Datenblatt für 0,56-Zoll-Sieben-Segment-LED-Anzeige - Ziffernhöhe 14,22mm - Durchlassspannung 2,6V - Leistung 70mW - Super-Rot - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen einer Sieben-Segment-LED-Anzeige mit einer Ziffernhöhe von 0,56 Zoll (14,22mm). Das Bauteil ist für Anwendungen konzipiert, die klare, zuverlässige numerische Anzeigen bei geringem Stromverbrauch erfordern. Das zentrale Designkonzept zielt darauf ab, eine hervorragende visuelle Performance durch hohe Helligkeit und Kontrast zu bieten und gleichzeitig die Zuverlässigkeit von Festkörperbauteilen zu gewährleisten.

Die Anzeige nutzt fortschrittliche AlInGaP (Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid) Halbleitertechnologie für ihre lichtemittierenden Segmente. Dieses Materialsystem ist für die Erzeugung von hocheffizientem rotem und bernsteinfarbenem Licht bekannt. Die verwendeten spezifischen Chips werden auf einem nicht-transparenten GaAs (Galliumarsenid)-Substrat gefertigt, was den Kontrast verbessert, indem interne Lichtstreuung und Reflexion minimiert werden. Das Endprodukt verfügt über eine hellgraue Frontplatte mit weißen Segmenten – eine Kombination, die gewählt wurde, um die Lesbarkeit unter verschiedenen Lichtverhältnissen zu erhöhen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Lichttechnische und optische Eigenschaften

Die optische Performance wird unter Standardtestbedingungen bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C charakterisiert. Der Schlüsselparameter, die durchschnittliche Lichtstärke (Iv), hat einen typischen Wert von 700 µcd (Mikrocandela), wenn jedes Segment mit einem Durchlassstrom (IF) von 1mA betrieben wird, mit einem spezifizierten Mindestwert von 320 µcd. Diese Messung erfolgt mit einem Sensor und Filter, die auf die CIE photopische Augenempfindlichkeitskurve kalibriert sind, um sicherzustellen, dass der Wert der menschlichen Wahrnehmung entspricht.

Die Farbcharakteristika werden durch die Wellenlänge definiert. Die Spitzenemissionswellenlänge (λp) beträgt typischerweise 639 nm, während die dominante Wellenlänge (λd) typischerweise 631 nm beträgt, beide gemessen bei IF=20mA. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten und die spektrale Halbwertsbreite (Δλ) von 20 nm beschreiben die spektrale Reinheit und den spezifischen Farbton des emittierten roten Lichts, der in die Kategorie \"Super-Rot\" fällt und eine hohe Sichtbarkeit bietet.

Ein Lichtstärke-Abgleichsverhältnis (IV-m) von 2:1 (maximal) ist spezifiziert. Dieses Verhältnis gibt die maximal zulässige Helligkeitsvariation zwischen den verschiedenen Segmenten eines einzelnen Bauteils unter identischen Betriebsbedingungen an und gewährleistet so ein einheitliches Erscheinungsbild bei der Anzeige von Zahlen.

2.2 Elektrische und thermische Eigenschaften

Die elektrischen Parameter unterstreichen die Eignung des Bauteils für Niedrigenergiesysteme. Die Durchlassspannung pro Segment (VF) liegt im Bereich von 2,0V bis 2,6V bei einem Treiberstrom von 1mA. Der Sperrstrom pro Segment (IR) ist auf maximal 100 µA begrenzt, wenn eine Sperrspannung (VR) von 5V angelegt wird, was die Leckageeigenschaften des Übergangs anzeigt.

Thermische und Leistungsgrenzen sind in den absoluten Maximalwerten definiert. Der zulässige Dauer-Durchlassstrom pro Segment beträgt 25 mA, dieser muss jedoch linear ab 25°C mit einer Rate von 0,33 mA/°C bei steigender Umgebungstemperatur heruntergeregelt werden. Die Verlustleistung pro Segment darf 70 mW nicht überschreiten. Für Pulsbetrieb ist ein Spitzen-Durchlassstrom von 90 mA bei einem Tastverhältnis von 1/10 und einer Pulsbreite von 0,1ms zulässig. Das Bauteil ist für einen Betriebs- und Lagertemperaturbereich von -35°C bis +85°C ausgelegt.

3. Binning- und Selektionssystem

Das Datenblatt gibt an, dass die Bauteile \"nach Lichtstärke kategorisiert\" sind. Dies impliziert einen Binning-Prozess, bei dem gefertigte Einheiten basierend auf ihrer gemessenen Lichtausbeute (Iv) in verschiedene Gruppen oder \"Bins\" sortiert werden. Dies ermöglicht es Entwicklern, Bauteile mit konsistenten Helligkeitsstufen für ihre Anwendung auszuwählen, was für mehrstellige Anzeigen, bei denen Einheitlichkeit entscheidend ist, von großer Bedeutung ist. Während spezifische Bincodes in dieser Zusammenfassung nicht aufgeführt sind, würden typische Bins Bereiche für die Lichtstärke (z.B. 500-600 µcd, 600-700 µcd) und möglicherweise die Durchlassspannung definieren.

4. Analyse der Performance-Kurven

Das Datenblatt verweist auf \"typische elektrische / optische Kennlinien\". Obwohl die spezifischen Graphen im Text nicht bereitgestellt werden, würden Standardkurven für solche Bauteile typischerweise Folgendes umfassen:

• Relative Lichtstärke vs. Durchlassstrom (I-V-Kurve):Dieser Graph zeigt, wie die Lichtausbeute mit dem Treiberstrom zunimmt. Dies ist typischerweise nicht-linear, wobei der Wirkungsgrad bei sehr hohen Strömen oft abnimmt.
• Durchlassspannung vs. Durchlassstrom:Dies zeigt die I-V-Charakteristik der Diode, wichtig für das Design der strombegrenzenden Schaltung.
• Relative Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur:Diese Kurve zeigt, wie die Lichtausbeute mit steigender Sperrschichttemperatur abnimmt – ein kritischer Faktor für das Wärmemanagement im Design.
• Spektrale Verteilung:Eine Darstellung, die die relative Intensität des emittierten Lichts über verschiedene Wellenlängen zeigt, zentriert um die Spitzenwellenlänge von ~639 nm.

Diese Kurven sind wesentlich, um das Verhalten des Bauteils unter nicht-standardisierten Bedingungen zu verstehen und die Treiberschaltung für Effizienz und Langlebigkeit zu optimieren.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Physikalische Abmessungen und Umriss

Die Gehäuseabmessungen des Bauteils sind in einer Zeichnung angegeben (im Text referenziert, aber nicht detailliert). Alle Maße sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,25 mm angegeben, sofern nicht anders vermerkt. Die Ziffernhöhe von 0,56 Zoll (14,22mm) definiert die Gesamtzeichengröße. Das Gehäuse hat eine standardmäßige einstellige 10-Pin-Konfiguration, die für Sieben-Segment-Anzeigen mit einem Dezimalpunkt auf der rechten Seite üblich ist.

5.2 Pinbelegung und Polaritätsidentifikation

Die Anzeige hat eine Common-Cathode-Konfiguration, was bedeutet, dass die Kathoden (negative Anschlüsse) aller LED-Segmente intern verbunden und zu gemeinsamen Pins herausgeführt sind. Dies ist ein gängiges Design für multiplexgesteuerte Ansteuerung. Die Pinbelegung ist explizit definiert:

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

Die Pins 3 und 8 sind beide gemeinsame Kathoden. Das interne Schaltbild zeigt das Standard-Layout mit sieben Segmenten plus Dezimalpunkt, wobei die Anode jedes Segments mit seinem jeweiligen Pin verbunden ist und alle Kathoden zu den gemeinsamen Pins zusammengeführt sind.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Ein wichtiger spezifizierter Montageparameter ist das Löttemperaturprofil. Das Bauteil kann eine Löttemperatur von 260°C für 3 Sekunden aushalten, gemessen 1/16 Zoll (ca. 1,59mm) unterhalb der Auflageebene des Gehäuses. Dies ist ein kritischer Parameter für Wellenlöt- oder Reflow-Prozesse, um thermische Schäden an den LED-Chips oder dem Kunststoffgehäuse zu verhindern. Entwickler müssen sicherstellen, dass ihr Montageprozess diese Zeit-Temperatur-Kombination nicht überschreitet. Für die Lagerung sollte der spezifizierte Bereich von -35°C bis +85°C in einer trockenen Umgebung eingehalten werden, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Diese Anzeige ist ideal für tragbare, batteriebetriebene Geräte, Instrumententafeln, Unterhaltungselektronik und Industrie-Steuerungen, die eine klare, stromsparende numerische Anzeige erfordern. Beispiele sind Multimeter, Timer, Waagen, medizinische Geräte und Geräte-Steuerpanels. Ihr Niedrigstrombetrieb (bis hinunter zu 1mA pro Segment) macht sie geeignet für mikrocontrollergesteuerte Systeme, bei denen GPIO-Pins oft nur begrenzten Strom liefern oder aufnehmen können.

7.2 Designüberlegungen und Schaltungstechnik

Beim Entwurf der Treiberschaltung sind folgende Punkte entscheidend:

• Strombegrenzung:Verwenden Sie stets einen Reihen-Strombegrenzungswiderstand für jede Segmentanode. Der Widerstandswert wird basierend auf der Versorgungsspannung (Vcc), der LED-Durchlassspannung (Vf, für Sicherheit den Maximalwert verwenden) und dem gewünschten Durchlassstrom (If) berechnet: R = (Vcc - Vf) / If.
• Multiplexing:Für mehrstellige Anzeigen ist ein multiplexgesteuertes Ansteuerungsschema Standard. Die gemeinsamen Kathoden jeder Ziffer werden sequentiell geschaltet (gescannt), während die Anoden für die gewünschten Segmente synchron angesteuert werden. Dies reduziert die Anzahl der benötigten Mikrocontroller-Pins und den Gesamtstromverbrauch. Der Spitzenstrom während der kurzen EIN-Zeit kann höher sein als der DC-Nennwert, wie durch die Spitzenstromspezifikation (90mA bei 1/10 Tastverhältnis) erlaubt.
• Mikrocontroller-Schnittstelle:Die Anzeige kann direkt von Mikrocontroller-GPIO-Pins angesteuert werden, wenn der Strom pro Segment innerhalb der Pin-Treiberfähigkeit des MCU liegt (typischerweise 20-25mA). Für höhere Helligkeit oder Multiplexing mit mehr Ziffern werden externe Treiber (z.B. Transistor-Arrays oder spezielle LED-Treiber-ICs) empfohlen.
• Betrachtungswinkel:Das \"Breiter Betrachtungswinkel\"-Merkmal bedeutet, dass die Anzeige auch aus schrägen Positionen lesbar bleibt, was für Panels wichtig ist, die aus verschiedenen Winkeln betrachtet werden.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die primären Unterscheidungsmerkmale dieser Anzeige sind die Verwendung von AlInGaP-Technologie und ihre optimierte Niedrigstrom-Performance. Im Vergleich zu älterer GaAsP- oder GaP-LED-Technologie bietet AlInGaP eine deutlich höhere Lichtausbeute, was zu hellerer Ausgabe bei gleichem Strom oder äquivalenter Helligkeit bei niedrigerem Strom führt. Die explizite Prüfung und Selektion auf \"hervorragende Niedrigstromeigenschaften\" und Segmentabgleich sind wichtige Qualitätssicherungen. Die Fähigkeit, effektiv bei Strömen von nur 1mA pro Segment zu arbeiten, ist ein deutlicher Vorteil für Ultra-Low-Power-Designs gegenüber Anzeigen, die 5-20mA für ausreichende Helligkeit benötigen.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

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

A: Die Spitzenwellenlänge (λp) ist die Wellenlänge, bei der das emittierte Lichtspektrum seine maximale Intensität hat. Die dominante Wellenlänge (λd) ist die Wellenlänge eines reinen monochromatischen Lichts, das für das menschliche Auge die gleiche Farbe wie das LED-Licht hätte. λd ist relevanter für die Farbwahrnehmung.

F: Kann ich diese Anzeige ohne Strombegrenzungswiderstände betreiben?

A: Nein. LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Ein direkter Anschluss an eine Spannungsquelle führt zu übermäßigem Stromfluss, der die LED aufgrund thermischer Überlastung möglicherweise sofort zerstört. Ein Reihenwiderstand oder eine Konstantstromschaltung ist zwingend erforderlich.

F: Das Datenblatt zeigt zwei gemeinsame Kathoden-Pins (3 und 8). Muss ich beide anschließen?

A: Ja, für optimale Performance und Stromverteilung sollten beide gemeinsamen Kathoden-Pins in Ihrer Schaltung mit Masse (oder der Stromsenke) verbunden werden. Dies hilft, die thermische Last auszugleichen und eine gleichmäßige Segmenthelligkeit sicherzustellen.

F: Wie berechne ich den passenden Widerstandswert für eine 5V-Versorgung und 10mA Segmentstrom?

A: Unter Verwendung des maximalen Vf von 2,6V: R = (5V - 2,6V) / 0,01A = 240 Ohm. Der nächstgelegene Standardwert (220 oder 270 Ohm) würde verwendet werden. Überprüfen Sie stets, ob die tatsächliche Helligkeit Ihren Anforderungen entspricht.

10. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf eines 4-stelligen, batteriebetriebenen digitalen Timers.

Das Ziel ist die Maximierung der Batterielebensdauer bei guter Lesbarkeit. Die Anzeige wird von einem Low-Power-Mikrocontroller mittels eines Multiplexing-Schemas angesteuert.

Implementierung:Die gemeinsamen Kathoden der vier Ziffern sind mit vier NPN-Transistoren (oder einem Transistor-Array-IC) verbunden, die von MCU-Pins gesteuert werden. Die sieben Segmentanoden (A-G) und der Dezimalpunkt sind über individuelle Strombegrenzungswiderstände mit MCU-Ausgangspins verbunden. Der MCU führt einen Timer-Interrupt aus (z.B. bei 1kHz). In jedem Interrupt-Zyklus schaltet er alle Ziffernkathoden aus, setzt die Anodenpins auf das Segmentmuster für die nächste Ziffer in der Sequenz und schaltet dann den Kathodentransistor dieser Ziffer ein. Dies durchläuft schnell alle vier Ziffern und erzeugt den Eindruck, dass alle Ziffern gleichzeitig leuchten.

Leistungsoptimierung:Durch das Betreiben jedes Segments mit nur 2-3mA (gut innerhalb der Spezifikation) und die Verwendung eines 1:4-Multiplexing-Tastverhältnisses ist der durchschnittliche Strom pro Segment sehr niedrig, was die Batterielebensdauer im Vergleich zur statischen (nicht multiplexgesteuerten) Ansteuerung erheblich verlängert. Der hohe Wirkungsgrad der AlInGaP-LEDs stellt sicher, dass die Anzeige auch bei diesen niedrigen Durchschnittsströmen klar sichtbar bleibt.

11. Einführung in das technische Prinzip

Eine Sieben-Segment-LED-Anzeige ist eine Anordnung einzelner Leuchtdioden (LEDs) in einer Achterform. Jedes der sieben Hauptsegmente (bezeichnet mit A bis G) ist eine separate LED, und eine zusätzliche LED dient als Dezimalpunkt (DP). Durch selektives Ansteuern spezifischer Kombinationen dieser Segmente können alle Dezimalziffern (0-9) und einige Buchstaben dargestellt werden.

Das zugrundeliegende Prinzip der Lichtemission ist die Elektrolumineszenz in einem Halbleiter-p-n-Übergang. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die die Bandlücken-Spannung der Diode übersteigt, rekombinieren Elektronen aus dem n-dotierten Bereich mit Löchern aus dem p-dotierten Bereich in der aktiven Schicht (in diesem Fall aus AlInGaP). Diese Rekombination setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Wellenlänge (Farbe) des Lichts wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt. AlInGaP hat eine Bandlücke, die rotem/orangefarbenem/bernsteinfarbenem Licht entspricht. Das nicht-transparente GaAs-Substrat absorbiert Streulicht und verbessert so den Kontrast, indem es verhindert, dass dieses Licht durch die Seiten oder die Rückseite des Chips gestreut wird.

12. Technologietrends und Kontext

Während neuere Displaytechnologien wie OLED und hochauflösende Punktmatrix-LEDs existieren, bleibt die Sieben-Segment-LED-Anzeige eine robuste, kostengünstige und hochzuverlässige Lösung für Anwendungen, die einfache numerische Ausgaben erfordern. Der Trend in diesem Segment geht hin zu höherer Effizienz (mehr Licht pro Watt), niedrigeren Betriebsspannungen zur Anpassung an moderne Logikpegel und verbesserter Konsistenz (engeres Binning). AlInGaP-Technologie stellt einen bedeutenden Schritt in der Effizienz gegenüber älteren Materialien dar. Darüber hinaus wird zunehmend Wert auf Displays gelegt, die unter sehr niedrigen Treiberströmen gut funktionieren, um energieeffiziente und batteriebetriebene Internet-of-Things (IoT)-Geräte zu ermöglichen. Das in diesem Datenblatt beschriebene Bauteil, mit seinem Fokus auf Niedrigstrombetrieb und kategorisierter Lichtstärke, passt gut zu diesen Branchentrends hin zu Effizienz, Zuverlässigkeit und Designflexibilität für tragbare Elektronik.