دیتاشیت نمایشگر LED ماتریس نقطه‌ای 8x8 مدل LTP-2088AKD - ارتفاع 2.3 اینچ - فناوری AlInGaP هایپر رد - ولتاژ مستقیم 2.6 ولت - اتلاف توان 40 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

LTP-2088AKD یک ماژول نمایشگر LED ماتریس نقطه‌ای تک‌صفحه‌ای 8x8 است که برای نمایش اطلاعات الفبایی-عددی و نمادین طراحی شده است. عملکرد اصلی آن ارائه یک رابط خروجی بصری قابل اعتماد و کم‌مصرف در سیستم‌های الکترونیکی است. مزیت اصلی این دستگاه در استفاده از چیپ‌های LED هایپر رد AlInGaP (آلومینیوم ایندیم گالیم فسفید) نهفته است که تعادلی بین عملکرد و بازدهی ارائه می‌دهند. نمایشگر دارای صفحه‌ای خاکستری با سگمنت‌های سفید است که کنتراست و خوانایی را افزایش می‌دهد. این دستگاه بر اساس شدت نور دسته‌بندی شده است که یکنواختی روشنایی در بین دسته‌های تولیدی را تضمین می‌کند. دستگاه به صورت افقی قابل انباشته شدن است که امکان ایجاد نمایشگرهای چندکاراکتری عریض‌تر را بدون نیاز به واسط‌های پیچیده فراهم می‌کند. سازگاری آن با کدهای کاراکتر استاندارد مانند USASCII و EBCDIC، آن را برای ادغام در سیستم‌های دیجیتال مختلفی که نیاز به خروجی متنی ساده دارند، همه‌کاره می‌سازد.

2. بررسی عمیق مشخصات فنی

2.1 ویژگی‌های نوری

عملکرد نوری در دمای محیط (T_A) 25 درجه سلسیوس تعریف شده است. پارامتر کلیدی، شدت نور متوسط (I_V)، تحت شرایط آزمایش I_p=32mA و سیکل وظیفه 1/16، مقدار معمول 3500 میکروکاندلا (µcd) دارد. حداقل مقدار مشخص شده 1650 µcd است و حداکثر محدودیتی ذکر نشده که نشان‌دهنده تمرکز بر تأمین آستانه حداقل روشنایی است. دستگاه در طیف قرمز با طول موج اوج تابش (λ_p) 650 نانومتر و طول موج غالب (λ_d) 639 نانومتر، اندازه‌گیری شده در I_F=20mA، تابش می‌کند. خلوص طیفی با عرض نیم‌خط طیفی (Δλ) 20 نانومتر نشان داده شده است. یک پارامتر حیاتی برای نمایشگرهای چندنقطه‌ای، نسبت تطابق شدت نور (I_V-m) است که حداکثر 2:1 مشخص شده است. این بدان معناست که درخشان‌ترین نقطه در آرایه، تحت شرایط عملیاتی یکسان، بیش از دو برابر کم‌نورترین نقطه نخواهد بود که ظاهر یکنواختی را تضمین می‌کند.

2.2 ویژگی‌های الکتریکی

پارامترهای الکتریکی نیز در T_A=25°C مشخص شده‌اند. ولتاژ مستقیم (V_F) برای هر نقطه LED منفرد، معمولاً در I_F=20mA برابر 2.6 ولت است، با حداکثر 2.8 ولت در جریان پالسی بالاتر I_F=80mA. حداقل V_Fدر 20mA برابر 2.1 ولت است. جریان معکوس (I_R) هنگامی که ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت اعمال می‌شود، حداکثر به 100 میکروآمپر محدود شده است که نشان‌دهنده ویژگی‌های دیودی خوب است.

2.3 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

این ریتینگ‌ها محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. اتلاف توان متوسط هر نقطه نباید از 40 میلی‌وات تجاوز کند. جریان مستقیم پیک هر نقطه در 90 میلی‌آمپر ریت شده است. جریان مستقیم متوسط هر نقطه در 25 درجه سلسیوس 15 میلی‌آمپر است، با ضریب کاهش 0.2 میلی‌آمپر/درجه سلسیوس، به این معنی که جریان مجاز پیوسته با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سلسیوس کاهش می‌یابد. حداکثر ولتاژ معکوس هر نقطه 5 ولت است. دستگاه برای محدوده دمای عملیاتی 35- تا 85+ درجه سلسیوس و محدوده دمای ذخیره‌سازی یکسان ریت شده است. قابلیت لحیم‌کاری برای فرآیند موجی یا ریفلو مشخص شده است: دستگاه می‌تواند 260 درجه سلسیوس را به مدت 3 ثانیه در نقطه‌ای به فاصله 1/16 اینچ (تقریباً 1.59 میلی‌متر) زیر صفحه نشیمن پکیج تحمل کند.

3. اطلاعات مکانیکی و پکیج

نمایشگر دارای ارتفاع ماتریس 2.3 اینچ (58.42 میلی‌متر) است. ابعاد پکیج در یک نقشه دقیق با تمام اندازه‌ها بر حسب میلی‌متر ارائه شده است. تلرانس ساخت برای این ابعاد، مگر اینکه خلاف آن به طور خاص در نقشه ذکر شده باشد، ±0.25 میلی‌متر (یا ±0.01 اینچ) است. این سطح از دقت برای جایگیری مکانیکی در پنل‌ها یا محفظه‌ها مهم است.

4. اتصال پایه‌ها و مدار داخلی

دستگاه از پیکربندی 16 پایه برای واسط استفاده می‌کند. پایه‌بندی برای درایو ماتریس X-Y طراحی شده است. پایه‌های 1-4 و 9-12 به ترتیب آندهای ستون‌های 1-4 و 8-5 هستند. پایه‌های 5-8 و 13-16 به ترتیب کاتدهای ردیف‌های 5-8 و 4-1 هستند. این چیدمان خاص برای طراحی مدار درایو صحیح بسیار مهم است. نمودار مدار داخلی نشان می‌دهد که 64 LED (8 ردیف × 8 ستون) در یک پیکربندی کاتد مشترک برای ردیف‌ها چیده شده‌اند. این بدان معناست که برای روشن کردن یک نقطه خاص، آند ستون مربوطه آن باید HIGH (ولتاژ مثبت اعمال شود) درایو شود در حالی که کاتد ردیف آن LOW (گراند) درایو شود. از تکنیک‌های مالتی‌پلکسینگ برای اسکن ردیف‌ها یا ستون‌ها به منظور نمایش الگوها استفاده می‌شود.

5. توضیح سیستم بینینگ

دیتاشیت به صراحت بیان می‌کند که دستگاه "دسته‌بندی شده بر اساس شدت نور" است. این نشان‌دهنده فرآیند بینینگی است که در آن واحدهای تولیدی بر اساس خروجی نور اندازه‌گیری شده (بر حسب میکروکاندلا) تحت شرایط آزمایش استاندارد مرتب می‌شوند. واحدهایی که در محدوده‌های خاصی از شدت قرار می‌گیرند، با هم گروه‌بندی می‌شوند. این امر به طراحان اجازه می‌دهد تا نمایشگرهایی با روشنایی یکنواخت برای یک کاربرد خاص انتخاب کنند و از تغییرات محسوس بین واحدهای مختلف در یک محصول جلوگیری کنند. اگرچه در این سند به جزئیات اشاره نشده است، اما بینینگ معمول برای چنین نمایشگرهایی ممکن است شامل چندین درجه شدت (مانند روشنایی بالا، روشنایی استاندارد) باشد.

6. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به "منحنی‌های مشخصه الکتریکی/نوری معمول" اشاره می‌کند. این نمودارها که معمولاً در نسخه‌های کامل‌تر دیتاشیت گنجانده می‌شوند، رابطه بین پارامترهای کلیدی را به صورت بصری نشان می‌دهند. منحنی‌های مورد انتظار شامل: جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I-V)، که رابطه نمایی را نشان می‌دهد و امکان محاسبه ولتاژ درایور را فراهم می‌کند؛ شدت نور در مقابل جریان مستقیم، که نشان می‌دهد چگونه خروجی نور با جریان افزایش می‌یابد، اغلب به صورت زیرخطی در جریان‌های بالاتر؛ شدت نور در مقابل دمای محیط، که کاهش خروجی با افزایش دما را نشان می‌دهد؛ و احتمالاً منحنی توزیع طیفی، که قدرت نسبی در طول‌موج‌های اطراف 650 نانومتر را به تصویر می‌کشد. تحلیل این منحنی‌ها برای بهینه‌سازی شرایط درایو و درک عملکرد تحت دماهای غیراستاندارد ضروری است.

7. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

دستورالعمل اصلی ارائه شده، ریتینگ حداکثر مطلق دمای لحیم‌کاری است: 260 درجه سلسیوس به مدت 3 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.59 میلی‌متر (1/16 اینچ) زیر صفحه نشیمن پکیج. این یک ریتینگ استاندارد برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو است. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که پروفایل لحیم‌کاری آن‌ها از این حد تجاوز نمی‌کند تا از آسیب به چیپ‌های LED داخلی، اتصالات سیمی یا پکیج پلاستیکی جلوگیری شود. برای لحیم‌کاری دستی، باید از هویه کنترل دمایی با حداقل زمان تماس استفاده شود. در طول مونتاژ همیشه باید روش‌های صحیح رسیدگی به ESD (تخلیه الکترواستاتیک) رعایت شود، زیرا LED‌ها به الکتریسیته ساکن حساس هستند.

8. پیشنهادات کاربردی

8.1 سناریوهای کاربردی معمول

این ماتریس نقطه‌ای 8x8 برای کاربردهایی که نیاز به متن یا گرافیک ساده با وضوح پایین و فشرده دارند ایده‌آل است. کاربردهای رایج شامل: پنل‌های کنترل صنعتی برای نمایش کدهای وضعیت یا پیام‌های ساده؛ تجهیزات تست و اندازه‌گیری برای نمایش مقادیر عددی یا واحدها؛ الکترونیک مصرفی مانند تابلوهای امتیاز ساده یا نمایشگرهای اطلاعاتی؛ و کیت‌های آموزشی برای یادگیری واسط میکروکنترلر و مالتی‌پلکسینگ است.

8.2 ملاحظات طراحی

مدار درایو:یک میکروکنترلر با پایه‌های I/O کافی یا ICهای درایور LED اختصاصی (مانند شیفت رجیسترهای با خروجی جریان ثابت) مورد نیاز است. مدار باید مالتی‌پلکسینگ را برای چرخش در بین 8 ردیف (یا ستون) پیاده‌سازی کند.
محدودیت جریان:مقاومت‌ها یا درایورهای جریان ثابت برای هر ستون آند (یا هر نقطه، بسته به طراحی) اجباری هستند تا جریان مستقیم را تنظیم کرده و از تجاوز از ریتینگ‌های حداکثر مطلق جلوگیری کنند.
اتلاف توان:محدودیت 40 میلی‌وات برای هر نقطه و جریان متوسط 15 میلی‌آمپر باید در طرح مالتی‌پلکسینگ رعایت شود. به عنوان مثال، با مالتی‌پلکسینگ با سیکل وظیفه 1/8، جریان لحظه‌ای هر نقطه می‌تواند بالاتر از 15 میلی‌آمپر باشد، اما *میانگین* در طول کل سیکل باید محاسبه شود تا در محدوده مجاز باقی بماند.
زاویه دید:ویژگی "زاویه دید گسترده" مفید است، اما توزیع زاویه‌ای دقیق نور مشخص نشده است. برای کاربردهای با زاویه دید گسترده، ارزیابی نمونه اولیه توصیه می‌شود.
انباشت:ویژگی قابلیت انباشت افقی، ایجاد نمایشگرهای چندرقمی را ساده می‌کند. تراز مکانیکی و اتصال الکتریکی بین ماژول‌ها باید برنامه‌ریزی شود.

9. مقایسه و تمایز فنی

متمایزکننده کلیدی LTP-2088AKD استفاده از فناوری AlInGaP هایپر رد است. در مقایسه با فناوری‌های قدیمی‌تر مانند LEDهای قرمز استاندارد GaAsP (گالیم آرسنید فسفید)، AlInGaP بازده نوری به مراتب بالاتری ارائه می‌دهد. این بدان معناست که می‌تواند نور بیشتری (شدت نور بالاتر) برای همان مقدار جریان الکتریکی تولید کند که مستقیماً به ویژگی "نیاز به توان کم" آن کمک می‌کند. همچنین معمولاً پایداری طول موج بهتری در برابر دما و طول عمر ارائه می‌دهد. طراحی صفحه خاکستری/سگمنت سفید در مقایسه با پکیج‌های کاملاً قرمز یا سبز، به ویژه در شرایط نور محیطی بالا، کنتراست را بهبود می‌بخشد. دسته‌بندی صریح شدت نور (بینینگ) یک مزیت برای کاربردهایی است که نیاز به یکنواختی دارند.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت بین طول موج اوج تابش (650 نانومتر) و طول موج غالب (639 نانومتر) چیست؟
پ: طول موج اوج، نقطه حداکثر توان در خروجی طیفی است. طول موج غالب، طول موج تک نور تک‌رنگی است که همان رنگ درک شده (فام) خروجی LED را تولید می‌کند. این تفاوت به دلیل شکل منحنی طیفی LED است که مقداری عرض دارد.

س: چگونه مقاومت سری مورد نیاز برای یک نقطه را محاسبه کنم؟
پ: از قانون اهم استفاده کنید: R = (V_منبع- V_F) / I_F. برای منبع 5 ولت، V_Fمعمول 2.6 ولت، و I_Fمورد نظر 20 میلی‌آمپر: R = (5 - 2.6) / 0.02 = 120 اهم. برای طراحی محافظه‌کارانه‌ای که اطمینان حاصل کند جریان هرگز از هدف تجاوز نمی‌کند، از حداکثر V_F(2.8 ولت) استفاده کنید.

س: آیا می‌توانم آن را با ولتاژ ثابت و بدون محدودیت جریان درایو کنم؟
پ: خیر. ولتاژ مستقیم LED تلرانس دارد و با دما کاهش می‌یابد. یک ولتاژ ثابت نزدیک به V_Fمی‌تواند باعث فرار حرارتی شود، جایی که افزایش جریان LED را گرم می‌کند، V_Fرا کاهش می‌دهد، باعث جریان بیشتر می‌شود و منجر به خرابی می‌شود. همیشه از محدودیت جریان استفاده کنید.

س: نسبت تطابق شدت نور 2:1 برای طراحی من چه معنایی دارد؟
پ: این نسبت یکنواختی بصری را تضمین می‌کند. در بدترین حالت، یک نقطه ممکن است دو برابر نقطه دیگر روشن باشد. برای اکثر نمایشگرهای الفبایی-عددی، این نسبت قابل قبول و حواس‌پرتی‌کننده نیست. برای گرافیک‌هایی که نیاز به سطوح خاکستری دقیق دارند، ممکن است یک ملاحظه باشد.

11. مطالعه موردی طراحی و استفاده

سناریو: ساخت یک نمایشگر الفبایی-عددی 4 کاراکتری برای یک کنترلر دما.
طراحی:چهار ماژول LTP-2088AKD به صورت افقی انباشته شده‌اند. از یک میکروکنترلر واحد (مانند ATmega328P) استفاده شده است. به دلیل محدودیت I/O، از دو شیفت رجیستر سریال-به-موازی 8 بیتی (مانند 74HC595) برای درایو 32 آند ستون (8 ستون × 4 نمایشگر) استفاده شده است. 8 کاتد ردیف (به دلیل انباشتگی، مشترک در بین همه نمایشگرها) مستقیماً توسط 8 پایه میکروکنترلر که به عنوان خروجی‌های درین باز/سینک پیکربندی شده‌اند، درایو می‌شوند که هر کدام دارای یک ترانزیستور برای قابلیت جریان بالاتر هستند.
نرم‌افزار:فریم‌ور یک روال مالتی‌پلکسینگ را پیاده‌سازی می‌کند. الگوی یک ردیف را (از طریق شیفت رجیسترها) تنظیم می‌کند و سپس فقط کاتد ردیف مربوطه را فعال (گراند) می‌کند. به سرعت در بین همه 8 ردیف چرخه می‌زند (مثلاً نرخ اسکن 1-2 کیلوهرتز). ماندگاری دید، توهم یک تصویر پایدار را ایجاد می‌کند.
محاسبه جریان:برای نمایش تمام نقاط یک ردیف در حداکثر روشنایی، جریان لحظه‌ای هر نقطه ممکن است روی 25 میلی‌آمپر تنظیم شود. با سیکل وظیفه 1/8، جریان متوسط هر نقطه 25mA / 8 = 3.125 میلی‌آمپر است که به خوبی زیر ریتینگ متوسط 15 میلی‌آمپر قرار دارد. جریان کل منبع زمانی که یک ردیف کامل روشن است به اوج می‌رسد: 8 نقطه/نمایشگر * 4 نمایشگر * 25 میلی‌آمپر = 800 میلی‌آمپر. منبع تغذیه و ترانزیستورهای درایور ردیف باید متناسب با این مقدار اندازه‌گیری شوند.

12. اصل عملکرد

LTP-2088AKD بر اساس اصل الکترولومینسانس در یک پیوند p-n نیمه‌هادی است. سیستم ماده AlInGaP یک نیمه‌هادی با گاف نواری مستقیم است. هنگامی که بایاس مستقیم اعمال می‌شود (ولتاژ مثبت روی آند نسبت به کاتد)، الکترون‌ها از ناحیه نوع n و حفره‌ها از ناحیه نوع p به ناحیه فعال تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی را به شکل فوتون (نور) آزاد می‌کنند. ترکیب خاص آلومینیوم، ایندیم، گالیم و فسفید، انرژی گاف نواری را تعیین می‌کند که به نوبه خود طول موج (رنگ) نور ساطع شده را تعیین می‌کند - در این مورد، قرمز در حدود 650 نانومتر. زیرلایه غیرشفاف GaAs به انعکاس نور به سمت بالا کمک می‌کند و بازده استخراج نور خارجی از بالای چیپ را بهبود می‌بخشد. ماتریس 8x8 با سیم‌کشی جداگانه 64 عدد از این چیپ‌های LED ریز در یک الگوی شبکه ردیف-ستون در داخل پکیج واحد تشکیل شده است.

13. روندهای فناوری

نمایشگرهای ماتریس نقطه‌ای گسسته مانند LTP-2088AKD نمایانگر یک فناوری بالغ هستند. روندهای فعلی در فناوری نمایشگر به سمت یکپارچگی بیشتر و فرم‌فکتورهای مختلف در حرکت است. ماژول‌های LED ماتریس نقطه‌ای یکپارچه با کنترلرهای داخلی (واسط I2C یا SPI) رایج‌تر می‌شوند و تلاش طراحی را برای کاربر نهایی ساده می‌کنند. برای طراحی‌های جدیدی که نیاز به نمایشگرهای الفبایی-عددی کوچک دارند، LCDهای سگمنتی یا OLEDها اغلب مصرف توان کمتر و قالب‌بندی انعطاف‌پذیرتری ارائه می‌دهند. با این حال، ماتریس‌های نقطه‌ای LED سنتی در حوزه‌های خاصی مزایایی را حفظ می‌کنند: روشنایی بسیار بالا برای مشاهده در فضای باز یا نور محیطی بالا، محدوده دمای عملیاتی گسترده، طول عمر طولانی و استحکام در محیط‌های صنعتی خشن. فناوری زیربنایی چیپ LED AlInGaP همچنان در حال بهبود است، با تحقیقات مداوم در مورد افزایش بازده (لومن بر وات) و بهبود خلوص رنگ، که به تمام کاربردهای LED قرمز، از جمله نمایشگرهای ماتریسی، سود می‌رساند.