دیتاشیت نمایشگر ماتریس نقطه‌ای LED مدل LTP-2057AKA - ارتفاع 2.0 اینچ (50.8 میلی‌متر) - رنگ نارنجی سوپر (621 نانومتر) - توان 33 میلی‌وات به ازای هر نقطه

1. مرور کلی محصول

LTP-2057AKA یک ماژول نمایشگر تک رقمی و الفبایی-عددی است که با استفاده از پیکربندی ماتریس نقطه‌ای 5x7 ساخته شده است. عملکرد اصلی آن نمایش بصری کاراکترها و نمادها است که معمولاً برای نشانگرهای وضعیت، نمایشگرهای ساده و پنل‌های اطلاعاتی در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف استفاده می‌شود. مزیت اصلی این دستگاه در استفاده از فناوری LED مبتنی بر AlInGaP (آلومینیوم ایندیم گالیم فسفید) برای المان‌های نورانی، به طور خاص در رنگ "نارنجی سوپر" است. این سیستم ماده‌ای در مقایسه با فناوری‌های قدیمی‌تر، از نظر بازده و پایداری رنگ مزایایی ارائه می‌دهد. نمایشگر دارای صفحه‌ای خاکستری با نقاط سفید رنگ است که زمینه‌ای با کنتراست بالا برای نور ساطع شده فراهم می‌کند و خوانایی را افزایش می‌دهد. این دستگاه برای کاربردهایی طراحی شده که به نمایشگر کاراکتری با اندازه متوسط، قابل اعتماد و کم‌مصرف نیاز دارند.

2. تحلیل عملی پارامترهای فنی

2.1 مشخصات نوری

عملکرد نوری در مرکز عملکرد نمایشگر قرار دارد. پارامتر کلیدی، شدت نور متوسط (Iv)، با حداقل 2100 μcd، مقدار معمول 4600 μcd و بدون حداکثر محدودیت تحت شرایط تست جریان مستقیم پالسی (Ip) معادل 32mA در چرخه کاری 1/16 مشخص شده است. این روش درایو پالسی برای نمایشگرهای مالتی‌پلکس استاندارد است تا روشنایی درک شده حاصل شود و در عین حال توان و حرارت مدیریت شود. رنگ توسط طول موج اوج تابش (λp) معادل 621 نانومتر (nm) تعریف می‌شود که آن را در ناحیه نارنجی-قرمز طیف قرار می‌دهد. پهنای نیم‌خط طیفی (Δλ) برابر 18 نانومتر است که نشان‌دهنده خلوص طیفی یا باریکی باند نور ساطع شده است. طول موج غالب (λd) برابر 615 نانومتر است که طول موج درک شده توسط چشم انسان است و ممکن است کمی با طول موج اوج متفاوت باشد. نسبت تطابق شدت نور 2:1 مشخص شده است، به این معنی که تغییرات روشنایی بین درخشان‌ترین و کم‌نورترین سگمنت‌ها در آرایه نباید از این نسبت تجاوز کند و ظاهری یکنواخت را تضمین می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی

پارامترهای الکتریکی محدودیت‌ها و شرایط عملیاتی نمایشگر را تعریف می‌کنند. ریتینگ‌های حداکثر مطلق مرزهای عملیات ایمن را تعیین می‌کنند: اتلاف توان متوسط 33 میلی‌وات (mW) به ازای هر نقطه، جریان مستقیم اوج 90mA به ازای هر نقطه، و جریان مستقیم متوسط به ازای هر نقطه که به صورت خطی از 13mA در دمای 25 درجه سانتی‌گراد با نرخ 0.17mA/°C کاهش می‌یابد. این کاهش ریتینگ برای مدیریت حرارتی در دمای محیط بالا بسیار مهم است. حداکثر ولتاژ معکوس به ازای هر نقطه 5 ولت (V) است. ولتاژ مستقیم (Vf) برای هر نقطه LED منفرد معمولاً در جریان 20mA برابر 2.6V و حداکثر آن در جریان تست بالاتر 80mA برابر 2.8V است. جریان معکوس (Ir) حداکثر 100 میکروآمپر (μA) در بایاس معکوس کامل 5V است.

2.3 مشخصات حرارتی و محیطی

این دستگاه برای محدوده دمای عملیاتی 35- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد و محدوده دمای ذخیره‌سازی یکسان ریتینگ شده است. این محدوده وسیع آن را برای محیط‌های صنعتی و خودرویی که در معرض دمای شدید هستند مناسب می‌سازد. یک پارامتر مونتاژ حیاتی، حداکثر دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر مدت 3 ثانیه است که در نقطه‌ای به فاصله 1.6 میلی‌متر (1/16 اینچ) زیر صفحه نشیمن قطعه اندازه‌گیری می‌شود. این دستورالعمل برای جلوگیری از آسیب حرارتی در فرآیند لحیم‌کاری رفلو ضروری است.

3. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

ارتفاع ماتریس نمایشگر 2.0 اینچ (50.8 میلی‌متر) اعلام شده است. نقشه ابعاد بسته ارائه شده (که در دیتاشیت به آن ارجاع داده شده) جزئیات دقیق طرح فیزیکی، موقعیت پایه‌ها و اندازه کلی را تشریح می‌کند. تلرانس این ابعاد معمولاً ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. دستگاه از یک رابط اتصال پایه استاندارد برای ادغام در برد مدار استفاده می‌کند.

4. اتصال پایه‌ها و مدار داخلی

LTP-2057AKA دارای یک رابط 14 پایه است. آرایش پایه‌ها به طور خاص برای آدرس‌دهی X-Y (ماتریسی) چیده شده است: پایه‌ها به عنوان آند برای ستون‌ها یا کاتد برای ردیف‌ها تعیین شده‌اند. به عنوان مثال، پایه 1 کاتد برای ردیف 5، پایه 3 آند برای ستون 2 و غیره است. این آرایش به یک میکروکنترلر اجازه می‌دهد تا با فعال کردن خطوط ستون (آند) و ردیف (کاتد) مربوطه، هر نقطه منفرد در شبکه 5x7 را به طور انتخابی روشن کند. نمودار مدار داخلی (که در دیتاشیت به آن ارجاع داده شده) به صورت بصری این ساختار ماتریسی را به تصویر می‌کشد و 35 LED منفرد (5 ستون x 7 ردیف) را نشان می‌دهد که آندهای آن‌ها در گروه‌های ستونی و کاتدهای آن‌ها در گروه‌های ردیفی به هم متصل شده‌اند.

5. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به بخشی برای منحنی‌های مشخصه الکتریکی/نوری معمول ارجاع می‌دهد. این نمودارها برای مهندسان طراح بسیار ارزشمند هستند. آن‌ها معمولاً شامل نمودارهایی مانند جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I-V) برای یک المان LED منفرد هستند که رابطه غیرخطی و ولتاژ روشن شدن را نشان می‌دهند. منحنی‌های شدت نور در مقابل جریان مستقیم نشان می‌دهند که چگونه خروجی نور با جریان افزایش می‌یابد و ممکن است اثرات اشباع را نشان دهند. همچنین ممکن است منحنی‌هایی وجود داشته باشند که تغییرات شدت نور یا ولتاژ مستقیم را با دمای محیط نشان می‌دهند که برای طراحی مدارهای پایدار در محدوده دمای مشخص شده حیاتی است. تحلیل این منحنی‌ها بهینه‌سازی جریان درایو برای روشنایی مطلوب و درک اثرات حرارتی بر عملکرد را ممکن می‌سازد.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

همانطور که در ریتینگ‌های حداکثر مطلق ذکر شد، محدودیت اصلی مونتاژ پروفیل دمای لحیم‌کاری است. دستگاه می‌تواند در طول لحیم‌کاری رفلو، دمای اوج 260 درجه سانتی‌گراد را تا 3 ثانیه تحمل کند. بسیار مهم است که اطمینان حاصل شود دمای اندازه‌گیری شده در پایه‌های پکیج از این حد تجاوز نکند تا از آسیب به باندهای سیمی داخلی، چیپ‌های LED یا پکیج پلاستیکی جلوگیری شود. پروفیل‌های رفلو استاندارد صنعتی برای لحیم‌کاری بدون سرب (که اوج آن حدود 240-250 درجه سانتی‌گراد است) عموماً سازگار هستند، اما پروفیل باید تأیید شود. لحیم‌کاری دستی با هویه باید به سرعت و با کنترل دقیق دما برای محدود کردن حرارت انجام شود. همیشه باید روش‌های صحیح رسیدگی ESD (تخلیه الکترواستاتیک) با قطعات LED رعایت شود.

7. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

این نمایشگر ماتریس نقطه‌ای 5x7 برای کاربردهایی که به یک کاراکتر الفبایی-عددی منفرد و واضح نیاز دارند ایده‌آل است. کاربردهای متداول شامل: پنل مترها برای نمایش مقادیر ولتاژ، جریان یا دما؛ نمایشگرهای وضعیت روی تجهیزات صنعتی (نمایش کدهای خطا یا نشانگرهای حالت)؛ لوازم خانگی مانند مایکروویو یا ماشین لباسشویی؛ و ابزارهای تست/اندازه‌گیری است. سازگاری آن با کدهای کاراکتری استاندارد ASCII و EBCDIC برنامه‌نویسی با میکروکنترلرها را ساده می‌کند.

7.2 ملاحظات طراحی

مدار درایو:نمایشگر به الکترونیک درایو مالتی‌پلکس نیاز دارد. یک میکروکنترلر با پین‌های I/O کافی یا همراه با ICهای درایور خارجی (مانند شیفت رجیسترها یا چیپ‌های درایور LED اختصاصی) برای اسکن متوالی ردیف‌ها و ستون‌ها ضروری است. شرایط تست دیتاشیت با چرخه کاری 1/16 در جریان پالسی 32mA نقطه شروعی برای محاسبه مقاومت‌های محدودکننده جریان مورد نیاز فراهم می‌کند. جریان متوسط هر LED بسیار کمتر خواهد بود (مثلاً، 32mA / 16 = 2mA متوسط اگر فقط یک نقطه روشن باشد، اما این با تعداد نقاط روشن همزمان در یک ردیف مقیاس می‌یابد).
منبع تغذیه:ولتاژ مستقیم حدود 2.6V به این معنی است که ولتاژ درایو باید بالاتر از این باشد، معمولاً از سیستم‌های 3.3V یا 5V استفاده می‌شود. منبع تغذیه باید بتواند تقاضای جریان اوج در طول مالتی‌پلکسینگ را تحمل کند.
زاویه دید:دیتاشیت به "زاویه دید وسیع" اشاره می‌کند که مشخصه طراحی چیپ LED و لنز پخش‌کننده نور است. برای قرارگیری بهینه، جهت دید اولیه کاربر نهایی را در نظر بگیرید.
چیدمان کنار هم:قابلیت "قابل چیدمان افقی" به این معنی است که چندین واحد را می‌توان کنار هم قرار داد تا نمایشگرهای چند کاراکتری تشکیل شود. تراز مکانیکی و اتصال الکتریکی بین ماژول‌ها باید طراحی شود.

8. مقایسه و تمایز فنی

مشخصه متمایزکننده اصلی LTP-2057AKA استفاده آن از فناوری LED مبتنی بر AlInGaP برای رنگ نارنجی است. در مقایسه با فناوری‌های قدیمی‌تر مانند LEDهای قرمز/نارنجی استاندارد GaAsP (گالیم آرسنید فسفید)، AlInGaP بازده نوری به مراتب بالاتری (خروجی نور بیشتر به ازای هر واحد توان الکتریکی) و حفظ عملکرد بهتر در دمای بالا ارائه می‌دهد. طول موج "نارنجی سوپر" 621 نانومتر رنگی زنده و بسیار قابل مشاهده فراهم می‌کند. صفحه خاکستری با نقاط سفید، ظاهری حرفه‌ای و با کنتراست بالا در حالت خاموش ارائه می‌دهد که می‌تواند یک مزیت طراحی نسبت به نمایشگرهای کاملاً سیاه یا کاملاً قرمز باشد. ارتفاع کاراکتر 2.0 اینچ اندازه خاصی است که ممکن است بر اساس نیازهای فاصله دید، به جای نمایشگرهای کوچک‌تر (مثلاً 0.8 اینچ) یا بزرگ‌تر انتخاب شود.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: چگونه مقدار مقاومت محدودکننده جریان را برای این نمایشگر محاسبه کنم؟
پ: شما باید برای جریان پالسی (اوج) طراحی کنید، نه متوسط. با استفاده از شرایط تست به عنوان مرجع (32mA در Vf معمول 2.6V)، و با فرض منبع درایو 5V: R = (V_supply - Vf) / I_peak = (5V - 2.6V) / 0.032A = 75 اهم. برای محاسبه ایمن‌تر و کم‌نورتر از حداکثر Vf (2.8V) استفاده کنید: R = (5V - 2.8V) / 0.032A = ~68 اهم. یک مقاومت استاندارد 68 یا 75 اهم مناسب خواهد بود. ریتینگ توان مقاومت باید بر اساس جریان متوسط، نه اوج، محاسبه شود.

س: چرخه کاری 1/16 برای درایو این نمایشگر به چه معناست؟
پ: در یک ماتریس مالتی‌پلکس 5x7، یک روش اسکن رایج این است که در هر زمان یک ردیف (کاتد) فعال شود در حالی که داده‌ها به 5 ستون (آند) برای آن ردیف ارسال می‌شود. با 7 ردیف، اگر هر ردیف به صورت متوالی و مساوی فعال شود، چرخه کاری برای هر LED منفرد 1/7 است. چرخه کاری 1/16 دیتاشیت نشان‌دهنده یک طرح مالتی‌پلکس متفاوت یا محافظه‌کارانه‌تر است، احتمالاً شامل دوره‌های خاموشی. مدار درایو باید LED را در جریان اوج مشخص شده (مثلاً 32mA) برای بازه زمانی اختصاص یافته آن پالس دهد تا شدت نور متوسط ریت شده حاصل شود.

س: آیا می‌توانم این نمایشگر را با جریان مستقیم ثابت به جای مالتی‌پلکسینگ درایو کنم؟
پ: از نظر فنی بله، اما بسیار ناکارآمد است و توصیه نمی‌شود. درایو همزمان همه 35 نقطه حتی در جریان پایینی مانند 5mA به جریان کل 175mA نیاز دارد و حرارت قابل توجهی تولید می‌کند که احتمالاً از محدودیت‌های اتلاف توان پکیج تجاوز می‌کند. مالتی‌پلکسینگ روش استاندارد و مورد نظر عملیات است.

10. مثال عملی طراحی و استفاده

طراحی یک نمایشگر دمای ساده را در نظر بگیرید که مقداری از 0 تا 99 درجه سانتی‌گراد را نمایش می‌دهد. این کار به دو نمایشگر LTP-2057AKA نیاز دارد که به صورت افقی کنار هم چیده شده‌اند. یک میکروکنترلر (مثلاً ATmega328P) به 14 پایه هر نمایشگر (در مجموع 28 پین I/O) متصل می‌شود. برای صرفه‌جویی در I/O، خطوط ستون (آند) هر دو نمایشگر می‌توانند به صورت موازی به هم متصل شوند (5 خط مشترک)، و خطوط ردیف (کاتد) برای هر نمایشگر به طور جداگانه کنترل شوند (7+7=14 خط). این از 19 پین I/O استفاده می‌کند. به طور جایگزین، می‌توان از شیفت رجیسترهای 8 بیتی خارجی برای کاهش چشمگیر نیازمندی I/O میکروکنترلر استفاده کرد. نرم‌افزار شامل یک نقشه فونت خواهد بود که ارقام 0-9 را به الگوی متناظر نقاط روشن برای شبکه 5x7 ترجمه می‌کند. سپس از بین 7 ردیف، برای هر نمایشگر، داده ستون مناسب برای ردیف‌های کاراکترهای مورد نمایش را ارسال می‌کند. اسکن باید به اندازه کافی سریع باشد (معمولاً >60Hz) تا از لرزش قابل مشاهده جلوگیری شود.

11. معرفی اصل عملکرد

LTP-2057AKA بر اساس اصل آرایه LED ماتریس غیرفعال عمل می‌کند. این دستگاه شامل 35 پیوند نیمه‌هادی LED مستقل AlInGaP است که در یک شبکه 5 ستونی و 7 ردیفی چیده شده‌اند. هر LED در تقاطع یک خط آند ستون و یک خط کاتد ردیف تشکیل شده است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم بیشتر از ولتاژ روشن شدن دیود (~2.6V) بین یک ستون خاص (مثبت) و یک ردیف خاص (منفی) اعمال می‌شود، جریان از آن LED منفرد عبور می‌کند و باعث می‌شود فوتون‌ها - نور - در طول موج تقریبی 621 نانومتر (نارنجی) ساطع کند. با توالی سریع این که کدام ردیف گراند شده (کاتد فعال) و کدام ستون‌ها با جریان تغذیه شده‌اند (آند فعال)، الگوهای مختلفی از نقاط می‌توانند روشن شوند و کاراکترها یا نمادها را تشکیل دهند. ماندگاری دید چشم انسان این فلش‌های سریع را در یک تصویر پایدار ترکیب می‌کند.

12. روندها و زمینه فناوری

نمایشگرهایی مانند LTP-2057AKA نماینده بخشی بالغ و قابل اعتماد از اپتوالکترونیک هستند. در حالی که فناوری‌های جدیدتر مانند LED آلی (OLED) یا LCDهای با وضوح بالا بر نمایشگرهای گرافیکی پیچیده تسلط دارند، ماژول‌های ماتریس نقطه‌ای LED ساده برای کاربردهایی که نیازمند استحکام، طول عمر طولانی، عملکرد دمایی وسیع، روشنایی بالا و هزینه کم به ازای هر کاراکتر هستند، همچنان بسیار مرتبط باقی می‌مانند. روند در این بخش به سمت مواد LED با بازده بالاتر (مانند AlInGaP استفاده شده در اینجا، و InGaN برای آبی/سبز/سفید) است که امکان مصرف توان کمتر یا روشنایی بالاتر را فراهم می‌کنند. همچنین روندی به سمت راه‌حل‌های یکپارچه وجود دارد که در آن الکترونیک درایور در خود ماژول نمایشگر ساخته شده است و طراحی سیستم را برای مهندس نهایی ساده می‌کند. با این حال، معماری ماتریس غیرفعال پایه، به دلیل سادگی و هزینه کم، همچنان پایه اصلی نمایشگرهای عددی و الفبایی-عددی تک و چند کاراکتری در زمینه‌های صنعتی، خودرویی و مصرفی باقی مانده است.