7-segmentový displej je jednoduchý elektronický komponent vyrobený zo siedmich LED pruhov, ktoré zobrazujú čísla, niekoľko písmen a dokonca aj hexadecimálne hodnoty. Používa sa v hodinách, kalkulačkách, meračoch a spotrebičoch, pretože je nízkoenergetický, spoľahlivý a ľahko použiteľný. Tento článok podrobne vysvetľuje vývody, špecifikácie, spôsoby jazdy a tipy na dizajn.
Č. 9. Multiplexné viacciferné 7-segmentové displeje
Prehľad 7-segmentového displeja
7-segmentový displej je jedným z najjednoduchších, ale najpoužívanejších elektronických zobrazovacích zariadení na zobrazovanie číselných údajov a obmedzených znakov. Skladá sa zo siedmich LED pruhov usporiadaných v štýle osmičky, ktoré môžu byť osvetlené v rôznych kombináciách a vytvárať číslice od 0 do 9, ako aj niekoľko abecedných znakov. Mnohé verzie obsahujú aj ďalší segment s desatinnou čiarkou (dp) na zobrazenie čísel s pohyblivou desatinnou čiarkou, vďaka čomu sú vhodné pre kalkulačky, hodiny, merače a elektroniku. Ich jednoduchosť, nízka spotreba energie a jednoduché prepojenie s mikrokontrolérmi ich udržali relevantné aj pri vzostupe LCD a OLED. Vďaka svojej robustnej konštrukcii sa nachádzajú aj v priemyselných zariadeniach, testovacích prístrojoch a vstavaných systémoch, kde sa vyžaduje spoľahlivosť.
Konfigurácia pinov 7 segmentového displeja
| Č. kolíka | Názov pinu | Úloha špendlíka |
|---|---|---|
| 1 | Kolík E | Spravuje segment LED na ľavom dolnom konci. |
| 2 | Kolík D | Zodpovedný za segment LED na najnižšej časti. |
| 3 | Spoločný pin | Pripája sa k VCC alebo uzemneniu v závislosti od typu displeja. |
| 4 | Kolík C | Ovláda segment LED v pravej dolnej polohe. |
| 5 | DP kolík | Ovláda segment LED desatinnej čiarky. |
| 6 | Kolík B | Spravuje segment LED vpravo hore. |
| 7 | Kolík A | Riadi činnosť najvyššieho segmentu LED. |
| 8 | Spoločný pin | Podobne ako pin 3; pripája sa k VCC alebo uzemneniu. |
| 9 | Kolík F | Spustí segment LED na ľavom hornom konci. |
| 10 | Kolík G | Ovláda spínanie stredného segmentu LED. |
Každá číslica je tvorená siedmimi segmentmi LED označenými A až G a voliteľnou desatinnou čiarkou (DP). Rozsvietením rôznych kombinácií týchto segmentov je možné zobraziť čísla a niektoré písmená. Kolíky v spodnej časti sa pripájajú ku každému segmentu, desatinnej čiarke a spoločným svorkám (COM), ktoré môžu byť viazané buď na zem alebo na napájacie napätie, v závislosti od toho, či je displej spoločnou katódou alebo spoločnou anódou.
Rôzne použitia 7-segmentového displeja
Digitálne hodiny
7-segmentové displeje sa používajú v digitálnych hodinách na zobrazenie hodín, minút a sekúnd v ľahko čitateľnom číselnom formáte. Vďaka svojej jasnej viditeľnosti sú vhodné pre spotrebiteľské aj priemyselné zariadenia na meranie času.
Kalkulačky
Vreckové a stolné kalkulačky sa spoliehajú na 7-segmentové displeje, ktoré zobrazujú číselné výsledky. Ich nízka spotreba energie zaisťuje dlhú výdrž batérie aj v kompaktných zariadeniach.
Meracie prístroje
Multimetre, voltmetre, ampérmetre a počítadlá frekvencií často používajú 7-segmentové displeje na poskytovanie presných číselných údajov, čo zaisťuje prehľadnosť pre inžinierov a technikov.
Domáce spotrebiče
Zariadenia ako mikrovlnné rúry, práčky a klimatizácie používajú 7-segmentové displeje na indikáciu času, teploty a nastavení programu.
Palivové čerpadlá
Výdajné stojany využívajú 7-segmentové displeje, ktoré zobrazujú množstvo a náklady na palivo, čím zákazníkom poskytujú jasné údaje v reálnom čase.
Hodnotiace tabuľky
Športové výsledkové tabule používajú veľké 7-segmentové displeje na zobrazenie skóre, časovače a odpočítavanie, ktoré sú viditeľné z diaľky.
Spoločná katóda vs. spoločná anóda v 7-segmentových displejoch
Spoločná katóda (CC)
Všetky katódové (záporné) svorky LED diód sú navzájom zviazané a pripojené k zemi (GND). Segment sa rozsvieti, keď je na príslušný kolík privedený VYSOKÝ objemtage.
Tento typ sa ľahko používa s mikrokontrolérmi alebo integrovanými obvodmi ovládačov, ktoré dodávajú prúd priamo.
Spoločná anóda (CA)
Všetky anódové (kladné) svorky sú navzájom zviazané a pripojené k VCC. Segment sa zapne, keď sa jeho kolík potiahne NÍZKO (k zemi). Najlepšie funguje s ovládačmi, ktoré klesajú prúdom.
Identifikácia typu
Použite multimeter v režime diód. V prípade spoločnej anódy pripojte červenú sondu k spoločnému kolíku a čiernu sondu k kolíku segmentu, ak segment svieti, je to CA.
Elektrické špecifikácie 7-segmentových displejov
| Parameter | Rozsah |
|---|---|
| Presmerované napätie (Vf) | 1,8–2,4 V (červená/žltá: \~1,8–2,0 V, zelená/modrá: \~2,0–2,4 V) |
| Prúd v priebežnom smere (If) | 10 – 30 mA (štandardne 20 mA na segment) |
| Špičkový prúd | Až 100 mA (iba pulzná/multiplexná prevádzka) |
| Svietivosť | 1–10 mcd (vyššie hodnoty = jasnejšie) |
| Vlnová dĺžka (farebná) | Červená: 620–630 nm, Zelená: 565 nm |
| Pozorovací uhol | 50–120° |
Výpočet rezistora pre 7-segmentové displeje
7-segmentový displej vyžaduje odpor obmedzujúci prúd pre každý segment LED, aby sa zabránilo nadmernému toku prúdu a nerovnomernému jasu. Hodnota odporu sa určuje pomocou Ohmovho zákona, vyjadreného ako R = (Vcc – Vf) / If, kde Vcc je napájacie napätie, Vf je priepustné napätie LED a If je požadovaný priepustný prúd. Napríklad pri napájaní 5 V, priepustnom napätí 2,0 V na segment a cieľovom prúde 10 mA sa výpočet stane (5 – 2) ÷ 0,01 = 300 Ω. Keďže rezistory sa dodávajú v štandardných hodnotách, je najlepšie zvoliť ďalšiu vyššiu možnosť, napríklad 330 Ω, aby bola zaistená bezpečnosť. Každý segment musí mať svoj vlastný rezistor, pretože jeho zdieľanie cez spoločný pin spôsobuje nerovnomerné úrovne jasu. Pri multiplexovaných displejoch by sa pri nastavovaní hodnôt odporu mala brať do úvahy aj impulzná prevádzka.
Ovládanie 7-segmentových displejov s integrovanými obvodmi dekodéra
Ovládanie 7-segmentového displeja priamo z mikrokontroléra môže rýchlo spotrebovať I/O piny, pretože jedna číslica vyžaduje až osem pinov (sedem segmentov plus desatinná čiarka). Na uloženie GPIO a zjednodušenie zapojenia sa používajú integrované obvody dekodéra. Tieto čipy konvertujú 4-bitový binárne kódovaný desatinný vstup (BCD) na potrebných sedem výstupov, ktoré riadia segmenty displeja, čím znižujú požiadavku len na štyri dátové riadky.
Model 74HC4511 je určený pre displeje s bežnou katódou (CC) a poskytuje aktívne výstupy HIGH. Obsahuje užitočné funkcie, ako je zapnutie západky, test lampy a ovládanie zatemňovania, ktoré umožňujú stabilné ovládanie a testovanie displeja. Na druhej strane, SN7447/LS47 pracuje so spoločnými anódovými (CA) displejmi a výstupmi aktívnych-LOW signálov. Podporuje tiež funkcie testovania žiaroviek a zvlnenia, vďaka čomu je vhodný na ovládanie viacerých číslic na kaskádových displejoch.
Spôsoby jazdy pre 7-segmentové displeje
Priamy pohon
Pri tomto prístupe sa každý segment LED pripája priamo z kolíka MCU cez rezistor. Aj keď je to jednoduché, vyžaduje až 8 pinov na číslicu. To je praktické pre jednociferné displeje, ale neefektívne pre viacciferné nastavenia.
Integrované obvody dekodéra
Dekodér znižuje využitie pinov konverziou 4-bitového binárneho vstupu na sedem výstupov potrebných pre displej. Tento prístup je vynikajúci pre jednociferné alebo malé displeje, čím sa počet požadovaných pinov MCU zníži len na štyri. Stáva sa menej efektívnym pri riadení väčších viacciferných polí.
Registre posunov
Posuvné registre preberajú sériové dáta z MCU a konvertujú ich na paralelné výstupy. Ľahko sa kaskádujú, vďaka čomu sú ideálne pre viacciferné 7-segmentové moduly pri použití veľmi malého počtu pinov MCU. Táto metóda je najškálovateľnejšia a používa sa v digitálnych hodinách, počítadlách a multiplexovaných displejoch.
Multiplexovanie viacmiestnych 7-segmentových displejov
Pri použití viacciferných 7-segmentových displejov je multiplexovanie bežnou metódou ich ovládania bez použitia príliš veľkého počtu pinov. V tomto prístupe je naraz zapnutá iba jedna číslica, ale prepínanie prebieha tak rýchlo, že to vyzerá, že všetky číslice sú zapnuté spolu. Vďaka tomu sa displej ľahšie ovláda a zároveň sa stále zobrazujú správne čísla.
Aby displej vyzeral stabilne, je potrebné každú číslicu obnovovať dostatočne vysokou rýchlosťou, približne 200-krát za sekundu, aby oko nezaznamenalo žiadne blikanie. Čas, počas ktorého je každá číslica aktívna, sa nazýva pracovný cyklus, ktorý závisí od toho, koľko číslic sa kontroluje. Menší pracovný cyklus znamená, že číslice nie sú také jasné, takže môže byť potrebné upraviť prúd v bezpečných medziach, aby sa zachovala viditeľnosť.
Jedným z problémov, ktorý sa môže vyskytnúť pri multiplexovaní, je duchov, kde sa nežiaduce segmenty zobrazujú slabo osvetlené. Tomu sa dá vyhnúť vypnutím všetkých číslic pred aktualizáciou signálov segmentu a použitím ovládačov, ktoré dokážu rýchlo meniť stavy pre čistejšiu prevádzku.
Ovládanie 7-segmentových displejov s tranzistorovými a MOSFET ovládačmi
Darlingtonove tranzistorové polia
Tieto integrované obvody sa používajú na potopenie prúdu na displejoch so spoločnou katódou (CC). Každý kanál môže riadiť segment alebo číslicu, vďaka čomu sú vhodné pre stredne veľké až veľké displeje.
PNP tranzistory a P-kanálové MOSFETy
Pre bežné anódové (CA) displeje je potrebný zdrojový prúd. PNP tranzistory alebo P-MOSFETy poskytujú požadovaný prúd anódam a zároveň umožňujú MCU efektívne ovládať prepínanie.
Vyhradené integrované obvody ovládačov LED
Špecializované integrované obvody, ako je MAX7219, integrujú multiplexovanie, reguláciu prúdu a ovládanie jasu do jedného čipu. Tieto ovládače výrazne znižujú zložitosť zapojenia a uvoľňujú zdroje MCU.
Znaky, ktoré môžete zobraziť na 7-segmentových displejoch
11,1 číslice (0 – 9)
Primárnym účelom 7-segmentových displejov je zobrazovať desatinné čísla. Všetky číslice od 0 do 9 je možné zobraziť jasne a presne, a preto sa používajú v kalkulačkách, hodinách a meračoch.
Hexadecimálne znaky (A – F)
7-segmentové displeje môžu tiež predstavovať hexadecimálne hodnoty. Medzi podporované znaky patria A, b, C, d, E a F. Vďaka tomu sú užitočné v digitálnej elektronike a vstavaných systémoch, kde je potrebná hexadecimálna reprezentácia.
Obmedzené abecedné písmená
Niektoré písmená, ako napríklad P, U, L a H, je možné aproximovať pomocou siedmich segmentov. Čitateľnosť nemusí byť vždy najlepšia, pretože mnohé písmená vyžadujú viac segmentov, ako poskytuje displej.
Nevhodné pre celý text
Vzhľadom na ich obmedzenú štruktúru nie sú 7-segmentové displeje praktické na zobrazovanie slov alebo zložitých písmen. Pre textové aplikácie dizajnéri často používajú ihličkové displeje alebo alfanumerické LCD/LED moduly.
Tipy na dosky plošných spojov a zapojenie pre 7-segmentové displeje
• Umiestnite odpory obmedzujúce prúd blízko kolíkov LED, aby ste udržali stabilný jas a znížili poklesy napätia v stopách.
• Použite široké stopy PCB pre bežné anódové alebo katódové vedenia, pretože prenášajú vyššie prúdy pre viacero segmentov naraz.
• Pridajte pevnú uzemňovaciu rovinu, aby ste zabezpečili stabilné spätné cesty, minimalizovali hluk a zlepšili celkový výkon obvodu.
• Udržujte číslicové linky krátke a dobre smerované, aby ste predišli problémom s hlukom a zabezpečili rýchle prechody pre plynulé multiplexovanie.
Záver
7-segmentové displeje sú praktické, odolné a široko používané na zobrazovanie čísel v zariadeniach, ako sú hodiny, kalkulačky, merače a palivové čerpadlá. Môžu fungovať ako spoločná katóda alebo spoločná anóda a môžu byť poháňané mikrokontrolérmi, integrovanými obvodmi dekodérov alebo posuvnými registrami. Aj keď nie sú vhodné pre plný text, ich účinnosť a spoľahlivosť ich vyžadujú v mnohých aplikáciách.
Často kladené otázky [FAQ]
Aké materiály sa používajú v 7-segmentových displejoch?
Sú vyrobené z polovodičových LED diód (GaAsP pre červenú/oranžovú, GaP pre zelenú) umiestnených v epoxidovej živici na ochranu a tvarovanie svetla.
Môžu sa 7-segmentové displeje používať vonku?
Áno, ale vhodné sú iba verzie s vysokým jasom alebo veľkým segmentom. Štandardné displeje sú príliš slabé na priame slnečné svetlo.
Ako dlho vydrží 7-segmentový displej?
Dobre riadený displej vydrží 50 000 až 100 000 hodín. Nadprúd alebo prehriatie znižuje životnosť.
Aká je najlepšia obnovovacia frekvencia pre multiplexované displeje?
Väčšina z nich funguje najlepšie medzi 100 Hz a 1 kHz. Frekvencie pod 100 Hz spôsobujú blikanie, zatiaľ čo frekvencie nad 1 kHz plytvajú zdrojmi.
Existujú viacfarebné 7-segmentové displeje?
Áno. Niektoré modely používajú dvojfarebné alebo RGB LED diódy, ktoré umožňujú viacero farebných možností na jednom displeji.
Ktorý spotrebuje viac energie, 7-segmentové displeje alebo LCD?
7-segmentové LED diódy spotrebúvajú viac energie ako LCD. LCD sú preferované pre zariadenia s nízkou spotrebou energie, zatiaľ čo LED diódy sú jasnejšie a odolnejšie.