LTC-4724JS LED-Anzeige Datenblatt - 0,4-Zoll Ziffernhöhe - AlInGaP Gelb - 2,6V Durchlassspannung - 40mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Das LTC-4724JS ist ein kompaktes, leistungsstarkes Drei-Ziffern-Sieben-Segment-Anzeigemodul, das für Anwendungen entwickelt wurde, die klare numerische Anzeigen erfordern. Seine Hauptfunktion ist die visuelle Darstellung von drei Ziffern (0-9) und zugehörigen Dezimalpunkten mithilfe einzelner LED-Segmente. Das Bauteil ist für die Integration in verschiedene elektronische Systeme konzipiert, bei denen Platzeffizienz, Lesbarkeit und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

Die Kerntechnologie nutzt Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP) Halbleitermaterial für die LED-Chips. Dieses Materialsystem ist für seinen hohen Wirkungsgrad und seine hervorragende Leistung im gelben bis roten Spektralbereich bekannt. Die Chips werden auf einem nicht transparenten Galliumarsenid (GaAs)-Substrat gefertigt, was dazu beiträgt, das Licht nach vorne zu lenken und somit Helligkeit und Kontrast zu verbessern. Die Anzeige verfügt über eine graue Frontplatte mit weißen Segmentmarkierungen, die einen kontrastreichen Hintergrund bietet und die Zeichenlesbarkeit unter verschiedenen Lichtverhältnissen verbessert.

Die Anzeige verwendet eine gemultiplextes Common-Cathode-Konfiguration. Dieses Design reduziert die Anzahl der benötigten Treiberpins im Vergleich zu einer statischen Ansteuerung erheblich. Anstatt für jedes Segment jeder Ziffer einen eigenen Pin zu benötigen, sind die Kathoden jeder Ziffer miteinander verbunden und werden sequentiell (gemultiplext) angesteuert, während die Anoden für jeden Segmenttyp (A-G, DP) über alle Ziffern hinweg gemeinsam genutzt werden. Dies macht es für Mikrocontroller-basierte Systeme mit begrenzten I/O-Pins äußerst effizient.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Lichttechnische und optische Kenngrößen

Die optische Leistung ist zentral für die Funktionalität der Anzeige. Die Schlüsselparameter werden unter standardisierten Testbedingungen gemessen, typischerweise bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C.

• Mittlere Lichtstärke (I_V):Dieser Parameter definiert die wahrgenommene Helligkeit eines Segments. Bei einem Prüfstrom (I_F) von 1mA beträgt der typische Wert 650 µcd (Mikrocandela), mit einem garantierten Mindestwert von 200 µcd. Die große Spanne deutet auf einen Kategorisierungs- oder Binning-Prozess für die Intensität hin, der in der LED-Fertigung üblich ist, um Mindestleistungsniveaus sicherzustellen.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_p):Gemessen bei I_F=20mA beträgt die typische Spitzenwellenlänge 588 Nanometer (nm). Dies platziert die Emission fest im gelben Bereich des sichtbaren Spektrums.
• Dominante Wellenlänge (λ_d):Diese beträgt 587 nm, sehr nahe an der Spitzenwellenlänge. Die dominante Wellenlänge ist die einzelne Wellenlänge, die die wahrgenommene Farbe des Lichts am besten repräsentiert und ist für farbkritische Anwendungen entscheidend.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):Bei 15 nm (typisch) gibt dieser Parameter die spektrale Reinheit oder Bandbreite des emittierten Lichts an. Eine relativ schmale Halbwertsbreite, wie hier zu sehen, ist charakteristisch für AlInGaP-LEDs und trägt zu einer gesättigten, reinen gelben Farbe bei.
• Lichtstärke-Abgleichverhältnis (I_V-m):Dieses Verhältnis, spezifiziert als maximal 2:1, definiert die zulässige Helligkeitsvariation zwischen verschiedenen Segmenten innerhalb derselben Anzeige. Ein Verhältnis von 2:1 bedeutet, dass das hellste Segment unter identischen Ansteuerbedingungen nicht mehr als doppelt so hell wie das dunkelste Segment sein sollte, was ein gleichmäßiges Erscheinungsbild gewährleistet.

Alle Lichtstärkemessungen werden mit einer Kombination aus Lichtsensor und Filter durchgeführt, die kalibriert ist, um die CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) Standard-Helladaptationskurve des Auges anzunähern, und stellen so sicher, dass die Messungen mit der menschlichen visuellen Wahrnehmung korrelieren.

2.2 Elektrische Kenngrößen und absolute Maximalwerte

Die Einhaltung dieser Grenzwerte ist entscheidend für die Lebensdauer des Bauteils und die Verhinderung katastrophaler Ausfälle.

• Dauer-Durchlassstrom pro Segment:Der maximal zulässige kontinuierliche Gleichstrom durch ein einzelnes LED-Segment beträgt 25 mA bei 25°C. Über dieser Temperatur hinaus muss die Nennleistung linear mit einer Rate von 0,33 mA pro Grad Celsius Anstieg der Umgebungstemperatur reduziert werden.
• Spitzen-Durchlassstrom pro Segment:Für gepulsten Betrieb ist ein höherer Strom zulässig. Bei einem Tastverhältnis von 1/10 mit einer Pulsbreite von 0,1ms kann der Spitzenstrom 60 mA erreichen. Dies ist nützlich für Multiplexing-Schemata, bei denen während der kurzen EIN-Zeit eine höhere momentane Helligkeit benötigt wird.
• Verlustleistung pro Segment:Die maximale Leistung, die von einem einzelnen Segment als Wärme abgeführt werden kann, beträgt 40 mW. Diese wird berechnet als Durchlassspannung (V_F) multipliziert mit Durchlassstrom (I_F). Das Überschreiten dieser Grenze riskiert eine Überhitzung des Halbleiterübergangs.
• Durchlassspannung pro Segment (V_F):Bei einem Treiberstrom von 20 mA beträgt der typische Durchlassspannungsabfall über einem LED-Segment 2,6V, mit einem Minimum von 2,05V. Dieser Parameter ist für die Auslegung der strombegrenzenden Schaltung im Treiber von entscheidender Bedeutung.
• Sperrspannung pro Segment:Die maximale Sperrspannung, die an ein LED-Segment angelegt werden kann, beträgt 5V. Das Überschreiten kann aufgrund von Sperrschichtdurchbruch sofortigen und irreversiblen Schaden an der LED verursachen.
• Sperrstrom pro Segment (I_R):Bei einer angelegten Sperrspannung von 5V beträgt der Leckstrom typischerweise 100 µA oder weniger.

2.3 Thermische und Umgebungsspezifikationen

• Betriebstemperaturbereich:Das Bauteil ist spezifiziert, um innerhalb eines Umgebungstemperaturbereichs von -35°C bis +85°C korrekt zu funktionieren. Die Leistung außerhalb dieses Bereichs ist nicht garantiert.
• Lagertemperaturbereich:Das Bauteil kann ohne Betrieb innerhalb desselben Bereichs von -35°C bis +85°C gelagert werden.
• Löttemperatur:Während der Montage kann das Bauteil eine maximale Löttemperatur von 260°C für maximal 3 Sekunden aushalten, gemessen 1,6 mm unterhalb der Auflageebene des Gehäuses. Dies ist kritisch für Wellenlöt- oder Reflow-Prozesse.

3. Binning- und Kategorisierungssystem

Das Datenblatt stellt ausdrücklich fest, dass das Bauteil \"nach Lichtstärke kategorisiert\" ist. Dies impliziert einen nachgelagerten Sortier- (Binning-) Prozess. Während spezifische Bin-Codes in diesem Auszug nicht angegeben sind, umfasst die typische Kategorisierung für solche Anzeigen die Gruppierung von Einheiten basierend auf der gemessenen Lichtstärke bei einem Standard-Prüfstrom. Dies stellt sicher, dass Kunden Anzeigen mit konsistenten Mindesthelligkeitsniveaus erhalten. Die spezifizierten Minimal- (200 µcd) und Typ-Werte (650 µcd) für I_Vdefinieren die Grenzen dieser Kategorisierung. Entwickler sollten sich bewusst sein, dass die Helligkeit zwischen Einheiten innerhalb des spezifizierten 2:1 Abgleichverhältnisses und über die Intensitäts-Bins hinweg variieren kann, was die Systemkalibrierung für gleichmäßige Helligkeit über mehrere Anzeigen hinweg beeinflussen kann.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf \"Typische elektrische / optische Kennlinienkurven\", die für detaillierte Entwicklungsarbeit wesentlich sind. Während die spezifischen Graphen im Text nicht bereitgestellt werden, würden diese Kurven basierend auf Standard-LED-Kennlinien typischerweise Folgendes umfassen:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kurve):Diese nichtlineare Kurve zeigt die Beziehung zwischen der an der LED anliegenden Spannung und dem resultierenden Strom. Sie ist entscheidend für die Auslegung von Konstantstrom-Treibern, da eine kleine Spannungsänderung eine große Stromänderung (und damit Helligkeitsänderung) verursachen kann. Das Knie der Kurve, um den typischen V_F-Wert von 2,6V bei 20mA, ist der normale Arbeitsbereich.
• Lichtstärke vs. Durchlassstrom (I-L-Kurve):Dieser Graph zeigt, wie die Lichtausgabe mit dem Treiberstrom zunimmt. Sie ist über einen Bereich im Allgemeinen linear, wird aber bei sehr hohen Strömen aufgrund von thermischem und Effizienzabfall sättigen. Der 1mA-Testpunkt für I_Vund der 20mA-Punkt für andere Parameter liefern zwei Schlüsselreferenzen auf dieser Kurve.
• Lichtstärke vs. Umgebungstemperatur:Die Lichtausgabe von LEDs nimmt typischerweise ab, wenn die Sperrschichttemperatur steigt. Diese Kurve ist für Anwendungen, die über einen weiten Temperaturbereich arbeiten, entscheidend, um sicherzustellen, dass die Lesbarkeit bei hohen Temperaturen erhalten bleibt.
• Spektrale Verteilung:Eine Darstellung der relativen Intensität gegenüber der Wellenlänge, die das Maximum bei ~588 nm und die schmale Halbwertsbreite von 15 nm zeigt und die reine gelbe Lichtemission bestätigt.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Physikalische Abmessungen und Toleranzen

Die Gehäusezeichnung liefert kritische mechanische Daten für das PCB-Layout und das Gehäusedesign. Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben. Die allgemeine Toleranz für nicht spezifizierte Abmessungen beträgt ±0,25 mm (was ±0,01 Zoll entspricht). Entwickler müssen diese Toleranzen in ihre mechanischen Designs einbeziehen, um einen korrekten Sitz zu gewährleisten. Die Zeichnung würde die Gesamtlänge, -breite und -höhe des Anzeigemoduls, den Abstand zwischen den Ziffern, die Segmentgröße sowie die Position und den Durchmesser der Befestigungsstifte detailliert darstellen.

5.2 Pinbelegung und Verbindungsdiagramm

Die Pin-Verbindungstabelle ist die Schnittstellenkarte zwischen der internen Schaltung und der Außenwelt. Das LTC-4724JS verwendet eine 15-Pin-Anordnung (wobei mehrere Pins als \"No Connection\" oder \"No Pin\" markiert sind).

• Gemeinsame Kathoden:Die Pins 1, 5, 7 und 14 sind Kathodenanschlüsse. Pin 1 ist für Ziffer 1, Pin 5 für Ziffer 2, Pin 7 für Ziffer 3 und Pin 14 ist eine gemeinsame Kathode für die linken Dezimalpunkte (L1, L2, L3). Diese Struktur ermöglicht das Multiplexing-Schema.
• Segment-Anoden:Die verbleibenden Pins (2, 3, 4, 6, 8, 11, 12, 15) sind Anoden für spezifische Segmente: A, B, C, D, E, F, G und DP (Dezimalpunkt). Die Segmente C und G werden, wie im internen Schaltplan angegeben, jeweils mit den linken Dezimalpunkten L3 bzw. allgemein gemeinsam genutzt.

Der interne Schaltplan stellt diese gemultiplext Architektur visuell dar und zeigt, wie die drei Ziffern-Kathoden und die gemeinsamen Segment-Anoden miteinander verbunden sind. Das Verständnis dieses Diagramms ist für die Entwicklung der korrekten Software-Timing- und Hardware-Treiberschaltung unerlässlich.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur (260°C für 3 Sekunden bei 1,6 mm unterhalb der Auflageebene) gibt klare Anleitung für den Montageprozess. Diese Spezifikation ist mit Standard-Lötzinn-freien Reflow-Lötprofilen kompatibel (die oft eine Spitzentemperatur um 245-250°C haben). Für Wellenlöten muss die Expositionszeit der Pins gegenüber geschmolzenem Lot kontrolliert werden, um innerhalb dieser Grenze zu bleiben. Es wird empfohlen, die Standard-IPC-Richtlinien für das Löten von Durchsteckbauteilen zu befolgen. Vorwärmen wird empfohlen, um thermischen Schock zu minimieren. Nach dem Löten sollte die Anzeige langsam abkühlen. Richtige ESD (Elektrostatische Entladung) Handhabungsverfahren sollten während der Montage stets befolgt werden, um Schäden an den empfindlichen LED-Übergängen zu verhindern.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Das LTC-4724JS eignet sich gut für eine Vielzahl von Anwendungen, die eine kompakte, helle und zuverlässige numerische Anzeige erfordern. Häufige Verwendungen sind:

• Prüf- und Messgeräte:Digitale Multimeter, Frequenzzähler, Netzteile, wo eine 3-stellige Auflösung ausreicht (z.B. zur Anzeige von 0-999).
• Industriesteuerungen und -instrumentierung:Pultmessgeräte für Temperatur, Druck, Geschwindigkeit oder Zähleranzeigen.
• Unterhaltungselektronik:Audio-Geräte (Verstärker-Lautstärkeanzeigen), Küchengeräte (Timer, Temperaturanzeigen).
• Automobil-Zubehör:Instrumente und Anzeigen für Spannung, Drehzahl oder Temperatur.

7.2 Kritische Designüberlegungen

• Treiber-Schaltung:Eine Multiplexing-Treiberschaltung ist erforderlich. Dies beinhaltet typischerweise einen Mikrocontroller oder einen dedizierten Display-Treiber-IC, der Strom durch die Ziffern-Kathoden (normalerweise über Transistoren) ziehen und Strom zu den Segment-Anoden liefern kann. Strombegrenzungswiderstände sind für jede Segment-Anode (oder möglicherweise gemeinsam, wenn ein Konstantstromtreiber verwendet wird) zwingend erforderlich, um den I_Fauf einen sicheren Wert einzustellen, typischerweise zwischen 10-20 mA für einen Kompromiss zwischen Helligkeit und Lebensdauer.
• Multiplexing-Frequenz:Die Aktualisierungsrate muss hoch genug sein, um sichtbares Flackern zu vermeiden, typischerweise über 60 Hz. Bei drei Ziffern wird jede Ziffer für etwa 1/3 des Zyklus beleuchtet. Der Spitzenstrom kann höher eingestellt werden (bis zur gepulsten Nennleistung von 60mA), um das reduzierte Tastverhältnis zu kompensieren und die durchschnittliche Helligkeit aufrechtzuerhalten.
• Stromversorgung:Die Durchlassspannungsanforderung (~2,6V) bedeutet, dass die Systemstromversorgung eine höhere Spannung als diese bereitstellen muss, um den Spannungsabfall über den strombegrenzenden Widerstand und die Treiberschaltung zu ermöglichen. Eine 5V-Versorgung ist üblich und praktisch.
• Betrachtungswinkel und Kontrast:Das Datenblatt gibt einen \"weiten Betrachtungswinkel\" und \"hohen Kontrast\" an. Die graue Front/weißen Segmente verbessern den Kontrast. Für eine optimale Betrachtung sollte die Anzeige senkrecht zur primären Blickrichtung montiert werden. Bei hohen Umgebungslichtverhältnissen ist die hohe Helligkeit (650 µcd typ.) von Vorteil.
• Thermisches Management:Während die Verlustleistung pro Segment gering ist, sollte die kumulative Wärme von mehreren gleichzeitig beleuchteten Segmenten, insbesondere bei höheren Strömen, berücksichtigt werden. Eine ausreichende Belüftung im Gehäuse wird empfohlen, insbesondere wenn in der Nähe der oberen Temperaturgrenze gearbeitet wird.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale des LTC-4724JS liegen in seiner Materialtechnologie und seinem Gehäuse. Im Vergleich zu älteren Technologien wie Standard-GaP- oder GaAsP-LEDs bietet AlInGaP einen deutlich höheren Lichtwirkungsgrad, was zu einer größeren Helligkeit bei gleichem Treiberstrom führt. Die erzeugte gelbe Farbe ist auch gesättigter und reiner. Im Vergleich zu zeitgenössischen Alternativen bietet seine 0,4-Zoll-Ziffernhöhe eine spezifische Balance zwischen Größe und Lesbarkeit. Das gemultiplext Common-Cathode-Design ist ein Standard für mehrstellige Anzeigen, aber die spezifische Pinbelegung und interne Schaltung (einschließlich der gemeinsamen Kathode für linke Dezimalpunkte) sind für diese Teilenummer einzigartig und müssen von der Treibersoftware berücksichtigt werden. Die Kategorisierung nach Lichtstärke bietet ein Maß an Qualitätskontrolle, das möglicherweise nicht bei allen Anzeigen vorhanden ist.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

• F: Kann ich diese Anzeige mit einem 3,3V-Mikrocontroller ansteuern?A: Möglicherweise, aber ein sorgfältiges Design ist erforderlich. Der typische V_F-Wert beträgt 2,6V. Nach Berücksichtigung eines kleinen Spannungsabfalls im Treibertransistor und eines strombegrenzenden Widerstands kann der Spielraum von einer 3,3V-Versorgung sehr knapp oder unzureichend sein, insbesondere unter Berücksichtigung der V_F-Variation. Eine 5V-Versorgung ist zuverlässiger. Möglicherweise benötigen Sie einen Pegelwandler oder einen Treiber-IC, der von einer separaten 5V-Schiene versorgt wird.
• F: Warum ist der Spitzenstrom (60mA) höher als der Dauerstrom (25mA)?A: LEDs können höhere momentane Ströme verkraften, wenn das Tastverhältnis niedrig ist, da die durchschnittliche Verlustleistung und die Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Grenzen bleiben. Dies wird beim Multiplexing ausgenutzt, um eine höhere wahrgenommene Helligkeit zu erreichen.
• F: Was ist der Zweck der \"No Connection\"-Pins?A: Sie sind wahrscheinlich mechanische Platzhalter, um in einen Standard-15-Pin-DIP (Dual In-line Package) Footprint zu passen. Sie bieten physikalische Stabilität während des Lötens, haben aber keine elektrische Funktion. Verbinden Sie sie nicht mit irgendeiner Schaltung.
• F: Wie berechne ich den Wert des strombegrenzenden Widerstands?A: Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz: R = (V_versorgung- V_F- V_{treiber_abfall}) / I_F. Für eine 5V-Versorgung, einen V_F-Wert von 2,6V, einen Treiberabfall von 0,2V und einen gewünschten I_F-Wert von 15mA: R = (5 - 2,6 - 0,2) / 0,015 = 146,7 Ω. Ein Standard-150-Ω-Widerstand wäre geeignet. Überprüfen Sie stets die Verlustleistung im Widerstand: P = I²* R.

10. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Betrachten Sie den Entwurf eines einfachen 3-stelligen Voltmeters mit einem Mikrocontroller. Der ADC des Mikrocontrollers liest eine Spannung, wandelt sie in eine Zahl zwischen 0 und 999 um und muss sie anzeigen.

1. Hardware-Schnittstelle:Drei Mikrocontroller-I/O-Pins sind als Ausgänge konfiguriert, um NPN-Transistoren (oder ein Transistor-Array) zu steuern, die Strom von den drei Ziffern-Kathoden-Pins (1,5,7) ziehen. Acht andere I/O-Pins (oder ein Schieberegister, um Pins zu sparen) sind als Ausgänge konfiguriert, um Strom zu den acht Segment-Anoden-Pins (A,B,C,D,E,F,G,DP) über individuelle 150-Ω-Strombegrenzungswiderstände zu liefern.
2. Software-Routine:Die Hauptschleife implementiert das Multiplexing. Sie schaltet alle Ziffern-Kathoden aus. Dann setzt sie das Segmentmuster auf den Anoden-Pins für Ziffer 1 (z.B. zur Anzeige von \"5\"). Anschließend aktiviert sie (bietet einen Massepfad über den Transistor) die Kathode für Ziffer 1. Sie wartet eine kurze Zeit (z.B. 2-3 ms). Dann deaktiviert sie Ziffer 1, setzt das Segmentmuster für Ziffer 2, aktiviert die Ziffer-2-Kathode, wartet und wiederholt dies für Ziffer 3. Dieser Zyklus wiederholt sich kontinuierlich. Der Spitzenstrom pro Segment kann auf ~20mA eingestellt werden. Bei einem Tastverhältnis von 1/3 beträgt der Durchschnittsstrom ~6,7mA, was gut innerhalb der Dauerbelastbarkeit liegt.
3. Ergebnis:Aufgrund des Nachbild-Effekts erscheinen alle drei Ziffern gleichzeitig und stabil beleuchtet und zeigen die gemessene Spannung an.

11. Einführung in das Technologieprinzip

Das LTC-4724JS basiert auf Festkörper-Beleuchtungstechnologie unter Verwendung von AlInGaP (Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid) Halbleitern. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die die Bandlücken-Spannung der Diode überschreitet, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich der Halbleiterstruktur injiziert. Sie rekombinieren und setzen Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Zusammensetzung der AlInGaP-Legierung bestimmt die Bandlückenenergie, die direkt die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts vorgibt – in diesem Fall gelb (~587-588 nm). Das nicht transparente GaAs-Substrat absorbiert jegliches rückwärts emittierte Licht und verbessert so den Gesamtwirkungsgrad, indem interne Reflexionen reduziert werden, die nicht zum nutzbaren Vorwärtslicht beitragen. Das Sieben-Segment-Format ist eine standardisierte Methode zur Bildung numerischer Zeichen durch selektives Beleuchten von sieben unabhängigen balkenförmigen LED-Segmenten (bezeichnet mit A bis G).

12. Technologietrends und Kontext

Während dieses spezifische Bauteil ausgereifte AlInGaP-Technologie verwendet, entwickelt sich die breitere LED-Anzeigelandschaft weiter. Trends umfassen die Einführung noch effizienterer Materialien wie InGaN für Blau/Grün/Weiß, die Entwicklung von Chip-on-Board (COB)- und Surface-Mount Device (SMD)-Gehäusen für höhere Dichte und kleinere Abmessungen sowie die Integration von Treibern und Controllern direkt in das Anzeigemodul (intelligente Displays). Für spezifische Anwendungen, die eine reine, effiziente gelbe Farbe in einem Standard-Durchsteckgehäuse erfordern, bleiben AlInGaP-basierte Anzeigen wie das LTC-4724JS jedoch eine zuverlässige und kostengünstige Lösung. Ihre Einfachheit, Robustheit und einfache Schnittstelle zu einfachen Mikrocontrollern gewährleisten ihre fortgesetzte Relevanz in vielen industriellen und Verbraucherdesigns, bei denen kundenspezifische Grafikdisplays nicht erforderlich sind.