LED-Anzeigen: 7-Segment-, Balken- und Matrixanzeigen, Multiplexbetrieb und Anzeigetreiber

LED-Anzeigen: 7-Segment-, Balken- und Matrixanzeigen, Multiplexbetrieb und Anzeigetreiber

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tl/dr; (ca. 25 min Lesezeit): LED-Anzeigen zeigen Ziffern, Balken und Zeichen. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie Du Ansteuerpegel und Stromwege von 7-Segment-Anzeigen mit gemeinsamer Anode oder Kathode bestimmst, Segmentvorwiderstände berechnest, gemultiplexte Anzeigen und LED-Matrizen analysierst und misst, einen LED-Balkenanzeigetreiber beschaltest und die Helligkeit eines Anzeigetreibers einstellst und messtechnisch erfasst [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 12.11.2026)

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Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste der Artikel Leuchtdioden und Schaltnetze auf.

Als Anzeigen-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … die Ansteuerpegel und Stromwege einer 7-Segment-Anzeige mit gemeinsamer Anode oder gemeinsamer Kathode für eine Ziffer bestimmen und umgekehrt aus den Pegeln die angezeigte Ziffer ermitteln.

• … prüfen, ob eine andere Anzeigevariante an einer vorhandenen Ansteuerung (Mikrocontroller, Decoder) betrieben werden kann.

• … die Aufgabe der Segmentvorwiderstände nennen und Vorwiderstand und Verlustleistung mit Datenblattwerten berechnen.

• … gemultiplexte Anzeigen und LED-Matrizen (Zeilen-/Spaltenansteuerung, Schalttransistoren, Multiplexfrequenz) analysieren, um eine Stelle erweitern und ihre Multiplexsignale messen.

• … LED-Matrix- und Diodenmatrixanzeigen auswerten (gleichzeitig leuchtende LEDs, Codierung eines Zeichens), bestücken und in Betrieb nehmen.

Darüber hinaus kann ich als Anzeigen-Expertenwissen…

• … Betriebsart (Balken/Punkt), Referenzspannung, Schaltschwellen und LED-Strom eines LED-Balkenanzeigetreibers aus Beschaltung und Datenblatt bestimmen, die Beschaltung ändern und die Anzeige für eine Eingangsspannung angeben.

• … die Helligkeitssteuerung eines Anzeigetreibers erklären, LED-Ströme je Helligkeitsstufe indirekt über einen Spannungsfall messen, als Messreihe dokumentieren und als Diagramm darstellen.

• … die Folgen eines Wechsels der LED-Anzeige (andere Leuchtfarbe, anderes Modul) begründen.

• … die Arbeitsschritte für den Einsatz einer anderen Gehäusevariante (z. B. SMD statt DIP) ohne Änderung der Leiterplatte planen.

Die Temperatur am Lötkolben, der Füllstand eines Tanks, die Uhrzeit an der Kaffeemaschine oder ein Laufschrifttext über der Werkhalle: Viele Geräte zeigen ihre Werte mit Leuchtdioden an. Dahinter stecken immer dieselben Bauformen – die 7-Segment-Anzeige für Ziffern, die Balkenanzeige für analoge Größen und die LED-Matrix für Zeichen und Grafik. Wer weiß, wie die LEDs darin zusammengeschaltet sind, kann Pegel bestimmen, Ströme berechnen, Fehler suchen und eine Anzeige tauschen, ohne dass hinterher Segmente fehlen oder die Anzeige flimmert.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu LED-Anzeigen. Wie eine einzelne LED funktioniert und wie Du ihren Vorwiderstand berechnest, steht im Artikel Leuchtdioden; den BCD-Code, den 7-Segment-Code und die Decoder dazu erklärt der Artikel Schaltnetze.

Schritt 1: Bauformen von LED-Anzeigen

Alle LED-Anzeigen bestehen aus mehreren Leuchtdioden in einem Gehäuse. Damit das Gehäuse nicht für jede LED zwei Anschlüsse braucht, sind die LEDs intern zusammengeschaltet. Wie, das entscheidet über die Ansteuerung:

Im Stromlaufplan tragen Anzeigen nach DIN EN 81346-2 den Kennbuchstaben P (z. B. -P1), Treiber-ICs und Transistoren den Kennbuchstaben K.

Schritt 2: 7-Segment-Anzeigen mit gemeinsamer Anode oder Kathode

Die sieben Segmente heißen im Uhrzeigersinn von oben a, b, c, d, e, f, das mittlere Segment heißt g, dazu kommt meist der Dezimalpunkt dp. Jedes Segment ist eine LED (bei großen Anzeigen mehrere in Reihe). Einen Anschluss aller Segmente verbindet der Hersteller im Gehäuse:

• Gemeinsame Anode (CA, common anode): Der gemeinsame Anschluss liegt an der positiven Versorgung. Der Strom fließt von +U_\mathrm{B} über die gemeinsame Anode, das Segment und seinen Vorwiderstand in den Ausgang der Ansteuerung. Ein Segment leuchtet, wenn sein Ausgang Low ist (low-aktiv); der Ausgang arbeitet als Stromsenke.

• Gemeinsame Kathode (CC, common cathode): Der gemeinsame Anschluss liegt an 0 V. Der Strom fließt aus dem Ausgang über Vorwiderstand und Segment zur gemeinsamen Kathode. Ein Segment leuchtet bei High (high-aktiv); der Ausgang arbeitet als Stromquelle.

Ansteuerpegel für eine Ziffer bestimmen

Für jede Ziffer steht fest, welche Segmente leuchten. Bei gemeinsamer Kathode ist ein leuchtendes Segment eine 1, bei gemeinsamer Anode eine 0. Liegen die Segmente in der Reihenfolge dp g f e d c b a an einem 8-Bit-Port (a = Bit 0), ergibt sich das Bitmuster direkt als Hexadezimalzahl:

Das CA-Muster ist das bitweise invertierte CC-Muster. Umgekehrt liest Du die angezeigte Ziffer ab, indem Du aus den Pegeln die leuchtenden Segmente bestimmst und das Muster in der Tabelle suchst. Beispiel: An einer CA-Anzeige sind a, c, d, f und g Low, alle anderen High. Es leuchten also a, c, d, f, g – das ist die 5.

Steuert ein BCD-zu-7-Segment-Decoder die Anzeige, legt seine Funktionstabelle die Pegel fest. Decoder mit low-aktiven Ausgängen (z. B. Open-Collector-Typen wie der 74LS47) passen zu Anzeigen mit gemeinsamer Anode, Decoder mit high-aktiven Gegentaktausgängen (z. B. CD4511 oder 74HC4511) zu Anzeigen mit gemeinsamer Kathode. Liegt am Decoder die BCD-Zahl 0111 an, erzeugt er das Muster der 7: Die Ausgänge a, b, c sind aktiv, d, e, f, g inaktiv.

Passt eine andere Anzeige an die vorhandene Ansteuerung?

Bevor Du eine Anzeige tauschst, prüfst Du drei Dinge:

1. Polarität: Eine CC-Anzeige an einem low-aktiven Decoder leuchtet nicht – die Dioden wären in Sperrrichtung. Am Mikrocontroller lässt sich das durch Invertieren der Bitmuster und Umlegen des gemeinsamen Anschlusses (an 0 V statt an +U_\mathrm{B}) lösen; am Decoder nur mit einem anderen Decoder.

2. Anschlussbelegung: Gleiche Gehäusegröße heißt nicht gleiche Pinbelegung. Pinbelegung im Datenblatt vergleichen; ein abweichendes Segment macht aus der 7 schnell eine falsche Ziffer.

3. Elektrische Daten: Durchlassspannung U_\mathrm{F} und zulässiger Strom I_\mathrm{F} müssen zu Vorwiderständen und Ausgangsstrom der Ansteuerung passen (Schritt 3).

Schritt 3: Segmentvorwiderstände und Verlustleistung

Jedes Segment bekommt einen eigenen Vorwiderstand. Er begrenzt den Strom durch das Segment auf den gewünschten Wert und nimmt die Differenz zwischen Ausgangsspannung und Durchlassspannung auf. Ein gemeinsamer Widerstand im gemeinsamen Anschluss wäre falsch: Bei der 1 (zwei Segmente) teilte sich der Strom auf zwei LEDs auf, bei der 8 (sieben Segmente) auf sieben – die Helligkeit hinge von der Ziffer ab.

Beispiel: Eine rote CC-Anzeige (U_\mathrm{F} = 2{,}0\ \mathrm{V}, gewählter Segmentstrom I_\mathrm{F} = 10\ \mathrm{mA}) hängt an einem 5-V-Mikrocontroller, dessen High-Pegel bei diesem Strom U_\mathrm{OH} = 4{,}7\ \mathrm{V} beträgt.

R_\mathrm{V} = \frac{U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F}}{I_\mathrm{F}} = \frac{4{,}7\ \mathrm{V} - 2{,}0\ \mathrm{V}}{10\ \mathrm{mA}} = 270\ \Omega

Der Wert liegt in der E12-Reihe. Die Verlustleistungen je Segment:

P_\mathrm{R} = I_\mathrm{F}^2 \cdot R_\mathrm{V} = (10\ \mathrm{mA})^2 \cdot 270\ \Omega = 27\ \mathrm{mW} \qquad P_\mathrm{LED} = U_\mathrm{F} \cdot I_\mathrm{F} = 20\ \mathrm{mW}

Zeigt die Anzeige eine 8 mit Dezimalpunkt, leuchten acht Segmente: Durch die gemeinsame Kathode fließen dann 8 \cdot 10\ \mathrm{mA} = 80\ \mathrm{mA}, und alle Vorwiderstände zusammen setzen 8 \cdot 27\ \mathrm{mW} = 216\ \mathrm{mW} in Wärme um. Datenblätter von Mikrocontrollern begrenzen den Strom je Pin und die Summe je Port bzw. am Versorgungspin. Reicht das nicht, übernimmt ein Treiber (Transistor, Transistor-Array oder Anzeigetreiber-IC) den Strom.

Für den Aufbau auf dem Steckbrett genügen ein Mikrocontroller-Board, eine einstellige CC-Anzeige und acht Widerstände. Die gemeinsame Kathode (beide COM-Pins) liegt an GND, jedes Segment hängt über seinen Vorwiderstand an einem eigenen Port-Pin:

Die beiden COM-Pins sind in der Anzeige verbunden; einer genügt. Die Pinfolge gilt für verbreitete einstellige 0,56-Zoll-Anzeigen – vergleiche sie mit dem Datenblatt Deiner Anzeige. Die Fritzing-Datei zum Nachbauen liegt im Repository unter fritzing/led-anzeigen-steckbrett.fzz.

An einem 3,3-V-Board und mit 330 Ω fließen bei roten Segmenten etwa (3{,}2\ \mathrm{V} - 2{,}0\ \mathrm{V}) / 330\ \Omega \approx 3{,}6\ \mathrm{mA} – für Innenräume hell genug und weit unter der Grenze der Pins. Bei der Inbetriebnahme schaltest Du zuerst alle Segmente einzeln nacheinander ein (Segmenttest): So findest Du vertauschte Leitungen, bevor Du Ziffern ausgibst.

Schritt 4: Multiplexbetrieb

Eine vierstellige Anzeige mit einzeln angesteuerten Segmenten bräuchte 4 \cdot 8 = 32 Leitungen. Im Multiplexbetrieb werden die gleichnamigen Segmente aller Stellen parallel geschaltet. Jede Stelle bekommt einen eigenen Stellenschalter (Transistor) im gemeinsamen Anschluss. Der Mikrocontroller schaltet die Stellen nacheinander ein und gibt dabei jeweils das Segmentmuster der aktiven Stelle aus. Das Auge mittelt über die schnellen Wechsel und sieht ein stehendes Bild.

• Leitungen: n Stellen mit je 8 Segmenten brauchen im Multiplexbetrieb nur 8 + n statt 8 \cdot n Leitungen.

• Stellenschalter: Bei gemeinsamer Kathode schalten NPN-Transistoren (oder N-Kanal-MOSFETs) die Stelle nach 0 V, aktiv bei High am Port. Bei gemeinsamer Anode schalten PNP-Transistoren (oder P-Kanal-MOSFETs) nach +U_\mathrm{B}, aktiv bei Low. Durch den Stellenschalter fließt die Summe aller Segmentströme der Stelle, bei einer 8 mit Punkt das Achtfache des Segmentstroms.

• Tastgrad und Pulsstrom: Jede Stelle leuchtet nur 1/n der Zeit. Die Helligkeit hängt vom mittleren Strom ab. Für dieselbe Helligkeit wie im statischen Betrieb braucht jedes Segment den n-fachen Pulsstrom: I_\mathrm{P} = n \cdot I_\mathrm{mittel}. Das Datenblatt der Anzeige nennt dafür einen Spitzenstrom I_\mathrm{FP}, der nur bei kleinem Tastgrad und kurzer Pulsdauer gilt.

• Frequenzen: Damit nichts flimmert, sollte die Multiplexfrequenz (Bildwiederholfrequenz f_\mathrm{B}, jede Stelle einmal) mindestens etwa 100 Hz betragen. Die Umschaltfrequenz ist f_\mathrm{U} = n \cdot f_\mathrm{B}; jede Stelle ist t_\mathrm{S} = 1/f_\mathrm{U} lang eingeschaltet.

Für vier Stellen und f_\mathrm{B} = 100\ \mathrm{Hz} heißt das: Ein Bild dauert T_\mathrm{B} = 10\ \mathrm{ms}, jede Stelle ist 2{,}5\ \mathrm{ms} lang an (Tastgrad 25 %), umgeschaltet wird mit 400\ \mathrm{Hz}. Soll jedes Segment im Mittel 5\ \mathrm{mA} führen, braucht es einen Pulsstrom von 20\ \mathrm{mA}; der Stellenschalter muss dann bis zu 8 \cdot 20\ \mathrm{mA} = 160\ \mathrm{mA} schalten.

Multiplexsignale messen

Mit einem Zweikanal-Oszilloskop misst Du an einer gemultiplexten Anzeige:

• Kanal 1 am Stellensignal (Basis des Stellenschalters oder Port-Pin): Die Periodendauer zwischen zwei gleichen Flanken ist die Bildperiode T_\mathrm{B}, also f_\mathrm{B} = 1/T_\mathrm{B}. Die Impulsdauer ist t_\mathrm{S}, der Tastgrad t_\mathrm{S}/T_\mathrm{B}.

• Kanal 2 an einer Segmentleitung: Das Segmentsignal wechselt im Takt der Stellen. Triggerst Du auf das Stellensignal, siehst Du, in welchen Stellen das Segment leuchtet.

• Ein Multimeter zeigt an diesen Leitungen nur Mittelwerte; für die Frequenz brauchst Du das Oszilloskop oder die Frequenzmessfunktion eines Multimeters.

Ein schwaches Mitleuchten von Segmenten in der Nachbarstelle (Geisterbild) entsteht, wenn Stelle und Muster nicht sauber nacheinander umgeschaltet werden. Abhilfe: erst alle Stellen aus, dann das neue Muster ausgeben, dann die neue Stelle ein.

Eine Stelle ergänzen

Soll die Anzeige um eine Stelle wachsen, verbindest Du die Segmentanschlüsse der neuen Stelle mit den vorhandenen Segmentleitungen und ergänzt einen weiteren Stellenschalter samt Basiswiderstand an einem freien Port-Pin. In der Software wächst die Zahl der Stellen von n auf n + 1. Damit sinkt der Tastgrad von 1/n auf 1/(n+1): Bei gleichem Pulsstrom wird die Anzeige dunkler, und für dieselbe Bildwiederholfrequenz muss die Umschaltfrequenz steigen.

Schritt 5: LED-Matrix und Diodenmatrix

In einer LED-Matrix liegt jede LED an genau einer Zeilen- und einer Spaltenleitung. Bei einer Matrix mit Zeilenanoden verbindet eine Zeilenleitung die Anoden aller LEDs dieser Zeile, eine Spaltenleitung die Kathoden aller LEDs dieser Spalte. Eine LED leuchtet, wenn ihre Zeile auf High und ihre Spalte auf Low liegt. Eine 8 \times 8-Matrix kommt so mit 16 statt 64 Leitungen aus.

Ein beliebiges Bild entsteht nur im Multiplexbetrieb: Die Ansteuerung schaltet eine Zeile nach der anderen ein und legt dabei die Spalten, deren LEDs leuchten sollen, auf Low. Damit leuchten gleichzeitig höchstens so viele LEDs, wie eine Zeile hat, und jede Zeile ist nur 1/(\text{Zeilenzahl}) der Zeit an. Würdest Du zwei Zeilen und zwei Spalten gleichzeitig aktiv schalten, leuchteten alle vier Kreuzungspunkte – auch die, die dunkel bleiben sollten.

Zum Codieren eines Zeichens schreibst Du für jede Zeile auf, welche Spalten leuchten, und liest das als Dualzahl. Für ein „A“ in einer 5 \times 7-Matrix (linke Spalte = höchstwertiges Bit):

Die Zeilen 1 bis 7 lauten 0E, 11, 11, 1F, 11, 11, 11 (hex). Ein Zeichengenerator im Treiber oder eine Tabelle im Programm liefert diese Muster.

Diodenmatrix als Zeichengeber

Eine Diodenmatrix erzeugt ein festes Zeichen ganz ohne Programm: Jede Eingangsleitung (z. B. eine Meldung oder Taste) ist über Dioden mit den Segmentleitungen verbunden, die für das Zeichen leuchten sollen. Für ein „E“ an einer CC-Anzeige (Segmente a, d, e, f, g) braucht die Zeile dieses Eingangs fünf Dioden, je eine zu den Segmentleitungen a, d, e, f und g. Die Dioden verhindern, dass ein aktiver Eingang über die gemeinsamen Segmentleitungen auf andere Eingänge zurückwirkt. Wie die Diodenmatrix als Codierer arbeitet, zeigt der Artikel Schaltnetze.

Bestücken und in Betrieb nehmen

• Polarität und Lage: Bei Matrix- und Segmentanzeigen ist Pin 1 meist durch eine Fase, einen Punkt oder die Beschriftung markiert; Dioden einer Diodenmatrix nach Bestückungsdruck (Kathodenring) einsetzen.

• Sichtprüfung und Durchgang: Vor dem Einschalten Lötstellen und Brücken prüfen; mit dem Diodentest des Multimeters lässt sich jede Matrix-LED einzeln zum Leuchten bringen (Pluspol an die Zeilenanode).

• Funktionstest: Zuerst jede Zeile und jede Spalte einzeln, dann ein Testmuster (alle LEDs an, Schachbrett), dann die Zeichen. Leuchtet eine ganze Zeile oder Spalte nicht, ist die gemeinsame Leitung oder ihr Schalter defekt; fehlt ein einzelner Punkt, die LED oder ihre Lötstelle.

Schritt 6: LED-Balkenanzeigetreiber

Ein Balkenanzeigetreiber wie der LM3914 setzt eine Spannung direkt in einen Leuchtbalken um. Innen liegt eine Kette aus zehn gleichen Widerständen zwischen den Anschlüssen RHI und RLO. Zehn Komparatoren vergleichen die Eingangsspannung an SIG mit den Spannungen an den Abgriffen. Ist die Eingangsspannung größer als die Schwelle einer Stufe, schaltet deren Ausgang.

• Schaltschwellen: Bei einer linearen Kette liegt die Schwelle der LED n bei U_n = U_\mathrm{RLO} + \frac{n}{10} \cdot (U_\mathrm{RHI} - U_\mathrm{RLO}). Mit U_\mathrm{RLO} = 0 schaltet LED 1 bei einem Zehntel des Endwerts, LED 10 beim Endwert. Logarithmisch gestufte Verwandte (z. B. LM3915 mit 3-dB-Stufen) arbeiten genauso, nur mit anderen Abständen.

• Referenzspannung: Eine interne Referenz hält zwischen REF OUT und REF ADJ eine feste Spannung (beim LM3914 1,25 V). Mit dem Spannungsteiler R_1, R_2 ergibt sich U_\mathrm{REF} = 1{,}25\ \mathrm{V} \cdot \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) (der kleine Strom aus REF ADJ ist vernachlässigt). Legt man REF OUT an RHI, bestimmt U_\mathrm{REF} den Endwert der Anzeige.

• Betriebsart: Der Anschluss MODE wählt zwischen Balkenbetrieb (MODE an +U_\mathrm{S}: alle LEDs bis zur höchsten überschrittenen Schwelle leuchten) und Punktbetrieb (MODE offen: nur diese eine LED leuchtet).

• LED-Strom: Die Ausgänge sind geregelte Stromsenken; einzelne Vorwiderstände entfallen. Der LED-Strom beträgt etwa das Zehnfache des Stroms, der aus REF OUT entnommen wird – also durch R_1 und durch die angeschlossene Teilerkette. Größeres R_1 heißt kleinerer LED-Strom.

• Anzeigemodul: Weil die Ausgänge Strom aufnehmen, liegen die Anoden der LEDs an +U_\mathrm{LED}. Ein Balkenmodul mit gemeinsamer Anode passt, eines mit gemeinsamer Kathode nicht.

Beispiel: R_1 = 1{,}2\ \mathrm{k\Omega}, R_2 = 3{,}6\ \mathrm{k\Omega}, RHI an REF OUT, RLO an 0 V, Kettenwiderstand 12 kΩ.

U_\mathrm{REF} = 1{,}25\ \mathrm{V} \cdot \left(1 + \frac{3{,}6\ \mathrm{k\Omega}}{1{,}2\ \mathrm{k\Omega}}\right) = 5{,}00\ \mathrm{V}

Die Schwellen liegen in Stufen von 0,5 V bei 0,5 V, 1,0 V, … 5,0 V. Bei U_\mathrm{SIG} = 2{,}3\ \mathrm{V} sind die Schwellen von LED 1 bis LED 4 überschritten: Im Balkenbetrieb leuchten LED 1 bis 4, im Punktbetrieb nur LED 4. Der Referenzstrom beträgt \frac{1{,}25\ \mathrm{V}}{1{,}2\ \mathrm{k\Omega}} + \frac{5{,}00\ \mathrm{V}}{12\ \mathrm{k\Omega}} \approx 1{,}46\ \mathrm{mA}, der LED-Strom also etwa 14{,}6\ \mathrm{mA}.

Beschaltung ändern: Soll der Endwert 2,5 V betragen, wählst Du R_2 = R_1. Soll die Anzeige erst ab 1 V beginnen, legst Du RLO an 1 V. Soll nur ein Punkt wandern, bleibt MODE offen. Im Balkenbetrieb nimmt das IC die Verlustleistung aller leuchtenden LED-Ausgänge auf, P \approx n \cdot I_\mathrm{LED} \cdot (U_\mathrm{LED} - U_\mathrm{F}); bei hoher LED-Versorgung entlastet ein Widerstand in der gemeinsamen Anodenleitung das IC.

Schritt 7: Helligkeitssteuerung und Messreihe

Viele Anzeigetreiber für 7-Segment- und Matrixanzeigen (z. B. MAX7219) stellen die Helligkeit auf zwei Wegen ein:

• Spitzenstrom: Ein externer Widerstand R_\mathrm{SET} legt den Strom der Segmentausgänge fest. Die Datenblatttabelle nennt für jede Kombination aus R_\mathrm{SET} und Durchlassspannung den Spitzenstrom.

• Tastgrad: Ein Register wählt eine von 16 Helligkeitsstufen. Jede Stufe verkürzt oder verlängert die Einschaltzeit innerhalb des Multiplexzyklus (pulsweitenmoduliert). Der mittlere LED-Strom und damit die wahrgenommene Helligkeit steigen mit dem Tastgrad.

LED-Strom indirekt messen

Den Strom durch ein Segment misst Du am einfachsten indirekt über einen Spannungsfall: Liegt ein Vorwiderstand oder ein kleiner Messwiderstand (Shunt) im Stromweg, gilt I = U_\mathrm{R} / R. Ein Multimeter in Stellung DC zeigt an einem gepulsten Signal den Mittelwert, ein Oszilloskop zeigt den Spitzenwert und den Tastgrad. Den Strommesser musst Du so nicht in den Stromkreis einschleifen.

Messreihe dokumentieren und darstellen

Bei einer Messreihe hältst Du vorher fest, was Du veränderst (unabhängige Größe, hier die Helligkeitsstufe), was Du misst (Spannung am Shunt) und was Du daraus berechnest (Strom). Die Tabelle nennt Größen und Einheiten im Kopf, Messgerät und Messbereich stehen darunter. Beispiel mit einem Shunt von 10\ \Omega und einem Spitzenstrom von 30 mA:

Im Diagramm stehen die unabhängige Größe auf der waagrechten Achse und die Messgröße auf der senkrechten, beide mit Formelzeichen und Einheit. Messpunkte werden markiert, eine Ausgleichsgerade zeigt den Zusammenhang: Hier steigt der mittlere Strom linear mit dem Tastgrad.

Andere Leuchtfarbe, andere Anzeige

Tauschst Du eine rote Anzeige gegen eine grüne, blaue oder weiße, ändert sich vor allem die Durchlassspannung: rot etwa 1,8 … 2,2 V, grün (InGaN) und blau etwa 2,8 … 3,4 V. Die Folgen:

• Mit Vorwiderständen sinkt der Strom: Im Beispiel aus Schritt 3 wären es mit U_\mathrm{F} = 3{,}1\ \mathrm{V} nur noch (4{,}7 - 3{,}1)\ \mathrm{V} / 270\ \Omega \approx 5{,}9\ \mathrm{mA}. Die Vorwiderstände müssen neu berechnet werden.

• Mit Konstantstromtreiber bleibt der Strom gleich, solange die Spannung am Treiberausgang für dessen Regelung reicht. Bei 5 V Versorgung und 3,1 V an der LED bleibt dafür wenig Reserve; der Spitzenstrom laut R_\mathrm{SET}-Tabelle hängt bei manchen Treibern selbst von U_\mathrm{F} ab.

• Helligkeit und Farbeindruck: Gleicher Strom heißt nicht gleiche Helligkeit; die Lichtstärke steht im Datenblatt. Eventuell muss die Helligkeitsstufe angepasst werden.

Schritt 8: Eine andere Gehäusevariante einsetzen

Manchmal ist ein Treiber-IC oder eine Anzeige nur noch in einer anderen Bauform lieferbar, etwa SMD (SOIC) statt DIP. Ohne neue Leiterplatte planst Du so:

1. Datenblätter vergleichen: gleicher Typ in anderem Gehäuse? Pinbelegung, elektrische Grenzwerte und Verlustleistung (SMD-Gehäuse führen oft weniger Wärme ab) prüfen.

2. Adapter wählen: Eine SMD-auf-DIP-Adapterplatine mit passendem Rastermaß, Pinanzahl und Bauhöhe; Platz im Gehäuse und für Nachbarbauteile prüfen.

3. Bestücken: SMD-Bauteil lagerichtig (Pin 1) auf den Adapter löten, Stiftleisten einlöten, Lötstellen unter der Lupe prüfen, auf Brücken durchmessen.

4. Einsetzen und prüfen: Adapter in die vorhandenen DIP-Lötaugen oder die Fassung setzen, Funktion und Ströme wie bei der Inbetriebnahme prüfen.

5. Dokumentieren: Stückliste, Bestückungsplan und Änderungsvermerk anpassen, damit spätere Reparaturen dieselbe Variante verwenden.

Wie geht es weiter?

• Text- und Grafikdisplays, Signalgeber und Summer: LC-Displays und Signalgeber

• Decoder, Codierer und die Diodenmatrix als Codierer: Schaltnetze

• Kennwerte, Vorwiderstand und Ansteuerung einzelner LEDs: Leuchtdioden

• Stellenschalter mit Transistoren berechnen: Der Transistor als Schalter

Leitfragen

1. Woran erkennst Du, ob eine 7-Segment-Anzeige mit High oder mit Low angesteuert wird? Antwort

Liegt der gemeinsame Anschluss an der positiven Versorgung (gemeinsame Anode), leuchtet ein Segment bei Low; liegt er an 0 V (gemeinsame Kathode), leuchtet es bei High. Das CA-Bitmuster ist das invertierte CC-Muster. siehe Abschnitt „Schritt 2: 7-Segment-Anzeigen mit gemeinsamer Anode oder Kathode“

2. Warum braucht jedes Segment einen eigenen Vorwiderstand, und wie berechnest Du ihn? Antwort

Ein gemeinsamer Widerstand würde den Strom auf die leuchtenden Segmente aufteilen, die Helligkeit hinge von der Ziffer ab. Je Segment gilt R_\mathrm{V} = (U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F}) / I_\mathrm{F} bzw. bei gemeinsamer Anode (U_\mathrm{B} - U_\mathrm{F} - U_\mathrm{OL}) / I_\mathrm{F}, die Verlustleistung ist P = I^2 \cdot R. siehe Abschnitt „Schritt 3: Segmentvorwiderstände und Verlustleistung“

3. Welche Zusammenhänge gelten zwischen Stellenzahl, Tastgrad, Pulsstrom und Frequenzen im Multiplexbetrieb? Antwort

Bei n Stellen leuchtet jede 1/n der Zeit; für gleiche Helligkeit braucht sie den n-fachen Pulsstrom. Die Umschaltfrequenz ist n \cdot f_\mathrm{B}, mit f_\mathrm{B} ab etwa 100 Hz. Du misst f_\mathrm{B} als Kehrwert der Periodendauer eines Stellensignals am Oszilloskop. siehe Abschnitt „Schritt 4: Multiplexbetrieb“

4. Wie viele LEDs einer Matrix leuchten im Multiplexbetrieb gleichzeitig, und wie codierst Du ein Zeichen? Antwort

Es ist immer nur eine Zeile aktiv, also leuchten höchstens so viele LEDs, wie eine Zeile Spalten hat. Ein Zeichen codierst Du, indem Du je Zeile die leuchtenden Spalten als Dualzahl notierst. siehe Abschnitt „Schritt 5: LED-Matrix und Diodenmatrix“

5. Wie bestimmst Du Schaltschwellen, Anzeige und LED-Strom eines LED-Balkenanzeigetreibers? Antwort

Aus R_1 und R_2 ergibt sich die Referenzspannung und damit der Endwert; die Schwellen liegen in zehn gleichen Stufen zwischen RLO und RHI. Im Balkenbetrieb leuchten alle LEDs bis zur höchsten überschrittenen Schwelle, im Punktbetrieb nur diese. Der LED-Strom ist etwa das Zehnfache des aus REF OUT entnommenen Stroms. siehe Abschnitt „Schritt 6: LED-Balkenanzeigetreiber“

6. Wie misst Du den LED-Strom je Helligkeitsstufe, ohne den Stromkreis aufzutrennen? Antwort

Du misst die Spannung an einem Vor- oder Messwiderstand im Stromweg und berechnest I = U/R; das Multimeter liefert den Mittelwert, das Oszilloskop Spitzenwert und Tastgrad. Die Werte hältst Du in einer Tabelle mit Größen und Einheiten fest und trägst sie über der Stufe auf. siehe Abschnitt „Schritt 7: Helligkeitssteuerung und Messreihe“

7. Was ändert sich, wenn Du eine rote Anzeige gegen eine blaue tauschst oder ein IC in einer anderen Bauform einsetzt? Antwort

Die höhere Durchlassspannung senkt bei Vorwiderständen den Strom und verkleinert bei Konstantstromtreibern die Regelreserve. Für eine andere Bauform vergleichst Du Datenblätter, setzt einen Adapter ein, prüfst die Funktion und passt die Dokumentation an. siehe Abschnitt „Andere Leuchtfarbe, andere Anzeige“ und Abschnitt „Schritt 8: Eine andere Gehäusevariante einsetzen“

Links und weitere Informationen

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Segmentanzeige

• zum Vertiefen: Wikipedia (englisch): Multiplexed display

• zum Nachlesen im Datenblatt: Texas Instruments: LM3914 Dot/Bar Display Driver

• zum Nachlesen im Datenblatt: Analog Devices: MAX7219 Serially Interfaced 8-Digit LED Display Driver

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