Scheda Tecnica Display a Matrice di Punti LED LTP-2157AKD - Altezza 2.0 Pollici - Matrice 5x7 - Iper Rosso (650nm) - 40mW/Punto - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il modulo LTP-2157AKD è un display alfanumerico a stato solido, progettato per applicazioni che richiedono un output visivo chiaro, luminoso e affidabile. La sua funzione principale è visualizzare caratteri e simboli utilizzando una griglia di diodi emettitori di luce (LED) indirizzabili singolarmente. I principali ambiti applicativi includono pannelli di controllo industriali, strumentazione, terminali di vendita, display per apparecchiature mediche e vari dispositivi elettronici di consumo dove è sufficiente una semplice lettura di caratteri monocromatici.

Il principio di funzionamento fondamentale si basa su una configurazione a matrice di punti 5x7. Ciò significa che ogni carattere è formato illuminando uno schema specifico all'interno di una griglia di 5 colonne e 7 righe di pixel LED. Applicando selettivamente una tensione diretta alle linee dell'anodo (riga) e del catodo (colonna) corrispondenti a ciascun pixel desiderato, punti specifici vengono accesi per creare forme riconoscibili come lettere e numeri. Il dispositivo utilizza uno schema di pilotaggio multiplexato, in cui le righe vengono attivate sequenzialmente ad alta frequenza, creando la percezione di un carattere stabile e completamente illuminato, minimizzando al contempo il numero di pin di pilotaggio richiesti e il consumo energetico.

2. Parametri Tecnici: Interpretazione Oggettiva Approfondita

2.1 Caratteristiche Fotometriche e Ottiche

Le prestazioni ottiche sono definite in condizioni di prova standard a una temperatura ambiente (Ta) di 25°C. Il parametro chiave, l'Intensità Luminosa Media (Iv), ha un valore tipico di 3500 microcandele (µcd) quando pilotato con una corrente di picco (Ip) di 32mA a un ciclo di lavoro di 1/16. Ciò indica un'uscita ad alta luminosità adatta ad ambienti ben illuminati. Il valore minimo specificato è di 1650 µcd, che definisce il limite inferiore di prestazione del prodotto.

Le caratteristiche cromatiche sono determinate dal materiale semiconduttore AlInGaP (Fosfuro di Alluminio Indio Gallio). La Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco (λp) è tipicamente di 650 nanometri (nm), collocandola nella regione dell'iper rosso dello spettro visibile. La Lunghezza d'Onda Dominante (λd) è specificata a 639 nm. La differenza tra lunghezza d'onda di picco e dominante, insieme alla Larghezza a Mezza Altezza Spettrale (Δλ) di 20 nm, descrive la purezza spettrale e la specifica tonalità di rosso emessa. È specificato un Rapporto di Corrispondenza dell'Intensità Luminosa di 2:1 (max), il che significa che la luminosità del segmento più debole in un carattere non deve essere inferiore alla metà della luminosità del segmento più luminoso in condizioni di pilotaggio identiche, garantendo un aspetto uniforme.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Termiche

I Valori Massimi Assoluti definiscono i limiti operativi oltre i quali può verificarsi un danno permanente. La Dissipazione di Potenza Media per Punto è nominale a 40 milliwatt (mW). La Corrente Diretta di Picco per Punto può raggiungere 90mA per funzionamento impulsivo, mentre la Corrente Diretta Media per Punto ha una valutazione base di 15mA a 25°C, che si riduce linearmente di 0,2 mA/°C all'aumentare della temperatura. Questa riduzione è fondamentale per la gestione termica e l'affidabilità a lungo termine. La massima Tensione Inversa per Punto è di 5V.

In condizioni operative tipiche (Corrente Diretta IF=20mA), la Tensione Diretta per Segmento (VF) varia da 2,1V (min) a 2,6V (max). Questo parametro è essenziale per progettare il circuito limitatore di corrente nel driver. La Corrente Inversa (IR) è molto bassa, tipicamente da 2,3 a 2,8 microampere (µA) alla massima tensione inversa di 5V, indicando buone caratteristiche di diodo.

Il dispositivo è classificato per un Intervallo di Temperatura Operativa da -35°C a +85°C, con un identico Intervallo di Temperatura di Conservazione. Questo ampio intervallo lo rende adatto ad ambienti ostili. La massima temperatura di saldatura è specificata a 260°C per una durata massima di 3 secondi, misurata 1,6mm (1/16 di pollice) sotto il piano di appoggio, fornendo chiare linee guida per i processi di assemblaggio PCB.

3. Informazioni Meccaniche e di Imballaggio

Il display ha un'altezza dichiarata della matrice di 2,0 pollici (50,8 mm). Le dimensioni del package sono fornite in un disegno dettagliato con tutte le misure in millimetri. Le tolleranze di produzione sono generalmente ±0,25 mm (0,01 pollici) salvo diversa indicazione sul disegno. Il package fisico presenta una faccia grigia con colore del punto bianco, che migliora il contrasto quando i LED sono spenti e diffonde la luce quando sono accesi.

Lo schema di connessione dei pin è cruciale per un'interfacciatura corretta. Il dispositivo ha una configurazione a 14 pin. Il circuito interno è un arrangiamento standard a catodo comune per le colonne, con gli anodi per le 7 righe portati su pin individuali. È importante notare le connessioni interne: il Pin 4 e il Pin 11 sono collegati internamente (entrambi sono Catodo per la Colonna 3), e il Pin 5 e il Pin 12 sono collegati internamente (entrambi sono Anodo per la Riga 4). Queste connessioni sono realizzate per semplificare il bonding interno e non influenzano la logica di pilotaggio esterna.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a tipiche curve delle caratteristiche elettriche e ottiche. Sebbene i grafici specifici non siano dettagliati nel testo fornito, le curve standard per tali dispositivi includerebbero tipicamente:

• Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (Curva I-V):Questo grafico mostra la relazione esponenziale, cruciale per determinare la tensione di alimentazione necessaria per una data corrente di pilotaggio.
• Intensità Luminosa vs. Corrente Diretta:Questa curva mostra come l'uscita luminosa aumenta con la corrente, tipicamente in una relazione quasi lineare all'interno dell'intervallo operativo prima che l'efficienza cali a correnti molto elevate.
• Intensità Luminosa vs. Temperatura Ambiente:Questo dimostra l'effetto di quenching termico, in cui l'uscita del LED diminuisce all'aumentare della temperatura di giunzione. Comprendere questo è fondamentale per applicazioni con alte temperature ambientali o dissipazione termica scarsa.
• Distribuzione Spettrale:Un grafico dell'intensità relativa rispetto alla lunghezza d'onda, che mostra la concentrazione dell'uscita luminosa attorno al picco di 650nm con la larghezza a mezza altezza definita di 20nm.

Queste curve consentono ai progettisti di ottimizzare le prestazioni e comprendere i compromessi tra luminosità, efficienza, corrente di pilotaggio e gestione termica.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

L'assemblaggio deve rispettare il profilo di saldatura specificato per prevenire danni. La massima temperatura di saldatura consentita è di 260°C e il componente non deve essere esposto a questa temperatura per più di 3 secondi. Ciò si ottiene tipicamente utilizzando un processo di saldatura a rifusione controllato con un profilo che aumenta la temperatura, mantiene il picco e si raffredda entro limiti specificati. La saldatura manuale con saldatore richiede estrema cura per localizzare il calore ed evitare di superare questi parametri.

Per lo stoccaggio, il dispositivo deve essere conservato entro l'intervallo di temperatura specificato da -35°C a +85°C in un ambiente a bassa umidità. Si consiglia di utilizzare i componenti entro la loro durata di conservazione e di seguire le precauzioni standard ESD (Scarica Elettrostatica) durante la manipolazione per proteggere le sensibili giunzioni dei semiconduttori.

6. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progettazione

6.1 Circuiti Applicativi Tipici

Il LTP-2157AKD richiede un circuito driver esterno. Un progetto comune utilizza un microcontrollore con un numero sufficiente di pin I/O o un driver IC dedicato per display LED (come il MAX7219 o simili). Il driver deve implementare il multiplexing: attiva sequenzialmente ciascuna delle 7 linee dell'anodo di riga fornendo contemporaneamente i dati del catodo di colonna per quella specifica riga. La frequenza di refresh deve essere abbastanza alta (tipicamente >100Hz) per evitare sfarfallio visibile. Resistenze limitatrici di corrente sono obbligatorie per ogni linea di colonna (o integrate nel driver) per impostare la corrente diretta al valore desiderato (es. 20mA per una luminosità tipica). Il calcolo per il valore della resistenza è R = (Vcc - Vf - Vdriver_sat) / If, dove Vcc è la tensione di alimentazione, Vf è la tensione diretta del LED (~2,6V max), Vdriver_sat è la tensione di saturazione del driver e If è la corrente diretta desiderata.

6.2 Considerazioni di Progettazione

• Alimentazione:Assicurarsi che l'alimentatore possa fornire la corrente di picco richiesta. Con 5 colonne potenzialmente accese per riga e una corrente di picco fino a 20mA per punto, una singola riga potrebbe assorbire 100mA. L'alimentazione deve gestire questo carico impulsivo.
• Dissipazione del Calore:Sebbene i singoli punti dissipino solo 40mW max, il funzionamento continuo di molti punti può generare calore significativo. Assicurare un'adeguata ventilazione o dissipazione termica se si opera ad alte temperature ambientali o ai valori massimi nominali.
• Angolo di Visione e Contrasto:Il design faccia grigia/punto bianco offre un buon contrasto a stato spento. Considerare l'angolo di visione previsto quando si monta il display; la luminosità del LED è spesso massima sull'asse.
• Software:Il firmware del microcontrollore deve includere una mappa dei caratteri (una tabella di ricerca che definisce il pattern 5x7 per ogni carattere) e la routine di multiplexing.

7. Confronto e Differenziazione Tecnica

Il principale elemento di differenziazione di questo display è l'utilizzo della tecnologia LED Iper Rosso AlInGaP. Rispetto ai vecchi LED rossi GaAsP (Fosfuro di Gallio Arseniuro), AlInGaP offre un'efficienza luminosa significativamente superiore, risultando in una maggiore luminosità a parità di corrente di pilotaggio, o luminosità equivalente a potenza inferiore. Offre anche una migliore purezza del colore e stabilità nel tempo e con la temperatura.

Rispetto a un semplice display a 7 segmenti, una matrice di punti 5x7 offre una flessibilità di gran lunga maggiore, essendo in grado di visualizzare l'intero set di caratteri alfanumerici (A-Z, 0-9, simboli) e persino grafici semplici, mentre un display a 7 segmenti è limitato principalmente a numeri e poche lettere. Il compromesso è una maggiore complessità sia hardware (più pin di pilotaggio) che software (generazione dei caratteri).

8. Domande Frequenti Basate sui Parametri Tecnici

D: Posso pilotare questo display con una corrente continua costante senza multiplexing?

R: Tecnicamente sì, ma è altamente inefficiente e non raccomandato. Pilotare tutti i 35 punti contemporaneamente a 20mA richiederebbe un assorbimento di 700mA e una generazione di calore significativa. Il multiplexing è il metodo standard e previsto, riducendo potenza e numero di pin.

D: Qual è la differenza tra Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco (650nm) e Lunghezza d'Onda Dominante (639nm)?

R: La lunghezza d'onda di picco è il punto di massima intensità nell'uscita spettrale. La lunghezza d'onda dominante è la singola lunghezza d'onda della luce monocromatica che apparirebbe dello stesso colore all'occhio umano. La differenza nasce perché il LED emette uno spettro di luce (ampio 20nm), non una singola lunghezza d'onda pura.

D: Lo schema dei pin mostra due pin per la Colonna 3 e due pin per la Riga 4. Devo collegarli entrambi?

R: No, questi pin sono collegati internamente. Collegarne uno solo è sufficiente. Questa connessione interna è un artefatto di produzione per semplificare il bonding del die. Collegarli entrambi non causa danni ma è inutile.

D: Come calcolo il consumo energetico medio?

R: Per un display multiplexato, la corrente media è approssimativamente (Numero di punti accesi in un carattere completamente illuminato / Numero totale di punti) * Corrente per punto * Ciclo di Lavoro. Ad esempio, per un carattere che utilizza 24 punti accesi a 20mA con un ciclo di lavoro 1/7 (7 righe): Corrente Media ≈ (24/35) * 20mA * (1/7) ≈ 2mA per carattere. Moltiplicare per il numero di caratteri per il carico totale.

9. Caso di Studio Applicativo Pratico

Scenario: Progettare una semplice lettura di temperatura a carattere singolo per un forno industriale.

Il requisito è visualizzare una temperatura da 0 a 199°C. Un microcontrollore legge un sensore di temperatura. Viene utilizzato un display LTP-2157AKD. Il microcontrollore ha un numero limitato di pin, quindi utilizza un registro a scorrimento seriale-in/parallelo-out (come il 74HC595) per pilotare i 5 catodi di colonna e utilizza 7 dei suoi pin I/O per pilotare gli anodi di riga tramite interruttori a transistor (per gestire la corrente di riga più elevata).

Il firmware include un font 5x7 per le cifre 0-9 e il simbolo di grado. La routine di multiplexing viene eseguita su un interrupt del timer. Il display mostra numeri rossi stabili e luminosi leggibili da diversi metri di distanza in un ambiente industriale. L'ampio intervallo di temperatura operativa del display (-35°C a +85°C) garantisce l'affidabilità anche se l'involucro esterno del controller del forno diventa caldo. L'alto contrasto della faccia grigia previene lo sbiadimento sotto le luci industriali intense.

10. Principio Tecnologico e Tendenze

10.1 Principio Tecnologico Sottostante

La generazione della luce si basa sull'elettroluminescenza in una giunzione p-n di un semiconduttore. Quando viene applicata una tensione diretta, gli elettroni dello strato di AlInGaP di tipo n si ricombinano con le lacune dello strato di tipo p. Questo evento di ricombinazione rilascia energia sotto forma di fotoni (luce). Il particolare bandgap energetico del materiale AlInGaP determina la lunghezza d'onda (colore) dei fotoni emessi, in questo caso, luce rossa attorno ai 650nm. Il substrato di GaAs non trasparente assorbe qualsiasi luce emessa verso il basso, migliorando l'efficienza complessiva riflettendo più luce verso l'alto del dispositivo. L'array 5x7 è creato depositando e modellando più minuscoli chip LED o un singolo die modellato su un substrato comune, con linee di anodo e catodo interconnesse.

10.2 Tendenze del Settore

Sebbene display a matrice di punti 5x7 discreti come il LTP-2157AKD rimangano rilevanti per applicazioni specifiche e sensibili al costo, le tendenze più ampie del settore si stanno spostando verso soluzioni integrate. Queste includono:

- Array a Montaggio Superficiale (SMD):Ingombro ridotto, assemblaggio automatizzato più semplice.

- Display con Controller/Driver Integrati:Moduli con controller integrati che comunicano via SPI o I2C, riducendo drasticamente il carico di risorse del microcontrollore.

- Risoluzione e Colore Superiori:Movimento verso matrici a passo più fine e display RGB a colori completi per grafici più dettagliati.

- Tecnologie Alternative:In alcune applicazioni, i display OLED (LED Organici) offrono contrasto e angoli di visione superiori, sebbene spesso a costi più elevati e con diverse caratteristiche di durata.

I vantaggi duraturi delle matrici LED discrete come questa sono la loro estrema robustezza, lunga durata, alta luminosità, semplicità e basso costo per compiti di visualizzazione di caratteri monocromatici, garantendone l'uso continuo nei sistemi industriali ed embedded.