Siebensegmentanzeige - Versionsgeschichte

Besserwessi: /* ICL7117 */

2012-05-20T15:37:07Z

‎ICL7117

BMS: Anders strukturiert; ICL7117 erwähnt

2012-05-18T11:12:45Z

Anders strukturiert; ICL7117 erwähnt

BMS: /* spezielle Treiber ICs */

2012-05-18T10:59:29Z

‎spezielle Treiber ICs

BMS: /* Vergleich mit LC-Displays */

2012-02-15T17:19:33Z

‎Vergleich mit LC-Displays

BMS: Bildgröße

2012-01-05T11:56:47Z

Bildgröße

Besserwessi: /* Multiplexing */

2012-01-04T20:00:08Z

‎Multiplexing

BMS: neuer Schaltplan inklusive Berechnung

2012-01-04T16:05:28Z

neuer Schaltplan inklusive Berechnung

BMS: /* direkte Ansteuerung */

2011-12-15T16:56:54Z

‎direkte Ansteuerung

BMS: Formulierungen, Kleinigkeiten

2011-12-15T16:52:23Z

Formulierungen, Kleinigkeiten

BMS: /* Multiplexing */

2011-11-20T10:06:53Z

‎Multiplexing

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 === ICL7117 ===
-Der ICL7117 ist ein AD-Wandler, der die gemessene Spannung direkt auf LED-Anzeigen anzeigt. Das IC wird häufig in z.B. Einbaumessgeräten für Netzteile uvm. und Bausätzen eingesetzt.
+Der ICL7117 und der ähnliche ICL7107 sind AD-Wandler, die die gemessene Spannung direkt auf 3,5 Stellen LED-Anzeigen (gemeinsame Anode) anzeigen. So ein IC wird häufig in z.B. Einbaumessgeräten für Netzteile uvm. und Bausätzen eingesetzt. Die Segmente werden direkt mit je ca. 8 mA angesteuert.
 == Vergleich mit LC-Displays ==

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 * Der Maximalstrom pro Portpin/gesamten Port (bei dieser einfachen Variante) wird zum Problem (außer bei Low-Current-Anzeigen).
-==== Transistoren als Segmenttreiber ====
+=== spezielle Treiber-ICs ===
 Um das gerade eben beschriebene Problem in den Griff zu bekommen, kann man einerseits Low-Current-Anzeigen verwenden, diese benötigen nur 2mA anstatt 20mA, sparen damit also 90% des Strombedarfes ein. Andererseits können Transistorverstärker dahinter geschaltet werden (entweder npn-Transistoren in Kollektorschaltung oder pnp-Transistoren in Emitterschaltung.
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 Anmerkung: Widerstände zum Begrenzen des Stromes durch die Anzeigen müssen weiterhin verwendet werden, sie sind oben nicht eingezeichnet!
-==== Stellentreiber: ULN2003 und ULN2803 ====
+=== Stellentreiber: ULN2003 und ULN2803 ===
 Beim Multiplexing wurden bisher npn-Transistoren eingesetzt, um die einzelnen Stellen anzusteuern (gilt nur für gemeinsame Kathode). Da der Bauteile- und Verdrahtungsaufwand bei vielen Stellen aber steigt, ist eine Vereinfachung angebracht. Es gibt ICs, in denen bereits eine ganze Reihe Transistoren enthalten sind, um Lasten zu schalten. Die bekanntesten ICs dafür sind der ULN2003 und der ULN2803. Sie haben jeweils 7 bzw. 8 Darlingtons enthalten und können gegen GND schalten. Sie können damit die npn-Transistoren inkl. den Basisvorwiderständen ersetzen. Die ICs sind kompakt, preiswert und können das Platinenlayout einfacher gestalten.
 Der maximale Ausgangsstrom von 500mA pro Kanal reicht für 8 Segmente mit je 60 mA, also gerade 3 Stellen mit im Mittel 20 mA, oder 6 Stellen mit 10 mA mittlerem Strom. Bei einem Defekt ließe sich das IC auch rasch austauschen (falls eine IC-Fassung verwendet wurde).
-==== Variante mit Dezimalzähler 4017 ====
+=== Variante mit Dezimalzähler 4017 ===
 Sollen viele Stellen angesteuert werden, so muss bei der oben gezeigten Variante pro Stelle auch ein Portpin spendiert werden. Stehen nicht genügend Ausgänge zur Verfügung, kann ein CMOS-Dezimalzähler CD4017 eingesetzt werden.
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 Die BCD-7-Segment-Treiber können sowohl bei der direkten Ansteuerung als auch bei Multiplexing eingesetzt werden.
 === Erhöhung des Wirkungsgrades ===
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 Insgesamt ist diese Variante aber nur sinnvoll, wenn viele Stellen angesteuert werden müssen oder der Stromverbrauch der Anzeigen sehr hoch ist.
 === Impulszähler mit 7-Segment-Ansteuerung ===
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 Da es sich um CMOS-ICs handelt, muss sichergestellt sein, dass jeder Eingang auf einem definierten Potential (High oder Low) liegt. Eingänge, die nicht mit einer Versorgungsspannung verbunden wurden, müssen gegebenenfalls mit Pullup- oder Pulldown-Widerständen versehen werden.
 == Vergleich mit LC-Displays ==

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 === spezielle Treiber ICs ===
 Es gibt auch ICs für die Ansteuerung von mehr-stelligen 7 Segmentanzeigen. Die Daten werden dazu z.B. per I2C übergeben, und das IC sorgt dann für das Multiplexing inklusive der Treiber, und ggf. auch die Wandlung von BCD in die 7-Segment Symbole. Beispiele sind Max7219 / Max7221 / ICM7218 für bis zu 8 Stellen und SAA1064 für maximal 4 Stellen.
 === Erhöhung des Wirkungsgrades ===

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 == Vergleich mit LC-Displays ==
-Siebensegmentanzeigen eignen sich vor allem dazu, Zahlen darzustellen. Sie haben den Vorteil, dass sie auch aus größerer Entfernung oder schlechten Lichtverhältnissen noch deutlich erkennbar sind. Außerdem bietet sich die Möglichkeit, mit wenigen ICs auch ohne Mikrocontroller Zähler oder Uhren aufbauen zu können. Die Anzeige kann darüber hinaus rasch aktualisiert werden und sind wesentlich günstiger als LC-Textdisplays.
+===Vorteile der Siebensegmentanzeige===
+* gute Lesbarkeit auch bei größerer Entfernung oder schlechten Lichtverhältnissen, geeignet für z.B. Uhren, Zähler usw.
-Vergleicht man Siebensegmentanzeigen mit handelsüblichen LC-Dotmatrix-Displays (für Text) ergeben sich allerdings deutliche Nachteile der Segmentanzeigen:
+* Ansteuerung auch mit "normalen" ICs möglich; Mikrocontrollerkenntnisse nicht zwingend notwendig (je nach Anwendung)
 * oft höherer Stromverbrauch der Siebensegmentanzeige (2 - 20mA pro Segment!, LC-Display: z.B. 60mA inkl. Beleuchtung)
 * werden die Anzeigen mit einem Mikrocontroller über Multiplexing gesteuert, so ist dieser mit der Ansteuerung der Segmentanzeigen ständig beschäftigt
 * erhöhter Bauteileaufwand (Vorwiderstände, Transistoren oder Segmenttreiber usw.)
-* es können weniger Zeichen dargestellt werden als auf einem Display (sowohl Anzahl der Zeichen als auch Komplexität, z.B. Buchstaben, Umlaute, Symbole)
+* es können weniger Zeichen dargestellt werden als auf einem LC-Display (sowohl Anzahl der Zeichen als auch Komplexität, z.B. Buchstaben, Umlaute, Symbole)
 == Siebensegmentanzeigen aus LCDs ==

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 Exemplarisch soll hier eine Schaltung für 4 Stellen mit gemeinsamer Kathode gezeigt werden. Das Schema kann relativ simpel an die gewünschte Stellenzahl angepasst werden. Sollen Anzeigen mit gemeinsamer Anode verwendet werden, sollten nach Möglichkeit pnp-Transistoren verwendet werden (dann Emitter an +5V, Collector an Anode).
-[[Bild:Siebensegment_4fach_Multiplexing_V2.png|500px]]
+[[Bild:Siebensegment_4fach_Multiplexing_V2.png|650px]]
 So wurden die Bauteilwerte berechnet:

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 Möglich ist auch die Verwendung von N-Kanal Logic-Level FETs anstelle der npn-Transistoren.
 Der Mikrocontroller muss nacheinander die "Stelle_x"-Anschlüsse auf +5V legen, während die anderen "Stelle_x"-Anschlüsse auf GND liegen. Zusätzlich muss dann - wie bei der direkten Ansteuerung - an die Leitungen der Segmente dann +5V angelegt werden, um das entsprechende Segment leuchten zu lassen.
 Sollen viele Stellen verwendet werden, kann Multiplexing problematisch werden, da mit einem hohen Strom gearbeitet werden muss und man damit möglicherweise den maximal zulässigen Spitzenstrom der LEDs überschreitet. Außerdem kann ein Softwarefehler die Anzeigen zerstören: Falls z.B. immer nur ein und dieselbe Stelle angesteuert wird, kann die Stelle durch den erhöhten Strom kaputt gehen.

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 [[Bild:Siebensegment_direkt_gem_Kathode.png]]
-Im Schaltplan ist die Ansteuerung für eine Anzeige mit gemeinsamer Kathode gezeigt. Die Widerstände wurden für einen Strom von 20mA berechnet. Ein Segment wird zum Leuchten gebracht, indem die entsprechende Mikrocontrollerleitung als Ausgang und auf +5V geschaltet wird.
+Im Schaltplan ist die Ansteuerung für eine Anzeige mit gemeinsamer Kathode gezeigt. Die Widerstände wurden für einen Strom von 20mA berechnet. Ein Segment wird zum Leuchten gebracht, indem die entsprechende Mikrocontrollerleitung als Ausgang und auf +5V geschaltet wird. (Anmerkung zum Schaltplan: Die Pinnummern (rot) kann man unbeachtet lassen, ein Blick ins Datenblatt deiner gewählten Siebensegmentanzeige verrät die Anordnung der Pins)
 Soll eine Anzeige mit gemeinsamer Anode verwendet werden, so muss diese mit +5V verbunden werden. Ein Segment leuchtet dann auf, wenn die entsprechende Mikrocontrollerleitung als Ausgang und auf GND geschaltet wird.

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 Es sind viele verschiedene LED-Anzeigen erhältlich, man sollte sich jedoch an gewissen technischen Daten orientieren.
-* '''gemeinsame Kathode/Anode''' : In Siebensegmentanzeigen sind nicht alle Anschlüsse der LEDs einzeln herausgeführt, sondern es werden üblicherweise alle Kathoden (Minuspole) oder alle Anoden (Pluspole) der LEDs zusammengeschaltet. Die Entscheidung für gemeinsame Anode/Kathode muss mit der geplanten Schaltung zur Ansteuerung aber abgestimmt sein. Die englische Bezeichnung lautet Common Cathode oder Common Anode.
+* '''gemeinsame Kathode/Anode''' : In Siebensegmentanzeigen sind nicht alle Anschlüsse der LEDs einzeln herausgeführt, sondern es werden üblicherweise entweder alle Kathoden (Minuspole) oder alle Anoden (Pluspole) der LEDs zusammengeschaltet (die englische Bezeichnung lautet Common Cathode oder Common Anode). Die Entscheidung für gemeinsame Anode/Kathode muss mit der geplanten Schaltung zur Ansteuerung aber abgestimmt sein!
-* '''Daten der LEDs''' : wichtig ist hierbei die Vorwärtsspannung der LEDs (meist 2V) und der empfohlene Strom durch die LEDs (meist 10-20mA). Es existieren auch Anzeigen mit Low-Current-LEDs, die mit nur 2mA auskommen. Der tatsächlich benötigte Strom hängt aber stark von der Umgebungshelligkeit und der Effizienz der LEDs ab. Große Anzeigen mit Ziffernhöhen über 20mm haben häufig mehrere LEDs pro Segment eingebaut, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dann ist eine höhere Spannung zur Ansteuerung notwendig. Die Farbe der Anzeige kann nach Belieben gewählt werden, inzwischen sind auch blaue Anzeigen erhältlich, leider sind diese noch deutlich teurer als rote, gelbe oder grüne LED-Anzeigen.
+* '''Daten der LEDs''' : wichtig ist hierbei in erster Linie die Vorwärtsspannung der LEDs (meist 2V) und der empfohlene Strom durch die LEDs (meist 10-20mA). Es existieren auch Anzeigen mit Low-Current-LEDs, die mit nur 2mA auskommen. Der tatsächlich benötigte Strom hängt aber stark von der Umgebungshelligkeit und der Effizienz der LEDs ab. Große Anzeigen mit Ziffernhöhen über 20mm haben häufig mehrere LEDs pro Segment eingebaut, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dann ist eine höhere Spannung zur Ansteuerung notwendig. Die Farbe der Anzeige kann nach Belieben gewählt werden, inzwischen sind sogar blaue Anzeigen erhältlich, leider sind diese noch deutlich teurer als rote, gelbe oder grüne LED-Anzeigen.
 * '''Ziffernhöhe''' : üblich sind 10mm, 13mm und 20mm. Es sind aber auch größere Anzeigen erhältlich, bis etwa 10cm Ziffernhöhe!
 * '''Bauform''' : Es sind "normale", also bedrahtete Anzeigen, als auch SMD-Anzeigen erhältlich. Die Pins bei den bedrahteten Anzeigen können unterschiedlich angeordnet sein, dafür lieber vorher im Datenblatt nachsehen.
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 == Varianten der Ansteuerung mit Mikrocontroller ==
 === direkte Ansteuerung ===
-Diese Variante eignet sich vor allem dann, wenn nur wenige Ziffern (1 oder 2) angesteuert werden sollen.
+Diese Variante eignet sich vor allem dann, wenn nur wenige Ziffern/Stellen (1 oder 2) angesteuert werden sollen.
 Der gemeinsame Anschluss (gemeinsame Kathode oder Anode) wird hierbei mit dem entsprechenden Anschluss der Versorgungsspannung verbunden. Eine gemeinsame Kathode wird mit GND verbunden, eine gemeinsame Anode mit z.B. +5V.
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 === Multiplexing ===
-Sollen viele Stellen angezeigt werden können, würde eine direkte Ansteuerung sehr viele Pins in Anspruch nehmen. Eine bessere Möglichkeit ist dann, so genanntes Multiplexing zu verwenden. Damit werden die Stellen einzeln schnell nacheinander angesteuert. Für das menschliche Auge sind dann aber trotzdem alle Stellen gleichzeitig erkennbar.
+Sollen viele Stellen angezeigt werden können, würde eine direkte Ansteuerung sehr viele Pins in Anspruch nehmen. Eine bessere Möglichkeit ist dann, so genanntes Multiplexing anzuwenden. Dabei werden die Stellen einzeln schnell nacheinander angesteuert. Für das menschliche Auge sind dann aber trotzdem alle Stellen gleichzeitig erkennbar.
 Exemplarisch soll hier eine Schaltung für 4 Stellen mit gemeinsamer Kathode gezeigt werden. Das Schema kann relativ simpel an die gewünschte Stellenzahl angepasst werden. Sollen Anzeigen mit gemeinsamer Anode verwendet werden, sollten nach Möglichkeit pnp-Transistoren verwendet werden (dann Emitter an +5V, Collector an Anode).
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 [[Bild:Siebensegment_4fach_Multiplexing.png|500px]]
-Anmerkung: Die im Schaltplan angegebenen BC547 sind für einen maximalen Kollektorstrom von 100mA spezifiziert, man wird wohl eher leistungsfähigere Transistoren verwenden müssen (z.B. BC637 o.ä.). Hintergrund: Sollen alle Segmente leuchten, fließt pro Stelle ein Strom von 8*20mA=160mA. Dafür reichen die BC547 schon nicht mehr aus. Die Basisvorwiderstände müssen dann auch anders dimensioniert werden. Möglich ist auch die Verwendung von N-Kanal Logic-Level FETs.
+Anmerkung: Die im Schaltplan angegebenen Transistoren BC547 sind für einen maximalen Kollektorstrom von 100mA spezifiziert, man wird wohl eher leistungsfähigere Transistoren verwenden müssen (z.B. BC637 o.ä.). Hintergrund: Sollen alle Segmente leuchten, fließt pro Stelle ein Strom von 8*20mA=160mA. Dafür reichen die BC547 schon nicht mehr aus. Die Basisvorwiderstände müssen dann auch anders dimensioniert werden. Möglich ist auch die Verwendung von N-Kanal Logic-Level FETs.
 Der Mikrocontroller muss nacheinander die "Stelle_x"-Anschlüsse auf +5V legen, während die anderen "Stelle_x"-Anschlüsse auf GND liegen. Zusätzlich muss dann - wie bei der direkten Ansteuerung - an die Leitungen der Segmente dann +5V angelegt werden, um das entsprechende Segment leuchten zu lassen.