LTP-2157AKY LED-Display Datenblatt - 2,0-Zoll (50,8 mm) Matrix-Höhe - AlInGaP Bernstein-Gelb - 2,6V Durchlassspannung - 35mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Das LTP-2157AKY ist ein 5x7 Punktmatrix-LED-Displaymodul mit einer Zeichenhöhe von 2,0 Zoll (50,8 mm). Dieses Bauteil ist für Anwendungen konzipiert, die eine klare, helle alphanumerische oder symbolische Informationsanzeige erfordern. Seine Kerntechnologie nutzt AlInGaP (Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid) Halbleitermaterial, um eine bernsteingelbe Lichtemission zu erzeugen. Die visuelle Darstellung verfügt über eine graue Frontscheibe mit weißen Punkten, was den Kontrast und die Lesbarkeit verbessert. Das Modul ist als Common-Cathode-Array aufgebaut und benötigt für den Betrieb eine externe Multiplex-Treiber-Schaltung.

Die primären Anwendungsbereiche für dieses Display umfassen Industriemessgeräte, Schnittstellen für Unterhaltungselektronik, Kassenterminals, Anzeigen für medizinische Geräte und jedes eingebettete System, das eine kompakte, zuverlässige und helle Anzeige benötigt. Seine Festkörperbauweise gewährleistet im Vergleich zu anderen Anzeigetechnologien wie Vakuum-Fluoreszenz- oder Glühlampentypen eine hohe Zuverlässigkeit und lange Betriebsdauer.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die Hauptvorteile des LTP-2157AKY ergeben sich aus seiner AlInGaP-LED-Technologie und durchdachten Konstruktion. Es bietet hohe Helligkeit und hohen Kontrast, was entscheidend für die Lesbarkeit unter verschiedenen Umgebungslichtbedingungen ist, einschließlich hell erleuchteter Innenräume. Der geringe Strombedarf macht es für batteriebetriebene oder energiebewusste Anwendungen geeignet. Das ausgezeichnete Zeichenbild wird durch das präzise 5x7 Punktmatrix-Layout erreicht, das Standard für die klare Darstellung von ASCII-Zeichen ist.

Der Zielmarkt ist breit gefächert und umfasst OEMs (Original Equipment Manufacturers) und Entwicklungsingenieure, die an Geräten arbeiten, die eine einfache, kostengünstige und robuste Displaylösung benötigen. Seine Spezifikationen machen es zu einer praktikablen Wahl, wenn größere, komplexere Grafikdisplays unnötig oder zu teuer sind.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Ein gründliches Verständnis der elektrischen und optischen Parameter ist für den korrekten Schaltungsentwurf und die Integration des LTP-2157AKY-Displays unerlässlich.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Dauerbetrieb des Bauteils an oder nahe diesen Grenzen wird nicht empfohlen.

• Durchschnittliche Verlustleistung pro Punkt:35 mW. Dies ist die maximale kontinuierliche Leistung, die von einem einzelnen LED-Segment (Punkt) sicher abgeführt werden kann, ohne thermische Degradation zu verursachen.
• Spitzen-Durchlassstrom pro Punkt:60 mA. Dies ist der maximal zulässige Momentanstrom während des gepulsten Betriebs, typischerweise in Multiplex-Treiberschaltungen verwendet.
• Durchschnittlicher Durchlassstrom pro Punkt:13 mA bei 25°C. Dieser Wert verringert sich linear um 0,17 mA/°C über 25°C. Zum Beispiel wäre bei 85°C der maximal zulässige Durchschnittsstrom etwa: 13 mA - (0,17 mA/°C * (85°C - 25°C)) = 13 mA - 10,2 mA = 2,8 mA. Diese Reduzierung ist entscheidend für das Wärmemanagement.
• Sperrspannung pro Punkt:5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann den LED-Übergang zerstören.
• Betriebs- und Lagertemperaturbereich:-35°C bis +85°C. Dieser weite Bereich gewährleistet die Funktionalität in rauen Umgebungen.
• Löttemperatur:Maximal 260°C für maximal 3 Sekunden, gemessen 1,6 mm unterhalb der Auflageebene. Dies ist eine Standardrichtlinie für Wellen- oder Reflow-Lötverfahren, um Gehäuseschäden zu vermeiden.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

Dies sind die typischen Betriebsparameter, gemessen bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C unter spezifizierten Testbedingungen.

• Durchschnittliche Lichtstärke (I_V):2100 μcd (Min), 3600 μcd (Typ). Testbedingung: I_p=32mA, 1/16 Tastverhältnis. Diese hohe Helligkeit ist ein Hauptmerkmal. Die Messung verwendet einen Filter, der der CIE photopischen Augenempfindlichkeitskurve angenähert ist, um Genauigkeit zu gewährleisten.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_p):595 nm (Typ). Dies ist die Wellenlänge, bei der die optische Ausgangsleistung maximal ist, und definiert die bernsteingelbe Farbe.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):15 nm (Typ). Dies zeigt die spektrale Reinheit; eine schmalere Breite bedeutet eine monochromatischere Farbe.
• Dominante Wellenlänge (λ_d):592 nm (Typ). Dies ist die vom menschlichen Auge wahrgenommene Wellenlänge, die bei diesem LED-Typ eng mit der Spitzenwellenlänge übereinstimmt.
• Durchlassspannung pro Segment (V_F):2,05V (Min), 2,6V (Typ). Testbedingung: I_F=20mA. Entwickler müssen sicherstellen, dass die Treiberschaltung diese Spannung bereitstellen kann.
• Sperrstrom (I_R):100 μA (Max). Testbedingung: V_R=5V. Dies ist der Leckstrom, wenn die LED in Sperrrichtung betrieben wird.
• Lichtstärke-Anpassungsverhältnis (I_V-m):2:1 (Max). Testbedingung: I_F=2mA. Dieser Parameter gewährleistet Gleichmäßigkeit über das gesamte Display; die Helligkeit des schwächsten Segments ist mindestens halb so hoch wie die des hellsten Segments.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Datenblatt beschreibt kein mehrstufiges Binning-System für Wellenlänge oder Lichtstrom explizit. Die spezifizierten Parameter implizieren jedoch einen kontrollierten Fertigungsprozess. Die engen Bereiche für die dominante Wellenlänge (592 nm Typ) und Lichtstärke (2100-3600 μcd) deuten darauf hin, dass Bauteile ausgewählt werden, um diese Mindest- und Typspezifikationen zu erfüllen. Entwickler sollten die Mindestwerte (I_Vmin 2100 μcd, V_Fmax 2,6V) für den ungünstigsten Fall im Schaltungsentwurf berücksichtigen, um die Sichtbarkeit der Anzeige und eine korrekte Stromregelung über alle Einheiten sicherzustellen.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf typische Kennlinien. Obwohl im Text nicht angegeben, können Standard-LED-Kurven abgeleitet werden und sind für den Entwurf entscheidend.

4.1 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kurve)

Die I-V-Beziehung ist nichtlinear. Der typische V_F-Wert von 2,6V bei 20mA ist der zentrale Entwurfspunkt. Die Kurve zeigt einen steilen Einschaltpunkt um die Bandlückenspannung der LED (~2V für AlInGaP), danach steigt der Strom exponentiell mit der Spannung. Daher wird dringend empfohlen, LEDs mit einer Konstantstromquelle anstatt einer Konstantspannungsquelle zu betreiben, um thermisches Durchgehen zu verhindern und eine gleichmäßige Helligkeit sicherzustellen.

4.2 Lichtstärke vs. Durchlassstrom

Die Lichtstärke ist im normalen Betriebsbereich (z.B. bis zum Nenndurchschnittsstrom) annähernd proportional zum Durchlassstrom. Die Effizienz kann jedoch bei sehr hohen Strömen aufgrund von Erwärmung abfallen. Die spezifizierte Intensität bei 32mA gepulstem Betrieb ist für Multiplex-Displays optimiert.

4.3 Temperaturabhängigkeit

LED-Kenngrößen sind temperaturabhängig. Die Durchlassspannung (V_F) nimmt typischerweise mit steigender Sperrschichttemperatur ab (negativer Temperaturkoeffizient). Die Lichtstärke nimmt ebenfalls mit steigender Temperatur ab. Die Stromreduzierungsspezifikation (0,17 mA/°C) ist eine direkte Entwurfsmaßnahme gegen diese Effekte, um Überhitzung und vorzeitigen Helligkeitsverlust zu verhindern.

4.4 Spektrale Verteilung

Das Emissionsspektrum ist um 595 nm (bernsteingelb) zentriert mit einer typischen Halbwertsbreite von 15 nm. Dies ist ein relativ schmales Band, charakteristisch für Direkthalbleiter der III-V-Gruppe wie AlInGaP, was zu einer guten Farbsättigung führt.

5. Mechanische & Gehäuseinformationen

5.1 Abmessungen

Die Gehäusezeichnung zeigt die gesamten physikalischen Abmessungen des Displaymoduls. Alle Maße sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben. Diese Information ist entscheidend für das Leiterplatten-Layout und die Gehäusepassung.

5.2 Pinbelegung und interner Schaltkreis

Das LTP-2157AKY hat eine 14-polige Konfiguration. Das interne Schaltbild zeigt eine Common-Cathode-Anordnung für die 5x7-Matrix. Die Spalten (vertikale Linien) sind die Kathoden, die Zeilen (horizontale Linien) sind die Anoden. Spezifische Hinweise zeigen interne Verbindungen: Pin 4 & Pin 11 sind verbunden (beide sind Kathode für Spalte 3), und Pin 5 & Pin 12 sind verbunden (beide sind Anode für Zeile 4). Diese interne Verbindung dient wahrscheinlich der Vereinfachung des internen Bonddraht-Layouts. Die Pinbelegungstabelle muss genau befolgt werden, um einen korrekten Displaybetrieb zu gewährleisten.

5.3 Polaritätsidentifikation

Das Bauteil verwendet eine Common-Cathode-Konfiguration. Die Kathoden-Pins sind für die Spalten (1-5), die Anoden-Pins sind für die Zeilen (1-7). Um eine Durchlassvorspannung anzulegen, muss der gewünschte Zeilen-Pin mit einer positiven Spannung (über einen strombegrenzenden Widerstand oder Treiber) und der gewünschte Spalten-Pin mit Masse (oder einem Low-Side-Treiber-Senke) verbunden werden.

6. Löt- & Montagerichtlinien

Der absolute Maximalwert spezifiziert das Lötprofil: eine maximale Temperatur von 260°C für maximal 3 Sekunden, gemessen 1,6 mm unterhalb der Auflageebene. Dies ist kompatibel mit Standard-Lot-freien Reflow-Lötverfahren (z.B. gemäß einem Standard IPC/JEDEC J-STD-020 Profil). Es sollte darauf geachtet werden, mechanische Belastung der Pins während der Handhabung zu vermeiden. Für die Lagerung wird der spezifizierte Bereich von -35°C bis +85°C in einer trockenen, antistatischen Umgebung empfohlen, um Feuchtigkeitsaufnahme (die während des Reflow-Lötens zu \"Popcorning\" führen kann) und elektrostatische Entladungsschäden zu verhindern.

7. Verpackung & Bestellinformationen

Die Artikelnummer ist LTP-2157AKY. Während spezifische Verpackungsdetails (Rolle, Tablett, Tube) im bereitgestellten Inhalt nicht aufgeführt sind, werden solche Displays typischerweise in antistatischen Tuben oder Tabletts geliefert, um die Pins und die Displayfront zu schützen. Die \"Spec No.: DS-30-99-106\" und \"BNS-OD-FC001/A4\" sind interne Dokumentenkontrollnummern.

8. Anwendungsempfehlungen

8.1 Typische Anwendungsschaltungen

Das LTP-2157AKY benötigt eine externe Treiberschaltung. Ein gängiger Entwurf verwendet einen Mikrocontroller mit Multiplex-Software. Die I/O-Ports des Mikrocontrollers, die oft nicht ausreichen, um den benötigten Strom direkt zu liefern/abzuführen, sind mit Zeilentreiber-Transistoren (z.B. PNP oder P-Kanal MOSFETs zum Einspeisen von Strom in die Anoden) und Spaltentreiber-Transistoren oder speziellen Senkentreibern (z.B. NPN, N-Kanal MOSFETs oder LED-Treiber-ICs wie den ULN2003 zum Abführen von Strom von den Kathoden) verbunden. Die Multiplex-Routine durchläuft schnell jede Zeile (1-7) und schaltet für diese Zeile die entsprechenden Spalten-Kathoden ein, um das gewünschte Zeichen zu bilden. Das im Testzustand erwähnte 1/16 Tastverhältnis ist ein typisches Multiplex-Verhältnis (z.B. 1 Zeile gleichzeitig von möglichen 7+? Frames; die genaue Timing-Aufteilung hängt vom Treiberentwurf ab).

8.2 Entwurfsüberlegungen

• Strombegrenzung:Essentiell für jedes LED-Segment. Verwenden Sie Widerstände oder Konstantstromtreiber. Berechnen Sie den Widerstandswert basierend auf der Versorgungsspannung (V_CC), der LED-Durchlassspannung (V_F) und dem gewünschten Durchlassstrom (I_F). Für Multiplex-Betrieb verwenden Sie den Spitzenstrom (I_p). Beispiel: Für V_CC=5V, V_F=2,6V, I_p=32mA, R = (5V - 2,6V) / 0,032A ≈ 75 Ohm.
• Multiplex-Frequenz:Muss hoch genug sein, um sichtbares Flackern zu vermeiden (typischerweise >60 Hz Bildwiederholrate). Die Nachbildwirkung des Auges verschmilzt die schnell zyklierenden Zeilen zu einem stabilen Bild.
• Wärmeableitung:Halten Sie sich an die Stromreduzierungskurve bei hohen Umgebungstemperaturen. Sorgen Sie für ausreichende Belüftung, wenn es in geschlossenen Räumen verwendet wird.
• Betrachtungswinkel:Obwohl nicht spezifiziert, haben Standard-LED-Matrizen einen weiten Betrachtungswinkel. Das graue Frontscheiben-/weiße Punkt-Design optimiert den Kontrast für die Frontalbetrachtung.

9. Technischer Vergleich

Im Vergleich zu anderen zeitgenössischen Anzeigetechnologien, die zu seiner Veröffentlichungszeit (2002) verfügbar waren, bot das LTP-2157AKY deutliche Vorteile:

• vs. Glühlampen- oder Vakuum-Fluoreszenz-Displays (VFDs):Das LED-Display ist weitaus energieeffizienter, erzeugt weniger Wärme, bietet eine schnellere Ansprechzeit und hat eine deutlich längere Lebensdauer. Es ist auch mechanisch robuster, da es keine empfindlichen Glühfäden oder Glashüllen hat.
• vs. Frühe LCDs:Das LED-Display ist selbstleuchtend und bietet eine viel höhere Helligkeit und bessere Sichtbarkeit bei schwachem Licht oder direktem Sonnenlicht ohne Hintergrundbeleuchtung. Es hat auch einen breiteren Betriebstemperaturbereich und keine langsamen Ansprechprobleme in kalter Umgebung.
• vs. Andere LED-Farben (z.B. GaAsP Rot):Die in dieser bernsteingelben LED verwendete AlInGaP-Technologie bietet eine höhere Lichtausbeute (mehr Lichtausgang pro Einheit elektrischer Leistung) und eine bessere Langzeitstabilität als ältere GaAsP rote LEDs.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F1: Kann ich dieses Display mit einer konstanten 5V-Versorgung an den Anoden betreiben?

A1: Nein. LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Das Anlegen einer konstanten Spannung ohne einen seriellen strombegrenzenden Widerstand führt zu übermäßigem Stromfluss, der die LED möglicherweise zerstört. Verwenden Sie immer einen Strombegrenzungsmechanismus.

F2: Warum gibt es zwei Pins für Spalte 3 und Zeile 4?

A2: Pin 4 & Pin 11 sind intern beide mit Kathode Spalte 3 verbunden, und Pin 5 & Pin 12 sind beide mit Anode Zeile 4 verbunden. Dies geschieht wahrscheinlich aus Effizienzgründen für das interne Bonddraht-Layout oder um alternative Anschlusspunkte auf der Leiterplatte für Routing-Begegnungen bereitzustellen. Elektrisch gesehen sind sie derselbe Knoten.

F3: Was bedeutet \"1/16 Duty\" in der Lichtstärke-Testbedingung?

A3: Es bedeutet, dass die LED mit einem Tastverhältnis von 1/16 (6,25%) gepulst wurde. Der Spitzenstrom (I_p=32mA) ist höher als der durchschnittliche Gleichstrom für die gleiche Helligkeitswahrnehmung in einem Multiplex-System wäre. Der Durchschnittsstrom ist I_p* Tastverhältnis = 32mA * 0,0625 = 2mA. Dieser gepulste Betrieb ist Standard für die Prüfung von Multiplex-Displays.

F4: Wie stelle ich ein Zeichen wie den Buchstaben \"A\" dar?

A4: Sie benötigen eine Font-Map oder Nachschlagetabelle, die definiert, welche Punkte (Schnittpunkte von Zeile und Spalte) für jedes Zeichen eingeschaltet werden sollen. Für eine 5x7-Matrix ist dies typischerweise ein 5-Byte-Array pro Zeichen, wobei jedes Bit in einem Byte ein Zeilenelement in einer Spalte repräsentiert. Ihre Mikrocontroller-Software verwendet diese Map während des Multiplex-Scans.

11. Praktische Entwurfsfallstudie

Betrachten Sie den Entwurf eines einfachen digitalen Thermometers mit einer 3-stelligen Anzeige unter Verwendung von drei LTP-2157AKY-Displays. Das System würde einen Temperatursensor, einen Mikrocontroller (z.B. einen 8-Bit-MCU) und Treiberschaltungen benötigen. Der Mikrocontroller liest den Sensor, wandelt den Wert in BCD oder eine benutzerdefinierte Font-Map um und steuert die Displays. Aufgrund der Anzahl der Pins (3 Displays * 14 Pins = 42 Pins bei direkter Ansteuerung) ist ein Multiplex-Schema zwingend erforderlich. Der Entwurf würde beinhalten: 1) Verbinden aller entsprechenden Zeilen-Pins (Anoden) der drei Displays miteinander (Erstellen von 7 gemeinsamen Anoden-Leitungen). 2) Getrenntes Verbinden der Spalten-Pins (Kathoden) jedes Displays (Erstellen von 3 Displays * 5 Spalten = 15 Kathoden-Leitungen). 3) Verwenden des Mikrocontrollers mit 7+15=22 I/O-Leitungen (oder weniger mit externen Schieberegistern oder Port-Expandern), um die gemeinsamen Zeilen zu scannen und die entsprechenden Spalten für jede Ziffer sequentiell mit hoher Frequenz zu aktivieren. Strombegrenzungswiderstände würden entweder auf den gemeinsamen Anoden-Leitungen oder den einzelnen Kathoden-Leitungen platziert.

12. Funktionsprinzip

Das LTP-2157AKY basiert auf dem Elektrolumineszenz-Prinzip eines Halbleiter-PN-Übergangs. Bei Durchlassvorspannung rekombinieren Elektronen aus der N-dotierten AlInGaP-Schicht mit Löchern aus der P-dotierten Schicht im aktiven Bereich. Dieses Rekombinationsereignis setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Wellenlänge von 595 nm (bernsteingelb) wird durch die Bandlückenenergie des AlInGaP-Halbleitermaterials bestimmt, die während des Kristallwachstumsprozesses eingestellt wird. Das nicht transparente GaAs-Substrat hilft, Licht nach oben zu reflektieren und verbessert so die gesamte Lichtextraktionseffizienz von der Oberseite des Chips.

13. Technologietrends

Seit der Veröffentlichung dieses Datenblatts (2002) hat sich die LED-Display-Technologie erheblich weiterentwickelt. Während das 5x7 Punktmatrix-Format für einfache Displays ein Arbeitstier bleibt, hat sich die zugrunde liegende Technologie weiterentwickelt. AlInGaP-LEDs haben Verbesserungen in Effizienz und Lebensdauer erfahren. Darüber hinaus sind neuere Display-Optionen weit verbreitet geworden: 1)Höhere Dichte Matrizen:8x8, 16x16 und größere Grafikmatrizen sind heute üblich und preiswert. 2)Oberflächenmontierbare (SMD) LEDs:Moderne Entwürfe verwenden oft einzelne SMD-LEDs, die auf einer Leiterplatte platziert sind, um eine Matrix zu bilden, was mehr Gestaltungsflexibilität bietet. 3)Organische LED (OLED) Displays:Bieten hohen Kontrast, weite Betrachtungswinkel und flexible Formfaktoren, obwohl sie möglicherweise andere Lebensdauer- und Umwelteinschränkungen haben. 4)Displays mit integriertem Controller:Moderne Module enthalten oft einen eingebauten Controller (wie HD44780 für Zeichen-LCDs oder spezielle LED-Matrix-Treiber), der die Schnittstellenanforderungen auf nur wenige Daten- und Steuerleitungen vereinfacht. Die grundlegenden Entwurfsprinzipien für die Ansteuerung einer multiplexen LED-Matrix, wie sie für das LTP-2157AKY detailliert beschrieben sind, bleiben jedoch für viele moderne diskrete LED-Matrix-Projekte direkt anwendbar.