نمایشگر سون سگمنت

نمایشگر سون سگمنت ( 7Segment)، از هفت LED (علت نامگذاری آن) تشکیل شده است که به شکل مستطیل شکل مطابق شکل، چیده شده‌­اند.

LED یا دیود ساطع نور، یک دیود نوری حالت جامد با پیوند pn است که انرژی نور را به شکل فوتون ساتع می‌­کند.

انتشار این فوتون‌ها زمانی اتفاق می‌افتد که پیوند دیود توسط یک ولتاژ خارجی بایاس مستقیم می‌شود که به جریان اجازه می‌دهد از محل اتصال آن عبور کند، و در الکترونیک به این فرآیند نورتابی الکتریکی (electroluminescence) می‌گویند.

رنگ واقعی نور مرئی ساتع شده توسط LED، از آبی تا قرمز تا نارنجی، با طول موج طیف نور ساطع شده تعیین می­‌شود که خود به ناخالصی­‌های مختلف اضافه شده به مواد نیمه هادی مورد استفاده برای تولید آن، بستگی دارد.

دیودهای ساتع کننده نور نسبت به لامپ‌ها و چراغ‌های سنتی مزایای زیادی دارند که از جمله مهمترین آن­ها می‌توان به اندازه کوچک، عمر طولانی، رنگ‌های متنوع، ارزان بودن و به آسانی در دسترس بودن و همچنین اتصال آسان با سایر قطعات الکترونیکی و مدارهای دیجیتال اشاره کرد.

اما مزیت اصلی دیودهای انتشار دهنده نور این است که به دلیل اندازه قالب کوچک آن­ها، می‌­توان تعدادی از آن­ها را در یک پکیج کوچک و جمع و جور به هم متصل کرد و چیزی را تولید کرد که به طور کلی نمایشگر سون سگمنت نامیده می‌­شود.

نمایشگر سون سگمنت، از هفت LED تشکیل شده است که به شکل مستطیل شکل مطابق شکل، چیده شده‌­اند. هر یک از این هفت LED یک قسمت (segment) نامیده می­‌شود و وقتی که یک قسمت روشن می‌­شود، بخشی از یک رقم عددی (اعم از دهدهی و شش ­بیتی) را تشکیل داده و نمایش داده می­‌شود.

گاهی اوقات یک LED هشتم اضافی در بسته استفاده می­شود و زمانی که دو یا چند نمایشگر سون سگمنت به هم متصل می­‌شوند تا اعداد بزرگتر از ده را نمایش دهند، یک نقطه اعشار (DP) نشان داده ­شود.

به هر یک از هفت LED در نمایشگر، یک موقعیت داده می­‌شود که یکی از پایه­‌های اتصال آن مستقیماً از بسته پلاستیکی مستطیلی بیرون آورده شده است. این پین‌های ال‌ای‌دی جداگانه که از a تا g نامگذاری می­‌شوند، نشان‌دهنده هر LED جداگانه هستند. پین­‌های دیگر LED به هم متصل شده و سیم­‌کشی می‌­شوند تا یک پین مشترک را تشکیل دهند.

بنابراین، با بایاس مستقیم کردن پین‌های مناسب سگمنت‌های LED، برخی از بخش‌ها روشن و برخی دیگر تیره می‌شوند و اجازه می‌دهند الگوی کاراکتر مورد نظر عدد روی نمایشگر ایجاد شود. بنابراین به ما این امکان را می­دهد که هر یک از ده رقم 0 تا 9 را در صفحه نمایش سون سگمنت، نمایش دهیم.

انواع نمایشگر سون سگمنت

پین مشترک نمایشگر معمولاً برای شناسایی نوع نمایشگر سون سگمنت استفاده می‌­شود. از آنجایی که هر LED دارای دو پین اتصال است که یکی آند و دیگری کاتد نامیده می‌شود.

بنابراین دو نوع نمایشگر LED سون سگمنت به نام های کاتد مشترک (CC) و آند مشترک (CA) وجود دارد.

تفاوت این دو نمایشگر همانطور که از نامشان پیداست در این است که کاتد مشترک تمام کاتدهای ۷ قسمت را مستقیماً به هم متصل می­‌کند و آند مشترک تمام آندهای ۷ قسمت را به هم متصل کرده و به صورت زیر روشن می­‌شود.

1. کاتد مشترک (CC) – در صفحه نمایش کاتد مشترک، تمام اتصالات کاتد سگمنت‌­های LED به منطق “0” یا زمین متصل می­‌شوند. بخش­های جداگانه با اعمال سیگنال “High” یا منطقی “1” از طریق یک مقاومت محدود­کننده جریان برای بایاس مستقیم پایانه‌­های آند جداگانه (a-g)، روشن می­‌شوند.
2. . آند مشترک (CA) – در صفحه نمایش آند مشترک، تمام اتصالات آند سگمنت‌های LED به منطق “1” و به هم متصل می­‌شوند. قسمت­های جداگانه با اعمال زمین، سیگنال منطقی “0” یا “کم” از طریق یک مقاومت محدود کننده جریان مناسب به کاتد قسمت خاص (a-g)، روشن می­‌شوند.

سون سگمنت کاتد مشترک و آند مشترک

کاتد مشترکآند مشترک

به طور کلی، نمایشگرهای آند مشترک از محبوبیت بیشتری برخوردار هستند، زیرا بسیاری از مدارهای منطقی می­‌توانند جریان را بیشتر از آنچه تولید کنند، جذب کنند. همچنین توجه داشته باشید که نمایشگر کاتد مشترک جایگزین مستقیمی در مدار برای نمایشگر آند مشترک نیست و بالعکس، زیرا مانند اتصال معکوس LED ها است و از این رو تابش نور صورت نمی­‌گیرد.

بسته به رقمی که باید نمایش داده شود، مجموعه خاصی از LED ها بایاس مستقیم می‌­شوند. به عنوان مثال برای نمایش رقم عددی 0، باید شش قسمت LED مربوط به a، b، c، d، e و f را روشن کنیم. بنابراین، ارقام مختلف از 0 تا 9 را می­‌توان با استفاده از نمایشگر سون سگمنت همانطور که نشان داده شده است، نمایش داد.

نمایش اعداد با سون سگمنت

برای نمایشگر سون سگمنت، می‌توانیم یک جدول ایجاد کنیم که قسمت­‌های جداگانه‌ای را که باید برای تولید رقم مورد نیاز از ۰ تا ۹ روشن شوند را مطابق زیر مشخص کند:

جدول صحت نمایشگر سون سگمنت

راه اندازی نمایشگر سون سگمنت

اگرچه یک صفحه نمایش سون سگمنت را می­‌توان به عنوان یک نمایشگر واحد در نظر گرفت، اما هنوز هفت LED جداگانه در یک پکیچ واحد وجود دارند و به این ترتیب این LED ها نیاز به محافظت در برابر جریان بیش از حد دارند. LED ها تنها زمانی نور تولید می­‌کنند که بایاس مستقیم باشند و مقدار نور ساتع شده متناسب با جریان مستقیم است.

این بدان معناست که شدت نور LED به صورت تقریباً خطی با افزایش جریان افزایش می­یابد. بنابراین، این جریان مستقیم باید توسط یک مقاومت خارجی کنترل شده و به مقدار ایمن محدود شود تا از آسیب به بخش­‌های LED جلوگیری شود.

افت ولتاژ مستقیم در یک قسمت LED قرمز، بسیار کم است و در حدود 2 تا 2.2 ولت است (در LED های آبی و سفید می­تواند تا 3.6 ولت باشد). بنابراین برای روشن شدن صحیح، قسمت­‌های LED باید به منبع ولتاژ وصل شوند و علاوه بر این ولتاژ مستقیم، یک مقاومت سری برای محدود کردن جریان مستقیم به مقدار مطلوب، استفاده می‌شود.

به طور معمول برای یک صفحه نمایش سون سگمنت قرمز رنگ استاندارد، هر قسمت LED می‌­تواند حدود 15 میلی‌­آمپر را بکشد تا به درستی روشن شود. بنابراین در یک مدار منطقی دیجیتال 5 ولت، مقدار مقاومت محدود­کننده جریان حدود 200Ω (5v – 2v)/15mA، یا 220Ω نزدیکترین مقدار ترجیحی بالاتر خواهد بود.

برای درک نحوه اتصال قسمت­‌های نمایشگر به مقاومت محدود­کننده جریان ۲۲۰Ω، مدار زیر را در نظر بگیرید.

در این مثال، قسمت­‌های نمایشگر آند مشترک با استفاده از سوئیچ‌­ها روشن می­‌شوند. اگر کلید a بسته باشد، جریان از طریق قسمت “”a LED به مقاومت محدود­کننده جریان متصل شده به پایه a و 0 ولت، جریان می‌­یابد و مدار را می­‌سازد. بنابراین فقط قسمت a روشن می­‌شود. در نتیجه یک شرط LOW (تغییر به زمین) برای فعال کردن قسمت­‌های LED در این نمایشگر آند مشترک مورد نیاز است.

فرض کنید می­خواهیم عدد “4” روی صفحه نمایش روشن شود. بنابراین کلیدهای b، c، f و g بسته می‌شوند تا قسمت‌های LED مربوطه را روشن کنند. به همین ترتیب برای عدد “7”، سوئیچ‌­های a، b، c بسته می­شوند. اما روشن کردن نمایشگرهای سون سگمنت با استفاده از سوئیچ‌­های جداگانه چندان کاربردی نیست.

نمایشگرهای سون سگمنت معمولاً توسط نوع خاصی از مدار مجتمع (IC) که معمولاً به عنوان دیکدر/راه‌­انداز (decoder/driver) سون سگمنت شناخته می­‌شود مانند CMOS 4511، راه‌­اندازی می‌­شوند. این راه‌­انداز نمایشگر سون سگمنت که به عنوان دودویی کد­شده ده­دهی (Binary Coded Decimal) یا BCD به راه­‌انداز و دیکدر نمایشگر سون سگمنت شناخته می‌شود، قادر است هم نمایشگرهای آند مشترک و هم نمایشگرهای کاتد مشترک را روشن کند. اما بسیاری از راه‌­اندازهای نمایشگر تکی و دوتایی دیگر مانند TTL 7447 محبوب نیز وجود دارند.

این دیکدر/راه ­انداز BCD به سون سگمنت، یک ورودی BCD چهار بیتی با برچسب A، B، C و D برای ارقام با وزن دودویی 1، 2، 4 و 8 را به ترتیب دریافت کرده و دارای هفت خروجی است که جریان قسمت­‌های مناسب برای نمایش رقم ده­دهی نمایشگر LED عددی را از خود عبور می‌­دهند.

خروجی‌های دیجیتال CD4511 با خروجی‌های معمولی CMOS متفاوت است، زیرا می‌توانند هر کدام تا 25 میلی‌آمپر جریان را برای هدایت قسمت­‌های LED به طور مستقیم فراهم کنند و امکان استفاده و راه‌اندازی نمایشگرهای LED رنگی متفاوت را فراهم می­‌کنند.

درایو سون سگمنت با ۴۵۱۱

در این مدار ساده، هر پایانه آند نمایشگر LED کاتد مشترک مستقیماً از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان به دیکدر/راه ­انداز 4511 متصل می‌شود. کاتدهای هر قسمت LED به صورت داخلی به زمین متصل می­‌شوند. ورودی‌های باینری A، B، C، و D به 4511 از طریق چهار کلید ON/OFF مکانیکی، هستند. هنگامی که تمام کلیدها در موقعیت باز قرار دارند، ولتاژ چهار مقاومت 1kΩ، صفر (0 ولت) است زیرا آن­ها مستقیماً به زمین متصل می‌­شوند. این کار از هرگونه تحریک نادرست نمایشگر در هنگام باز بودن هر یک از سوئیچ‌­ها جلوگیری می­‌کند.

بنابراین می‌توانیم ببینیم که با استفاده از یک درایور نمایشگر BCD به سون سگمنت مانند CMOS 4511 یا TTL 7447، می‌توانیم صفحه نمایش LED را تنها با استفاده از چهار سوئیچ (به جای 8 سوئیچ قبلی) یا یک سیگنال باینری 4 بیتی که 16 ترکیب مختلف را امکان پذیر می­‌کند، کنترل کنیم.

اکثر تجهیزات دیجیتال از نمایشگرهای سون سگمنت برای تبدیل سیگنال­‌های دیجیتال به شکلی استفاده می­‌کنند که قابل نمایش و درک توسط کاربر باشد. این اطلاعات اغلب داده­‌های عددی به شکل اعداد، کاراکترها و نمادها هستند. نمایشگرهای هفت قسمتی آند مشترک و کاتد مشترک با روشن کردن قسمت­های جداگانه در ترکیب­های مختلف، اعداد مورد نیاز را تولید می‌­کنند.

نمایشگرهای سون‌سگمنت مبتنی بر LED در بین علاقه­‌مندان الکترونیک بسیار محبوب هستند زیرا دارای استفاده و درک آسان هستند. در بیشتر کاربردهای عملی، نمایشگرهای سون سگمنت توسط یک IC درایور مناسب مانند CMOS 4511 یا TTL 7447 از یک ورودی BCD 4 بیتی تحریک می‌­شوند. امروزه، نمایشگرهای سون سگمنت مبتنی بر LED تا حد زیادی با نمایشگرهای کریستال مایع (LCD‌ها) که جریان کمتری مصرف می‌­کنند، جایگزین شده‌­اند.