Un affichage à 7 segments est un composant électronique simple composé de sept barres LED qui affichent des chiffres, quelques lettres et même des valeurs hexadécimales. Il est utilisé dans les horloges, les calculatrices, les compteurs et les appareils car il est à faible consommation, fiable et facile à utiliser. Cet article explique en détail le brochage, les spécifications, les méthodes de conduite et les conseils de conception.
Vue d’ensemble de l’affichage à 7 segments
Un affichage à 7 segments est l’un des dispositifs d’affichage électronique les plus simples et les plus utilisés pour afficher des données numériques et des caractères limités. Il est composé de sept barres LED disposées en huit, qui peuvent être éclairées dans diverses combinaisons pour former des chiffres de 0 à 9, ainsi que quelques caractères alphabétiques. De nombreuses versions incluent également un segment décimal (dp) supplémentaire pour afficher les nombres à virgule flottante, ce qui les rend adaptées aux calculatrices, aux horloges, aux compteurs et à l’électronique. Leur simplicité, leur faible consommation d’énergie et leur facilité d’interfaçage avec les microcontrôleurs leur ont permis de rester pertinents, même avec l’essor des écrans LCD et OLED. Grâce à leur conception robuste, ils se trouvent également dans les équipements industriels, les instruments de test et les systèmes embarqués où la fiabilité est requise.
Configuration du brochage de l’affichage à 7 segments
| N° d’épingle | Nom de l’épingle | Rôle d’épingle |
|---|---|---|
| 1 | Goupille E | Gère le segment LED en bas à gauche. |
| 2 | Goupille D | Responsable du segment LED sur la partie la plus basse. |
| 3 | Pin’s commun | Se connecte au VCC ou à la terre, selon le type d’affichage. |
| 4 | Goupille C | Contrôle le segment LED en position inférieure droite. |
| 5 | Goupille DP | Contrôle le segment de la LED décimale. |
| 6 | Goupille B | Gère le segment LED en haut à droite. |
| 7 | Goupille A | Guide le fonctionnement du segment LED le plus élevé. |
| 8 | Pin’s commun | Similaire à la broche 3 ; se connecte au VCC ou à la terre. |
| 9 | Goupille F | Exécute le segment LED en haut à gauche. |
| 10 | Goupille G | Contrôle la commutation du segment LED central. |
Chaque chiffre est formé de sept segments de LED, étiquetés de A à G, et d’un point décimal (DP) facultatif. En allumant différentes combinaisons de ces segments, il est possible d’afficher des chiffres et des lettres. Les broches du bas se connectent à chaque segment, à la virgule décimale et aux bornes communes (COM), qui peuvent être liées à la masse ou à la tension d’alimentation, selon que l’affichage est à cathode commune ou à anode commune.
Différentes utilisations de l’affichage à 7 segments
Horloges numériques
Les affichages à 7 segments sont utilisés dans les horloges numériques pour afficher les heures, les minutes et les secondes dans un format numérique facile à lire. Leur visibilité claire les rend adaptés aux appareils de chronométrage grand public et industriels.
Calculatrices
Les calculatrices de poche et de bureau s’appuient sur des écrans à 7 segments pour présenter des résultats numériques. Leur faible consommation d’énergie garantit une longue durée de vie de la batterie, même dans les appareils compacts.
Instruments de mesure
Les multimètres, les voltmètres, les ampèremètres et les compteurs de fréquence utilisent souvent des affichages à 7 segments pour fournir des lectures numériques précises, garantissant ainsi une clarté pour les ingénieurs et les techniciens.
Appareils ménagers
Les appareils tels que les fours à micro-ondes, les machines à laver et les climatiseurs utilisent des écrans à 7 segments pour indiquer l’heure, la température et les paramètres de programme.
Pompes à carburant
Les distributeurs de carburant utilisent des affichages à 7 segments pour afficher la quantité et le coût du carburant, fournissant aux clients des données claires et en temps réel.
Tableaux d’affichage
Les tableaux d’affichage sportifs utilisent de grands écrans à 7 segments pour afficher les scores, les chronomètres et les comptes à rebours visibles de loin.
Cathode commune vs anode commune dans les affichages à 7 segments
Cathode commune (CC)
Toutes les bornes cathodiques (négatives) des LED sont reliées ensemble et connectées à la terre (GND). Un segment s’allume lorsqu’une tension ÉLEVÉE est appliquée à sa broche correspondante.
Ce type est facile à utiliser avec des microcontrôleurs ou des circuits intégrés de pilote qui fournissent directement du courant.
Anode commune (CA)
Toutes les bornes d’anode (positives) sont reliées ensemble et connectées au VCC. Un segment s’allume lorsque sa goupille est tirée vers le bas (vers la terre). Fonctionne mieux avec des pilotes à courant absorbé.
Identification du type
Utilisez un multimètre en mode diode. Pour une anode commune, connectez la sonde rouge à la broche commune et la sonde noire à une broche de segment, si le segment s’allume, il s’agit de CA. Inversez les sondes pour tester une cathode commune.
Spécifications électriques des écrans à 7 segments
| Paramètre | Gamme |
|---|---|
| Tension directe (Vf) | 1,8 à 2,4 V (rouge/jaune : \~1,8 à 2,0 V, vert/bleu : \~2,0 à 2,4 V) |
| Courant direct (If) | 10–30 mA (20 mA par segment en standard) |
| Courant de crête | Jusqu’à 100 mA (fonctionnement pulsé/multiplexé uniquement) |
| Intensité lumineuse | 1–10 mcd (valeurs plus élevées = plus lumineux) |
| Longueur d’onde (couleur) | Rouge : 620 à 630 nm, Vert : 565 nm |
| Angle de vision | 50 à 120° |
Calcul de la résistance pour les écrans à 7 segments
Un affichage à 7 segments nécessite une résistance de limitation de courant pour chaque segment de LED afin d’éviter un flux de courant excessif et une luminosité inégale. La valeur de la résistance est déterminée à l’aide de la loi d’Ohm, exprimée comme R = (Vcc – Vf) / If, où Vcc est la tension d’alimentation, Vf est la tension directe de la LED et If est le courant direct souhaité. Par exemple, avec une alimentation de 5 V, une tension directe de 2,0 V par segment et un courant cible de 10 mA, le calcul devient (5 – 2) ÷ 0,01 = 300 Ω. Étant donné que les résistances sont disponibles en valeurs standard, il est préférable de sélectionner l’option immédiatement supérieure, telle que 330 Ω, pour assurer la sécurité. Chaque segment doit avoir sa propre résistance, car le partage d’une résistance sur la broche commune entraîne des niveaux de luminosité inégaux. Pour les écrans multiplexés, le fonctionnement pulsé doit également être pris en compte lors de l’ajustement des valeurs de résistance.
Pilotage d’écrans à 7 segments avec des circuits intégrés de décodeur
Le contrôle d’un affichage à 7 segments directement à partir d’un microcontrôleur peut rapidement consommer des broches d’E/S, car un chiffre nécessite jusqu’à huit broches (sept segments plus la virgule). Pour économiser les GPIO et simplifier le câblage, des circuits intégrés de décodeur sont utilisés. Ces puces convertissent une entrée décimale codée binaire (BCD) de 4 bits en sept sorties nécessaires pour piloter les segments d’affichage, réduisant ainsi la nécessité à seulement quatre lignes de données.
Le 74HC4511 est conçu pour les affichages à cathode commune (CC) et fournit des sorties actives-HIGH. Il comprend des fonctionnalités utiles telles que l’activation du verrouillage, le test de la lampe et le contrôle de l’obturation, qui permettent un contrôle et des tests d’affichage stables. D’autre part, le SN7447/LS47 fonctionne avec des écrans à anode commune (CA) et émet des signaux actifs-LOW. Il prend également en charge les fonctions de test de lampe et de suppression d’ondulation, ce qui le rend adapté à l’enregistrement de plusieurs chiffres dans des affichages en cascade.
Méthodes de pilotage des affichages à 7 segments
Entraînement direct
Dans cette approche, chaque segment de LED se connecte directement à partir de la broche du MCU par le biais d’une résistance. Bien que simple, il nécessite jusqu’à 8 broches par chiffre. C’est pratique pour les affichages à un chiffre, mais inefficace pour les configurations à plusieurs chiffres.
Circuits intégrés de décodeur
Un décodeur réduit l’utilisation des broches en convertissant une entrée binaire de 4 bits en sept sorties nécessaires à l’affichage. Cette approche est excellente pour les écrans à un chiffre ou les petits écrans, réduisant les broches MCU requises à seulement quatre. Il devient moins efficace lorsque vous pilotez des tableaux à plusieurs chiffres plus grands.
Registres à décalage
Les registres à décalage prennent les données série du MCU et les convertissent en sorties parallèles. Ils sont facilement mis en cascade, ce qui les rend parfaits pour les modules à 7 segments à plusieurs chiffres tout en utilisant très peu de broches MCU. Cette méthode est la plus évolutive et utilisée dans les horloges numériques, les compteurs et les affichages multiplexés.
Multiplexage d’écrans à 7 segments à plusieurs chiffres
Lors de l’utilisation d’écrans à plusieurs chiffres à 7 segments, le multiplexage est une méthode courante pour les contrôler sans utiliser trop de broches. Dans cette approche, un seul chiffre est activé à la fois, mais la commutation se produit si rapidement qu’il semble que tous les chiffres soient activés ensemble. Cela rend l’affichage plus facile à gérer tout en affichant les bons numéros.
Pour que l’affichage ait l’air stable, chaque chiffre doit être rafraîchi à un rythme suffisamment élevé, environ 200 fois par seconde, afin que l’œil ne remarque aucun scintillement. La durée d’activité de chaque chiffre est appelée cycle de service, qui dépend du nombre de chiffres contrôlés. Un rapport cyclique plus petit signifie que les chiffres ne sont pas aussi brillants, de sorte que le courant peut devoir être ajusté dans des limites sûres pour maintenir la visibilité.
L’un des problèmes qui peut survenir lors du multiplexage est l’image fantôme, où les segments indésirables apparaissent faiblement éclairés. Cela peut être évité en désactivant tous les chiffres avant de mettre à jour les signaux de segment et en utilisant des pilotes qui peuvent changer d’état rapidement pour un fonctionnement plus propre.
Pilotage d’écrans à 7 segments avec des pilotes de transistors et de MOSFET
Réseaux de transistors Darlington
Ces circuits intégrés sont utilisés pour absorber le courant dans les affichages à cathode commune (CC). Chaque canal peut piloter un segment ou un chiffre, ce qui les rend adaptés aux écrans de taille moyenne à grande.
Transistors PNP et MOSFET à canal P
Pour les affichages d’anodes communes (CA), le courant d’alimentation est nécessaire. Les transistors PNP ou P-MOSFET fournissent le courant requis aux anodes tout en permettant au microcontrôleur de contrôler efficacement la commutation.
Circuits intégrés de pilote de LED dédiés
Les circuits intégrés spécialisés comme le MAX7219 intègrent le multiplexage, la régulation de courant et le contrôle de la luminosité dans une seule puce. Ces pilotes réduisent considérablement la complexité du câblage et libèrent des ressources MCU.
Caractères que vous pouvez afficher sur des écrans à 7 segments
Chiffres (0 à 9)
L’objectif principal des affichages à 7 segments est d’afficher des nombres décimaux. Tous les chiffres de 0 à 9 peuvent être affichés de manière claire et précise, c’est pourquoi ils sont utilisés dans les calculatrices, les horloges et les compteurs.
Caractères hexadécimaux (A–F)
Les affichages à 7 segments peuvent également représenter des valeurs hexadécimales. Les caractères pris en charge sont A, b, C, d, E et F. Cela les rend utiles dans l’électronique numérique et les systèmes embarqués où une représentation hexadécimale est nécessaire.
Lettres alphabétiques limitées
Certaines lettres, telles que P, U, L et H, peuvent être approchées à l’aide des sept segments. La lisibilité n’est pas toujours la meilleure, car de nombreuses lettres nécessitent plus de segments que ce que l’écran fournit.
Ne convient pas pour le texte intégral
En raison de leur structure limitée, les écrans à 7 segments ne sont pas pratiques pour afficher des mots ou des lettres complexes. Pour les applications contenant beaucoup de texte, les concepteurs utilisent souvent des écrans matriciels ou des modules LCD/LED alphanumériques.
Conseils pour circuits imprimés et câblage pour les écrans à 7 segments
• Placez les résistances de limitation de courant à proximité des broches LED pour maintenir une luminosité stable et réduire les chutes de tension sur les pistes.
• Utilisez des pistes de circuit imprimé larges pour les lignes d’anode ou de cathode courantes, car elles transportent des courants plus élevés pour plusieurs segments à la fois.
• Ajoutez un plan de masse solide pour fournir des chemins de retour stables, minimiser le bruit et améliorer les performances globales du circuit.
• Gardez les lignes numériques courtes et bien acheminées pour éviter les problèmes de bruit et assurer des transitions rapides pour un multiplexage fluide.
En conclusion
Les écrans à 7 segments sont pratiques, durables et largement utilisés pour afficher des chiffres dans des appareils tels que des horloges, des calculatrices, des compteurs et des pompes à carburant. Ils peuvent fonctionner comme une cathode commune ou une anode commune et être pilotés par des microcontrôleurs, des circuits intégrés de décodeur ou des registres à décalage. Bien qu’ils ne conviennent pas au texte intégral, leur efficacité et leur fiabilité les rendent nécessaires dans de nombreuses applications.
Foire aux questions [FAQ]
Quels sont les matériaux utilisés dans les écrans à 7 segments ?
Ils sont constitués de LED semi-conductrices (GaAsP pour rouge/orange, GaP pour vert) logées dans de la résine époxy pour la protection et la mise en forme de la lumière.
Les écrans à 7 segments peuvent-ils être utilisés à l’extérieur ?
Oui, mais seules les versions à haute luminosité ou à grand segment conviennent. Les écrans standard sont trop sombres pour la lumière directe du soleil.
Quelle est la durée de vie d’un écran à 7 segments ?
Un affichage bien conduit dure de 50 000 à 100 000 heures. La surintensité ou la surchauffe réduit la durée de vie.
Quel est le meilleur taux de rafraîchissement pour les écrans multiplexés ?
La plupart fonctionnent mieux entre 100 Hz et 1 kHz. Les fréquences inférieures à 100 Hz provoquent un scintillement, tandis que les fréquences supérieures à 1 kHz gaspillent des ressources.
Existe-t-il des écrans multicolores à 7 segments ?
Oui. Certains modèles utilisent des LED bicolores ou RVB, permettant plusieurs options de couleurs dans un seul écran.
Qu’est-ce qui consomme le plus d’énergie, les écrans à 7 segments ou les écrans LCD ?
Les LED à 7 segments consomment plus d’énergie que les LCD. Les LCD sont préférés pour les appareils à faible consommation, tandis que les LED sont plus lumineuses et plus robustes.