سون سگمنت (Seven Segment) چیست؟ (+ دانلود فیلم آموزش گام به گام)

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس دیدیم که وقتی LED را با یک ولتاژ خارجی بایاس مستقیم کنیم، از پیوند PN آن جریان می‌گذرد. در الکترونیک، این پدیده را نورتابی الکتریکی (Electroluminescence) می‌نامیم. قطعاتی وجود دارند که از ترکیب LEDها تشکیل شده و برای نمایش اعداد یا حروف به کار می‌روند. این قطعات نمایش‌گر را سون سگمنت می‌نامند. در این آموزش، با این سون سگمنت‌ها آشنا می‌شویم.

رنگ واقعی نور مرئی ساطع شده از یک LED، از آبی تا قرمز و نارنجی وجود دارد. این رنگ‌ها، با طول موج طیفی نور ساطع شده تعیین می‌شوند که خود این طول موج‌ها به ترکیب ناخالصی‌هایی بستگی دارد که به مواد نیمه‌رسانای تشکیل دهنده آن افزوده می‌شود.

دیودهای نورانی یا LEDها، مزایای مختلفی نسبت به لامپ‌های سنتی دارند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به اندازه کوچک، طول عمر بالا، داشتن رنگ‌های مختلف، ارزان بودن و به آسانی در دسترس بودن اشاره کرد. این دیودها را می‌توان به آسانی با قطعات الکترونیک دیگر و مدارهای دیجیتال ترکیب کرد.

فیلم آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک و شبیه سازی در پروتئوس و اورکد Proteus و OrCAD در فرادرس

کلیک کنید

ویژگی کوچک بودن LEDها سبب می‌شود تعدادی از آن‌ها را در کنار یکدیگر قرار داده و بسته‌هایی تشکیل شوند که نمایشگر هفت قسمتی یا سون سگمنت ($$\mathrm {7-Segment}$$) نامیده می‌شوند.

نمایشگر سون سگمنت، از هفت LED تشکیل شده که مطابق شکل زیر در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.

هر یک از این LEDها یک قسمت یا سگمنت نامیده می‌شوند، زیرا وقتی هر یک از آن‌ها روشن می‌شود، بخشی از یک عدد یا حرف را روشن می‌کند. گاهی اوقات یک LED هشتم نیز در سون سگمنت وجود دارد که نقطه دسیمال (DP) را مشخص می‌کند. واضح است که این نقطه وقتی کاربرد دارد که دو سون سگمنت در کنار یکدیگر قرار گیرند.

پایه‌های LEDهای سون‌ سگمنت، در کنار یکدیگر و در زیر قطعه چیده شده‌اند. این پایه‌ها به گونه‌ای نام‌گذاری شده‌اند که ارتباط هر کدام از پایه‌ها به LED متناظر با خود مشخص است. یکی از پایه‌ها، نوع سون سگمنت را مشخص می‌کند. همان‌طور که می‌دانیم، هر LED دو پایه دارد که یکی از آن‌ها آند و دیگری کاتد نامیده می‌شود. بر همین اساس، دو نوع سون سگمنت نیز خواهیم داشت: کاتد مشترک (Common Cathode) یا CC و آند مشترک (Common Anode) یا CA.

تفاوت بین این دو نمایشگر، همان‌گونه که از نامشان پیداست، این است که در نوع کاتد مشترک، کاتد دیودها به یکدیگر متصل است و در نوع آند مشترک، آند آن‌ها به یکدیگر وصل شده است.

در سون سگمنت کاتد مشترک، همه کاتدها به یکدیگر متصل شده و با هم به منطق $$0$$ یا زمین وصل می‌شوند. بنابراین، هر سگمنت را می‌توان با اعمال سیگنال HIGH یا $$1$$ منطقی از طریق یک مقاومت محدود کننده به یکی از ترمینال‌های آند (a تا g)، روشن کرد. شکل زیر، نمایشگر سون سگمنت کاتد مشترک را نشان می‌دهد.

در سون سگمنت آند مشترک، همه آندها به یکدیگر متصل شده و با هم به منطق $$1$$ وصل می‌شوند. بنابراین، هر سگمنت را می‌توان با اعمال سیگنال LOW یا $$0$$ منطقی از طریق یک مقاومت محدود کننده به یکی از ترمینال‌های کاتد (a تا g) روشن کرد. شکل زیر، نمایشگر سون سگمنت آند مشترک را نشان می‌دهد.

در حالت کلی، نمایشگرهای آند مشترک نسبت به انواع کاتد مشترک، محبوب‌تر هستند؛ زیرا تعداد زیادی از مدارهای منطقی مصرف کننده جریان (و نه منبع آن) هستند. لازم به ذکر است که یک سون سگمنت کاتد مشترک را نمی‌توان مستقیماً به جای سون سگمنت آند مشترک در مدار قرار داد و بالعکس؛ زیرا این کار دقیقاً مانند این است که پایه‌های یک ال ای دی را برعکس متصل کنیم؛ واضح است که در این حالت، LED روشن نمی‌شود و نوری تولید نخواهد کرد.

بسته به عدد دسیمالی که می‌خواهیم نشان دهیم، باید مجموعه مشخص متناظری از LEDهای سون سگمنت را با هم بایاس مستقیم و در نتیجه روشن کنیم. برای مثال، برای نمایش رقم $$0$$‌ باید شش ال ای دی a تا f را روشن کنیم. به همین ترتیب، ارقام $$0$$ تا $$9$$ را می‌توان مطلبق شکل زیر نشان داد.

بنابراین، برای یک سون سگمنت می‌توان جدول درستی تشکیل داد و سگمنت‌هایی را مشخص کرد که لازم است برای نمایش یک رقم خاص، از $$0$$ تا $$9$$ روشن شوند.

راه‌اندازی یا درایو سون سگمنت

اگرچه سون سگمنت یک نمایشگر واحد است، اما از هفت LED تشکیل شده که در یک بسته واحد قرار گرفته‌اند و باید آن‌ها را در برابر اضافه جریان محافظت کرد. ال ای دی‌ها تنها زمانی نور تولید می‌کنند که بایاس مستقیم شوند. نور تولیدی آن‌ها نیز متناسب با مقدار جریان مستقیم است. این بدین معناست که شدت نور LED با افزایش جریان رابطه‌ای تقریباً خطی دارد. این جریان مستقیم را می‌توان با یک مقاومت خارجی در مقداری مطمئن کنترل و محدود کرد تا از آسیب دیدن LEDها جلوگیری شود.

فیلم آموزش الکترونیک 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

افت ولتاژ مستقیم یک سگمنت LED قرمز، بسیار کم و حدود $$2$$ تا $$2.2$$ ولت است. این مقدار برای LEDهای آبی و سفید تقریباً $$3.6$$ ولت است. بنابراین، برای روشن شدن صحیح سگمنت‌ها، باید یک منبع ولتاژ را با یک مقاومت سری برای محدوسازی جریان به LEDها متصل کرد.

معمولاً در یک سون سگمنت استاندارد با رنگ قرمز، هر سگمنت LED برای روشن شدن صحیح، تقریباً $$15$$ میلی‌آمپر جریان می‌کشد؛ بنابراین، در یک مدار منطقی دیجیتال $$5$$‌ولتی، اندازه مقاومت محدود کننده جریان باید در حدود $$(5 \, \mathrm {v} - 2 \, \mathrm {v} )/ 15\, \mathrm {mA} = 200 \, \Omega$$ یا نزدیکترین مقاومت بزرگ‌تر از آن، یعنی $$220 \, \Omega$$ باشد.

مدار شکل زیر، نحوه اتصال سگمنت های یک سون سگمنت را از طریق مقاومت‌‌های محدود کننده جریان نشان می‌دهد.

در مثال بالا، سگمنت‌های نمایش‌گر کاتد مشترک، با کلید‌ها روشن می‌شوند. اگر کلید a بسته شود، جریان از سگمنت a می‌گذرد و از طریق مقاومت محدود کننده به پتانسیل $$0 \, \mathrm {V}$$ جریان می‌یابد و مدار بسته می‌شود. در نتیجه، فقط سگمنت a روشن می‌شود. بنابراین، به یک وضعیت LOW (اتصال کلید به زمین) برای فعال کردن سگمنت‌های LED نیاز داریم.

اکنون فرض کنید می‌خواهیم عدد دسیمال $$4$$ را روی نمایشگر نشان دهیم. برای این کار باید کلیدهای f ،c ،b و g را ببندیم تا LEDهای متناظر با آن‌ها روشن شوند. به همین ترتیب، عدد $$7$$ را می‌توان با بستن کلیدهای b ،a و c نمایش داد. اما انجام این کار (بستن چند کلید مشخص برای هر رقم)‌ در عمل کاری منطقی نیست.

به همین دلیل، سون سگمنت‌ها را معمولاً با یک IC کنترل می‌کنند که درایور/دیکدر (Driver/Decoder) سون سگمنت نامیده می‌شود. آی سیِ $$\mathrm {CMOS \, \, 4511}$$ یکی از این قطعات است. این درایور سون سگمنت که به عنوان یک دیکدر و درایور دسیمال کد شده به باینری (BCD) به سون سگمنت نامیده می‌شود، قادر است هر دو نوع سون سگمنت کاتد مشترک یا آند مشترک را کنترل کند. البته درایورهای تکی و دوگانه‌ای مانند $$\mathrm {TTL \, \, 7447}$$ نیز موجود است که بسیار پرکاربرد هستند.

این درایور/دیکدر BCD به سون سگمنت، چهار ورودی با نام‌های C ،B ،A و D‌ دارد که به ترتیب، ارقام وزن‌دهی باینری $$1$$، $$2$$، $$4$$ و $$8$$ را نشان می‌دهند. آی سی $$\mathrm {TTL \, \, 7447}$$، هفت خروجی دارد که جریان را از سگمنت مورد نظر عبور داده و عدد مطلوب را نمایش می‌دهد.

خروجی‌های دیجیتال $$4511$$، نسبت به خروجی‌های عادی CMOS تفاوت دارند، زیرا می‌توانند برای درایو LEDها تا $$25$$ میلی‌آمپر جریان را تأمین کنند و منجر به تولید رنگ‌های مختلف شوند.

شکل زیر، مدار درایور یک سون سگمنت را با استفاده از $$4511$$ نشان می‌دهد.

$$4511$$" width="432" height="232">

در این مدار ساده، هر LED سون سگمنت کاتد مشترک، ترمینال آند مربوط به خود را دارد و مستقیماً به درایور $$4511$$ متصل شده است. کاتدها نیز به یکدیگر و نیز زمین وصل شده‌اند. هر یک از جریان‌های خروجی، از مقاومت‌های یک کیلو اهمی عبور می‌کنند که برای محدودسازی جریان در نظر گرفته شده‌اند. ورودی باینری، از طریق چهار کلید به $$4511$$ وارد می‌شود. سپس، می‌توان دید که با استفاده از درایور BCD به سون سگمنت، مانند $$\mathrm {CMOS \, \, 4511}$$، می‌توانیم نمایشگر LED را فقط با چهار کلید (به جای هشت کلید بخش قبل) یا یک سیگنال باینری چهار بیتی کنترل کنیم که $$16$$ ترکیب مختلف را ممکن می‌سازد.

اغلب تجهیزات دیجیتال، از سون سگمنت‌ها برای تبدیل سیگنال‌های دیجیتال به فرمی قابل فهم برای کاربر بهره می‌برند. این اطلاعات، اغلب داده‌های عددی به فرم اعداد، کاراکترها و نمادها هستند. سون سگمنت‌های آند مشترک و کاتد مشترک، عدد مورد نظر را با روشن کردن LEDهای متناظر نمایش می‌دهند.

نمایشگرهای سون سگمنت مبتنی بر LED، در بین الکترونیک‌کاران بسیار محبوب هستند؛ زیرا استفاده از آن‌ها و فهم نحوه کارشان ساده است. در بسیاری از کاربردهای عملی، نمایشگرهای سون سگمنت با آی سی دیکدر/درایور مناسب، مانند $$\mathrm {CMOS \, \, 4511}$$ یا $$\mathrm {TTL \, \, 7447}$$ و یک ورودی BCD چهار بیتی کنترل می‌شوند. امروزه، نمایشگرهای سون سگمنت مبتنی بر LED، جایگزین نمایش‌گرهای کریستال مایع (LCD) جایگزین شده‌اند و جریان کمتری استفاده می‌کنند.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
• ماسفت (MOSFET) — به زبان ساده
• بایاس ترانزیستور (Transistor Biasing) — از صفر تا صد

^^