Scheda Tecnica Display LED a 7 Segmenti LTD-5260JD - Altezza Cifra 13.2mm - Tensione Diretta 2.6V - Potenza 70mW - Documentazione Tecnica in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTD-5260JD è un modulo display LED a 7 segmenti ad alte prestazioni, con altezza della cifra di 0.52 pollici (13.2 mm). È progettato per applicazioni che richiedono letture numeriche nitide e luminose. Il dispositivo utilizza la tecnologia avanzata dei semiconduttori in Fosfuro di Alluminio Indio Gallio (AlInGaP) per i suoi chip emettitori di luce, fabbricati su un substrato non trasparente di Arseniuro di Gallio (GaAs). Questa costruzione contribuisce alle sue caratteristiche visive chiave: un frontale grigio e aree dei segmenti bianche quando spente, il che migliora il contrasto quando i segmenti rossi sono illuminati.

Il display presenta una configurazione a catodo comune, un design standard per semplificare il circuito di pilotaggio in applicazioni multi-cifra. Include un punto decimale destro (D.P.) per ogni cifra, consentendo la visualizzazione di numeri frazionari. Gli obiettivi di progettazione principali per questo componente sono l'aspetto eccellente dei caratteri, l'alta luminosità, l'elevato rapporto di contrasto e un ampio angolo di visione, tutto ottenuto con requisiti di potenza relativamente bassi tipici della tecnologia LED a stato solido.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

I vantaggi principali del LTD-5260JD derivano dalla sua tecnologia LED iper rosso AlInGaP. Rispetto a tecnologie più datate come i LED rossi standard GaAsP (Fosfuro di Arseniuro di Gallio), l'AlInGaP offre un'efficienza luminosa significativamente superiore. Ciò si traduce in livelli di luminosità più elevati per una data corrente diretta, o in un consumo energetico inferiore per un livello di luminosità richiesto. La denominazione "iper rosso" indica un colore rosso profondo e saturo con una lunghezza d'onda dominante tipicamente attorno ai 639 nm, altamente visibile all'occhio umano.

Il dispositivo è categorizzato per intensità luminosa, il che significa che le unità vengono classificate o selezionate in base alla loro emissione luminosa misurata. Ciò consente ai progettisti di selezionare display con luminosità uniforme tra più unità in un prodotto, garantendo un aspetto omogeneo. L'affidabilità allo stato solido dei LED significa assenza di filamenti che possano bruciarsi, resistenza alle vibrazioni e una durata operativa estremamente lunga, spesso superiore alle 100.000 ore.

Il mercato di riferimento per questo display include strumentazione industriale, apparecchiature di test e misurazione, sistemi di vendita al dettaglio (POS), cruscotti automobilistici (per display aftermarket o secondari), dispositivi medici ed elettrodomestici dove è richiesta una lettura numerica chiara e affidabile. La sua dimensione della cifra di 0.52 pollici lo rende adatto al montaggio su pannello dove lo spazio è una considerazione ma la leggibilità da una distanza moderata è necessaria.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

La scheda tecnica fornisce specifiche elettriche, ottiche e valori massimi assoluti completi, fondamentali per una progettazione del circuito affidabile e per garantire la longevità del display.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non sono condizioni per il funzionamento normale.

• Dissipazione di Potenza per Chip:70 mW. Questa è la potenza massima che può essere dissipata continuamente da un singolo segmento LED (chip) senza causare surriscaldamento.
• Corrente Diretta di Picco per Chip:90 mA. È consentita solo in condizioni pulsate con un ciclo di lavoro di 1/10 e una larghezza di impulso di 0.1 ms. È utile per schemi di multiplexing o per ottenere brevi periodi di luminosità più elevata.
• Corrente Diretta Continua per Chip:25 mA a 25°C. Questo valore si riduce linearmente di 0.33 mA/°C all'aumentare della temperatura ambiente (Ta) sopra i 25°C. Ad esempio, a 85°C, la corrente continua massima sarebbe approssimativamente: 25 mA - ((85°C - 25°C) * 0.33 mA/°C) = 25 mA - 19.8 mA = 5.2 mA. Questa riduzione è cruciale per la gestione termica.
• Tensione Inversa per Chip:5 V. Superare questa tensione in polarizzazione inversa può danneggiare la giunzione PN del LED.
• Intervallo di Temperatura di Funzionamento & Stoccaggio:-35°C a +85°C. Il dispositivo è classificato per intervalli di temperatura industriali.
• Temperatura di Saldatura:Massimo 260°C per un massimo di 3 secondi, misurata 1.6mm sotto il piano di appoggio. Questo definisce i vincoli del profilo di saldatura a rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettriche & Ottiche

Questi parametri sono misurati in condizioni di test standard (Ta=25°C) e rappresentano le prestazioni tipiche del dispositivo.

• Intensità Luminosa Media (I_V):320 (Min), 700 (Tip), μcd (Microcandele) a I_F=1mA. Questa è la misura principale della luminosità. L'ampio intervallo da min a tip indica il processo di classificazione; i progettisti devono utilizzare il valore minimo per i calcoli di luminosità nel caso peggiore.
• Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco (λ_p):650 nm (Tip) a I_F=20mA. Questa è la lunghezza d'onda alla quale l'emissione spettrale è più forte.
• Lunghezza d'Onda Dominante (λ_d):639 nm (Tip) a I_F=20mA. Questa è la singola lunghezza d'onda percepita dall'occhio umano, che definisce il colore. Il valore di 639 nm conferma la classificazione "iper rosso".
• Larghezza a Metà Altezza della Linea Spettrale (Δλ):20 nm (Tip). Questo indica la purezza del colore; un valore più piccolo significa una luce più monocromatica.
• Tensione Diretta per Segmento (V_F):2.1 (Min), 2.6 (Tip) Volt a I_F=20mA. Questo è fondamentale per progettare il circuito di limitazione della corrente. Il driver deve fornire almeno 2.6V per garantire che il LED si accenda correttamente.
• Corrente Inversa per Segmento (I_R):100 μA (Max) a V_R=5V. Questa è la corrente di dispersione quando il LED è polarizzato inversamente.
• Rapporto di Corrispondenza dell'Intensità Luminosa (I_V-m):2:1 (Max). Specifica che la differenza di luminosità tra due segmenti qualsiasi all'interno della stessa cifra non supererà un rapporto di 2 a 1, garantendo un aspetto uniforme.

3. Spiegazione del Sistema di Classificazione

La scheda tecnica dichiara esplicitamente che i dispositivi sono "categorizzati per intensità luminosa". Ciò si riferisce a un processo di classificazione o selezione post-produzione. A causa delle variazioni intrinseche nei processi di crescita epitassiale del semiconduttore e di fabbricazione dei chip, i LED dello stesso lotto di produzione possono avere variazioni in parametri chiave come la tensione diretta (V_F) e l'intensità luminosa (I_V).

Per il LTD-5260JD, il criterio di classificazione principale è l'intensità luminosa, come indicato. Le unità vengono testate e suddivise in diverse classi di intensità (ad esempio, una classe per 320-400 μcd, un'altra per 400-500 μcd, ecc., alla condizione di test di 1mA). Ciò consente ai produttori e ai distributori di offrire componenti con livelli di luminosità minima garantiti. I progettisti che acquistano questi display dovrebbero specificare la classe di intensità richiesta per garantire la coerenza tra tutte le unità nella loro produzione, il che è vitale per i prodotti che utilizzano più display dove l'uniformità visiva è importante. La scheda tecnica fornisce i valori minimo (320 μcd) e tipico (700 μcd), definendo il range possibile.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

Sebbene i grafici specifici non siano dettagliati nel testo fornito, la scheda tecnica include una sezione per "Curve Tipiche delle Caratteristiche Elettriche/Ottiche". Basandosi sul comportamento standard dei LED, queste curve includerebbero tipicamente:

• Curva I-V (Corrente-Tensione):Mostra la relazione tra tensione diretta (V_F) e corrente diretta (I_F). È non lineare, con un aumento rapido della corrente una volta che la tensione diretta supera la soglia del diodo (circa 2V per il rosso AlInGaP). Questa curva è essenziale per progettare driver a corrente costante.
• Intensità Luminosa vs. Corrente Diretta (I_Vvs. I_F):Mostra come la luminosità aumenta con la corrente. È generalmente lineare a correnti più basse ma può saturarsi a correnti più elevate a causa di effetti termici e del calo di efficienza.
• Intensità Luminosa vs. Temperatura Ambiente (I_Vvs. T_A):Illustra come l'emissione luminosa diminuisca all'aumentare della temperatura di giunzione. Questa è una curva critica di riduzione per applicazioni che operano in ambienti ad alta temperatura.
• Distribuzione Spettrale:Un grafico della potenza radiante relativa rispetto alla lunghezza d'onda, che mostra il picco a ~650 nm e la larghezza a metà altezza di ~20 nm, confermando la tabella delle caratteristiche ottiche.
• Tensione Diretta vs. Temperatura Ambiente (V_Fvs. T_A):Mostra il coefficiente di temperatura negativo di V_F; la tensione diretta diminuisce leggermente all'aumentare della temperatura.

Queste curve consentono agli ingegneri di prevedere le prestazioni in condizioni non standard e ottimizzare il loro design per efficienza e affidabilità.

5. Informazioni Meccaniche & di Imballaggio

La scheda tecnica fornisce un disegno dettagliato delle dimensioni del package. Le caratteristiche meccaniche chiave includono:

• Dimensioni Complessive:Il disegno specifica la lunghezza, larghezza e altezza del package plastico, nonché la spaziatura e le dimensioni dei terminali. Tutte le dimensioni sono in millimetri con una tolleranza standard di ±0.25 mm salvo diversa indicazione.
• Design del Telaio dei Terminali:I 18 pin sono disposti su un passo di 0.1 pollici (2.54 mm), che è un'impronta standard DIP (Dual In-line Package), rendendolo compatibile con zoccoli e layout PCB standard.
• Identificazione della Polarità:Il diagramma di connessione dei pin serve come guida primaria per polarità e piedinatura. I pin del catodo comune (13 e 14) sono chiaramente identificati. Il package fisico probabilmente include una tacca, un punto o un angolo smussato per indicare l'orientamento del pin 1, che dovrebbe essere confrontato con il diagramma dei pin.
• Piano di Appoggio:La nota sulla temperatura di saldatura fa riferimento a un punto 1.6mm sotto il piano di appoggio, importante per definire la massa termica del package durante la saldatura a rifusione.

6. Linee Guida per Saldatura & Assemblaggio

I valori massimi assoluti forniscono la linea guida chiave per la saldatura: il package non deve essere esposto a temperature superiori a 260°C per più di 3 secondi. Ciò è in linea con i profili standard di saldatura a rifusione senza piombo (es. IPC/JEDEC J-STD-020).

Processo Consigliato:Dovrebbe essere utilizzato un forno a rifusione standard a infrarossi o a convezione con un profilo di temperatura controllato. Il profilo dovrebbe avere una zona di pre-riscaldamento per aumentare gradualmente la temperatura, una zona di stabilizzazione per attivare il flussante e uniformare le temperature, una zona di picco di rifusione dove la temperatura ai terminali del package raggiunge brevemente 240-250°C (rimanendo sotto il limite di 260°C) e una zona di raffreddamento controllata.

Saldatura Manuale:Se è necessaria la saldatura manuale, dovrebbe essere utilizzato un saldatore a temperatura controllata. La temperatura della punta dovrebbe essere impostata tipicamente tra 300-350°C, ma il tempo di contatto con ogni pin deve essere molto breve (meno di 3 secondi) per evitare che il calore risalga il terminale e danneggi i bonding interni o lo stesso chip LED. È consigliabile l'uso di una pinza dissipatrice sul terminale tra il giunto e il corpo del package.

Pulizia:Dopo la saldatura, se è necessaria la pulizia, utilizzare solventi compatibili con il materiale del package plastico. L'alcol isopropilico è generalmente sicuro.

Condizioni di Stoccaggio:Conservare in un ambiente asciutto, anti-statico, nell'intervallo di temperatura specificato di -35°C a +85°C. I dispositivi dovrebbero essere conservati nelle loro buste barriera all'umidità originali fino al momento dell'uso per prevenire l'assorbimento di umidità, che può causare il fenomeno del "popcorning" durante la rifusione.

7. Connessione dei Pin & Circuito Interno

La tabella di connessione dei pin è esaustiva. Il LTD-5260JD è un display a due cifre con un catodo comune per ogni cifra. Il diagramma del circuito interno mostrerebbe che tutti gli anodi per un segmento specifico (es. segmento "A") di una cifra specifica sono indipendenti, mentre i catodi di tutti i segmenti all'interno di una singola cifra sono collegati insieme internamente.

Metodo di Pilotaggio:Questa configurazione è ideale per il multiplexing. Per visualizzare un numero, il microcontrollore dovrebbe:

1. Impostare il pattern degli anodi (pin 1-12, 15-18) a livello alto (attraverso resistenze di limitazione) per i segmenti che devono essere accesi.
2. Portare il catodo comune della cifra corrispondente (pin 13 o 14) a livello basso per completare il circuito e illuminare la cifra.
3. Dopo un breve periodo (es. 5ms), spegnere quella cifra impostando il suo catodo a livello alto o lasciandolo flottante.
4. Ripetere il processo per la cifra successiva con il suo pattern di anodi di segmento e catodo corrispondenti.

Ciclando rapidamente tra le cifre (a una frequenza >100Hz), la persistenza della visione crea l'illusione che entrambe le cifre siano continuamente accese. Questo metodo riduce significativamente il numero di pin I/O del microcontrollore richiesti e il consumo energetico rispetto al pilotaggio statico (non multiplexato).

8. Suggerimenti per l'Applicazione

8.1 Circuiti di Applicazione Tipici

L'applicazione più comune è un circuito di pilotaggio multiplexato. Le porte I/O di un microcontrollore, spesso potenziate con driver di sink esterni (come un array Darlington ULN2003A) per gestire la corrente del catodo, controllano il display. Ogni anodo di segmento si collega al microcontrollore (o a un IC latch/decoder come un 74HC595) attraverso una resistenza di limitazione della corrente. Il valore della resistenza è calcolato usando R = (V_{alimentazione}- V_F) / I_F. Per un'alimentazione di 5V, un V_Ftipico di 2.6V e una I_Fdesiderata di 10 mA: R = (5 - 2.6) / 0.01 = 240 Ω. Una resistenza da 220 Ω o 270 Ω sarebbe una scelta standard.

8.2 Considerazioni di Progettazione

• Limitazione della Corrente:Utilizzare sempre resistenze in serie per ogni anodo di segmento. Non collegare mai un LED direttamente a una sorgente di tensione.
• Corrente di Picco nel Multiplexing:Durante il multiplexing, la corrente istantanea durante il breve tempo di accensione può essere più alta della specifica in DC per ottenere la stessa luminosità media. Ad esempio, con un ciclo di lavoro di 1/4, si potrebbe usare un impulso di 40 mA per ottenere una media di 10 mA. Tuttavia, questo impulso non deve superare il valore massimo assoluto di corrente di picco di 90 mA e deve rispettare i vincoli di ciclo di lavoro e larghezza di impulso.
• Angolo di Visione:Posizionare il display in modo che la direzione di visione prevista sia all'interno del suo ampio angolo di visione, tipicamente perpendicolare al frontale per il massimo contrasto.
• Regolazione della Luminosità:La luminosità può essere controllata tramite PWM (Pulse Width Modulation) sui driver del catodo, regolando il ciclo di lavoro degli impulsi di multiplexing.

9. Confronto Tecnico & Differenziazione

Il differenziatore principale del LTD-5260JD è l'uso della tecnologia AlInGaP per l'emissione iper rossa. Rispetto ai display che utilizzano il GaAsP più datato o l'AlInGaP rosso standard:

• vs. Rosso GaAsP:L'AlInGaP offre un'efficienza luminosa sostanzialmente superiore (più luce per mA), una migliore stabilità termica e una lunghezza d'onda più lunga (rosso più profondo) che spesso appare più luminoso all'occhio e ha prestazioni migliori attraverso filtri rossi.
• vs. Display LED Rossi Standard:La lunghezza d'onda dominante "iper rossa" di 639 nm fornisce un contrasto superiore contro lo sfondo grigio/bianco, specialmente in condizioni di luce ambientale, rispetto a un rosso standard di ~625 nm.
• vs. Alternative Contemporanee (es. OLED):Mentre gli OLED offrono flessibilità e potenzialmente un contrasto più elevato in ambienti bui, questo display LED è superiore in ambienti ad alta luminosità (leggibilità alla luce solare), offre un intervallo di temperatura operativa più ampio e ha una affidabilità e stabilità a lungo termine comprovata che supera gli OLED di prima generazione.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Posso pilotare questo display con un microcontrollore a 3.3V?

R: Sì, ma devi verificare la tensione diretta. Il V_Ftipico è 2.6V. Con un'alimentazione di 3.3V, il margine di tensione per la resistenza di limitazione è solo di 0.7V (3.3V - 2.6V). Per ottenere una corrente di 10 mA, avresti bisogno di una resistenza da 70 Ω (R = 0.7V / 0.01A). Questo è fattibile, ma la corrente sarà più sensibile alle variazioni di V_Fe della tensione di alimentazione. Un'alimentazione di 5V è più robusta per pilotare questi LED.

D: Perché l'intensità luminosa è data a 1mA ma il V_Fa 20mA?

R: L'intensità a bassa corrente (1mA) è una condizione di test standard per confrontare l'efficienza di luminosità. La tensione diretta è tipicamente misurata a una corrente operativa standard (20mA), che è un livello di pilotaggio comune per i LED indicatori. I progettisti usano i dati a 1mA per calcoli a bassa potenza e il V_Fa 20mA per la progettazione del circuito di pilotaggio standard.

D: Cosa significa "catodo comune" per il mio circuito?

R: Significa che tutti i catodi (lati negativi) dei LED in una cifra sono collegati insieme all'interno del package. Per accendere un segmento, si applica una tensione positiva (attraverso una resistenza) al suo pin anodo e si collega il pin catodo comune della cifra a massa. Questo è l'opposto di un display "anodo comune", dove si mette a massa il pin del segmento e si applica tensione all'anodo comune.

D: Come calcolo la dissipazione di potenza per la gestione termica?

R: Per un segmento, potenza P = V_F* I_F. A 20mA e 2.6V, P = 52 mW per segmento. Se tutti i 7 segmenti di una cifra sono accesi (più il punto decimale, per un totale di 8), la potenza totale per quella cifra sarebbe 8 * 52 mW = 416 mW. Questa potenza è dissipata come calore nei chip LED. Devi assicurarti che la temperatura media del chip non superi i suoi limiti seguendo la curva di riduzione della corrente e fornendo un'adeguata ventilazione o dissipazione se necessario, specialmente ad alte temperature ambientali.

11. Studio di Caso Pratico di Progettazione

Scenario:Progettare un display voltmetro a due cifre semplice per un alimentatore da banco, che mostri da 0.0V a 19.9V.

Implementazione:

1. Microcontrollore:Viene scelto un MCU a 8 bit a basso costo con almeno 10 pin I/O.
2. Circuito di Pilotaggio:Due pin di una porta I/O sono configurati per assorbire corrente per i due catodi comuni (pin 13 & 14). Questi pin si collegano direttamente all'MCU se possono assorbire 20-40mA, o attraverso un transistor/driver IC. Altri otto pin I/O (o un registro a scorrimento seriale-in/parallelo-out come il 74HC595 per risparmiare pin) pilotano gli anodi dei segmenti (A-G e DP per entrambe le cifre, notando che alcuni sono condivisi) attraverso singole resistenze di limitazione da 220Ω.
3. Software:Il firmware legge la tensione tramite un ADC, la converte in BCD (Binary Coded Decimal) e utilizza una tabella di ricerca per determinare quali segmenti accendere per ogni cifra (0-9). Implementa una routine di multiplexing che aggiorna il display a una frequenza di 200Hz (ogni cifra accesa per ~2.5ms).
4. Controllo della Luminosità:Viene implementata una semplice regolazione PWM del ciclo di lavoro del multiplexing, controllata da un potenziometro letto da un altro canale ADC, consentendo all'utente di abbassare la luminosità del display in ambienti bui.

Questo caso evidenzia l'uso efficiente degli I/O, la corretta limitazione della corrente e la tecnica di multiplexing abilitata dal design a catodo comune e due cifre del LTD-5260JD.

12. Introduzione al Principio Tecnologico

Il principio di emissione della luce di base è l'elettroluminescenza in una giunzione PN di semiconduttore. Il LTD-5260JD utilizza l'AlInGaP (Fosfuro di Alluminio Indio Gallio) come strato attivo. Quando viene applicata una tensione diretta, gli elettroni dalla regione di tipo N e le lacune dalla regione di tipo P vengono iniettati nella regione attiva. Lì, si ricombinano, rilasciando energia sotto forma di fotoni (luce). La composizione specifica della lega Al_xIn_yGa_1-x-yP determina l'energia del bandgap, che detta direttamente la lunghezza d'onda (colore) della luce emessa. Per l'iper rosso a ~639 nm, la composizione è calibrata con cura. Il substrato non trasparente di GaAs assorbe qualsiasi luce emessa verso il basso, migliorando il contrasto impedendo alla luce di disperdersi dal retro del chip. Il frontale grigio e i segmenti bianchi fanno parte dello stampaggio del package plastico, che funge da diffusore e filtro di miglioramento del contrasto per i piccoli e luminosi chip LED montati dietro di esso.

13. Tendenze di Sviluppo

Sebbene display LED a 7 segmenti discreti come il LTD-5260JD rimangano rilevanti per molte applicazioni grazie alla loro semplicità, robustezza e costo-efficacia, diverse tendenze sono evidenti:

1. Integrazione:C'è una tendenza verso display con driver integrati (interfaccia I2C o SPI) e controller, riducendo il numero di componenti e il carico di lavoro del microcontrollore per il progettista del sistema.
2. Miniaturizzazione & Maggiore Densità:Display con altezze di cifra più piccole (es. 0.3 pollici) e moduli multi-cifra (4 cifre, 8 cifre) in package singoli sono comuni.
3. Varietà di Colori:Mentre il rosso è tradizionale, sono disponibili display a 7 segmenti verde brillante, blu, giallo e RGB a colori completi per esigenze estetiche o funzionali specifiche.
4. Tecnologie Alternative:Nelle applicazioni dove l'ultra-basso consumo, la sottigliezza o la flessibilità sono fondamentali, i display a segmenti basati su OLED sono un'alternativa, anche se possono compromettere la luminosità massima, l'intervallo di temperatura o l'affidabilità a lungo termine in certe condizioni rispetto ai LED inorganici.
5. Miglioramenti dell'Efficienza:La ricerca continua sui materiali semiconduttori, inclusi nuovi LED a conversione di fosfori e la tecnologia micro-LED, promette efficienze ancora più elevate e nuovi fattori di forma, sebbene queste siano più probabili che influenzino le tecnologie di display di prossima generazione piuttosto che sostituire i LED a segmenti tradizionali nel breve termine per le loro applicazioni principali.

Il LTD-5260JD rappresenta una soluzione matura e ottimizzata all'interno della sua nicchia specifica, bilanciando prestazioni, affidabilità e costo.