Afficheur à 7 segments

L’émission de photons d’un affichage à 7 segments se produit lorsque la jonction de la diode de chaque segment est polarisée en direct par une tension externe, permettant à un courant de circuler à travers sa jonction. En électronique, ce processus est appelé électroluminescence.

La couleur réelle de la lumière visible émise par une LED, variant du bleu au rouge jusqu’à l’orange, est déterminée par la longueur d’onde spectrale de la lumière émise, qui dépend elle-même du mélange des diverses impuretés ajoutées aux matériaux semiconduteurs utilisés pour sa production.

Affichage à 7 segments

Les diodes électroluminescentes ont de nombreux avantages par rapport aux ampoules et lampes traditionnelles, les principaux étant leur petite taille, leur longue durée de vie, leurs diverses couleurs, leur faible coût et leur disponibilité, ainsi que leur facilité d’interface avec divers autres composants électroniques et circuits numériques.

Mais l’avantage principal des diodes électroluminescentes est que, en raison de leur petite taille, plusieurs d’entre elles peuvent être connectées ensemble dans un petit emballage compact, produisant ce qui est généralement appelé un affichage à 7 segments.

L’affichage à 7 segments, également écrit « affichage à sept segments », se compose de sept LEDs (d’où son nom) disposées de manière rectangulaire, comme le montre l’image. Chacune des sept LEDs est appelée un segment car, lorsqu’elle est éclairée, le segment fait partie d’un chiffre numérique (à la fois décimal et hexadécimal) à afficher.

Un 8ème LED supplémentaire est parfois utilisé dans le même package permettant ainsi d’indiquer un point décimal (DP) lorsque deux ou plusieurs affichages à 7 segments sont connectés ensemble pour afficher des nombres supérieurs à dix.

Chacune des sept LEDs de l’affichage est dotée d’un segment de position dont l’une de ses broches de connexion est directement sortie de l’emballage plastique rectangulaire. Ces broches de LED sont étiquetées de a à g, représentant chaque LED individuelle. Les autres broches de LED sont connectées entre elles et câblées pour former une broche commune.

Ainsi, en polarisant de manière directe les broches appropriées des segments LED dans un ordre particulier, certains segments s’allumeront et d’autres resteront sombres, permettant ainsi de générer le motif de caractère désiré du nombre sur l’affichage. Cela nous permet alors d’afficher chacun des dix chiffres décimaux de 0 à 9 sur le même affichage à 7 segments.

La broche commune de l’affichage est généralement utilisée pour identifier de quel type d’affichage à 7 segments il s’agit. Comme chaque LED a deux broches de connexion, une appelée “Anode” et l’autre appelée “Cathode”, il existe donc deux types d’affichage à 7 segments LED appelés : Cathode commune (CC) et Anode commune (CA).

La différence entre les deux affichages, comme leur nom l’indique, est que la cathode commune a toutes les cathodes des 7 segments connectées directement ensemble et que l’anode commune a toutes les anodes des 7 segments connectées ensemble et s’illumine comme suit.

1. La Cathode Commune (CC) – Dans l’affichage à cathode commune, toutes les connexions de cathode des segments LED sont réunies à la logique “0” ou à la terre. Les segments individuels s’illuminent par application d’un signal “HAUT”, ou logique “1”, via une résistance limitant le courant pour polariser en direct les terminaux anodiques individuels (a-g).

Configuration de la Cathode Commune

2. L’Anode Commune (CA) – Dans l’affichage à anode commune, toutes les connexions d’anode des segments LED sont réunies à la logique “1”. Les segments individuels s’illuminent en appliquant une terre, une logique “0” ou un signal “BAS” via une résistance adéquate limitant le courant à la cathode du segment particulier (a-g).

Configuration de l’Anode Commune

En général, les affichages à anode commune sont plus populaires car de nombreux circuits logiques peuvent drainer plus de courant qu’ils ne peuvent en fournir. Notez également qu’un affichage à cathode commune n’est pas un remplacement direct dans un circuit pour un affichage à anode commune et vice versa, car cela revient à connecter les LEDs à l’envers, et donc l’émission de lumière ne se produira pas.

Selon le chiffre décimal à afficher, l’ensemble particulier de LEDs est polarisé en direct. Par exemple, pour afficher le chiffre numérique 0, nous devrions éclairer six des segments LED correspondant à a, b, c, d, e et f. Ainsi, les divers chiffres de 0 à 9 peuvent être affichés en utilisant un affichage à 7 segments comme illustré.

Segments Numériques pour Tous les Nombres

Alors, pour un affichage à 7 segments, nous pouvons produire une table de vérité donnant les segments individuels qui doivent être éclairés afin de produire le chiffre décimal requis de 0 à 9, comme montré ci-dessous.

Table de Vérité de l’Affichage à 7 Segments

Bien qu’un affichage à 7 segments puisse être considéré comme un affichage unique, il s’agit en réalité de sept LEDs individuelles dans un seul paquet et, en tant que tel, ces LEDs ont besoin de protection contre le surcourant. Les LEDs produisent de la lumière uniquement lorsqu’elles sont polarisées en direct, et la quantité de lumière émise est proportionnelle au courant direct.

Cela signifie alors que l’intensité lumineuse d’une LED augmente de manière approximativement linéaire avec l’augmentation du courant. Ainsi, ce courant direct doit être contrôlé et limité à une valeur sûre par une résistance externe pour éviter d’endommager les segments de la LED.

La chute de tension directe à travers un segment LED rouge est très faible, d’environ 2 à 2,2 volts (les LEDs bleues et blanches peuvent atteindre jusqu’à 3,6 volts), donc pour s’illuminer correctement, les segments LED doivent être connectés à une source de tension dépassant cette valeur de tension directe, avec une résistance en série utilisée pour limiter le courant direct à une valeur souhaitable.

Typiquement, pour un affichage à 7 segments de couleur rouge standard, chaque segment LED peut tirer environ 15 mA pour s’éclairer correctement. Donc, sur un circuit logique numérique de 5 volts, la valeur de la résistance limitant le courant serait d’environ 200Ω (5v – 2v)/15mA, ou 220Ω à la valeur supérieure préférée la plus proche.

Pour comprendre comment les segments de l’affichage sont connectés à une résistance limitant le courant de 220Ω, considérez le circuit ci-dessous.

Contrôle d’un Affichage à 7 Segments

Dans cet exemple, les segments d’un affichage à anode commune sont illuminés à l’aide des interrupteurs. Si l’interrupteur a est fermé, le courant circulera à travers le segment “a” de la LED jusqu’à la résistance limitant le courant connectée à la broche a et à 0 volts, complétant le circuit. Alors, seul le segment a sera illuminé. Ainsi, une condition BAS (interrupteur à la terre) est requise pour activer les segments LED sur cet affichage à anode commune.

Mais supposons que nous voulions que le nombre décimal « 4 » s’illumine sur l’affichage. Alors les interrupteurs b, c, f et g seraient fermés pour éclairer les segments LED correspondants. De même, pour le nombre décimal « 7 », les interrupteurs a, b, c seraient fermés. Mais illuminer les affichages à 7 segments à l’aide d’interrupteurs individuels n’est pas très pratique.

Contrôle d’un Affichage à 7 Segments

Les affichages à 7 segments sont généralement contrôlés par un type spécial de circuit intégré (CI) communément appelé décodeur/driver à 7 segments, tel que le CMOS 4511. Ce driver d’affichage à 7 segments, connu sous le nom de décodeur et driver Binaire Codé Décimal ou BCD, est capable d’illuminer à la fois des affichages à anode commune ou à cathode commune. Mais il existe de nombreux autres drivers d’affichage simples et doubles disponibles, comme le très populaire TTL 7447.

Ce décodeur/driver BCD vers 7 segments prend une entrée BCD de quatre bits étiquetée A, B, C et D pour les chiffres du poids binaire de 1, 2, 4 et 8 respectivement, et dispose de sept sorties qui feront passer le courant à travers les segments appropriés pour afficher le chiffre décimal de l’affichage LED numérique.

Les sorties numériques du CD4511 sont différentes des sorties CMOS habituelles car elles peuvent fournir jusqu’à 25mA de courant chacune pour contrôler directement les segments LED, permettant l’utilisation et le contrôle d’affichages LED de différentes couleurs.

Utilisation d’un Driver 4511

Dans ce circuit simple, chaque terminal d’anode de l’affichage LED à cathode commune est connecté directement au décodeur/driver 4511 via une résistance limitant le courant. Les cathodes de chaque segment LED sont connectées directement à la terre. Les entrées binares, A, B, C, et D vers le 4511 se font via quatre interrupteurs mécaniques ON/OFF. Lorsque tous les interrupteurs sont en position ouverte, la tension à travers les quatre résistances de 1kΩ est nulle (0V) car elles sont directement reliées à la terre. Cela empêche tout déclenchement erroné de l’affichage lorsque l’un des interrupteurs est ouvert.

Nous pouvons alors constater qu’en utilisant un driver BCD vers affichage à 7 segments tel que le CMOS 4511 ou le TTL 7447, nous pouvons contrôler l’affichage LED à l’aide de seulement quatre interrupteurs (au lieu des 8 précédents) ou d’un signal binaire à 4 bits permettant jusqu’à 16 combinaisons différentes.

La plupart des équipements numériques utilisent des affichages à 7 segments pour convertir des signaux numériques en une forme qui peut être affichée et comprise par l’utilisateur. Ces informations sont souvent des données numériques sous forme de nombres, de caractères et de symboles. Les affichages à anode commune et à cathode commune produisent le nombre requis en éclairant les segments individuels dans diverses combinaisons.

Les affichages à 7 segments à base de LED sont très populaires auprès des amateurs d’électronique car ils sont faciles à utiliser et à comprendre. Dans la plupart des applications pratiques, les affichages à 7 segments sont pilotés par un CI décodeur/driver adéquat comme le CMOS 4511 ou le TTL 7447, à partir d’une entrée BCD à 4 bits. Aujourd’hui, les affichages à 7 segments à base de LED ont été largement remplacés par des affichages à cristaux liquides (LCD) qui consomment moins de courant.