LTP-1457AKD LED-Punktmatrix-Display Datenblatt - 1,2 Zoll (30,42 mm) Höhe - AlInGaP Hyper Rot - 5x7 Array - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Das LTP-1457AKD ist ein einstelliges alphanumerisches Anzeigemodul, das für Anwendungen entwickelt wurde, die eine klare und zuverlässige Zeichenausgabe erfordern. Seine Kernfunktion besteht darin, Daten, typischerweise ASCII- oder EBCDIC-codierte Zeichen, visuell über ein Raster einzeln ansteuerbarer Leuchtdioden (LEDs) darzustellen.

Das Bauteil basiert auf einem 5x7 Array (5 Spalten, 7 Zeilen) aus AlInGaP (Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid) Hyper-Rot-LED-Chips. Dieses Halbleitermaterial wird auf einem nicht transparenten Galliumarsenid (GaAs)-Substrat aufgewachsen, was zu seiner optischen Leistung beiträgt. Die visuelle Darstellung erfolgt über eine graue Frontplatte mit weißen Punkten, die einen hohen Kontrast für die beleuchteten roten Elemente bietet. Die primären Designziele für diese Komponente sind niedriger Stromverbrauch, hohe Halbleiterzuverlässigkeit und ein großer Betrachtungswinkel, der durch eine einflächige Bauweise erreicht wird. Es wird nach Lichtstärke kategorisiert, um eine Helligkeitsabstimmung in mehrstelligen Anwendungen zu ermöglichen, und ist horizontal stapelbar, um mehrstellige Displays zu bilden.

2. Detaillierte Betrachtung der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Parameter definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen wird nicht garantiert.

• Durchschnittliche Verlustleistung pro Punkt:40 mW. Dies ist die maximale Dauerleistung, die jedes LED-Segment ohne Überhitzung verarbeiten kann.
• Spitzen-Vorwärtsstrom pro Punkt:90 mA. Dies ist nur unter gepulsten Bedingungen mit einem Tastverhältnis von 1/10 und einer Pulsbreite von 0,1 ms zulässig, um thermische Überlastung zu vermeiden.
• Durchschnittlicher Vorwärtsstrom pro Punkt:15 mA bei 25°C. Dieser Strom verringert sich oberhalb von 25°C linear mit einer Rate von 0,2 mA/°C. Beispielsweise wäre bei 85°C der maximal zulässige Durchschnittsstrom etwa: 15 mA - ((85°C - 25°C) * 0,2 mA/°C) = 3 mA.
• Sperrspannung pro Punkt:5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann zum Durchbruch des pn-Übergangs führen.
• Betriebs- und Lagertemperaturbereich:-35°C bis +85°C.
• Löttemperatur:Hält 260°C für maximal 3 Sekunden stand, gemessen 1,6 mm unterhalb der Auflageebene des Gehäuses.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Dies sind die garantierten Leistungsparameter unter den angegebenen Testbedingungen bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C.

• Durchschnittliche Lichtstärke (I_V):Liegt im Bereich von 800 μcd (min) bis 2600 μcd (typ), getestet bei einem Spitzenstrom (I_p) von 32 mA mit einem Tastverhältnis von 1/16. Die Intensität wird unter Verwendung eines Filters gemessen, der der photopischen (CIE) Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges entspricht.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_p):Typischerweise 650 nm bei einem Vorwärtsstrom (I_F) von 20 mA. Dies ist die Wellenlänge, bei der die optische Ausgangsleistung am größten ist.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):Typischerweise 20 nm (I_F=20mA). Dies gibt die Bandbreite der emittierten Lichtwellenlänge um das Maximum an.
• Dominante Wellenlänge (λ_d):Typischerweise 639 nm (I_F=20mA). Dies ist die vom menschlichen Auge wahrgenommene Einzelwellenlänge, die leicht von der Spitzenwellenlänge abweichen kann.
• Vorwärtsspannung pro Punkt (V_F):Liegt je nach Strom zwischen 2,1V und 2,8V. Bei I_F=20mA: 2,1V (min), 2,6V (typ). Bei I_F=80mA: 2,3V (min), 2,8V (typ).
• Sperrstrom pro Punkt (I_R):Maximal 100 μA bei einer angelegten Sperrspannung (V_R) von 5V.
• Lichtstärke-Abgleichverhältnis (I_V-m):Maximal 2:1. Dies spezifiziert, dass der Helligkeitsunterschied zwischen zwei beliebigen Punkten (oder Segmenten) auf demselben Bauteil unter denselben Treiberbedingungen den Faktor zwei nicht überschreitet.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Datenblatt gibt an, dass das Bauteil \"nach Lichtstärke kategorisiert\" ist. Dies impliziert einen Binning- oder Sortiervorgang nach der Fertigung. Aufgrund inhärenter Schwankungen im Halbleiterepitaxiewachstum und der Chipverarbeitung können LEDs aus derselben Produktionscharge leicht unterschiedliche optische Ausgangsleistungen aufweisen. Um Konsistenz in Anwendungen, insbesondere in mehrstelligen Displays, bei denen eine gleichmäßige Helligkeit entscheidend ist, zu gewährleisten, werden die gefertigten Einheiten getestet und basierend auf ihrer gemessenen Lichtstärke in verschiedene \"Bins\" sortiert. Entwickler können dann beim Bestellen einen Bin-Code angeben, um sicherzustellen, dass alle Einheiten in ihrer Baugruppe innerhalb eines engen Helligkeitsbereichs liegen und so verhindern, dass einige Zeichen dunkler oder heller erscheinen als andere. Obwohl dieses Datenblatt die spezifischen Bin-Codes oder Intensitätsbereiche nicht auflistet, ist diese Praxis Standard, um die visuelle Qualität sicherzustellen.

4. Analyse der Kennlinien

Die letzte Seite des Datenblatts ist den \"Typischen elektrischen/optischen Kennlinien\" gewidmet. Diese Diagramme sind unschätzbar, um das Bauteilverhalten über die in den Tabellen aufgeführten Ein-Punkt-Spezifikationen hinaus zu verstehen. Obwohl die spezifischen Kurven im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, würden typische Diagramme für ein solches Bauteil Folgendes umfassen:

• Vorwärtsstrom vs. Vorwärtsspannung (I-V-Kennlinie):Zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen Strom und Spannung am LED-Übergang. Sie hilft bei der Auslegung der strombegrenzenden Schaltung.
• Lichtstärke vs. Vorwärtsstrom:Zeigt, wie die Lichtausbeute mit dem Strom zunimmt, typischerweise bei höheren Strömen aufgrund von Erwärmung und Effizienzabfall in sublinearer Weise.
• Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur:Veranschaulicht die Abnahme der Lichtausbeute bei steigender Sperrschichttemperatur, was für Anwendungen über einen weiten Temperaturbereich entscheidend ist.
• Spektrale Verteilung:Ein Diagramm der relativen Intensität über der Wellenlänge, das die Form und Breite des emittierten roten Lichtspektrums zeigt.

Diese Kurven ermöglichen es Ingenieuren, die Leistung unter ihren spezifischen Betriebsbedingungen, die von den Standardtestbedingungen abweichen können, vorherzusagen.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die physikalische Konstruktion des LTP-1457AKD wird durch seine Gehäuseabmessungen und interne Schaltung definiert.

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil hat eine Matrixhöhe von 1,2 Zoll (30,42 mm). Eine detaillierte Maßzeichnung ist auf Seite 2 des Datenblatts angegeben. Alle Maße sind in Millimetern angegeben, mit einer allgemeinen Toleranz von ±0,25 mm (±0,01 Zoll), sofern nicht ein spezifisches Merkmal eine andere Toleranz erfordert. Diese Zeichnung ist für das Leiterplatten-Layout (Footprint-Design) unerlässlich, um sicherzustellen, dass das Bauteil korrekt passt und mit den Lötpads der Platine ausgerichtet ist.

5.2 Interne Schaltung und Pinbelegung

Das Display verwendet eine gemeinsame Kathoden-Konfiguration für die Zeilen. Das interne Schaltbild zeigt eine 5x7-Matrix, bei der jede LED (Punkt) am Schnittpunkt einer Anoden- (Spalte) und einer Kathoden- (Zeile) Leitung gebildet wird. Um einen bestimmten Punkt zu beleuchten, muss die entsprechende Spalten-Anode auf High-Potential (mit entsprechender Strombegrenzung) gesetzt werden, während die Zeilen-Kathode auf Low-Potential gezogen werden muss.

Die Pinbelegungstabelle ist für die Ansteuerung entscheidend:

- Pins 1, 2, 5, 7, 8, 9, 12, 14 sind mit den Kathoden-Zeilen (1-7) verbunden.

- Pins 3, 4, 6, 10, 11, 13 sind mit den Anoden-Spalten (1-5) verbunden.

Hinweis: Es gibt eine Diskrepanz in der bereitgestellten Liste, wo Pin 11 als \"ANODE COLUMN 3\" und Pin 4 ebenfalls als \"ANODE COLUMN 3\" aufgeführt ist. In einer Standard-5x7-Matrix mit 12 Pins (14 Pins, wobei 2 möglicherweise unbenutzt sind) handelt es sich hierbei wahrscheinlich um einen Dokumentationsfehler; einer sollte Spalte 1, 2, 3, 4 oder 5 sein. Das tatsächliche Datenblatt-Diagramm muss für die korrekte, eindeutige Zuordnung konsultiert werden. Eine geeignete Multiplex-Treiberschaltung ist erforderlich, um Zeilen und Spalten sequentiell zu aktivieren und so Zeichen ohne Geisterbilder zu erzeugen.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Die wichtigste Montagespezifikation ist das Löttemperaturprofil. Das Bauteil hält eine Spitzentemperatur von 260°C für maximal 3 Sekunden stand. Dies wird an einem Punkt 1,6 mm unterhalb der Auflageebene des Gehäusekörpers gemessen, was in etwa der Leiterplattenoberfläche oder der Lötstelle selbst entspricht. Diese Bewertung ist mit Standard-Lötzinn-freien (SnAgCu) Reflow-Lötprozessen kompatibel. Entwickler müssen sicherstellen, dass ihr Reflow-Ofenprofil diese Zeit-Temperatur-Grenze nicht überschreitet, um Schäden an den LED-Chips, internen Bonddrähten oder dem Kunststoffgehäusematerial zu verhindern. Während der Handhabung sollten Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) beachtet werden.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Diese Anzeige eignet sich für Anwendungen, die ein einzelnes, gut lesbares Zeichen oder Symbol erfordern. Ihre stapelbare Natur ermöglicht den Einsatz in mehrstelligen Konfigurationen. Typische Anwendungen sind:

- Instrumententafeln (Voltmeter, Multimeter, Frequenzzähler).

- Statusanzeigen für industrielle Steuerungssysteme.

- Displays für Kassenterminals (Point-of-Sale).

- Einfache Nachrichten- oder Anzeigetafeln, wenn mehrere Einheiten kombiniert werden.

- Benutzerschnittstellen für eingebettete Systeme zur Anzeige von Statuscodes oder einstelligen Ausgaben.

7.2 Designüberlegungen

• Treiberschaltung:Ein Mikrocontroller mit ausreichend I/O-Pins oder ein dedizierter LED-Display-Treiber-IC (wie ein MAX7219 oder ähnlich) wird für das Multiplexing benötigt. Jeder Pin wird Strom für mehrere LEDs führen oder aufnehmen, daher muss sichergestellt werden, dass die pro Pin geltenden Stromgrenzen des Mikrocontrollers oder Treibers nicht überschritten werden.
• Strombegrenzung:Externe strombegrenzende Widerstände sind für jede Anoden-Spalte (oder eine Konstantstromquelle) zwingend erforderlich, um den Vorwärtsstrom (I_F) auf einen sicheren Wert einzustellen, typischerweise zwischen 10-20 mA für Dauerbetrieb, unter Berücksichtigung der Entlastung mit der Temperatur.
• Verlustleistung:Berechnen Sie die Gesamtverlustleistung, insbesondere wenn mehrere Punkte gleichzeitig beleuchtet sind. Stellen Sie sicher, dass sie innerhalb der thermischen Grenzen des Bauteils und der Leiterplatte bleibt.
• Betrachtungswinkel:Der große Betrachtungswinkel ist vorteilhaft für Anwendungen, bei denen das Display von der Seite betrachtet werden kann.
• Helligkeitskonsistenz:Geben Sie beim Bestellen für Anwendungen mit mehreren Einheiten einen Intensitäts-Bin an, um visuelle Gleichmäßigkeit sicherzustellen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die primären Unterscheidungsmerkmale des LTP-1457AKD sind die Verwendung von AlInGaP Hyper-Rot-Technologie und sein spezifisches mechanisches/elektrisches Format.

• Vergleich mit Standard-GaAsP- oder GaP-Rot-LEDs:AlInGaP-LEDs bieten im Allgemeinen eine höhere Lichtausbeute, bessere Temperaturstabilität und eine gesättigtere, reine rote Farbe (dominante Wellenlänge ~639 nm) im Vergleich zu älteren Technologien, die eher orange erscheinen können.
• Vergleich mit größeren oder kleineren Punktmatrix-Displays:Die 1,2\" Höhe und das 5x7-Format stellen einen spezifischen Kompromiss zwischen Größe und Auflösung dar und bieten gute Lesbarkeit auf moderate Entfernung. Kleinere Formate sparen Platz, reduzieren aber die Lesbarkeit; größere Formate sind aus der Ferne besser sichtbar, verbrauchen aber mehr Leistung und benötigen mehr Platz auf der Platine.
• Vergleich mit Displays mit integriertem Controller:Dies ist ein \"rohes\" LED-Array. Displays mit integrierten Controllern (I2C, SPI) vereinfachen die Mikrocontroller-Schnittstelle, können aber weniger flexibel oder teurer sein. Das LTP-1457AKD bietet direkte Kontrolle auf Kosten einer komplexeren Treiberschaltung.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf den Parametern)

F: Kann ich dieses Display direkt mit einem 5V-Mikrocontroller ansteuern?

A: Möglicherweise, aber mit Vorsicht. Die typische V_Fliegt bei 2,1-2,8V. Ein 5V-MCU-Pin würde 5V an die Anode anlegen, was ohne strombegrenzenden Widerstand die LED zerstören würde. Sie müssen einen Vorwiderstand verwenden. Die Berechnung lautet: R = (V_versorgung- V_F) / I_F. Für eine 5V-Versorgung, V_F=2,6V und I_F=20mA, R = (5 - 2,6) / 0,02 = 120 Ω. Stellen Sie außerdem sicher, dass der MCU den benötigten Multiplex-Strom führen oder aufnehmen kann.

F: Was bedeutet \"1/16 Tastverhältnis\" in der Testbedingung für die Lichtstärke?

A: Es bedeutet, dass die LED für 1/16 der gesamten Zykluszeit gepulst eingeschaltet ist. Für Multiplex-Displays ist dies eine gängige Ansteuerungsmethode. Der Spitzenstrom während der Einschaltzeit (32 mA im Test) ist höher als der, der für DC-Betrieb verwendet werden könnte, um eine wahrgenommene Helligkeit zu erreichen, die einem niedrigeren DC-Strom entspricht. Der Durchschnittsstrom beträgt (Spitzenstrom * Tastverhältnis) = 32mA * (1/16) = 2 mA.

F: Wie erstelle ich Zeichen wie Buchstaben und Zahlen?

A: Sie benötigen eine Zeichentabelle oder einen Zeichengenerator in Ihrer Software. Dies ist eine Nachschlagetabelle, die definiert, welche Punkte (Anoden-/Spalten-, Kathoden-/Zeilenkombinationen) für jeden ASCII- oder EBCDIC-Code zu beleuchten sind. Beispielsweise würde das Zeichen \"A\" auf ein bestimmtes Muster über die 5 Spalten und 7 Zeilen abgebildet.

10. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf einer einstelligen Drehzahlanzeige für einen Motorregler.

Das Display muss eine Zahl von 0-9 anzeigen, die einen Geschwindigkeitsbereich repräsentiert. Es wird ein kostengünstiger Mikrocontroller mit 12 I/O-Pins ausgewählt.

Umsetzung:7 Pins werden als Open-Drain-Ausgänge konfiguriert, um die Kathoden-Zeilen anzusteuern (Stromsenke). 5 Pins werden als digitale Ausgänge konfiguriert, um die Anoden-Spalten über strombegrenzende Widerstände anzusteuern (Stromquelle). Die Firmware enthält eine 5x7-Zeichentabelle für die Ziffern 0-9. Sie führt einen Timer-Interrupt aus, der nacheinander jede Zeile (1-7) aktiviert, indem ihr Kathoden-Pin auf Low gezogen wird. Für die aktive Zeile setzt die Firmware die 5 Anoden-Pins gemäß dem Zeichenmuster für die in dieser spezifischen Zeile anzuzeigende Ziffer auf High. Dieses Multiplexing geschieht schneller, als das menschliche Auge wahrnehmen kann (z.B. >100 Hz), und erzeugt ein stabiles, flimmerfreies Bild. Der Durchschnittsstrom pro LED wird bei 10 mA gehalten (Spitzenstrom an das Tastverhältnis angepasst), um langfristige Zuverlässigkeit innerhalb der Verlustleistungsgrenzen sicherzustellen.

11. Funktionsprinzip

Das grundlegende Prinzip ist die Elektrolumineszenz in einem Halbleiter-pn-Übergang. Das AlInGaP-Material hat eine direkte Bandlücke. Bei Flusspolung (positive Spannung an der Anode relativ zur Kathode) werden Elektronen aus dem n-dotierten Bereich in das Leitungsband injiziert und Löcher aus dem p-dotierten Bereich in das Valenzband. Diese Ladungsträger rekombinieren im aktiven Bereich nahe dem Übergang. In einem direkten Bandlückenmaterial wie AlInGaP ist ein signifikanter Teil dieser Rekombinationen strahlend, was bedeutet, dass sie Energie in Form von Photonen (Licht) freisetzen. Die Wellenlänge (Farbe) dieses Lichts wird durch die Bandlückenenergie (E_g) des Halbleitermaterials bestimmt, gemäß der Gleichung λ ≈ hc/E_g. Für AlInGaP, das auf rotes Licht abgestimmt ist, führt dies zu Photonen mit einer Wellenlänge um 650 nm. Die 5x7-Matrixanordnung ist einfach ein Gitter dieser einzelnen pn-Übergangs-LEDs, deren Anoden und Kathoden in einem gekreuzten Muster verbunden sind, um die Anzahl der benötigten Treiberpins zu minimieren.

12. Technologietrends

Während das LTP-1457AKD eine ausgereifte und zuverlässige Technologie darstellt, entwickelt sich das breitere Feld der Displaytechnologie weiter. Diskrete LED-Punktmatrix-Displays dieser Art sehen sich Konkurrenz durch integrierte Module mit SMD-LEDs (Surface-Mount Device), die kleiner sein und eine höhere Auflösung bieten können. Darüber hinaus schreiten OLED (Organische LED) und Micro-LED-Technologien voran und versprechen dünnere, effizientere und kontrastreichere Displays. Für die spezifische Nische einfacher, robuster, einstelliger oder niedrigauflösender mehrstelliger Displays bleiben AlInGaP und ähnliche III-V-Halbleiter-LEDs aufgrund ihrer bewährten Zuverlässigkeit, ihres weiten Betriebstemperaturbereichs, ihrer hohen Helligkeit und ihrer Kosteneffektivität für industrielle und messtechnische Anwendungen hochrelevant. Der Trend in diesem Segment geht hin zu höherer Effizienz (mehr Licht pro Watt) und engerem Binning für Farb- und Helligkeitskonsistenz.