Hoja de Datos del Display LED LSHD-5503 - Altura de Dígito 0.56 Pulgadas - Rojo AlInGaP - Tensión Directa 2.6V - Disipación de Potencia 70mW - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LSHD-5503 es un módulo de display numérico de un dígito de alto rendimiento, diseñado para aplicaciones que requieren lecturas numéricas claras, brillantes y fiables. Su tecnología central se basa en chips LED rojos de Fosfuro de Aluminio, Indio y Galio (AlInGaP) de Semiconductores Avanzados, que se cultivan epitaxialmente sobre un sustrato de Arseniuro de Galio (GaAs). Este sistema de materiales es reconocido por su alta eficiencia y excelente pureza de color en el espectro rojo. El dispositivo presenta una pantalla frontal gris claro con delineaciones de segmentos blancos, proporcionando un alto contraste para una legibilidad óptima bajo diversas condiciones de iluminación. Los objetivos principales de diseño son el bajo consumo de energía, la alta salida de brillo, la iluminación uniforme de los segmentos y la fiabilidad de estado sólido, lo que lo hace adecuado para integrarse en una amplia gama de productos de consumo, industriales y de instrumentación donde la presentación de datos numéricos es crítica.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

El rendimiento del LSHD-5503 está definido por un conjunto integral de parámetros eléctricos y ópticos, cada uno crítico para el diseño correcto del circuito y la predicción del rendimiento.

2.1 Características Fotométricas y Ópticas

El rendimiento luminoso es un diferenciador clave. La intensidad luminosa promedio por segmento se especifica con valores mínimo, típico y máximo bajo diferentes condiciones de excitación. Con una corriente directa (I_F) de 1 mA, la intensidad oscila entre 320 μcd (mín.) y 1300 μcd (máx.), proporcionándose un valor típico. Con una corriente de excitación más alta de 10 mA, la intensidad típica aumenta significativamente a 5400 μcd, demostrando la capacidad del dispositivo para aplicaciones de alto brillo. La relación de coincidencia de intensidad luminosa entre segmentos se especifica como 2:1 máximo a I_F=1mA, asegurando uniformidad visual en todo el dígito. La longitud de onda dominante (λ_d) es de 624 nm, y la longitud de onda de emisión pico (λ_p) es de 632 nm a I_F=20mA, ubicándolo firmemente en la porción roja del espectro visible. El ancho medio espectral (Δλ) es de 20 nm, indicando un ancho de banda espectral relativamente estrecho que contribuye al color rojo puro.

2.2 Características Eléctricas

La tensión directa (V_F) por segmento está entre 2.1V (mín.) y 2.6V (máx.) cuando se excita a 20 mA. Este parámetro es esencial para calcular el valor necesario de la resistencia limitadora de corriente en un circuito: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F. La corriente inversa (I_R) está limitada a un máximo de 100 μA con una tensión inversa (V_R) de 5V, que es una condición de prueba estándar y no un modo de operación continuo.

2.3 Valores Máximos Absolutos y Gestión Térmica

Estos valores definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente. La corriente directa continua por segmento es de 25 mA. La corriente directa pico por segmento está clasificada en 90 mA, pero solo bajo condiciones pulsadas (frecuencia de 1 kHz, ciclo de trabajo del 15%), lo que es útil para esquemas de multiplexación para lograr un brillo promedio percibido más alto. La disipación de potencia por segmento es de 70 mW, calculada como V_F* I_F. Se especifica un factor de reducción de corriente directa de 0.28 mA/°C por encima de una temperatura ambiente (T_a) de 25°C. Esto significa que por cada grado Celsius por encima de 25°C, la corriente continua máxima permitida debe reducirse en 0.28 mA para evitar el sobrecalentamiento. Por ejemplo, a 50°C, la corriente máxima sería 25 mA - (0.28 mA/°C * 25°C) = 18 mA. El rango de temperatura de operación y almacenamiento es de -35°C a +105°C, indicando robustez para entornos hostiles.

3. Sistema de Clasificación y Binning

La hoja de datos establece explícitamente que los dispositivos están "Clasificados por Intensidad Luminosa". Este es un proceso crítico de control de calidad y selección. Durante la fabricación, se producen variaciones. El binning implica probar la salida luminosa de cada unidad con una corriente de prueba estándar (probablemente 1 mA o 10 mA según la hoja de datos) y agruparlos en rangos específicos de intensidad o "bins". Esto permite a los diseñadores seleccionar componentes con niveles de brillo consistentes para su aplicación, asegurando una apariencia uniforme en displays de múltiples dígitos o entre diferentes productos. Si bien la hoja de datos proporciona el rango mínimo/máximo general, los códigos de bin específicos y sus rangos de intensidad correspondientes normalmente se definirían en un documento de clasificación separado del fabricante.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a "Curvas Típicas de Características Eléctricas / Ópticas" que son esenciales para comprender el comportamiento del dispositivo más allá de las especificaciones de un solo punto. Aunque los gráficos específicos no se detallan en el texto proporcionado, las curvas estándar para tales dispositivos suelen incluir:

• Intensidad Luminosa Relativa vs. Corriente Directa (I_Vvs. I_F):Muestra cómo la salida de luz aumenta con la corriente, generalmente de manera sub-lineal a corrientes más altas debido al calentamiento y la caída de eficiencia.
• Tensión Directa vs. Corriente Directa (V_Fvs. I_F):Demuestra la característica I-V del diodo, crucial para el diseño del driver.
• Intensidad Luminosa Relativa vs. Temperatura Ambiente (I_Vvs. T_a):Ilustra cómo la salida de luz disminuye a medida que aumenta la temperatura de la unión, destacando la importancia de la gestión térmica.
• Distribución Espectral:Un gráfico de intensidad relativa vs. longitud de onda, mostrando el pico en ~632 nm y el ancho medio de 20 nm.

Estas curvas permiten a los ingenieros modelar el rendimiento en condiciones no estándar (por ejemplo, diferentes corrientes de excitación, temperaturas) y optimizar sus diseños.

5. Información Mecánica y del Paquete

El LSHD-5503 tiene una altura de dígito de 0.56 pulgadas (14.22 mm). Las dimensiones del paquete se proporcionan en un dibujo detallado con todas las medidas críticas en milímetros. Las tolerancias son generalmente de ±0.25 mm a menos que se especifique lo contrario. Esta información es vital para el diseño de la huella en el PCB, asegurando un ajuste adecuado dentro de la carcasa y manteniendo la alineación del punto decimal. El paquete aloja los chips LED, la máscara de segmentos gris claro/blanca y los pines de conexión.

6. Conexión de Pines y Circuito Interno

El dispositivo tiene una configuración estándar de 10 pines para un display de 7 segmentos más punto decimal. Utiliza una arquitectura decátodo común. Esto significa que los cátodos (terminales negativos) de todos los segmentos LED están conectados internamente y salen a los pines 3 y 8, que también están unidos entre sí. Los ánodos (terminales positivos) de cada segmento individual (A a G) y del punto decimal (DP) salen a pines separados (1, 2, 4, 5, 6, 7, 9, 10). El diagrama del circuito interno representa visualmente esta disposición, mostrando ocho LEDs individuales (siete segmentos + DP) con sus ánodos aislados y sus cátodos conectados al nodo común. Esta configuración es ideal para la multiplexación, donde los dígitos se alimentan uno a la vez en secuencia rápida.

7. Pautas de Soldadura y Montaje

Los valores máximos absolutos incluyen condiciones específicas de soldadura: el dispositivo puede someterse a una temperatura de soldador de 260°C durante 5 segundos, con la condición de que la punta del soldador debe estar al menos a 1/16 de pulgada (aproximadamente 1.6 mm) por debajo del plano de asiento del paquete. Esta es una instrucción crítica para evitar que el calor excesivo viaje por los pines y dañe los chips LED internos o el paquete de plástico. Para soldadura por ola o de reflujo, el perfil debe controlarse cuidadosamente para mantenerse dentro de los límites térmicos del paquete, típicamente haciendo referencia al estándar IPC/JEDEC J-STD-020 para sensibilidad a la humedad y perfiles de reflujo, aunque no se establece explícitamente aquí. Siempre se deben seguir los procedimientos adecuados de manejo de ESD (Descarga Electroestática) durante el montaje.

8. Sugerencias de Aplicación y Consideraciones de Diseño

8.1 Escenarios de Aplicación Típicos

El LSHD-5503 es adecuado para cualquier aplicación que requiera un display numérico de un dígito brillante y fiable. Usos comunes incluyen: equipos de prueba y medición (multímetros, contadores de frecuencia), paneles de control industrial (indicadores de temperatura, contadores), electrodomésticos (hornos microondas, lavadoras, equipos de audio), medidores automotrices del mercado de accesorios y terminales punto de venta.

8.2 Consideraciones de Diseño Críticas

• Limitación de Corriente:Los LEDs son dispositivos excitados por corriente. Se debe usar una resistencia en serie con cada segmento (o un driver de corriente constante) para limitar la corriente directa a un valor seguro (≤25 mA continuos). El valor de la resistencia se calcula usando la tensión de alimentación y la caída de tensión directa de la hoja de datos.
• Multiplexación:Para displays de múltiples dígitos, un dispositivo de cátodo común como el LSHD-5503 es ideal. Un microcontrolador puede habilitar secuencialmente el cátodo común de un dígito mientras excita los ánodos de segmento para el patrón de ese dígito. La clasificación de corriente pico (90 mA pulsada) permite una corriente instantánea más alta durante el corto período de multiplexación para lograr una luminosidad promedio brillante.
• Diseño Térmico:Adherirse a la curva de reducción de corriente. Asegurar una ventilación adecuada si se opera a altas temperaturas ambiente o corrientes continuas altas. El diseño del PCB puede ayudar a disipar el calor de los pines.
• Ángulo de Visión:La hoja de datos afirma un amplio ángulo de visión, lo que es beneficioso para aplicaciones donde el display puede verse desde posiciones fuera del eje.

9. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con tecnologías más antiguas como los LEDs rojos estándar de GaAsP (Fosfuro de Arseniuro de Galio), la tecnología AlInGaP en el LSHD-5503 ofrece una eficiencia luminosa significativamente mayor, resultando en un mayor brillo para la misma corriente de excitación. También proporciona una pureza de color superior y estabilidad con la temperatura y el tiempo. En comparación con algunos LEDs blancos modernos con filtros de color, los LEDs rojos AlInGaP son inherentemente monocromáticos y más eficientes para producir luz roja pura. La altura de dígito de 0.56 pulgadas lo coloca en una categoría de tamaño común, ofreciendo un buen equilibrio entre legibilidad y huella física. Su configuración de cátodo común ofrece una ventaja directa para diseños multiplexados basados en microcontroladores sobre los tipos de ánodo común en ciertas topologías de circuito.

10. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Puedo excitar este display directamente desde un pin de microcontrolador de 5V?

R: No. Debes usar una resistencia limitadora de corriente. Un LED rojo típico tiene una caída de aproximadamente 2V. Conectar 5V directamente causaría corriente excesiva, destruyendo el segmento. Calcula la resistencia: R = (5V - 2.6V) / 0.02A = 120Ω (usando V_Fmáx. por seguridad).

P: ¿Qué significa "Clasificado por Intensidad Luminosa" para mi diseño?

R: Significa que puedes pedir componentes de un rango específico de brillo. Si la consistencia visual entre múltiples unidades es crítica (por ejemplo, un panel de múltiples dígitos), especifica el código de bin deseado a tu distribuidor para asegurar que todos los dígitos tengan un brillo coincidente.

P: La corriente pico es 90mA, pero la continua es solo 25mA. ¿Puedo usar 90mA para una salida más brillante?

R: Solo en modo pulsado, como se especifica (1 kHz, 15% ciclo de trabajo). La corriente promedio en ese caso sería 90mA * 0.15 = 13.5mA, que está dentro de la clasificación continua. La operación continua a 90mA excedería el límite de disipación de potencia y causaría una falla rápida.

P: ¿Cómo conecto los dos pines de cátodo común (3 y 8)?

R: Están conectados internamente. Puedes usar cualquiera de los dos o conectar ambos a tu circuito de excitación (por ejemplo, un sumidero de transistor) para una posible mejor distribución de corriente y rendimiento térmico.

11. Caso de Estudio de Diseño y Uso

Escenario: Diseñando un display simple de voltímetro de 3 dígitos.

Se utilizan tres displays LSHD-5503. Se elige un microcontrolador con suficientes pines de E/S. El diseño emplea multiplexación por división de tiempo:

1. Los pines de cátodo común de cada dígito se conectan a transistores NPN individuales (o un CI driver dedicado) controlados por el microcontrolador.

2. Los pines de ánodo de segmento (A-G, DP) de los tres dígitos se conectan juntos y se vinculan al microcontrolador a través de resistencias limitadoras de corriente.

3. El software del microcontrolador: a) Apaga todos los transistores de excitación de cátodo. b) Calcula qué segmentos necesitan encenderse para el dígito de las centenas. c) Activa el patrón de segmentos en las líneas de ánodo. d) Habilita brevemente el transistor para el cátodo del dígito de las centenas. e) Repite los pasos b-d para los dígitos de las decenas y unidades en sucesión rápida (por ejemplo, a una tasa global de 1 kHz).

La corriente de segmento pico durante su breve tiempo de encendido puede establecerse más alta (por ejemplo, 40-60 mA) para compensar el bajo ciclo de trabajo (≈33% por dígito en un sistema de 3 dígitos), logrando un display brillante y sin parpadeo mientras se mantiene la potencia promedio y el calor dentro de los límites.

12. Introducción al Principio Tecnológico

El LSHD-5503 se basa en material semiconductor de Fosfuro de Aluminio, Indio y Galio (AlInGaP) cultivado epitaxialmente sobre un sustrato de Arseniuro de Galio (GaAs). Este es un semiconductor compuesto del grupo III-V. Cuando se aplica una tensión directa a través de la unión p-n, los electrones y huecos se inyectan en la región activa. Su recombinación libera energía en forma de fotones (luz). La energía específica de la banda prohibida de la aleación AlInGaP determina la longitud de onda de la luz emitida; en este caso, está sintonizada para producir luz roja alrededor de 624-632 nm. El uso de un material de banda prohibida directa como AlInGaP resulta en una alta eficiencia cuántica interna. La luz se emite a través de un paquete de epoxi moldeado que incorpora una cara gris claro con segmentos pintados de blanco. La pintura blanca refleja y difunde la luz del chip LED subyacente, creando los segmentos uniformemente iluminados visibles para el usuario.

13. Tendencias y Contexto Tecnológico

Si bien el LSHD-5503 representa una tecnología madura y fiable, el campo más amplio de la tecnología de displays continúa evolucionando. AlInGaP sigue siendo la tecnología de alta eficiencia dominante para LEDs rojos y ámbar. Las tendencias en displays LED discretos incluyen la búsqueda de una eficiencia aún mayor (más lúmenes por vatio), lo que mejora la duración de la batería en dispositivos portátiles y reduce la carga térmica. También hay una tendencia hacia la miniaturización de la escala del chip en sí, permitiendo potencialmente huellas de paquete más pequeñas o una mayor densidad de píxeles en displays de múltiples elementos. Además, la integración es una tendencia clave; la electrónica de excitación y, a veces, incluso los microcontroladores se están integrando en módulos de "display inteligente", simplificando el proceso de diseño para los ingenieros finales. Sin embargo, para displays numéricos de un dígito estándar y rentables, dispositivos como el LSHD-5503, con su rendimiento probado y amplia disponibilidad, seguirán siendo un componente fundamental en el diseño electrónico en el futuro previsible, especialmente en aplicaciones donde los displays gráficos personalizados no son necesarios.