Hobby-Elektronik: Siebensegment-Ziffernanzeigen

Zur Anzeige von Ziffern werden meist Anzeige-Bausteine verwendet , bei denen mit guter Lesbarkeit eine Ziffer durch sieben getrennt anzusteuernde Segmente dargestellt wird. Die sieben Segmente einer Ziffer werden mit den im Uhrzeigersinn angeordneten Buchstaben a bis g bezeichnet (Bild 1a).
Die am häufigsten eingesetzten Siebensegmentanzeigen sind :
die LED-(Leuchtdioden-)Anzeige:Vorteile: selbstleuchtendes klares Bild, verschiedene Farben möglich, geringer Schaltungsaufwand zur Ansteuerung. Nachteil: Relativ hoher Stromverbrauch.
Fluoreszenzanzeige: selbstleuchtendes, meist unter Verwendung von Filtern klares Bild, meist einfarbig grün, auch gelblich, zusätzlicher Schaltungsaufwand für Kathodenheizung und relativ hohe Anodenspannung. Vorteil: geringerer Stromverbrauch, kleinräumlich (Taschenrechner) viele Ziffern zusammenfaßbar.
Flüssigkristallanzeige (LCD-Anzeige):Vorteile: Nicht selbstleuchtendes klares Bild, in Reflexion oder Durchlichtbeleuchtung sichtbar einfarbig, beliebig geformte Ziffern, Buchstaben oder Zeichen darstellbar, praktisch leistungslos. Nachteil: Relativ komplizierte Ansteuerung, da meist Pulsbetrieb notwendig.

LED-Anzeigen. Die Anordnung der sieben LEDs und deren Lichtführung (meist duch aufgesetzte Plastikelemente) erfolgt in der Form einer Acht, üblich sind rote und grüne LEDs. Die Ansteuerung der sieben Segmente bei einem einzelnen Ziffernbaustein ist denkbar einfach. Bild 1b zeigt eine häufige Beschaltung: Die Anoden der sieben LEDs a bis g und einer zusätzlichen Diode (unten rechts) für den Dezimalpunkt dp sind einzeln herausgeführt, die Kathoden aller LEDs sind zusammengeschaltet und als K herausgeführt. K liegt an Masse, die Segmente der gewünschten Zahl (z.B. a, b ,c bei einer7) werden über Vorwiderstände an eine positive Spannung gelegt und die Ziffer leuchtet auf. Vielfach sind Anoden und Kathode vertauscht ("CommonCathode","CommonAnode").
Häufig werden zwei Ziffern zusammengefaßt, eine häufige Beschaltung zeigt Bild 1c. Wiederum sind alle Segmente der ersten und zweiten Ziffer einzeln herausgeführt, die Kathoden der 1. Ziffer sind zu K1,die Kathoden der zweiten Ziffer zu K2 zusammengefaßt. Es gibt Bausteine mit CommonCathode und mit CommonAnode.
Um möglichst wenige Anschlüsse für möglichst viele Ziffern zu haben wird ein Multiplex-Verfahren eingesetzt: Die Segmente einer mehrstellige Zahl werden im schnellen, für das Auge nicht wahrnehmbaren Wechsel dynamisch angezeigt. Bild 1d zeigt eine häufige Beschaltung für vier Ziffern für ein CommonAnode-Display. Alle sieben Anoden der LEDs einer einzelnen Ziffer sind jeweils für eine Ziffer zusammengefaßt und für die vier Ziffern als A1, A2, A3, A4 einzeln herausgeführt Die Kathoden aller Segmente a bis g und dp sind allen vier Ziffern gemeinsam (alle jeweils analogen Kathoden der Segmente aller vier Ziffern sind zusammengeschaltet). Um z.B. 1177 anzuzeigen, sind im schnellen (daher unsichtbaren) Wechsel die Segmente b, c und gleichzeitig die Anoden A1, A2 und dann die Segmente a, b, c und die Anoden A3, A4 zu schalten.
Spezialdisplays. Für netzbetriebene Digitaluhren werden spezielle Displays verwendet, bei denen in der Anzeige jeweils vier Ziffern zusammengefaßt sind.

Das Verfahren sei an einer Ziffer (Segment e ohne Beschränkung der Allgemeinheit weggelassen) erläutert (CommonAnode, Bild 2): Die Anoden der Segmente d, f, g und die Anoden der Segmente a, b, c sind je zu einem Anschluß herausgeführtca1 und ca2. Die Kathoden der Segmente f, a und g, b sowie d, c sind mit einander verbunden und herausgeführt als f/a, g/b und d/c.
Die Anoden ca1, bzw. ca2 werden nun im Rhythmus der Netzfreqenz und die zugehörigen Kathoden vom Uhrenchip (je nach Uhrzeit) geschaltet.
Die Uhrenchips können nicht mit einem externen Oszillator gesteuert werden, da dann die Synchronisation zwischen Kathoden und Anoden der Anzeige-LEDs verloren geht. (Siehe auch auf dieser website Digitaluhr mit Uhren-IC MM5457N).

Fluoreszenzanzeigen. Fluoreszenzanzeigen sind als flachgedrückte Vakuumröhren anzusehen, die als Kathode einen Heizfaden, netzartige Gitter für die einzelnen Segmente und mit Leuchtfarbe beschichtete Anoden für jeweils eine Ziffer haben. Zusätzlich zu den Ziffern können beliebig geformte andere Zeichen ggf. auch in verschiedenen Größen realisiert werden. Fluoreszenzanzeigen werden allgemein als Alternative für LED-Anzeigen in Taschenrechnern, Uhren, Radios usw. verwendet, sie haben einen etwas geringeren Leistungsverbrauch als letztere.
Der Heizfaden wird mit einem Wechselstrom von ca. 100 bis 300 mA geheizt und hat meist wegen der Temperatursymmetrie den Kathodenanschluß in der Mitte. Zwischen Kathode und Anode und Gitter ist bei älteren Anzeigen eine Spannung von ca. 30 Volt anzulegen, um eine ausreichende Helligkeit der Anoden-Leuchtschicht zu erreichen, bei neueren Anzeigen genügen schon 10 bis 12 Volt Anodenspannung.
Die Ansteuerung erfolgt etwa gleich wie bei der LED-Anzeige, wobei die geheizte Kathode auf der nagativen Spannung von 10 bis 30 Volt liegt und zur Anzeige die entsprechende Segment-Gitter und die entsprechende Ziffern-Anode nach Masse geschaltet wird. Als Beispiel ist die Fluoreszenzanzeige eines Graphic-Equalizers im folgenden Foto zu sehen. Die Anzeige hat 7 + 1 Blöcke (Anoden) mit je 13 Anzeigestufen (Gitter).

LCD-(Flüssigkristall-)Anzeigen. Da LCD-Anzeigen fast leistungslos anzusteuern sind, haben sie inzwischen fast alle anderen Anzeigeelemente verdrängt. Die LCD-Anzeige ist als ein Kondensator aufzufassen, der von zwei Glasplatten gebildet wird und dessen Dielektrikum eine wenige mü-dicke Schicht des Flüssigkristalls (eine organische Verbindung) bildet. Die beiden Glasplatten sind im einfachsten Fall mit gekreuzten Polarisationsfilter und einer transparenten Elektrodenschicht in Form der gewünschten Ziffern oder Zeichen beschichtet. Beim Anlagen eines elektrischen Feldes wird der normal durchsichtige Flüssigkristall im Bereich der Elektrodenschicht für polarisiertes Licht undurchsichtig. Die Anzeige kann von vorne beleuchtet oder von einer hinter ihr angeordneten Lichtquelle beleuchtet werden.
LCD-Anzeigen werden durchweg mit gepulster Gleichspannung (250 bis 1000 Hz) von wenigen Volt angesteuert, die an die wiederum in Ziffernblöcke und Ziffernsegmente aufgeteilte Elektrodenschicht in statischem oder dynamischem (Multiplex-Verfahren) Wechsel angelegt wird. Bild 3 zeigt eine einfache Schaltung (nur eine Ziffer) zur gepulsten Test-Ansteuerung aller Zeichen der auf dem Foto gezeigten Flüssigkristallanzeige. Die Schalter S0, S1 ...S7 symbolisieren die Ansteuerelektronik und sind im Beispiel (für das Foto) alle geschlossen.
Das Foto zeigt eine LCD-Anzeige aus einem CD-Radio-Player mit allen zum Test eingeschalteten Ziffern- und Zeichenelementen. Das Display wird von hinten von drei blauen LEDs durchleuchtet.