Hoja de Datos Técnicos del Display LED de 7 Segmentos LTD-5260JD - 0.52 Pulgadas (13.2mm) - Rojo Hiperintenso - Voltaje Directo 2.6V - Potencia 70mW

1. Descripción General del Producto

El LTD-5260JD es un módulo de display LED de 7 segmentos de alto rendimiento, con una altura de dígito de 0.52 pulgadas (13.2 mm). Está diseñado para aplicaciones que requieren lecturas numéricas claras y brillantes. El dispositivo utiliza tecnología semiconductora avanzada de Fosfuro de Aluminio, Indio y Galio (AlInGaP) para sus chips emisores de luz, que se fabrican sobre un sustrato de Arseniuro de Galio (GaAs) no transparente. Esta construcción contribuye a sus características visuales clave: una placa frontal gris y áreas de segmentos blancas cuando están apagadas, lo que mejora el contraste cuando los segmentos rojos se iluminan.

El display presenta una configuración de cátodo común, un diseño estándar para simplificar el circuito de excitación en aplicaciones multidígito. Incluye un punto decimal (D.P.) a la derecha para cada dígito, permitiendo mostrar números fraccionarios. Los objetivos principales de diseño de este componente son una apariencia de carácter excelente, alto brillo, alto índice de contraste y un amplio ángulo de visión, todo ello logrado con requisitos de potencia relativamente bajos, típicos de la tecnología LED de estado sólido.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Las ventajas principales del LTD-5260JD derivan de su tecnología LED rojo hiperintenso AlInGaP. En comparación con tecnologías más antiguas como los LED rojos estándar de GaAsP (Fosfuro de Arseniuro de Galio), el AlInGaP ofrece una eficiencia luminosa significativamente mayor. Esto se traduce en niveles de brillo más altos para una corriente directa dada, o en un menor consumo de energía para un nivel de brillo requerido. La designación "rojo hiperintenso" indica un color rojo profundo y saturado con una longitud de onda dominante típicamente alrededor de 639 nm, que es muy visible para el ojo humano.

El dispositivo está categorizado por intensidad luminosa, lo que significa que las unidades se clasifican o seleccionan en función de su salida de luz medida. Esto permite a los diseñadores seleccionar displays con un brillo consistente entre múltiples unidades en un producto, asegurando una apariencia uniforme. La fiabilidad de estado sólido de los LED significa que no hay filamentos que se quemen, resistencia a las vibraciones y una vida operativa extremadamente larga, que a menudo supera las 100.000 horas.

El mercado objetivo para este display incluye instrumentación industrial, equipos de prueba y medición, sistemas punto de venta, cuadros de mando automotrices (para displays secundarios o de posventa), dispositivos médicos y electrodomésticos donde se requiere una lectura numérica clara y fiable. Su tamaño de dígito de 0.52 pulgadas lo hace adecuado para montaje en panel donde el espacio es una consideración, pero la legibilidad desde una distancia moderada es necesaria.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

La hoja de datos proporciona especificaciones eléctricas, ópticas y máximas absolutas completas, que son críticas para un diseño de circuito fiable y para garantizar la longevidad del display.

2.1 Especificaciones Máximas Absolutas

Estas especificaciones definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente en el dispositivo. No son condiciones para operación normal.

• Disipación de Potencia por Chip:70 mW. Esta es la potencia máxima que puede disiparse continuamente por un segmento LED individual (chip) sin causar sobrecalentamiento.
• Corriente Directa Pico por Chip:90 mA. Esto solo se permite bajo condiciones pulsadas con un ciclo de trabajo de 1/10 y un ancho de pulso de 0.1 ms. Es útil para esquemas de multiplexación o para lograr períodos breves de mayor brillo.
• Corriente Directa Continua por Chip:25 mA a 25°C. Esta especificación se reduce linealmente a 0.33 mA/°C a medida que la temperatura ambiente (Ta) aumenta por encima de 25°C. Por ejemplo, a 85°C, la corriente continua máxima sería aproximadamente: 25 mA - ((85°C - 25°C) * 0.33 mA/°C) = 25 mA - 19.8 mA = 5.2 mA. Esta reducción es crucial para la gestión térmica.
• Voltaje Inverso por Chip:5 V. Exceder este voltaje en polarización inversa puede romper la unión PN del LED.
• Rango de Temperatura de Operación y Almacenamiento:-35°C a +85°C. El dispositivo está clasificado para rangos de temperatura industrial.
• Temperatura de Soldadura:Máximo 260°C durante un máximo de 3 segundos, medido a 1.6mm por debajo del plano de asiento. Esto define las restricciones del perfil de soldadura por reflujo.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros se miden bajo condiciones de prueba estándar (Ta=25°C) y representan el rendimiento típico del dispositivo.

• Intensidad Luminosa Promedio (I_V):320 (Mín), 700 (Típ), μcd (Microcandelas) a I_F=1mA. Esta es la medida principal del brillo. El amplio rango de mín a típ indica el proceso de clasificación; los diseñadores deben usar el valor mínimo para cálculos de brillo en el peor caso.
• Longitud de Onda de Emisión Pico (λ_p):650 nm (Típ) a I_F=20mA. Esta es la longitud de onda a la que la salida espectral es más fuerte.
• Longitud de Onda Dominante (λ_d):639 nm (Típ) a I_F=20mA. Esta es la longitud de onda única percibida por el ojo humano, que define el color. El valor de 639 nm confirma la clasificación "rojo hiperintenso".
• Ancho Medio de Línea Espectral (Δλ):20 nm (Típ). Esto indica la pureza del color; un valor más pequeño significa una luz más monocromática.
• Voltaje Directo por Segmento (V_F):2.1 (Mín), 2.6 (Típ) Voltios a I_F=20mA. Esto es crítico para diseñar el circuito limitador de corriente. El controlador debe suministrar al menos 2.6V para asegurar que el LED se encienda correctamente.
• Corriente Inversa por Segmento (I_R):100 μA (Máx) a V_R=5V. Esta es la corriente de fuga cuando el LED está polarizado inversamente.
• Relación de Coincidencia de Intensidad Luminosa (I_V-m):2:1 (Máx). Esto especifica que la diferencia de brillo entre dos segmentos cualesquiera dentro del mismo dígito no excederá una relación de 2 a 1, asegurando una apariencia uniforme.

3. Explicación del Sistema de Clasificación

La hoja de datos establece explícitamente que los dispositivos están "categorizados por intensidad luminosa". Esto se refiere a un proceso de clasificación o selección posterior a la fabricación. Debido a variaciones inherentes en el crecimiento epitaxial del semiconductor y los procesos de fabricación de chips, los LED del mismo lote de producción pueden tener variaciones en parámetros clave como el voltaje directo (V_F) y la intensidad luminosa (I_V).

Para el LTD-5260JD, el criterio principal de clasificación es la intensidad luminosa, como se indica. Las unidades se prueban y clasifican en diferentes grupos de intensidad (por ejemplo, un grupo para 320-400 μcd, otro para 400-500 μcd, etc., en la condición de prueba de 1mA). Esto permite a fabricantes y distribuidores ofrecer piezas con niveles de brillo mínimo garantizados. Los diseñadores que adquieran estos displays deben especificar el grupo de intensidad requerido para asegurar la consistencia en todas las unidades de su producción, lo cual es vital para productos que usan múltiples displays donde la uniformidad visual es importante. La hoja de datos proporciona los valores mínimo (320 μcd) y típico (700 μcd), definiendo el rango posible.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

Si bien los gráficos específicos no se detallan en el texto proporcionado, la hoja de datos incluye una sección para "Curvas Típicas de Características Eléctricas/Ópticas". Basándose en el comportamiento estándar de los LED, estas curvas típicamente incluirían:

• Curva I-V (Corriente-Voltaje):Muestra la relación entre el voltaje directo (V_F) y la corriente directa (I_F). Es no lineal, con un aumento brusco de la corriente una vez que el voltaje directo supera el umbral del diodo (alrededor de 2V para el rojo AlInGaP). Esta curva es esencial para diseñar controladores de corriente constante.
• Intensidad Luminosa vs. Corriente Directa (I_Vvs. I_F):Muestra cómo aumenta el brillo con la corriente. Generalmente es lineal a corrientes bajas, pero puede saturarse a corrientes más altas debido a efectos térmicos y caída de eficiencia.
• Intensidad Luminosa vs. Temperatura Ambiente (I_Vvs. T_A):Ilustra cómo disminuye la salida de luz a medida que aumenta la temperatura de la unión. Esta es una curva crítica de reducción para aplicaciones que operan en entornos de alta temperatura.
• Distribución Espectral:Un gráfico de potencia radiante relativa versus longitud de onda, que muestra el pico en ~650 nm y el ancho medio de ~20 nm, confirmando la tabla de características ópticas.
• Voltaje Directo vs. Temperatura Ambiente (V_Fvs. T_A):Muestra el coeficiente de temperatura negativo de V_F; el voltaje directo disminuye ligeramente a medida que aumenta la temperatura.

Estas curvas permiten a los ingenieros predecir el rendimiento en condiciones no estándar y optimizar su diseño para eficiencia y fiabilidad.

5. Información Mecánica y de Empaquetado

La hoja de datos proporciona un dibujo detallado de las dimensiones del encapsulado. Las características mecánicas clave incluyen:

• Tamaño General:El dibujo especifica la longitud, anchura y altura del encapsulado plástico, así como el espaciado y dimensiones de las patillas. Todas las dimensiones están en milímetros con una tolerancia estándar de ±0.25 mm a menos que se indique lo contrario.
• Diseño del Marco de Patillas:Las 18 patillas están dispuestas con un paso de 0.1 pulgadas (2.54 mm), que es una huella estándar DIP (Dual In-line Package), haciéndolo compatible con zócalos y diseños de PCB estándar.
• Identificación de Polaridad:El diagrama de conexión de patillas sirve como guía principal de polaridad y asignación de patillas. Las patillas de cátodo común (13 y 14) están claramente identificadas. El encapsulado físico probablemente incluye una muesca, un punto o una esquina biselada para indicar la orientación de la patilla 1, lo que debe cotejarse con el diagrama de patillas.
• Plano de Asiento:La nota sobre la temperatura de soldadura hace referencia a un punto 1.6mm por debajo del plano de asiento, lo cual es importante para definir la masa térmica del encapsulado durante la soldadura por reflujo.

6. Directrices de Soldadura y Montaje

Las especificaciones máximas absolutas proporcionan la directriz clave para la soldadura: el encapsulado no debe exponerse a temperaturas superiores a 260°C durante más de 3 segundos. Esto se alinea con los perfiles estándar de soldadura por reflujo sin plomo (por ejemplo, IPC/JEDEC J-STD-020).

Proceso Recomendado:Debe utilizarse un horno de reflujo por infrarrojos o convección estándar con un perfil de temperatura controlado. El perfil debe tener una zona de precalentamiento para elevar gradualmente la temperatura, una zona de estabilización para activar el fundente e igualar temperaturas, una zona de reflujo pico donde la temperatura en las patillas del encapsulado alcance brevemente 240-250°C (manteniéndose por debajo del límite de 260°C), y una zona de enfriamiento controlado.

Soldadura Manual:Si es necesaria la soldadura manual, debe usarse un soldador con control de temperatura. La temperatura de la punta debe ajustarse típicamente entre 300-350°C, pero el tiempo de contacto con cada patilla debe ser muy corto (menos de 3 segundos) para evitar que el calor viaje por la patilla y dañe las conexiones internas de alambre o el propio chip LED. Es recomendable usar una pinza disipadora de calor en la patilla entre la unión y el cuerpo del encapsulado.

Limpieza:Después de soldar, si se requiere limpieza, usar disolventes compatibles con el material del encapsulado plástico. El alcohol isopropílico es generalmente seguro.

Condiciones de Almacenamiento:Almacenar en un entorno seco y antiestático dentro del rango de temperatura especificado de -35°C a +85°C. Los dispositivos deben mantenerse en sus bolsas barrera de humedad originales hasta su uso para prevenir la absorción de humedad, que puede causar "efecto palomita" durante el reflujo.

7. Conexión de Patillas y Circuito Interno

La tabla de conexión de patillas es exhaustiva. El LTD-5260JD es un display de dos dígitos con un cátodo común para cada dígito. El diagrama de circuito interno mostraría que todos los ánodos para un segmento específico (por ejemplo, el segmento "A") de un dígito específico son independientes, mientras que los cátodos de todos los segmentos dentro de un solo dígito están conectados internamente.

Método de Excitación:Esta configuración es ideal para multiplexación. Para mostrar un número, el microcontrolador haría:

1. Establecer el patrón de ánodos (patillas 1-12, 15-18) en alto (a través de resistencias limitadoras) para los segmentos que necesitan encenderse.
2. Poner a bajo el cátodo común del dígito correspondiente (patilla 13 o 14) para completar el circuito e iluminar el dígito.
3. Después de un breve período (por ejemplo, 5ms), apagar ese dígito poniendo su cátodo en alto o en flotante.
4. Repetir el proceso para el siguiente dígito con su patrón de ánodos de segmento y cátodo correspondientes.

Al alternar rápidamente entre los dígitos (a una frecuencia >100Hz), la persistencia de la visión crea la ilusión de que ambos dígitos están continuamente encendidos. Este método reduce significativamente el número de pines de E/S del microcontrolador requeridos y el consumo de energía en comparación con la excitación estática (no multiplexada).

8. Sugerencias de Aplicación

8.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La aplicación más común es un circuito de excitación multiplexado. Los puertos de E/S de un microcontrolador, a menudo aumentados con controladores de sumidero de corriente externos (como un arreglo Darlington ULN2003A) para manejar la corriente del cátodo, controlan el display. Cada ánodo de segmento se conecta al microcontrolador (o a un IC de enclavamiento/de codificación como un 74HC595) a través de una resistencia limitadora de corriente. El valor de la resistencia se calcula usando R = (V_suministro- V_F) / I_F. Para un suministro de 5V, un V_Ftípico de 2.6V, y una I_Fdeseada de 10 mA: R = (5 - 2.6) / 0.01 = 240 Ω. Una resistencia de 220 Ω o 270 Ω serían opciones estándar.

8.2 Consideraciones de Diseño

• Limitación de Corriente:Siempre usar resistencias en serie para cada ánodo de segmento. Nunca conectar un LED directamente a una fuente de voltaje.
• Corriente Pico en Multiplexación:Al multiplexar, la corriente instantánea durante el breve tiempo de encendido puede ser mayor que la especificación de CC para lograr el mismo brillo promedio. Por ejemplo, con un ciclo de trabajo de 1/4, se podría usar un pulso de 40 mA para lograr un promedio de 10 mA. Sin embargo, este pulso no debe exceder la especificación máxima absoluta de corriente pico de 90 mA y debe respetar las restricciones de ciclo de trabajo y ancho de pulso.
• Ángulo de Visión:Posicionar el display de modo que la dirección de visión prevista esté dentro del amplio ángulo de visión del dispositivo, típicamente perpendicular a la cara para obtener el máximo contraste.
• Atenuación:El brillo se puede controlar mediante PWM (Modulación por Ancho de Pulso) en los controladores del cátodo, ajustando el ciclo de trabajo de los pulsos de multiplexación.

9. Comparación y Diferenciación Técnica

El diferenciador principal del LTD-5260JD es su uso de la tecnología AlInGaP para la emisión rojo hiperintenso. En comparación con displays que usan GaAsP más antiguo o AlInGaP rojo estándar:

• vs. Rojo GaAsP:AlInGaP ofrece una eficiencia luminosa sustancialmente mayor (más luz por mA), mejor estabilidad térmica y una longitud de onda más larga (rojo más profundo) que a menudo parece más brillante al ojo y tiene un mejor rendimiento a través de filtros rojos.
• vs. Displays LED Rojos Estándar:La longitud de onda dominante "rojo hiperintenso" de 639 nm proporciona un contraste superior contra el fondo gris/blanco, especialmente en condiciones de luz ambiental, en comparación con un rojo estándar de ~625 nm.
• vs. Alternativas Contemporáneas (por ejemplo, OLED):Si bien los OLED ofrecen flexibilidad y potencialmente mayor contraste en entornos oscuros, este display LED es superior en entornos de alto brillo (legibilidad a la luz del sol), ofrece un rango de temperatura de operación más amplio y tiene una fiabilidad y estabilidad a largo plazo probadas que superan a los OLED de primera generación.

10. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Puedo excitar este display con un microcontrolador de 3.3V?

A: Sí, pero debes verificar el voltaje directo. El V_Ftípico es 2.6V. Con un suministro de 3.3V, el margen de voltaje para la resistencia limitadora es de solo 0.7V (3.3V - 2.6V). Para lograr una corriente de 10 mA, necesitarías una resistencia de 70 Ω (R = 0.7V / 0.01A). Esto es factible, pero la corriente será más sensible a las variaciones en V_Fy el voltaje de suministro. Un suministro de 5V es más robusto para excitar estos LED.

P: ¿Por qué la intensidad luminosa se da a 1mA pero el V_Fa 20mA?

A: La intensidad a baja corriente (1mA) es una condición de prueba estándar para comparar la eficiencia de brillo. El voltaje directo se mide típicamente a una corriente de operación estándar (20mA), que es un nivel de excitación común para LED indicadores. Los diseñadores usan los datos de 1mA para cálculos de baja potencia y el V_Fde 20mA para el diseño de circuitos de excitación estándar.

P: ¿Qué significa "cátodo común" para mi circuito?

A: Significa que todos los cátodos (lados negativos) de los LED en un dígito están conectados internamente dentro del encapsulado. Para encender un segmento, aplicas un voltaje positivo (a través de una resistencia) a su patilla de ánodo y conectas la patilla de cátodo común del dígito a tierra. Esto es lo opuesto a un display de "ánodo común", donde se pone a tierra la patilla del segmento y se aplica voltaje al ánodo común.

P: ¿Cómo calculo la disipación de potencia para la gestión térmica?

A: Para un segmento, la potencia P = V_F* I_F. A 20mA y 2.6V, P = 52 mW por segmento. Si todos los 7 segmentos de un dígito están encendidos (más el punto decimal, haciendo 8), la potencia total para ese dígito sería 8 * 52 mW = 416 mW. Esta potencia se disipa como calor en los chips LED. Debes asegurarte de que la temperatura promedio del chip no exceda sus límites siguiendo la curva de reducción de corriente y proporcionando ventilación o disipación de calor adecuadas si es necesario, especialmente en altas temperaturas ambientales.

11. Estudio de Caso de Diseño Práctico

Escenario:Diseñar un display de voltímetro simple de dos dígitos para una fuente de alimentación de banco, mostrando de 0.0V a 19.9V.

Implementación:

1. Microcontrolador:Se elige un MCU de 8 bits de bajo costo con al menos 10 pines de E/S.
2. Circuito de Excitación:Dos pines de puerto de E/S se configuran para sumidero de corriente para los dos cátodos comunes (patillas 13 y 14). Estos pines se conectan directamente al MCU si pueden sumiderar 20-40mA, o a través de un transistor/IC controlador. Otros ocho pines de E/S (o un registro de desplazamiento serie/paralelo como el 74HC595 para ahorrar pines) excitan los ánodos de segmento (A-G y DP para ambos dígitos, notando que algunos se comparten) a través de resistencias limitadoras de corriente individuales de 220Ω.
3. Software:El firmware lee el voltaje a través de un ADC, lo convierte a BCD (Decimal Codificado en Binario) y usa una tabla de búsqueda para determinar qué segmentos encender para cada dígito (0-9). Implementa una rutina de multiplexación que actualiza el display a una tasa de 200Hz (cada dígito encendido durante ~2.5ms).
4. Control de Brillo:Se implementa un ajuste PWM simple del ciclo de trabajo de multiplexación, controlado por un potenciómetro leído por otro canal ADC, permitiendo al usuario atenuar el display en entornos oscuros.

Este caso destaca el uso eficiente de E/S, la limitación de corriente adecuada y la técnica de multiplexación habilitada por el diseño de cátodo común y dos dígitos del LTD-5260JD.

12. Introducción al Principio Tecnológico

El principio de emisión de luz central es la electroluminiscencia en una unión PN semiconductora. El LTD-5260JD usa AlInGaP (Fosfuro de Aluminio, Indio y Galio) como capa activa. Cuando se aplica un voltaje directo, los electrones de la región tipo N y los huecos de la región tipo P se inyectan en la región activa. Allí, se recombinan, liberando energía en forma de fotones (luz). La composición específica de la aleación Al_xIn_yGa_1-x-yP determina la energía de la banda prohibida, que dicta directamente la longitud de onda (color) de la luz emitida. Para el rojo hiperintenso a ~639 nm, la composición se calibra cuidadosamente. El sustrato de GaAs no transparente absorbe cualquier luz emitida hacia abajo, mejorando el contraste al evitar que la luz se disperse por la parte posterior del chip. La cara gris y los segmentos blancos son parte del moldeado del encapsulado plástico, que actúa como un difusor y filtro de mejora de contraste para los pequeños y brillantes chips LED montados detrás.

13. Tendencias de Desarrollo

Si bien los displays LED discretos de 7 segmentos como el LTD-5260JD siguen siendo relevantes para muchas aplicaciones debido a su simplicidad, robustez y rentabilidad, varias tendencias son evidentes:

1. Integración:Existe un movimiento hacia displays con controladores integrados (interfaz I2C o SPI) y controladores, reduciendo el recuento de componentes y la sobrecarga del microcontrolador para el diseñador del sistema.
2. Miniaturización y Mayor Densidad:Displays con alturas de dígito más pequeñas (por ejemplo, 0.3 pulgadas) y módulos multidígito (4 dígitos, 8 dígitos) en un solo encapsulado son comunes.
3. Variedad de Colores:Si bien el rojo es tradicional, están disponibles displays de 7 segmentos verde brillante, azul, amarillo y RGB a todo color para necesidades estéticas o funcionales específicas.
4. Tecnologías Alternativas:En aplicaciones donde el ultra bajo consumo, la delgadez o la flexibilidad son primordiales, los displays de segmentos basados en OLED son una alternativa, aunque pueden comprometer el brillo máximo, el rango de temperatura o la fiabilidad a largo plazo en ciertas condiciones en comparación con los LED inorgánicos.
5. Mejoras de Eficiencia:La investigación continua en materiales semiconductores, incluidos nuevos LED convertidos por fósforo y la tecnología micro-LED, promete eficiencias aún mayores y nuevos factores de forma, aunque es más probable que estos impacten en las tecnologías de display de próxima generación en lugar de reemplazar a los LED de segmento tradicionales a corto plazo en sus aplicaciones principales.

El LTD-5260JD representa una solución madura y optimizada dentro de su nicho específico, equilibrando rendimiento, fiabilidad y costo.