Seguramente ya sabrás a que nos referimos cuando mencionamos un display de 7 segmentos. Estos útiles dispositivos de salida, constan de 7 LED cuasi-rectangulares, uno por tramo, dispuestos en forma de “8” y uno redondo que es el punto decimal. Mediante el encendido de algunos de los tramos que forman el “8” se puede representar cualquier digito del “0” al “9”, e incluso algunos caracteres, como la “A” o la “U”, aunque no siempre resultan muy legibles.

Uno de los problemas que presentan estos displays es su reducido tamaño. En efecto, aunque teóricamente es posible encontrarlos tan grandes como 12 pulgadas de alto (unos 30 centímetros), su precio resulta prohibitivo, sobre todo para el aficionado. Y los mas comunes, de 1 o 2 centímetros, muchas veces son demasiado pequeños para leerlos desde un par de metros de distancia.

Display terminado.

La solución a este problema es utilizar varios LED comunes, redondos o rectangulares, para armar los segmentos, y construirnos nosotros mismos el display del tamaño que queramos. A pesar de que emplearemos una cantidad importante de LEDS, su costo individual es tan bajo que el importe total que desembolsaremos será mucho menor que si compramos un display grande.

A lo largo de este artículo explicaremos paso a paso como construir un display gigante de 4 dígitos, que podremos conectar a un ordenador o microcontrolador para mostrar información en él.

Algunos de sus usos posibles son el empleo como un reloj digital, cronometro, termómetro, dispensador de turnos, etc.

Como ya es costumbre, los alentaremos a que modifiquen este proyecto para construir un display que se adapte exactamente a sus necesidades. Para que eso sea posible, les brindaremos toda la información necesaria sobre su funcionamiento.

Un segmento

La célula básica de nuestro proyecto será el segmento. Efectivamente, deberemos diseñar un segmento en base a algunos LEDs(y otros componentes), y luego repetirlo 7 veces para formar un digito.

Como se puede ver en la figura de mas abajo , para encender un LED hace falta que lo atraviese una corriente determinada en el sentido correcto. La intensidad de la corriente depende un poco de cada tipo de led en particular, pero se suele tomar como correcto un valor de entre 10 y 20 mA. Nosotros tomaremos un valor de 15mA, pero el lector podrá rehacer sus cálculos para otros valores.

El sentido de circulación de esta corriente por dentro del LED debe ser desde el ánodo hacia el cátodo para que este se ilumine, por lo que el ánodo se conectara al positivo de la fuente, y el cátodo al negativo.

La corriente debe atravesar el LED para encenderlo

La tensión necesaria en los pines del LED también varia de un modelo a otro, pero 2V es un valor bastante adecuado para un LED rojo como el que usaremos aquí.

Generalmente, el valor de la fuente de alimentación no es el correcto para el LED, por lo que se debe incluir una resistencia limitadora en serie. El cálculo se realiza mediante la formula que acompaña la figura, y para una fuente de 12V, debe tener un valor de 666.66 ohms. Como las resistencias no se fabrican de todos los valores posibles, deberemos utilizar el valor comercial más cercano, en este caso, 680 ohms.

Ahora bien, todo lo explicado esta muy bien para encender un LED, pero nuestro segmento, para ser visible debe constar de al menos 3 o 4 leds (¡o mas!). El número elegido de LEDs se conectaran en serie, el cátodo de uno unido eléctricamente al cátodo del siguiente, y así.

Esto significa que la corriente que los atravesara a todos será la misma, y el voltaje aplicado deberá ser mayor que la tensión necesaria en cada uno (2V) por el número de LEDs.

En el segundo diagrama vemos tres leds conectados en serie, y la formula para calcular la resistencia limitadora. En el caso de usar la misma fuente de alimentación de 12V, la resistencia necesaria será de 400 ohms. Nuevamente, al buscar en un catalogo vemos que el valor mas cercano disponible es de 390 ohms, y es el que en la practica emplearemos.

Forma de conectar varios LEDs en serie.

Tenemos que ver que si en la formula introducimos un numero de LEDs elevado, puede darse el caso de que el termino nLeds x VLedssea mayor que la tensión de alimentación, con lo que el valor de R será negativo, lo que por supuesto es una incongruencia. Esto nos esta indicando que la tensión de la fuente de alimentación es insuficiente para encender tantos LEDS, y deberemos utilizar una de un voltaje mayor.

En nuestro display, cada segmento constara de tres LEDs.

Dígitos

Una vez que tenemos la teoría necesaria sobre como construir un segmento, debemos dar el siguiente paso lógico: la construcción de undigito.

En realidad, un digito no es mas que repetir el esquema de un segmento 7 veces. Pero (lamentablemente siempre hay un “pero”) si tenemos intenciones de controlar nuestro digito gigante desde la PC o desde un microcontrolador, necesitaremos alguna etapa adicional, capaz de manejar el consumo de un numero elevado de LEDs, y si fuera posible, sin requerir un pin de E/S de los pocos disponibles, para manejar cada segmento.

Un par de transistores permiten manejar varios LEDs.

El problema de manejar una corriente mas elevada de la que es capaz de brindar la PC o el microcontrolador se soluciona fácilmente mediante el uso de un transistor.

Aunque muchos de los lectores de este articulo lo tienen seguramente muy claro, intentaremos explicar con palabras sencillas y sin involucrar formulas complicadas como utilizar un transistor para excitar una serie de LEDs.

Explicado en términos simples, un transistor puede ser visto como un dispositivo de tres pines, donde la corriente que se aplica a uno de ellos, denominado “base”, controla una corriente mayor entre sus otros dos terminales, llamados “emisor” y “colector”. Esta es una gran simplificación de lo que es un transistor, pero es suficiente para entender lo que sigue.

Supongamos que el port paralelo de la PC, o el pin de salida de un microcontrolador solo puede entregar una corriente de 5mA.

Esta corriente es a todas luces insuficiente para encender los LEDs, pero si para excitar un transistor que a su vez le entregue a los LEDs los 15mA que necesita para brillar. Si no pusiéramos el transistor, el puerto se dañaría debido a que circularía por el una corriente 3 veces mayor a la que puede manejar.

El esquema de la izquierda muestra un segmento, controlado por dos transistores. T1 es un transistor PNP, y T2 es un transistor NPN. Cuando la base de T1 esta puesta a masa (un un 0 lógico lógico) y la base de T2 a un “1” los LEDs se encenderán. Las resistencias conectadas a las bases de los transistores limitan la corriente que deberá entregar el puerto de nuestra PC, y “R” se calcula tal como lo explicamos antes.

Esto soluciona el primero de los problemas. Los lectores mas avispados se habrán dado cuenta que esto se podría haber resuelto con solo un transistor. Pero para abordar el segundo problema, el no requerir un gran numero de pines de control, necesitamos multiplexar los segmentos de los 4 dígitos, y ahí necesitamos el transistor extra.

Multiplexado

Multiplexar significa básicamente reutilizar unos pocos recursos disponibles para que a lo largo del tiempo realicen diferentes funciones.

Una de las formas seria encender brevemente cada segmento, apagarlo, pasar al siguiente digito, encenderlo brevemente, pasar al otro… y así sucesivamente. Este es un sistema muy utilizado (y recomendado) pero que para nosotros tiene un problema importante: requiere que estas tareas se lleven a cabo continuamente, y cada unos pocos milisegundos, para que no se noten parpadeos o apagados indeseables de algunos segmentos. Esto obligaría a que nuestra PC este pendiente completamente del manejo del display, lo que es poco practico.

Dado que los datos del display seguramente no van a cambiar con una frecuencia muy elevada, podemos utilizar un registro de desplazamiento como el visto en otros artículos. La ventaja del registro de desplazamiento es que una vez que introducimos un dato en el, este se mantiene hasta que necesitemos cambiarlo, sin requerir la atención de la computadora. Por ejemplo, en el caso de un reloj, si no tenemos segundero, solo deberemos escribir la hora una vez por minuto.

No nos explayaremos demasiado sobre el funcionamiento del registro de desplazamiento aquí, que ya como se trata de un circuito útil y utilizado a menudo, le dedicaremos un articulo especial en este sitio. Solo mencionaremos que gracias a su empleo, con cuatro líneas del puerto paralelo podremos controlar los 28 segmentos de los cuatro dígitos, y el par de LEDs que hay entre el segundo y tercer digito.

Las salidas tendrán las funciones siguientes: proveer pulsos de CLOCK, los datos en forma serial (DATA), RESET para borrar todos los dígitos, y la ultima controla el encendido y apagado de todos los segmentos para proceder a la escritura de los datos sin que aparezcan parpadeos.

El circuito

En los diagramas podemos ver el esquema eléctrico del display en si mismo, y del registro de desplazamiento que será nuestra placa de control, el vínculo entre el display y la PC o el microcontrolador.

Cada uno de ellos va montado en su propio circuito impreso, de manera que se puedan montar en un espacio mas reducido, colocando una plaqueta detrás de la otra, unidas entre si por cables flexibles, y unidas mediante los mismos separadores plásticos que se emplean para montar los motherboards en las computadoras.

Como siempre, para construir los impresos utilizaremos la técnica explicada aquí.

Al momento de soldar los leds, debemos tener cuidado con la orientación de los semiconductores, ya que si los colocamos al revés, el proyecto no funcionara. Si observan atentamente, los conectores de la placa controladora se corresponden con los del display, y una vez que tengamos listas ambas, deberemos unir cada punto con un cable, y luego doblar el mazo de conductores para poner una placa a espaldas de la otra. Se deben practicar agujeros para unir ambas plaquetas, teniendo cuidado de que al agujerear no perforemos un componente o cortemos una pista del circuito impreso. Las imágenes que ilustran la nota nos muestran como debe quedar el modelo terminado.