LTS-5701AJF 0,56-Zoll Gelb-Orange 7-Segment-LED-Anzeige Datenblatt - Ziffernhöhe 14,22mm - Durchlassspannung 2,6V - Verlustleistung 70mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Das LTS-5701AJF ist ein hochwertiges, einstelliges 7-Segment-LED-Anzeigemodul. Seine Hauptfunktion besteht darin, in elektronischen Geräten klare, helle numerische und begrenzt alphanumerische Zeichen darzustellen. Die Kerntechnologie basiert auf dem Halbleitermaterial Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP), das speziell für die Lichtemission im gelb-orangen Spektrum entwickelt wurde. Dieses Materialsystem ist für seine hohe Effizienz und ausgezeichnete Helligkeit im Vergleich zu älteren Technologien wie Standard-Galliumphosphid (GaP) bekannt. Das Bauteil verfügt über eine graue Frontplatte mit weißen Segmentmarkierungen, was den Kontrast und die Lesbarkeit unter verschiedenen Lichtverhältnissen erheblich verbessert. Es ist als gemeinsame Anode (Common Anode) konfiguriert, was den Schaltungsentwurf in vielen mikrocontrollerbasierten Anwendungen vereinfacht, in denen das Sourcen von Strom einfacher ist.

1.1 Hauptmerkmale und Vorteile

Die Anzeige bietet mehrere deutliche Vorteile, die sie für eine breite Palette von Anwendungen geeignet machen:

• Optimale Zeichengröße:Mit einer Ziffernhöhe von 0,56 Zoll (14,22 mm) bietet sie eine ausgezeichnete Sichtbarkeit aus der Entfernung bei gleichzeitig kompaktem Platzbedarf.
• Hervorragende optische Leistung:Der Einsatz von AlInGaP-Chips liefert hohe Helligkeit und hohen Kontrast. Die durchgehenden, gleichmäßigen Segmente gewährleisten ein konsistentes und ansprechendes Zeichenbild ohne dunkle Stellen oder Unregelmäßigkeiten.
• Großer Betrachtungswinkel:Das Design ermöglicht eine klare Sichtbarkeit aus einem breiten Blickwinkel, was für Schalttafelmessgeräte, Instrumentierung und Unterhaltungselektronik entscheidend ist.
• Niedriger Leistungsbetrieb:Es ist ein relativ niedriger Durchlassstrom erforderlich, um eine gute Lichtstärke zu erreichen, was es energieeffizient und für batteriebetriebene Geräte geeignet macht.
• Erhöhte Zuverlässigkeit:Als Festkörperbauelement bietet es im Vergleich zu mechanischen oder Vakuum-Fluoreszenz-Anzeigen eine hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit gegen Stoß und Vibration.
• Qualitätssicherung:Die Bauteile werden nach Lichtstärke kategorisiert (gebinned), was eine gleichmäßige Helligkeit über Produktionschargen hinweg für ein einheitliches Erscheinungsbild der Anzeige gewährleistet.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt spezifizierten elektrischen und optischen Parameter. Das Verständnis dieser Werte ist entscheidend für einen korrekten Schaltungsentwurf und die Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen wird nicht garantiert und sollte für ein zuverlässiges Design vermieden werden.

• Verlustleistung pro Segment (70 mW):Dies ist die maximale Leistung, die von einem einzelnen LED-Segment unter Dauerbetrieb sicher als Wärme abgeführt werden kann. Das Überschreiten dieser Grenze riskiert eine Überhitzung des Halbleiterübergangs, was zu beschleunigtem Leistungsabfall oder katastrophalem Ausfall führen kann.
• Spitzendurchlassstrom pro Segment (60 mA, 1/10 Tastverhältnis, 0,1ms Puls):Diese Spezifikation erlaubt kurze Pulse mit höherem Strom, um momentane Helligkeitsspitzen zu erreichen, z.B. in multiplexenden Anzeigen oder zur Hervorhebung. Die strengen Einschränkungen von Tastverhältnis und Pulsbreite sind kritisch; der mittlere Strom muss weiterhin den Dauerbetriebswert einhalten.
• Dauer-Durchlassstrom pro Segment (25 mA):Der empfohlene maximale Strom für den stationären, nicht gepulsten Betrieb eines einzelnen Segments. Oberhalb einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C ist ein linearer Derating-Faktor von 0,33 mA/°C spezifiziert. Das bedeutet, wenn die Umgebungstemperatur auf 50°C steigt, wäre der maximal zulässige Dauerstrom: 25 mA - ((50°C - 25°C) * 0,33 mA/°C) = 25 mA - 8,25 mA =16,75 mA.
• Sperrspannung pro Segment (5 V):Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung über ein LED-Segment angelegt werden kann. Das Überschreiten kann zum Durchbruch und zur Beschädigung des PN-Übergangs führen. Ein korrekter Schaltungsentwurf sollte Schutzmaßnahmen beinhalten, wenn Sperrspannungstransienten möglich sind.
• Betriebs- & Lagertemperaturbereich (-35°C bis +85°C):Definiert die Umgebungsgrenzen für zuverlässigen Betrieb und Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Löttemperatur (260°C für 3 Sekunden):Gibt eine Richtlinie für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse vor, spezifiziert die maximale Temperatur an einem bestimmten Punkt für eine begrenzte Zeit, um Schäden am Kunststoffgehäuse und den internen Bonddrähten zu verhindern.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen (bei Ta=25°C)

Dies sind die typischen Leistungsparameter unter spezifizierten Testbedingungen. Sie werden für Designberechnungen und Leistungserwartungen verwendet.

• Mittlere Lichtstärke (I_V):320-900 μcd bei I_F=1mA. Dies ist das Maß für die vom menschlichen Auge wahrgenommene Helligkeit. Der weite Bereich (Min: 320, Typ: 900) deutet auf einen Binning-Prozess hin. Entwickler müssen den Minimalwert für Helligkeitsberechnungen im Worst-Case verwenden, um die Sichtbarkeit unter allen Bedingungen sicherzustellen.
• Peak-Emissionswellenlänge (λ_p):611 nm (typisch) bei I_F=20mA. Dies ist die Wellenlänge, bei der die spektrale Ausgangsleistung am stärksten ist. Sie liegt im gelb-orangen Bereich des sichtbaren Spektrums.
• Dominante Wellenlänge (λ_d):605 nm (typisch) bei I_F=20mA. Dies ist die einzelne Wellenlänge, die vom menschlichen Auge wahrgenommen wird und der Farbe des emittierten Lichts am besten entspricht. Sie liegt etwas unter der Peak-Wellenlänge, was für LEDs mit breiterem Spektrum üblich ist.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):17 nm (typisch) bei I_F=20mA. Dieser Parameter gibt die Farbreinheit an. Ein Wert von 17 nm ist mäßig breit, was zu einer gesättigten, aber nicht monochromatischen gelb-orangen Farbe führt.
• Durchlassspannung pro Segment (V_F):2,05V (Min), 2,6V (Typ) bei I_F=20mA. Dies ist der Spannungsabfall über der LED im Betrieb. Er ist entscheidend für die Berechnung des Vorwiderstandswerts: R = (V_Versorgung- V_F) / I_F. Die Verwendung des typischen oder maximalen Werts stellt sicher, dass der Strom den gewünschten Wert nicht überschreitet.
• Sperrstrom pro Segment (I_R):100 μA (Max) bei V_R=5V. Dies ist der kleine Leckstrom, der fließt, wenn die LED innerhalb ihrer maximalen Nennwerte in Sperrrichtung vorgespannt ist.
• Lichtstärke-Abgleichsverhältnis (I_V-m):2:1 (Max). Dies spezifiziert die maximal zulässige Helligkeitsschwankung zwischen verschiedenen Segmenten derselben Ziffer oder zwischen verschiedenen Ziffern in einer mehrstelligen Anzeige. Ein Verhältnis von 2:1 bedeutet, dass das hellste Segment nicht mehr als doppelt so hell wie das dunkelste sein sollte, was ein einheitliches Erscheinungsbild gewährleistet.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Das Datenblatt gibt an, dass die Bauteile "nach Lichtstärke kategorisiert" sind. Dies bezieht sich auf einen Binning- oder Sortierprozess nach der Fertigung.

• Lichtstärke-Binning:Aufgrund natürlicher Schwankungen im Halbleiterepitaxie- und Chipfertigungsprozess kann die Lichtausbeute von LEDs variieren. Nach der Produktion werden die Bauteile getestet und basierend auf ihrer gemessenen Lichtstärke bei einem Standardteststrom (z.B. 1mA) in verschiedene Bins sortiert. Der spezifizierte Bereich von 320 bis 900 μcd umfasst wahrscheinlich mehrere Bins. Hersteller können spezifische Bincodes für Anwendungen anbieten, die eine genaue Helligkeitsabstimmung erfordern.
• Durchlassspannung-Sortierung:Obwohl nicht explizit als Binning-Parameter erwähnt, ist der angegebene Bereich für V_F(2,05V bis 2,6V) typisch. Für sehr hohe Stückzahlen oder sensible Designs können Teile auch nach Durchlassspannung sortiert werden, um einen konsistenten Leistungsverbrauch und thermische Eigenschaften über eine Anzeige hinweg sicherzustellen.

4. Analyse der Leistungskurven

Während der bereitgestellte Datenblattauszug "Typische elektrische / optische Kennlinien" erwähnt, sind die spezifischen Grafiken nicht im Text enthalten. Basierend auf dem Standardverhalten von LEDs würden diese Kurven typischerweise die folgenden Beziehungen veranschaulichen, die für das Verständnis der Bauteilleistung unter nicht standardmäßigen Bedingungen entscheidend sind:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kurve):Zeigt die exponentielle Beziehung. Die Kurve verschiebt sich mit der Temperatur; V_Fsinkt bei gegebenem Strom mit steigender Sperrschichttemperatur.
• Lichtstärke vs. Durchlassstrom:Zeigt im Allgemeinen bei niedrigeren Strömen eine nahezu lineare Beziehung, mit möglicher Sättigung oder Effizienzabfall bei sehr hohen Strömen. Diese Grafik wird verwendet, um den Betriebsstrom für einen gewünschten Helligkeitspegel auszuwählen.
• Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur:Zeigt, wie die Lichtausbeute mit steigender Umgebungs- (und damit Sperrschicht-) Temperatur abnimmt. Dies ist kritisch für Designs, die in Umgebungen mit erhöhter Temperatur arbeiten.
• Spektrale Verteilung:Eine Darstellung der relativen Intensität gegenüber der Wellenlänge, die den Peak bei ~611 nm und die Halbwertsbreite von ~17 nm zeigt und die genauen Farbcharakteristiken definiert.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen und Pinbelegung

Das Bauteil ist in einem standardmäßigen 10-poligen, einstelligen 7-Segment-LED-Anzeigegehäuse untergebracht. Das Datenblatt enthält eine detaillierte Maßzeichnung (hier nicht wiedergegeben) mit allen kritischen Maßen in Millimetern. Wichtige Merkmale sind die Gesamthöhe, -breite und -tiefe, die Größe des Ziffernfensters, der Anschlussabstand (Rastermaß) und die Auflageebene. Toleranzen betragen typischerweise ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben. Die Pinbelegung ist klar definiert:

1. Pin 1: Kathode E
2. Pin 2: Kathode D
3. Pin 3: Gemeinsame Anode
4. Pin 4: Kathode C
5. Pin 5: Kathode D.P. (Dezimalpunkt)
6. Pin 6: Kathode B
7. Pin 7: Kathode A
8. Pin 8: Gemeinsame Anode
9. Pin 9: Kathode F
10. Pin 10: Kathode G

Das interne Schaltbild zeigt, dass alle Segment-LEDs (A-G und DP) ihre Anoden intern mit den beiden gemeinsamen Anoden-Pins (3 und 8) verbunden haben, die ebenfalls intern verbunden sind. Dieses Common-Anode-Design bedeutet, dass zur Beleuchtung eines Segments der entsprechende Kathoden-Pin auf niedriges Potential (Masse oder eine niedrigere Spannung) gezogen werden muss, während die Anoden-Pins über einen Vorwiderstand auf einer positiven Spannung gehalten werden.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Die absoluten Maximalwerte spezifizieren eine Lötbedingung: 260°C für 3 Sekunden, gemessen 1/16 Zoll (ca. 1,59 mm) unterhalb der Auflageebene. Dies ist ein Standardreferenzwert für Wellenlöten. Für Reflow-Löten ist ein Standard bleifreies Profil mit einer Spitzentemperatur von nicht mehr als 260°C geeignet. Es ist entscheidend, übermäßige thermische Belastung zu vermeiden, die das Epoxidgehäuse reißen, die interne Die-Attach-Verbindung beschädigen oder die feinen Bonddrähte, die den Chip mit den Anschlüssen verbinden, brechen lassen kann. Vorwärmen wird empfohlen, um thermischen Schock zu minimieren. Nach dem Löten sollte das Bauteil langsam abkühlen. Für die Lagerung sollte der spezifizierte Bereich von -35°C bis +85°C in einer trockenen, nicht kondensierenden Umgebung eingehalten werden, um die Lötbarkeit zu erhalten und Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern (die während des Reflow-Lötens zu "Popcorning" führen kann).

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Das LTS-5701AJF ist ideal für Anwendungen, die klare, zuverlässige numerische Anzeigen erfordern:

• Test- und Messgeräte:Digitale Multimeter, Frequenzzähler, Netzteile, Sensoranzeigen.
• Industriesteuerungen:Schalttafelmessgeräte für Temperatur, Druck, Durchfluss, Drehzahl und Prozessvariablen.
• Unterhaltungselektronik:Uhren, Timer, Küchengeräteanzeigen, Pegelmesser für Audiogeräte.
• Automobilzubehör:Instrumente und Anzeigen für Zusatzsysteme (nicht für primäre Instrumentierung aufgrund von Temperatur- und Zuverlässigkeitszertifizierungsanforderungen).
• Medizingeräte:Einfache Parameteranzeigen auf nicht-kritischen Überwachungsgeräten (vorbehaltlich entsprechender regulatorischer Zulassungen).

7.2 Designüberlegungen und Schaltungsimplementierung

• Strombegrenzung:Ein Widerstand muss in Reihe mit der gemeinsamen Anode(n) oder jeder Kathode geschaltet werden, um den Durchlassstrom auf einen sicheren Wert (z.B. 10-20 mA) zu begrenzen. Der Widerstandswert wird unter Verwendung der Versorgungsspannung (V_CC), der LED-Durchlassspannung (V_F) und des gewünschten Stroms (I_F) berechnet: R = (V_CC- V_F) / I_F. Verwenden Sie für ein konservatives Design, das sicherstellt, dass der Strom niemals das Ziel überschreitet, den maximalen V_F-Wert aus dem Datenblatt.
• Multiplexing:Für mehrstellige Anzeigen wird fast immer eine Multiplexing-Technik verwendet, um die Pinanzahl auf dem ansteuernden Mikrocontroller zu minimieren. Dabei wird jeweils eine Ziffer in schneller Abfolge beleuchtet. Die Nachbildwirkung des Auges lässt die Anzeige kontinuierlich beleuchtet erscheinen. Beim Multiplexing kann der Spitzenstrom pro Segment höher sein (innerhalb des gepulsten Nennwerts von 60mA), um das reduzierte Tastverhältnis zu kompensieren und die mittlere Helligkeit aufrechtzuerhalten. Das Design muss sicherstellen, dass der mittlere Strom und die Verlustleistung pro Segment innerhalb der Dauerbetriebsgrenzen liegen.
• Mikrocontroller-Ansteuerung:Common-Anode-Anzeigen lassen sich leicht von Mikrocontroller-Portpins ansteuern, die als Open-Drain- oder Open-Collector-Ausgänge konfiguriert sind und Strom zur Masse ziehen. Alternativ können dedizierte LED-Treiber-ICs oder Transistor-Arrays (z.B. ULN2003) für höhere Stromfähigkeit oder einfachere Logik verwendet werden.
• Betrachtungswinkel und Montage:Berücksichtigen Sie den beabsichtigten Betrachtungswinkel des Benutzers beim Entwurf des Frontplattenausschnitts und der Montagetiefe, um den großen Betrachtungswinkel der Anzeige optimal zu nutzen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Das primäre Unterscheidungsmerkmal des LTS-5701AJF ist die Verwendung von AlInGaP-Material für die gelb-orange Emission. Im Vergleich zu älteren GaP-gelben LEDs bietet AlInGaP eine deutlich höhere Lichtausbeute, was zu helleren Anzeigen bei gleichem Strom oder gleichwertiger Helligkeit bei geringerer Leistung führt. Im Vergleich zu roten GaAsP- oder AllnGaP-LEDs bietet es eine deutliche Farbe, die unter bestimmten Umgebungslichtbedingungen leichter lesbar sein kann und für spezifische ästhetische oder funktionale Farbkodierungsanforderungen bevorzugt werden kann. Die Zifferngröße von 0,56 Zoll platziert sie in eine gängige Kategorie für Instrumententafeln und bietet eine gute Balance zwischen Größe und Lesbarkeit.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F1: Welchen Widerstandswert sollte ich mit einer 5V-Versorgung verwenden, um ein Segment mit 15mA zu betreiben?

A1: Unter Verwendung des maximalen V_F-Werts von 2,6V für ein sicheres Design: R = (5V - 2,6V) / 0,015A = 2,4V / 0,015A = 160 Ω. Der nächstgelegene Standardwert von 150 Ω oder 180 Ω wäre geeignet. Überprüfen Sie stets die tatsächliche Helligkeit und den Strom in der Schaltung.

F2: Kann ich die beiden gemeinsamen Anoden-Pins miteinander verbinden?

A2: Ja, die Pins 3 und 8 sind intern verbunden. Sie auf der Leiterplatte miteinander zu verbinden, ist gängige Praxis und hilft, den Strom zu verteilen, was möglicherweise die Helligkeitsgleichmäßigkeit verbessert.

F3: Wie stelle ich die Zahl "7" dar?

A3: Um "7" darzustellen, müssen Sie die Segmente A, B und C beleuchten. Daher müssen Sie bei einer Common-Anode-Konfiguration eine positive Spannung (über einen Vorwiderstand) an die gemeinsame(n) Anode(n) anlegen und die Kathoden-Pins für A (Pin 7), B (Pin 6) und C (Pin 4) mit Masse (niedriges Logikpegel) verbinden.

F4: Warum verringert sich der maximale Dauerstrom oberhalb von 25°C?

A4: Die Verlustleistungsgrenze ist festgelegt. Wenn die Umgebungstemperatur steigt, verringert sich die Temperaturdifferenz zwischen dem LED-Übergang und der Umgebungsluft (der thermische Gradient), was die Wärmeableitung erschwert. Um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur ihren sicheren Grenzwert überschreitet, muss die zulässige Leistung (und damit der Strom für eine gegebene V_F) reduziert werden.

10. Praktisches Designbeispiel

Szenario: Entwurf einer 4-stelligen Voltmeter-Anzeige.

Es wird ein Mikrocontroller mit begrenzten I/O-Pins verwendet. Die vier LTS-5701AJF-Anzeigen sind in einer Multiplex-Konfiguration verbunden. Die Segmentkathoden (A-G, DP) aller vier Ziffern sind parallel geschaltet. Der gemeinsame Anoden-Pin jeder Ziffer wird von einem separaten NPN-Transistor gesteuert, der von einem Mikrocontroller-Pin angesteuert wird. Der Mikrocontroller verwendet einen Timer-Interrupt, um alle 2-5 Millisekunden durch die Ziffern zu zyklieren. Er berechnet die Segmentdaten für die aktive Ziffer und gibt sie an einen Port aus, der über Vorwiderstände mit den gemeinsamen Kathoden verbunden ist. Um bei einem Tastverhältnis von 1/4 eine gute Helligkeit beizubehalten, könnte der Spitzensegmentstrom während seiner aktiven Zeit auf 25-30 mA eingestellt werden (deutlich unter dem gepulsten Nennwert von 60mA), was zu einem mittleren Strom von ~6-7,5 mA pro Segment führt, was sicher ist und ausreichende Helligkeit bietet. Das Design muss die Derating-Berechnung beinhalten, wenn das Gerät in einer heißen Umgebung betrieben werden soll.

11. Einführung in das Technologieprinzip

Das LTS-5701AJF basiert auf einer III-V-Halbleiterverbindung, Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (Al_xIn_yGa_1-x-yP). Die spezifischen Verhältnisse dieser Elemente bestimmen die Bandlückenenergie des Materials, die direkt die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts vorgibt. In diesem Fall ist die Zusammensetzung für eine Bandlücke ausgelegt, die gelb-orangen Photonen (~605-611 nm) entspricht. Wenn eine Durchlassspannung über den PN-Übergang angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich injiziert. Sie rekombinieren strahlend und setzen Energie in Form von Licht frei. Die Verwendung eines nicht transparenten GaAs-Substrats hilft, Streulicht zu absorbieren und verbessert den Kontrast. Die graue Front und die weißen Segmente bestehen aus geformtem Epoxid mit streuenden Pigmenten, was hilft, das Licht gleichmäßig über jedes Segment zu verteilen und den Kontrast zum unbeleuchteten Hintergrund verbessert.

12. Technologietrends

Während diskrete 7-Segment-Anzeigen für viele Anwendungen relevant bleiben, geht der allgemeine Trend in der Displaytechnologie hin zu Integration und Flexibilität. Dazu gehören:

Integration:Mehrstellige Module mit eingebauten Treiber-ICs (z.B. mit SPI/I2C-Schnittstelle) werden immer häufiger, was die Schnittstelle zum Mikrocontroller vereinfacht.

Materialien:Während AlInGaP für Rot-Orange-Gelb effizient ist, bieten neuere Materialien wie InGaN (für Blau/Grün/Weiß) noch höhere Wirkungsgrade. Hybride Anzeigen oder vollfarbig adressierbare LED-Matrizen gewinnen für komplexere Informationsdarstellungen an Popularität.

Bauformen:Es gibt einen ständigen Drang zu dünneren Gehäusen, höherer Helligkeit für Lesbarkeit bei Sonnenlicht und geringerem Stromverbrauch für tragbare Geräte. Die grundlegende Einfachheit, Robustheit und Kosteneffektivität von Standard-7-Segment-LEDs wie dem LTS-5701AJF gewährleisten jedoch ihre fortgesetzte Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen, bei denen eine einfache numerische Ausgabe erforderlich ist.