دیتاشیت نمایشگر LED مدل LSHD-5503 - ارتفاع رقم 0.56 اینچ - قرمز AlInGaP - ولتاژ مستقیم 2.6 ولت - اتلاف توان 70 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LSHD-5503 یک ماژول نمایشگر عددی تک رقمی با عملکرد بالا است که برای کاربردهایی طراحی شده که نیازمند نمایش عددی واضح، پرنور و قابل اعتماد هستند. فناوری هسته آن بر اساس چیپ‌های LED قرمز نیمه‌هادی پیشرفته آلومینیوم ایندیم گالیم فسفید (AS-AlInGaP) است که به صورت اپیتاکسیال بر روی زیرلایه آرسنید گالیم (GaAs) رشد یافته‌اند. این سیستم ماده به دلیل بازدهی بالا و خلوص رنگ عالی در طیف قرمز شناخته شده است. دستگاه دارای صفحه‌ای به رنگ خاکستری روشن با جداکننده‌های سفید برای سگمنت‌ها است که تضاد بالایی برای خوانایی بهینه تحت شرایط نوری مختلف فراهم می‌کند. اهداف طراحی اصلی، مصرف توان پایین، خروجی روشنایی بالا، روشنایی یکنواخت سگمنت‌ها و قابلیت اطمینان حالت جامد است که آن را برای ادغام در طیف گسترده‌ای از محصولات مصرفی، صنعتی و ابزار دقیق که نمایش داده‌های عددی در آن‌ها حیاتی است، مناسب می‌سازد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

عملکرد LSHD-5503 توسط مجموعه‌ای جامع از پارامترهای الکتریکی و نوری تعریف می‌شود که هر یک برای طراحی صحیح مدار و پیش‌بینی عملکرد حیاتی هستند.

2.1 مشخصات فوتومتریک و نوری

عملکرد درخشندگی یک عامل تمایز کلیدی است. شدت درخشندگی متوسط هر سگمنت با مقادیر حداقل، معمول و حداکثر تحت شرایط درایو مختلف مشخص شده است. در جریان مستقیم (I_F) برابر 1 میلی‌آمپر، شدت از 320 میکروکاندلا (حداقل) تا 1300 میکروکاندلا (حداکثر) متغیر است و یک مقدار معمول ارائه شده است. در جریان درایو بالاتر 10 میلی‌آمپر، شدت معمول به طور قابل توجهی به 5400 میکروکاندلا افزایش می‌یابد که نشان‌دهنده قابلیت دستگاه برای کاربردهای با روشنایی بالا است. نسبت تطابق شدت درخشندگی بین سگمنت‌ها در I_F=1mA حداکثر 2:1 مشخص شده است که یکنواختی بصری در سراسر رقم را تضمین می‌کند. طول موج غالب (λ_d) 624 نانومتر و طول موج تابش اوج (λ_p) در I_F=20mA برابر 632 نانومتر است که آن را به طور قطع در بخش قرمز طیف مرئی قرار می‌دهد. پهنای نیم‌خط طیفی (Δλ) 20 نانومتر است که نشان‌دهنده پهنای باند طیفی نسبتاً باریک است که به رنگ قرمز خالص کمک می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی

ولتاژ مستقیم (V_F) هر سگمنت هنگام درایو در 20 میلی‌آمپر بین 2.1 ولت (حداقل) و 2.6 ولت (حداکثر) است. این پارامتر برای محاسبه مقدار مقاومت محدودکننده جریان لازم در یک مدار ضروری است: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F. جریان معکوس (I_R) در ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت به حداکثر 100 میکروآمپر محدود شده است که یک شرایط آزمایش استاندارد است و یک حالت کار مداوم نیست.

2.3 حداکثر مقادیر مجاز و مدیریت حرارتی

این مقادیر محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. جریان مستقیم مداوم هر سگمنت 25 میلی‌آمپر است. جریان مستقیم اوج هر سگمنت در 90 میلی‌آمپر درجه‌بندی شده است، اما تنها تحت شرایط پالسی (فرکانس 1 کیلوهرتز، چرخه کاری 15%)، که برای طرح‌های مالتی‌پلکسینگ برای دستیابی به درخشندگی ادراک شده بالاتر مفید است. اتلاف توان هر سگمنت 70 میلی‌وات است که به صورت V_F* I_Fمحاسبه می‌شود. یک ضریب کاهش جریان مستقیم 0.28 میلی‌آمپر/درجه سانتی‌گراد برای دمای محیط بالای 25 درجه سانتی‌گراد (T_a) مشخص شده است. این بدان معناست که برای هر درجه سانتی‌گراد بالای 25 درجه سانتی‌گراد، حداکثر جریان مجاز مداوم باید 0.28 میلی‌آمپر کاهش یابد تا از گرمای بیش از حد جلوگیری شود. به عنوان مثال، در دمای 50 درجه سانتی‌گراد، حداکثر جریان 25 میلی‌آمپر - (0.28 میلی‌آمپر/درجه سانتی‌گراد * 25 درجه سانتی‌گراد) = 18 میلی‌آمپر خواهد بود. محدوده دمای کار و ذخیره‌سازی 35- درجه سانتی‌گراد تا 105+ درجه سانتی‌گراد است که نشان‌دهنده استحکام برای محیط‌های خشن است.

3. سیستم دسته‌بندی و درجه‌بندی

دیتاشیت به صراحت بیان می‌کند که دستگاه‌ها "بر اساس شدت روشنایی دسته‌بندی شده‌اند." این یک فرآیند حیاتی کنترل کیفیت و انتخاب است. در طول تولید، تغییرات طبیعی رخ می‌دهد. دسته‌بندی شامل آزمایش خروجی نوری هر قطعه در جریان آزمایش استاندارد (احتمالاً 1 میلی‌آمپر یا 10 میلی‌آمپر مطابق دیتاشیت) و گروه‌بندی آن‌ها در محدوده‌های شدت خاص یا "دسته‌ها" می‌شود. این امر به طراحان اجازه می‌دهد قطعاتی با سطوح روشنایی یکنواخت برای کاربرد خود انتخاب کنند و ظاهری یکدست در نمایشگرهای چند رقمی یا در محصولات مختلف تضمین شود. در حالی که دیتاشیت محدوده کلی حداقل/حداکثر را ارائه می‌دهد، کدهای دسته خاص و محدوده‌های شدت متناظر آن‌ها معمولاً در یک سند دسته‌بندی جداگانه از سوی سازنده تعریف می‌شوند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به "منحنی‌های مشخصه الکتریکی/نوری معمول" اشاره می‌کند که برای درک رفتار دستگاه فراتر از مشخصات تک نقطه‌ای ضروری هستند. اگرچه نمودارهای خاص در متن ارائه شده جزئیات ندارند، منحنی‌های استاندارد برای چنین دستگاه‌هایی معمولاً شامل موارد زیر هستند:

• شدت درخشندگی نسبی در مقابل جریان مستقیم (I_Vvs. I_F):نشان می‌دهد که چگونه خروجی نور با جریان افزایش می‌یابد، معمولاً به صورت زیرخطی در جریان‌های بالاتر به دلیل گرمایش و افت بازدهی.
• ولتاژ مستقیم در مقابل جریان مستقیم (V_Fvs. I_F):مشخصه I-V دیود را نشان می‌دهد که برای طراحی درایور حیاتی است.
• شدت درخشندگی نسبی در مقابل دمای محیط (I_Vvs. T_a):نشان می‌دهد که چگونه خروجی نور با افزایش دمای اتصال کاهش می‌یابد و اهمیت مدیریت حرارتی را برجسته می‌کند.
• توزیع طیفی:نموداری از شدت نسبی در مقابل طول موج، که اوج را در حدود 632 نانومتر و پهنای نیمه 20 نانومتری را نشان می‌دهد.

این منحنی‌ها به مهندسان اجازه می‌دهند تا عملکرد تحت شرایط غیراستاندارد (مانند جریان‌های درایو مختلف، دماها) را مدل‌سازی کرده و طراحی‌های خود را بهینه کنند.

5. اطلاعات مکانیکی و پکیج

LSHD-5503 دارای ارتفاع رقم 0.56 اینچ (14.22 میلی‌متر) است. ابعاد پکیج در یک نقشه دقیق با تمام اندازه‌گیری‌های حیاتی بر حسب میلی‌متر ارائه شده است. تلرانس‌ها معمولاً ±0.25 میلی‌متر هستند مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. این اطلاعات برای طراحی جای پای PCB، اطمینان از قرارگیری مناسب در محفظه و حفظ تراز نقطه اعشار حیاتی است. پکیج شامل چیپ‌های LED، ماسک صورت خاکستری روشن/سگمنت‌های سفید و پین‌های اتصال است.

6. اتصال پین‌ها و مدار داخلی

دستگاه دارای پیکربندی استاندارد 10 پین برای نمایشگر 7 سگمنت به اضافه نقطه اعشار است. از معماریکاتد مشترکاستفاده می‌کند. این بدان معناست که کاتدهای (ترمینال‌های منفی) تمام سگمنت‌های LED به صورت داخلی به هم متصل شده و به پین‌های 3 و 8 آورده شده‌اند که آن‌ها نیز به هم متصل هستند. آندهای (ترمینال‌های مثبت) هر سگمنت جداگانه (A تا G) و نقطه اعشار (DP) به پین‌های جداگانه (1, 2, 4, 5, 6, 7, 9, 10) آورده شده‌اند. نمودار مدار داخلی این چیدمان را به صورت بصری نشان می‌دهد و هشت LED جداگانه (هفت سگمنت + DP) را با آندهای ایزوله شده و کاتدهای متصل به نود مشترک نشان می‌دهد. این پیکربندی برای مالتی‌پلکسینگ ایده‌آل است، جایی که ارقام به صورت متوالی و سریع یکی پس از دیگری تغذیه می‌شوند.

7. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقادیر مجاز شامل شرایط لحیم‌کاری خاصی است: دستگاه می‌تواند در معرض دمای هویه 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه قرار گیرد، با این شرط که نوک هویه باید حداقل 1/16 اینچ (تقریباً 1.6 میلی‌متر) زیر صفحه نشیمن پکیج باشد. این یک دستورالعمل حیاتی برای جلوگیری از انتقال گرمای بیش از حد به سمت بالا از طریق پین‌ها و آسیب به چیپ‌های LED داخلی یا پکیج پلاستیکی است. برای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو، پروفایل باید به دقت کنترل شود تا در محدوده حرارتی پکیج باقی بماند، که معمولاً به استاندارد IPC/JEDEC J-STD-020 برای حساسیت رطوبت و پروفایل‌های ریفلو اشاره می‌کند، اگرچه به صراحت در اینجا ذکر نشده است. در طول مونتاژ همیشه باید روش‌های صحیح رسیدگی ESD (تخلیه الکترواستاتیک) رعایت شود.

8. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

8.1 سناریوهای کاربردی متداول

LSHD-5503 برای هر کاربرد نیازمند نمایشگر عددی تک رقمی پرنور و قابل اعتماد مناسب است. کاربردهای متداول شامل: تجهیزات آزمایش و اندازه‌گیری (مولتی‌مترها، فرکانس‌کانترها)، پنل‌های کنترل صنعتی (نمایشگرهای دما، خوانش شمارنده‌ها)، لوازم خانگی مصرفی (اجاق‌های مایکروویو، ماشین‌های لباسشویی، تجهیزات صوتی)، گیج‌های جانبی خودرو و ترمینال‌های فروشگاهی است.

8.2 ملاحظات طراحی حیاتی

• محدود کردن جریان:LEDها دستگاه‌های جریان‌محور هستند. باید از یک مقاومت سری با هر سگمنت (یا یک درایور جریان ثابت) برای محدود کردن جریان مستقیم به یک مقدار ایمن (≤25 میلی‌آمپر مداوم) استفاده شود. مقدار مقاومت با استفاده از ولتاژ تغذیه و افت ولتاژ مستقیم از دیتاشیت محاسبه می‌شود.
• مالتی‌پلکسینگ:برای نمایشگرهای چند رقمی، یک دستگاه با کاتد مشترک مانند LSHD-5503 ایده‌آل است. یک میکروکنترلر می‌تواند به صورت متوالی کاتد مشترک یک رقم را فعال کند در حالی که آندهای سگمنت را برای الگوی آن رقم درایو می‌کند. درجه‌بندی جریان اوج (90 میلی‌آمپر پالسی) اجازه می‌دهد جریان لحظه‌ای بالاتری در دوره کوتاه مالتی‌پلکسینگ برای دستیابی به درخشندگی متوسط پرنور وجود داشته باشد.
• طراحی حرارتی:به منحنی کاهش جریان پایبند باشید. اگر در دمای محیط بالا یا جریان‌های مداوم بالا کار می‌کنید، اطمینان از تهویه مناسب حاصل کنید. چیدمان PCB می‌تواند به دفع حرارت از پین‌ها کمک کند.
• زاویه دید:دیتاشیت ادعای زاویه دید گسترده دارد که برای کاربردهایی که نمایشگر ممکن است از موقعیت‌های خارج از محور مشاهده شود مفید است.

9. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فناوری‌های قدیمی‌تر مانند LEDهای قرمز استاندارد GaAsP (گالیم آرسنید فسفید)، فناوری AlInGaP در LSHD-5503 بازده درخشندگی به مراتب بالاتری ارائه می‌دهد که منجر به روشنایی بیشتر برای همان جریان درایو می‌شود. همچنین خلوص رنگ و پایداری برتر در برابر دما و زمان را فراهم می‌کند. در مقایسه با برخی LEDهای سفید مدرن با فیلترهای رنگی، LEDهای قرمز AlInGaP ذاتیاً تک‌رنگ هستند و برای تولید نور قرمز خالص کارآمدترند. ارتفاع رقم 0.56 اینچی آن را در یک دسته اندازه متداول قرار می‌دهد و تعادل خوبی بین خوانایی و جای پای فیزیکی ارائه می‌دهد. پیکربندی کاتد مشترک آن در برخی توپولوژی‌های مدار مزیت مستقیمی برای طراحی‌های مالتی‌پلکس مبتنی بر میکروکنترلر نسبت به انواع آند مشترک ارائه می‌دهد.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم این نمایشگر را مستقیماً از پین میکروکنترلر 5 ولتی درایو کنم؟

ج: خیر. شما باید از یک مقاومت محدودکننده جریان استفاده کنید. یک LED قرمز معمولی حدود 2 ولت افت دارد. اتصال مستقیم 5 ولت باعث جریان بیش از حد شده و سگمنت را از بین می‌برد. مقاومت را محاسبه کنید: R = (5V - 2.6V) / 0.02A = 120Ω (با استفاده از حداکثر V_Fبرای ایمنی).

س: "دسته‌بندی بر اساس شدت روشنایی" برای طراحی من به چه معناست؟

ج: به این معنی است که می‌توانید قطعات را از یک محدوده روشنایی خاص سفارش دهید. اگر یکنواختی بصری در چندین واحد حیاتی است (مانند یک پنل چند رقمی)، کد دسته مورد نظر خود را به توزیع‌کننده خود مشخص کنید تا اطمینان حاصل شود که همه ارقام روشنایی مطابقت دارند.

س: جریان اوج 90mA است، اما مداوم فقط 25mA است. آیا می‌توانم از 90mA برای خروجی پرنورتر استفاده کنم؟

ج: فقط در حالت پالسی، همانطور که مشخص شده است (1 کیلوهرتز، چرخه کاری 15%). جریان متوسط در آن حالت 90mA * 0.15 = 13.5mA خواهد بود که در محدوده درجه‌بندی مداوم است. کار مداوم در 90mA از حد اتلاف توان فراتر رفته و باعث خرابی سریع می‌شود.

س: چگونه دو پین کاتد مشترک (3 و 8) را وصل کنم؟

ج: آن‌ها به صورت داخلی به هم متصل هستند. می‌توانید از یکی استفاده کنید یا هر دو را به مدار درایور خود (مانند سینک ترانزیستور) وصل کنید تا توزیع جریان و عملکرد حرارتی بهتری داشته باشید.

11. مطالعه موردی طراحی و کاربرد

سناریو: طراحی یک نمایشگر ساده ولت‌متر 3 رقمی.

سه نمایشگر LSHD-5503 استفاده می‌شود. یک میکروکنترلر با پین‌های I/O کافی انتخاب می‌شود. طراحی از مالتی‌پلکسینگ تقسیم زمانی استفاده می‌کند:

1. پین‌های کاتد مشترک هر رقم به ترانزیستورهای NPN جداگانه (یا یک IC درایور اختصاصی) کنترل شده توسط میکروکنترلر متصل می‌شوند.

2. پین‌های آند سگمنت (A-G, DP) هر سه رقم به هم متصل شده و از طریق مقاومت‌های محدودکننده جریان به میکروکنترلر مرتبط می‌شوند.

3. نرم‌افزار میکروکنترلر: الف) تمام ترانزیستورهای درایور کاتد را خاموش می‌کند. ب) محاسبه می‌کند کدام سگمنت‌ها برای رقم صدگان باید روشن شوند. ج) الگوی سگمنت را روی خطوط آند فعال می‌کند. د) به طور خلاصه ترانزیستور برای کاتد رقم صدگان را فعال می‌کند. ه) مراحل ب-د را برای ارقام دهگان و یکان به سرعت تکرار می‌کند (به عنوان مثال، با نرخ کلی 1 کیلوهرتز).

جریان سگمنت اوج در طول زمان روشن بودن کوتاه آن می‌تواند بالاتر تنظیم شود (مانند 40-60 میلی‌آمپر) تا برای چرخه کاری کم جبران شود (≈33% برای هر رقم در یک سیستم 3 رقمی)، و یک نمایشگر پرنور و بدون لرزش حاصل شود در حالی که توان متوسط و گرما در محدوده مجاز نگه داشته می‌شود.

12. معرفی اصل فناوری

LSHD-5503 بر اساس ماده نیمه‌هادی آلومینیوم ایندیم گالیم فسفید (AlInGaP) است که به صورت اپیتاکسیال بر روی زیرلایه آرسنید گالیم (GaAs) رشد یافته است. این یک نیمه‌هادی مرکب از گروه III-V است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم در سراسر اتصال p-n اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها به ناحیه فعال تزریق می‌شوند. بازترکیب آن‌ها انرژی را به شکل فوتون (نور) آزاد می‌کند. انرژی گاف باند خاص آلیاژ AlInGaP طول موج نور ساطع شده را تعیین می‌کند؛ در این مورد، برای تولید نور قرمز در حدود 624-632 نانومتر تنظیم شده است. استفاده از یک ماده با گاف باند مستقیم مانند AlInGaP منجر به بازده کوانتومی داخلی بالا می‌شود. نور از طریق یک پکیج اپوکسی قالب‌گیری شده ساطع می‌شود که شامل یک صورت خاکستری روشن با سگمنت‌های رنگ‌شده سفید است. رنگ سفید نور از چیپ LED زیرین را منعکس و پخش می‌کند و سگمنت‌های روشن یکنواختی را ایجاد می‌کند که برای کاربر قابل مشاهده است.

13. روندها و زمینه فناوری

در حالی که LSHD-5503 نماینده فناوری بالغ و قابل اعتماد است، زمینه گسترده‌تر فناوری نمایشگر همچنان در حال تکامل است. AlInGaP همچنان فناوری غالب با بازده بالا برای LEDهای قرمز و کهربایی باقی مانده است. روندها در نمایشگرهای LED گسسته شامل تلاش برای بازدهی حتی بالاتر (لومن بیشتر در هر وات) است که عمر باتری در دستگاه‌های قابل حمل را بهبود بخشیده و بار حرارتی را کاهش می‌دهد. همچنین روندی به سوی مینیاتوری‌سازی مقیاس خود چیپ وجود دارد که امکان جای پای پکیج کوچک‌تر یا تراکم پیکسل بالاتر در نمایشگرهای چند عنصری را فراهم می‌کند. علاوه بر این، یکپارچه‌سازی یک روند کلیدی است؛ الکترونیک درایور و گاهی حتی میکروکنترلرها در ماژول‌های "نمایشگر هوشمند" ادغام می‌شوند و فرآیند طراحی را برای مهندسان نهایی ساده می‌کنند. با این حال، برای نمایشگرهای عددی تک رقمی استاندارد و مقرون به صرفه، دستگاه‌هایی مانند LSHD-5503 با عملکرد اثبات شده و در دسترس بودن گسترده، در آینده قابل پیش‌بینی به عنوان یک جزء اساسی در طراحی الکترونیکی باقی خواهند ماند، به ویژه در کاربردهایی که نمایشگرهای گرافیکی سفارشی ضروری نیستند.