Un display a 7 segmenti è un semplice componente elettronico composto da sette barre LED che mostrano numeri, alcune lettere e persino valori esadecimali. Viene utilizzato in orologi, calcolatrici, contatori ed elettrodomestici perché è a bassa potenza, affidabile e facile da usare. Questo articolo spiega in dettaglio la piedinatura, le specifiche, i metodi di guida e i suggerimenti per la progettazione.
Panoramica del display a 7 segmenti
Un display a 7 segmenti è uno dei dispositivi di visualizzazione elettronica più semplici ma più utilizzati per la visualizzazione di dati numerici e caratteri limitati. È composto da sette barre LED disposte a forma di otto, che possono essere illuminate in varie combinazioni per formare cifre da 0 a 9, oltre ad alcuni caratteri alfabetici. Molte versioni includono anche un segmento aggiuntivo con virgola decimale (dp) per visualizzare i numeri in virgola mobile, rendendole adatte per calcolatrici, orologi, contatori ed elettronica. La loro semplicità, il basso consumo energetico e la facilità di interfacciamento con i microcontrollori li hanno mantenuti rilevanti anche con l'ascesa di LCD e OLED. Grazie al loro design robusto, si trovano anche in apparecchiature industriali, strumenti di test e sistemi integrati dove è richiesta affidabilità.
Configurazione della piedinatura del display a 7 segmenti
| Perno n. | Nome pin | Ruolo pin |
|---|---|---|
| 1 | Perno E | Gestisce il segmento LED in basso a sinistra. |
| 2 | Perno D | Responsabile del segmento LED nella parte più bassa. |
| 3 | Perno comune | Si collega a VCC o a terra, a seconda del tipo di display. |
| 4 | Perno C | Controlla il segmento LED nella posizione in basso a destra. |
| 5 | Perno DP | Controlla il segmento LED con punto decimale. |
| 6 | Perno B | Gestisce il segmento LED in alto a destra. |
| 7 | Perno A | Guida il funzionamento del segmento LED più in alto. |
| 8 | Perno comune | Simile al pin 3; si collega a VCC o a terra. |
| 9 | Perno F | Esegue il segmento LED all'estremità superiore sinistra. |
| 10 | Perno G | Controlla la commutazione del segmento LED centrale. |
Ogni cifra è formata da sette segmenti LED, etichettati da A a G, e da un punto decimale opzionale (DP). Illuminando diverse combinazioni di questi segmenti, è possibile visualizzare numeri e alcune lettere. I pin nella parte inferiore si collegano a ciascun segmento, al punto decimale e ai terminali comuni (COM), che possono essere collegati a terra o alla tensione di alimentazione, a seconda che il display sia a catodo comune o anodo comune.
Diversi usi del display a 7 segmenti
Orologi digitali
I display a 7 segmenti sono utilizzati negli orologi digitali per mostrare ore, minuti e secondi in un formato numerico di facile lettura. La loro chiara visibilità li rende adatti sia per i dispositivi di misurazione del tempo di consumo che per quelli industriali.
Calcolatrici
Le calcolatrici tascabili e da tavolo si basano su display a 7 segmenti per presentare risultati numerici. Il loro basso fabbisogno energetico garantisce una lunga durata della batteria, anche in dispositivi compatti.
Strumenti di misura
Multimetri, voltmetri, amperometri e contatori di frequenza utilizzano spesso display a 7 segmenti per fornire letture numeriche accurate, garantendo chiarezza per ingegneri e tecnici.
Elettrodomestici
Dispositivi come forni a microonde, lavatrici e condizionatori d'aria utilizzano display a 7 segmenti per indicare l'ora, la temperatura e le impostazioni del programma.
Pompe del carburante
Gli erogatori di carburante utilizzano display a 7 segmenti per mostrare la quantità e il costo del carburante, fornendo ai clienti dati chiari e in tempo reale.
Tabelloni segnapunti
I tabelloni segnapunti sportivi utilizzano ampi display a 7 segmenti per mostrare punteggi, timer e conti alla rovescia visibili a distanza.
Catodo comune vs. anodo comune nei display a 7 segmenti
Catodo comune (CC)
Tutti i terminali catodici (negativi) dei LED sono legati tra loro e collegati a terra (GND). Un segmento si accende quando viene applicata una tensione ALTA al pin corrispondente.
Questo tipo è facile da usare con microcontroller o circuiti integrati driver che forniscono direttamente corrente.
Anodo comune (CA)
Tutti i terminali dell'anodo (positivo) sono legati insieme e collegati a VCC. Un segmento si accende quando il suo perno viene tirato LOW (a terra). Funziona meglio con i driver che assorbono corrente.
Identificazione del tipo
Utilizzare un multimetro in modalità diodo. Per un anodo comune, collegare la sonda rossa al pin comune e la sonda nera a un pin di segmento, se il segmento si accende, è CA. Invertire le sonde per verificare la presenza di un catodo comune.
Specifiche elettriche dei display a 7 segmenti
| Parametro | Gamma |
|---|---|
| Tensione diretta (Vf) | 1,8–2,4 V (rosso/giallo: \~1,8–2,0 V, verde/blu: \~2,0–2,4 V) |
| Corrente diretta (If) | 10–30 mA (20 mA per segmento è standard) |
| Corrente di picco | Fino a 100 mA (solo funzionamento pulsato/multiplexato) |
| Intensità luminosa | 1–10 mcd (valori più alti = più luminosi) |
| Lunghezza d'onda (colore) | Rosso: 620–630 nm, Verde: 565 nm |
| Angolo di visione | 50–120° |
Calcolo del resistore per display a 7 segmenti
Un display a 7 segmenti richiede un resistore di limitazione della corrente per ogni segmento LED per evitare un flusso di corrente eccessivo e una luminosità non uniforme. Il valore del resistore è determinato utilizzando la legge di Ohm, espressa come R = (Vcc – Vf) / If, dove Vcc è la tensione di alimentazione, Vf è la tensione diretta del LED e If è la corrente diretta desiderata. Ad esempio, con un'alimentazione di 5 V, una tensione diretta di 2,0 V per segmento e una corrente target di 10 mA, il calcolo diventa (5 – 2) ÷ 0,01 = 300 Ω. Poiché i resistori sono disponibili in valori standard, è meglio selezionare l'opzione immediatamente superiore, ad esempio 330 Ω, per garantire la sicurezza. Ogni segmento deve avere il proprio resistore, poiché la condivisione di uno attraverso il pin comune causa livelli di luminosità non uniformi. Per i display multiplexati, anche il funzionamento a impulsi deve essere considerato durante la regolazione dei valori delle resistenze.
Pilotaggio di display a 7 segmenti con circuiti integrati di decodifica
Il controllo di un display a 7 segmenti direttamente da un microcontroller può consumare rapidamente i pin I/O poiché una cifra richiede fino a otto pin (sette segmenti più il punto decimale). Per risparmiare GPIO e semplificare il cablaggio, vengono utilizzati circuiti integrati di decodifica. Questi chip convertono un input decimale con codifica binaria (BCD) a 4 bit nelle sette uscite necessarie che guidano i segmenti del display, riducendo il requisito a sole quattro linee di dati.
Il 74HC4511 è progettato per display a catodo comune (CC) e fornisce uscite active-HIGH. Include funzioni utili come l'abilitazione del fermo, il test della lampada e il controllo del blanking, che consentono un controllo e un test stabili del display. D'altra parte, l'SN7447/LS47 funziona con display ad anodo comune (CA) ed emette segnali active-LOW. Supporta anche le funzioni di test della lampada e di ripple-blanking, il che lo rende adatto per il pilotaggio di più cifre in display a cascata.
Metodi di guida per display a 7 segmenti
Azionamento diretto
In questo approccio, ogni segmento LED si collega direttamente dal pin dell'MCU attraverso un resistore. Sebbene semplice, richiede fino a 8 pin per cifra. Questo è pratico per i display a una cifra, ma inefficiente per le configurazioni a più cifre.
Circuiti integrati di decodifica
Un decoder riduce l'utilizzo dei pin convertendo un ingresso binario a 4 bit nelle sette uscite necessarie per il display. Questo approccio è eccellente per display a una cifra o di piccole dimensioni, riducendo i pin MCU necessari a soli quattro. Diventa meno efficiente quando si pilotano array multicifra più grandi.
Registri a scorrimento
I registri a scorrimento prelevano i dati seriali dall'MCU e li convertono in uscite parallele. Sono facilmente collegabili in cascata, il che li rende perfetti per moduli multicifra a 7 segmenti utilizzando pochissimi pin MCU. Questo metodo è il più scalabile e utilizzato negli orologi digitali, nei contatori e nei display multiplexati.
Multiplexing di display a 7 segmenti a più cifre
Quando si utilizzano display a 7 segmenti a più cifre, il multiplexing è un metodo comune per controllarli senza utilizzare troppi pin. In questo approccio, viene attivata solo una cifra alla volta, ma la commutazione avviene così rapidamente che sembra che tutte le cifre siano accese insieme. Ciò rende il display più facile da gestire pur mostrando i numeri corretti.
Affinché il display appaia stabile, ogni cifra deve essere aggiornata a una velocità sufficientemente elevata, circa 200 volte al secondo, in modo che l'occhio non noti alcuno sfarfallio. La quantità di tempo in cui ogni cifra è attiva è chiamata ciclo di lavoro, che dipende dal numero di cifre controllate. Un ciclo di lavoro più piccolo significa che le cifre non sono così luminose, quindi potrebbe essere necessario regolare la corrente entro limiti di sicurezza per mantenere la visibilità.
Un problema che può verificarsi nel multiplexing è il ghosting, in cui i segmenti indesiderati appaiono debolmente illuminati. Questo può essere evitato disattivando tutte le cifre prima di aggiornare i segnali del segmento e utilizzando driver in grado di cambiare rapidamente stato per un funzionamento più pulito.
Pilotaggio di display a 7 segmenti con driver a transistor e MOSFET
Array di transistor Darlington
Questi circuiti integrati sono utilizzati per la corrente di assorbimento nei display a catodo comune (CC). Ogni canale può pilotare un segmento o una cifra, il che li rende adatti a display di medie e grandi dimensioni.
Transistor PNP e MOSFET a canale P
Per i display ad anodo comune (CA), è necessaria la corrente di approvvigionamento. I transistor PNP o P-MOSFET forniscono la corrente richiesta agli anodi, consentendo al contempo all'MCU di controllare la commutazione in modo efficiente.
Circuiti integrati per driver LED dedicati
I circuiti integrati specializzati come il MAX7219 integrano il multiplexing, la regolazione della corrente e il controllo della luminosità in un unico chip. Questi driver riducono notevolmente la complessità del cablaggio e liberano risorse MCU.
Caratteri che puoi mostrare su display a 7 segmenti
Cifre (0–9)
Lo scopo principale dei display a 7 segmenti è quello di mostrare i numeri decimali. Tutte le cifre da 0 a 9 possono essere visualizzate in modo chiaro e preciso, motivo per cui vengono utilizzate in calcolatrici, orologi e contatori.
Caratteri esadecimali (A–F)
I display a 7 segmenti possono anche rappresentare valori esadecimali. I personaggi supportati includono A, b, C, d, E e F. Questo li rende utili nell'elettronica digitale e nei sistemi integrati in cui è necessaria la rappresentazione esadecimale.
Lettere alfabetiche limitate
Alcune lettere, come P, U, L e H, possono essere approssimate utilizzando i sette segmenti. La leggibilità potrebbe non essere sempre la migliore, poiché molte lettere richiedono più segmenti di quelli forniti dal display.
Non adatto per il testo completo
A causa della loro struttura limitata, i display a 7 segmenti non sono pratici per mostrare parole o lettere complesse. Per le applicazioni con un elevato contenuto di testo, i progettisti utilizzano spesso display a matrice di punti o moduli LCD/LED alfanumerici.
PCB e punte di cablaggio per display a 7 segmenti
• Posizionare i resistori di limitazione della corrente vicino ai pin del LED per mantenere una luminosità stabile e ridurre le cadute di tensione tra le tracce.
• Utilizzare tracce PCB larghe per linee anodiche o catodiche comuni poiché trasportano correnti più elevate per più segmenti contemporaneamente.
• Aggiungere un piano di massa solido per fornire percorsi di ritorno stabili, ridurre al minimo il rumore e migliorare le prestazioni complessive del circuito.
• Mantieni le linee digit-enable brevi e ben instradate per evitare problemi di rumore e garantire transizioni rapide per un multiplexing fluido.
Conclusione
I display a 7 segmenti sono pratici, durevoli e ampiamente utilizzati per visualizzare i numeri in dispositivi come orologi, calcolatrici, contatori e pompe del carburante. Possono funzionare come un catodo comune o un anodo comune ed essere pilotati da microcontrollori, circuiti integrati di decodifica o registri a scorrimento. Sebbene non siano adatti per il testo completo, la loro efficienza e affidabilità li mantengono necessari in molte applicazioni.
Domande frequenti [FAQ]
Quali materiali vengono utilizzati nei display a 7 segmenti?
Sono realizzati con LED a semiconduttore (GaAsP per rosso/arancione, GaP per verde) alloggiati in resina epossidica per la protezione e la modellazione della luce.
I display a 7 segmenti possono essere utilizzati all'aperto?
Sì, ma sono adatte solo le versioni ad alta luminosità o a segmento largo. I display standard sono troppo scuri per la luce solare diretta.
Quanto dura un display a 7 segmenti?
Un display ben guidato dura da 50.000 a 100.000 ore. La sovracorrente o il surriscaldamento riducono la durata.
Qual è la migliore frequenza di aggiornamento per i display multiplexati?
La maggior parte funziona meglio tra 100 Hz e 1 kHz. Le frequenze inferiori a 100 Hz causano sfarfallio, mentre le frequenze superiori a 1 kHz sprecano risorse.
Esistono display multicolore a 7 segmenti?
Sì. Alcuni modelli utilizzano LED a due colori o RGB, consentendo più opzioni di colore in un unico display.
Cosa consuma più energia, i display a 7 segmenti o gli LCD?
I LED a 7 segmenti consumano più energia rispetto agli LCD. Gli LCD sono preferiti per i dispositivi a bassa potenza, mentre i LED sono più luminosi e robusti.