Ratgeber
Wenn es um die eindeutige und technisch leicht realisierbare Darstellung von Zahlen, Buchstaben und Symbolen geht, haben 7-Segment- und Punkt-Matrix-Anzeigen die Nase vorn. Seit Jahrzehnten begleiten diese kleinen Displays unseren Alltag – ob im einfachen Taschenrechner, im digitalen Radiowecker oder als Statusanzeige in der TV-Box oder im DVD-Player. Wir zeigen Ihnen hier, wie solche Anzeigeelemente funktionieren und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.
Eine 7-Segment-Anzeige besteht – wie die Bezeichnung schon verrät – aus sieben einzelnen Leuchtbalken, die je nach Aktivierung Ziffern, Buchstaben oder Symbole darstellen können. Die sieben Balken sind in einer bestimmten rechteckigen Form angeordnet: zwei vertikale Segmente auf jeder Seite und je ein horizontales Segment oben, in der Mitte und unten. In den meisten Fällen besitzen die Balken eine nahezu einheitliche Form und Größe, in der Regel längliche Sechsecke. Sie werden mit den Buchstaben A bis G bezeichnet, wobei der optionale Dezimalpunkt – als achtes Segment und mit DP bezeichnet – für die Anzeige von nicht ganzzahligen numerischen Werten verwendet wird. Ein einzelnes Byte kann somit den vollständigen Zustand einer 7-Segment-Anzeige einschließlich des Dezimalpunkts kodieren. Bei der 8 beispielsweise sind alle Balken aktiviert, bei der 1 nur zwei, bei der 0 sind es sechs.
Eine einzelne 7-Segment-Anzeige zur Anzeige einer Ziffer, eines Buchstabens oder eines Symbols besteht in der Regel aus einem Gehäuse mit herausgeführten Anschlussstiften. Typischerweise sind entweder alle Kathoden oder alle Anoden verbunden und zu einem gemeinsamen Pin geführt. Ein solcher Anschluss wird dann als "gemeinsame Kathode" oder "gemeinsame Anode" bezeichnet. Daher benötigt eine Standardanzeige nur neun Anschlussstifte.
Mehrstellige LED-Anzeigen, wie sie in Taschenrechnern und ähnlichen Geräten zu finden sind, nutzen sogenannte gemultiplexte Anzeigen, um die Anzahl der benötigten Pins zu reduzieren. Der Trick: Obwohl mit bloßem Auge alle Ziffern einer LED-Anzeige zu leuchten scheinen, leuchtet bei einer Multiplex-Anzeige immer nur eine Ziffer. Der Wechsel erfolgt aber mit einer so hohen Rate, dass er nicht wahrnehmbar ist. Durch dieses Multiplexen sind für eine achtstellige Anzeige mit jeweils sieben Balken und einem Dezimalpunkt nur acht Kathoden- und acht Anodentreiber nötig, statt vierundsechzig Treiber und Anschlussstifte.
Eine Punkt-Matrix-Anzeige besteht aus einer Gruppe von LEDs, die so verbunden sind, dass die Anode jeder LED in der gleichen Spalte und die Kathode jeder LED in der gleichen Zeile oder umgekehrt miteinander verbunden sind. Das Schaltschema zur Reduktion der Anschlussstifte ist also dem von 7-Segment-Anzeigen ähnlich. Zum Beispiel würde eine 8x8-Matrix von LEDs 64 Anschlussstifte benötigen, einen für jedes LED-Pixel. Dadurch, dass alle Anoden der LEDs in einer Spalte und alle Kathoden in einer Zeile zusammengeschaltet sind, reduziert sich die benötigte Anzahl der Eingangs- und Ausgangspins auf 16. Adressiert wird jede LED wird über ihre Zeilen- und Spaltennummer.
Da sich alle LEDs in einer Matrix ihre positiven und negativen Anschlüsse in jeder Zeile und Spalte teilen, ist es nicht möglich, jede LED gleichzeitig anzusteuern. Die Aktivierung erfolgt deshalb auch hier über das Multiplex-Verfahren, und zwar mit einer Rate von mehr als 40 Megahertz.
Maßgeblich für die Auswahl ist selbstverständlich die geplante Anwendung. Die wichtigsten Fragen lauten: Wie viele Ziffern, Buchstaben oder Symbole sollen maximal angezeigt werden? Wie groß soll das Display sein? In welcher Farbe soll die Anzeige erfolgen? Und vor allem: Welche Ansteuerung ist möglich?
Die gängigste Form der Ansteuerung von 7-Segment- und Punkt-Matrix-Anzeigen erfolgt über dedizierte integrierte Schaltungen, die sowohl die Betriebsspannung für die Anzeige als auch die Signale bereitstellen. Für eigene Projekte lassen sich programmierbare Microcontroller wie beispielsweise das Arduino-Board oder Einplatinencomputer wie der Raspberry Pi verwenden.
Die Auswahl des Controllers hängt nicht zuletzt von der Anzahl der benötigten Eingangs- und Ausgangspins ab. Wichtig sind auch der Strombedarf und die Geschwindigkeit der vom Controller kommenden Steuersignale. Am einfachsten ist es, zuerst die Anzeige auszuwählen und sich dann für einen Mikrocontroller zu entscheiden, der den Anforderungen des Displays am besten entspricht.
Was sind die gängigen Größen von Punkt-Matrix-Anzeigen?
Gängige Größen sind 128 LEDs in der Breite, die Anzahl der vertikalen LEDs definiert die Anzahl der Zeilen. Zweizeiligen Anzeigen besitzen 16, vierzeilige 32 und achtzeilige 64 LEDS. Außerdem sind auch Punkt-Matrix-Anzeigen mit 92 mal 31 LEDs im Handel verfügbar, die sowohl eine drei- als auch eine vierzeilige Anzeige ermöglichen.
Sehr beliebt vor allem im Bereich der Produktentwicklung sind Punkt-Matrix-Anzeigen mit einer Auflösung von 8 mal 8 LEDs. Solche Anzeigen gibt es auch fertig als Modul aufgebaut mit einem Controller auf der Platine, sie lassen sich beispielsweise mit dem SPI-Protokoll über lediglich fünf Pins ansteuern.
In welchen Farben stehen 7-Segment-Anzeigen zur Verfügung?
Rot und Grün sind die vorherrschenden Farben der Segmente. Im Angebot sind aber auch Anzeigen in Blau, Gelb, und Orange.
Gibt es 7-Segment-Anzeigen, die auch auf größere Entfernungen sichtbar sind?
Anzeigen zur Darstellung einer einzelnen Ziffer oder eines Buchstabens sind meist zwischen 6 bis 40 Millimeter hoch. Es sind allerdings Modelle im Handel, die mehr als 100 Millimeter in der Höhe messen.
Was ist eine alphanumerische Segment-Anzeige?
Im Gegensatz zu einer 7-Segment-Anzeige verfügen alphanumerischen LED-Anzeigen über 14 oder sogar 16 Segmente. Es handelt sich dabei um zwei zusätzliche senkrechte Segmente in der Mitte und vier weitere für Diagonale. Außerdem ist das mittlere horizontale Segment zweigeteilt. Optisch entspricht ein solches Display der hochgestellten britischen Nationalflagge „Union Jack“. In der 16er-Ausführung bestehen außerdem noch die oben und unten liegenden horizontalen Segmente aus jeweils zwei Teilen. Recht oft findet sich auch noch eine LED für den Dezimalpunkt DP.
Größer Vorteile der alphanumerischen Anzeige: Mit ihr ist die Darstellung zahlreicher Ziffern, Symbole und Buchstaben des ASCII-Codes möglich.