7セグメントディスプレイ：ピンの割り当て、動作原理、およびデータシート
ディスプレイデバイスの領域にあるクラシックである7つのセグメントディスプレイは、その構造が簡単なのと同じくらい興味深い歴史を誇っています。その発明は、シンプルさ、明確さ、制御の容易さによって駆動される電子ディスプレイの礎石をマークします。この記事では、7セグメントのディスプレイの原則、履歴、構造、ピン構成を掘り下げて、深く掘り下げます。その関数の選択、タイプ分類、および作業原則を検討します。このエンコード方法をデコードし、その広範なアプリケーションフィールドをチャートしながら、このテクノロジーが絶えず変化する電子ディスプレイランドスケープでどのように適応および進化するかを分析します。
カタログ
図1：セグメントディスプレイ
7セグメントディスプレイの原則と歴史
LEDテクノロジーに根ざしたこのデバイスは、エンジニアリングのシンプルさとユーティリティの驚異です。7つのLEDユニットは、「セグメント」であり、8つの数字に配置され、多くの場合、小数またはコロンの余分なドットが付属しています。独立して制御された各セグメントは、0〜9の文字、および記号を表示するために組み合わせて結合します。この独創的なデザインは、デジタル時計から計算機まで、電子パネルから16進ディスプレイまで、さまざまな用途に役立ちます。
技術的に言えば、それはすべて現在の制御に関するものです。LEDは、電子と穴が融合すると光子を発し、光子を放出します。電気を制御すると、メッセージを制御します。歴史的に、この概念は20世紀初頭に遡り、電信技術の進化と絡み合っています。Carl Kingsleyのような先駆者は、極めて重要な役割を果たし、Dot-Matrixの前任者に対する7セグメントディスプレイの上昇の舞台を設定しました。
それに比べて、DOTマトリックスは文字ディスプレイのためにDOTアレイに依存していますが、7セグメントディスプレイはセグメントの組み合わせ（シンプルで、より読みやすい）を使用します。技術的な進歩により、ディスプレイは機械式ターンテーブルや光発光チューブから、今日のLEDの輝きに変換されました。現代の反復は、色のバリエーションや輝度調整などの視覚向上により、低電力、長寿命、高い信頼性を誇っています。
7セグメントディスプレイの旅は、ディスプレイテクノロジーのより広範な物語を反映しています。これは、効率性、経済、直感を目指して努力しています。LCDやOLEDなどの新しいテクノロジーにはニッチがありますが、7セグメントのディスプレイはその地位を保持し、シンプルで直感的なデジタル情報を提供することに比類のないものです。
7セグメントディスプレイの構造とピン構成
コアにある7セグメントディスプレイは、「8」の形状を形成するために配列された7つの光発光ダイオード（LED）で構成され、それぞれのLEDが異なるセグメント（通常はaからGとラベル付け）として機能します。これらのセグメントは、0から9までの数字を作成し、さまざまな組み合わせによりさまざまな文字やシンボルを作成できます。主に熱ではなく光を放出するLEDの効率は、従来のPN接合ダイオードとはまったく対照的であり、ディスプレイテクノロジーで好ましい選択となっています。液晶ディスプレイ（LCDS）とは異なる、LEDディスプレイは直接光光を発しますが、LCDはバックライトを操作して液晶層を横断することにより画像を作成します。
構造を分析すると、7セグメントはブランチを2つのカテゴリに表示します：一般的なアノードと共通のカソード。一般的なアノード構成では、すべてのLEDセグメントのアノードが相互接続されています。逆に、一般的なカソードタイプでは、統一されたカソードです。これらのタイプの選択は、回路の設計と基礎となる制御ロジックにかかっています。
図2：セグメントディスプレイ
各LEDセグメントの制御は、特定のピンを介して細心の注意を払って実行されます。典型的な7セグメントLEDディスプレイを考えてみましょう。7つの主要なセグメントを支配するピンを超えて、小数点（DPとして表される）に特化した追加のピンがしばしばあります。標準の7セグメントLEDディスプレイの実例ピン構成です。実際のシナリオでは、これらのピンの管理には、一般に、BCDから7セグメントデコーダーなどのマイクロコントローラーまたは統合回路が含まれます。このデコーダーは、バイナリエンコードされた数値を7セグメントLEDの対応するディスプレイに変換します。たとえば、「2」という数字を紹介するために、デコーダーはセグメントA、B、G、E、およびDをアクティブにします。
以下は、標準の7セグメントLEDディスプレイのピン構成の例です。
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ピン番号 |
ピン名 |
説明 |
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1 |
e |
左下のLEDを制御します |
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2 |
d |
底部のLEDを制御します |
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3 |
DP |
小数点LEDを制御します |
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4 |
c |
右下LEDを制御します |
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5 |
g |
中央のLEDを制御します |
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6 |
b |
右上LEDを制御します |
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7 |
a |
上部LEDを制御します |
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8 |
f |
左上LEDを制御します |
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9/10 |
一般 |
一般的なアノード/一般的なカソード接続 ポイント |
さまざまなPIN構成と制御ロジックを介して、強力な機能である7セグメントディスプレイに恵まれた単純な構造を誇っています。LCDと比較して、特に低消費電力と高いコントラストが重要な場合、一部のアプリケーションではLEDディスプレイがより明るく明確になる場合があります。
図3：すべての数値のデジタルセグメント
7セグメントディスプレイ機能とLED選択
主に数字と特定の文字を紹介するために使用される7セグメントディスプレイは、「8」フォーメーションに配置された7つのLEDセグメントで構成され、小数点の8番目のLEDによって増強されます。この構成により、小数点を含む小数点以下の数値を表示するのに特に熟達しています。複数桁のディスプレイのような複雑なシナリオでは、これは複数の7セグメントディスプレイを並列に整列させることで実現されます。
これらのディスプレイの中心には、PN接合の電気微細合成原理で動作する固体光学デバイスであるLED（光エミッティングダイオード）があります。電流がLEDを流れると、励起された電子と穴が融合し、エネルギーが可視光としてエネルギーを放出します。LEDの色は、半導体材料とPN接合部で使用される特定の不純物にかかっています。たとえば、赤色LEDはアルセニドアルミニウム（アルガス）を使用する場合があり、緑または青のLEDはリン化インジウムガリウム（INGAN）を使用する場合があります。
7セグメントディスプレイのLEDを選択するには、いくつかの重要な考慮事項が含まれます。
費用対効果： LEDタイプ間で価格が異なる場合、選択はアプリケーション要件と予算の制約と一致する必要があります。
寿命： LEDは長寿で有名ですが、寿命はタイプと品質に基づいて大きく異なります。
サイズ： LEDサイズは、ディスプレイサイズと解像度を決定します。より小さなLEDはコンパクトなデザインに合わせており、より大きなディスプレイが必要なアプリケーションに適合します。
色の選択： LED色は美学と視界の両方に影響を与えます。日中は、青色のような識別性の低い色とは異なり、環境全体で赤と緑のLEDが一般的に顕著になります。
電子コンポーネントとの互換性： LEDの電圧と電流仕様は、システムの安定性と効率を確保するために、他の回路コンポーネントと互換性がなければなりません。
デジタルディスプレイの分野での7セグメントディスプレイの有効性と影響は、主にLED選択に依存します。LEDを適切に選択すると、ディスプレイパフォーマンスが向上し、コスト効率と長期的な信頼性が確保され、技術的な精度の組み合わせと簡潔で明確な方法で実用的な考慮事項が組み合わされます。
7セグメントディスプレイの種類
7セグメントLEDは、LED接続と回路構成によって区別される、一般的なアノードと一般的なカソードの2つの主要なカテゴリに分かれています。
一般的なアノードディスプレイ：
ここでは、すべてのLEDセグメントのアノード（正の端子）が共通点で収束します。通常、電源の正の端子にリンクされています。各LEDセグメントのカソード（負の電極）は、制御回路を介して管理されます。特定のセグメントを照らすには、そのカソードを接地するか、負の電圧を受け取る必要があります。一般的なアノードセットアップにより、回路設計が簡素化されます。すべてのアノードは統一されており、すべてのセグメントをエネルギー化するための1つの接続だけが必要です。
図4：一般的なアノード構成
一般的なカソードディスプレイ： このバリアントでは、すべてのLEDセグメントのカソードが相互に接続されており、通常は電源の負の端子に接続されています。セグメントをアクティブにするには、その陽極に正の電圧を適用する必要があります。このモデルは、特にセグメント制御がアノードにかかっている場合、特定の回路設計をより適切に適合させます。
図5：一般的なカソード構成
回路設計には、各タイプの明確な駆動ロジックが必要です。一般的なアノードディスプレイの場合、コントローラーは、LED照明のために接地または負の電圧を提供する必要があります。一方、一般的なカソード表示では、コントローラーが正の電圧を供給する必要があります。実際に言えば、一般的なアノードディスプレイは、多くの場合、好みを得ることがよくあります。彼らは、出力が高く急上昇したときに点灯するポジティブロジックシステム（TTL回路など）とシームレスに整列します。さらに、彼らはより高いソース電流を扱うことに熟達しているため、高電流需要のアプリケーションに最適です。
ディスプレイタイプ間の決定は、特定のアプリケーションの回路設計と制御ロジックにかかっています。時々、合理化されたデザインとコモンアノードディスプレイの互換性が勝ちます。また、Common-Cathodeディスプレイのユニークな回路の利点により、それらは優れた選択になります。いずれにせよ、最高のディスプレイパフォーマンスと回路効率を実現するには、技術的な精度と実用的なアプリケーションの融合を実現するために、適切なタイプを選択する必要があります。
7セグメントディスプレイはどのように機能しますか？
7セグメントのディスプレイの中心には、7つのLEDユニットがあり、10進ポイントの追加LEDを伴う「8」パターンで細心の注意を払って配置されています。これらのLEDは、半導体材料の固有の特性に基づいて照らされます。これらのユニットがどのように機能するかを掘り下げると、それぞれが小型発光ダイオードであり、前向きに偏ったときに輝く。このバイアスは非常に重要です。これにより、半導体のp領域とn領域間の電子の動きが可能になります。電子は高エネルギーレベルから低エネルギーレベルに移行すると、光子を放出します - 可視光。エレクトロルミネッセンスとして知られるこのプロセスは、LEDの操作の中心です。
LEDのグローの強度は、前方電流の大きさにかかっています。より高い電流は電子遷移を高め、その結果、光出力を高めます。ただし、LEDの熱負荷も増幅し、寿命を削減する可能性があります。したがって、正確な電流制御が不可欠です。これは通常、LEDと電源の間に統合された電流制限抵抗または一定電流駆動回路によって達成されます。
数字または文字を明らかにするために、7セグメントディスプレイの回路は、特定のLEDセグメントを選択的にアクティブ化または非アクティブ化します。たとえば、「1」を表示するには、右上と右下のセグメント（BおよびC）のみを照明する必要があります。これらのセグメントの制御は、マイクロコントローラー、7セグメントデコーダー、または単純なロジック回路を介して管理されることがよくあります。回路の主な役割は、各LEDに適切な前方電流を供給し、ディスプレイ要件に従って照明を調整することです。
これらのディスプレイの回路設計では、LED電流および電圧の仕様、ディスプレイタイプ（共通アノードまたは一般的なカソード）、および効果的な電流制御と分布戦略を慎重に検討する必要があります。7セグメントディスプレイの根本的な原則は、洗練された電子工学のタペストリーです。それは、エレクトロルミネッセンス、輝度制御技術、複雑な回路設計を織り込んで、明確で信頼性の高いデジタルおよびキャラクターディスプレイを生成します。
7セグメントディスプレイのコーディング
7セグメントディスプレイの領域では、多様な数字と文字を表示する核心は、特定のエンコード方法にあります。これらのメソッドは、セグメントを導いたメソッドが、目的の数字または文字を作成するために照らされるべきです。ディスプレイの各部分には、通常、a、b、c、d、e、f、gとラベル付けされ、小数点に追加のdpがあります。一般的なアノードであろうと一般的なカソードであろうと、ディスプレイのタイプは、エンコーディング方法に根本的に影響します。
図6：セグメントディスプレイ
一般的なアノードディスプレイを掘り下げると、メカニズムは簡単ですが正確です。ここでは、ピンが地面に接続するとセグメントが点灯し、特定の数字を表示するために「低い」設定が必要です。たとえば、「0」を取ります。これを表すために、セグメントA、B、C、D、E、およびFが活性化され、Gは休眠状態のままです。したがって、「0」はエンコード「0111111」に変換され、その16進の対応物は3Fです。
逆に、一般的なカソードはこのロジックを反転させます。セグメントは、正の電圧を受信すると照らされ、目的の各セグメントに対して「高」設定が必要です。これを「0」に適用すると、そのエンコーディングは「1000000」に逆転し、40として16進数に反映されます。これらのエンコーディングは、実際のアプリケーションに統合されており、多くの場合、マイクロコントローラーまたは専用のデコーダーチップが含まれます。典型的な例は、BCD（バイナリ小数）から7セグメントデコーダーです。これは、入力に基づいて正しいセグメントを自律的に選択し、手動コーディングの負担を軽減します。
一般的なアノードと一般的なカソードディスプレイの数値0〜9の典型的なエンコードの例を次に示します。
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デジタル |
一般的なアノードコーディング（GFEDCBA） |
一般的なカソードコーディング（GFEDCBA） |
|
0 |
01111111 |
1000000 |
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1 |
0000110 |
1111001 |
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2 |
1011011 |
0100100 |
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3 |
1001111 |
0110000 |
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4 |
1100110 |
0011001 |
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5 |
1101101 |
0010010 |
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6 |
1111101 |
0000010 |
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7 |
0000111 |
1111000 |
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8 |
1111111 |
0000000 |
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9 |
1101111 |
0010000 |
このエンコーディングマトリックスでは、各桁のGFEDCBA構成は7つのLEDに対応しています。たとえば、「0111111」は、「0」を紹介するGセグメントのすべてを除くすべてを意味します。これらのコードを実際の回路に実装するには、マイクロコントローラーまたはデコーダーに直接プログラミングする必要があります。これは、ディスプレイを制御する上で重要なステップです。
回路の設計とプログラミングは、これらのコードの深い理解にかかっています。さまざまなエンコーディングスキームは、回路設計だけでなく、制御ロジックの複雑さにも影響します。7セグメントディスプレイを含むプロジェクトでは、これらのコードをマスターすることが不可欠です。正確なコーディングは、目的のディスプレイ機能を達成する方法を舗装し、技術的なノウハウと実用的なアプリケーションをブレンドします。
7セグメントディスプレイのアプリケーション方法
シンプルさと運用の容易さで有名な7セグメントディスプレイは、さまざまな電子デバイスで広範囲に使用されています。これらは、初歩的なデジタルディスプレイから、より精巧な情報プレゼンテーションにまで及びます。アプリケーションの方法は、手元のプロジェクトの複雑な要求と機能的要求に柔軟に適応します。基本的なアプリケーションでは、7セグメントディスプレイのユーティリティが、CD4026などの7セグメントカウンター統合回路（IC）によって直接駆動される能力に現れます。この特定のICであるカウンター/デコーダーは、7セグメントディスプレイを直接駆動するように設計されており、入力カウントパルスを可視数に変換します。
このアプローチは、複雑なマイクロコントローラーまたはマイクロプロセッサのサポートの必要性を回避します。その有用性は、デジタルカウンターや時計などのシンプルなデジタル表示プロジェクトで輝いています。対照的に、さまざまな文字や動的効果を表示するなど、より複雑な努力が必要になり、マイクロコントローラー（MCU）またはマイクロプロセッサ（MPU）とセグメントディスプレイをペアリングする必要があります。ここでは、各LEDセグメントのピンがMCU/MPUの入力および出力（I/O）ピンと相互接続しますが、一般的なアノードまたはカソードピンは、ディスプレイタイプに応じて電源またはグランドにリンクします。
このセットアップにより、マイクロコントローラーはI/Oピンの状態を正確に決定し、それによりディスプレイを制御できます。たとえば、一般的なカソードディスプレイに「0」を表示するには、I/Oピンを11000000（バイナリ）に設定することで達成される「G」を除くすべてのセグメントを照らす必要があります。一般的なアノードディスプレイのロジックは、まったく対照的です。
ヘルムのカウンターICであろうとマイクロコントローラーであろうと、7セグメントディスプレイを調整するには、回路の状態の細心のプログラミングが必要です。マイクロコントローラーの使用では、これには通常、特定のコードの作成が含まれます。このコードは、I/Oピンのアクティベーションシーケンスと、着信データに応答したディスプレイのモーフィングを決定します。簡単なカウントから複雑なキャラクターやグラフィック表現に至るまで、7セグメントディスプレイの汎用性は、APT運転方法論と制御戦略の選択に依存しています。デザイナーとエンジニアがさまざまな制御技術とコーディングのニュアンスを習得することが重要です。これは、効率的でインパクトのあるディスプレイソリューションを考案するための鍵です。
7セグメントディスプレイのアプリケーションフィールド
独自の機能と利点に尊敬されている7セグメントディスプレイは、無数のフィールドで広く使用されていることを発見しました。それらは、基本情報表示の単純なタスクから、複雑なデータプレゼンテーションのより要求の厳しい領域に及びます。彼らの魅力は、シンプルさ、費用対効果、優れた読みやすさの融合にあります。公開情報ディスプレイおよび制御パネルの領域では、これらのディスプレイは特に高く評価されています。ここでは、大きなフォントの可視性は非常に重要です。たとえば、公共交通機関の情報板、エレベーターの床インジケーター、無数のコントロールパネルなどです。これらのコンテキストでは、7セグメントディスプレイのかなりのフォントと明快さは、明確な公開指令とメッセージングに不可欠です。
小型エレクトロニクス企業は、これらのディスプレイからも非常に恩恵を受けています。それらの費用対効果とプログラム可能な制御のシンプルさにより、経済的なデジタルタイマー、温度計、カウンターなどの製品の選択肢となります。ただし、基本的なディスプレイだけではありません。状況がより複雑な数値値またはセンサーデータを描写する必要がある場合、7セグメントディスプレイはしばしば4セグメントバリアントと力を結合します。このコンボは、実験室の機器または産業制御システムに測定とステータスの指標を表示するのに役立つ追加の機能に対応しています。
次に、低光のシナリオに適しています。薄暗い環境では、それらの明るさと読みやすさは比類のないものであり、屋外の夜間の機器、セキュリティシステムのディスプレイ、緊急指標に最適です。7セグメントディスプレイの汎用性は、膨大な数のプロジェクトにリーチを拡大します。電子時計、水位、さまざまな測定ツール、および実験装置はすべて、統合の恩恵を受けます。彼らの家電の遍在性は、産業、医療、科学の研究分野での広範なアプリケーションに反映されています。
これらのディスプレイは、特徴的な読みやすい大型フォント、コスト効率、幅広い使用型スペクトルを使用して、電子ディスプレイテクノロジーの基本的な要素として固定されています。家庭用家電製品から複雑な産業システムに至るまで、それらの存在は遍在しています。時間が経つにつれて、7セグメントのディスプレイの重要性はエスカレートし続けるだけであり、進化し続ける技術的景観における彼らの永続的な関連性を強調します。
結論
電子工学の歴史の象徴である7セグメントのディスプレイは、技術革新のビーコンとしてだけでなく、日々および産業の領域におけるテクノロジーの適応性の証として立っています。初期のアイデアから無数のデバイスの礎石への旅は、その永続的な信頼性と実用的な効率を強調しています。このディスプレイは、家庭および複雑な産業システムの両方でユビキタスであり、読みやすさ、費用対効果、幅広いユーティリティの容易さを電子ディスプレイテクノロジーの重要なコンポーネントに溶かします。
そのデザインは、シンプルさと有効性のエレガントなブレンドであり、7つのLEDセグメントを利用して、数字といくつかの文字のビジュアルを作成します。この設計は、明確なコミュニケーションを達成し、製造および維持費を削減します。7セグメントディスプレイの耐久性とエネルギーの節約は、広報委員会や家庭用品パネルなどの長距離使用に最適です。
しかし、LCDやOLEDSなどの新しい候補者が出現するにつれて、7セグメントのディスプレイの領域が進化します。特にコストとエネルギー効率におけるそのユニークなメリットは、特殊なニッチに関連することを固定しています。電子技術が前進するにつれて、未来を覗き込んで、7セグメントのディスプレイは明確な遺産を継続する態勢を整えています。それは、よりインテリジェントで統合された装いで技術の進歩に貢献し、物語のシンプルと複合体の絡み合いを反映することを約束します。