ورقة بيانات شاشة مصفوفة نقطية LED طراز LTP-2157AKD - ارتفاع 2.0 بوصة - مصفوفة 5x7 - أحمر شديد (650 نانومتر) - 40 ميلي واط/نقطة - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

شاشة LTP-2157AKD هي وحدة عرض أبجدية رقمية صلبة مصممة للتطبيقات التي تتطلب إخراجًا مرئيًا واضحًا وساطعًا وموثوقًا. وظيفتها الأساسية هي عرض الأحرف والرموز باستخدام شبكة من الثنائيات الباعثة للضوء (LED) القابلة للعنونة بشكل فردي. تشمل مجالات التطبيق الرئيسية لوحات التحكم الصناعية، وأجهزة القياس، وأطراف نقاط البيع، وشاشات المعدات الطبية، ومختلف الإلكترونيات الاستهلاكية حيث يكون قراءة أحرف أحادية اللون بسيطة كافية.

المبدأ التشغيلي الأساسي يعتمد على تكوين مصفوفة نقطية 5x7. هذا يعني أن كل حرف يتشكل من خلال إضاءة نمط محدد داخل شبكة مكونة من 5 أعمدة و7 صفوف من وحدات بكسل LED. من خلال تطبيق جهد أمامي بشكل انتقائي على خطوط الأنود (الصف) والكاثود (العمود) المقابلة لكل بكسل مطلوب، يتم تشغيل نقاط محددة لإنشاء أشكال قابلة للتعرف عليها مثل الحروف والأرقام. يستخدم الجهاز نظام قيادة متعدد الإرسال، حيث يتم تنشيط الصفوف بالتتابع بتردد عالٍ، مما يخلق إدراكًا لحرف مستقر ومضاء بالكامل مع تقليل عدد دبابيس القيادة المطلوبة واستهلاك الطاقة.

2. المعايير الفنية: تفسير موضوعي متعمق

2.1 الخصائص الضوئية والبصرية

يتم تعريف الأداء البصري تحت ظروف الاختبار القياسية عند درجة حرارة محيطة (Ta) تبلغ 25 درجة مئوية. المعلمة الرئيسية، متوسط شدة الإضاءة (Iv)، لها قيمة نموذجية تبلغ 3500 ميكروكانديلا (µcd) عند تشغيلها بتيار ذروة (Ip) قدره 32 مللي أمبير عند دورة عمل 1/16. يشير هذا إلى إخراج سطوع عالٍ مناسب للبيئات المضاءة جيدًا. الحد الأدنى المحدد هو 1650 µcd، والذي يحدد الحد الأدنى لأداء المنتج.

تحدد خصائص اللون بواسطة مادة أشباه الموصلات AlInGaP (فوسفيد الألومنيوم إنديوم الغاليوم). طول موجة الانبعاث الذروة (λp) هو نموذجيًا 650 نانومتر (nm)، مما يضعه في منطقة الأحمر الشديد من الطيف المرئي. الطول الموجي السائد (λd) محدد عند 639 نانومتر. الفرق بين طول موجة الذروة والطول الموجي السائد، جنبًا إلى جنب مع عرض نصف الخط الطيفي (Δλ) البالغ 20 نانومتر، يصف نقاء الطيف وظل الأحمر المحدد المنبعث. نسبة مطابقة شدة الإضاءة محددة بـ 2:1 (الحد الأقصى)، مما يعني أن سطوع الجزء الأقل سطوعًا في الحرف يجب ألا يقل عن نصف سطوع الجزء الأكثر سطوعًا تحت ظروف القيادة نفسها، مما يضمن مظهرًا موحدًا.

2.2 الخصائص الكهربائية والحرارية

تحدد التصنيفات القصوى المطلقة الحدود التشغيلية التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم. متوسط تبديد الطاقة لكل نقطة مصنف بـ 40 ميلي واط (mW). يمكن أن يصل تيار الأمام الذروة لكل نقطة إلى 90 مللي أمبير للتشغيل النبضي، بينما متوسط تيار الأمام لكل نقطة له تصنيف أساسي قدره 15 مللي أمبير عند 25 درجة مئوية، مع تخفيض خطي بمقدار 0.2 مللي أمبير/درجة مئوية مع زيادة درجة الحرارة. هذا التخفيض بالغ الأهمية للإدارة الحرارية والموثوقية طويلة المدى. الحد الأقصى لجهد العكس لكل نقطة هو 5 فولت.

تحت ظروف التشغيل النموذجية (تيار الأمام IF=20 مللي أمبير)، يتراوح جهد الأمام لكل مقطع (VF) من 2.1 فولت (الحد الأدنى) إلى 2.6 فولت (الحد الأقصى). هذه المعلمة ضرورية لتصميم دائرة تحديد التيار في السائق. تيار العكس (IR) منخفض جدًا، نموذجيًا من 2.3 إلى 2.8 ميكرو أمبير (µA) عند أقصى جهد عكسي 5 فولت، مما يشير إلى خصائص ثنائية جيدة.

تم تصنيف الجهاز لنطاق درجة حرارة تشغيل من -35 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، مع نطاق تخزين مماثل. هذا النطاق الواسع يجعله مناسبًا للبيئات القاسية. أقصى درجة حرارة لحام محددة بـ 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 3 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم (1/16 بوصة) أسفل مستوى الجلوس، مما يوفر إرشادات واضحة لعمليات تجميع لوحة الدوائر المطبوعة.

3. معلومات الميكانيكا والتغليف

يبلغ ارتفاع المصفوفة المعلن للشاشة 2.0 بوصة (50.8 مم). يتم توفير أبعاد العبوة في رسم تفصيلي بجميع القياسات بالمليمترات. التسامحات التصنيعية هي عمومًا ±0.25 مم (0.01 بوصة) ما لم يُذكر خلاف ذلك في الرسم. تتميز العبوة المادية بوجه رمادي بلون نقطة أبيض، مما يعزز التباين عندما تكون مصابيح LED مطفأة وينشر الضوء عندما تكون مضاءة.

مخطط توصيل الدبابيس بالغ الأهمية للواجهة الصحيحة. للجهاز تكوين 14 دبوس. الدائرة الداخلية هي ترتيب كاثود مشترك قياسي للأعمدة، مع إخراج الأنودات للصفوف السبعة إلى دبابيس فردية. من المهم ملاحظة التوصيلات الداخلية: الدبوس 4 والدبوس 11 متصلان داخليًا (كلاهما كاثود للعمود 3)، والدبوس 5 والدبوس 12 متصلان داخليًا (كلاهما أنود للصف 4). يتم إجراء هذه التوصيلات لتبسيط الترابط الداخلي ولا تؤثر على منطق القيادة الخارجي.

4. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص الكهربائية والبصرية النموذجية. بينما لا يتم تفصيل الرسوم البيانية المحددة في النص المقدم، فإن المنحنيات القياسية لمثل هذه الأجهزة ستشمل عادةً:

• تيار الأمام مقابل جهد الأمام (منحنى I-V):يظهر هذا الرسم البياني العلاقة الأسية، وهي بالغة الأهمية لتحديد جهد الإمداد اللازم لتيار تشغيل معين.
• شدة الإضاءة مقابل تيار الأمام:يظهر هذا المنحنى كيف يزداد إخراج الضوء مع التيار، عادةً في علاقة شبه خطية ضمن نطاق التشغيل قبل أن تنخفض الكفاءة عند التيارات العالية جدًا.
• شدة الإضاءة مقابل درجة الحرارة المحيطة:يوضح هذا تأثير التبريد الحراري، حيث ينخفض إخراج LED مع ارتفاع درجة حرارة التقاطع. فهم هذا الأمر أساسي للتطبيقات ذات درجات الحرارة المحيطة العالية أو تبديد الحرارة الضعيف.
• التوزيع الطيفي:رسم بياني للشدة النسبية مقابل الطول الموجي، يظهر تركيز إخراج الضوء حول ذروة 650 نانومتر مع عرض نصف محدد 20 نانومتر.

تسمح هذه المنحنيات للمصممين بتحسين الأداء وفهم المقايضات بين السطوع والكفاءة وتيار القيادة والإدارة الحرارية.

5. إرشادات اللحام والتجميع

يجب أن يلتزم التجميع بملف اللحام المحدد لمنع التلف. أقصى درجة حرارة لحام مسموح بها هي 260 درجة مئوية، ولا يجب تعريض المكون لهذه الحرارة لأكثر من 3 ثوانٍ. يتم تحقيق هذا عادةً باستخدام عملية لحام بإعادة التدفق المتحكم فيها مع ملف يرفع درجة الحرارة، ويحتفظ بالذروة، ويبرد ضمن حدود محددة. يتطلب اللحام اليدوي بمكواة عناية فائقة لتوطين الحرارة وتجنب تجاوز هذه المعلمات.

للتخزين، يجب الاحتفاظ بالجهاز ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -35 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية في بيئة منخفضة الرطوبة. يوصى باستخدام المكونات ضمن عمرها الافتراضي واتباع احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) القياسية أثناء التعامل لحماية تقاطعات أشباه الموصلات الحساسة.

6. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

تتطلب شاشة LTP-2157AKD دائرة قيادة خارجية. يستخدم تصميم شائع متحكمًا دقيقًا به عدد كافٍ من دبابيس الإدخال/الإخراج أو دائرة متكاملة مخصصة لقيادة شاشات LED (مثل MAX7219 أو ما شابه). يجب أن ينفذ السائق التعددية: يقوم بتنشيط كل من خطوط الأنود السبعة للصف بالتتابع مع توفير بيانات كاثود العمود لذلك الصف المحدد. يجب أن يكون معدل التحديث مرتفعًا بدرجة كافية (عادةً >100 هرتز) لتجنب الوميض المرئي. مقاومات تحديد التيار إلزامية لكل خط عمود (أو مدمجة في السائق) لضبط تيار الأمام إلى القيمة المطلوبة (مثل 20 مللي أمبير للسطوع النموذجي). حساب قيمة المقاوم هو R = (Vcc - Vf - Vdriver_sat) / If، حيث Vcc هو جهد الإمداد، Vf هو جهد الأمام لـ LED (~2.6 فولت كحد أقصى)، Vdriver_sat هو جهد تشبع السائق، و If هو تيار الأمام المطلوب.

6.2 اعتبارات التصميم

• مزود الطاقة:تأكد من أن مزود الطاقة يمكنه تقديم تيار الذروة المطلوب. مع إمكانية إضاءة 5 أعمدة لكل صف وتيار ذروة يصل إلى 20 مللي أمبير لكل نقطة، يمكن أن يسحب صف واحد 100 مللي أمبير. يجب أن يتحمل المزود هذا الحمل النبضي.
• تبديد الحرارة:بينما تبدد النقاط الفردية 40 ميلي واط كحد أقصى، يمكن أن يولد التشغيل المستمر للعديد من النقاط حرارة كبيرة. تأكد من التهوية الكافية أو تبديد الحرارة إذا كان التشغيل في درجات حرارة محيطة عالية أو عند التصنيفات القصوى.
• زاوية المشاهدة والتباين:يوفر تصميم الوجه الرمادي/النقطة البيضاء تباينًا جيدًا في الحالة المطفأة. ضع في الاعتبار زاوية المشاهدة المقصودة عند تركيب الشاشة؛ غالبًا ما يكون سطوع LED في أعلى مستوياته على المحور.
• البرمجيات:يحتاج برنامج المتحكم الدقيق إلى تضمين خريطة خط (جدول بحث يحدد نمط 5x7 لكل حرف) وروتين التعددية.

7. المقارنة الفنية والتمييز

المميز الأساسي لهذه الشاشة هو استخدامها لتقنية LED الحمراء الشديدة AlInGaP. مقارنة بمصابيح LED الحمراء القديمة GaAsP (فوسفيد زرنيخيد الغاليوم)، تقدم AlInGaP كفاءة إضاءة أعلى بكثير، مما يؤدي إلى سطوع أكبر لنفس تيار القيادة، أو سطوع مكافئ بطاقة أقل. كما توفر نقاء لوني أفضل واستقرارًا على درجة الحرارة والزمن.

مقارنة بشاشة عرض مقطع 7 بسيطة، تقدم مصفوفة نقطية 5x7 مرونة أكبر بكثير، قادرة على عرض مجموعة الأحرف الأبجدية الرقمية الكاملة (A-Z، 0-9، رموز) وحتى رسومات بسيطة، بينما تقتصر شاشة عرض مقطع 7 بشكل أساسي على الأرقام وبعض الحروف. المقايضة هي زيادة التعقيد في كل من الأجهزة (المزيد من دبابيس القيادة) والبرمجيات (توليد الأحرف).

8. الأسئلة الشائعة بناءً على المعايير الفنية

س: هل يمكنني تشغيل هذه الشاشة بتيار مستمر ثابت بدون تعددية؟

ج: تقنيًا، نعم، لكنه غير فعال للغاية وغير موصى به. تشغيل جميع النقاط الـ 35 في وقت واحد عند 20 مللي أمبير سيتطلب سحب تيار 700 مللي أمبير وتوليد حرارة كبيرة. التعددية هي الطريقة القياسية والمقصودة، مما يقلل الطاقة وعدد الدبابيس.

س: ما الفرق بين طول موجة الانبعاث الذروة (650 نانومتر) والطول الموجي السائد (639 نانومتر)؟

ج: طول موجة الذروة هو نقطة أقصى شدة في الإخراج الطيفي. الطول الموجي السائد هو الطول الموجي الفردي للضوء أحادي اللون الذي سيبدو له نفس اللون للعين البشرية. ينشأ الاختلاف لأن LED ينبعث منه طيف من الضوء (عرضه 20 نانومتر)، وليس طول موجي نقي واحد.

س: يظهر مخطط الدبابيس دبوسين للعمود 3 ودبوسين للصف 4. هل أحتاج إلى توصيل كليهما؟

ج: لا، هذه الدبابيس متصلة داخليًا. التوصيل بأي منهما كافٍ. هذا التوصيل الداخلي هو أثر تصنيعي لتبسيط ربط القطعة. توصيل كليهما لا يسبب ضررًا ولكنه غير ضروري.

س: كيف أحسب متوسط استهلاك الطاقة؟

ج: بالنسبة لشاشة متعددة الإرسال، متوسط التيار تقريبًا (عدد النقاط المضاءة في حرف مضاء بالكامل / إجمالي عدد النقاط) * التيار لكل نقطة * دورة العمل. على سبيل المثال، لحرف يستخدم 24 نقطة مضاءة عند 20 مللي أمبير بدورة عمل 1/7 (7 صفوف): متوسط التيار ≈ (24/35) * 20 مللي أمبير * (1/7) ≈ 2 مللي أمبير لكل حرف. اضرب في عدد الأحرف للحمل الكلي.

9. دراسة حالة تطبيقية عملية

السيناريو: تصميم قراءة درجة حرارة أحادية الحرف بسيطة لفرن صناعي.

المتطلب هو عرض درجة حرارة من 0 إلى 199 درجة مئوية. يقرأ المتحكم الدقيق مستشعر درجة الحرارة. يتم استخدام شاشة عرض LTP-2157AKD واحدة. لدى المتحكم الدقيق دبابيس محدودة، لذلك يستخدم سجل إزاحة تسلسلي الدخول/متوازي الخروج (مثل 74HC595) لقيادة كاثودات الأعمدة الخمسة ويستخدم 7 من دبابيس الإدخال/الإخراج الخاصة به لقيادة أنودات الصفوف عبر مفاتيح ترانزستور (للتعامل مع تيار الصف الأعلى).

يتضمن البرنامج الثابت خط 5x7 للأرقام من 0 إلى 9 ورمز الدرجة. يعمل روتين التعددية على مقاطعة مؤقت. تعرض الشاشة أرقامًا حمراء ساطعة مستقرة قابلة للقراءة من عدة أقدام في بيئة مصنع. نطاق درجة حرارة التشغيل الواسع للشاشة (-35 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية) يضمن الموثوقية حتى إذا أصبح الغلاف الخارجي لتحكم الفرن دافئًا. التباين العالي للوجه الرمادي يمنع التلاشي تحت الإضاءة الصناعية الساطعة.

10. مبدأ التكنولوجيا والاتجاهات

10.1 المبدأ التكنولوجي الأساسي

يعتمد توليد الضوء على الإضاءة الكهربائية في تقاطع أشباه الموصلات من النوع p-n. عند تطبيق جهد أمامي، تندمج الإلكترونات من طبقة AlInGaP من النوع n مع الفجوات من الطبقة من النوع p. يطلق حدث الاندماج هذا الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). فجوة النطاق الطاقي المحددة لمادة AlInGaP تحدد الطول الموجي (اللون) للفوتونات المنبعثة، في هذه الحالة، الضوء الأحمر حول 650 نانومتر. يمتص الركيزة GaAs غير الشفافة أي ضوء منبعث للأسفل، مما يحسن الكفاءة الإجمالية عن طريق عكس المزيد من الضوء خارج الجزء العلوي من الجهاز. يتم إنشاء المصفوفة 5x7 عن طريق ترسيب وتشكيل رقائق LED صغيرة متعددة أو قطعة واحدة منقوشة على ركيزة مشتركة، مع خطوط أنود وكاثود مترابطة.

10.2 اتجاهات الصناعة

بينما تظل شاشات العرض المصفوفة النقطية المنفصلة 5x7 مثل LTP-2157AKD ذات صلة بتطبيقات محددة حساسة للتكلفة، فإن اتجاهات الصناعة الأوسع تتحرك نحو حلول متكاملة. وتشمل هذه:

- مصفوفات أجهزة التركيب السطحي (SMD):مساحة أصغر، تجميع آلي أسهل.

- شاشات متكاملة مع وحدة تحكم/سائق:وحدات مدمجة مع وحدات تحكم تتواصل عبر SPI أو I2C، مما يقلل بشكل كبير من عبء موارد المتحكم الدقيق.

- دقة أعلى ولون:التحرك نحو مصفوفات ذات درجة دقة أدق وشاشات ملونة RGB كاملة لرسومات أكثر تفصيلاً.

- تقنيات بديلة:في بعض التطبيقات، تقدم شاشات OLED (الصمام الثنائي الباعث للضوء العضوي) تباينًا وزوايا مشاهدة فائقة، وإن كان ذلك غالبًا بتكلفة أعلى وخصائص عمر افتراضي مختلفة.

المزايا الدائمة للمصفوفات LED المنفصلة مثل هذه هي متانتها الشديدة، وعمرها الطويل، وسطوعها العالي، وبساطتها، وتكلفتها المنخفضة لمهام عرض الأحرف أحادية اللون، مما يضمن استمرار استخدامها في الأنظمة الصناعية والمضمنة.