7-Segment-Anzeigen - Sichtbare Binärzahlen

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
1 CMOS-IC 4069
2 CMOS-IC 4518
2 CMOS-IC 4543
16 Widerstand 1,0 kOhm  
2 Widerstand 47 kOhm  
1 Kondensator 100 nF  
1 Elektrolytkondensator 10 µF/16V  
2 7-Segment-Anzeige 13mm mit gem. Kathode

 

 

Grundlagen

 

Wenn digitale Schaltungen komplexer werden, muss man irgendwann Binärzahlen für den Anwender gut erkennbar darstellen. Um dies zu ermöglichen werden so genannte 7-Segment-Displays verwendet. Solche Displays gibt es in verschieden Ausführungen und Technologien z.B. LED-Displays, Displays in LCD-Technik oder Flureszens-Anzeigen.

 

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Hier wollen wir uns erst einmal die so genannten LED-Anzeigen ansehen. Solche Displays gibt es in verschiedenen Ausführungen, Größen und Farben. In diesen Displays sind für die Darstellung von Zahlen 7 einzelne Leuchtdioden plus eine LED für den Dezimalpunkt untergebracht.

Eine Seite der Leuchtdioden wurden zusammen gefasst und auf einem oder mehreren Pins gelegt. Hier werden Anzeigen mit einer Ziffernhöhe von 13mm verwendet. Diese besitzen 2 gemeinsame Anschlusspins. Es sollte darauf geachtet werden, dass dieser Anschluss die gemeinsame Kathode ist. Für welche Anzeigefarbe man sich entscheidet ist dem persönlichen Geschmack überlassen.

Wo sich die übrigen Pins der Anzeige befindet, zeigt die nebenstehende Grafik.

 

 

Binär wird zu 7-Segment

 

 

Um so ein 7-Segment-Display einmal zu testen, wurde hier eine kleine Schaltung aufgebaut. Jede einzelne LED der Anzeige muss mit einem Vorwiderstand versehen werden. Normalerweise könnten wir hier auch jeweils einen Vorwiderstand von 470 Ohm verwenden. Jedoch würde dann die volle Ansteuerung aller Segmente eine angeschlossene Batterie sehr stark belasten. Daher wurde hier ein Vorwiderstand 1,0 kOhm verwendet. Dadurch ist die Anzeige ein wenig dunkler aber noch ausreichend um gut etwas erkennen zu können.

Mit der Drahtbrücke nach dem Pluspol der Batterie können wir nun die einzelnen Segmente der Anzeige aktivieren. Wer möchte kann ja einmal versuchen mit mehrern Drahtbrücken nach Plus einzelne Zahlen darzustellen.

 

Um alle Ziffern unseres Dezimalsystems darzustellen, müssen die einzelne Segmente in einer bestimmten Anordnung geschaltet werden, wie es der nebenstehenden Grafik zu sehen ist. Da digitale Schaltungen aber im Binärsystem arbeiten, müssen wir eine Schaltung haben, die bei entsprechenden Binärzahlen die notwendigen Segmente der Anzeige automatisch aktiviert.

So eine Schaltung kann man natürlich auch einzeln aus Logikgattern aufbauen. Der Aufwand wäre aber immens und ist auch gar nicht notwendig. Es werden eine ganze Reihe fertiger Schaltungen angeboten, die diese Arbeit übernehmen. Solche Schaltkreise nennen sich Anzeigetreiber oder 7-Segment-Dekoder.

 

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So ein 7-Segment-Dekoder ist z.B. das CMOS-IC 4543. Dieser Chip kann aber noch ein wenig mehr als nur eine Anzeige zu steuern.

Wie in der Abbildung zu sehen, wird an der oberen Pinreihe das Display angeschlossen. Mit Hilfe des Pins PH (Pin 6) bestimmen wir, ob wir eine gemeinsame Anode oder eine Kathode haben. Da dieses IC auch LCD-Anzeigen treiben kann, wird dieser Pin äußerst wichtig. Da wir in diesem Lehrgang Anzeigen mit gemeinsamer Kathode verwenden, wird dieser Eingang hier auf 0V gelegt.

Mit BI können wird die Anzeige durch das anlegen eines 1-Signals dunkel geschaltet.

Der 4543 besitzt auch noch ein eingebautes Datenregister, welches durch LD (Pin 1) gesteuert wird. Legen wir dort ein 0-Signal an, können wir die Daten beliebig ändern, ohne das sich die Anzeige ändert.

 

 

Um den Dekoder das Leben einzuhauchen, wurde diese Schaltung aufgebaut. Beim Anschluss der Batterie zeigt die Anzeige eine '6'. Durch ändern der Drahtbrücken an den Dateneingängen D0-D3 (Pin 2-5) können wir andere Binärzahlen dekodieren lassen. Man sollte aber darauf achten, das die Anschlüsse ein wenig 'durcheinander' sind. Also immer das Anschlussbild weiter oben beachten.

Wer ein wenig herum probiert wird schnell merken, dass der Dekoder nur Zahlen von 0-9 darstellen kann. Legen wir Binärzahlen, welche hier ja noch bis 15 gehen, an, so bleibt die Anzeige dunkel. Der 4543 nennt sich auch BCD-Dekoder. Andere Dekoder stellen z.B. die Zahlen 10-15 als Hex-Zahlen dar, wieder andere haben hier bestimmte Sonderzeichen usw.

 

 

Eine Zähldekade entsteht

 

 

Natürlich wird man solche Anzeigeschaltungen nicht mit vorcodierten Drahtbrücken ansteuern sondern durch Zähler etc. mit Daten versorgen.

So etwas wird nun bei diesem Aufbau gemacht. Hier wird die Anzeigenschaltung durch einen BCD-Zähler, bekannt aus dem Lehrgang Zählerschaltungen - Alles in Stufen, ergänzt. Der Zähler selbst wird durch einen Taktgeber angesteuert.

Nun kann man auf dem Display nacheinander die Ziffern '0' bis '9' ablesen.

 

 

Stromsparende LED-Anzeigen

 

 

Mit einer Ziffer in einer Zählereinheit kommt man oft nicht weit. Meist benötigt man mehrere Stellen. Durch das kaskadieren mehrere Zähldekaden ist dies auch problemlos möglich.

Hierbei haben wir aber ein größeres Problem. Wer sich einmal die Mühe gemacht und bei der einstelligen Zähldekade den Strombedarf gemessen hat, wird durchschnittlich 40 mA festgestellt haben.

Misst man nun den Strombedarf dieser doppelten Zähldekade kommt man schon auf einen Strom von durchschnittlich 80 mA. Bei jeder weiteren Stelle erhöht sich der Strombedarf entsprechend. Man kann sich leicht ausmalen, welche Energiemengen man aufbringen müsste wenn man z.B. eine Anzeigeeinheit mit 4*6 Anzeigen betreibt. Hier liegt der Strombedarf schon bei ca. 1 A.

Dies ist weder ökologisch noch schaltungstechnisch gut. Hierfür gibt es aber eine recht einfache Lösung. In dieser Zählerschaltung benötigen wir nur einen weiteren Taktgeber.

 

 

Nahezu jeder LED-Anzeigetreiber hat einen Eingang der 'Blanking Input' heißt. Wird dieser Eingang, welcher beim 4543 auf Pin 7 liegt, auf 1 gesetzt, schaltet der Anzeigetreiber die LED-Anzeige aus. Wie hilft uns das nun aber?

Wollen wir den Strombedarf der Anzeige senken müssen wir nur dafür sorgen, dass immer nur 1 Anzeige zur Zeit leuchtet. Diese lassen wir einen kurzen Moment in Betrieb und schalten diese dann ab während wir die nächste Anzeige einschalten. Auch diese lassen wir nur einen kurzen Augenblick in Betrieb.

Dies erreichen wir bei unserer Schaltung indem wir an den einen BI-Eingang des 4543 das Signal des zusätzlichen Taktgebers einspeisen und das invertierte Signal des Taktgebers in den zweiten 4543.

Der Taktgeber hat eine recht hohe Frequenz und wenn man nun die Schaltung in Betrieb nimmt, kann man den Zähler immer noch sehr gut sehen, obwohl die Anzeigen nur die halbe Zeit angesteuert werden. Unsere Augen sind aber zu träge und nehmen die LED-Anzeigen mit kräftigen Leuchten war.

Das die Anzeigen ein wenig dunkler geworden sind, kann man an den beiden Dezimalpunkten beobachten. Diese leuchten ein wenig stärker auf als der Rest der Anzeige.

Wer sich davon überzeugen möchte, dass die Anzeigen wirklich abwechselnd aktiviert werden, kann dies leicht überprüfen indem er den Kondensator C2 durch einen Elko ersetzt. Jetzt kann man das wechselseitige Aufblinken der Anzeigen erkennen.

 

 

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