 4543 die aktiven Ausgänge auf 0V. Also immer genau invertiert. Nun brauchen wir an PH nur noch unseren Taktgeber anklemmen und schon erzeugt der Dekoder die nötige Wechselspannung die wir zum Betrieb der LCD benötigen.

 

 

Bei der Inbetriebnahme dieser Schaltung zeigt das LCD-Display auf der linken Ziffer nun eine '0' an. Unser Dekoder funktioniert also. Wir haben ja alle Dateneingänge D0-D3 mit '0'-Signal versorgt.

Möchte man andere Ziffern darstellen lassen, kann man mit Hilfe der Dateneingänge den Dekoder anweisen entsprechend etwas anderes darzustellen.

Bedingt durch die geringe Stromaufnahme der Anzeige sorgen wir dafür, dass die offenen Eingänge keine statische Spannung einfangen. Dies kann ansonsten zu 'Geisterbildern' auf der LCD-Anzeige führen. Dies wird verhindert indem wir die offenen Anschlüsse mit der Taktquelle verbinden.

 

 

Ein Zähler entsteht

 

 

Um die LCD-Anzeige noch einmal 'in Action' zu sehen, kann man nun diese kleine Zähldekade aufbauen. Wie auch schon in dem Lehrgang für die LED-Anzeigen werden hier mit Hilfe der beiden Zähler-ICs 4518 entsprechend die Zahlen 00 bis 99 an die Dekoder weiter gegeben.

Durch den Kondensator C2 und/oder dem Widerstand R2 kann man die Zählgeschwindigkeit variieren.

Wie sparsam so eine LCD-Schaltung ist, kann man ganz leicht mit einem Multimeter prüfen. Testen wir die Stromaufnahme dieser Schaltung, kommen wir auf einen durchschnittlichen Wert von ca. 4 mA. Bei diesem Wert würde diese Zählerschaltung mit einer 9V-Blockbatterie ohne Probleme 1 Woche und länger pausenlos laufen.

 

 

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