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Technical Documents - Documentos Técnicos: MINICALCULADORAS ELECTRÓNICAS - DIFERENTES TIPOS DE DISPLAY (INDICADORES LUMINOSOS).
A. REQUISITOS BASICOS.
El indicador luminoso o display usado en las minicalculadoras electrónicas tiene como función principal la visualización numérica de las operaciones que se ejecutan en la calculadora. Para este fin es necesario recurrir a dispositivos que cumplan, entre otras cosas, con los siguientes requisitos: Deben representar en forma clara y bien legible los números del 0 al 9 y los signos imprescindibles de diferentes cálculos (Error, Exceso, Signo negativo, Memoria, etc.); deben accionar bajo el estímulo de una codificación binaria que puede desde luego modificarse para lograr la lectura decimal en el display; debe dar una indicación luminosa bien visible con la alimentaci6n de la fuente interna de la minicalculadora que en muchos casos es sólo un pequeño conjunto de pilas o una batería de bajo voltaje y finalmente el consumo sobre esta fuente no debe ser excesiva para poder mantener el carácter portátil de las calculadoras electrónicas portátiles.
Una solución general de tantos requisitos variados se encuentra básicamente en dos características que son comunes a todos los tipos de display usados en esta aplicación: Una es la presentación numérica de siete segmentos y la otra es el funcionamiento en régimen de pulsos. A continuación veremos estos requisitos básicos comunes con mayor detalle.
Para la visualización numérica de los dígitos se ha elegido la presentaci6n en siete segmentos de acuerdo a la figura 1.
Fig. 1 - Display de 7 segmentos.
Con estos siete segmentos es factible producir todos los números decimales y también varios signos y letras que son fácilmente legibles. Para obtener esta lectura es necesario sin embargo contar con una codificación adecuada a la señal de salida del circuito integrado de acuerdo a una tabla de verdad que observamos en la Tabla 1.
Tabla I . Tabla de verdad para displays de 7 segmentos .
Cabe señalar que en esta Tabla los segmentos marcados con un estado lógico "0" son inactivos y los marcados con un estado lógico “1” son activos. También debemos mencionar que la gran mayoría de los circuitos integrados usados en minicalculadoras ya poseen este codificador de siete segmentos incorporado en el chip.
Para lograr el tipo de presentación indicada en la Tabla I es necesario guiar los pulsos del reloj interno ("clock") que produce los pulsos de mando en una forma bien controlada de acuerdo a las ilustraciones de la figura 2.
Fig. 2 - Pulsos de activación de dígitos y segmentos .
En la parte superior de esta figura se observa la cadena de pulsos del reloj interno ('clock') cuya frecuencia es del orden de los 45 kilohertz con una duración de pulso de 22 microsegundos. Estos valores pueden variar entre una máquina y otra pero el principio de funcionamiento es igual en todos los casos. Para activar los dígitos del display se usan 4 períodos de los pulsos del reloj con una duración de 88 microsegundos en el caso ilustrado, Si deseamos llenar todo el display necesitamos un mínimo de nueve veces la duración de un dígito, pero con la inclusión de espacios de protección entre un dígito y otro obtenemos una duración de "palabra" de 9 dígitos de unos 36 a 40 períodos de reloj. En el caso ilustrado en la figura 2 vemos que se usan 880 microsegundos para cada "palabra" como vemos en la parte inferior de la figura. Por otra parte es necesario también activar los segmentos de cada dígito y para ello se usan pulsos cuya duración es de unos tres períodos del reloj, o sea unos 66 microsegundos en el ejemplo ilustrado. El segmento ilustrado es un caso típico que se repite en forma simultánea en los siete segmentos de cada dígito y en el segmento que corresponde al punto decimal que en este caso actúa como octavo segmento.
Es aquí donde debemos tomar en cuenta la segunda propiedad común a todos los displays, la activación por aplicación de pulsos. Los segmentos de todos los dígitos del display están conectados en paralelo, pero la amplitud de esta polarización recibida por medio de los pulsos de segmentos no es suficiente para iluminar el segmento activado. Recién se produce una iluminación cuando el dígito en el cual se encuentra el segmento (o los segmentos) activados también recibe su pulso de activación. Esto significa que para una visualización de un número en el display deben negar simultáneamente los pulsos de segmentos y de dígitos. Aquellos dígitos que sólo reciben pulsos de segmentos no se iluminan hasta no recibir también el pulso de dígito. Además para evitar una iluminación errática de algún dígito vemos una aplicación escalonada de los pulsos de dígitos de tal manera que en cada instante tiene vigencia sólo la activación de un único dígito, siendo el ciclo de trabajo útil sólo la novena parte, aproximadamente del ciclo total de una palabra. Este aspecto es imprescindible para un funcionamiento correcto del sistema pulsado del display y al mismo tiempo reduce también el consumo total del mismo ya que este consumo en un momento determinado sólo es de un dígito, a pesar de observarse la iluminación de 9 dígitos.
Fig. 3 - Cadena de pulsos de activación para una "palabra" numérica .
En la figura 3 vemos la composición de los pulsos de activación que deben llegar al display para formar la "palabra": 8 7 6 5 4 3.2 1. El número 8 corresponde al dígito 8 ya que el dígito 9 no posee información como se puede observar también en la figura 3. En la misma vemos en la línea de pulsos del dígito 9 un pulso de activación, pero todos los segmentos que coinciden en tiempo con este dígito están en nivel “1” y por lo tanto no puede iluminarse este dígito. Se observa también que existen breves períodos de borrado entre los pulsos de cada dígito. Se observa también que el punto decimal recibe sólo un pulso de activación en el momento en que aparece el pulso del dígito 3 debido a que sólo este dígito está provisto del punto decimal en la "palabra" numérica que representamos en la figura 3.
La duración de los pulsos es de suma importancia en concordancia con el tipo de display a usar. En general se usan frecuencias de reloj del orden de los 16 a 28 Kilohertz para displays del tipo de lámparas de descarga gaseosa y en cambio para displays del tipo de diodos fotoemisivos se usan frecuencias más altas del orden de los 33 a 57 Kilohertz. Las frecuencias centrales más usadas son de 23 y 45 Kilohertz, respectivamente.
B. EL DISPLAY DE TUBOS DE DESCARGA GASEOSA Y FLUORESCENTES.
El efecto lumínico que acompaña a las descargas eléctricas en una atmósfera de gases raros es conocido desde hace muchos años y tiene amplia aplicación en muchos procesos y artefactos de iluminación. Una aplicación similar la constituyen las lámparas Neón en general y especialmente las del tipo "buscapolos" que observamos en la figura 4.
Fig. 4 Lámpara Neón .
Si se aplica entre ambos electrodos de la ampolla una tensión continua de valor suficiente veremos que la atmósfera gaseosa interna de Neón de baja presión se iluminará en las adyacencias del electrodo negativo (cátodo). Este efecto es producido por la ionización del gas que a su vez permite la emisión de fotones bajo el impacto de los electrones sobre las moléculas del gas. El color de la radiación lumínica (su longitud de onda) depende del gas usado y es roja en el caso del gas Neón.
Como consecuencia de la ionización del gas se observa también una reducción de la resistencia interna de la ampolla. Tal es así que la caída de tensión entre los electrodos de la lámpara Neón es menor a medida que aumenta la corriente. Esta característica de resistencia negativa puede llevar a la destrucción de la lámpara y por lo tanto debe compensarse, conectando siempre en serie con el circuito un resistor limitador de corriente.
Para poder usar las lámparas de descarga gaseosa como display numérico es necesario darles la forma convencional de 7 segmentos y punto decimal. Estos 8 segmentos forman los cátodos de sendos diodos y están ubicados junto a un ánodo común para formar un dígito. De esta manera el diodo formado por cada segmento se iluminará con la polarización adecuada en ambos electrodos.
Fig. 5 - Esquema eléctrico de las lámparas de descarga gaseosa .
En la figura 5 vemos como se representa cada dígito como un conjunto de 8 diodos, los segmentos, con un ánodo común. Los pulsos de excitación que se aplican a los cátodos de cada segmento no son suficientes empero para iluminar el dígito porque su amplitud no llega a la ionizaci6n del gas. Sólo al llegar al dígito un pulso adicional en su ánodo común se iluminarán los segmentos que reciban simultáneamente los pulsos en su cátodo y en su ánodo. Para lograr este efecto es necesario respetar la polaridad de los electrodos y aplicar al cátodo pulsos negativos y al ánodo pulsos positivos. Si la tensión de ionización fuera de 50 voltios podrá aplicarse separadamente al cátodo un pulso de ?25 voltios sin causar efecto y al ánodo un pulso de +25 voltios sin causar efecto. Recién cuando ambos pulsos coinciden en tiempo obtenemos el efecto de ionización ya que el potencial entre cátodo y ánodo será de 50 voltios y el segmento pulsado (cátodo) se iluminará en el dígito pulsado (ánodo).
La ionización y desionización de los displays de descarga gaseosa no es instantánea y por lo tanto es necesario proveer una frecuencia adecuada en el reloj no mayor que 30 Kilohertz para los pulsos de excitación. Cada período del reloj tiene entonces una duración de más de 33 microsegundos y el período de encendido supera generalmente los 100 microsegundos.
En la forma constructiva de los displays de descarga gaseosa existen diferentes variantes, aunque cayeron en desuso en la actualidad por ser reemplazados por tecnologías más económicas y de menor volumen, algunas de las cuales se observan en la figura 6.
En la figura 6A vemos la construcción de dígitos individuales, en la figura 6B vemos una construcción múltiple de varios dígitos encerrados dentro de una ampolla de vidrio de forma cilíndrica y finalmente en la figura 6C vemos una construcción plana.
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