ورقة بيانات شاشة LED طراز LTC-4727JD - ارتفاع الرقم 0.4 بوصة - اللون الأحمر الفائق (650 نانومتر) - جهد أمامي 2.6 فولت - تبديد طاقة 70 ميلي واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

شاشة LTC-4727JD هي وحدة عرض أبجدية رقمية رباعية الأرقام من نوع سبعة أجزاء، مُصممة للتطبيقات التي تتطلب قراءات رقمية واضحة وساطعة. وظيفتها الأساسية هي تمثيل البيانات الرقمية بصريًا من خلال أجزاء يمكن عنونتها بشكل فردي. تم تصنيع الجهاز باستخدام رقائق LED متطورة من نوع AlInGaP (فوسفيد الألومنيوم إنديوم الغاليوم) مثبتة على ركيزة GaAs غير شفافة. يعد اختيار هذه المادة حاسمًا لأداء الجهاز، حيث تشتهر أشباه الموصلات من نوع AlInGaP بكفاءتها العالية وإنتاجها الضوئي الممتاز في المناطق الطيفية من الأحمر إلى الكهرماني. يتميز العرض البصري بوجهة أمامية رمادية مع علامات أجزاء بيضاء، مما يوفر تباينًا عاليًا لتحقيق أفضل وضوح للقراءة تحت ظروف إضاءة مختلفة.

تكمن الميزة الأساسية لهذه الشاشة في موثوقيتها ذات الحالة الصلبة، النابعة من تقنية LED، والتي توفر عمرًا تشغيليًا أطول بكثير مقارنة بالتقنيات القديمة مثل شاشات الفلورسنت المفرغة أو شاشات الإضاءة المتوهجة. يتم تصنيفها وفقًا للشدة الضوئية، مما يعني أن الوحدات يتم فرزها واختبارها لضمان مستويات سطوع متسقة. العلبة متوافقة مع متطلبات التصنيع الخالية من الرصاص. يُعطي تصميم الشاشة الأولوية لمظهر الأحرف الممتاز، والسطوع العالي، وزاوية الرؤية الواسعة، مما يجعلها مناسبة لكل من واجهات المستهلك والصناعية حيث يكون وضوح القراءة من زوايا متعددة أمرًا ضروريًا.

1.1 التفسير الموضوعي العميق للمعايير التقنية

1.1.1 الخصائص القياسية الضوئية والبصرية

يتم تعريف الأداء البصري تحت ظروف الاختبار القياسية عند درجة حرارة محيطة (Ta) تبلغ 25 درجة مئوية. المعلمة الرئيسية، متوسط الشدة الضوئية (Iv)، لها نطاق محدد من حد أدنى 200 ميكرو كنديلة إلى حد أقصى 650 ميكرو كنديلة عند تشغيلها بتيار أمامي (IF) مقداره 1 مللي أمبير. يشير هذا النطاق إلى عملية فرز الإنتاج، حيث يتم تصنيف الأجهزة بناءً على ناتجها الفعلي. تعمل القيمة النموذجية كنقطة مرجعية مركزية لحسابات التصميم. نسبة مطابقة الشدة الضوئية للمناطق الضوئية المماثلة محددة بحد أقصى 2:1، وهو أمر بالغ الأهمية لضمان سطوع موحد عبر جميع الأجزاء والأرقام، ومنع مظهر غير متجانس أو غير متساوٍ.

يتم تعريف خصائص اللون بواسطة الطول الموجي. ذروة الطول الموجي للإشعاع (λp) تبلغ عادة 650 نانومتر (nm)، مما يضع الناتج في منطقة الأحمر الفائق من الطيف. الطول الموجي السائد (λd) محدد بـ 639 نانومتر. من المهم فهم التمييز: ذروة الطول الموجي هي نقطة أقصى طاقة طيفية، بينما الطول الموجي السائد هو إدراك العين البشرية للون كطول موجي واحد. عرض النصف الطيفي (Δλ) هو 20 نانومتر، مما يشير إلى النطاق الترددي الضيق للضوء المنبعث، مما يساهم في لون أحمر نقي ومشبع.

1.1.2 المعايير الكهربائية

تحدد الخصائص الكهربائية حدود التشغيل وظروف الجهاز. تقوم التصنيفات القصوى المطلقة بتحديد الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم. التيار الأمامي المستمر لكل جزء مقدر بـ 25 مللي أمبير. يتم تطبيق عامل تخفيض قدره 0.33 مللي أمبير/درجة مئوية بشكل خطي بدءًا من 25 درجة مئوية، مما يعني أن أقصى تيار مستمر آمن ينخفض مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. هذا اعتبار تصميم حاسم لإدارة الحرارة. بالنسبة للتشغيل النبضي، يُسمح بتيار أمامي ذروة أعلى قدره 90 مللي أمبير تحت ظروف محددة: دورة عمل 1/10 وعرض نبضة 0.1 مللي ثانية. هذا يمكّن من مخططات التعددية حيث يمكن استخدام تيار لحظي أعلى لتحقيق سطوع مُدرك مع الحفاظ على متوسط الطاقة منخفضًا.

يتراوح الجهد الأمامي (VF) لكل جزء من 2.1 فولت إلى 2.6 فولت عند IF=20 مللي أمبير. هذه المعلمة أساسية لتصميم دائرة تحديد التيار، عادةً مقاومات أو مشغلات تيار ثابت. تصنيف الجهد العكسي (VR) هو 5 فولت، والتيار العكسي (IR) هو حد أقصى 100 ميكرو أمبير عند هذا الجهد، مما يشير إلى خصائص التسرب للثنائي في حالة الإيقاف. تبديد الطاقة لكل جزء محدود بـ 70 ميلي واط، وهو ما يرتبط مباشرة بالتصميم الحراري للتطبيق.

1.1.3 مواصفات الحرارة والبيئة

تم تصنيف الجهاز لنطاق درجة حرارة تشغيل يتراوح من -35 درجة مئوية إلى +105 درجة مئوية. يجعل هذا النطاق الواسع الجهاز مناسبًا للتطبيقات في البيئات القاسية، بما في ذلك عناصر التحكم الصناعية ودواخل السيارات (المناطق غير الحرجة). نطاق درجة حرارة التخزين المماثل يضمن أن الجهاز يمكنه تحمل هذه الظروف القصوى عندما لا يكون قيد التشغيل. تم ذكر حالة إعادة تدفق اللحام صراحةً: يمكن تعريض المكون لدرجة حرارة 260 درجة مئوية لمدة 3 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1/16 بوصة (حوالي 1.59 مم) أسفل مستوى الجلوس. هذه المعلومات حيوية لعمليات تجميع لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لمنع التلف الحراري أثناء اللحام.

1.2 شرح نظام الفرز

تشير ورقة البيانات إلى أن الجهاز "مصنف وفقًا للشدة الضوئية". وهذا يعني عملية فرز حيث يتم اختبار الوحدات المصنعة وفرزها إلى مجموعات (صناديق) بناءً على ناتجها الضوئي المقاس عند تيار اختبار قياسي (على الأرجح 1 مللي أمبير أو 20 مللي أمبير). يمكن للمصممين اختيار الصناديق لضمان اتساق السطوع عبر شاشات متعددة في منتج واحد. على الرغم من عدم تفصيلها برموز صناديق في هذه الوثيقة، يسمح مثل هذا النظام بشراء أجزاء بحد أدى مضمون أو شدة ضوئية نموذجية، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتطلب أداءً بصريًا موحدًا.

1.3 تحليل منحنى الأداء

تشير ورقة البيانات إلى "منحنيات الخصائص الكهربائية/البصرية النموذجية"، وهي أدوات أساسية لفهم سلوك الجهاز بما يتجاوز المواصفات أحادية النقطة. على الرغم من أن المنحنيات المحددة غير مفصلة في النص المقدم، فإن المنحنيات النموذجية لمثل هذه الأجهزة ستشمل:

• الشدة الضوئية النسبية مقابل التيار الأمامي (منحنى I-V):يُظهر هذا المنحنى كيف يزداد ناتج الضوء مع التيار. عادة ما يكون غير خطي، حيث تنخفض الكفاءة غالبًا عند التيارات العالية جدًا بسبب التأثيرات الحرارية.
• الجهد الأمامي مقابل التيار الأمامي:يُظهر هذا خاصية IV للثنائي، وهي مهمة لحساب هبوط الجهد ومتطلبات مصدر الطاقة.
• الشدة الضوئية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة:يُظهر هذا المنحنى تأثير الإخماد الحراري، حيث ينخفض ناتج LED مع ارتفاع درجة حرارة الوصلة. فهم هذا أمر أساسي للتصميمات التي تعمل في درجات حرارة محيطة عالية.
• التوزيع الطيفي:رسم بياني يظهر الطاقة النسبية المنبعثة عبر الأطوال الموجية، متمركزة حول الذروة 650 نانومتر مع عرض النصف المحدد البالغ 20 نانومتر.

تسمح هذه المنحنيات للمصممين بتحسين ظروف التشغيل لتحقيق توازن بين السطوع والكفاءة والعمر الافتراضي.

2. معلومات الميكانيكا والتغليف

2.1 الأبعاد ورسم المخطط التفصيلي

يوفر رسم العلبة البيانات الميكانيكية الحرجة. جميع الأبعاد الأساسية محددة بالمليمترات. التسامح القياسي لهذه الأبعاد هو ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك في ملاحظة ميزة محددة. ملاحظة مهمة تحدد تسامح انزياح طرف الطرف بمقدار +0.4 مم، وهو ما يأخذ في الاعتبار احتمال وجود اختلال طفيف في التوصيلات أثناء عملية التشكيل، مما يؤثر على وضع فتحات PCB أو تصميم المقبس. الحجم الكلي محدد بارتفاع الرقم 0.4 بوصة (10.0 مم)، والذي يشير إلى الارتفاع المادي لرمز رقمي واحد.

2.2 توصيل الأطراف ومخطط التوصيل

يحتوي الجهاز على تكوين 16 طرفًا، على الرغم من عدم شغل أو توصيل جميع المواضع. تم تكوينه كشاشةمشتركة الكاثود متعددة الإرسال. هذا الهيكل أساسي لتشغيله:

• الكاثودات المشتركة:الأطراف 1، 2، 4، 6، و8 هي توصيلات الكاثود المشترك للرقم 1، والرقم 2، ومجموعة من الأجزاء (L1، L2، L3)، والرقم 3، والرقم 4، على التوالي. في مخطط متعدد الإرسال، يتم تبديل هذه الكاثودات إلى الأرض (Ground) بالتتابع لتحديد الرقم النشط.
• أنودات الأجزاء:الأطراف 3، 5، 7، 11، 13، 14، 15، و16 هي توصيلات الأنود للأجزاء الفردية (A، B، C، D، E، F، G، DP) وبعض أجزاء النقطتين/علامات الترقيم (L1، L2، L3). يتم تشغيل الأنودات المناسبة إلى مستوى عالٍ (من خلال مقاومة تحديد تيار) لإضاءة أجزاء محددة من الرقم المحدد حاليًا.
• يُظهر مخطط الدائرة الداخلية الترابط بين هذه الأنودات والكاثودات، مشكلاً مصفوفة تسمح بالتحكم في 4 أرقام ونقطة عشرية/نقطتين باستخدام 13 خط إشارة فعال فقط، بدلاً من 36+ خطًا التي تتطلبها طريقة القيادة الثابتة.

3. إرشادات اللحام والتجميع

يوفر قسم التصنيفات القصوى المطلقة معلمة اللحام الرئيسية: يمكن للجهاز تحمل درجة حرارة لحام تبلغ 260 درجة مئوية لمدة 3 ثوانٍ، مقاسة عند نقطة 1.59 مم (1/16 بوصة) أسفل مستوى الجلوس. هذا هو مرجع ملف تعريف إعادة التدفق القياسي. بالنسبة للحام اليدوي، يجب استخدام درجة حرارة أقل ووقت تلامس أقصر لمنع ارتفاع الحرارة الموضعي. من الأهمية بمكان التأكد من أن درجة حرارة علبة LED نفسها لا تتجاوز الحد الأقصى لتصنيف درجة حرارة التخزين خلال أي جزء من عملية التجميع. يجب اتباع إجراءات التعامل مع التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) المناسبة، حيث أن رقائق LED حساسة للكهرباء الساكنة.

4. اقتراحات التطبيق

4.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

هذه الشاشة مثالية للتطبيقات التي تتطلب قراءة رقمية مضغوطة وموثوقة وساطعة. تشمل الاستخدامات الشائعة:

• معدات الاختبار والقياس:الملتيميديا الرقمية، عدادات التردد، مصادر الطاقة.
• عناصر التحكم الصناعية:عدادات لوحة التحكم لدرجة الحرارة، والضغط، ودورات في الدقيقة (RPM)، وعروض العد.
• الإلكترونيات الاستهلاكية:معدات الصوت (مكبرات الصوت/شاشات الصوت)، الأجهزة المنزلية، الساعات.
• قطع غيار السيارات:المقاييس ووحدات العرض (حيث تكون المواصفات البيئية مناسبة).

4.2 اعتبارات التصميم وتنفيذ الدائرة

يتطلب تشغيل هذه الشاشة وحدة تحكم متعددة الإرسال، والتي يمكن أن تكون دائرة متكاملة (IC) مخصصة لمشغل العرض (مثل MAX7219 أو TM1637) أو متحكم دقيق (microcontroller) يحتوي على عدد كافٍ من دبابيس الإدخال/الإخراج وبرنامج. يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار:

• تحديد التيار:يجب وضع مقاومة على التوالي مع كل أنود جزء (أو مجموعة من الأنودات إذا كان يتم استخدام مشغل تيار ثابت) لضبط التيار الأمامي. يتم حساب القيمة باستخدام R = (Vcc - VF) / IF. باستخدام أقصى VF وهو 2.6 فولت ومصدر طاقة 5 فولت مع IF مستهدف 10 مللي أمبير، R = (5 - 2.6) / 0.01 = 240 أوم.
• تردد التعددية:يجب أن يكون معدل التحديث عاليًا بما يكفي لتجنب الوميض المرئي، عادةً فوق 60-100 هرتز لكل رقم. مع 4 أرقام، يحتاج تردد المسح إلى أن يكون 240-400 هرتز.
• تيار الذروة مقابل متوسط التيار:لتحقيق متوسط سطوع مرغوب، يمكن أن يكون تيار الذروة خلال وقت التشغيل القصير أعلى. إذا كانت دورة العمل 1/4 (لـ 4 أرقام)، فإن تيار ذروة قدره 20 مللي أمبير ينتج متوسط تيار قدره 5 مللي أمبير لكل جزء، مما يبقى ضمن التصنيف المستمر.
• تبديد الحرارة:تأكد من أن متوسط تبديد الطاقة لكل جزء (IF * VF * دورة العمل) لا يتجاوز 70 ميلي واط، خاصة في درجات الحرارة المحيطة العالية.

5. المقارنة التقنية والتمييز

تتميز شاشة LTC-4727JD باستخدامها لتقنية AlInGaP على ركيزة GaAs. مقارنةً بمصابيح LED الحمراء القديمة من نوع GaP (فوسفيد الغاليوم)، تقدم AlInGaP كفاءة ضوئية أعلى بكثير، مما يؤدي إلى شاشات أكثر سطوعًا عند نفس التيار أو استهلاك طاقة أقل لنفس السطوع. تساعد الركيزة غير الشفافة في تحسين التباين عن طريق منع تشتت الضوء الداخلي. تشير ميزة "الأجزاء المستمرة الموحدة" إلى تصميم عالي الجودة للرقاقة والعدسة يتجنب الفجوات أو الإضاءة غير المتساوية داخل الجزء. تضمن العلبة الخالية من الرصاص الامتثال للوائح البيئية الحديثة (RoHS).

6. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما الفرق بين ذروة الطول الموجي والطول الموجي السائد؟

ج: ذروة الطول الموجي هي النقطة الفعلية لأقصى طاقة طيفية ناتجة من LED. الطول الموجي السائد هو نقطة اللون المُدركة من قبل العين البشرية، محسوبة من الطيف الكامل. غالبًا ما يختلفان قليلاً.

س: هل يمكنني تشغيل هذه الشاشة باستخدام متحكم دقيق بجهد 3.3 فولت؟

ج: نعم، ولكن يجب عليك التحقق من الجهد الأمامي. مع أقصى VF وهو 2.6 فولت، هناك هامش 0.7 فولت فقط (3.3 فولت - 2.6 فولت) لمقاومة تحديد التيار. يجعل انخفاض الجهد الصغير هذا التيار أكثر حساسية للتغيرات في VF. يُوصى باستخدام مشغل تيار ثابت لأنظمة 3.3 فولت، أو استخدام تيار مستهدف أقل.

س: لماذا يوجد عامل تخفيض للتيار الأمامي؟

ج: تولد مصابيح LED حرارة عند وصلة أشباه الموصلات. مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة، تزداد درجة حرارة الوصلة لتبديد طاقة معين. يقلل عامل التخفيض أقصى تيار مسموح به لمنع تجاوز درجة حرارة الوصلة الحد الأقصى المسموح به، مما قد يقلل بشكل كبير من العمر الافتراضي أو يتسبب في فشل.

س: ماذا يعني "مشتركة الكاثود متعددة الإرسال" لدائرة المشغل الخاصة بي؟

ج: يعني ذلك أنك تقوم بتشغيل رقم واحد في كل مرة عن طريق توصيل طرف الكاثود المشترك الخاص به بالأرض (منخفض). ثم تقوم بتطبيق الجهد على أطراف أنود الجزء للنمط الذي تريده على ذلك الرقم. تقوم بالتبديل بسرعة عبر جميع الأرقام. تقوم العين البشرية بدمج الضوء، مما يجعل جميع الأرقام تبدو مضاءة باستمرار.

7. دراسة حالة تنفيذية عملية

فكر في تصميم فولتميتر بسيط مكون من 4 أرقام باستخدام متحكم دقيق وهذه الشاشة. تقوم محولات ADC الخاصة بالمتحكم الدقيق بقراءة الجهد، وتحويله إلى رقم، وتشغيل الشاشة. سيكون للمتحكم الدقيق 8 دبابيس إدخال/إخراج متصلة بأنودات الأجزاء (A-G، DP) عبر مقاومات تحديد تيار. ستتحكم أربعة دبابيس إدخال/إخراج إضافية في ترانزستورات NPN (أو تستخدم دائرة متكاملة لمجموعة ترانزستورات) تسحب التيار من أطراف الكاثود الأربعة للأرقام (1، 2، 6، 8). يمكن ربط الطرف 4 (الكاثود المشترك للنقطتين) بالأرض إذا كانت النقطتان مضاءتان دائمًا، أو التحكم فيه بشكل منفصل. ستنفذ البرنامج الثابت (Firmware) مقاطعة مؤقت (timer interrupt) لتحديث العرض. في روتين المقاطعة، سيقوم بإيقاف تشغيل جميع كاثودات الأرقام، وإخراج نمط الجزء للرقم التالي إلى منفذ الأنود، ثم تشغيل كاثود ذلك الرقم. تتكرر هذه العملية لكل رقم، مما يخلق قراءة مستقرة وخالية من الوميض.

8. مقدمة عن مبدأ التشغيل

يعتمد مبدأ التشغيل الأساسي على الإضاءة الكهربائية في وصلة أشباه الموصلات P-N. عندما يتم تطبيق جهد أمامي يتجاوز عتبة الثنائي، تندمج الإلكترونات من منطقة AlInGaP من النوع N مع الفجوات من المنطقة من النوع P. يطلق حدث الاندماج هذا الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). يتم تحديد الطول الموجي المحدد البالغ 650 نانومتر (أحمر) بواسطة طاقة فجوة النطاق لمادة أشباه الموصلات AlInGaP، والتي يتم هندستها أثناء عملية نمو البلورة. تمتص الركيزة GaAs غير الشفافة الضوء المنبعث للأسفل، مما يحسن التباين. تتكون الأجزاء الفردية من رقائق LED متعددة أو رقاقة واحدة مع أنود مُنمط، موصلة داخليًا بأطراف العلبة. مخطط التعددية هو تقنية كهربائية لتقليل عدد خطوط التحكم المطلوبة عن طريق الاستفادة من استمرارية الرؤية للعين البشرية.

9. اتجاهات التكنولوجيا

بينما تظل AlInGaP تقنية عالية الأداء لمصابيح LED الحمراء والكهرمانية، فإن اتجاهات صناعة العرض الأوسع تؤثر على مثل هذه المكونات. هناك دفع مستمر نحو كفاءة أعلى (المزيد من لومن لكل واط)، مما يسمح بشاشات أكثر سطوعًا بطاقة أقل أو توليد حرارة أقل. التصغير هو اتجاه آخر، على الرغم من أن ارتفاع الرقم غالبًا ما يكون مقيدًا بمتطلبات وضوح القراءة. التكامل هو اتجاه كبير؛ غالبًا ما تتضمن وحدات العرض الحديثة دائرة المشغل المتكاملة (IC)، والوحدة المتحكمة، وأحيانًا حتى متحكم دقيق داخل نفس العلبة، مما يبسط الواجهة إلى ناقل تسلسلي بسيط (I2C أو SPI). ومع ذلك، تظل الشاشات المنفصلة مثل LTC-4727JD حيوية للتصميمات الحساسة للتكلفة، أو التخطيطات المخصصة، أو التطبيقات حيث تكون إلكترونيات التحكم مركزية. أصبح الانتقال نحو المواد الخالية من الرصاص والهالوجين امتثالًا للوائح البيئية العالمية معيارًا الآن. قد تشهد التطورات المستقبلية مزيدًا من المكاسب في الكفاءة من مواد ركيزة جديدة أو تصميمات رقائق، لكن بنية السبعة أجزاء المتعددة الأساسية تظل حلاً موثوقًا وفعالاً من حيث التكلفة لاحتياجات العرض الرقمي.