LTS-4301JD LED-Anzeige Datenblatt - 0,4-Zoll Zeichenhöhe - Hyper Rot 650nm - 2,6V Durchlassspannung - 70mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die LTS-4301JD ist ein kompaktes, leistungsstarkes Einzelziffern-Anzeigemodul, das für Anwendungen entwickelt wurde, die klare, helle numerische Anzeigen erfordern. Ihre Kernfunktion ist die visuelle Darstellung der Ziffern 0 bis 9 mithilfe einer standardmäßigen Siebensegment-Konfiguration, ergänzt durch einen Dezimalpunkt auf der rechten Seite. Das Bauteil ist für die Integration in eine Vielzahl elektronischer Geräte konzipiert, bei denen Platz, Energieeffizienz und Lesbarkeit entscheidende Faktoren sind.

Die Anzeige nutzt fortschrittliche AlInGaP (Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid) Halbleitertechnologie für ihre lichtemittierenden Elemente. Dieses Materialsystem wurde speziell für seine Effizienz bei der Erzeugung von hochhelligem Rotlicht ausgewählt. Die Chips werden auf einem nicht transparenten GaAs (Galliumarsenid) Substrat gefertigt, was den Kontrast durch die Verhinderung von innerer Lichtstreuung verbessert und die Definition der unbeleuchteten Segmente erhöht. Das Gehäuse verfügt über eine graue Frontplatte mit weißen Segmentmarkierungen, was ein hervorragendes Erscheinungsbild im ausgeschalteten Zustand und einen hohen Kontrast bei beleuchteten Segmenten bietet.

Die primären Zielmärkte für dieses Bauteil umfassen Industriemessgeräte, Haushaltsgeräte, Prüf- und Messgeräte, Kassensysteme und Armaturenbrettanzeigen im Automobilbereich. Ihre kategorisierte Lichtstärke gewährleistet gleichmäßige Helligkeitswerte über alle Produktionschargen hinweg, was für Anwendungen mit einheitlichen visuellen Anforderungen entscheidend ist.

2. Tiefgehende objektive Interpretation der technischen Parameter

2.1 Lichttechnische und optische Kennwerte

Die optische Leistung wird unter Standardtestbedingungen bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C definiert. Der Schlüsselparameter, die durchschnittliche Lichtstärke (Iv), hat einen typischen Wert von 650 µcd (Mikrocandela), wenn sie mit einem Durchlassstrom (IF) von 1 mA betrieben wird. Der spezifizierte Mindestwert beträgt 200 µcd, um ein Grundniveau an Helligkeit sicherzustellen. Die Lichtstärke wird mit einer Sensor- und Filterkombination gemessen, die auf die CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) Standard-Hellempfindlichkeitskurve des Auges kalibriert ist. Dies garantiert, dass die angegebenen Werte der menschlichen visuellen Wahrnehmung entsprechen.

Das Bauteil emittiert Licht im Hyper-Rot-Spektrum. Die Spitzen-Emissionswellenlänge (λp) beträgt typischerweise 650 Nanometer (nm). Die dominante Wellenlänge (λd), die enger mit der wahrgenommenen Farbe zusammenhängt, ist mit 639 nm spezifiziert. Die spektrale Halbwertsbreite (Δλ) beträgt 20 nm, was auf die spektrale Reinheit und den schmalen Bereich der emittierten Wellenlängen hinweist, was zu einer gesättigten roten Farbe führt. Ein maximales Lichtstärke-Anpassungsverhältnis von 2:1 ist spezifiziert, was bedeutet, dass der Helligkeitsunterschied zwischen zwei beliebigen Segmenten unter identischen Betriebsbedingungen dieses Verhältnis nicht überschreitet. Dies gewährleistet ein einheitliches Erscheinungsbild der gebildeten Ziffer.

2.2 Elektrische Parameter

Die elektrischen Kennwerte definieren die Betriebsgrenzen und die typische Leistung. Die Durchlassspannung pro Segment (VF) liegt bei einem Prüfstrom von 20 mA zwischen 2,1V und 2,6V. Entwickler müssen sicherstellen, dass die Treiberschaltung ausreichend Spannung bereitstellen kann, um diese zu überwinden. Die absoluten Maximalwerte setzen strenge Grenzen: Der kontinuierliche Durchlassstrom pro Segment darf 25 mA nicht überschreiten, mit einem linearen Derating-Faktor von 0,33 mA/°C über 25°C. Dieses Derating ist entscheidend für das thermische Management; wenn die Umgebungstemperatur steigt, muss der maximal zulässige Strom reduziert werden, um Überhitzung und dauerhafte Beschädigung zu verhindern.

Ein Spitzen-Durchlassstrom von 90 mA ist unter gepulsten Bedingungen zulässig (1/10 Tastverhältnis, 0,1 ms Pulsbreite). Dies kann für Multiplexing-Schemata oder kurzfristige Helligkeitssteigerungen genutzt werden. Die maximale Sperrspannung (VR) pro Segment beträgt 5V; eine Überschreitung kann die PN-Diode der LED beschädigen. Der Sperrstrom (IR) ist mit maximal 100 µA spezifiziert, wenn 5V in Sperrrichtung angelegt werden, was die Leckcharakteristik der Diode anzeigt.

2.3 Thermische und Zuverlässigkeitsparameter

Das Bauteil ist für einen Betriebstemperaturbereich von -35°C bis +85°C ausgelegt. Dieser weite Bereich macht es für Umgebungen mit erheblichen Temperaturschwankungen geeignet. Der Lagertemperaturbereich ist identisch (-35°C bis +85°C). Die Verlustleistung pro Segment ist auf 70 mW begrenzt. Die Verwaltung dieser Verlustleistung durch eine ordnungsgemäße Strombegrenzung und gegebenenfalls Kühlkörper ist für die langfristige Zuverlässigkeit wesentlich. Das Datenblatt spezifiziert auch ein Löttemperaturprofil: Das Bauteil kann 260°C für 3 Sekunden an einem Punkt 1/16 Zoll (ca. 1,6 mm) unterhalb der Auflageebene aushalten, was den Reflow-Lötprozess leitet.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Datenblatt gibt an, dass die Bauteile \"nach Lichtstärke kategorisiert\" sind. Dies impliziert einen Binning- oder Sortierprozess nach der Fertigung. Obwohl spezifische Bincode-Details in diesem Auszug nicht bereitgestellt werden, umfasst die typische Kategorisierung für solche Anzeigen die Gruppierung von Einheiten basierend auf der gemessenen Lichtstärke bei einem Standardteststrom (z.B. 1 mA). Dies stellt sicher, dass Kunden Produkte mit konsistenten Helligkeitsniveaus erhalten. Entwickler, die diese Komponenten beziehen, sollten die spezifische Binning-Struktur beim Hersteller bestätigen, um sicherzustellen, dass die ausgewählte Intensitätskategorie den Anforderungen ihrer Anwendung an Gleichmäßigkeit entspricht, insbesondere wenn mehrere Anzeigen nebeneinander verwendet werden.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf \"Typische elektrische / optische Kennlinien\" auf der letzten Seite. Obwohl die spezifischen Graphen im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, sind solche Kurven, die typischerweise in vollständigen Datenblättern enthalten sind, für das Design entscheidend. Diese würden normalerweise darstellen:

• Relative Lichtstärke vs. Durchlassstrom (I-V-Kurve):Dieser Graph zeigt, wie die Lichtausgabe mit dem Treiberstrom zunimmt. Er ist typischerweise nichtlinear, wobei die Effizienz bei sehr hohen Strömen oft abfällt.
• Durchlassspannung vs. Durchlassstrom:Diese Kurve hilft beim Entwurf der strombegrenzenden Schaltung, indem sie den dynamischen Widerstand der LED zeigt.
• Relative Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur:Dies zeigt das Derating der Lichtausgabe bei steigender Temperatur, was für Anwendungen, die unter nicht-ambienten Bedingungen arbeiten, entscheidend ist.
• Spektrale Verteilung:Eine Darstellung der relativen Intensität gegenüber der Wellenlänge, die visuell die Spitzen- und dominante Wellenlängenspezifikation sowie die spektrale Halbwertsbreite bestätigt.

Ingenieure sollten diese Kurven verwenden, um die Betriebsbedingungen für einen Ausgleich zwischen Helligkeit, Effizienz und Langlebigkeit zu optimieren, anstatt ausschließlich an den absoluten Maximalwerten zu arbeiten.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil wird mit einer detaillierten Gehäuseabmessungszeichnung präsentiert. Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, mit einer allgemeinen Toleranz von ±0,25 mm (0,01 Zoll), sofern nicht anders angegeben. Die Anzeige hat eine Ziffernhöhe von 0,4 Zoll (10,0 mm). Die mechanische Zeichnung definiert die Gesamtlänge, -breite und -höhe des Gehäuses, die Platzierung der Segmente und des Dezimalpunkts, den Abstand und die Abmessungen der Anschlüsse (Pins) sowie alle Ausrichtungs- oder Orientierungsmerkmale. Diese Informationen sind wesentlich für die Erstellung des PCB-Footprints, um einen korrekten Sitz im Produktgehäuse zu gewährleisten und die Anzeige korrekt auf der Platine auszurichten.

6. Pinbelegung und interner Schaltkreis

Die LTS-4301JD ist eine Baugruppe mit gemeinsamer Kathode. Das Pinbelegungsdiagramm wird explizit bereitgestellt:

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

Das Vorhandensein von zwei gemeinsamen Kathoden-Pins (3 und 8) ist typisch und dient dazu, die Stromdichte im Gehäuse zu reduzieren und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Das interne Schaltbild zeigt, dass alle Segment-Anoden (A-G und DP) elektrisch voneinander isoliert sind, während ihre Kathoden intern mit den beiden gemeinsamen Kathoden-Pins verbunden sind. Diese Konfiguration erfordert, dass die Treiberschaltung Strom zu den einzelnen Segment-Anoden liefert und den kombinierten Strom über die gemeinsame Kathodenverbindung(en) ableitet.

7. Löt- und Montagerichtlinien

Die wichtigste Montagerichtlinie ist die Löttemperaturgrenze: Die Komponente kann 260°C für 3 Sekunden an einem Punkt 1,6 mm unterhalb der Auflageebene aushalten. Dies ist ein Standard-IPC-Reflow-Profil-Referenzwert. Für die Montage:

• Verwenden Sie ein empfohlenes Reflow-Profil für bleifreies Löten (wie durch die Spitzentemperatur von 260°C angezeigt).
• Stellen Sie sicher, dass das PCB-Pad-Design den Gehäuseabmessungen entspricht, um Tombstoning oder Fehlausrichtung zu vermeiden.
• Vermeiden Sie mechanische Belastung der Anschlüsse während der Handhabung. Die Kunststofflinse sollte nicht direkt mit verschmutzten Werkzeugen berührt werden.
• Befolgen Sie während der Handhabung und Montage Standard-ESD (Elektrostatische Entladung) Vorsichtsmaßnahmen, um die Halbleiterübergänge zu schützen.
• Halten Sie den spezifizierten Lagertemperaturbereich (-35°C bis +85°C) und die Feuchtigkeitsbedingungen vor der Verwendung ein.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

Diese Anzeige ist ideal für jedes Gerät, das eine einzelne, hochlesbare numerische Anzeige erfordert. Häufige Anwendungen sind: digitale Thermometer/Hygrometer, Timer- und Zähleranzeigen, Spannungs-/Strommessgeräte-Anzeigen, Gerätesteuerpanels (z.B. Öfen, Mikrowellen), einfache Taschenrechneranzeigen und Statuscode-Anzeigen an Netzwerk- oder Industriegeräten.

8.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzung:Verwenden Sie immer einen seriellen strombegrenzenden Widerstand für jede Segment-Anode. Der Widerstandswert wird berechnet als R = (Versorgungsspannung - VF) / IF, wobei VF die Durchlassspannung ist (verwenden Sie den Maximalwert für Sicherheit) und IF der gewünschte Betriebsstrom ist (nicht überschreitend des kontinuierlichen Nennwerts).
• Multiplexing:Für Mehrfachziffernanwendungen mit mehreren solchen Anzeigen ist ein multiplexed Treiberschema Standard. Dies beinhaltet das sequentielle Einschalten der gemeinsamen Kathode einer Ziffer, während gleichzeitig die Segmentdaten für diese Ziffer angelegt werden. Die Spitzenstrom-Nennleistung erlaubt höhere gepulste Ströme in diesem Modus, aber das Tastverhältnis und der Durchschnittsstrom müssen so verwaltet werden, dass sie innerhalb der Grenzen der kontinuierlichen Verlustleistung bleiben.
• Mikrocontroller-Schnittstelle:Die Anzeige kann leicht von den GPIO-Pins eines Mikrocontrollers angesteuert werden, oft über einen Treiber-IC oder eine Transistorschaltung, um die höheren Stromanforderungen zu bewältigen, insbesondere für die gemeinsame Kathode.
• Betrachtungswinkel:Das Datenblatt gibt einen weiten Betrachtungswinkel an. Für eine optimale Platzierung sollten Sie die primären Sichtlinien des Endbenutzers relativ zur installierten Anzeige berücksichtigen.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu älteren Technologien wie GaAsP (Galliumarsenidphosphid) roten LEDs bietet die AlInGaP-Technologie in der LTS-4301JD eine deutlich höhere Lichtausbeute, was zu größerer Helligkeit bei gleichem Eingangsstrom oder äquivalenter Helligkeit bei geringerer Leistung führt. Die Verwendung eines nicht transparenten Substrats verbessert den Kontrast im Vergleich zu Bauteilen auf transparenten Substraten, da es unerwünschte Emissionen von den Chipseiten verhindert. Die graue Front mit weißen Segmenten bietet ein professionelles, kontrastreiches Erscheinungsbild auch im ausgeschalteten Zustand, was in vielen Umgebungslichtbedingungen allen schwarzen oder klaren Frontplatten überlegen ist. Ihre 0,4-Zoll-Ziffernhöhe füllt eine spezifische Nische zwischen kleineren, weniger lesbaren Anzeigen und größeren, leistungshungrigeren Anzeigen.

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 strombegrenzenden Widerstand in Reihe mit jedem Segment verwenden. Für eine 5V-Versorgung und einen gewünschten Strom von 20 mA, unter Verwendung der maximalen VF von 2,6V, wäre der Widerstandswert (5V - 2,6V) / 0,020A = 120 Ohm. Überprüfen Sie immer die Stromquellenfähigkeit des Mikrocontroller-Pins.

F: Was bedeutet \"gemeinsame Kathode\" für meinen Schaltungsentwurf?

A: Es bedeutet, dass alle Kathoden (negative Seiten) der LED-Segmente innerhalb des Gehäuses miteinander verbunden sind. Um ein Segment zu beleuchten, legen Sie eine positive Spannung (über einen Widerstand) an seinen spezifischen Anoden-Pin an und verbinden den gemeinsamen Kathoden-Pin mit Masse (0V).

F: Der maximale kontinuierliche Strom beträgt 25 mA, aber die Testbedingung für VF verwendet 20 mA. Welchen sollte ich verwenden?

A: 20 mA ist eine Standardtestbedingung und ein sicherer, typischer Betriebspunkt, der gute Helligkeit bei langer Lebensdauer bietet. Sie können bis zu 25 mA betreiben, wenn höhere Helligkeit benötigt wird, aber Sie müssen die Umgebungstemperatur und die Derating-Regeln strikt einhalten. Der Betrieb bei oder nahe dem Maximalwert kann die Betriebslebensdauer reduzieren.

F: Warum gibt es zwei gemeinsame Kathoden-Pins?

A: Für mechanische Symmetrie und um den gesamten Kathodenstrom (die Summe der Ströme aller beleuchteten Segmente) auf zwei Pins zu verteilen. Dies reduziert die Stromdichte pro Pin, verbessert die Zuverlässigkeit und kann das PCB-Layout erleichtern.

11. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Fall: Entwurf einer einfachen digitalen Voltmeter-Anzeige.

Ein Entwickler entwirft ein 0-5V DC-Voltmeter. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einer 3-stelligen Ausgabe ist mit einem Mikrocontroller verbunden. Die Firmware des Mikrocontrollers wandelt die digitale Messung in eine 3-stellige Zahl um (z.B. 4,23V). Zur Anzeige werden drei LTS-4301JD-Einheiten verwendet. Das Design verwendet Zeitmultiplexing. Der Mikrocontroller verwendet einen Port, um die Segment-Anoden (A-G, DP) für alle drei Anzeigen parallel anzusteuern. Drei NPN-Transistoren (oder ein spezieller Treiber-IC) werden verwendet, um den Strom durch die gemeinsame Kathode jeder Ziffer abzuleiten, jeweils eine nach der anderen in schneller Folge (z.B. mit 100 Hz pro Ziffer). Die Firmware synchronisiert die Segmentdaten mit der aktiven Ziffernkathode. Strombegrenzungswiderstände sind auf jeder der acht Segmentleitungen platziert. Die hohe Helligkeit und der Kontrast stellen sicher, dass die Anzeige auch in gut beleuchteten Umgebungen klar ist. Die kategorisierte Lichtstärke stellt sicher, dass alle drei Ziffern gleich hell erscheinen.

12. Prinzipielle Einführung

Eine Siebensegmentanzeige ist eine Form einer elektronischen Anzeigevorrichtung, die aus sieben lichtemittierenden Dioden (LEDs) besteht, die in einem rechteckigen Achter-Muster angeordnet sind. Jede LED wird als Segment bezeichnet, weil sie einen Teil einer Ziffer bildet, wenn sie beleuchtet ist. Durch selektives Einschalten spezifischer Kombinationen dieser sieben Segmente kann die Anzeige die zehn Dezimalziffern (0-9) und einige hexadezimale Buchstaben (A, b, C, d, E, F) darstellen. Eine zusätzliche LED für einen Dezimalpunkt (DP) ist oft enthalten. Die LTS-4301JD implementiert dieses Prinzip unter Verwendung von AlInGaP-Halbleitermaterial. Wenn eine Durchlassspannung, die das Diodenübergangspotential überschreitet, über die Anode und Kathode eines Segments angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des Halbleiters und setzen Energie in Form von Photonen (Licht) bei einer durch die Bandlücke des Materials bestimmten Wellenlänge frei – in diesem Fall etwa 650 nm (rot). Das nicht transparente Substrat absorbiert streuende Photonen und verbessert so den Kontrast.

13. Entwicklungstrends

Die Entwicklung von Siebensegmentanzeigen folgt breiteren Trends in der Optoelektronik. Während das grundlegende Siebensegment-Formfaktor für numerische Anzeigen nach wie vor äußerst nützlich ist, schreitet die zugrunde liegende Technologie stetig voran. Es gibt einen ständigen Drang zu höherer Lichtausbeute (mehr Lichtausgabe pro Watt elektrischer Eingangsleistung), was die Energieeffizienz verbessert und einen Betrieb mit geringerer Leistung oder erhöhter Helligkeit ermöglicht. Breitere Farbräume und die Entwicklung effizienterer grüner und blauer LEDs auf Basis von Materialien wie InGaN (Indiumgalliumnitrid) haben vollfarbige, mehrstellige Punktmatrixanzeigen häufiger gemacht, obwohl Siebensegmentanzeigen aufgrund ihrer Einfachheit und Kosteneffektivität für rein numerische Anwendungen dominant bleiben. Integration ist ein weiterer Trend, wobei Treiberelektronik, Mikrocontroller und manchmal sogar Sensoren in \"intelligente Anzeige\"-Module kombiniert werden. Diskrete Komponenten wie die LTS-4301JD behalten jedoch eine starke Position in Designs, die Flexibilität, spezifische Leistungsmerkmale oder Kostenoptimierung bei höheren Stückzahlen erfordern.