دیتاشیت نمایشگر LED مدل LTC-4727JD - ارتفاع رقم 0.4 اینچ - رنگ قرمز فوق اشباع (650 نانومتر) - ولتاژ پیشرو 2.6 ولت - اتلاف توان 70 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTC-4727JD یک ماژول نمایشگر الفبایی-عددی چهار رقمی و هفت قسمتی است که برای کاربردهای نیازمند خوانش واضح و روشن اعداد طراحی شده است. عملکرد اصلی آن نمایش بصری داده‌های عددی از طریق بخش‌های قابل آدرس‌دهی مجزا است. این قطعه با استفاده از تراشه‌های پیشرفته LED از جنس AlInGaP (آلومینیوم ایندیم گالیم فسفید) نصب شده بر روی بستر غیرشفاف GaAs ساخته شده است. این انتخاب مواد برای عملکرد دستگاه حیاتی است، زیرا نیمه‌هادی‌های AlInGaP به دلیل بازدهی بالا و خروجی نوری عالی در مناطق طیفی قرمز تا کهربایی شناخته شده هستند. نمای بصری آن دارای صفحه‌ای خاکستری با نشانه‌گذاری سفید بخش‌ها است که تضاد بالایی برای خوانایی بهینه تحت شرایط نوری مختلف فراهم می‌کند.

مزیت اصلی این نمایشگر در قابلیت اطمینان حالت جامد آن نهفته است که از فناوری LED نشأت می‌گیرد و طول عمر عملیاتی به مراتب طولانی‌تری نسبت به فناوری‌های قدیمی مانند نمایشگرهای فلورسنت خلأ یا رشته‌ای ارائه می‌دهد. این قطعه بر اساس شدت نور دسته‌بندی شده است، به این معنی که واحدها باینینگ و تست می‌شوند تا از سطح روشنایی یکنواخت اطمینان حاصل شود. بسته‌بندی آن با الزامات تولید بدون سرب مطابقت دارد. طراحی نمایشگر اولویت را به ظاهر عالی کاراکتر، روشنایی بالا و زاویه دید گسترده می‌دهد و آن را برای رابط‌های مصرفی و صنعتی که خوانایی از زوایای متعدد ضروری است، مناسب می‌سازد.

1.1 تفسیر عمیق و عینی پارامترهای فنی

1.1.1 ویژگی‌های فوتومتریک و نوری

عملکرد نوری تحت شرایط تست استاندارد در دمای محیط (Ta) برابر با 25 درجه سلسیوس تعریف شده است. پارامتر کلیدی، میانگین شدت نور (Iv)، در هنگام جریان پیشرو (IF) برابر با 1mA، محدوده مشخصی از حداقل 200 میکروکندلا تا حداکثر 650 میکروکندلا دارد. این محدوده نشان‌دهنده فرآیند باینینگ تولید است، جایی که دستگاه‌ها بر اساس خروجی واقعی خود مرتب می‌شوند. مقدار معمولی به عنوان نقطه مرجع مرکزی برای محاسبات طراحی عمل می‌کند. نسبت تطابق شدت نور برای نواحی نوری مشابه حداکثر 2:1 مشخص شده است که برای اطمینان از یکنواختی روشنایی در تمام بخش‌ها و ارقام، و جلوگیری از ظاهر لکه‌ای یا ناهموار، حیاتی است.

ویژگی‌های رنگی توسط طول موج تعریف می‌شوند. طول موج اوج تابش (λp) معمولاً 650 نانومتر (nm) است که خروجی را در منطقه قرمز فوق اشباع طیف قرار می‌دهد. طول موج غالب (λd) به عنوان 639 نانومتر مشخص شده است. درک تمایز مهم است: طول موج اوج نقطه حداکثر توان طیفی است، در حالی که طول موج غالب، درک تک طول‌موجی رنگ توسط چشم انسان است. پهنای نیمه خط طیفی (Δλ) برابر با 20 نانومتر است که نشان‌دهنده پهنای باند باریک نور ساطع شده است و به رنگ قرمز خالص و اشباع شده کمک می‌کند.

1.1.2 پارامترهای الکتریکی

ویژگی‌های الکتریکی مرزها و شرایط عملیاتی دستگاه را تعریف می‌کنند. ریتینگ‌های حداکثر مطلق، محدودیت‌هایی را تعیین می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. جریان پیشرو پیوسته برای هر بخش 25 میلی‌آمپر ریت شده است. یک فاکتور کاهش ریتینگ (دریتینگ) به میزان 0.33 میلی‌آمپر/درجه سلسیوس به صورت خطی از دمای 25 درجه سلسیوس اعمال می‌شود، به این معنی که حداکثر جریان پیوسته ایمن با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. این یک ملاحظه طراحی حیاتی برای مدیریت حرارتی است. برای کار پالسی، جریان پیشرو پیک بالاتری معادل 90 میلی‌آمپر تحت شرایط خاصی مجاز است: چرخه کاری 1/10 و عرض پالس 0.1 میلی‌ثانیه. این امر طرح‌های مالتی‌پلکسینگ را ممکن می‌سازد که در آن‌ها می‌توان از جریان لحظه‌ای بالاتر برای دستیابی به روشنایی درک شده استفاده کرد در حالی که توان متوسط پایین نگه داشته می‌شود.

ولتاژ پیشرو (VF) برای هر بخش در IF=20mA از 2.1 ولت تا 2.6 ولت متغیر است. این پارامتر برای طراحی مدار محدودکننده جریان، که معمولاً مقاومت‌ها یا درایورهای جریان ثابت هستند، ضروری است. ریتینگ ولتاژ معکوس (VR) برابر با 5 ولت است و جریان معکوس (IR) در این ولتاژ حداکثر 100 میکروآمپر است که نشان‌دهنده مشخصات نشتی دیود در حالت خاموش است. اتلاف توان برای هر بخش به 70 میلی‌وات محدود شده است که مستقیماً به طراحی حرارتی کاربرد مرتبط است.

1.1.3 مشخصات حرارتی و محیطی

محدوده دمای عملیاتی دستگاه از 35- درجه سلسیوس تا 105+ درجه سلسیوس ریت شده است. این محدوده گسترده آن را برای کاربردها در محیط‌های خشن، از جمله کنترل‌های صنعتی و فضای داخلی خودرو (مناطق غیرحساس) مناسب می‌سازد. محدوده دمای ذخیره‌سازی یکسان اطمینان می‌دهد که دستگاه در هنگام عدم تغذیه می‌تواند در برابر این شرایط حدی مقاومت کند. شرایط ریفلو لحیم‌کاری به صراحت ذکر شده است: قطعه می‌تواند به مدت 3 ثانیه در دمای 260 درجه سلسیوس قرار گیرد، که در نقطه‌ای به فاصله 1/16 اینچ (تقریباً 1.59 میلی‌متر) زیر صفحه نشیمن اندازه‌گیری می‌شود. این اطلاعات برای فرآیندهای مونتاژ PCB جهت جلوگیری از آسیب حرارتی در حین لحیم‌کاری حیاتی است.

1.2 توضیح سیستم باینینگ

دیتاشیت نشان می‌دهد که دستگاه "بر اساس شدت نور دسته‌بندی شده است." این به معنای یک فرآیند باینینگ است که در آن واحدهای تولید شده تست شده و بر اساس خروجی نور اندازه‌گیری شده در جریان تست استاندارد (احتمالاً 1mA یا 20mA) در گروه‌هایی (بین) دسته‌بندی می‌شوند. طراحان می‌توانند بین‌ها را انتخاب کنند تا از یکنواختی روشنایی در چندین نمایشگر در یک محصول واحد اطمینان حاصل کنند. اگرچه در این سند با کدهای بین به طور صریح جزئیات داده نشده است، اما چنین سیستمی امکان تهیه قطعات با حداقل یا شدت نور معمولی تضمین شده را فراهم می‌کند که برای کاربردهای نیازمند عملکرد بصری یکنواخت حیاتی است.

1.3 تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به "منحنی‌های مشخصه الکتریکی/نوری معمولی" اشاره می‌کند که ابزارهای ضروری برای درک رفتار دستگاه فراتر از مشخصات تک نقطه‌ای هستند. اگرچه منحنی‌های خاص در متن ارائه شده جزئیات داده نشده‌اند، اما منحنی‌های معمولی برای چنین دستگاه‌هایی شامل موارد زیر خواهد بود:

• شدت نور نسبی در مقابل جریان پیشرو (منحنی I-V):این منحنی نشان می‌دهد که چگونه خروجی نور با جریان افزایش می‌یابد. معمولاً غیرخطی است و بازدهی اغلب در جریان‌های بسیار بالا به دلیل اثرات حرارتی کاهش می‌یابد.
• ولتاژ پیشرو در مقابل جریان پیشرو:این مشخصه IV دیود را نشان می‌دهد که برای محاسبه افت ولتاژ و نیازمندی‌های منبع تغذیه مهم است.
• شدت نور نسبی در مقابل دمای محیط:این منحنی اثر خاموشی حرارتی را نشان می‌دهد، جایی که خروجی LED با افزایش دمای اتصال کاهش می‌یابد. درک این موضوع کلیدی برای طراحی‌هایی است که در دمای محیط بالا کار می‌کنند.
• توزیع طیفی:نموداری که توان نسبی ساطع شده در طول‌موج‌ها را نشان می‌دهد، حول اوج 650 نانومتر با پهنای نیمه مشخص شده 20 نانومتر متمرکز شده است.

این منحنی‌ها به طراحان اجازه می‌دهد تا شرایط درایو را برای تعادل بین روشنایی، بازدهی و طول عمر بهینه‌سازی کنند.

2. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

2.1 ابعاد و نقشه کلی

نقشه بسته‌بندی داده‌های مکانیکی حیاتی را ارائه می‌دهد. تمام ابعاد اصلی بر حسب میلی‌متر مشخص شده‌اند. تلرانس استاندارد برای این ابعاد ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه یادداشت ویژگی خاصی خلاف آن را بیان کند. یک یادداشت مهم تلرانس جابجایی نوک پایه را +0.4 میلی‌متر مشخص می‌کند که برای جبران احتمالی عدم تراز جزئی پایه‌ها در حین فرآیند قالب‌گیری در نظر گرفته شده و بر قرارگیری سوراخ‌های PCB یا طراحی سوکت تأثیر می‌گذارد. اندازه کلی توسط ارتفاع رقم 0.4 اینچی (10.0 میلی‌متر) تعیین می‌شود که به ارتفاع فیزیکی یک کاراکتر عددی منفرد اشاره دارد.

2.2 پایه‌ها و دیاگرام اتصال

دستگاه دارای پیکربندی 16 پایه است، اگرچه تمام موقعیت‌ها پر یا متصل نیستند. این دستگاه به صورت یکنمایشگر مالتی‌پلکس با کاتد مشترکپیکربندی شده است. این معماری برای عملکرد آن اساسی است:

• کاتدهای مشترک:پایه‌های 1، 2، 4، 6 و 8 به ترتیب اتصالات کاتد مشترک برای رقم 1، رقم 2، گروهی از بخش‌ها (L1,L2,L3)، رقم 3 و رقم 4 هستند. در یک طرح مالتی‌پلکس، این کاتدها به صورت متوالی به زمین سوئیچ می‌شوند تا مشخص کنند کدام رقم فعال است.
• آندهای بخش:پایه‌های 3، 5، 7، 11، 13، 14، 15 و 16 اتصالات آند برای بخش‌های منفرد (A, B, C, D, E, F, G, DP) و برخی بخش‌های دونقطه/نشانه‌گذاری (L1, L2, L3) هستند. آندهای مناسب (از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان) در سطح بالا قرار می‌گیرند تا بخش‌های خاص رقم در حال انتخاب روشن شوند.
• دیاگرام مدار داخلی اتصال متقابل این آندها و کاتدها را نشان می‌دهد و یک ماتریس تشکیل می‌دهد که کنترل 4 رقم و یک نقطه اعشار/دونقطه را تنها با 13 خط سیگنال مؤثر، به جای 36+ خط مورد نیاز برای درایو استاتیک، ممکن می‌سازد.

3. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

بخش ریتینگ‌های حداکثر مطلق پارامتر کلیدی لحیم‌کاری را ارائه می‌دهد: دستگاه می‌تواند دمای لحیم‌کاری 260 درجه سلسیوس را به مدت 3 ثانیه تحمل کند، که در نقطه‌ای به فاصله 1.59 میلی‌متر (1/16 اینچ) زیر صفحه نشیمن اندازه‌گیری می‌شود. این یک مرجع پروفیل ریفلو استاندارد است. برای لحیم‌کاری دستی، باید از دمای پایین‌تر و زمان تماس کوتاه‌تر برای جلوگیری از گرمایش موضعی بیش از حد استفاده شود. اطمینان از اینکه دمای خود بسته LED در هیچ بخشی از فرآیند مونتاژ از ریتینگ حداکثر دمای ذخیره‌سازی تجاوز نکند، حیاتی است. باید روش‌های صحیح رسیدگی ESD (تخلیه الکترواستاتیک) رعایت شود، زیرا تراشه‌های LED به الکتریسیته ساکن حساس هستند.

4. پیشنهادات کاربردی

4.1 سناریوهای کاربردی معمول

این نمایشگر برای کاربردهای نیازمند خوانش عددی فشرده، قابل اطمینان و روشن ایده‌آل است. کاربردهای رایج شامل موارد زیر است:

• تجهیزات تست و اندازه‌گیری:مولتی‌مترهای دیجیتال، فرکانس‌شمارها، منابع تغذیه.
• کنترل‌های صنعتی:پنل متر برای دما، فشار، دور در دقیقه، نمایشگرهای شمارش.
• الکترونیک مصرفی:تجهیزات صوتی (نمایشگر/ولوم تقویت‌کننده)، لوازم آشپزخانه، ساعت‌ها.
• بازار جانبی خودرو:گیج‌ها و ماژول‌های نمایش (در جایی که مشخصات محیطی مناسب است).

4.2 ملاحظات طراحی و پیاده‌سازی مدار

درایو این نمایشگر نیازمند یک کنترلر مالتی‌پلکسینگ است که می‌تواند یک آی‌سی درایور نمایشگر اختصاصی (مانند MAX7219 یا TM1637) یا یک میکروکنترلر با پین‌های I/O کافی و نرم‌افزار باشد. طراحی باید موارد زیر را در نظر بگیرد:

• محدود کردن جریان:یک مقاومت باید به صورت سری با هر آند بخش (یا مجموعه‌ای از آندها در صورت استفاده از درایور جریان ثابت) قرار گیرد تا جریان پیشرو تنظیم شود. مقدار آن با استفاده از R = (Vcc - VF) / IF محاسبه می‌شود. با استفاده از حداکثر VF برابر با 2.6 ولت و منبع تغذیه 5 ولت با IF هدف 10mA، R = (5 - 2.6) / 0.01 = 240 اهم خواهد بود.
• فرکانس مالتی‌پلکسینگ:نرخ رفرش باید به اندازه کافی بالا باشد تا از سوسو زدن قابل مشاهده جلوگیری شود، معمولاً بالای 60-100 هرتز برای هر رقم. با 4 رقم، فرکانس اسکن باید 240-400 هرتز باشد.
• جریان پیک در مقابل جریان متوسط:برای دستیابی به روشنایی متوسط مطلوب، جریان پیک در طول زمان کوتاه روشن بودن می‌تواند بالاتر باشد. اگر چرخه کاری 1/4 (برای 4 رقم) باشد، یک جریان پیک 20mA جریان متوسط 5mA برای هر بخش را نتیجه می‌دهد که در محدوده ریتینگ پیوسته باقی می‌ماند.
• تخلیه حرارت:اطمینان حاصل کنید که اتلاف توان متوسط برای هر بخش (IF * VF * چرخه کاری) از 70mW تجاوز نکند، به ویژه در دمای محیط بالا.

5. مقایسه و تمایز فنی

LTC-4727JD از طریق استفاده از فناوری AlInGaP بر روی بستر GaAs خود را متمایز می‌کند. در مقایسه با LEDهای قرمز قدیمی‌تر GaP (گالیم فسفید)، AlInGaP بازده نوری به مراتب بالاتری ارائه می‌دهد که منجر به نمایشگرهای روشن‌تر در جریان یکسان یا مصرف توان کمتر برای روشنایی یکسان می‌شود. بستر غیرشفاف با جلوگیری از پراکندگی نور داخلی به بهبود تضاد کمک می‌کند. ویژگی "بخش‌های یکنواخت پیوسته" نشان‌دهنده طراحی با کیفیت بالا دی و لنز است که از شکاف‌ها یا روشنایی ناهموار در داخل یک بخش جلوگیری می‌کند. بسته بدون سرب تضمین‌کننده انطباق با مقررات زیست‌محیطی مدرن (RoHS) است.

6. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت بین طول موج اوج و طول موج غالب چیست؟

ج: طول موج اوج نقطه فیزیکی حداکثر توان طیفی خروجی از LED است. طول موج غالب نقطه رنگ درک شده توسط چشم انسان است که از طیف کامل محاسبه می‌شود. آن‌ها اغلب کمی متفاوت هستند.

س: آیا می‌توانم این نمایشگر را با یک میکروکنترلر 3.3 ولتی درایو کنم؟

ج: بله، اما باید ولتاژ پیشرو را بررسی کنید. با حداکثر VF برابر با 2.6 ولت، تنها 0.7 ولت حاشیه (3.3V - 2.6V) برای مقاومت محدودکننده جریان باقی می‌ماند. این افت ولتاژ کوچک، جریان را به تغییرات VF حساستر می‌کند. برای سیستم‌های 3.3 ولتی استفاده از یک درایور جریان ثابت یا استفاده از جریان هدف پایین‌تر توصیه می‌شود.

س: چرا یک فاکتور کاهش ریتینگ برای جریان پیشرو وجود دارد؟

ج: LEDها در اتصال نیمه‌هادی گرما تولید می‌کنند. با افزایش دمای محیط، دمای اتصال برای یک اتلاف توان معین افزایش می‌یابد. فاکتور کاهش ریتینگ حداکثر جریان مجاز را کاهش می‌دهد تا از تجاوز دمای اتصال از ریتینگ حداکثر آن جلوگیری کند، که به شدت طول عمر را کاهش داده یا باعث خرابی می‌شود.

س: عبارت "کاتد مشترک مالتی‌پلکس" برای مدار درایور من به چه معناست؟

ج: به این معنی است که شما هر بار یک رقم را با اتصال پایه کاتد مشترک آن به زمین (سطح پایین) روشن می‌کنید. سپس ولتاژ را به پایه‌های آند بخش برای الگوی مورد نظر روی آن رقم اعمال می‌کنید. شما به سرعت بین تمام ارقام چرخه می‌زنید. چشم انسان نور را ادغام می‌کند و باعث می‌شود تمام ارقام به طور پیوسته روشن به نظر برسند.

7. مطالعه موردی پیاده‌سازی عملی

طراحی یک ولت‌متر ساده 4 رقمی با استفاده از یک میکروکنترلر و این نمایشگر را در نظر بگیرید. ADC میکروکنترلر یک ولتاژ را می‌خواند، آن را به عدد تبدیل می‌کند و نمایشگر را درایو می‌کند. میکروکنترلر دارای 8 پین I/O است که از طریق مقاومت‌های محدودکننده جریان به آندهای بخش (A-G, DP) متصل هستند. چهار پین I/O اضافی ترانزیستورهای NPN (یا از یک آی‌سی آرایه ترانزیستور) را کنترل می‌کنند که جریان را از چهار پایه کاتد رقم (1, 2, 6, 8) می‌کشند. پایه 4 (کاتد مشترک برای دونقطه‌ها) در صورتی که دونقطه‌ها همیشه روشن باشند می‌تواند به زمین متصل شود، یا به طور جداگانه کنترل شود. فریم‌ور یک وقفه تایمر برای رفرش نمایشگر پیاده‌سازی می‌کند. در روال وقفه، تمام کاتدهای رقم خاموش می‌شوند، الگوی بخش برای رقم بعدی به پورت آند ارسال می‌شود و سپس کاتد آن رقم روشن می‌شود. این فرآیند برای هر رقم تکرار می‌شود و یک خوانش پایدار و بدون سوسو ایجاد می‌کند.

8. معرفی اصل عملکرد

اصل عملکرد اساسی بر اساس الکترولومینسانس در یک اتصال P-N نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ پیشرو فراتر از آستانه دیود اعمال می‌شود، الکترون‌ها از منطقه AlInGaP نوع N با حفره‌های منطقه نوع P بازترکیب می‌شوند. این رویداد بازترکیب انرژی را به شکل فوتون (نور) آزاد می‌کند. طول موج خاص 650 نانومتر (قرمز) توسط انرژی گپ باند ماده نیمه‌هادی AlInGaP تعیین می‌شود که در فرآیند رشد کریستال مهندسی شده است. بستر غیرشفاف GaAs نور ساطع شده به سمت پایین را جذب می‌کند و تضاد را بهبود می‌بخشد. بخش‌های منفرد توسط چندین تراشه LED یا یک تراشه منفرد با یک آند الگودار تشکیل شده‌اند که به صورت داخلی به پایه‌های بسته سیم‌کشی شده‌اند. طرح مالتی‌پلکسینگ یک تکنیک الکتریکی برای کاهش تعداد خطوط کنترل مورد نیاز با استفاده از مزیت پایداری دید چشم انسان است.

9. روندهای فناوری

در حالی که AlInGaP همچنان یک فناوری با عملکرد بالا برای LEDهای قرمز و کهربایی باقی مانده است، روندهای گسترده‌تر صنعت نمایشگر بر چنین قطعاتی تأثیر می‌گذارد. تلاش مداومی برای دستیابی به بازدهی بالاتر (لومن بیشتر در هر وات) وجود دارد که امکان نمایشگرهای روشن‌تر با توان کمتر یا تولید گرمای کاهش یافته را فراهم می‌کند. مینیاتوری‌سازی روند دیگری است، اگرچه ارتفاع رقم اغلب توسط نیازمندی‌های خوانایی محدود می‌شود. یکپارچه‌سازی یک روند مهم است؛ ماژول‌های نمایشگر مدرن اغلب شامل آی‌سی درایور، کنترلر و گاهی حتی یک میکروکنترلر در همان بسته هستند که رابط را به یک باس سریال ساده (I2C یا SPI) ساده می‌کنند. با این حال، نمایشگرهای گسسته مانند LTC-4727JD برای طراحی‌های حساس به هزینه، طرح‌بندی‌های سفارشی یا کاربردهایی که الکترونیک کنترل متمرکز است، حیاتی باقی می‌مانند. حرکت به سمت مواد بدون سرب و بدون هالوژن مطابق با مقررات زیست‌محیطی جهانی اکنون استاندارد است. توسعه‌های آینده ممکن است پیشرفت‌های بازدهی بیشتری از مواد بستر جدید یا طراحی تراشه‌ها را شاهد باشد، اما معماری هفت قسمتی مالتی‌پلکس شده هسته‌ای همچنان یک راه‌حل قابل اطمینان و مقرون‌به‌صرفه برای نیازهای نمایش عددی باقی می‌ماند.