Un LED o Diodo Emisor de Luz, es un diodo óptico de unión PN de estado sólido que emite energía luminosa en forma de fotones
La emisión de estos fotones se produce cuando la unión del diodo está polarizado directo por una tensión externa que permite el paso de la corriente a través de su unión, y en Electrónica llamamos a este proceso electroluminiscencia.
El color real de la luz visible emitida por un LED, que va del azul al rojo y al naranja, depende de la longitud de onda espectral de la luz emitida, que a su vez depende de la mezcla de las distintas impurezas añadidas a los materiales semiconductores utilizados para producirla.
Los diodos emisores de luz tienen muchas ventajas con respecto a las ampolletas y lámparas tradicionales, siendo las principales ventajas su pequeño tamaño, su larga vida útil, sus diversos colores, su bajo coste y su amplia disponibilidad, así como su facilidad para interactuar con otros componentes electrónicos y circuitos digitales.
Pero la principal ventaja de los diodos emisores de luz es que, debido al pequeño tamaño de su matriz, se pueden conectar varios de ellos dentro de un paquete pequeño y compacto produciendo lo que generalmente se llama una pantalla de 7 segmentos.
El display de 7 segmentos, también escrito como “display de siete segmentos”, consta de siete LEDs (de ahí su nombre) dispuestos de forma rectangular como se muestra. Cada uno de los siete LEDs se llama segmento porque cuando se ilumina el segmento forma parte de un dígito numérico (tanto decimal como hexadecimal) que se muestra.
A veces se utiliza un 8º LED adicional dentro del mismo paquete, lo que permite la indicación de un punto decimal, (DP) cuando se conectan dos o más displays de 7 segmentos para mostrar números mayores de diez.
Cada uno de los siete LEDs del visualizador recibe un segmento posicional con uno de sus pines de conexión que sale directamente del paquete de plástico rectangular. Estas clavijas individuales de los LEDs están etiquetadas desde la a hasta la g, representando a cada uno de los LEDs. Los otros pines de los LEDs se conectan juntos y se cablean para formar un pin común.
Por lo tanto, al polarizar los pines apropiados de los segmentos de LED en un orden particular, algunos segmentos se iluminarán y otros se oscurecerán permitiendo que se genere el patrón de caracteres deseado del número en la pantalla. Esto nos permite mostrar cada uno de los diez dígitos decimales del 0 al 9 en el mismo display de 7 segmentos.
El pin común de los displays se utiliza generalmente para identificar de qué tipo de display de 7 segmentos se trata. Como cada LED tiene dos clavijas de conexión, una llamada “Ánodo” y la otra “Cátodo”, existen por tanto dos tipos de visualizadores de 7 segmentos LED llamados: Cátodo común (CC) y Ánodo común (CA).
La diferencia entre ambos displays, como su nombre indica, es que el cátodo común tiene todos los cátodos de los 7 segmentos conectados directamente entre sí y el ánodo común tiene todos los ánodos de los 7 segmentos conectados entre sí y se ilumina de la siguiente manera.
- El cátodo común (CC) – En la pantalla de cátodo común, todas las conexiones de los cátodos de los segmentos LED están unidas a un “0” lógico o a tierra. Los segmentos individuales se iluminan mediante la aplicación de una señal “ALTA”, o lógica “1”, a través de una resistencia limitadora de corriente para polarizar los terminales individuales del ánodo (a-g).
2. El ánodo común (CA) – En la pantalla de ánodo común, todas las conexiones de ánodo de los segmentos de LED están unidas a “1” lógico. Los segmentos individuales se iluminan aplicando una señal de tierra, un “0” lógico o un “LOW” a través de una resistencia limitadora de corriente adecuada al cátodo del segmento concreto (a-g).
En general, los indicadores de ánodo común son más populares, ya que muchos circuitos lógicos pueden absorber más corriente de la que pueden generar. También hay que tener en cuenta que un visualizador de cátodo común no es un sustituto directo en un circuito de un visualizador de ánodo común y viceversa, ya que es lo mismo que conectar los LEDs al revés, y por lo tanto la emisión de luz no tendrá lugar.
Dependiendo del dígito decimal a mostrar, el conjunto particular de LEDs está polarizado directo. Por ejemplo, para mostrar el dígito numérico 0, necesitaremos encender seis de los segmentos de LEDs correspondientes a a, b, c, d, e y f. Así, los distintos dígitos del 0 al 9 pueden ser mostrados usando un display de 7 segmentos como se muestra.
Entonces, para una pantalla de 7 segmentos, podemos producir una tabla de verdad que da los segmentos individuales que necesitan ser iluminados para producir el dígito decimal requerido de 0 a 9 como se muestra a continuación.
Aunque una pantalla de 7 segmentos puede considerarse como una única pantalla, no deja de ser siete LEDs individuales dentro de un único paquete y, como tal, estos LEDs necesitan protección contra la sobrecorriente. Los LEDs sólo producen luz cuando están polarizados directo y la cantidad de luz emitida es proporcional a la corriente de avance.
Esto significa que la intensidad luminosa de un LED aumenta de forma aproximadamente lineal con el aumento de la corriente. Por lo tanto, esta corriente de avance debe controlarse y limitarse a un valor seguro mediante una resistencia externa para evitar que se dañen los segmentos del LED.
La caída de tensión en polarización directa de un segmento de LED rojo es muy baja, de unos 2 a 2,2 voltios (los LED azules y blancos pueden alcanzar los 3,6 voltios), por lo que, para iluminar correctamente, los segmentos de LED deben conectarse a una fuente de tensión superior a este valor de tensión de polarización con una resistencia en serie utilizada para limitar la corriente a un valor deseable.
Normalmente, para una pantalla estándar de 7 segmentos de color rojo, cada segmento de LED puede consumir unos 15 mA para iluminarse correctamente, por lo que en un circuito lógico digital de 5 voltios, el valor de la resistencia limitadora de corriente sería de unos 200Ω (5v – 2v)/15mA, o 220Ω al valor preferido más alto.
Así que para entender cómo se conectan los segmentos de la pantalla a una resistencia limitadora de corriente de 220Ω considera el circuito de abajo.
En este ejemplo, los segmentos de una pantalla de ánodo común se iluminan mediante los interruptores. Si el interruptor a está cerrado, la corriente fluirá a través del segmento “a” del LED hasta la resistencia limitadora de corriente conectada a la patilla a y a 0 voltios, haciendo el circuito. Entonces sólo se iluminará el segmento a. Así que se requiere una condición BAJA (interruptor a tierra) para activar los segmentos del LED en esta pantalla de ánodo común.
Pero supongamos que queremos que el número decimal “4” se ilumine en la pantalla. Entonces los interruptores b, c, f y g se cerrarían para iluminar los segmentos LED correspondientes. Del mismo modo, para un número decimal “7”, se cerrarían los interruptores a, b, c. Pero iluminar los displays de 7 segmentos mediante interruptores individuales no es muy práctico.
Los visualizadores de 7 segmentos suelen ser controlados por un tipo especial de circuito integrado (CI) conocido comúnmente como decodificador/driver de 7 segmentos, como el CMOS 4511. Este controlador de pantalla de 7 segmentos que se conoce como decodificador y controlador de pantalla de 7 segmentos en código binario o BCD, es capaz de iluminar tanto pantallas de ánodo común como de cátodo común. Pero hay muchos otros controladores de pantalla simples y dobles disponibles, como el muy popular TTL 7447.
Este decodificador/driver de BCD a display de 7 segmentos toma una entrada BCD de cuatro bits etiquetada A, B, C y D para los dígitos de la ponderación binaria de 1, 2, 4 y 8 respectivamente, tiene siete salidas que pasarán corriente a través de los segmentos apropiados para mostrar el dígito decimal del display LED numérico.
Las salidas digitales del CD4511 se diferencian de las salidas CMOS habituales porque pueden proporcionar hasta 25mA de corriente cada una para accionar los segmentos LED directamente, lo que permite utilizar y accionar pantallas LED de diferentes colores.
En este sencillo circuito, cada terminal del ánodo de la pantalla LED de cátodo común se conecta directamente al decodificador/conductor 4511 a través de una resistencia limitadora de corriente. Los cátodos de cada segmento de LED están conectados internamente a tierra. Las entradas binarias, A, B, C y D al 4511 son a través de cuatro interruptores mecánicos ON/OFF. Cuando todos los interruptores están en la posición abierta, el voltaje a través de las cuatro resistencias de 1kΩ es cero (0V) ya que están conectadas directamente a tierra. Esto evita cualquier falsa activación de la pantalla cuando alguno de los interruptores está abierto.
Entonces podemos ver que usando un controlador de pantalla de BCD a 7 segmentos como el CMOS 4511 o el TTL 7447, podemos controlar la pantalla LED usando sólo cuatro interruptores (en lugar de los 8 anteriores) o una señal binaria de 4 bits que permite hasta 16 combinaciones diferentes.
La mayoría de los equipos digitales utilizan pantallas de 7 segmentos para convertir las señales digitales en una forma que pueda ser visualizada y entendida por el usuario. Esta información suele ser datos numéricos en forma de números, caracteres y símbolos. Los visualizadores de siete segmentos de ánodo común y cátodo común producen el número requerido iluminando los segmentos individuales en varias combinaciones.
Los visualizadores de 7 segmentos basados en LED son muy populares entre los aficionados a la electrónica, ya que son fáciles de usar y de entender. En la mayoría de las aplicaciones prácticas, los visualizadores de 7 segmentos son controlados por un decodificador/driver IC adecuado, como el CMOS 4511 o el TTL 7447, a partir de una entrada BCD de 4 bits. En la actualidad, los indicadores de 7 segmentos basados en LED han sido sustituidos en gran medida por pantallas de cristal líquido (LCD) que consumen menos corriente.
Si quieres saber más sobre las pantallas de cristal liquido, te recomendamos leer los siguientes tutoriales:
7-segment Display. Electronics tutorial.
https://www.electronics-tutorials.ws/blog/7-segment-display-tutorial.html