7-Segment Reverse Bias

Viele An­fän­ger (und auch man­che Pro­fis) ma­chen den Feh­ler, die Seg­ment-Trei­ber (al­so die Port-Pins, da hier i.d.R. kei­ne wei­te­ren Trei­ber da­zwi­schen lie­gen) als Push-Pull (oder auch Totem-Po­le) zu kon­fi­gu­rie­ren, d.h. der Pin ist schlicht ein Aus­gang und treibt ge­gen V_CC oder GND. Das funk­tio­niert zwar, aber nicht im­mer und nicht be­lie­big lan­ge...

Auf dem Bild ist CH1 ein Seg­ment und CH2 ei­ne CC ei­nes Dis­plays (je­weils di­rekt der Pin am Dis­play, nicht am Con­trol­ler!). Der Math-Ka­nal zeigt die Dif­fe­renz, al­so die Span­nung über der Di­ode. Der Pin ist dau­er­haft als Aus­gang ge­schal­tet. Man sieht, wie der Seg­ment-Trei­ber tap­fer ge­gen V_CC und GND treibt (da wir di­rekt am Dis­play mes­sen geht V_CC nur bis et­wa 3 V, der Rest fällt über dem Vor­wi­der­stand ab) und wel­che Aus­wir­kun­gen dies auf die CC hat. Der Ka­tho­den-Trei­ber ist im 3. und 9. 'Käst­chen' ak­tiv, hier se­hen wir die Sät­ti­gungs­span­nung ei­nes Dar­ling­ton-Tran­sis­tors von et­wa 0.8 V, den Rest ist er Hi-Z. Der Math-Ka­nal zeigt, dass die Di­ode mal po­si­tiv und mal ne­ga­tiv vor­ge­spannt wird.

Im Falle ei­nes ge­trie­be­nen Digits ist dies noch kein Feh­ler aber bei Digits, die ge­ra­de Off sind er­gibt sich da­bei ei­ne Rück­wärts-Span­nung über ein­zel­nen LEDs da der Ka­tho­den-Trei­ber Hi-Z ist und dann Seg­men­te die GND-Po­ten­tial füh­ren über an­de­re, die in Fluss­rich­tung lie­gen (al­so ge­ra­de an ei­nem an­de­ren Digit leuch­ten), rück­wärts vor­ge­spannt wer­den. Dies ist si­cher nicht die volle V_CC, aber zwei oder drei Volt kön­nen es schon wer­den.

Des­halb soll­te in un­se­rem Fall das Digit nur ge­gen GND trei­ben (was der ULN2803 tut) und das Seg­ment nur ge­gen V_CC, aber nicht ge­gen GND! Die Lö­sung da­für ist, nicht den PORTx zu ver­wen­den son­dern den DDRx. Der PORT ist im­mer High, nur mit dem DDR ent­schei­den wir, wel­ches Seg­ment ge­ra­de Strom be­kommt.

Bei gän­gi­gen 7-Seg­ment-Dis­plays ist häu­fig ei­ne ma­xi­ma­le Re­ver­se-Span­nung von 5 V spe­zi­fi­ziert so dass sie auch die­sen Feh­ler ver­zei­hen wer­den. Wenn Sie je­doch Hoch­leis­tungs-LEDs für ei­ne Groß­an­zei­ge ver­wen­den kann dies an­ders aus­se­hen. Hier heißt es im Da­ten­blatt häu­fig ein­fach, Avoid reverse bias by design, d.h. Rück­wärts-Span­nung ist schlicht nicht zu­läs­sig und könn­te al­les be­wir­ken, vom Hel­lig­keits­ver­lust über ver­rin­ger­ter Le­bens­dau­er bis zum so­for­ti­gen Aus­fall.

Das Da­ten­blatt un­se­res Dis­plays gibt zwar ei­ne ma­xi­ma­le Re­ver­se-Volt­age von 5 V vor, ver­merkt aber auch Prolonged reverse bias should be avoided.... Ob sich die kur­zen Pha­sen im Mul­ti­plex-Be­trieb ak­ku­mu­lie­ren kann man dem Da­ten­blatt nicht ent­neh­men aber man ist si­cher­lich gut be­ra­ten, auch hier auf un­nö­ti­gen Re­ver­se Bias zu ver­zich­ten.

Im zwei­ten Bild, der Port ist hier per­ma­nent '1' und nur das DDR wird ge­schal­tet, sieht man, dass der Seg­ment-Trei­ber nicht mehr ge­gen GND treibt son­dern nur so­weit nach­gibt, dass das Seg­ment eben kei­nen Strom mehr zie­hen kann. Wie der Math-Ka­nal zeigt be­kommt die Di­ode nun auch kei­ne ne­ga­ti­ve Vor­span­nung mehr.

Al­le Si­gna­le sind nun im er­laub­ten bzw. er­wünsch­ten Rah­men und so soll es sein. Zu­sätz­lich se­hen wir er­heb­lich re­du­zier­te Am­pli­tu­den der steil­flan­ki­gen Si­gna­le was auch ei­ner re­du­zier­ten EMI ent­spricht, die ja heu­te im­mer mehr von Be­deu­tung ist.

Tat­säch­lich hat es sich so­gar ge­zeigt, dass es vor­teil­haft ist, die in­te­grier­ten Pull­up-Wi­der­stän­de des Con­trol­lers ak­tiv zu las­sen. Der ge­rin­ge Strom führt zu kei­ner wahr­nehm­ba­ren Il­lu­mi­na­tion der ei­gent­lich dunk­len Seg­men­te, ver­rin­gert aber den Re­ver­se-Bias der sonst über die Sperr­schicht-Ka­pa­zi­tä­ten der LEDs auf­ge­baut wer­den wür­de. LEDs sind Flä­chen-Di­oden und ha­ben be­acht­lich ho­he Ka­pa­zi­tä­ten.

Die ne­ga­ti­ven Peaks, die sie im Math-Ka­nal se­hen sind die Folge die­ser Ka­pa­zi­tä­ten.