LTP-2157AKD LED-Punktmatrix-Display Datenblatt - 2,0 Zoll Höhe - 5x7 Matrix - Hyper Rot (650nm) - 40mW/Punkt - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Das LTP-2157AKD ist ein alphanumerisches Zeichenanzeigemodul in Festkörperbauweise, das für Anwendungen entwickelt wurde, die eine klare, helle und zuverlässige visuelle Ausgabe erfordern. Seine Kernfunktion ist die Darstellung von Zeichen und Symbolen mithilfe einer Matrix einzeln ansteuerbarer Leuchtdioden (LEDs). Die primären Anwendungsbereiche umfassen Industrie-Bedienfelder, Messgeräte, Kassenterminals, Anzeigen für medizinische Geräte und verschiedene Unterhaltungselektronik, bei denen eine einfache monochrome Zeichenanzeige ausreicht.

Das grundlegende Funktionsprinzip basiert auf einer 5x7 Punktmatrix-Konfiguration. Das bedeutet, jedes Zeichen wird durch das Ansteuern eines spezifischen Musters innerhalb eines Rasters von 5 Spalten und 7 Zeilen mit LED-Pixeln gebildet. Durch selektives Anlegen einer Durchlassspannung an die Anoden- (Zeile) und Kathoden- (Spalte) Leitungen, die jedem gewünschten Pixel entsprechen, werden spezifische Punkte eingeschaltet, um erkennbare Formen wie Buchstaben und Zahlen zu erzeugen. Das Gerät nutzt ein Multiplex-Treiberverfahren, bei dem die Zeilen sequenziell mit hoher Frequenz aktiviert werden. Dies erzeugt die Wahrnehmung eines stabilen, vollständig beleuchteten Zeichens, während gleichzeitig die Anzahl der benötigten Treiberanschlüsse und der Stromverbrauch minimiert werden.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

2.1 Photometrische und optische Eigenschaften

Die optische Leistung ist unter Standardtestbedingungen bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C definiert. Der Schlüsselparameter, die durchschnittliche Lichtstärke (Iv), hat einen typischen Wert von 3500 Mikrocandela (µcd), wenn er mit einem Spitzenstrom (Ip) von 32 mA bei einem Tastverhältnis von 1/16 angesteuert wird. Dies deutet auf eine hohe Helligkeitsausgabe hin, die für gut beleuchtete Umgebungen geeignet ist. Der spezifizierte Mindestwert beträgt 1650 µcd, was die untere Leistungsgrenze für das Produkt definiert.

Die Farbcharakteristika werden durch das AlInGaP (Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid) Halbleitermaterial bestimmt. Die Spitzenemissionswellenlänge (λp) beträgt typischerweise 650 Nanometer (nm), was sie in den Hyper-Rot-Bereich des sichtbaren Spektrums einordnet. Die dominante Wellenlänge (λd) ist mit 639 nm spezifiziert. Die Differenz zwischen Spitzen- und dominanter Wellenlänge, zusammen mit der spektralen Halbwertsbreite (Δλ) von 20 nm, beschreibt die spektrale Reinheit und den spezifischen Rotton der emittierten Farbe. Ein Lichtstärke-Anpassungsverhältnis von 2:1 (max.) ist spezifiziert, was bedeutet, dass die Helligkeit des dunkelsten Segments in einem Zeichen unter identischen Ansteuerbedingungen nicht weniger als die Hälfte der Helligkeit des hellsten Segments betragen sollte, um ein gleichmäßiges Erscheinungsbild zu gewährleisten.

2.2 Elektrische und thermische Eigenschaften

Die absoluten Maximalwerte definieren die Betriebsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden auftreten können. Die durchschnittliche Verlustleistung pro Punkt ist mit 40 Milliwatt (mW) bewertet. Der Spitzen-Durchlassstrom pro Punkt kann für gepulsten Betrieb 90 mA erreichen, während der durchschnittliche Durchlassstrom pro Punkt einen Basiswert von 15 mA bei 25°C hat, der linear um 0,2 mA/°C mit steigender Temperatur abnimmt. Diese Reduzierung ist entscheidend für das thermische Management und die langfristige Zuverlässigkeit. Die maximale Sperrspannung pro Punkt beträgt 5 V.

Unter typischen Betriebsbedingungen (Durchlassstrom IF=20 mA) liegt die Durchlassspannung pro Segment (VF) zwischen 2,1 V (min.) und 2,6 V (max.). Dieser Parameter ist wesentlich für die Auslegung der strombegrenzenden Schaltung im Treiber. Der Sperrstrom (IR) ist sehr niedrig, typischerweise 2,3 bis 2,8 Mikroampere (µA) bei der maximalen Sperrspannung von 5 V, was auf gute Diodeneigenschaften hinweist.

Das Gerät ist für einen Betriebstemperaturbereich von -35°C bis +85°C ausgelegt, mit einem identischen Lagertemperaturbereich. Dieser weite Bereich macht es für raue Umgebungen geeignet. Die maximale Löttemperatur ist mit 260°C für eine maximale Dauer von 3 Sekunden spezifiziert, gemessen 1,6 mm (1/16 Zoll) unterhalb der Auflageebene, was klare Richtlinien für PCB-Montageprozesse liefert.

3. Mechanische und Verpackungsinformationen

Die Anzeige hat eine angegebene Matrixhöhe von 2,0 Zoll (50,8 mm). Die Gehäuseabmessungen sind in einer detaillierten Zeichnung mit allen Maßen in Millimetern angegeben. Fertigungstoleranzen betragen in der Regel ±0,25 mm (0,01 Zoll), sofern in der Zeichnung nicht anders vermerkt. Das physische Gehäuse weist eine graue Front mit weißer Punktfarbe auf, was den Kontrast verbessert, wenn die LEDs ausgeschaltet sind, und das Licht streut, wenn sie eingeschaltet sind.

Das Pinbelegungsdiagramm ist entscheidend für die korrekte Schnittstellenanbindung. Das Gerät hat eine 14-polige Konfiguration. Die interne Schaltung ist eine Standard-Gemeinschaftskathoden-Anordnung für die Spalten, wobei die Anoden für die 7 Zeilen zu einzelnen Pins herausgeführt sind. Es ist wichtig, die internen Verbindungen zu beachten: Pin 4 und Pin 11 sind intern verbunden (beide sind Kathode für Spalte 3), und Pin 5 und Pin 12 sind intern verbunden (beide sind Anode für Zeile 4). Diese Verbindungen dienen der Vereinfachung der internen Bondverbindungen und beeinflussen die externe Treiberlogik nicht.

4. Leistungskurvenanalyse

Das Datenblatt verweist auf typische elektrische und optische Kennlinien. Während die spezifischen Graphen im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, würden Standardkurven für solche Geräte typischerweise Folgendes umfassen:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kurve):Dieser Graph zeigt die exponentielle Beziehung, die entscheidend ist, um die notwendige Versorgungsspannung für einen gegebenen Treiberstrom zu bestimmen.
• Lichtstärke vs. Durchlassstrom:Diese Kurve zeigt, wie die Lichtausgabe mit dem Strom zunimmt, typischerweise in einem nahezu linearen Verhältnis innerhalb des Betriebsbereichs, bevor der Wirkungsgrad bei sehr hohen Strömen abfällt.
• Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur:Dies demonstriert den thermischen Löschungseffekt, bei dem die LED-Ausgabe abnimmt, wenn die Sperrschichttemperatur steigt. Das Verständnis hierfür ist der Schlüssel für Anwendungen mit hohen Umgebungstemperaturen oder schlechter Wärmeableitung.
• Spektrale Verteilung:Eine Darstellung der relativen Intensität gegenüber der Wellenlänge, die die Konzentration der Lichtausgabe um das 650-nm-Maximum mit der definierten 20-nm-Halbwertsbreite zeigt.

Diese Kurven ermöglichen es Designern, die Leistung zu optimieren und Kompromisse zwischen Helligkeit, Effizienz, Treiberstrom und thermischem Management zu verstehen.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Die Montage muss dem spezifizierten Lötprofil entsprechen, um Schäden zu vermeiden. Die maximal zulässige Löttemperatur beträgt 260°C, und die Komponente sollte dieser Temperatur nicht länger als 3 Sekunden ausgesetzt sein. Dies wird typischerweise durch einen gesteuerten Reflow-Lötprozess mit einem Profil erreicht, das die Temperatur ansteigen lässt, auf dem Höchstwert hält und innerhalb spezifizierter Grenzen abkühlt. Handlöten mit einem Lötkolben erfordert äußerste Sorgfalt, um die Hitze zu lokalisieren und das Überschreiten dieser Parameter zu vermeiden.

Für die Lagerung sollte das Gerät innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -35°C bis +85°C in einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit aufbewahrt werden. Es wird empfohlen, die Komponenten innerhalb ihrer Haltbarkeitsdauer zu verwenden und während der Handhabung Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) zu befolgen, um die empfindlichen Halbleiterübergänge zu schützen.

6. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Das LTP-2157AKD benötigt eine externe Treiberschaltung. Ein gängiges Design verwendet einen Mikrocontroller mit ausreichend I/O-Pins oder einen dedizierten LED-Anzeigetreiber-IC (wie den MAX7219 oder ähnlich). Der Treiber muss Multiplexing implementieren: Er aktiviert sequenziell jede der 7 Zeilen-Anodenleitungen, während er die Spalten-Kathodendaten für diese spezifische Zeile bereitstellt. Die Aktualisierungsrate muss hoch genug sein (typischerweise >100 Hz), um sichtbares Flackern zu vermeiden. Strombegrenzungswiderstände sind für jede Spaltenleitung (oder im Treiber integriert) zwingend erforderlich, um den Durchlassstrom auf den gewünschten Wert einzustellen (z.B. 20 mA für typische Helligkeit). Die Berechnung des Widerstandswerts lautet: R = (Vcc - Vf - Vdriver_sat) / If, wobei Vcc die Versorgungsspannung, Vf die LED-Durchlassspannung (~2,6 V max.), Vdriver_sat die Sättigungsspannung des Treibers und If der gewünschte Durchlassstrom ist.

6.2 Designüberlegungen

• Stromversorgung:Stellen Sie sicher, dass die Stromversorgung den erforderlichen Spitzenstrom liefern kann. Bei 5 potenziell beleuchteten Spalten pro Zeile und einem Spitzenstrom von bis zu 20 mA pro Punkt könnte eine einzelne Zeile 100 mA ziehen. Die Versorgung muss diese gepulste Last bewältigen können.
• Wärmeableitung:Während einzelne Punkte maximal nur 40 mW abgeben, kann der Dauerbetrieb vieler Punkte erhebliche Wärme erzeugen. Sorgen Sie für ausreichende Belüftung oder Kühlkörper, wenn bei hohen Umgebungstemperaturen oder an den Maximalwerten gearbeitet wird.
• Betrachtungswinkel und Kontrast:Das Grau-Front/Weiß-Punkt-Design bietet einen guten Kontrast im ausgeschalteten Zustand. Berücksichtigen Sie den beabsichtigten Betrachtungswinkel bei der Montage der Anzeige; die LED-Helligkeit ist oft auf der Achse am höchsten.
• Software:Die Mikrocontroller-Firmware muss eine Zeichensatztabelle (eine Nachschlagetabelle, die das 5x7-Muster für jedes Zeichen definiert) und die Multiplexing-Routine enthalten.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Das primäre Unterscheidungsmerkmal dieser Anzeige ist die Verwendung von AlInGaP Hyper-Rot-LED-Technologie. Im Vergleich zu älteren GaAsP (Galliumarsenidphosphid) roten LEDs bietet AlInGaP eine deutlich höhere Lichtausbeute, was zu größerer Helligkeit bei gleichem Treiberstrom oder gleichwertiger Helligkeit bei geringerer Leistung führt. Es bietet auch eine bessere Farbreinheit und Stabilität über Temperatur und Zeit.

Im Vergleich zu einer einfachen 7-Segment-Anzeige bietet eine 5x7-Punktmatrix eine weitaus größere Flexibilität, da sie den vollständigen alphanumerischen Zeichensatz (A-Z, 0-9, Symbole) und sogar einfache Grafiken darstellen kann, während eine 7-Segment-Anzeige hauptsächlich auf Zahlen und einige Buchstaben beschränkt ist. Der Kompromiss ist eine erhöhte Komplexität sowohl in der Hardware (mehr Treiberpins) als auch in der Software (Zeichengenerierung).

8. Häufige Fragen basierend auf technischen Parametern

F: Kann ich diese Anzeige mit einem konstanten Gleichstrom ohne Multiplexing ansteuern?

A: Technisch gesehen ja, aber es ist höchst ineffizient und nicht empfohlen. Das gleichzeitige Ansteuern aller 35 Punkte mit 20 mA würde einen Stromverbrauch von 700 mA und eine erhebliche Wärmeentwicklung erfordern. Multiplexing ist die Standard- und vorgesehene Methode, die Leistung und Pinanzahl reduziert.

F: Was ist der Unterschied zwischen Spitzenemissionswellenlänge (650 nm) und dominanter Wellenlänge (639 nm)?

A: Die Spitzenwellenlänge ist der Punkt maximaler Intensität in der spektralen Ausgabe. Die dominante Wellenlänge ist die einzelne Wellenlänge von monochromatischem Licht, die für das menschliche Auge die gleiche Farbe zu haben scheint. Der Unterschied entsteht, weil die LED ein Spektrum von Licht (20 nm breit) emittiert, nicht eine einzelne reine Wellenlänge.

F: Das Pinbelegungsdiagramm zeigt zwei Pins für Spalte 3 und zwei Pins für Zeile 4. Muss ich beide anschließen?

A: Nein, diese Pins sind intern verbunden. Der Anschluss an einen der beiden ist ausreichend. Diese interne Verbindung ist ein Fertigungsartefakt, um die Die-Bond-Verbindungen zu vereinfachen. Das Anschließen beider schadet nicht, ist aber unnötig.

F: Wie berechne ich den durchschnittlichen Stromverbrauch?

A: Für eine multiplexte Anzeige ist der durchschnittliche Strom ungefähr (Anzahl der beleuchteten Punkte in einem voll beleuchteten Zeichen / Gesamtzahl der Punkte) * Strom pro Punkt * Tastverhältnis. Zum Beispiel für ein Zeichen, das 24 beleuchtete Punkte bei 20 mA mit einem Tastverhältnis von 1/7 (7 Zeilen) verwendet: Durchschnittsstrom ≈ (24/35) * 20 mA * (1/7) ≈ 2 mA pro Zeichen. Multiplizieren Sie mit der Anzahl der Zeichen für die Gesamtlast.

9. Praktische Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf einer einfachen Einzelzeichen-Temperaturanzeige für einen Industrieofen.

Die Anforderung ist die Anzeige einer Temperatur von 0 bis 199°C. Ein Mikrocontroller liest einen Temperatursensor. Ein LTP-2157AKD-Display wird verwendet. Der Mikrocontroller hat begrenzte Pins, daher verwendet er ein seriell-ein/parallel-aus Schieberegister (wie 74HC595), um die 5 Spaltenkathoden anzusteuern, und verwendet 7 seiner eigenen I/O-Pins, um die Zeilenanoden über Transistorschalter (zur Handhabung des höheren Zeilenstroms) anzusteuern.

Die Firmware enthält einen 5x7-Zeichensatz für die Ziffern 0-9 und das Gradsymbol. Die Multiplexing-Routine läuft auf einem Timer-Interrupt. Die Anzeige zeigt stabile, hellrote Zahlen, die in einer industriellen Umgebung aus mehreren Metern Entfernung lesbar sind. Der weite Betriebstemperaturbereich der Anzeige (-35°C bis +85°C) gewährleistet Zuverlässigkeit, selbst wenn das externe Gehäuse des Ofencontrollers warm wird. Der hohe Kontrast der grauen Front verhindert ein Auswaschen unter heller Industriebeleuchtung.

10. Technologieprinzip und Trends

10.1 Zugrundeliegendes Technologieprinzip

Die Lichterzeugung basiert auf Elektrolumineszenz in einem Halbleiter-p-n-Übergang. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, rekombinieren Elektronen aus der n-dotierten AlInGaP-Schicht mit Löchern aus der p-dotierten Schicht. Dieses Rekombinationsereignis setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Bandlücke des AlInGaP-Materials bestimmt die Wellenlänge (Farbe) der emittierten Photonen, in diesem Fall rotes Licht um 650 nm. Das nicht transparente GaAs-Substrat absorbiert jegliches nach unten emittierte Licht und verbessert so die Gesamteffizienz, indem mehr Licht aus der Oberseite des Geräts reflektiert wird. Die 5x7-Matrix wird durch das Aufbringen und Strukturieren mehrerer winziger LED-Chips oder eines einzelnen strukturierten Dies auf einem gemeinsamen Substrat erzeugt, mit verbundenen Anoden- und Kathodenleitungen.

10.2 Branchentrends

Während diskrete 5x7-Punktmatrix-Displays wie das LTP-2157AKD für spezifische, kostenbewusste Anwendungen relevant bleiben, bewegen sich breitere Branchentrends in Richtung integrierter Lösungen. Dazu gehören:

- Oberflächenmontage-Bauteil (SMD) Arrays:Kleinere Grundfläche, einfachere automatisierte Montage.

- Integrierte Controller/Treiber-Displays:Module mit eingebauten Controllern, die über SPI oder I2C kommunizieren und die Belastung der Mikrocontroller-Ressourcen drastisch reduzieren.

- Höhere Auflösung und Farbe:Bewegung hin zu feineren Rastermatrizen und Vollfarb-RGB-Displays für detailliertere Grafiken.

- Alternative Technologien:In einigen Anwendungen bieten OLED (Organische LED) Displays einen überlegenen Kontrast und Betrachtungswinkel, allerdings oft zu höheren Kosten und mit unterschiedlichen Lebensdauereigenschaften.

Die bleibenden Vorteile diskreter LED-Matrizen wie dieser sind ihre extreme Robustheit, lange Lebensdauer, hohe Helligkeit, Einfachheit und niedrige Kosten für monochrome Zeichenanzeigeaufgaben, was ihre fortgesetzte Verwendung in industriellen und eingebetteten Systemen sicherstellt.