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Wie funktioniert eigentlich das iPhone?

iPhone Touch Screen
Elektronische Geräte nutzen verschiedene Methoden, um die menschlichen Eingaben auf dem Touchscreen zu erkennen. Meist werden Sensoren und Schaltkreise verwendet, um Reize zu erfassen. Viele Geräte, dazu gehört auch das iPhone, erkennen Veränderungen im Stromfluss oder in der Übertragung von Infrarot- oder Schallwellen.

Einige Systeme nutzen Wandler, um Schwingungsänderungen zu erkennen, die bei einer Berührung der Displayoberfläche mit dem Finger auftreten. Kameras überwachen Veränderungen von Licht und Schatten und senden die Messergebnisse an die jeweilige App.

Die Grundidee hinter der Erkennung von menschlichen Eingaben ist simpel: wird der Finger oder Stylus auf dem Display platziert, verändert sich der Punkt, den das Gerät überwacht. Bildschirme, die Schall- oder Lichtwellen überwachen, erkennen eine Unterbrechung dieser Wellen.

Der verbaute Capacitive Touchscreen nutzt eine Schicht kapazitiven Materials, um die elektrische Ladung festzuhalten. Indem das Display berührt wird, verändert sich die Ladungsmenge an dem jeweiligen Kontaktpunkt. Bei resistiven Bildschirmen bewirkt der Druck des Fingers, dass sich leitende und resistive Schaltkreise berühren, wodurch sich der Widerstand der Schaltkreise ändert. Dadurch erkennt das Gerät, zu welchem Zeitpunkt welcher Eingabebefehl an welcher Stelle des Bildschirms vorgenommen wird.

Moderne Touchscreen-Technologie

Moderne Systeme können den Ort einer Berührung exakt bestimmen. Wenn die Bildschirme an mehreren Stellen gleichzeitig berührt werden, können Probleme auftreten. Je nach Display werden alle Berührungen nach der ersten ignoriert oder sämtliche Berührungen nicht exakt berechnet. Die Gründe für diese Fehler sind unterschiedlich:

Viele Systeme erkennen Änderungen entlang einer Achse oder in einer bestimmten Richtung anstatt an jedem Punkt auf dem Display. Einige Bildschirme bestimmen die Berührungsposition anhand von systemweiten Durchschnittswerten.

Einige Systeme erstellen zuerst eine Basislinie, auf deren Grundlage die Berührungen gemessen werden. Bei erneuter Berührung des Displays wird eine neue Grundlinie erstellt. Bei erneuten Berührungen nutzt das System die zweite Grundlinie, um Messungen vorzunehmen. Bei zwei gleichzeitigen Berührungen kommt das System durcheinander und kann die Messung nicht durchführen.

Das Apple iPhone unterscheidet sich von anderen Systemen, indem es eine Multitouch-Benutzeroberfläche verwendet. Diese muss imstande sein, mehrere Eingaben zugleich zu erfassen. Beispielsweise können Bilder oder Webseiten mit Daumen und Zeigefinger beeinflusst werden. Durch das Zusammenschieben von Daumen und Zeigefinger wird herausgezoomt, während durch die entgegengesetzte Bewegung hineingezoomt wird.

 

Multitouch: 4 x Hände mit verschiedenen Finger Gesten versehen mit blauen Pfeilen die die Steuerung eines Smartphones zeigen sollen

Multitouch-Systeme (Mehrfingergestenerkennung)

Damit sich Touch-Befehle ausführen lassen, die den Einsatz mehrerer Finger erfordern, nutzt das iPhone eine Abwandlung der vorhandenen Technologie. In den berührungsempfindlichen Bildschirm integriert ist eine Schicht aus kapazitivem Material. Die Kondensatoren des Geräts sind nach einem intelligenten Koordinatensystem angeordnet, wodurch sich Änderungen an jedem Punkt auf der kapazitiven Schicht erfassen lassen.

Mit anderen Worten: jeder Punkt im Raster erzeugt bei Berührung ein eigenes Signal und leitet dieses Signal an den iPhone-Prozessor weiter. Dadurch ist das iPhone in der Lage, Ort und Art von gleichzeitigen Berührungen zu erkennen.

Da das iPhone auf die verwendeten kapazitiven Materialien angewiesen ist, funktioniert der Touchscreen nur, wenn er mit den Fingern berührt wird. Wenn Anwender einen Stift verwenden oder nicht leitende Handschuhe tragen, wird kein Signal übertragen. Andere Smartphones bieten hier bereits Alternativen wie geeignete Touch-Stifte oder Handschuhe, mit denen sich der Touchscreen bedienen lässt.

Gegenseitige Kapazität und Eigenkapazität

Der iPhone-Bildschirm ist in der Lage, Berührungen auf zwei Arten zu erkennen: gegenseitige Kapazität oder Eigenkapazität. Für das Funktionieren der gegenseitigen Kapazität verfügt die kapazitive Schaltung im Gerät über zwei unterschiedliche Materialschichten. In der einen sind Treiberleitungen enthalten, die den Strom leiten, in deren Sensorleitungen, die den Strom an verschiedenen Knotenpunkten erfassen.

Die Eigenkapazität verwendet eine Schicht einzelner Elektroden, die mit einer Kapazitätserfassungsschaltung verbunden sind. Beide möglichen Einstellungen senden Touch-Daten als elektrische Impulse an den Prozessor, der die Daten in einem weiteren Schritt aufnimmt und analysiert.

iPhone Prozessor Touch Interpretation

Damit die Eingabe über den Touchscreen korrekt funktioniert, ist die richtige Eingabe über den Touchscreen essenziell. Das kapazitive Material schickt die rohen Positionsdaten an den iPhone-Prozessor. Der Prozessor nutzt die Software im iPhone-Speicher, um die Rohdaten zu interpretieren. Je nach Interpretation werden dann die verschiedenen Befehle und Gesten ausgeführt. Wie das funktioniert:

  1. Signale werden als elektrische Impulse vom Touchscreen zum Prozessor geschickt und dort verarbeitet.
  2. Der Prozessor nutzt Software, um Daten zu analysieren und die Merkmale der einzelnen Berührungen zu bestimmen. Dazu gehören Größe, Form und Position des betroffenen Bildschirmbereichs. Falls notwendig ordnet der Prozessor Berührungen mit identischen Merkmalen in Gruppen an. Bei Bewegung des Fingers wird vom Prozessor die Differenz zwischen Start- und Endpunkt der Berührung gemessen.
  3. Der Prozessor nutzt seine Gesteninterpretationssoftware, um zu bestimmen, welche Geste gemacht wurde. Er analysiert den Befehl und ermittelt, zu welchem Zeitpunkt sie an welcher Stelle auf dem Display durchgeführt wurde und welche Bewegungen dabei gemacht wurden. Anschließend sendet er die passende Antwort auf das Signal und ermöglicht dadurch die Nutzung der App oder des Geräts selbst.
  4. Der Prozessor leitet die Anweisungen an das verwendete Programm weiter. Bei Bedarf werden auch Befehle an das iPhone-Display und andere Hardware gesendet. Wenn die Rohdaten keinen zutreffenden Gesten oder Befehlen entsprechen, ignoriert das iPhone die Eingaben.

All diese Schritte passieren innerhalb weniger Nanosekunden. Das Smartphone antwortet fast sofort auf die Eingaben und erlaubt dadurch eine reibungslose Nutzung der iPhone Apps.