ورقة بيانات شاشة LED طراز LTP-1457AKA - ارتفاع المصفوفة 1.2 بوصة (30.42 مم) - لون أحمر برتقالي من نوع AlInGaP - جهد أمامي 2.6 فولت - تبديد طاقة 33 ميغاواط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

شاشة LTP-1457AKA هي وحدة عرض أبجدية رقمية أحادية الرقم، مبنية باستخدام تكوين مصفوفة نقطية 5x7. وظيفتها الأساسية هي تمثيل الأحرف والرموز بصريًا، وهي متوافقة مع مجموعات الرموز القياسية USASCII وEBCDIC. تستخدم التقنية الأساسية رقائق LED حمراء برتقالية من نوع AlInGaP (فوسفيد الألومنيوم إنديوم الغاليوم)، والتي يتم تصنيعها على ركيزة GaAs غير شفافة. يساهم اختيار هذه الركيزة في المظهر المميز للجهاز ذو الوجه الرمادي والنقاط البيضاء. يتم تصنيف الشاشة بناءً على شدة إضاءتها، مما يضمن اتساق السطوع للتطبيقات التي تتطلب استخدام وحدات متعددة.

تم تصميم الجهاز ليكون منخفض استهلاك الطاقة ويوفر موثوقية عالية من النوع الصلب (Solid-State). من الميزات الميكانيكية الرئيسية إمكانية تكديسه، مما يسمح بوضع عدة وحدات جنبًا إلى جنب أفقيًا لتشكيل شاشات متعددة الأحرف دون فجوات كبيرة، مما يجعله مثاليًا للوحات الرسائل أو عروض الأرقام البسيطة.

2. التفسير الموضوعي المتعمق للمعايير التقنية

2.1 الخصائص الضوئية والبصرية

يتم تعريف الأداء البصري تحت ظروف اختبار محددة عند درجة حرارة محيطة (Ta) تبلغ 25 درجة مئوية. متوسط شدة الإضاءة (Iv) لكل نقطة له قيمة نموذجية تبلغ 3800 ميكروكانديلا عند تشغيلها بتيار ذروة (Ip) قدره 80 مللي أمبير ودورة عمل 1/16. الحد الأدنى المحدد للقيمة هو 2100 ميكروكانديلا. نسبة مطابقة شدة الإضاءة بين النقاط محددة بحد أقصى 2:1، مما يحدد التباين المسموح به في السطوع عبر المصفوفة.

يتم تحديد خصائص اللون بواسطة الطول الموجي. طول موجة الانبعاث الذروة (λp) هو نموذجيًا 621 نانومتر. الطول الموجي السائد (λd)، والذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا باللون المُدرك، هو نموذجيًا 615 نانومتر، مما يضعه بقوة في الطيف الأحمر البرتقالي. عرض النصف الطيفي (Δλ) هو نموذجيًا 18 نانومتر، مما يشير إلى نقاء الطيف أو عرض النطاق الترددي للضوء المنبعث.

2.2 المعايير الكهربائية

يتراوح الجهد الأمامي (VF) لأي نقطة LED مفردة، مقاسًا عند تيار أمامي (IF) قدره 20 مللي أمبير، من حد أدنى 2.05 فولت إلى حد أقصى 2.6 فولت، مع توفير قيمة نموذجية. التيار العكسي (IR) لأي نقطة، عند تطبيق جهد عكسي (VR) قدره 5 فولت، له قيمة قصوى محددة تبلغ 100 ميكرو أمبير.

2.3 القيم القصوى المطلقة والاعتبارات الحرارية

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم. يجب ألا يتجاوز متوسط تبديد الطاقة لكل نقطة 33 ميلي واط. يتم تصنيف تيار الذروة الأمامي لكل نقطة بـ 90 مللي أمبير، ولكن فقط تحت ظروف النبض: دورة عمل 1/10 وعرض نبضة 0.1 مللي ثانية. متوسط التيار الأمامي لكل نقطة له عامل تخفيض (Derating Factor)؛ فهو 13 مللي أمبير عند 25 درجة مئوية وينخفض خطيًا بمقدار 0.17 مللي أمبير لكل زيادة درجة مئوية واحدة في درجة الحرارة المحيطة.

يمكن للجهاز تحمل جهد عكسي يصل إلى 5 فولت لكل نقطة. نطاق درجة حرارة التشغيل والتخزين محدد من -35 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية. بالنسبة للتجميع، يجب ألا تتجاوز درجة حرارة اللحام 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 3 ثوانٍ، مقاسة عند نقطة 1.6 مم (1/16 بوصة) أسفل مستوى جلوس المكون.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

تشير ورقة البيانات بوضوح إلى أن الجهاز "مصنف حسب شدة الإضاءة". وهذا يشير إلى عملية فرز أو تصنيف تعتمد على قياس الناتج الضوئي. يتم اختبار الوحدات وتجميعها في مجموعات محددة للشدة (مثل مجموعة لشدة 2100-2800 ميكروكانديلا، وأخرى لشدة 2800-3800 ميكروكانديلا). وهذا يضمن للمصممين اختيار قطع متماثلة في السطوع لتطبيقاتهم، وهو أمر بالغ الأهمية عند استخدام عدة شاشات معًا لتجنب اختلافات السطوع الملحوظة. لا تحدد ورقة البيانات مجموعات منفصلة للطول الموجي أو الجهد الأمامي، مما يشير إلى أن معيار الفرز الأساسي هو شدة الإضاءة.

4. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات قسمًا لـ "منحنيات الخصائص الكهربائية/البصرية النموذجية". بينما لا يتم تفصيل الرسوم البيانية المحددة في النص المقدم، فإن مثل هذه المنحنيات توضح عادة العلاقة بين المعايير الرئيسية. من المرجح أن تشمل المنحنيات القياسية لهذا النوع من الأجهزة:

• التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى I-V):يوضح العلاقة غير الخطية بين التيار المار عبر LED والجهد عبره. هذا أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة تحديد التيار.
• شدة الإضاءة مقابل التيار الأمامي:يوضح كيف يزداد الناتج الضوئي مع زيادة التيار، عادة بطريقة شبه خطية عند التيارات العالية بسبب تأثيرات التسخين.
• شدة الإضاءة مقابل درجة الحرارة المحيطة:يوضح انخفاض الناتج الضوئي مع ارتفاع درجة حرارة التقاطع في LED. عادة ما تظهر مصابيح LED من نوع AlInGaP تثبيطًا حراريًا أقل من التقنيات الأقدم مثل GaAsP، ولكن الناتج لا يزال ينخفض مع الحرارة.
• التوزيع الطيفي:رسم بياني يوضح الشدة النسبية مقابل الطول الموجي، يظهر الذروة عند حوالي 621 نانومتر وعرض النصف 18 نانومتر.

هذه المنحنيات ضرورية لفهم سلوك الجهاز تحت ظروف غير قياسية (تيارات ودرجات حرارة مختلفة) ولتحسين دائرة القيادة للكفاءة والعمر الطويل.

5. المعلومات الميكانيكية والتغليف

يبلغ ارتفاع مصفوفة الجهاز 1.2 بوصة، وهو ما يعادل 30.42 مم. يشير هذا إلى ارتفاع مصفوفة 5x7 نفسها. يتم توفير أبعاد العبوة في رسم تفصيلي بجميع القياسات بالمليمترات. التسامح القياسي لهذه الأبعاد هو ±0.25 مم (0.01 بوصة) ما لم يُذكر خلاف ذلك على الرسم. مخطط توصيل الأطراف (Pinout) بالغ الأهمية للوصل. تحتوي الشاشة على 14 طرفًا تتحكم في 5 أعمدة (أقطاب موجبة) و7 صفوف (أقطاب سالبة) في ترتيب متعدد الإرسال (Multiplexed). التوصيل المحدد للأطراف هو: الطرف 1: القطب السالب للصف 5، الطرف 2: القطب السالب للصف 7، الطرف 3: القطب الموجب للعمود 2، الطرف 4: القطب الموجب للعمود 3، الطرف 5: القطب السالب للصف 4، الطرف 6: القطب الموجب للعمود 5، الطرف 7: القطب السالب للصف 6، الطرف 8: القطب السالب للصف 3، الطرف 9: القطب السالب للصف 1، الطرف 10: القطب الموجب للعمود 4، الطرف 11: القطب الموجب للعمود 3، الطرف 12: القطب السالب للصف 4، الطرف 13: القطب الموجب للعمود 1، الطرف 14: القطب السالب للصف 2. لاحظ الترتيب غير المتسلسل، وهو شائع في الشاشات متعددة الإرسال لتحسين التوجيه الداخلي.

يظهر الرسم التخطيطي للدائرة الداخلية هيكل المصفوفة: خمسة أعمدة ذات قطب موجب مشترك وسبعة صفوف ذات قطب سالب مشترك. كل تقاطع يمثل نقطة LED واحدة. لإضاءة نقطة محددة، يجب تشغيل الطرف المقابل للعمود الخاص بها (القطب الموجب) إلى مستوى مرتفع (High)، وتشغيل طرف الصف الخاص بها (القطب السالب) إلى مستوى منخفض (Low).

6. إرشادات اللحام والتجميع

القيود الأساسية للتجميع المقدمة هي ملف درجة حرارة اللحام. يجب ألا يتعرض جسم المكون لدرجات حرارة تزيد عن 260 درجة مئوية لأكثر من 3 ثوانٍ أثناء عملية إعادة التدفق (Reflow) أو لحام الموجة (Wave Soldering). هذا تصنيف قياسي للعديد من المكونات ذات الثقوب المارة (Through-Hole) وبعض مكونات التركيب السطحي (Surface-Mount). نقطة القياس هي 1.6 مم أسفل مستوى الجلوس، وهي عادة النقطة التي تخرج منها الأطراف من جسم العبوة. وهذا يضمن عدم تلف رقاقة LED الحساسة داخل الجهاز بسبب الحرارة المفرطة المنقولة عبر الأطراف. بالنسبة للحام اليدوي، يجب استخدام مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة، وتقليل وقت التلامس مع كل طرف إلى الحد الأدنى. يجب دائمًا اتباع إجراءات التعامل مع التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) المناسبة عند العمل بأجهزة أشباه الموصلات.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

هذه الشاشة مناسبة للتطبيقات التي تتطلب حرفًا أبجديًا رقميًا واحدًا عالي الوضوح. تجعلها قابلة للتكديس مثالية للشاشات متعددة الأرقام. تشمل الاستخدامات الشائعة:

• لوحات أجهزة القياس الصناعية (لعرض نقاط الضبط، القراءات، رموز الخطأ).
• الأجهزة المنزلية (أفران الميكروويف، الغسالات، منظمات الحرارة).
• معدات الاختبار والقياس.
• شاشات المعلومات البسيطة في آلات البيع أو الأكشاك.
• مجموعات تعليمية لتعلم قيادة LED متعدد الإرسال والتوصيل مع المتحكم الدقيق (Microcontroller).

7.2 اعتبارات التصميم

دائرة القيادة:تتطلب الشاشة دائرة قيادة خارجية متعددة الإرسال (Multiplexing). يمكن تنفيذ ذلك باستخدام ترانزستورات منفصلة، أو دوائر متكاملة مخصصة لقيادة LED (مثل MAX7219)، أو مباشرة من متحكم دقيق ذو قدرة كافية على توفير/سحب التيار. يجب احترام تصنيف تيار الذروة (90 مللي أمبير عند دورة عمل 1/10). سيتضمن التصميم النموذجي استخدام مصدر تيار ثابت أو مقاومة تحديد تيار لكل عمود (قطب موجب) وسحب التيار عبر الصفوف (أقطاب سالبة) باستخدام ترانزستورات أو أطراف GPIO.

حساب التيار:لتحقيق شدة الإضاءة النموذجية البالغة 3800 ميكروكانديلا، تحدد ورقة البيانات شرطًا هو Ip=80 مللي أمبير عند دورة عمل 1/16. وبالتالي فإن متوسط التيار لكل نقطة هو 80 مللي أمبير / 16 = 5 مللي أمبير. سيكون إجمالي متوسط التيار للحرف المضاء بالكامل (جميع النقاط الـ 35 تعمل) 35 * 5 مللي أمبير = 175 مللي أمبير، ولكن هذا موزع عبر الأعمدة والصفوف متعددة الإرسال.

زاوية المشاهدة:ميزة "زاوية المشاهدة الواسعة" مفيدة للتطبيقات التي قد يتم فيها مشاهدة الشاشة من مواقع خارج المحور.

الاعتبارات البصرية:يوفر الوجه الرمادي والنقاط البيضاء تباينًا جيدًا. قد يفكر المصممون في إضافة مرشح ملون أو موزع ضوء أمام الشاشة لتعزيز التباين أو لتتناسب مع جماليات المنتج، على الرغم من أن هذا سيقلل من إجمالي الناتج الضوئي.

8. المقارنة التقنية

المميز الرئيسي لشاشة LTP-1457AKA هو استخدامها لتقنية LED من نوع AlInGaP. مقارنة بالتقنيات الأقدم مثل مصابيح LED الحمراء القياسية من نوع GaAsP (فوسفيد زرنيخيد الغاليوم)، يوفر AlInGaP كفاءة إضاءة أعلى بكثير. وهذا يعني أنه يمكنه إنتاج ضوء أكثر (شدة إضاءة أعلى) بنفس كمية التيار الكهربائي، أو تحقيق نفس السطوع باستهلاك طاقة أقل. كما أن لـ AlInGaP عمومًا استقرارًا حراريًا أفضل وعمر تشغيلي أطول. مقارنة بمصابيح LED البيضاء الحديثة أو شاشات المصفوفة النقطية SMD ذات المسافة الأصغر بين النقاط (Pitch)، فإن هذا الجهاز هو مكون أكبر ذو ثقوب مارّة (Through-Hole) يوفر البساطة والمتانة ووضوح رؤية الحرف الواحد من مسافة، وغالبًا بتكلفة نظام أقل لتطبيقات الرقم الواحد.

9. الأسئلة الشائعة بناءً على المعايير التقنية

س: هل يمكنني تشغيل هذه الشاشة بتيار مستمر ثابت على كل نقطة؟

ج: من الناحية الفنية نعم، لكنه غير فعال للغاية وغير موصى به. تم تصميم الشاشة للعمل بطريقة متعددة الإرسال (Multiplexed). سيؤدي تشغيل جميع النقاط باستمرار إلى تجاوز تصنيف تبديد الطاقة المتوسط (33 ميلي واط لكل نقطة) إذا حاولت تحقيق السطوع القياسي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة والفشل السريع.

س: ما الفرق بين طول موجة الانبعاث الذروة والطول الموجي السائد؟

ج: طول موجة الانبعاث الذروة هو الطول الموجي الذي يكون عنده توزيع القدرة الطيفية في أقصى حد. الطول الموجي السائد هو الطول الموجي الوحيد للضوء أحادي اللون الذي يتطابق مع اللون المُدرك لـ LED. بالنسبة لمصابيح LED ذات طيف ضيق نسبيًا مثل هذا، غالبًا ما يكونان متقاربين، لكن الطول الموجي السائد أكثر صلة بتحديد اللون.

س: يبدو ترتيب الأطراف (Pinout) غير متسلسل. لماذا تم ترتيبه بهذه الطريقة؟

ج: تم تحسين ترتيب الأطراف للتخطيط الداخلي للمسارات على ركيزة الشاشة لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي (Crosstalk) وتبسيط توصيل مصفوفة LED. من الضروري اتباع جدول توصيل الأطراف المقدم تمامًا؛ لا تفترض تسلسلًا منطقيًا.

س: كيف أفسر مواصفة "تخفيض متوسط التيار الأمامي" (Average Forward Current Derating)؟

ج: هذا يعني أن الحد الأقصى الآمن لمتوسط التيار لكل نقطة ينخفض مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. عند 25 درجة مئوية، يمكنك استخدام ما يصل إلى 13 مللي أمبير متوسط تيار. عند 85 درجة مئوية (أقصى درجة حرارة تشغيل)، التيار المسموح به هو 13 مللي أمبير - [ (85-25) * 0.17 مللي أمبير/°C ] = 13 مللي أمبير - 10.2 مللي أمبير = 2.8 مللي أمبير. هذا التخفيض (Derating) بالغ الأهمية للتشغيل الموثوق في البيئات عالية الحرارة.

10. حالة استخدام عملية

الحالة: تصميم عرض رقمي أحادي لقراءة درجة الحرارة لفرن صناعي.

يحتاج مهندس إلى عرض درجة حرارة الضبط (0-9) على فرن يعمل حتى 80 درجة مئوية داخل لوحة التحكم. يختار شاشة LTP-1457AKA لوضوحها ونطاق درجة حرارتها. بسبب ارتفاع درجة الحرارة المحيطة، يجب عليه تخفيض تيار القيادة (Derating). استهداف سطوع أقل مقبول في هذه البيئة الخاضعة للتحكم. يصمم دائرة متعددة الإرسال باستخدام متحكم دقيق، يقود الأعمدة من خلال مقاومات تحديد تيار والصفوف عبر ترانزستورات NPN. يقوم البرنامج الثابت (Firmware) بمسح الصفوف بتردد عالٍ (>100 هرتز). يحسبون متوسط التيار لكل نقطة ليكون أقل من القيمة المخفضة البالغة حوالي 3 مللي أمبير عند 80 درجة مئوية لضمان الموثوقية على المدى الطويل. يوفر المظهر الرمادي/الأبيض تباينًا جيدًا مقابل اللوحة الداكنة للفرن.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

تعمل شاشة LTP-1457AKA على مبدأ مصفوفة LED متعددة الإرسال (Multiplexed). تحتوي على 35 وصلة LED فردية من نوع AlInGaP مرتبة في شبكة من 5 أعمدة و7 صفوف. كل LED متصل بين خط عمود واحد (قطب موجب) وخط صف واحد (قطب سالب). لإضاءة نمط محدد (مثل رقم أو حرف)، لا يقوم المتحكم بتشغيل جميع النقاط في وقت واحد. بدلاً من ذلك، يستخدم تقنية تسمى التعددية (Multiplexing) أو المسح (Scanning). يقوم بتنشيط صف واحد (قطب سالب) في كل مرة عن طريق توصيله بالأرض (مستوى منطقي منخفض). في نفس الوقت، يطبق الطاقة (مستوى منطقي مرتفع) فقط على خطوط الأعمدة (أقطاب موجبة) التي تحتاج إلى الإضاءة لهذا الصف المحدد. تتكرر هذه الدورة بسرعة عبر جميع الصفوف السبعة. بسبب استمرارية الرؤية (Persistence of Vision)، تدرك العين البشرية حرفًا مستقرًا ومكتمل الشكل. تقلل هذه الطريقة بشكل كبير من عدد أطراف القيادة المطلوبة (14 بدلاً من 35) وتخفض إجمالي استهلاك الطاقة.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل الشاشات مثل LTP-1457AKA تقنية ناضجة. تتجه الاتجاهات الحالية في شاشات المؤشرات والأبجدية الرقمية نحو:

• عبوات التركيب السطحي (SMD):بصمات أصغر لتصميم لوحات دوائر مطبوعة (PCB) أعلى كثافة وتجميع آلي.
• تكامل أعلى:شاشات ذات وحدات تحكم مدمجة، وذاكرة (للخطوط)، وواجهات تسلسلية (مثل I2C، SPI) مما يبسط مهمة المتحكم الدقيق المضيف.
• مواد LED متقدمة:بينما يعتبر AlInGaP فعالاً للأحمر/البرتقالي، فإن مواد أحدث مثل InGaN تتيح مصابيح LED خضراء وزرقاء وبيضاء أكثر سطوعًا وكفاءة، مما يؤدي إلى شاشات مصفوفة كاملة الألوان.
• تقنيات بديلة:للشاشات الأكبر حجمًا والأكثر تعقيدًا، تقدم تقنيات OLED (الصمام الثنائي الباعث للضوء العضوي) وmicro-LED تباينًا فائقًا وزوايا مشاهدة ومرونة أفضل.

ومع ذلك، تظل الشاشات أحادية الرقم ذات الثقوب المارة (Through-Hole) مثل هذه ذات صلة بسبب بساطتها ومتانتها ووضوح رؤية الحرف الواحد وفعاليتها من حيث التكلفة في التطبيقات التي تحتاج فقط إلى رقم واحد أو بضعة أرقام، خاصة في السياقات الصناعية أو هواة الإلكترونيات حيث قد يُفضل التجميع ذو الثقوب المارة.