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Thema: Kollektorschaltung als LED Treiber von 7 Segmentanzeige?

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Searcher
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    Kollektorschaltung als LED Treiber von 7 Segmentanzeige?

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    Hallo,
    ich habe mir für die Ansteuerung eine 4 X 7 Segmentanzeige folgende Schaltung überlegt und teilweise aufgebaut. Dargestellt ist auszugsweise die Ansteuerung einer Ziffer der Anzeige mit gemeinsamer Anode.

    Code:
                                                   VCC
                                                    +
                                                    |
                      .-----------------------------o
                      |                             |
                      |                             |
                      |   HEF4017B                  |  2PC945P
                      |      __                   |/   NPN general purpose
                      '----o|  |o-------o---------|
                          -o|  |o- Q0   |         |>
                          -o|  |o-      |           |   I ges max. 16mA
               Takt>-------o|  |o-.     |           |
                                  |     |           o-----o-----o--
                                 ===    |           |     |     |8 x LED
                                 GND  (---)         |     |     |low current
                                       \ /          V ->  V ->  V -> 7 Seg.
                               Inverter O           -     -     -
                                LVU04   |           |     |     |
                                        |           |     |     |
                                        |          .-.   .-.   .-.
                                        |        Rv| | Rv| | Rv| |    VCC
                                        |          | |   | |   | |     +
                                        |          '-'   '-'   '-'     |
                                        |         Q0|   Q1|   Q2| .----'
                                        |           | | | | | | | |
                                        |           o_o_o_o_o_o_o_o
                                        |          |   74HC595
                                        |          | _ _ _ _ _ _ _
                                        |        __ o o o o o o o o
                                        |        OE | | | | | | | |
                                        |           |             |
                                        '-----------'            ===
                                                                 GND
    Der 4017 wird getaktet und schaltet seine Ausgänge Q der Reihe nach zwischen low und high um.

    Angenommen Q0 ist gerade high, wird das invertierte Signal von Q0 auf Output Enable vom Schieberegister 74HC595 gegeben.

    Wenn der Transistor mit dem high vom Q0 des 4017 schaltet, sind die Ausgänge des 595 durchgeschaltet.
    Abhängig vom Zustand der Ausgangsregisterregister sollen die entsprechenden Segmente der Anzeige leuchten. (low am Ausgang des 595 und durchgeschalteter Transistor -> LED leuchtet)

    Es können also verschiedene Belasungen am Transistor auftauchen - je nachdem wieviele Segmante leuchten sollen. maximaler Strom soll 16mA sein (8 x low current LEDs mit je 2mA).

    In dem Fall, in der die Ziffer abgeschaltet ist (Q0 am 4017 -> low), sind die Ausgänge am 595 hochohmig.


    Nach meinem Verständnis der Kollektorschaltung, sollte die Emitterspannung bei unterschiedlichen Strömen konstant bleiben, wenn über die Basis genug Stromnachschub kommen kann um den Transistor genügend aufzusteuern.

    Damit sollte die schwankende Anzahl der eingeschalteten LEDs pro Led immer mit gleichem Strom (2mA) versorgt werden können.

    - Bauteilewahl hat sich an meiner Bastelkiste orientiert, insbesondere der Transistoren als Treiber.
    - Wahl der Kollektorschaltung weil nicht invertierend und kein Basiswiderstand notwendig.
    - Schaltung ist bis auf die Schieberegister aufgebaut und getestet. Zum Test wurden die Vorwiderstände der LEDs auf GND gelegt.


    1. Habe gemerkt, daß die Emitterspannung bei höherer Last, Ie über 16mA, etwas sinkt. Liegt das dem begrenzten Ausgangsstrom des HEF4017B (Isource)?

    2. Welche Einsprüche gibt es, um die Gesamtschaltung so nicht aufzubauen?



    Gruß
    Searcher
    Hoffentlich liegt das Ziel auch am Weg
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  2. #2
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Hallo !

    Zitat Zitat von Searcher Beitrag anzeigen
    1. Habe gemerkt, daß die Emitterspannung bei höherer Last, Ie über 16mA, etwas sinkt. Liegt das dem begrenzten Ausgangsstrom des HEF4017B (Isource)?
    Das ist fast sicher ! Aber die Basis-Emitter Streke auch ein nichtlinearer Widerstand ist, wobei bei höherem Basistrom höheren Spannungsabfall gibt, da der Transistor in Kollektorschaltung nie gesättigt wird.

    Übrigens, wenn man um die 0,7 V mehr bereits hat, ist die Schaltung für mehrere LED's am einfachsten.
    Geändert von PICture (23.07.2011 um 16:20 Uhr)
    MfG (Mit feinem Grübeln) Wir unterstützen dich bei deinen Projekten, aber wir entwickeln sie nicht für dich. (radbruch) "Irgendwas" geht "irgendwie" immer...(Rabenauge) Machs - und berichte.(oberallgeier) Man weißt wie, aber nie warum. Gut zu wissen, was man nicht weiß. Zuerst messen, danach fragen. Was heute geht, wurde gestern gebastelt. http://www.youtube.com/watch?v=qOAnVO3y2u8 Danke!

  3. #3
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    Zitat Zitat von Searcher Beitrag anzeigen
    2. Welche Einsprüche gibt es, um die Gesamtschaltung so nicht aufzubauen?
    Wenn die oder 1 LED Leuchtet fällt über LED+ Widerstand eine Spannung ab und hebt dabei den Emitter Pegel an, dadurch wird die Basis Emitter Spannung zwischen Basis und Emitter gemessen kleiner, der Transistor wird zu gesteuert wenn U Basis nicht 0,6 V über U Emitter liegt. Das kann man nutzen um automatisch den Strom zu begrenzen, dazu müssen die Widerstände entsprechend angepasst werden.

    Gruß Richard

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär
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    Die Verschaltung für OE beim 74HC595 ist etwas komisch. Den Ausgang würde ich eher direkt an GND schalten. Es fehlt auch noch ein Möglichkeit zur Syncronisation des 4017.

    Es ist auch die Frage ob die Pins am µC wirklich so knapp sind, das man den 4017 und Schieberegister braucht. Man konnte es sonst auch einheitlicher machen um ein HC595 statt dem 4017 nehmen.

    Wenn der 4017 wirklich so schwach ist, das erden Strom begrenzt, wäre ein 74HC4017 eine Alternative mit mehr Strom.

  5. #5
    Moderator Robotik Einstein Avatar von Kampi
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    Er muss ja nicht alle LEDs auf einmal ansteuern. Er kann die LEDs auch multipleyen sodass pro 7-Segmentanzeige nur eine LED an ist. Und dafür braucht er nur ein paar Transistoren und das schafft der Controller auch ohne zusätzliches IC.

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Searcher
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    Vielen Dank für Eure Kommentare.

    Zunächst entnehme ich, daß da in der Schaltung kein prinzipieller Fehler enthalten ist!?

    Zitat Zitat von PICture
    Zitat Zitat von Searcher
    1. Habe gemerkt, daß die Emitterspannung bei höherer Last, Ie über 16mA, etwas sinkt. Liegt das dem begrenzten Ausgangsstrom des HEF4017B (Isource)?
    Das ist fast sicher !
    Hab ich's mir doch fast gedacht. Da ich nicht mehr als 16mA brauche, werd ich, denke ich mal alles komplett aufbauen und sehen, ob da Flimmern oder Helligkeitsschwankungen zu sehen sind.


    Zitat Zitat von Richard
    Das kann man nutzen um automatisch den Strom zu begrenzen, dazu müssen die Widerstände entsprechend angepasst werden.
    Ja, der Basisstrom wird automatisch durch die Beschaltung des Emitters begrenzt. Dadurch braucht es keinen Basisvorwiderstand. Die LED Vorwiderstände müssen etwas kleiner bemessen sein, als in einer Emitterschaltung. Werd nochmal ein bißchen messen, um den Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter genau zu bestimmen und dann die Rv auch hinsichtlich der Helligkeit festlegen. Ist nach ersten Messungen bei VCC=4,4V und high Ausgangsspannung des 4017 von 4,25V UBE=880mV. (Auf die Schnelle mit Oszi gemessen)

    Zitat Zitat von Besserwessi
    Die Verschaltung für OE beim 74HC595 ist etwas komisch. Den Ausgang würde ich eher direkt an GND schalten. Es fehlt auch noch ein Möglichkeit zur Syncronisation des 4017
    Kam mir auch etwas gewagt vor, da ich kein Datenblatt Truth Table fand in dem alle Zustände mit OE = high vorkamen. Hab ich dann ausprobiert und Schalten von OE hat keinen weiteren Einfluß, außer eben die Outputregister auf die Ausgänge durchzuschalten oder die Ausgänge hochohmig zu schalten!?

    Ich habe hier eine genauere Verschaltung gezeichnet. Die komplette Schaltung soll später mit SPI über zwei Adern (Data und Clock) mit Daten versorgt werden. Es soll aber nicht vom µC aus gemultiplext werden, sondern die Outputregister des 595 auch dann als Speicher genutzt werden, wenn keine neuen Daten eintreffen. Das Multiplexen findet dann sozusagen Offline mit dem 4017 statt. Vom Inverter Chip, auf dem sich 6 Inverter befinden, werden 4 für das Invertieren in Richtung OE des 595 benutzt; aus den beiden anderen ist ein Taktgenerator entstanden, der den Takt für den 4017 bereitstellt. Somit muß man vom µC aus nur dann Daten über SPI schicken, wenn sie anfallen und das Multiplexen übernimmt dann "Offline" die vorgestellte Schaltung.

    Eine Synchronisation des 4017 ist nicht vorgesehen. Mit was sollte er synchronisiert werden? Die Schaltung hatte ich schonmal mit 2 Ziffern aufgebaut und einen 74HC245 anstelle der Transistoren als Treiber eingesetzt. Hat funktioniert; allerdings weis ich noch nicht, warum nach jedem Ein-Ausschalten die anzuzeigenden Ziffern trotzdem immer an der richtigen Stelle richtig angezeigt wurden. Vielleicht werde ich da nochmal drauf zurückkommen oder besser gleich was machen. Meintest Du das mit Synchronisation?


    Zitat Zitat von Kampi
    Er kann die LEDs auch multipleyen sodass pro 7-Segmentanzeige nur eine LED an ist. Und dafür braucht er nur ein paar Transistoren und das schafft der Controller auch ohne zusätzliches IC
    Ginge wahrscheinlich auch. Ich möchte den Controller aber von Routineaufgaben entlasten und Resourcen sparen. Multiplexen braucht normal ja immer einen Timer, der dann sonst nicht mehr oder nur sehr eingeschränkt zur Verfügung stünde.

    Idee ist eine simple Anzeige zu haben, die sich schnell mal mit 2 Adern, GND und VCC an ein Steckbrett anschließen läßt oder als Impulslängenanzeige für ein Servotester mit ATtiny13 etc nutzen läßt.

    Andere Frage ist, ob das wirklich so sinnvoll ist, ein weiteres Chip Grab zu schaffen, wo man fertige Anzeigen oder größere µC wirklich günstig bekommen kann. Dazu kann ich nur sagen: Die Tüftelei mit alten ausgebauten Bauteilen, auch wenn es besser geeignetes Neues gibt mach mir Spaß. Obwohl ich bei der nächsten Bestellung vermutlich 74HC4017 mitbestellen werde

    Wenn die Kollektorschaltung theoretisch so gut funktionieren kann und es auch keine anderen Bedenken gibt?? , werd ich die Verdrahtung der 595er auf Lochraster in Angriff nehmen. (Synchronisation vielleicht über achtes Bit eines Bytes, da ich im Augenblick nur 7 tatsächlich nutze ???)

    Boah, is spät geworden
    Gruß´
    Searcher
    Geändert von Searcher (24.07.2011 um 09:13 Uhr)
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  7. #7
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    Im Prinzip ist es natürlich schon eine Multiplexschaltung, weil ja von dem 4017 nur ein Ausgang aktiv ist.
    Wenn es Dir wirklich um eine einfache Ansteuerung geht, warum verpasst Du dann nich jedem Siebensegment Display einen eigenen 74HC595?
    Die seriellen Daten könnten dann einfach durch das Schieberegister durchgeschoben werden und wenn alle Daten drin sind wird das Latch aktiviert.
    Ob das dann alle Sekunde passiert, oder alle 2ms ist im Prinzip egal, weil die 595er den letzten Zustand ja zwischenspeichern.

    Du hast keinen Helligkeutsverlust durch das Multiplexen und einfach anzusteuern gehts auch. Zudem könnte man das System dann modular machen und bei Bedarf einfach weitere Stellen mit dran hängen.

  8. #8
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Searcher
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    Zitat Zitat von wkrug
    Wenn es Dir wirklich um eine einfache Ansteuerung geht, warum verpasst Du dann nich jedem Siebensegment Display einen eigenen 74HC595? Die seriellen Daten könnten dann einfach durch das Schieberegister durchgeschoben werden und wenn alle Daten drin sind wird das Latch aktiviert.
    Das bringt mich aus dem Gleichgewicht. Ich hab ja schon pro Ziffer ein 595er vorgesehen, auch kaskadiert.. Und jetzt überlege ich wirklich, wie ich da draufgekommen bin, multiplexen zu müssen. Einfach alle 4 Ziffern rein und dann alle zusammen aktivieren wie Du schreibst... Da muß ich jetzt schwer überlegen um Gegenargumente zu finden... Möglicherweise endet das im Redesign...

    Gruß
    Searcher
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  9. #9
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    Die Schaltung wie von Wkrug vorgeschlagen ist wirklich einfacher. Der einzige Nachteil ist, dass man je LED einen Widerstand braucht, also hier wohl 4x8=32 Stück. Als SMD Ausführung sind die Widerstände auch nicht so schwer zu verlöten und brauchen nicht so viel platz.

    Wenn man unbedingt die Widerstände einsparen will, könnte man ggf. statt der HC595 das ähnliche IC aus der alten 4000er CMOS Serie nehmen und dann die Spannung so weit reduzieren (z.B. 3-4,5 V) das es mit der Helligkeit passt. Da wirkt dann der Ausgangswiderstand der Gatter zur Begrenzung des Stromes. Entsprechend sollten die ICs aus der gleichen Charge sein.

    Für 4 Stellen gäbe es auch noch den SAA1064 als Alternative, allerdings mit I2C interface.

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von wkrug
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    Wenn man so viele Widerstände gleichen Wertes braucht, kann man auch SIL Widerstandsarrays verwenden.
    Wie z.B. die hier. Wenn man keinen gemeinsamen Anschluß hat, gibts die auch mit einzeln verdrahteten Widerständen.
    Diese Arrays gibts auch in SMD, allerdings ist das eine "Strafe" die einzulöten.

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