Thiết kế mạch giải mã led 7 đoạn cathode chung

Led 7 đoạn là gì ?

Một LED hay Đi-ốt phát quang, là một đi-ốt tiếp giáp pn quang học bán dẫn phát ra năng lượng ánh sáng dưới dạng photon.

Sự phát ra photon từ một màn hình 7 đoạn xảy ra khi tiếp giáp đi-ốt của mỗi đoạn được phân cực thuận bởi một điện áp bên ngoài cho phép dòng điện chảy qua tiếp giáp của nó, và trong Điện tử chúng ta gọi quá trình này là điện phát quang.

Màu sắc thực tế của ánh sáng nhìn thấy được phát ra bởi một LED, từ xanh đến đỏ đến cam, được quyết định bởi bước sóng phổ của ánh sáng phát ra, bản thân nó phụ thuộc vào hỗn hợp của các tạp chất khác nhau được thêm vào vật liệu bán dẫn được sử dụng để sản xuất nó.

Đi-ốt phát quang có nhiều ưu điểm hơn so với bóng đèn và đèn truyền thống, với những ưu điểm chính là kích thước nhỏ, tuổi thọ dài, nhiều màu sắc, giá rẻ và sẵn có, cũng như dễ dàng giao tiếp với các thành phần điện tử và mạch số khác nhau.

Nhưng ưu điểm chính của đi-ốt phát quang là do kích thước die nhỏ của chúng, một số chúng có thể được kết nối với nhau trong một gói nhỏ gọn tạo ra cái mà thường được gọi là Màn hình 7 đoạn.

Màn hình 7 đoạn, còn được viết là “màn hình bảy đoạn”, bao gồm bảy LED (do đó có tên của nó) được sắp xếp theo kiểu hình chữ nhật như hình vẽ. Mỗi trong bảy LED được gọi là một đoạn vì khi được chiếu sáng, đoạn tạo thành một phần của một chữ số (cả Thập phân và Hex) được hiển thị.

Một LED thứ 8 đôi khi được sử dụng trong cùng một gói do đó cho phép chỉ báo dấu thập phân, (DP) khi hai hoặc nhiều màn hình 7 đoạn được kết nối với nhau để hiển thị các số lớn hơn mười.

Mỗi LED trong bảy LED trên màn hình được gán một đoạn vị trí với một trong các chân kết nối của nó được đưa thẳng ra khỏi gói nhựa hình chữ nhật. Các chân LED riêng lẻ này được dán nhãn từ a đến g đại diện cho từng LED riêng lẻ. Các chân LED khác được kết nối với nhau và được nối dây để tạo thành một chân chung.

Vì vậy, bằng cách phân cực thuận các chân thích hợp của các đoạn LED theo một thứ tự cụ thể, một số đoạn sẽ sáng và một số khác sẽ tối cho phép mẫu ký tự mong muốn của số được tạo ra trên màn hình. Điều này cho phép chúng ta hiển thị mỗi trong mười chữ số thập phân từ 0 đến 9 trên cùng một màn hình 7 đoạn.

Chân chung của màn hình thường được sử dụng để xác định loại màn hình 7 đoạn nào. Vì mỗi LED có hai chân kết nối, một được gọi là “Anốt” và chân kia được gọi là “Catốt”, do đó có hai loại màn hình LED 7 đoạn được gọi là: Catốt chung (CC) và Anốt chung (CA).

Sự khác biệt giữa hai màn hình, như tên gọi của chúng, là catốt chung có tất cả các catốt của 7 đoạn được kết nối trực tiếp với nhau và anốt chung có tất cả các anốt của 7 đoạn được kết nối với nhau và được chiếu sáng như sau.

1. Catốt chung (CC) – Trong màn hình catốt chung, tất cả các kết nối catốt của các đoạn LED được nối với nhau đến logic “0” hoặc nối đất. Các đoạn riêng lẻ được chiếu sáng bằng cách áp dụng tín hiệu “CAO”, hoặc logic “1” thông qua điện trở giới hạn dòng để phân cực thuận các đầu cuối Anốt riêng lẻ (a-g).

Cấu hình Catốt chung

2. Anốt chung (CA) – Trong màn hình anốt chung, tất cả các kết nối anốt của các đoạn LED được nối với nhau đến logic “1”. Các đoạn riêng lẻ được chiếu sáng bằng cách áp dụng tín hiệu nối đất, logic “0” hoặc “THẤP” thông qua điện trở giới hạn dòng thích hợp vào Catốt của đoạn cụ thể (a-g).

Cấu hình Anốt chung

Nói chung, màn hình anốt chung phổ biến hơn vì nhiều mạch logic có thể hút nhiều dòng hơn so với chúng có thể cung cấp. Cũng lưu ý rằng màn hình catốt chung không phải là sự thay thế trực tiếp trong mạch cho màn hình anốt chung và ngược lại, vì nó giống như kết nối các LED ngược lại và do đó sẽ không xảy ra phát sáng.

Tùy thuộc vào chữ số thập phân sẽ được hiển thị, bộ LED cụ thể được phân cực thuận. Ví dụ, để hiển thị chữ số 0, chúng ta sẽ cần thắp sáng sáu đoạn LED tương ứng với a, b, c, d, e và f. Do đó, các chữ số khác nhau từ 0 đến 9 có thể được hiển thị bằng màn hình 7 đoạn như hình.

Các đoạn kỹ thuật số cho tất cả các số

Sau đó, đối với màn hình 7 đoạn, chúng ta có thể tạo ra một bảng chân lý cho các đoạn riêng lẻ cần được chiếu sáng để tạo ra chữ số thập phân cần thiết từ 0 đến 9 như hình dưới đây.

Bảng mã led 7 đoạn anode chung

Số	Các đoạn riêng lẻ được chiếu sáng
	a	b	c	d	e	f	g
0	×	×	×	×	×	×
1		×	×
2	×	×		×	×		×
3	×	×	×	×			×
4		×	×			×	×
5	×		×	×		×	×
6	×		×	×	×	×	×
7	×	×	×
8	×	×	×	×	×	×	×
9	×	×	×			×	×

Điều khiển màn hình 7 đoạn

Mặc dù màn hình 7 đoạn có thể được coi là một màn hình duy nhất, nhưng nó vẫn là bảy LED riêng lẻ trong một gói duy nhất và do đó các LED này cần được bảo vệ khỏi dòng quá tải. LED chỉ tạo ra ánh sáng khi nó được phân cực thuận với lượng ánh sáng phát ra tỷ lệ thuận với dòng thuận.

Điều này có nghĩa là cường độ ánh sáng của LED tăng theo cách gần như tuyến tính với dòng tăng. Vì vậy, dòng thuận này phải được kiểm soát và giới hạn ở giá trị an toàn bởi một điện trở bên ngoài để ngăn ngừa hư hỏng cho các đoạn LED.

Điện áp rơi xuống qua một đoạn LED màu đỏ rất thấp khoảng 2 đến 2,2 volt, (LED màu xanh và trắng có thể cao tới 3,6 volt) vì vậy để chiếu sáng chính xác, các đoạn LED nên được kết nối với nguồn điện áp vượt quá giá trị điện áp thuận này với điện trở nối tiếp được sử dụng để giới hạn dòng thuận ở giá trị mong muốn.

Thông thường, đối với màn hình 7 đoạn màu đỏ tiêu chuẩn, mỗi đoạn LED có thể hút khoảng 15 mA để chiếu sáng chính xác, vì vậy trên mạch logic kỹ thuật số 5 volt, giá trị của điện trở giới hạn dòng sẽ khoảng 200Ω (5v – 2v) / 15mA, hoặc 220Ω đến giá trị ưu tiên cao hơn gần nhất.

Vì vậy, để hiểu cách các đoạn của màn hình được kết nối với điện trở giới hạn dòng 220Ω, hãy xem xét mạch dưới đây.

Trong ví dụ này, các đoạn của màn hình anốt chung được chiếu sáng bằng các công tắc. Nếu công tắc a được đóng, dòng sẽ chảy qua đoạn “a” của LED đến điện trở giới hạn dòng được kết nối với chân a và đến 0 volt, tạo thành mạch. Sau đó chỉ đoạn a sẽ được chiếu sáng.

Nhưng giả sử chúng ta muốn số thập phân “4” được chiếu sáng trên màn hình. Sau đó, các công tắc b, c, f và g sẽ được đóng để thắp sáng các đoạn LED tương ứng. Tương tự, đối với số thập phân “7”, các công tắc a, b, c sẽ được đóng. Nhưng việc chiếu sáng màn hình 7 đoạn bằng các công tắc riêng lẻ không phải là rất thực tế.

Màn hình 7 đoạn thường được điều khiển bởi một loại mạch tích hợp (IC) đặc biệt được gọi là bộ giải mã/điều khiển màn hình 7 đoạn, chẳng hạn như CMOS 4511. Bộ điều khiển màn hình 7 đoạn này được gọi là Bộ giải mã Mã Thập phân Nhị phân (BCD) sang màn hình 7 đoạn và bộ điều khiển, có khả năng chiếu sáng cả màn hình anốt chung hoặc catốt chung. Nhưng còn có nhiều bộ điều khiển màn hình đơn và đôi khác như TTL 7447 rất phổ biến.

Bộ giải mã BCD sang 7 đoạn này nhận đầu vào BCD bốn bit được ghi nhãn A, B, C và D cho các chữ số của trọng lượng nhị phân 1, 2, 4 và 8 tương ứng, có bảy đầu ra sẽ cho phép dòng điện chảy qua các đoạn thích hợp để hiển thị chữ số thập phân của màn hình LED số.

Các đầu ra số của CD4511 khác với các đầu ra CMOS thông thường vì chúng có thể cung cấp đến 25mA dòng điện mỗi đầu ra để điều khiển trực tiếp các đoạn LED, cho phép sử dụng và điều khiển các màn hình LED màu khác nhau.

Sử dụng bộ điều khiển 4511

Trong mạch đơn giản này, mỗi đầu cuối anốt của màn hình LED catốt chung được kết nối trực tiếp với bộ giải mã/điều khiển 4511 thông qua một điện trở giới hạn dòng. Các catốt của mỗi đoạn LED được kết nối nội bộ với đất. Các đầu vào nhị phân, A, B, C và D của 4511 là thông qua bốn công tắc cơ khí ON/OFF. Khi tất cả các công tắc ở vị trí mở, điện áp trên bốn điện trở 1kΩ là không (0V) vì chúng được kết nối trực tiếp với đất. Điều này ngăn chặn bất kỳ kích hoạt sai khi bất kỳ công tắc nào mở.

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng bằng cách sử dụng bộ điều khiển màn hình 7 đoạn BCD như CMOS 4511 hoặc TTL 7447, chúng ta có thể điều khiển màn hình LED bằng chỉ bốn công tắc (thay vì 8 công tắc trước đây) hoặc một tín hiệu nhị phân 4 bit cho phép đến 16 tổ hợp khác nhau.

Hầu hết thiết bị kỹ thuật số sử dụng Màn hình 7 đoạn để chuyển đổi tín hiệu số sang dạng có thể hiển thị và dễ hiểu cho người dùng. Thông tin này thường là dữ liệu số dưới dạng số, ký tự và ký hiệu. Màn hình 7 đoạn anốt chung và catốt chung tạo ra số cần thiết bằng cách chiếu sáng các đoạn riêng lẻ trong các tổ hợp khác nhau.

Màn hình 7 đoạn LED rất phổ biến trong số những người yêu thích Điện tử vì chúng dễ sử dụng và dễ hiểu. Trong hầu hết các ứng dụng thực tế, màn hình 7 đoạn được điều khiển bởi IC giải mã/điều khiển thích hợp như CMOS 4511 hoặc TTL 7447 từ đầu vào BCD 4 bit. Ngày nay, màn hình 7 đoạn LED đã được thay thế lớn bởi màn hình tinh thể lỏng (LCD) tiêu thụ ít dòng điện hơn.