Technisches Datenblatt für 0,56-Zoll Einzelziffer 7-Segment LED-Anzeige - Ziffernhöhe 14,22mm - Grün AlInGaP - 2,6V Durchlassspannung - 70mW Verlustleistung

1. Produktübersicht

Das Bauteil ist eine Einzelziffer-7-Segment-Alphanumerikanzeige, die für Anwendungen entwickelt wurde, die klare, helle numerische Anzeigen erfordern. Ihre Hauptfunktion ist die visuelle Darstellung der Ziffern 0-9 und einiger Buchstaben mithilfe individuell steuerbarer Segmente. Die Kerntechnologie basiert auf dem Halbleitermaterial Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP), das speziell für hocheffiziente Lichtemission im grün-gelben Spektrum entwickelt wurde. Dieses Materialsystem wird auf einem nicht transparenten Galliumarsenid (GaAs)-Substrat aufgewachsen, was zur Steuerung des Lichtausgangs und des Kontrasts beiträgt. Die Anzeige verfügt über eine graue Frontplatte, die den Kontrast zwischen den beleuchteten grünen Segmenten und dem Hintergrund erhöht und so die Lesbarkeit unter verschiedenen Lichtverhältnissen verbessert. Das Bauteil ist nach Lichtstärke kategorisiert, um Konsistenz in den Helligkeitsniveaus für Anwendungen zu gewährleisten, bei denen ein gleichmäßiges Erscheinungsbild über mehrere Einheiten hinweg entscheidend ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet einen detaillierten Überblick über die Betriebsgrenzen und Leistungsmerkmale des Bauteils unter spezifizierten Bedingungen.

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Parameter definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb bei oder nahe diesen Grenzen wird für zuverlässige, langfristige Leistung nicht empfohlen.

• Verlustleistung pro Segment:70 mW. Dies ist die maximale Leistungsmenge, die von einem einzelnen Segment sicher in Wärme und Licht umgewandelt werden kann, ohne thermische Schäden zu riskieren.
• Spitzen-Durchlassstrom pro Segment:60 mA. Dieser Wert gilt unter gepulsten Bedingungen (1/10 Tastverhältnis, 0,1 ms Pulsbreite). Er ermöglicht kurze Perioden mit höherem Strom, um sehr hohe Helligkeit für Multiplexing- oder Stroboskopanwendungen zu erreichen.
• Dauer-Durchlassstrom pro Segment:25 mA bei 25°C. Dieser Strom muss linear mit einer Rate von 0,33 mA/°C entlastet werden, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) über 25°C steigt, um Überhitzung zu verhindern.
• Sperrspannung pro Segment:5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann zum Sperrschichtdurchbruch führen.
• Betriebs- & Lagertemperaturbereich:-35°C bis +85°C. Das Bauteil ist für industrielle Temperaturumgebungen ausgelegt.
• Löttemperatur:Das Bauteil kann einer Löttemperatur von 260°C für 3 Sekunden in einem Abstand von 1/16 Zoll (ca. 1,59 mm) unterhalb der Auflageebene standhalten.

2.2 Elektrische & Optische Kennwerte (Ta=25°C)

Dies sind die typischen Leistungsparameter, die unter Standardtestbedingungen gemessen wurden und das erwartete Verhalten des Bauteils im Normalbetrieb liefern.

• Mittlere Lichtstärke (I_V):320 μcd (Min), 900 μcd (Typ) bei I_F=1mA. Dies quantifiziert die wahrgenommene Helligkeit des Segments. Der große Bereich deutet auf einen Binning-Prozess für die Intensität hin.
• Peak-Emissionswellenlänge (λ_p):571 nm (Typ) bei I_F=20mA. Dies ist die Wellenlänge, bei der die optische Leistungsabgabe maximal ist, was die Emission in den grün-gelben Bereich des sichtbaren Spektrums platziert.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):15 nm (Typ) bei I_F=20mA. Dieser Parameter beschreibt die spektrale Reinheit des emittierten Lichts; eine schmalere Halbwertsbreite zeigt eine monochromatischere Farbe an.
• Dominante Wellenlänge (λ_d):572 nm (Typ) bei I_F=20mA. Dies ist die einzelne Wellenlänge, die vom menschlichen Auge wahrgenommen wird und am besten mit der Farbe des emittierten Lichts übereinstimmt; sie ist eng mit der Peak-Wellenlänge verwandt.
• Durchlassspannung pro Segment (V_F):2,05V (Min), 2,6V (Typ) bei I_F=20mA. Dies ist der Spannungsabfall über dem LED-Segment, wenn der spezifizierte Strom fließt. Er ist entscheidend für den Entwurf der strombegrenzenden Schaltung.
• Sperrstrom pro Segment (I_R):100 μA (Max) bei V_R=5V. Dies ist der kleine Leckstrom, der fließt, wenn das Segment in Sperrrichtung vorgespannt ist.
• Lichtstärke-Abgleichverhältnis (I_V-m):2:1 (Typ) bei I_F=1mA. Dieses Verhältnis definiert die maximal zulässige Helligkeitsschwankung zwischen verschiedenen Segmenten derselben Ziffer oder zwischen verschiedenen Bauteilen und gewährleistet so visuelle Gleichmäßigkeit.

Hinweis zur Messung:Die Lichtstärke wird mithilfe einer Sensor- und Filterkombination gemessen, die die CIE photopische Hellempfindlichkeitsfunktion annähert, welche die Empfindlichkeit des Standard-Auges für verschiedene Wellenlängen modelliert.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Datenblatt gibt an, dass das Bauteil "nach Lichtstärke kategorisiert" ist. Dies impliziert einen Binning- oder Sortierprozess basierend auf dem gemessenen Lichtausgang.

• Lichtstärke-Binning:Die spezifizierte typische Lichtstärke von 900 μcd mit einem Minimum von 320 μcd deutet darauf hin, dass Bauteile gemäß ihrer tatsächlich gemessenen Helligkeit beim Standard-Teststrom von 1mA getestet und gruppiert (gebinned) werden. Dies ermöglicht es Entwicklern, Bauteile mit konsistenten Helligkeitsniveaus für ihre Anwendung auszuwählen, was für Mehrfachziffernanzeigen entscheidend ist, bei denen ungleichmäßige Helligkeit störend wäre.
• Wellenlängenkonstanz:Obwohl nicht explizit als Binning-Parameter angegeben, deuten die engen typischen Werte für die Peak-Emissionswellenlänge (571 nm) und die dominante Wellenlänge (572 nm) auf einen Fertigungsprozess hin, der eine hochgradig konsistente Farbausgabe liefert. Dies ist ein charakteristischer Vorteil des AlInGaP-Materialsystems.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf "Typische elektrische / optische Kennlinien". Obwohl die spezifischen Graphen im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, umfassen Standardkurven für solche Bauteile typischerweise:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I_F-V_FKurve):Diese nichtlineare Kurve zeigt, wie sich die Durchlassspannung mit steigendem Strom ändert. Sie ist wesentlich für die Bestimmung der erforderlichen Treiberspannung und für den Entwurf von Konstantstromtreibern.
• Lichtstärke vs. Durchlassstrom (I_V-I_FKurve):Dieser Graph zeigt die Beziehung zwischen Treiberstrom und Lichtausgang. Sie ist im Allgemeinen sublinear; eine Verdopplung des Stroms verdoppelt nicht die Helligkeit und erhöht die Wärmeentwicklung.
• Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur:Diese Kurve zeigt, wie die Lichtleistung abnimmt, wenn die Sperrschichttemperatur der LED steigt. Das Verständnis dieser Entlastung ist kritisch für Anwendungen, die bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden.
• Spektrale Verteilung:Eine Darstellung der relativen optischen Leistung über verschiedene Wellenlängen, zentriert um die Peak-Wellenlänge von ~571 nm, mit einer typischen Halbwertsbreite von 15 nm.

5. Mechanische & Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil hat eine Ziffernhöhe von 0,56 Zoll (14,22 mm). Die Gehäuseabmessungen werden in einer Zeichnung mit allen Maßen in Millimetern angegeben. Die Standardtoleranz für Abmessungen beträgt ±0,25 mm (±0,01 Zoll), sofern in der Zeichnung nicht anders angegeben. Diese Information ist entscheidend für das PCB-Footprint-Design und um einen korrekten Sitz im Gehäuse des Endprodukts sicherzustellen.

5.2 Pinbelegung & Schaltplan

Die Anzeige hat eine 10-Pin-Konfiguration mit einer Common-Cathode-Auslegung. Der interne Schaltplan zeigt, dass alle Kathoden der LED-Segmente (A bis G und der Dezimalpunkt) intern mit zwei gemeinsamen Kathoden-Pins (Pin 3 und Pin 8) verbunden sind. Dies ist eine Standardkonfiguration zur Vereinfachung der Treiberschaltung in Multiplex-Anwendungen.

Pinbelegung:

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

Die beiden gemeinsamen Kathoden-Pins (3 & 8) werden auf der Leiterplatte typischerweise miteinander verbunden, um einen besseren Strompfad und eine bessere Wärmeableitung zu bieten.

6. Löt- & Montagerichtlinien

Die absoluten Grenzwerte spezifizieren einen wichtigen Lötparameter: Das Bauteil kann einem Lötkolben oder Reflow-Profil standhalten, das 260°C an einem Punkt 1/16 Zoll (1,59 mm) unterhalb der Auflageebene des Gehäuses für maximal 3 Sekunden erreicht. Diese Richtlinie soll thermische Schäden an den LED-Chips und den internen Bonddrähten während des Montageprozesses verhindern. Für Wellenlöten sollte die Expositionszeit gegenüber dem Lot minimiert werden. Während der Handhabung und Montage sollten Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) beachtet werden, um Schäden an den Halbleitersperrschichten zu verhindern.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Diese Anzeige eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, die einen einzelnen, hochsichtbaren numerischen Indikator erfordern:

• Test- und Messgeräte:Digitale Multimeter, Frequenzzähler, Netzteile, wo eine klare, helle Anzeige benötigt wird.
• Industriesteuerungen:Pultinstrumente, Prozessanzeigen, Timer-Displays an Maschinen.
• Unterhaltungselektronik:Eigenständige Zähler, Anzeigetafeln, Gerätedisplays (z.B. Mikrowellenherde, ältere Stereoanlagen).
• Automobilzubehör:Messgeräte und Diagnosewerkzeuge (obwohl Umgebungsspezifikationen für spezifische Automobilanforderungen überprüft werden sollten).

7.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzung:LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Ein serieller strombegrenzender Widerstand oder eine Konstantstrom-Treiberschaltung ist für jede Segmentanode zwingend erforderlich, um das Überschreiten des maximalen Dauer-Durchlassstroms (25 mA bei 25°C) zu verhindern. Der Widerstandswert kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden: R = (V_versorgung- V_F) / I_F, wobei V_Fdie typische Durchlassspannung ist (z.B. 2,6V).
• Multiplexing:Für Mehrfachziffernanzeigen wird ein Multiplexing-Schema verwendet, bei dem die Ziffern nacheinander schnell beleuchtet werden. Die Spitzen-Durchlassstrom-Bewertung (60 mA) ermöglicht höhere gepulste Ströme, um das reduzierte Tastverhältnis zu kompensieren und die wahrgenommene Helligkeit aufrechtzuerhalten.
• Wärmemanagement:Obwohl die Verlustleistung pro Segment gering ist, kann die Gesamtleistung in Anwendungen, bei denen alle Segmente kontinuierlich leuchten (z.B. bei der Anzeige '8.'), etwa 0,5W erreichen. Sorgen Sie für ausreichende Belüftung oder Kühlkörper, wenn bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben wird, und denken Sie daran, den Dauerstrom zu entlasten.
• Betrachtungswinkel:Das Datenblatt gibt einen "weiten Betrachtungswinkel" an, was für LED-7-Segment-Anzeigen typisch ist. Dies sollte für den in der spezifischen Anwendung erforderlichen Betrachtungskegel überprüft werden.

8. Technischer Vergleich & Differenzierung

Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale dieser Anzeige, basierend auf den bereitgestellten Daten, sind ihre Materialtechnologie und spezifischen Leistungsmerkmale.

• AlInGaP vs. traditionelle Materialien:Im Vergleich zu älteren Technologien wie Standard-GaP (Galliumphosphid) grünen LEDs bietet AlInGaP eine deutlich höhere Lichtausbeute und Helligkeit. Dies führt zu besserer Sichtbarkeit bei hohem Umgebungslicht oder bei niedrigeren Treiberströmen und verbessert die Energieeffizienz.
• Farbe und Kontrast:Die Kombination aus grünen AlInGaP-Segmenten und einer grauen Frontplatte bietet eine hochkontrastreiche, leicht lesbare Anzeige. Grün wird oft wegen seiner hohen photopischen Wirksamkeit für das menschliche Auge gewählt, wodurch es bei einer gegebenen elektrischen Eingangsleistung sehr hell erscheint.
• Halbleiter-Zuverlässigkeit:Wie alle LEDs bietet sie Vorteile gegenüber Glüh- oder Vakuum-Fluoreszenzanzeigen (VFDs), einschließlich Stoß-/Vibrationsfestigkeit, schnellerer Ansprechzeit, niedrigerer Betriebsspannung und längerer Lebensdauer.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

1. F: Was ist der Zweck der beiden gemeinsamen Kathoden-Pins (3 und 8)?
   
   A: Sie sind intern verbunden. Die Bereitstellung von zwei Pins hilft, den gesamten Kathodenstrom (der die Summe von bis zu 8 Segmenten sein kann) zu verteilen, reduziert die Stromdichte in den PCB-Leiterbahnen und kann die Wärmeableitung aus dem Gehäuse verbessern.
2. F: Kann ich diese Anzeige direkt von einem 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?
   
   A: Nein. Sie müssen einen strombegrenzenden Widerstand verwenden. Für eine 5V-Versorgung und einen Zielstrom von 20 mA mit einem V_Fvon 2,6V wäre der Widerstandswert R = (5V - 2,6V) / 0,02A = 120 Ω. Der Mikrocontroller-Pin muss außerdem in der Lage sein, den erforderlichen Segmentstrom zu senken oder zu liefern.
3. F: Was bedeutet "Lichtstärke-Abgleichverhältnis von 2:1"?
   
   A: Es bedeutet, dass das hellste Segment (oder Bauteil) unter denselben Testbedingungen nicht mehr als doppelt so hell wie das dunkelste Segment (oder Bauteil) sein wird. Dies gewährleistet visuelle Gleichmäßigkeit über die gesamte Anzeige.
4. F: Wie erreiche ich die typische Helligkeit von 900 μcd?
   
   A: Die typische Lichtstärke wird bei einem Durchlassstrom (I_F) von 1 mA spezifiziert. Um dieses Helligkeitsniveau in Ihrem Design zu erreichen, sollten Sie jedes Segment mit 1 mA betreiben. Für höhere Helligkeit können Sie den Strom bis zum maximalen Dauerstromwert erhöhen (25 mA bei 25°C), aber beachten Sie die I_V-I_F-Kurve, da die Beziehung nicht linear ist.

10. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf einer einfachen Digitalvoltmeter-Anzeige

Ein Entwickler erstellt ein 0-99V DC Voltmeter. Er benötigt zwei dieser Anzeigen. Der ADC des Mikrocontrollers liest die Spannung und wandelt sie in zwei Ziffern um. Der Entwickler verwendet eine Multiplexing-Technik: Ziffer 1 (Zehnerstelle) wird für 5ms beleuchtet, dann Ziffer 2 (Einerstelle) für 5ms, kontinuierlich wiederholt. Um eine gute wahrgenommene Helligkeit während des 50% Tastverhältnisses pro Ziffer aufrechtzuerhalten, entscheidet er sich, jedes Segment mit einem gepulsten Strom von 15 mA (deutlich unter der 60 mA Spitzenbewertung) zu betreiben. Er verwendet einen Transistor auf der gemeinsamen Kathodenseite für jede Ziffer, gesteuert vom Mikrocontroller, und strombegrenzende Widerstände an jeder Segmentanode, die mit als Ausgänge konfigurierten Mikrocontroller-Port-Pins verbunden sind. Die graue Frontplatte und die grünen Segmente stellen sicher, dass die Anzeige auch in einer mäßig beleuchteten Werkstattumgebung klar ist. Der Entwickler wählt Bauteile aus demselben Lichtstärke-Bin, um sicherzustellen, dass beide Ziffern übereinstimmende Helligkeit haben.

11. Funktionsprinzip

Eine 7-Segment-Anzeige ist eine Anordnung von sieben Leuchtdioden (LEDs), die in einer Achterform angeordnet sind. Jede LED bildet ein Segment (bezeichnet mit A bis G). Eine zusätzliche LED wird für den Dezimalpunkt (DP) verwendet. Durch selektives Anlegen einer Durchlassvorspannung (Einschalten) spezifischer Kombinationen dieser Segmente können die Muster für die Ziffern 0 bis 9 gebildet werden. Um beispielsweise eine "7" anzuzeigen, werden die Segmente A, B und C beleuchtet. In einer Common-Cathode-Konfiguration wie dieser sind alle Kathoden (negative Anschlüsse) der Segment-LEDs mit einem oder mehreren gemeinsamen Pins verbunden. Um ein Segment zu beleuchten, wird sein entsprechender Anoden-Pin auf eine positive Spannung (über einen strombegrenzenden Widerstand) gesetzt, während die gemeinsame Kathode mit Masse verbunden wird. Das AlInGaP-Halbleitermaterial emittiert Licht, wenn sich Elektronen mit Löchern über den p-n-Übergang des Bauteils rekombinieren und dabei Energie in Form von Photonen mit einer für die Bandlücke des Materials charakteristischen Wellenlänge freisetzen, in diesem Fall grünes Licht.

12. Technologietrends

Während diskrete 7-Segment-LED-Anzeigen für bestimmte Anwendungen relevant bleiben, sind breitere Trends in der Displaytechnologie bemerkenswert. Es gibt einen allgemeinen Trend hin zu integrierten Punktmatrix-Displays (sowohl LED als auch LCD/OLED), die volle alphanumerische und grafische Fähigkeiten in ähnlich großen Gehäusen bieten. Diese bieten größere Flexibilität, erfordern aber oft komplexere Treiberelektronik. Für Anwendungen, bei denen nur Zahlen benötigt werden, bleibt das 7-Segment-Format hoch effizient und kostengünstig. Fortschritte in LED-Materialien, wie die Verwendung von AlInGaP in diesem Datenblatt, verbessern weiterhin Effizienz, Helligkeit und Farbreinheit. Darüber hinaus werden Oberflächenmontage (SMD)-Versionen von 7-Segment-Anzeigen immer häufiger, was im Vergleich zu Durchsteckmontage-Designs, wie sie in diesem Dokument wahrscheinlich beschrieben sind, automatisierte Montage und kleinere Bauformen ermöglicht. Die Kernvorteile von LEDs – lange Lebensdauer, Robustheit und niedriger Energieverbrauch – stellen sicher, dass sie auf absehbare Zeit ein Grundnahrungsmittel in Indikator- und einfachen Anzeigeanwendungen bleiben werden.