LSHD-5503 LED-Anzeige Datenblatt - 0,56-Zoll Ziffernhöhe - AlInGaP Rot - 2,6V Durchlassspannung - 70mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die LSHD-5503 ist ein hochleistungsfähiges Einzelziffern-Anzeigemodul, das für Anwendungen konzipiert ist, die klare, helle und zuverlässige numerische Anzeigen erfordern. Ihre Kerntechnologie basiert auf fortschrittlichen Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AS-AlInGaP) roten LED-Chips, die epitaktisch auf einem Galliumarsenid (GaAs)-Substrat gewachsen werden. Dieses Materialsystem ist für seinen hohen Wirkungsgrad und seine ausgezeichnete Farbreinheit im roten Spektrum bekannt. Das Bauteil verfügt über eine hellgraue Frontplatte mit weißen Segmentabgrenzungen, die für hohen Kontrast und optimale Lesbarkeit unter verschiedenen Lichtverhältnissen sorgt. Die primären Designziele sind niedriger Stromverbrauch, hohe Helligkeitsabgabe, gleichmäßige Segmentausleuchtung und die Zuverlässigkeit von Festkörperbauteilen, was es für die Integration in eine Vielzahl von Konsumgütern, Industrie- und Messgeräten geeignet macht, bei denen die numerische Datendarstellung entscheidend ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Die Leistung der LSHD-5503 wird durch einen umfassenden Satz elektrischer und optischer Parameter definiert, die jeweils für einen korrekten Schaltungsentwurf und die Leistungsvorhersage entscheidend sind.

2.1 Lichttechnische und optische Eigenschaften

Die Leuchtleistung ist ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal. Die durchschnittliche Lichtstärke pro Segment wird mit Minimal-, Typ- und Maximalwerten unter verschiedenen Ansteuerbedingungen spezifiziert. Bei einem Durchlassstrom (I_F) von 1 mA liegt die Intensität zwischen 320 μcd (min) und 1300 μcd (max), wobei ein typischer Wert angegeben ist. Bei einem höheren Treiberstrom von 10 mA steigt die typische Intensität signifikant auf 5400 μcd, was die Fähigkeit des Bauteils für Hochhelligkeitsanwendungen demonstriert. Das Lichtstärkeverhältnis zwischen den Segmenten ist mit maximal 2:1 bei I_F=1mA spezifiziert, was eine visuelle Gleichmäßigkeit über die Ziffer hinweg sicherstellt. Die dominante Wellenlänge (λ_d) beträgt 624 nm, und die Spitzenemissionswellenlänge (λ_p) beträgt 632 nm bei I_F=20mA, was sie fest im roten Bereich des sichtbaren Spektrums verortet. Die spektrale Halbwertsbreite (Δλ) beträgt 20 nm, was auf eine relativ schmale spektrale Bandbreite hinweist, die zur reinen roten Farbe beiträgt.

2.2 Elektrische Eigenschaften

Die Durchlassspannung (V_F) pro Segment liegt zwischen 2,1V (min) und 2,6V (max), wenn sie mit 20 mA betrieben wird. Dieser Parameter ist wesentlich für die Berechnung des notwendigen Vorwiderstandswertes in einer Schaltung: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F. Der Sperrstrom (I_R) ist auf maximal 100 μA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V begrenzt, was eine Standardtestbedingung und kein Dauerbetriebsmodus ist.

2.3 Absolute Maximalwerte und Wärmemanagement

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden auftreten können. Der Dauer-Durchlassstrom pro Segment beträgt 25 mA. Der Spitzen-Durchlassstrom pro Segment ist mit 90 mA spezifiziert, jedoch nur unter gepulsten Bedingungen (1 kHz Frequenz, 15% Tastverhältnis), was für Multiplexing-Schemata nützlich ist, um eine höhere wahrgenommene Helligkeit zu erreichen. Die Verlustleistung pro Segment beträgt 70 mW, berechnet als V_F* I_F. Ein Durchlassstrom-Derating-Faktor von 0,28 mA/°C wird oberhalb einer Umgebungstemperatur (T_a) von 25°C spezifiziert. Das bedeutet, dass für jedes Grad Celsius über 25°C der maximal zulässige Dauerstrom um 0,28 mA reduziert werden muss, um eine Überhitzung zu verhindern. Beispielsweise wäre bei 50°C der maximale Strom 25 mA - (0,28 mA/°C * 25°C) = 18 mA. Der Betriebs- und Lagertemperaturbereich liegt zwischen -35°C und +105°C, was auf Robustheit für raue Umgebungen hinweist.

3. Binning- und Klassifizierungssystem

Das Datenblatt gibt ausdrücklich an, dass die Bauteile "nach Lichtstärke gebinnt" werden. Dies ist ein entscheidender Qualitätskontroll- und Auswahlprozess. Während der Fertigung treten Schwankungen auf. Beim Binning wird die Lichtausbeute jedes Bauteils bei einem Standard-Teststrom (wahrscheinlich 1 mA oder 10 mA gemäß Datenblatt) gemessen und in spezifische Intensitätsbereiche oder "Bins" gruppiert. Dies ermöglicht es Konstrukteuren, Bauteile mit konsistenter Helligkeit für ihre Anwendung auszuwählen, um ein einheitliches Erscheinungsbild in Mehrfachanzeigen oder über verschiedene Produkte hinweg sicherzustellen. Während das Datenblatt den Gesamt-Min/Max-Bereich angibt, werden spezifische Bincodes und ihre entsprechenden Intensitätsbereiche typischerweise in einem separaten Binning-Dokument des Herstellers definiert.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf "Typische elektrische / optische Kennlinienkurven", die für das Verständnis des Bauteilverhaltens über Ein-Punkt-Spezifikationen hinaus wesentlich sind. Obwohl die spezifischen Graphen im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, umfassen Standardkurven für solche Bauteile typischerweise:

• Relative Lichtstärke vs. Durchlassstrom (I_Vvs. I_F):Zeigt, wie die Lichtausgabe mit dem Strom zunimmt, üblicherweise bei höheren Strömen aufgrund von Erwärmung und Effizienzabfall in einer sublinearen Weise.
• Durchlassspannung vs. Durchlassstrom (V_Fvs. I_F):Demonstriert die Dioden-I-V-Kennlinie, entscheidend für den Treiberentwurf.
• Relative Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur (I_Vvs. T_a):Veranschaulicht, wie die Lichtausgabe mit steigender Sperrschichttemperatur abnimmt, und unterstreicht die Bedeutung des Wärmemanagements.
• Spektrale Verteilung:Eine Darstellung der relativen Intensität gegenüber der Wellenlänge, die das Maximum bei ~632 nm und die 20 nm Halbwertsbreite zeigt.

Diese Kurven ermöglichen es Ingenieuren, die Leistung unter nicht standardmäßigen Bedingungen (z.B. verschiedene Treiberströme, Temperaturen) zu modellieren und ihre Designs zu optimieren.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die LSHD-5503 hat eine Ziffernhöhe von 0,56 Zoll (14,22 mm). Die Gehäuseabmessungen werden in einer detaillierten Zeichnung mit allen kritischen Maßen in Millimetern angegeben. Toleranzen betragen im Allgemeinen ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben. Diese Information ist entscheidend für das PCB-Footprint-Design, um einen korrekten Sitz im Gehäuse sicherzustellen und die Ausrichtung des Dezimalpunkts beizubehalten. Das Gehäuse beherbergt die LED-Chips, die hellgraue Front/weiße Segmentmaske und die Anschlusspins.

6. Pinbelegung und interner Schaltkreis

Das Bauteil hat eine standardmäßige 10-Pin-Konfiguration für eine 7-Segment-Anzeige plus Dezimalpunkt. Es verwendet eineCommon Cathode-Architektur. Das bedeutet, die Kathoden (negative Anschlüsse) aller LED-Segmente sind intern miteinander verbunden und zu den Pins 3 und 8 herausgeführt, die ebenfalls miteinander verbunden sind. Die Anoden (positive Anschlüsse) jedes einzelnen Segments (A bis G) und des Dezimalpunkts (DP) werden zu separaten Pins herausgeführt (1, 2, 4, 5, 6, 7, 9, 10). Das interne Schaltbild stellt diese Anordnung visuell dar und zeigt acht einzelne LEDs (sieben Segmente + DP) mit isolierten Anoden und Kathoden, die mit dem gemeinsamen Knoten verbunden sind. Diese Konfiguration ist ideal für Multiplexing, bei dem die Ziffern nacheinander in schneller Folge eingeschaltet werden.

7. Löt- und Montagerichtlinien

Die absoluten Maximalwerte umfassen spezifische Lötbedingungen: Das Bauteil kann einer Lötkolbentemperatur von 260°C für 5 Sekunden ausgesetzt werden, unter der Bedingung, dass die Lötspitze mindestens 1/16 Zoll (ca. 1,6 mm) unterhalb der Auflageebene des Gehäuses sein muss. Dies ist eine kritische Anweisung, um zu verhindern, dass übermäßige Hitze die Pins hinaufsteigt und die internen LED-Chips oder das Kunststoffgehäuse beschädigt. Für Wellen- oder Reflow-Lötung muss das Profil sorgfältig kontrolliert werden, um innerhalb der thermischen Grenzen des Gehäuses zu bleiben, typischerweise unter Bezugnahme auf den IPC/JEDEC J-STD-020-Standard für Feuchtigkeitssensitivität und Reflow-Profile, obwohl hier nicht explizit angegeben. Während der Montage sollten stets ordnungsgemäße ESD-Schutzmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) befolgt werden.

8. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

Die LSHD-5503 eignet sich für jede Anwendung, die eine helle, zuverlässige Einzelziffernanzeige erfordert. Häufige Anwendungen sind: Prüf- und Messgeräte (Multimeter, Frequenzzähler), industrielle Bedienfelder (Temperaturanzeigen, Zähleranzeigen), Konsumgeräte (Mikrowellenherde, Waschmaschinen, Audiogeräte), Automotive-Zubehörinstrumente und Kassenterminals.

8.2 Kritische Designaspekte

• Strombegrenzung:LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Ein Vorwiderstand muss mit jedem Segment (oder ein Konstantstromtreiber) verwendet werden, um den Durchlassstrom auf einen sicheren Wert (≤25 mA Dauer) zu begrenzen. Der Widerstandswert wird unter Verwendung der Versorgungsspannung und des Durchlassspannungsabfalls aus dem Datenblatt berechnet.
• Multiplexing:Für Mehrfachanzeigen ist ein Common-Cathode-Bauteil wie die LSHD-5503 ideal. Ein Mikrocontroller kann nacheinander die gemeinsame Kathode einer Ziffer aktivieren, während er die Segmentanoden für das Muster dieser Ziffer ansteuert. Die Spitzenstrombewertung (90 mA gepulst) ermöglicht einen höheren Momentanstrom während der kurzen Multiplexing-Periode, um eine helle durchschnittliche Leuchtstärke zu erreichen.
• Thermisches Design:Halten Sie sich an die Strom-Derating-Kurve. Sorgen Sie für ausreichende Belüftung, wenn bei hohen Umgebungstemperaturen oder hohen Dauerströmen betrieben wird. Das PCB-Layout kann helfen, Wärme von den Pins abzuführen.
• Betrachtungswinkel:Das Datenblatt gibt einen weiten Betrachtungswinkel an, was für Anwendungen vorteilhaft ist, bei denen die Anzeige aus schrägen Positionen betrachtet werden kann.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu älteren Technologien wie Standard-GaAsP (Galliumarsenidphosphid) roten LEDs bietet die AlInGaP-Technologie in der LSHD-5503 eine deutlich höhere Lichtausbeute, was zu größerer Helligkeit bei gleichem Treiberstrom führt. Sie bietet auch überlegene Farbreinheit und Stabilität über Temperatur und Zeit. Im Vergleich zu einigen modernen weißen LEDs mit Farbfiltern sind AlInGaP rote LEDs inhärent monochromatisch und effizienter für die Erzeugung von reinem Rotlicht. Die 0,56-Zoll-Ziffernhöhe platziert sie in einer gängigen Größenkategorie und bietet eine gute Balance zwischen Lesbarkeit und Platzbedarf. Ihre Common-Cathode-Konfiguration bietet in bestimmten Schaltungstopologien einen direkten Vorteil für mikrocontrollerbasierte Multiplexing-Designs gegenüber Common-Anode-Typen.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diese Anzeige direkt von einem 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?

A: Nein. Sie müssen einen Vorwiderstand verwenden. Eine typische rote LED hat einen Spannungsabfall von etwa 2V. Ein direkter Anschluss von 5V würde übermäßigen Strom verursachen und das Segment zerstören. Berechnen Sie den Widerstand: R = (5V - 2,6V) / 0,02A = 120Ω (unter Verwendung von max. V_Ffür Sicherheit).

F: Was bedeutet "nach Lichtstärke gebinnt" für mein Design?

A: Es bedeutet, dass Sie Bauteile aus einem spezifischen Helligkeitsbereich bestellen können. Wenn visuelle Konsistenz über mehrere Einheiten hinweg entscheidend ist (z.B. ein Mehrfachanzeigepanel), geben Sie den gewünschten Bincode bei Ihrem Distributor an, um sicherzustellen, dass alle Ziffern abgestimmte Helligkeit haben.

F: Der Spitzenstrom beträgt 90mA, aber der Dauerstrom nur 25mA. Kann ich 90mA für hellere Ausgabe verwenden?

A: Nur im gepulsten Modus, wie spezifiziert (1 kHz, 15% Tastverhältnis). Der Durchschnittsstrom wäre in diesem Fall 90mA * 0,15 = 13,5mA, was innerhalb der Dauerstrombewertung liegt. Dauerbetrieb bei 90mA würde die Verlustleistungsgrenze überschreiten und zu schnellem Ausfall führen.

F: Wie schließe ich die beiden gemeinsamen Kathodenpins (3 und 8) an?

A: Sie sind intern verbunden. Sie können einen von beiden verwenden oder beide mit Ihrer Treiberschaltung (z.B. Transistor-Senke) verbinden, um möglicherweise eine bessere Stromverteilung und thermische Leistung zu erzielen.

11. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf einer einfachen 3-stelligen Voltmeteranzeige.

Drei LSHD-5503-Anzeigen werden verwendet. Ein Mikrocontroller mit ausreichend I/O-Pins wird gewählt. Das Design verwendet Zeitmultiplexing:

1. Die gemeinsamen Kathodenpins jeder Ziffer werden mit individuellen NPN-Transistoren (oder einem speziellen Treiber-IC) verbunden, die vom Mikrocontroller gesteuert werden.

2. Die Segmentanodenpins (A-G, DP) aller drei Ziffern werden miteinander verbunden und über Vorwiderstände mit dem Mikrocontroller verbunden.

3. Die Mikrocontroller-Software: a) Schaltet alle Kathodentreibertransistoren aus. b) Berechnet, welche Segmente für die Hunderterziffer leuchten müssen. c) Aktiviert das Segmentmuster auf den Anodenleitungen. d) Aktiviert kurz den Transistor für die Kathode der Hunderterziffer. e) Wiederholt die Schritte b-d für die Zehner- und Einerziffern in schneller Folge (z.B. mit einer Gesamtrate von 1 kHz).

Der Spitzensegmentstrom während seiner kurzen Einschaltzeit kann höher eingestellt werden (z.B. 40-60 mA), um das niedrige Tastverhältnis (≈33% pro Ziffer in einem 3-stelligen System) zu kompensieren, wodurch eine helle, flimmerfreie Anzeige erreicht wird, während Durchschnittsleistung und Wärme innerhalb der Grenzen bleiben.

12. Einführung in das Technologieprinzip

Die LSHD-5503 basiert auf Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP)-Halbleitermaterial, das epitaktisch auf einem Galliumarsenid (GaAs)-Substrat gewachsen wird. Dies ist ein Verbindungshalbleiter aus der III-V-Gruppe. Wenn eine Durchlassspannung über den p-n-Übergang angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in die aktive Region injiziert. Ihre Rekombination setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Bandlückenenergie der AlInGaP-Legierung bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichts; in diesem Fall ist sie so eingestellt, dass sie rotes Licht um 624-632 nm erzeugt. Die Verwendung eines direkten Bandlückenmaterials wie AlInGaP führt zu einer hohen internen Quanteneffizienz. Das Licht wird durch ein geformtes Epoxidharzgehäuse emittiert, das eine hellgraue Front mit weiß lackierten Segmenten enthält. Die weiße Farbe reflektiert und streut das Licht des darunterliegenden LED-Chips und erzeugt die für den Benutzer sichtbaren, gleichmäßig beleuchteten Segmente.

13. Technologietrends und Kontext

Während die LSHD-5503 eine ausgereifte und zuverlässige Technologie darstellt, entwickelt sich das breitere Feld der Displaytechnologie weiter. AlInGaP bleibt die dominante hocheffiziente Technologie für rote und bernsteinfarbene LEDs. Trends bei diskreten LED-Anzeigen umfassen das Streben nach noch höherer Effizienz (mehr Lumen pro Watt), was die Batterielaufzeit in tragbaren Geräten verbessert und die thermische Belastung reduziert. Es gibt auch einen Trend zur Miniaturisierung der Chips selbst, was potenziell kleinere Gehäusegrundflächen oder höhere Pixeldichte in Mehrelementanzeigen ermöglicht. Darüber hinaus ist Integration ein Schlüsseltrend; Treiberelektronik und manchmal sogar Mikrocontroller werden in "intelligente Display"-Module integriert, was den Designprozess für Endingenieure vereinfacht. Für standardmäßige, kostengünstige Einzelziffernanzeigen werden jedoch Bauteile wie die LSHD-5503 mit ihrer bewährten Leistung und breiten Verfügbarkeit in absehbarer Zukunft, insbesondere in Anwendungen, in denen kundenspezifische Grafikdisplays unnötig sind, eine grundlegende Komponente im Elektronikdesign bleiben.