LTC-4727JD LED-Anzeige Datenblatt - 0,4-Zoll Zeichenhöhe - Hyper Rot (650nm) - 2,6V Durchlassspannung - 70mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die LTC-4727JD ist ein 4-stelliges 7-Segment-Alphanumerik-Anzeigemodul, das für Anwendungen konzipiert ist, die klare, helle numerische Anzeigen erfordern. Ihre Hauptfunktion ist die visuelle Darstellung numerischer Daten über einzeln ansteuerbare Segmente. Das Bauteil ist mit fortschrittlichen AlInGaP (Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid) LED-Chips aufgebaut, die auf einem nicht transparenten GaAs-Substrat montiert sind. Diese Materialwahl ist entscheidend für die Leistung des Bauteils, da AlInGaP-Halbleiter für ihre hohe Effizienz und ausgezeichnete Lichtausbeute im roten bis bernsteinfarbenen Spektralbereich bekannt sind. Die visuelle Darstellung zeichnet sich durch eine graue Frontplatte mit weißen Segmentmarkierungen aus, die für hohen Kontrast und optimale Lesbarkeit unter verschiedenen Lichtverhältnissen sorgt.

Der Kernvorteil dieser Anzeige liegt in ihrer soliden Zuverlässigkeit, die aus der LED-Technologie resultiert und eine deutlich längere Betriebsdauer im Vergleich zu älteren Technologien wie Vakuum-Fluoreszenz- oder Glühlampenanzeigen bietet. Sie ist nach Lichtstärke kategorisiert, was bedeutet, dass Einheiten gebinnt und getestet werden, um einheitliche Helligkeitsniveaus sicherzustellen. Das Gehäuse entspricht den Anforderungen der bleifreien Fertigung. Das Design der Anzeige priorisiert ausgezeichnetes Zeichenerscheinungsbild, hohe Helligkeit und einen weiten Betrachtungswinkel, was sie sowohl für Verbraucher- als auch für Industrieschnittstellen geeignet macht, bei denen Lesbarkeit aus mehreren Winkeln entscheidend ist.

1.1 Tiefgehende objektive Interpretation technischer Parameter

1.1.1 Lichttechnische & Optische Kennwerte

Die optische Leistung ist unter Standardtestbedingungen bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C definiert. Der Schlüsselparameter, die durchschnittliche Lichtstärke (Iv), hat einen spezifizierten Bereich von mindestens 200 µcd bis maximal 650 µcd bei einem Durchlassstrom (IF) von 1mA. Dieser Bereich zeigt den Produktions-Binning-Prozess an, bei dem Bauteile basierend auf ihrer tatsächlichen Ausgangsleistung sortiert werden. Der typische Wert dient als zentraler Referenzpunkt für Designberechnungen. Das Lichtstärke-Anpassungsverhältnis für ähnliche Lichtbereiche ist mit maximal 2:1 spezifiziert, was entscheidend für eine gleichmäßige Helligkeit über alle Segmente und Ziffern hinweg ist und ein fleckiges oder ungleichmäßiges Erscheinungsbild verhindert.

Die Farbcharakteristika werden durch die Wellenlänge definiert. Die Spitzen-Emissionswellenlänge (λp) beträgt typischerweise 650 Nanometer (nm), was die Ausgabe in den hyper-roten Bereich des Spektrums einordnet. Die dominante Wellenlänge (λd) ist mit 639 nm spezifiziert. Es ist wichtig, den Unterschied zu verstehen: Die Spitzenwellenlänge ist der Punkt der maximalen spektralen Leistung, während die dominante Wellenlänge die vom menschlichen Auge wahrgenommene Einzelwellenlänge der Farbe ist. Die spektrale Halbwertsbreite (Δλ) beträgt 20 nm, was auf die schmale Bandbreite des emittierten Lichts hinweist und zu einer reinen, gesättigten roten Farbe beiträgt.

1.1.2 Elektrische Parameter

Die elektrischen Kennwerte definieren die Betriebsgrenzen und -bedingungen für das Bauteil. Die absoluten Maximalwerte setzen die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden auftreten können. Der kontinuierliche Durchlassstrom pro Segment ist mit 25 mA bewertet. Ein Derating-Faktor von 0,33 mA/°C gilt linear ab 25°C, was bedeutet, dass der maximal sichere Dauerstrom mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Dies ist eine kritische Designüberlegung für das thermische Management. Für gepulsten Betrieb ist unter spezifischen Bedingungen ein höherer Spitzen-Durchlassstrom von 90 mA zulässig: ein 1/10 Tastverhältnis und eine 0,1ms Pulsbreite. Dies ermöglicht Multiplexing-Schemata, bei denen höhere Momentanströme verwendet werden können, um eine wahrgenommene Helligkeit zu erreichen, während die Durchschnittsleistung niedrig gehalten wird.

Die Durchlassspannung (VF) pro Segment liegt im Bereich von 2,1V bis 2,6V bei IF=20mA. Dieser Parameter ist wesentlich für die Auslegung der strombegrenzenden Schaltung, typischerweise Widerstände oder Konstantstromtreiber. Die Sperrspannung (VR) ist mit 5V bewertet, und der Sperrstrom (IR) beträgt maximal 100 µA bei dieser Spannung, was die Leckage-Charakteristik der Diode im Sperrzustand anzeigt. Die Verlustleistung pro Segment ist auf 70 mW begrenzt, was direkt mit dem thermischen Design der Anwendung zusammenhängt.

1.1.3 Thermische & Umgebungsspezifikationen

Das Bauteil ist für einen Betriebstemperaturbereich von -35°C bis +105°C ausgelegt. Dieser weite Bereich macht es für Anwendungen in rauen Umgebungen geeignet, einschließlich Industrie-Steuerungen und Automobil-Innenräumen (nicht-kritische Bereiche). Der identische Lagerungstemperaturbereich stellt sicher, dass das Bauteil diese Extreme auch im stromlosen Zustand aushält. Die Löt-Reflow-Bedingung ist explizit angegeben: Die Komponente kann 260°C für 3 Sekunden ausgesetzt werden, gemessen 1/16 Zoll (ca. 1,59 mm) unterhalb der Auflageebene. Diese Information ist für Leiterplatten-Bestückungsprozesse entscheidend, um thermische Schäden während des Lötens zu verhindern.

1.2 Erklärung des Binning-Systems

Das Datenblatt zeigt an, dass das Bauteil "nach Lichtstärke kategorisiert" ist. Dies impliziert einen Binning-Prozess, bei dem gefertigte Einheiten getestet und basierend auf ihrer gemessenen Lichtausbeute bei einem Standardteststrom (wahrscheinlich 1mA oder 20mA) in Gruppen (Bins) sortiert werden. Designer können Bins auswählen, um eine einheitliche Helligkeit über mehrere Anzeigen in einem einzelnen Produkt hinweg sicherzustellen. Obwohl in diesem Dokument nicht explizit mit Bin-Codes detailliert, ermöglicht ein solches System die Beschaffung von Teilen mit garantierter minimaler oder typischer Lichtstärke, was für Anwendungen, die einheitliche visuelle Leistung erfordern, entscheidend ist.

1.3 Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf "Typische elektrische / optische Kennlinienkurven", die wesentliche Werkzeuge zum Verständnis des Bauteilverhaltens über Ein-Punkt-Spezifikationen hinaus sind. Obwohl die spezifischen Kurven im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, würden typische Kurven für solche Bauteile umfassen:

• Relative Lichtstärke vs. Durchlassstrom (I-V-Kurve):Diese Kurve zeigt, wie die Lichtausbeute mit dem Strom ansteigt. Sie ist typischerweise nichtlinear, wobei die Effizienz bei sehr hohen Strömen aufgrund thermischer Effekte oft abfällt.
• Durchlassspannung vs. Durchlassstrom:Dies zeigt die IV-Charakteristik der Diode, wichtig für die Berechnung von Spannungsabfällen und Stromversorgungsanforderungen.
• Relative Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur:Diese Kurve demonstriert den thermischen Quenching-Effekt, bei dem die LED-Ausgabe mit steigender Sperrschichttemperatur abnimmt. Dies zu verstehen ist der Schlüssel für Designs, die bei hohen Umgebungstemperaturen arbeiten.
• Spektrale Verteilung:Ein Diagramm, das die relative Leistung über Wellenlängen zeigt, zentriert um das 650nm Maximum mit der spezifizierten 20nm Halbwertsbreite.

Diese Kurven ermöglichen es Designern, die Ansteuerbedingungen für einen Ausgleich zwischen Helligkeit, Effizienz und Langlebigkeit zu optimieren.

2. Mechanische & Verpackungsinformationen

2.1 Abmessungen & Umrisszeichnung

Die Gehäusezeichnung liefert kritische mechanische Daten. Alle primären Abmessungen sind in Millimetern angegeben. Die Standardtoleranz für diese Abmessungen beträgt ±0,25 mm, sofern nicht eine spezifische Merkmalanmerkung etwas anderes angibt. Eine wichtige Anmerkung spezifiziert eine Pin-Spitzen-Verschiebungstoleranz von +0,4 mm, die potenzielle geringfügige Fehlausrichtung der Anschlüsse während des Spritzgussprozesses berücksichtigt und die Leiterplattenlochplatzierung oder Sockelauslegung beeinflusst. Die Gesamtgröße wird durch die 0,4-Zoll (10,0 mm) Ziffernhöhe bestimmt, die sich auf die physikalische Höhe eines einzelnen numerischen Zeichens bezieht.

2.2 Pinbelegung & Anschlussdiagramm

Das Bauteil hat eine 16-Pin-Konfiguration, obwohl nicht alle Positionen bestückt oder verbunden sind. Es ist alsMultiplex Common CathodeAnzeige konfiguriert. Diese Architektur ist grundlegend für ihren Betrieb:

• Gemeinsame Kathoden:Die Pins 1, 2, 4, 6 und 8 sind die gemeinsamen Kathodenanschlüsse für Ziffer 1, Ziffer 2, eine Gruppe von Segmenten (L1,L2,L3), Ziffer 3 bzw. Ziffer 4. In einem Multiplexing-Schema werden diese Kathoden sequentiell auf Masse geschaltet, um auszuwählen, welche Ziffer aktiv ist.
• Segment-Anoden:Die Pins 3, 5, 7, 11, 13, 14, 15 und 16 sind die Anodenanschlüsse für die einzelnen Segmente (A, B, C, D, E, F, G, DP) und einige Doppelpunkt/Satzzeichen-Segmente (L1, L2, L3). Die entsprechenden Anoden werden auf High-Pegel gesetzt (über einen strombegrenzenden Widerstand), um spezifische Segmente der aktuell ausgewählten Ziffer zu beleuchten.
• Das interne Schaltbild zeigt die Verbindung dieser Anoden und Kathoden, die eine Matrix bilden, die die Steuerung von 4 Ziffern und einem Dezimalpunkt/Doppelpunkt mit nur 13 effektiven Signalleitungen ermöglicht, anstelle der 36+ Leitungen, die eine statische Ansteuerung erfordern würde.

3. Löt- & Bestückungsrichtlinien

Der Abschnitt der absoluten Maximalwerte liefert den Schlüssel-Lötparameter: Das Bauteil kann einer Löttemperatur von 260°C für 3 Sekunden standhalten, gemessen an einem Punkt 1,59 mm (1/16 Zoll) unterhalb der Auflageebene. Dies ist eine Standard-Reflow-Profilreferenz. Für Handlötung sollte eine niedrigere Temperatur und kürzere Kontaktzeit verwendet werden, um lokale Überhitzung zu verhindern. Es ist entscheidend sicherzustellen, dass die Temperatur des LED-Gehäuses selbst während eines beliebigen Teils des Bestückungsprozesses die maximale Lagerungstemperaturbewertung nicht überschreitet. Richtige ESD (Elektrostatische Entladung) Handhabungsverfahren sollten befolgt werden, da LED-Chips empfindlich gegenüber statischer Elektrizität sind.

4. Anwendungsvorschläge

4.1 Typische Anwendungsszenarien

Diese Anzeige ist ideal für Anwendungen, die eine kompakte, zuverlässige und helle numerische Anzeige erfordern. Häufige Verwendungen umfassen:

• Test- und Messgeräte:Digitale Multimeter, Frequenzzähler, Netzteile.
• Industriesteuerungen:Pultinstrumente für Temperatur, Druck, U/min, Zähleranzeigen.
• Unterhaltungselektronik:Audio-Geräte (Verstärker-Lautstärke/Anzeigen), Küchengeräte, Uhren.
• Automobil-Zubehör:Instrumente und Anzeigemodule (wo die Umgebungsspezifikationen geeignet sind).

4.2 Designüberlegungen & Schaltungsimplementierung

Das Ansteuern dieser Anzeige erfordert einen Multiplexing-Controller, der ein dedizierter Display-Treiber-IC (wie der MAX7219 oder TM1637) oder ein Mikrocontroller mit ausreichend I/O-Pins und Software sein kann. Das Design muss berücksichtigen:

• Strombegrenzung:Ein Widerstand muss in Reihe mit jeder Segment-Anode (oder einer Gruppe von Anoden bei Verwendung eines Konstantstromtreibers) geschaltet werden, um den Durchlassstrom einzustellen. Der Wert wird mit R = (Vcc - VF) / IF berechnet. Unter Verwendung des maximalen VF von 2,6V und einer 5V-Versorgung mit einem Ziel-IF von 10mA, R = (5 - 2,6) / 0,01 = 240 Ohm.
• Multiplexing-Frequenz:Die Aktualisierungsrate muss hoch genug sein, um sichtbares Flackern zu vermeiden, typischerweise über 60-100 Hz pro Ziffer. Bei 4 Ziffern muss die Abtastfrequenz 240-400 Hz betragen.
• Spitzenstrom vs. Durchschnittsstrom:Um eine gewünschte Durchschnittshelligkeit zu erreichen, kann der Spitzenstrom während der kurzen EIN-Zeit höher sein. Wenn das Tastverhältnis 1/4 (für 4 Ziffern) beträgt, ergibt ein Spitzenstrom von 20mA einen Durchschnittsstrom von 5mA pro Segment, was innerhalb der Dauerbewertung bleibt.
• Wärmeableitung:Sicherstellen, dass die durchschnittliche Verlustleistung pro Segment (IF * VF * Tastverhältnis) 70mW nicht überschreitet, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen.

5. Technischer Vergleich & Differenzierung

Die LTC-4727JD differenziert sich durch die Verwendung von AlInGaP-Technologie auf einem GaAs-Substrat. Im Vergleich zu älteren GaP (Galliumphosphid) roten LEDs bietet AlInGaP eine deutlich höhere Lichtausbeute, was zu helleren Anzeigen bei gleichem Strom oder geringerem Stromverbrauch bei gleicher Helligkeit führt. Das nicht transparente Substrat hilft, den Kontrast zu verbessern, indem es interne Lichtstreuung verhindert. Das Merkmal "kontinuierliche gleichmäßige Segmente" deutet auf ein hochwertiges Die- und Linsendesign hin, das Lücken oder ungleichmäßige Beleuchtung innerhalb eines Segments vermeidet. Das bleifreie Gehäuse stellt die Einhaltung moderner Umweltvorschriften (RoHS) sicher.

6. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Unterschied zwischen Spitzenwellenlänge und dominanter Wellenlänge?

A: Die Spitzenwellenlänge ist der physikalische Punkt der höchsten spektralen Leistungsabgabe der LED. Die dominante Wellenlänge ist der vom menschlichen Auge wahrgenommene Farbpunkt, berechnet aus dem vollen Spektrum. Sie unterscheiden sich oft leicht.

F: Kann ich diese Anzeige mit einem 3,3V-Mikrocontroller ansteuern?

A: Ja, aber Sie müssen die Durchlassspannung überprüfen. Mit einem maximalen VF von 2,6V bleibt nur ein Spielraum von 0,7V (3,3V - 2,6V) für den strombegrenzenden Widerstand. Dieser kleine Spannungsabfall macht den Strom empfindlicher gegenüber Schwankungen in VF. Ein Konstantstromtreiber wird für 3,3V-Systeme empfohlen, oder verwenden Sie einen niedrigeren Zielstrom.

F: Warum gibt es einen Derating-Faktor für den Durchlassstrom?

A: LEDs erzeugen Wärme an der Halbleitersperrschicht. Wenn die Umgebungstemperatur steigt, erhöht sich die Sperrschichttemperatur bei gegebener Verlustleistung. Der Derating-Faktor senkt den maximal zulässigen Strom, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur ihren Maximalwert überschreitet, was die Lebensdauer drastisch reduzieren oder einen Ausfall verursachen würde.

F: Was bedeutet "Multiplex Common Cathode" für meine Treiberschaltung?

A: Es bedeutet, dass Sie eine Ziffer nach der anderen einschalten, indem Sie ihren gemeinsamen Kathodenpin auf Masse (Low) legen. Sie legen dann Spannung an die Segment-Anodenpins für das Muster an, das Sie auf dieser Ziffer haben möchten. Sie durchlaufen schnell alle Ziffern. Das menschliche Auge integriert das Licht, wodurch alle Ziffern kontinuierlich beleuchtet erscheinen.

7. Praktische Implementierungs-Fallstudie

Betrachten Sie den Entwurf eines einfachen 4-stelligen Voltmeters unter Verwendung eines Mikrocontrollers und dieser Anzeige. Der ADC des Mikrocontrollers liest eine Spannung, wandelt sie in eine Zahl um und steuert die Anzeige an. Der Mikrocontroller hätte 8 I/O-Pins, die über strombegrenzende Widerstände mit den Segment-Anoden (A-G, DP) verbunden sind. Vier zusätzliche I/O-Pins würden NPN-Transistoren (oder einen Transistor-Array-IC) steuern, die den Strom von den vier Ziffern-Kathodenpins (1, 2, 6, 8) ziehen. Pin 4 (gemeinsame Kathode für Doppelpunkte) könnte mit Masse verbunden werden, wenn die Doppelpunkte immer eingeschaltet sind, oder separat gesteuert werden. Die Firmware würde einen Timer-Interrupt implementieren, um die Anzeige zu aktualisieren. In der Interrupt-Routine würde sie alle Ziffern-Kathoden ausschalten, das Segmentmuster für die nächste Ziffer an den Anodenport ausgeben und dann die Kathode dieser Ziffer einschalten. Dieser Prozess wiederholt sich für jede Ziffer und erzeugt eine stabile, flimmerfreie Anzeige.

8. Einführung in das Betriebsprinzip

Das grundlegende Betriebsprinzip basiert auf Elektrolumineszenz in einem Halbleiter-P-N-Übergang. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die die Schwellenspannung der Diode überschreitet, rekombinieren Elektronen aus der N-Typ AlInGaP-Region mit Löchern aus der P-Typ-Region. Dieses Rekombinationsereignis setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Wellenlänge von 650 nm (rot) wird durch die Bandlückenenergie des AlInGaP-Halbleitermaterials bestimmt, die während des Kristallwachstumsprozesses entwickelt wird. Das nicht transparente GaAs-Substrat absorbiert nach unten emittiertes Licht und verbessert so den Kontrast. Die einzelnen Segmente werden durch mehrere LED-Chips oder einen einzelnen Chip mit einer strukturierten Anode gebildet, die intern mit den Gehäusepins verbunden sind. Das Multiplexing-Schema ist eine elektrische Technik, um die Anzahl der benötigten Steuerleitungen zu reduzieren, indem die Nachbildwirkung des menschlichen Auges ausgenutzt wird.

9. Technologietrends

Während AlInGaP eine Hochleistungstechnologie für rote und bernsteinfarbene LEDs bleibt, beeinflussen breitere Display-Industrietrends solche Komponenten. Es gibt einen kontinuierlichen Trend zu höherer Effizienz (mehr Lumen pro Watt), was hellere Anzeigen bei geringerer Leistung oder reduzierter Wärmeentwicklung ermöglicht. Miniaturisierung ist ein weiterer Trend, obwohl die Ziffernhöhe oft durch Lesbarkeitsanforderungen begrenzt ist. Integration ist ein bedeutender Trend; moderne Anzeigemodule beinhalten oft den Treiber-IC, Controller und manchmal sogar einen Mikrocontroller im selben Gehäuse, was die Schnittstelle auf einen einfachen seriellen Bus (I2C oder SPI) vereinfacht. Diskrete Anzeigen wie die LTC-4727JD bleiben jedoch für kostensensitive Designs, benutzerdefinierte Layouts oder Anwendungen, bei denen die Steuerelektronik zentralisiert ist, entscheidend. Der Übergang zu blei- und halogenfreien Materialien gemäß globaler Umweltvorschriften ist heute Standard. Zukünftige Entwicklungen könnten weitere Effizienzsteigerungen durch neue Substratmaterialien oder Chipdesigns bringen, aber die Kern-Multiplexed-Seven-Segment-Architektur bleibt eine zuverlässige und kosteneffektive Lösung für numerische Anzeigeanforderungen.