Scheda Tecnica Display LED a Sette Segmenti LTS-5601AJG 0.56 Pollici - Altezza Cifra 14.22mm - LED Verde AlInGaP - Documentazione Tecnica in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'LTS-5601AJG è un modulo display alfanumerico a sette segmenti e singola cifra ad alte prestazioni. La sua funzione principale è fornire una rappresentazione chiara e luminosa di caratteri numerici e alfabetici limitati nei dispositivi elettronici. La tecnologia di base si basa sul materiale semiconduttore Fosfuro di Alluminio Indio Gallio (AlInGaP), progettato specificamente per un'emissione luminosa ad alta efficienza nello spettro verde-giallo. Questo dispositivo è configurato come anodo comune, il che significa che gli anodi di tutti i segmenti LED sono collegati internamente a piedini comuni, semplificando il circuito di pilotaggio della corrente. Il display presenta una mascherina grigia che migliora il contrasto e la leggibilità in varie condizioni di illuminazione ambientale riducendo i riflessi. I segmenti stessi emettono un colore verde distinto, scelto per la sua alta efficienza luminosa e l'eccellente visibilità per l'occhio umano. Questo prodotto è progettato per applicazioni che richiedono un'indicazione numerica affidabile, di lunga durata ed energeticamente efficiente.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Il display offre diversi vantaggi chiave che lo rendono adatto a un'ampia gamma di applicazioni industriali e consumer. Il suo basso fabbisogno di potenza è un vantaggio significativo, consentendo l'integrazione in sistemi alimentati a batteria o attenti al consumo energetico. L'elevata luminosità e il rapporto di contrasto garantiscono la leggibilità anche in ambienti molto luminosi. Un ampio angolo di visione fornisce prestazioni visive uniformi da varie prospettive, aspetto cruciale per strumenti di misura e pannelli. L'affidabilità allo stato solido della tecnologia LED, senza parti in movimento e con alta resistenza a urti e vibrazioni, assicura una lunga durata operativa. Il dispositivo è anche categorizzato per intensità luminosa, il che significa che le unità vengono selezionate e testate per soddisfare criteri di luminosità specifici, garantendo coerenza delle prestazioni nelle serie di produzione. I mercati di riferimento per questo componente includono apparecchiature di test e misura, pannelli di controllo industriali, dispositivi medici, cruscotti automobilistici (per display aftermarket o ausiliari), elettrodomestici consumer e qualsiasi sistema elettronico che richieda una lettura numerica durevole e chiara.

2. Approfondimento sui Parametri Tecnici

Questa sezione fornisce un'analisi dettagliata e oggettiva dei principali parametri elettrici, ottici e termici specificati nella scheda tecnica. Comprendere questi valori è fondamentale per una corretta progettazione del circuito e per garantire che il display operi entro la sua finestra di prestazioni sicura e ottimale.

2.1 Valori Assoluti Massimi

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

• Dissipazione di Potenza per Segmento:70 mW. Questa è la massima quantità di potenza elettrica che può essere convertita in calore (e luce) da un singolo segmento senza rischio di danneggiamento. Superare questo valore, specialmente in modo continuativo, può portare a surriscaldamento, accelerazione del decadimento del flusso luminoso e guasto finale.
• Corrente Diretta di Picco per Segmento:60 mA (a ciclo di lavoro 1/10, larghezza impulso 0.1ms). Questo valore consente brevi impulsi di corrente più elevata per ottenere picchi momentanei di luminosità, utili per schemi di multiplexing o evidenziazione. Il ciclo di lavoro e la larghezza dell'impulso specificati sono critici; la corrente media deve comunque rispettare il valore continuo.
• Corrente Diretta Continua per Segmento:25 mA (a 25°C). Questa è la corrente massima consigliata per l'illuminazione in regime stazionario e continuo di un segmento. La scheda tecnica specifica un fattore di derating di 0.33 mA/°C sopra i 25°C. Ciò significa che se la temperatura ambiente (Ta) aumenta, la corrente continua massima ammissibile deve essere ridotta linearmente per prevenire il surriscaldamento. Ad esempio, a 50°C, la corrente massima sarebbe 25 mA - (0.33 mA/°C * 25°C) = 16.75 mA.
• Tensione Inversa per Segmento:5 V. I LED hanno una bassa tensione di breakdown inversa. Applicare una polarizzazione inversa superiore a 5V può causare un improvviso aumento della corrente inversa, potenzialmente danneggiando la giunzione PN.
• Intervallo di Temperatura di Funzionamento e Stoccaggio:-35°C a +85°C. Il dispositivo è classificato per funzionare e essere stoccato entro questo ampio intervallo di temperatura, rendendolo adatto per ambienti ostili.
• Temperatura di Saldatura:260°C per 3 secondi, misurata 1/16 di pollice (≈1.6mm) sotto il piano di appoggio. Questo definisce il profilo di saldatura a rifusione per evitare danni termici ai chip LED durante l'assemblaggio.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

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

• Intensità Luminosa Media (I_V):320 μcd (Min), 900 μcd (Tip) a I_F=1mA. Questa è la misura della potenza luminosa percepita emessa da un segmento. L'ampio intervallo (da Min a Tip) indica la variazione naturale nella produzione; i progettisti dovrebbero utilizzare il valore minimo per i calcoli di luminosità nel caso peggiore. La corrente di test di 1mA è una condizione standard a bassa corrente per caratterizzare l'efficienza di luminosità.
• Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco (λ_p):571 nm (Tip) a I_F=20mA. Questa è la lunghezza d'onda alla quale la distribuzione di potenza spettrale della luce emessa è massima. 571 nm si trova nella regione verde-gialla dello spettro visibile.
• Larghezza a Metà Altezza della Linea Spettrale (Δλ):15 nm (Tip). Questo indica la purezza spettrale o la larghezza di banda della luce emessa. Un valore di 15 nm è relativamente stretto, caratteristico dei LED AlInGaP, risultando in un colore verde saturo.
• Lunghezza d'Onda Dominante (λ_d):572 nm (Tip). Questa è l'unica lunghezza d'onda percepita dall'occhio umano che meglio corrisponde al colore della luce. In questo caso è molto vicina alla lunghezza d'onda di picco.
• Tensione Diretta per Segmento (V_F):2.05V (Min), 2.6V (Tip) a I_F=20mA. Questa è la caduta di tensione ai capi del segmento LED durante il funzionamento. È cruciale per progettare il circuito di limitazione della corrente. La tensione di alimentazione del driver deve essere superiore a V_F. Il valore tipico di 2.6V è superiore a quello dei LED rossi GaAsP standard ma inferiore a molti LED blu/bianchi.
• Corrente Inversa per Segmento (I_R):100 μA (Max) a V_R=5V. Questa è la corrente di dispersione quando viene applicata la massima tensione inversa.
• Rapporto di Uniformità dell'Intensità Luminosa (I_V-m):2:1 (Max). Questo specifica il rapporto massimo ammissibile tra il segmento più luminoso e quello più debole all'interno di un singolo dispositivo quando pilotato in condizioni identiche (I_F=1mA). Un rapporto di 2:1 garantisce un'aspetto ragionevolmente uniforme.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

La scheda tecnica indica che il prodotto è "categorizzato per intensità luminosa". Questo si riferisce a un processo di selezione post-produzione noto come "binning". Dopo la fabbricazione, i singoli display vengono testati e suddivisi in diversi gruppi di prestazioni (bin) in base a parametri chiave. Per l'LTS-5601AJG, la caratteristica principale su cui si effettua il binning è l'intensità luminosa a una corrente di test standard (probabilmente 1mA o 20mA). Ciò garantisce che i clienti ricevano unità con livelli di luminosità uniformi. Sebbene la scheda tecnica fornisca l'intera gamma Min/Tip, i lotti di produzione sono tipicamente offerti entro fasce di intensità più ristrette. I progettisti dovrebbero consultare la documentazione di approvvigionamento specifica o il produttore per i codici bin disponibili. Un binning coerente è essenziale per le applicazioni in cui più display sono utilizzati affiancati, prevenendo differenze di luminosità evidenti tra le unità.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a "Curve Caratteristiche Elettriche/Ottiche Tipiche". Sebbene i grafici specifici non siano forniti nel testo, possiamo dedurne il contenuto standard e l'importanza. Queste curve rappresentano visivamente la relazione tra parametri chiave, fornendo una visione più approfondita rispetto ai dati puntuali.

4.1 Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (Curva I-V)

Questa curva fondamentale mostra la relazione esponenziale tra la corrente che attraversa il LED e la tensione ai suoi capi. Illustra graficamente la specifica della tensione diretta (V_F). La curva mostrerà una tensione di "ginocchio" (intorno a 2V) dopo la quale la corrente aumenta rapidamente con un piccolo aumento di tensione. Ciò evidenzia perché i LED devono essere pilotati da una sorgente a corrente limitata, non da una sorgente di tensione, per prevenire la fuga termica.

4.2 Intensità Luminosa vs. Corrente Diretta

Questa curva mostra come l'emissione luminosa aumenti con la corrente di pilotaggio. Per i LED AlInGaP, la relazione è generalmente lineare su un ampio intervallo di correnti, ma alla fine diventa sub-lineare a correnti molto elevate a causa dell'efficienza droop (aumento della generazione di calore). Questa curva aiuta i progettisti a scegliere una corrente operativa per ottenere la luminosità desiderata bilanciando efficienza e durata.

4.3 Intensità Luminosa vs. Temperatura Ambiente

Questa curva descrive la dipendenza termica dell'emissione luminosa. All'aumentare della temperatura di giunzione del LED, la sua intensità luminosa tipicamente diminuisce. La pendenza di questa curva quantifica la riduzione termica della luminosità. Questo è critico per i progetti che operano in ambienti a temperatura elevata, poiché il display potrebbe apparire più debole del previsto a temperatura ambiente.

4.4 Intensità Relativa vs. Lunghezza d'Onda (Spettro)

Questo grafico traccia la distribuzione di potenza spettrale, mostrando l'intensità della luce emessa a ciascuna lunghezza d'onda. Si centrerebbe intorno alla lunghezza d'onda di picco/dominante di 571-572 nm con una forma definita dalla larghezza a metà altezza di 15 nm. Questa curva conferma le caratteristiche cromatiche del LED.

5. Informazioni Meccaniche e di Imballaggio

Il dispositivo è presentato con un disegno dettagliato delle dimensioni del package (riferito ma non dettagliato nel testo). Le caratteristiche meccaniche chiave includono un'altezza della cifra di 0.56 pollici (14.22 mm), una dimensione standard per display numerici medio-grandi. Il package è di tipo through-hole (DIP - Dual In-line Package) con 10 piedini su passo di 0.1 pollici (2.54 mm), uno standard comune per un facile montaggio su PCB e prototipazione manuale. La faccia grigia e i segmenti verdi fanno parte del design del package. La nota "Rt. Hand Decimal" nella descrizione indica la posizione del punto decimale rispetto alla cifra. Un punto decimale a destra è standard per la maggior parte dei display numerici. Lo schema circuitale interno mostra la connessione ad anodo comune: i piedini 3 e 8 sono collegati internamente insieme come anodo comune per tutti i segmenti, mentre i piedini 1, 2, 4, 5, 6, 7, 9 e 10 sono i catodi individuali rispettivamente per i segmenti E, D, C, DP, B, A, F e G. Questa configurazione è ottimale per il multiplexing con un microcontrollore, dove gli anodi comuni sono pilotati sequenzialmente (sorgente) e i catodi sono collegati a massa tramite resistori di limitazione della corrente per illuminare segmenti specifici.

6. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Una manipolazione corretta è essenziale per mantenere l'affidabilità. Il valore assoluto massimo specifica una temperatura di saldatura di 260°C per 3 secondi, misurata 1.6mm sotto il piano di appoggio. Ciò è in linea con i profili standard di saldatura a rifusione senza piombo (es. IPC/JEDEC J-STD-020). Durante la saldatura a onda o manuale, è necessario prestare attenzione per minimizzare il tempo totale di esposizione al calore per prevenire danni al chip LED, ai fili di connessione o al package plastico. Si consiglia l'uso di un dissipatore di calore sui terminali durante la saldatura manuale. Evitare di applicare stress meccanici al package o ai terminali. Lo stoccaggio deve avvenire in un ambiente asciutto e antistatico entro l'intervallo di temperatura specificato da -35°C a +85°C per prevenire l'assorbimento di umidità (che può causare "popcorning" durante la rifusione) e il degrado del materiale.

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Circuiti di Applicazione Tipici

Il metodo di pilotaggio più comune per un display ad anodo comune come l'LTS-5601AJG è il multiplexing. In un circuito multiplexato, i piedini di anodo comune (3 & 8) sono collegati al collettore (o drain) di un transistor NPN (o MOSFET a canale N) che funge da interruttore high-side. L'emettitore/source è collegato all'alimentazione positiva (Vcc). La base/gate è controllata da un pin GPIO del microcontrollore. Ogni piedino catodo del segmento è collegato a un resistore di limitazione della corrente, che a sua volta si collega a un secondo transistor o a un driver LED dedicato (configurato come sink di corrente) controllato dal microcontrollore. Il microcontrollore cicla rapidamente attivando un transistor anodo alla volta per ciascuna cifra mentre imposta i pattern catodo appropriati per quella cifra. La persistenza della visione fa apparire tutte le cifre continuamente accese. Si utilizza tipicamente una corrente diretta di 10-20 mA per segmento, con resistori calcolati come R = (Vcc - V_F- V_CE(sat)) / I_F. Per un'alimentazione di 5V, V_F=2.6V, e V_CE(sat)=0.2V, puntando a I_F=15mA si ottiene R = (5 - 2.6 - 0.2) / 0.015 ≈ 147 Ω (usare 150 Ω).

7.2 Considerazioni di Progettazione

• Limitazione della Corrente:Utilizzare sempre resistori in serie o driver a corrente costante. Non collegare mai un LED direttamente a una sorgente di tensione.
• Frequenza di Multiplexing:Utilizzare una frequenza di refresh sufficientemente alta per evitare sfarfallio visibile, tipicamente >60 Hz per cifra. Per un multiplex a 4 cifre, la frequenza di scansione dovrebbe essere >240 Hz.
• Corrente di Picco nel Multiplexing:Poiché ogni cifra è accesa solo per una frazione di tempo (ciclo di lavoro = 1/N per N cifre), la corrente istantanea per segmento può essere impostata più alta del valore continuo in DC per ottenere una luminosità media desiderata, ma non deve superare il valore di picco della corrente diretta. Ad esempio, in un multiplex a 4 cifre (1/4 di duty cycle), per ottenere una luminosità media equivalente a 10mA DC, si potrebbe pilotare con impulsi da 40mA, che rientrano nel valore di picco di 60mA.
• Angolo di Visione:Posizionare il display considerando il suo ampio angolo di visione per garantire la leggibilità per l'utente finale.
• Protezione ESD:Sebbene non sia esplicitamente dichiarato come sensibile, per tutti i dispositivi a semiconduttore sono consigliabili le normali precauzioni ESD durante la manipolazione e l'assemblaggio.

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

L'LTS-5601AJG si differenzia principalmente attraverso l'uso della tecnologia AlInGaP. Rispetto alle tecnologie più vecchie come il GaAsP standard (Fosfuro di Gallio Arseniuro) utilizzato per i LED rossi e gialli, l'AlInGaP offre un'efficienza luminosa significativamente più alta, risultando in display più luminosi a parità di corrente di ingresso, o luminosità equivalente a potenza inferiore. Fornisce anche una migliore stabilità termica e saturazione del colore. Rispetto ai LED verdi GaP (Fosfuro di Gallio), il verde AlInGaP ha tipicamente un colore verde più puro (lunghezza d'onda più corta) e un'efficienza più elevata. Rispetto ai moderni LED blu/verdi/bianchi InGaN (Nitruro di Gallio Indio), l'AlInGaP è generalmente più efficiente nello spettro rosso-ambra-giallo-verde ma non può produrre luce blu o bianca. Per un display numerico verde puro, l'AlInGaP rappresenta una scelta tecnologica matura e ad alte prestazioni. La sua configurazione ad anodo comune è anche un vantaggio pratico per i sistemi basati su microcontrollore, poiché semplifica il lato sorgente del circuito di pilotaggio.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri)

9.1 Qual è lo scopo di avere due piedini di anodo comune (3 e 8)?

I due piedini sono collegati internamente. Questo design serve a molteplici scopi: 1) Fornisce simmetria e stabilità meccanica al package. 2) Consente una migliore distribuzione della corrente, riducendo la densità di corrente attraverso un singolo piedino, il che è vantaggioso per applicazioni ad alta luminosità. 3) Offre flessibilità nel layout del PCB; il progettista può scegliere di collegare uno o entrambi i piedini al circuito di pilotaggio.

9.2 Posso pilotare questo display con un sistema a microcontrollore da 3.3V?

Sì, ma è necessaria una progettazione attenta. La tensione diretta tipica (2.6V) è inferiore a 3.3V, quindi è possibile. Tuttavia, il margine di tensione (3.3V - 2.6V = 0.7V) è basso per un semplice resistore in serie. Questa piccola caduta di tensione significa che piccole variazioni in V_Fo nella tensione di alimentazione causeranno grandi cambiamenti nella corrente. Per un funzionamento stabile, è meglio utilizzare un driver LED dedicato a corrente costante o una sorgente di corrente basata su transistor che possa operare con un basso margine di tensione, piuttosto che un semplice resistore.

9.3 Come calcolo il consumo totale di potenza del display?

Per un display statico (non multiplexato) con tutti i segmenti e il punto decimale accesi: Potenza = Numero_di_segmenti_accesi * I_F* V_F. Per 8 segmenti (7+DP) a I_F=20mA e V_F=2.6V, P = 8 * 0.02 * 2.6 = 0.416 W. In un'applicazione multiplexata, la potenza media è la somma della potenza in ciascun segmento acceso mediata nel tempo. Per un multiplex a 4 cifre con una cifra attiva alla volta, la corrente media per segmento è I_F/ 4.

10. Caso di Studio Pratico di Progettazione

Scenario:Progettazione di un semplice display voltmetro a 4 cifre utilizzando un microcontrollore.

Implementazione:Vengono utilizzati quattro display LTS-5601AJG. Gli anodi comuni di ciascuna cifra sono collegati a quattro pin GPIO separati tramite transistor NPN (es. 2N3904). Gli otto catodi dei segmenti (A-G e DP) di tutti e quattro i display sono collegati insieme e poi collegati ad altri otto pin GPIO tramite resistori di limitazione della corrente da 150Ω. Il microcontrollore misura una tensione con il suo ADC, la converte in un numero decimale ed estrae quattro cifre. Quindi entra in un ciclo continuo: spegne tutti i transistor anodo, imposta il pattern catodo per il valore della Cifra 1, accende il transistor anodo della Cifra 1, attende un breve tempo (~2ms), poi ripete per le Cifre 2, 3 e 4. Questo ciclo si ripete a una frequenza superiore a 100 Hz, facendo apparire il display solido. La luminosità è controllata dal valore del resistore di limitazione della corrente e/o dal ciclo di lavoro (tempo di accensione) all'interno del periodo di ciascuna cifra.

11. Principio di Funzionamento

L'LTS-5601AJG si basa sul principio dell'elettroluminescenza in una giunzione PN semiconduttrice. La regione attiva è composta da strati di AlInGaP cresciuti su un substrato di GaAs non trasparente. Quando viene applicata una tensione di polarizzazione diretta che supera il potenziale di giunzione (anodo positivo rispetto al catodo), gli elettroni dal materiale di tipo N e le lacune dal materiale di tipo P vengono iniettati nella regione attiva. Lì, si ricombinano, rilasciando energia sotto forma di fotoni. La composizione specifica della lega AlInGaP determina l'energia del bandgap, che a sua volta determina la lunghezza d'onda (colore) della luce emessa - in questo caso, verde (~572 nm). Il substrato non trasparente aiuta a riflettere la luce emessa verso l'esterno, migliorando l'efficienza complessiva di estrazione della luce. Il filtro facciale grigio assorbe la luce ambientale, aumentando il contrasto riducendo i riflessi sul materiale sottostante.

12. Tendenze Tecnologiche

La tecnologia AlInGaP è una soluzione matura e altamente ottimizzata per LED rossi, ambra e verdi puri ad alta efficienza. Le tendenze attuali nella tecnologia dei display per tali indicatori includono una continua spinta verso un'efficienza luminosa ancora più elevata (più lumen per watt) per consentire un consumo energetico inferiore e una ridotta generazione di calore. C'è anche uno sviluppo continuo nel packaging per consentire correnti di pilotaggio massime più elevate e una migliore gestione termica, consentendo display più luminosi. Inoltre, l'integrazione è una tendenza chiave; mentre i display a sette segmenti discreti rimangono popolari per la loro semplicità e convenienza, c'è un mercato in crescita per moduli display integrati che includono il driver IC, l'interfaccia del microcontrollore (come I2C o SPI) e talvolta anche un generatore di caratteri, semplificando il processo di progettazione per gli ingegneri finali. Tuttavia, per applicazioni che richiedono personalizzazione, alta luminosità o fattori di forma meccanici specifici, i componenti discreti come l'LTS-5601AJG continuano a essere una scelta vitale e affidabile.