Eine 7-Segment-Anzeige ist ein einfaches elektronisches Bauteil, das aus sieben LED-Balken besteht, die Zahlen, einige Buchstaben und sogar Hexadezimalwerte anzeigen. Es wird in Uhren, Taschenrechnern, Messgeräten und Geräten verwendet, da es stromsparend, zuverlässig und einfach zu bedienen ist. In diesem Artikel werden die Pinbelegung, die Spezifikationen, die Ansteuerungsmethoden und die Designtipps ausführlich erläutert.
Übersicht über die 7-Segment-Anzeige
Eine 7-Segment-Anzeige ist eines der einfachsten und dennoch am häufigsten verwendeten elektronischen Anzeigegeräte für die Anzeige numerischer Daten und begrenzter Zeichen. Es besteht aus sieben LED-Balken, die im Stil einer Acht angeordnet sind und in verschiedenen Kombinationen beleuchtet werden können, um Ziffern von 0 bis 9 zu bilden, sowie einigen alphabetischen Buchstaben. Viele Versionen enthalten auch ein zusätzliches Dezimaltrennzeichen (dp) zur Anzeige von Gleitkommazahlen, wodurch sie für Taschenrechner, Uhren, Messgeräte und Elektronik geeignet sind. Ihre Einfachheit, ihr geringer Stromverbrauch und ihre einfache Anbindung an Mikrocontroller haben sie auch mit dem Aufkommen von LCDs und OLEDs relevant gemacht. Dank ihres robusten Designs sind sie auch in Industrieanlagen, Prüfinstrumenten und eingebetteten Systemen zu finden, bei denen Zuverlässigkeit erforderlich ist.
Konfiguration der Pinbelegung für die 7-Segment-Anzeige
| Anstecknadel-Nr. | Name der Stecknadel | Rolle anheften |
|---|---|---|
| Nr. 1 | Pin E | Verwaltet das LED-Segment am unteren linken Ende. |
| 2 | Stecknadel D | Verantwortlich für das LED-Segment im untersten Teil. |
| 3 | Gemeinsamer Pin | Anschluss an VCC oder Masse, je nach Displaytyp. |
| 4 | Stift C | Steuert das LED-Segment in der unteren rechten Position. |
| Nr. 5 | DP Anstecknadel | Steuert das Dezimalpunkt-LED-Segment. |
| 6 | Stift B | Verwaltet das LED-Segment oben rechts. |
| 7 | Stecknadel A | Leitet den Betrieb des obersten LED-Segments. |
| 8 | Gemeinsamer Pin | Ähnlich wie Pin 3; Anschluss an VCC oder Masse. |
| 9 | Stift F | Führt das LED-Segment am oberen linken Ende aus. |
| 10 | Stift G | Steuert das Schalten des mittleren LED-Segments. |
Jede Ziffer besteht aus sieben LED-Segmenten, die mit A bis G beschriftet sind, und einem optionalen Dezimalpunkt (DP). Durch das Aufleuchten verschiedener Kombinationen dieser Segmente können Zahlen und einige Buchstaben angezeigt werden. Die Pins an der Unterseite sind mit jedem Segment, dem Dezimalpunkt und den gemeinsamen Anschlüssen (COM) verbunden, die entweder an Masse- oder Versorgungsspannung gebunden werden können, je nachdem, ob es sich bei der Anzeige um eine gemeinsame Kathode oder eine gemeinsame Anode handelt.
Unterschiedliche Verwendungen der 7-Segment-Anzeige
Digitaluhren
7-Segment-Anzeigen werden in Digitaluhren verwendet, um Stunden, Minuten und Sekunden in einem leicht ablesbaren numerischen Format anzuzeigen. Durch ihre klare Sichtbarkeit eignen sie sich sowohl für private als auch für industrielle Zeitmessgeräte.
Taschenrechner
Taschen- und Desktop-Taschenrechner sind auf 7-Segment-Displays angewiesen, um numerische Ergebnisse anzuzeigen. Ihr geringer Strombedarf sorgt für eine lange Akkulaufzeit, auch bei kompakten Geräten.
Messgeräte
Multimeter, Voltmeter, Amperemeter und Frequenzzähler verwenden häufig 7-Segment-Anzeigen, um genaue numerische Messwerte zu liefern und für Klarheit für Ingenieure und Techniker zu sorgen.
Haushaltsgeräte
Geräte wie Mikrowellenherde, Waschmaschinen und Klimaanlagen verwenden 7-Segment-Anzeigen, um Uhrzeit, Temperatur und Programmeinstellungen anzuzeigen.
Kraftstoffpumpen
Zapfsäulen verwenden 7-Segment-Anzeigen, um Kraftstoffmenge und -kosten anzuzeigen und den Kunden klare Echtzeitdaten zu liefern.
Anzeigetafeln
Sportanzeigetafeln verwenden große 7-Segment-Anzeigen, um Ergebnisse, Timer und Countdowns anzuzeigen, die aus der Ferne sichtbar sind.
Gemeinsame Kathode vs. gemeinsame Anode in 7-Segment-Displays
Gemeinsame Kathode (CC)
Alle Kathodenklemmen (Minuspolen) der LEDs sind miteinander verschnürt und mit Masse (GND) verbunden. Ein Segment leuchtet auf, wenn eine HIGH-Spannung an den entsprechenden Pin angelegt wird.
Dieser Typ ist einfach mit Mikrocontrollern oder Treiber-ICs zu verwenden, die direkt Strom liefern.
Gemeinsame Anode (CA)
Alle Anodenklemmen (Pluspolen) sind miteinander verbunden und mit VCC verbunden. Ein Segment schaltet sich ein, wenn sein Stift NIEDRIG (zur Erde) gezogen wird. Funktioniert am besten mit stromsenkenden Treibern.
Identifizieren des Typs
Verwenden Sie ein Multimeter im Diodenmodus. Verbinden Sie bei einer gemeinsamen Anode die rote Sonde mit dem gemeinsamen Stift und die schwarze Sonde mit einem Segmentstift. Wenn das Segment leuchtet, handelt es sich um eine Zertifizierungsstelle. Kehren Sie die Sonden um, um nach einer gemeinsamen Kathode zu suchen.
Elektrische Spezifikationen von 7-Segment-Anzeigen
| Parameter | Sortiment |
|---|---|
| Durchlassspannung (Vf) | 1,8–2,4 V (Rot/Gelb: \~1,8–2,0 V, Grün/Blau: \~2,0–2,4 V) |
| Durchlassstrom (Wenn) | 10–30 mA (20 mA pro Segment sind Standard) |
| Spitzenstrom | Bis zu 100 mA (nur gepulster/gemultiplexter Betrieb) |
| Lichtstärke | 1–10 mcd (höhere Werte = heller) |
| Wellenlänge (Farbe) | Rot: 620–630 nm, Grün: 565 nm |
| Blickwinkel | 50–120° |
Widerstandsberechnung für 7-Segment-Anzeigen
Eine 7-Segment-Anzeige erfordert einen Strombegrenzungswiderstand für jedes LED-Segment, um einen übermäßigen Stromfluss und eine ungleichmäßige Helligkeit zu verhindern. Der Widerstandswert wird nach dem Ohmschen Gesetz bestimmt, ausgedrückt als R = (Vcc – Vf) / If, wobei Vcc die Versorgungsspannung, Vf die Durchlassspannung der LED und If der gewünschte Durchlassstrom ist. Bei einer 5-V-Versorgung, einer Durchlassspannung von 2,0 V pro Segment und einem Zielstrom von 10 mA ergibt die Berechnung beispielsweise (5 – 2) ÷ 0,01 = 300 Ω. Da Widerstände in Standardwerten erhältlich sind, ist es am besten, die nächsthöhere Option zu wählen, z. B. 330 Ω, um die Sicherheit zu gewährleisten. Jedes Segment muss über einen eigenen Widerstand verfügen, da die gemeinsame Nutzung eines Widerstands über den gemeinsamen Pin zu ungleichmäßigen Helligkeitswerten führt. Bei Multiplex-Displays sollte bei der Einstellung der Widerstandswerte auch der gepulste Betrieb berücksichtigt werden.
Ansteuerung von 7-Segment-Displays mit Decoder-ICs
Die Steuerung einer 7-Segment-Anzeige direkt über einen Mikrocontroller kann schnell I/O-Pins verbrauchen, da eine Ziffer bis zu acht Pins (sieben Segmente plus Dezimalstelle) erfordert. Um GPIOs zu sparen und die Verdrahtung zu vereinfachen, werden Decoder-ICs verwendet. Diese Chips wandeln eine binärcodierte 4-Bit-Dezimaleingabe (BCD) in die erforderlichen sieben Ausgänge um, die die Anzeigesegmente steuern, wodurch der Bedarf auf nur vier Datenleitungen reduziert wird.
Der 74HC4511 ist für gängige Kathodenanzeigen (CC) ausgelegt und bietet Aktiv-HIGH-Ausgänge. Es enthält nützliche Funktionen wie die Aktivierung des Riegels, den Lampentest und die Ausblendsteuerung, die eine stabile Displaysteuerung und -prüfung ermöglichen. Auf der anderen Seite arbeitet der SN7447/LS47 mit Common Anode (CA)-Displays und gibt Active-LOW-Signale aus. Es unterstützt auch Lampentest- und Ripple-Blanking-Funktionen und eignet sich daher für die Ansteuerung mehrerer Ziffern in kaskadierten Displays.
Ansteuerungsmethoden für 7-Segment-Anzeigen
Direktantrieb
Bei diesem Ansatz wird jedes LED-Segment über einen Widerstand direkt vom MCU-Pin angeschlossen. Es ist zwar einfach, erfordert aber bis zu 8 Pins pro Ziffer. Dies ist praktisch für einstellige Displays, aber ineffizient für mehrstellige Setups.
Decoder-ICs
Ein Decoder reduziert die Pin-Auslastung, indem er einen 4-Bit-Binäreingang in die sieben Ausgänge umwandelt, die für die Anzeige benötigt werden. Dieser Ansatz eignet sich hervorragend für einstellige oder kleine Displays, da die Anzahl der erforderlichen MCU-Pins auf nur vier reduziert wird. Es wird weniger effizient, wenn größere mehrstellige Arrays betrieben werden.
Schieberegister
Schieberegister nehmen serielle Daten von der MCU auf und wandeln sie in parallele Ausgänge um. Sie lassen sich leicht kaskadieren und eignen sich daher perfekt für mehrstellige 7-Segment-Module mit sehr wenigen MCU-Pins. Diese Methode ist die skalierbarste und wird in digitalen Uhren, Zählern und Multiplex-Displays verwendet.
Multiplexen von mehrstelligen 7-Segment-Anzeigen
Bei der Verwendung von mehrstelligen 7-Segment-Anzeigen ist Multiplexing eine gängige Methode, um sie zu steuern, ohne zu viele Pins zu verwenden. Bei diesem Ansatz wird jeweils nur eine Ziffer aktiviert, aber die Umschaltung erfolgt so schnell, dass es so aussieht, als wären alle Ziffern zusammen eingeschaltet. Dadurch ist das Display einfacher zu bedienen und zeigt dennoch die richtigen Zahlen an.
Damit das Display stabil aussieht, muss jede Ziffer mit einer ausreichend hohen Rate aktualisiert werden, etwa 200 Mal pro Sekunde, damit das Auge kein Flimmern bemerkt. Die Zeit, die jede Ziffer aktiv ist, wird als Tastverhältnis bezeichnet, das davon abhängt, wie viele Ziffern gesteuert werden. Ein kleineres Tastverhältnis bedeutet, dass die Ziffern nicht so hell sind, so dass der Strom möglicherweise innerhalb sicherer Grenzen angepasst werden muss, um die Sichtbarkeit zu gewährleisten.
Ein Problem, das beim Multiplexing auftreten kann, ist das Ghosting, bei dem unerwünschte Segmente schwach beleuchtet erscheinen. Dies kann vermieden werden, indem alle Ziffern ausgeschaltet werden, bevor die Segmentsignale aktualisiert werden, und indem Treiber verwendet werden, die den Zustand schnell ändern können, um einen saubereren Betrieb zu gewährleisten.
Ansteuerung von 7-Segment-Displays mit Transistor- und MOSFET-Treibern
Darlington-Transistor-Arrays
Diese ICs werden zum Senken von Strom in gängigen Kathodenanzeigen (CC) verwendet. Jeder Kanal kann ein Segment oder eine Ziffer ansteuern, wodurch sie für mittelgroße bis große Displays geeignet sind.
PNP-Transistoren und P-Kanal-MOSFETs
Für CA-Displays (Common Anode) ist eine Stromquelle erforderlich. PNP-Transistoren oder P-MOSFETs versorgen die Anoden mit dem erforderlichen Strom und ermöglichen es der MCU, das Schalten effizient zu steuern.
Dedizierte LED-Treiber-ICs
Spezialisierte ICs wie der MAX7219 integrieren Multiplexing, Stromregelung und Helligkeitsregelung in einem einzigen Chip. Diese Treiber reduzieren die Komplexität der Verkabelung erheblich und setzen MCU-Ressourcen frei.
Zeichen, die Sie auf 7-Segment-Displays anzeigen können
Ziffern (0–9)
Der Hauptzweck von 7-Segment-Anzeigen besteht darin, Dezimalzahlen anzuzeigen. Alle Ziffern von 0 bis 9 können übersichtlich und genau dargestellt werden, weshalb sie in Taschenrechnern, Uhren und Messgeräten verwendet werden.
Hexadezimale Zeichen (A–F)
7-Segment-Anzeigen können auch Hexadezimalwerte darstellen. Zu den unterstützten Zeichen gehören A, b, C, d, E und F. Dies macht sie nützlich in der digitalen Elektronik und in eingebetteten Systemen, bei denen eine hexadezimale Darstellung erforderlich ist.
Begrenzte alphabetische Buchstaben
Einige Buchstaben, wie z. B. P, U, L und H, können anhand der sieben Segmente angenähert werden. Die Lesbarkeit ist möglicherweise nicht immer optimal, da viele Buchstaben mehr Segmente erfordern, als die Anzeige bietet.
Nicht für Volltext geeignet
Aufgrund ihrer begrenzten Struktur sind 7-Segment-Displays nicht für die Darstellung von Wörtern oder komplexen Buchstaben geeignet. Für textlastige Anwendungen verwenden Entwickler stattdessen häufig Punktmatrix-Displays oder alphanumerische LCD/LED-Module.
PCB- und Verdrahtungsspitzen für 7-Segment-Displays
• Platzieren Sie Strombegrenzungswiderstände in der Nähe der LED-Pins, um eine stabile Helligkeit zu gewährleisten und Spannungsabfälle über Leiterbahnen zu reduzieren.
• Verwenden Sie breite PCB-Leiterbahnen für gängige Anoden- oder Kathodenleitungen, da sie höhere Ströme für mehrere Segmente gleichzeitig führen.
• Fügen Sie eine solide Massefläche hinzu, um stabile Rückwege zu gewährleisten, Rauschen zu minimieren und die Gesamtleistung der Schaltung zu verbessern.
• Halten Sie die ziffernfähigen Leitungen kurz und gut geroutet, um Rauschprobleme zu vermeiden und schnelle Übergänge für ein reibungsloses Multiplexing zu gewährleisten.
Fazit
7-Segment-Anzeigen sind praktisch, langlebig und werden häufig für die Anzeige von Zahlen in Geräten wie Uhren, Taschenrechnern, Messgeräten und Kraftstoffpumpen verwendet. Sie können als gemeinsame Kathode oder gemeinsame Anode arbeiten und von Mikrocontrollern, Decoder-ICs oder Schieberegistern angesteuert werden. Obwohl sie nicht für Volltexte geeignet sind, sind sie aufgrund ihrer Effizienz und Zuverlässigkeit in vielen Anwendungen erforderlich.
Häufig gestellte Fragen [FAQ]
Welche Materialien werden bei 7-Segment-Anzeigen verwendet?
Sie bestehen aus Halbleiter-LEDs (GaAsP für rot/orange, GaP für grün), die zum Schutz und zur Lichtformung in Epoxidharz untergebracht sind.
Können 7-Segment-Anzeigen im Außenbereich verwendet werden?
Ja, aber es eignen sich nur Versionen mit hoher Helligkeit oder großen Segmenten. Standard-Displays sind zu dunkel für direkte Sonneneinstrahlung.
Wie lange hält eine 7-Segment-Anzeige?
Ein gut bedientes Display hält 50.000 bis 100.000 Stunden. Überstrom oder Überhitzung verkürzen die Lebensdauer.
Was ist die beste Bildwiederholfrequenz für Multiplex-Displays?
Die meisten funktionieren am besten zwischen 100 Hz und 1 kHz. Frequenzen unter 100 Hz verursachen Flimmern, während Frequenzen über 1 kHz Ressourcen verschwenden.
Gibt es mehrfarbige 7-Segment-Displays?
Ja. Einige Modelle verwenden zweifarbige oder RGB-LEDs, die mehrere Farboptionen in einem Display ermöglichen.
Was verbraucht mehr Strom, 7-Segment-Displays oder LCDs?
7-Segment-LEDs verbrauchen mehr Strom als LCDs. LCDs werden für Geräte mit geringem Stromverbrauch bevorzugt, während LEDs heller und robuster sind.