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Displays de 7 segmentos

En muchos lugares públicos habréis visto unos indicadores luminosos que nos indican el turno. Normalmente son de dos dígitos, lo que les permite contar hasta 99.

El funcionamiento de estos visualizadores consiste en el apagado o encendido de una serie de luces que forman cada uno de los siete segmentos utilizados para formar los números. Lo realmente complicado es el circuito que se encarga de encender unos segmentos y apagar otros para formar el número que interese.

Nosotros vamos a investigar y tratar de entender estos visualizadores, que nos permitirá contar de 0 a 9.

Este es un sistema muy importante, por que la humanidad esta dependiendo mas de la tecnología, se adapta cada vez mejor a un modelo de vida electrónico, lo que se ve en todas partes.

COMPONENTES ELECTRÓNICOS SEMICONDUCTORES

EL DIODO

Es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una dirección y la bloquea en la opuesta. Esta Formado por dos cristales Semiconductores, uno con escasez de electrones denominado tipo P, y el segundo con exceso de electrones, o tipo N. Esta unión semiconductora se encapsula bajo formas distintas que dependen del fabricante y a la función a la que se destinan, y que disponen de unos terminales conductores para su conexión con otros componentes. El terminal conectado al semiconductor de tipo P recibe el nombre de ánodo, mientras que el conectado de tipo N recibe el nombre de cátodo, un diodo se comportara como un circuito de baja resistencia siempre que el ánodo este polarizado a superior tensión que el cátodo. En caso contrario, presentara una elevada resistencia entre sus terminales y se comportara como un circuito abierto. Esta descripción corresponde a un diodo de propósito general. Existen diodos construidos para aprovechar alguna característica especial, entre los que destacan el diodo emisor de luz (LED) y el diodo Zener.

Diodo Emisor de Luz (LED)

Cuando un diodo es polarizado directamente, se convierte en conductor. El cambio energético que experimentan los electrones en estas circunstancia se manifiesta en algunos compuestos, como el arseniuro de galio (1), con la presencia de una radiación de luz visible o infrarroja.

  • Galio, de símbolo Ga, es un elemento metálico que se mantiene en estado líquido en un rango de temperatura más amplio que cualquier otro elemento.

  • El galio se encuentra en el grupo 13 (o IIIA) del sistema periódico. Su número atómico es 3.

Los diodos emisores de luz están especialmente diseñados para aprovechar la emisión de luz, y se construyen de forma que la unión queda en la zona mas exterior posible del dispositivo, protegidos por un material transparente. Según el material semiconductor empleado, se obtienen diodos luminiscentes de color rojo, verde o amarillo.

Existen también versiones con dos colores, provistos con una estructura de tres patillas, común la del centro y especifica para color la de cada extremo.

DISPLAYS DE 7 SEGMENTOS

Muchos equipos electrónicos proporcionan información al usuario mediante la utilización de señales luminosas, como la emisora sintonizada en un equipo de radio o la lectura de tensión en un voltímetro digital.

Para representar las cifras numéricas se agrupan siete diodos en de segmentos. Estos diodos tienen conectados entre si todos los ánodos.

Un Display de este tipo está compuesto por siete u ocho leds de diferentes formas especiales y dispuestos sobre una base de manera que puedan representarse todos los símbolos numéricos y algunas letras. Los primeros siete segmentos son los encargados de formar el símbolo y con el octavo podemos encender y apagar el punto decimal.

Denominación de los segmentos de Display:

Esta es la denominación de los 7 segmentos en los modelos comerciales.

Esquema eléctrico del visualizador:

Se ha realizado el esquema de tres segmentos de los 7 que lo componen ya que el resto es idéntico.

Se ha optado por una configuración de ánodo común. La decisión ha sido totalmente aleatoria, por lo que serviría exactamente igual una configuración de cátodo común.

Como se puede deducir del esquema, el número de cables entre la placa controladora y el visualizador digital es de 8. (7 para los segmentos y 1 para el negativo la alimentación.

Esquema

Anteriormente se ha comentado que el display que se va a estudiar es de cátodo común, esto significa que todos los cátodos de los leds están conectados, alimentaremos cada led por separado por su correspondiente ánodo.

También existen displays de ánodo común, éstos son similares a los que vamos a utilizar en nuestro montaje con la salvedad de que las conexiones a alimentación y masa serían al revés.

La correspondencia de los pines y cada uno de los leds del display puede verse en la siguiente figura:

Los pines 3 y 8 corresponden con el cátodo de los leds (son los situados en el centro de las dos filas de pines), para el resto se sigue el criterio mostrado en la tabla.

Por ejemplo, si alimentamos el Display por el pin 2 (utilizando una de las resistencias comentadas) y unimos el pin 3 o el 8 a masa, se encenderá el segmento inferior (marcado como d en la figura).

Si alimentamos por el pin 5 lo que encenderemos será el punto decimal indicado como en la figura DP (del inglés Dot Point).

MONTAJE DE UN DISPLAY:

El montaje, de la siguiente forma:

Pin del Puerto B

Pin del Display

Segmento

0 ($01)

9

f, superior izquierda

1 ($02)

10

g, central

2 ($04)

6

b, superior derecha

3 ($08)

7

a, superior

4 ($10)

5

DP, punto decimal

5 ($20)

4

c, inferior derecha

6 ($40)

2

d, inferior

7 ($80)

1

e, inferior izquierda

Al tratarse de un Display de cátodo común, cada vez que activemos, es decir, pongamos a '1' lógico, uno de los bits de salida del puerto B, encenderemos el led correspondiente en el Display.

Nótese que si hubiésemos utilizado un Display de ánodo común, el conexionado y la forma de operación serían diferentes. Eî nuestro caso, la correspondencia entre pines del puerto B y el led del Display queda como la de la figura.

PROPIEDADES GENERALES DE UN DISPLAY DE 7 SEGMENTOS.

Patillaje

La G corresponde a masa. Cada patilla se corresponde con un segmento, al cual debemos aplicar una tensión positiva.

Características

Solidez: excelente
Angulo de visibilidad: 150 grados
Consumo por dígito: 150 mW
Vida media en horas: 100000
Luminosidad: buena
Facilidad de montaje: excelente
Vcc (general): 1'5 V

La Vcc depende del color del LED. Para un color rojo:

Vcc: 1'7 V
Vcc (máx): 2 V

Dependiendo de la tensión aplicada obtendremos una intensidad. Es aconsejable no sobrepasar la Vcc recomendada. Si se alcanza la Vcc máxima se puede destruir el segmento.

Protección

Cada segmento (y el punto) es un led como cualquier otro. Debido a esto la corriente media que se debe aplicar es de 15 mA. Dependiendo de la lógica que estemos empleando debemos utilizar una resistencia por cada entrada y así no forzar el dispositivo:

Lógica TTL (5V): 220 ohmios
Lógica CMOS (12V): 680 ohmios. Esta resistencia debe ser situada en cada patilla, haciendo de puente entre la señal lógica de excitación y el Display.

COMPONENTES DE UN DISPLAY.

Los displays de 7 segmentos son por demás conocidos. Son muy usados en los equipos electrónicos desde hace años, y no ofrecen ningún tipo de dificultad. Se los utiliza, en general,  en forma directa o multiplexada.
En forma directa, es usado normalmente en chips que tienen incluidos los drivers para ello; como ser el ICL7107.

En forma multiplexada, son utilizados por ejemplo con un microcontrolador, el cual genera las señales para manejar los puntos comunes (ánodo o cátodo) por un lado y los segmentos, por el otro. En general, la corriente para encender cada segmento es del orden de 20 a 50mA dependiendo del Display, la frecuencia de multiplexado, etc.  Para lograr esto, se utiliza algún transistor PNP para manejar el ánodo común, o NPN para el cátodo común. Para los segmentos; un clásico ULN2003 (o ULN2004, ULN2803, etc.), o en forma directa para los microcontroladores que tienen la capacidad de manejar 20mA por línea de entrada-salida. Por supuesto, hay que limitar la corriente con el uso de una resistencia en cada segmento.
Tomemos como ejemplo un equipo con 4 dígitos. El conjunto para manejarlo queda formado por:

4 transistores PNP

un chip de 18 pines (ULN2803)

12 resistencias (8 para segmentos, y 4 para las bases de los transistores)

Desde ya que el costo de este material no es elevado, pero si tenemos en cuenta el tamaño del PCB, la provisión de cada ítem, el armado y la puesta en marcha, vemos que comienza a tener cierta importancia.
Si agregamos, el consumo de corriente total exclusivamente de los displays (25mA x 8) es de aproximadamente 200mA. Esto condiciona al transformador o al disipador en el caso de alimentar el equipo con 12VDC.
También puede exigir el uso de un microcontrolador capaz de manejar dicha corriente en sus líneas de entrada- salida para ahorrarnos el ULN. Otro punto de importancia, es la emisión de ruido al conmutar cada dígito.

Existen en forma standard, displays de 7 segmentos de bajo consumo. Lamentablemente por ahora, de tamaño 0.3”. Cuando las limitaciones de costo, tamaño o corriente consumida son importantes, estos ofrecen una gran solución.
El costo es exactamente el mismo que uno normal. La corriente por segmento, es de 2mA, multiplexado con un microcontrolador puede manejarse desde 3mA. Además, la mayoría de los microcontroladores que tienen  Isink=10mA, admiten de carga, un led a 5VDC sin aumentar la corriente de 10mA; lo que nos posibilita eliminar las resistencias limitadoras de corriente de cada segmento. Por consiguiente el driver de dichos displays está formado únicamente por 4 transistores PNP, y 4 resistencias para las bases de los mismos (que en los microcontroladores que tienen algunas líneas de 10mA el resto de las líneas es generalmente de 1.5mA, por consiguiente, podemos también eliminarlas). La corriente total consumida, puede variar desde (3mA x 8) 24mA, hasta (10mA x 8) 80mA. Por ende, se redujo de una forma muy importante el tamaño del PCB, el costo de material, armado, puesta en marcha, y la corriente consumida.
Para referencia, el costo es el mismo que el común, y aproximadamente de $0.70.

CLASES DE DISPLAYS.

FEO202

4 digits, 1 colon, 3 decimal points
0,5 inch (12.7 mm) character height

FEO203

3 1/2 digits, 1 colon, 3 decimal points. A plus/minus sign, and LOW BAT INDICATOR 0,5 inch (12.7 mm) character height

FEO206

4 1/2 digits, 2 colons, 4 decimal points. A plus/minus sign, and LOW BAT INDICATOR 0,4 inch (10,2 mm) character height

Encapsulado: DIL-40 (40 pines, 0.1" de separación)
Dimensiones:   50.80 x 30.48 x 3.05 (mm)
Aplicaciones: voltímetros y contadores digitales, termómetros digitales, relojes.

CARACTERISTICAS

  • Bajo consumo

  • Alto contraste

  • Conector con pines

  • Angulo de visión ancho

  • Rápida respuesta

Una aplicación de los LEDS: el Display de 7 segmentos

Una de las aplicaciones más populares de los LEDS es la de señalización. Quizás la más utilizada sea la de 7 LEDS colocados en forma de ocho tal y como se indica en la figura.

Autor: Daniel Benegas Leon

 

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