دیتاشیت نمایشگر ماتریس نقطه‌ای LED مدل LTP-2157AKD - ارتفاع 2.0 اینچ - آرایه 5x7 - قرمز فوق‌العاده (650nm) - 40mW/نقطه - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

LTP-2157AKD یک ماژول نمایشگر کاراکتری حالت جامد است که برای کاربردهایی طراحی شده که نیازمند خروجی بصری واضح، روشن و قابل اعتماد هستند. عملکرد اصلی آن نمایش کاراکترها و نمادها با استفاده از یک شبکه از دیودهای نورافشان (LED) قابل آدرس‌دهی مجزا است. حوزه‌های کاربردی اصلی شامل پنل‌های کنترل صنعتی، ابزار دقیق، پایانه‌های فروش، نمایشگرهای تجهیزات پزشکی و انواع الکترونیک مصرفی است که در آن‌ها یک نمایشگر کاراکتری تک‌رنگ و ساده کافی است.

اصل عملکرد پایه بر پیکربندی ماتریس نقطه‌ای 5x7 استوار است. این بدان معناست که هر کاراکتر با روشن کردن یک الگوی خاص درون یک شبکه از 5 ستون و 7 ردیف پیکسل LED تشکیل می‌شود. با اعمال انتخابی ولتاژ مستقیم به خطوط آند (ردیف) و کاتد (ستون) متناظر با هر پیکسل مورد نظر، نقاط خاصی روشن می‌شوند تا اشکال قابل تشخیصی مانند حروف و اعداد ایجاد شوند. دستگاه از یک طرح درایو مالتی‌پلکس استفاده می‌کند که در آن ردیف‌ها به صورت متوالی و با فرکانس بالا فعال می‌شوند و درک یک کاراکتر پایدار و کاملاً روشن را ایجاد می‌کنند و در عین حال تعداد پین‌های درایور مورد نیاز و مصرف برق را به حداقل می‌رسانند.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی و عمیق

2.1 ویژگی‌های فوتومتریک و نوری

عملکرد نوری تحت شرایط آزمایش استاندارد در دمای محیط (Ta) برابر با 25 درجه سانتی‌گراد تعریف شده است. پارامتر کلیدی، شدت نور متوسط (Iv)، مقدار معمولی آن 3500 میکروکاندلا (µcd) است هنگامی که با جریان پیک (Ip) برابر با 32mA در چرخه وظیفه 1/16 درایو می‌شود. این نشان‌دهنده خروجی با روشنایی بالا و مناسب برای محیط‌های پرنور است. حداقل مقدار مشخص شده 1650 µcd است که مرز پایین عملکرد محصول را تعریف می‌کند.

ویژگی‌های رنگ توسط ماده نیمه‌هادی AlInGaP (آلومینیوم ایندیم گالیم فسفید) تعیین می‌شود. طول موج تابش پیک (λp) معمولاً 650 نانومتر (nm) است که آن را در ناحیه قرمز فوق‌العاده طیف مرئی قرار می‌دهد. طول موج غالب (λd) در 639 نانومتر مشخص شده است. تفاوت بین طول موج پیک و غالب، همراه با عرض نیم‌خط طیفی (Δλ) برابر با 20 نانومتر، خلوص طیفی و سایه خاص قرمز منتشر شده را توصیف می‌کند. نسبت تطابق شدت نور 2:1 (حداکثر) مشخص شده است، به این معنی که روشنایی کم‌نورترین سگمنت در یک کاراکتر نباید کمتر از نصف روشنایی درخشان‌ترین سگمنت تحت شرایط درایو یکسان باشد، که ظاهر یکنواخت را تضمین می‌کند.

2.2 ویژگی‌های الکتریکی و حرارتی

مقادیر حداکثر مطلق، محدودیت‌های عملیاتی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. اتلاف توان متوسط هر نقطه در 40 میلی‌وات (mW) ریت شده است. جریان مستقیم پیک هر نقطه می‌تواند به 90mA برای عملیات پالسی برسد، در حالی که جریان مستقیم متوسط هر نقطه دارای ریت پایه 15mA در 25 درجه سانتی‌گراد است که به صورت خطی با نرخ 0.2 mA/°C با افزایش دما کاهش می‌یابد. این کاهش ریت برای مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان بلندمدت حیاتی است. حداکثر ولتاژ معکوس هر نقطه 5V است.

تحت شرایط عملیاتی معمول (جریان مستقیم IF=20mA)، ولتاژ مستقیم هر سگمنت (VF) از 2.1V (حداقل) تا 2.6V (حداکثر) متغیر است. این پارامتر برای طراحی مدار محدودکننده جریان در درایور ضروری است. جریان معکوس (IR) بسیار کم است، معمولاً 2.3 تا 2.8 میکروآمپر (µA) در حداکثر ولتاژ معکوس 5V، که نشان‌دهنده ویژگی‌های دیودی خوب است.

دستگاه برای محدوده دمای عملیاتی 35- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد ریت شده است، با محدوده دمای ذخیره‌سازی یکسان. این محدوده گسترده آن را برای محیط‌های سخت مناسب می‌سازد. حداکثر دمای لحیم‌کاری به عنوان 260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر مدت 3 ثانیه مشخص شده است، که در فاصله 1.6mm (1/16 اینچ) زیر صفحه نشیمن اندازه‌گیری می‌شود و دستورالعمل‌های واضحی برای فرآیندهای مونتاژ PCB فراهم می‌کند.

3. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

نمایشگر دارای ارتفاع ماتریس اعلام شده 2.0 اینچ (50.8 میلی‌متر) است. ابعاد بسته در یک نقشه دقیق با تمام اندازه‌ها بر حسب میلی‌متر ارائه شده است. تلرانس‌های ساخت به طور کلی ±0.25 میلی‌متر (0.01 اینچ) است مگر اینکه خلاف آن در نقشه ذکر شده باشد. بسته فیزیکی دارای رویه خاکستری با رنگ نقطه سفید است که هنگام خاموش بودن LEDها کنتراست را افزایش می‌دهد و هنگام روشن بودن نور را پخش می‌کند.

نمودار اتصال پین برای رابط‌دهی صحیح حیاتی است. دستگاه دارای پیکربندی 14 پین است. مدار داخلی یک آرایش استاندارد کاتد مشترک برای ستون‌ها است، با آندهای 7 ردیف که به پین‌های مجزا آورده شده‌اند. توجه به اتصالات داخلی مهم است: پین 4 و پین 11 به طور داخلی به هم متصل هستند (هر دو کاتد برای ستون 3 هستند)، و پین 5 و پین 12 به طور داخلی به هم متصل هستند (هر دو آند برای ردیف 4 هستند). این اتصالات برای ساده‌سازی باندینگ داخلی ایجاد شده‌اند و بر منطق درایو خارجی تأثیری ندارند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکتریکی و نوری معمول اشاره می‌کند. در حالی که نمودارهای خاص در متن ارائه شده جزئیات ندارند، منحنی‌های استاندارد برای چنین دستگاه‌هایی معمولاً شامل موارد زیر می‌شوند:

• جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I-V):این نمودار رابطه نمایی را نشان می‌دهد که برای تعیین ولتاژ تغذیه لازم برای یک جریان درایو معین حیاتی است.
• شدت نور در مقابل جریان مستقیم:این منحنی نشان می‌دهد که چگونه خروجی نور با جریان افزایش می‌یابد، معمولاً در یک رابطه تقریباً خطی در محدوده عملیاتی قبل از کاهش بازده در جریان‌های بسیار بالا.
• شدت نور در مقابل دمای محیط:این اثر خاموش‌کنندگی حرارتی را نشان می‌دهد، که در آن خروجی LED با افزایش دمای اتصال کاهش می‌یابد. درک این موضوع برای کاربردهایی با دمای محیط بالا یا هیت‌سینک ضعیف کلیدی است.
• توزیع طیفی:نموداری از شدت نسبی در مقابل طول موج، که نشان‌دهنده تمرکز خروجی نور در اطراف پیک 650nm با عرض نیم‌خط تعریف شده 20nm است.

این منحنی‌ها به طراحان اجازه می‌دهند تا عملکرد را بهینه کنند و مبادلات بین روشنایی، بازده، جریان درایو و مدیریت حرارتی را درک کنند.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مونتاژ باید به پروفایل لحیم‌کاری مشخص شده پایبند باشد تا از آسیب جلوگیری شود. حداکثر دمای مجاز لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد است و قطعه نباید بیش از 3 ثانیه در معرض این دما قرار گیرد. این معمولاً با استفاده از فرآیند لحیم‌کاری رفلو کنترل شده با پروفایلی که دما را افزایش می‌دهد، در پیک نگه می‌دارد و در محدوده‌های مشخص شده خنک می‌شود، حاصل می‌شود. لحیم‌کاری دستی با هویه نیازمند دقت بسیار برای محدود کردن حرارت و اجتناب از فراتر رفتن از این پارامترها است.

برای ذخیره‌سازی، دستگاه باید در محدوده دمای مشخص شده 35- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد در یک محیط کم‌رطوبت نگهداری شود. توصیه می‌شود از قطعات در طول عمر مفیدشان استفاده شود و در طول جابجایی از احتیاط‌های استاندارد ESD (تخلیه الکترواستاتیک) پیروی شود تا از اتصالات نیمه‌هادی حساس محافظت شود.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 مدارهای کاربردی متداول

LTP-2157AKD نیازمند یک مدار درایور خارجی است. یک طراحی متداول از یک میکروکنترلر با پین‌های I/O کافی یا یک آی‌سی درایور اختصاصی نمایشگر LED (مانند MAX7219 یا مشابه) استفاده می‌کند. درایور باید مالتی‌پلکسینگ را پیاده‌سازی کند: به صورت متوالی هر یک از 7 خط آند ردیف را فعال می‌کند در حالی که داده کاتد ستون را برای آن ردیف خاص فراهم می‌کند. نرخ رفرش باید به اندازه کافی بالا باشد (معمولاً >100Hz) تا از سوسو زدن قابل مشاهده جلوگیری شود. مقاومت‌های محدودکننده جریان برای هر خط ستون (یا یکپارچه در درایور) اجباری هستند تا جریان مستقیم را به مقدار مورد نظر تنظیم کنند (مثلاً 20mA برای روشنایی معمولی). محاسبه مقدار مقاومت به صورت R = (Vcc - Vf - Vdriver_sat) / If است، که در آن Vcc ولتاژ تغذیه، Vf ولتاژ مستقیم LED (~2.6V حداکثر)، Vdriver_sat ولتاژ اشباع درایور، و If جریان مستقیم مورد نظر است.

6.2 ملاحظات طراحی

• منبع تغذیه:اطمینان حاصل کنید که منبع تغذیه می‌تواند جریان پیک مورد نیاز را تأمین کند. با 5 ستون که به طور بالقوه در هر ردیف روشن هستند و جریان پیک تا 20mA برای هر نقطه، یک ردیف می‌تواند 100mA جریان بکشد. منبع تغذیه باید بتواند این بار پالسی را تحمل کند.
• تخلیه حرارت:در حالی که هر نقطه به حداکثر 40mW اتلاف می‌کند، عملیات پیوسته بسیاری از نقاط می‌تواند حرارت قابل توجهی ایجاد کند. در صورت کار در دمای محیط بالا یا در مقادیر حداکثر، از تهویه یا هیت‌سینک کافی اطمینان حاصل کنید.
• زاویه دید و کنتراست:طراحی رویه خاکستری/نقطه سفید کنتراست خوبی در حالت خاموش ارائه می‌دهد. هنگام نصب نمایشگر، زاویه دید مورد نظر را در نظر بگیرید؛ روشنایی LED اغلب در محور بیشترین است.
• نرم‌افزار:فرم‌ور میکروکنترلر نیازمند شامل یک نقشه فونت (یک جدول جستجو که الگوی 5x7 هر کاراکتر را تعریف می‌کند) و روال مالتی‌پلکسینگ است.

7. مقایسه و تمایز فنی

متمایزکننده اصلی این نمایشگر استفاده از فناوری LED قرمز فوق‌العاده AlInGaP است. در مقایسه با LEDهای قرمز قدیمی GaAsP (گالیم آرسنید فسفید)، AlInGaP بازده نوری به مراتب بالاتری ارائه می‌دهد که منجر به روشنایی بیشتر برای همان جریان درایو، یا روشنایی معادل در توان کمتر می‌شود. همچنین خلوص رنگ و پایداری بهتری در برابر دما و زمان ارائه می‌دهد.

در مقایسه با یک نمایشگر ساده 7 سگمنت، یک ماتریس نقطه‌ای 5x7 انعطاف‌پذیری بسیار بیشتری ارائه می‌دهد، قادر به نمایش مجموعه کامل کاراکترهای الفبایی-عددی (A-Z, 0-9, نمادها) و حتی گرافیک‌های ساده است، در حالی که یک نمایشگر 7 سگمنت عمدتاً به اعداد و چند حرف محدود است. مبادله آن افزایش پیچیدگی در هر دو سخت‌افزار (پین‌های درایور بیشتر) و نرم‌افزار (تولید کاراکتر) است.

8. پرسش‌های متداول مبتنی بر پارامترهای فنی

س: آیا می‌توانم این نمایشگر را با جریان DC ثابت و بدون مالتی‌پلکسینگ درایو کنم؟

ج: از نظر فنی بله، اما بسیار ناکارآمد است و توصیه نمی‌شود. درایو همزمان تمام 35 نقطه در 20mA نیازمند جریان کشی 700mA و تولید حرارت قابل توجهی است. مالتی‌پلکسینگ روش استاندارد و مورد نظر است که توان و تعداد پین را کاهش می‌دهد.

س: تفاوت بین طول موج تابش پیک (650nm) و طول موج غالب (639nm) چیست؟

ج: طول موج پیک نقطه حداکثر شدت در خروجی طیفی است. طول موج غالب طول موج تک نور تک‌رنگی است که برای چشم انسان همان رنگ را دارد. این تفاوت به این دلیل ایجاد می‌شود که LED یک طیف نور (به عرض 20nm) منتشر می‌کند، نه یک طول موج خالص واحد.

س: پین‌اوت دو پین برای ستون 3 و دو پین برای ردیف 4 را نشان می‌دهد. آیا نیاز به اتصال هر دو دارم؟

ج: خیر، این پین‌ها به طور داخلی به هم متصل هستند. اتصال به هر یک کافی است. این اتصال داخلی یک ویژگی ساخت برای ساده‌سازی باندینگ دی است. اتصال هر دو آسیبی نمی‌رساند اما ضروری نیست.

س: چگونه مصرف توان متوسط را محاسبه کنم؟

ج: برای یک نمایشگر مالتی‌پلکس، جریان متوسط تقریباً (تعداد نقاط روشن در یک کاراکتر کاملاً روشن / تعداد کل نقاط) * جریان هر نقطه * چرخه وظیفه است. برای مثال، برای یک کاراکتر با 24 نقطه روشن در 20mA با چرخه وظیفه 1/7 (7 ردیف): جریان متوسط ≈ (24/35) * 20mA * (1/7) ≈ 2mA برای هر کاراکتر. برای بار کل در تعداد کاراکترها ضرب کنید.

9. مطالعه موردی کاربردی

سناریو: طراحی یک نمایشگر دمای تک کاراکتری ساده برای یک فر صنعتی.

نیاز نمایش دمایی از 0 تا 199 درجه سانتی‌گراد است. یک میکروکنترلر یک سنسور دما را می‌خواند. یک نمایشگر LTP-2157AKD استفاده می‌شود. میکروکنترلر پین‌های محدودی دارد، بنابراین از یک شیفت‌رجیستر سریال-به-موازی (مانند 74HC595) برای درایو 5 کاتد ستون استفاده می‌کند و از 7 پین I/O خود برای درایو آندهای ردیف از طریق سوئیچ‌های ترانزیستوری (برای تحمل جریان بالاتر ردیف) استفاده می‌کند.

فرم‌ور شامل یک فونت 5x7 برای ارقام 0-9 و نماد درجه است. روال مالتی‌پلکسینگ روی یک وقفه تایمر اجرا می‌شود. نمایشگر اعداد قرمز روشن و پایدار را نشان می‌دهد که از فاصله چند فوتی در محیط کارخانه قابل خواندن هستند. محدوده دمای عملیاتی گسترده نمایشگر (35- تا 85+ درجه سانتی‌گراد) قابلیت اطمینان را حتی اگر محفظه خارجی کنترل‌کننده فر گرم شود تضمین می‌کند. کنتراست بالای رویه خاکستری از محو شدن تحت نورپردازی روشن صنعتی جلوگیری می‌کند.

10. اصل فناوری و روندها

10.1 اصل فناوری پایه

تولید نور بر اساس الکترولومینسانس در یک اتصال p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از لایه AlInGaP نوع n با حفره‌های لایه نوع p بازترکیب می‌شوند. این رویداد بازترکیب انرژی را به شکل فوتون (نور) آزاد می‌کند. گاف انرژی خاص ماده AlInGaP طول موج (رنگ) فوتون‌های منتشر شده را تعیین می‌کند، در این مورد، نور قرمز حدود 650nm. زیرلایه GaAs غیرشفاف هر نور منتشر شده به سمت پایین را جذب می‌کند و با انعکاس نور بیشتر به سمت بالای دستگاه، بازده کلی را بهبود می‌بخشد. آرایه 5x7 با رسوب و الگودهی چندین تراشه LED ریز یا یک دی الگودهی شده روی یک زیرلایه مشترک، با خطوط آند و کاتد به هم متصل، ایجاد می‌شود.

10.2 روندهای صنعت

در حالی که نمایشگرهای ماتریس نقطه‌ای گسسته 5x7 مانند LTP-2157AKD برای کاربردهای خاص و حساس به هزینه همچنان مرتبط هستند، روندهای گسترده‌تر صنعت به سمت راه‌حل‌های یکپارچه در حرکت است. این موارد شامل:

- آرایه‌های دستگاه نصب سطحی (SMD):ردپای کوچک‌تر، مونتاژ خودکار آسان‌تر.

- نمایشگرهای با کنترلر/درایور یکپارچه:ماژول‌هایی با کنترلر داخلی که از طریق SPI یا I2C ارتباط برقرار می‌کنند و بار منابع میکروکنترلر را به شدت کاهش می‌دهند.

- رزولوشن بالاتر و رنگ:حرکت به سمت ماتریس‌های با گام ریزتر و نمایشگرهای تمام‌رنگ RGB برای گرافیک‌های با جزئیات بیشتر.

- فناوری‌های جایگزین:در برخی کاربردها، نمایشگرهای OLED (LED آلی) کنتراست و زوایای دید برتری ارائه می‌دهند، اگرچه اغلب با هزینه بالاتر و ویژگی‌های عمر متفاوت.

مزایای پایدار ماتریس‌های LED گسسته مانند این مورد، استحکام فوق‌العاده، عمر طولانی، روشنایی بالا، سادگی و هزینه کم برای وظایف نمایش کاراکتری تک‌رنگ است که استفاده مداوم آن‌ها را در سیستم‌های صنعتی و توکار تضمین می‌کند.