Scheda Tecnica Display LED LSHD-5503 - Altezza Cifra 0.56 Pollici - Rosso AlInGaP - Tensione Diretta 2.6V - Dissipazione 70mW - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LSHD-5503 è un modulo display numerico a cifra singola ad alte prestazioni, progettato per applicazioni che richiedono indicazioni numeriche nitide, luminose e affidabili. La sua tecnologia di base si fonda su chip LED rossi in Fosfuro di Alluminio Indio Gallio (AS-AlInGaP) avanzato, cresciuti epitassialmente su un substrato di Arseniuro di Gallio (GaAs). Questo sistema di materiali è rinomato per la sua alta efficienza e l'eccellente purezza del colore nello spettro del rosso. Il dispositivo presenta un frontale grigio chiaro con segmenti delineati in bianco, offrendo un alto contrasto per una leggibilità ottimale in varie condizioni di illuminazione. Gli obiettivi di progetto principali sono il basso consumo energetico, l'elevata luminosità in uscita, l'illuminazione uniforme dei segmenti e l'affidabilità allo stato solido, rendendolo adatto all'integrazione in una vasta gamma di prodotti consumer, industriali e di strumentazione dove la presentazione di dati numerici è critica.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Le prestazioni del LSHD-5503 sono definite da un insieme completo di parametri elettrici e ottici, ciascuno critico per una corretta progettazione del circuito e la previsione delle prestazioni.

2.1 Caratteristiche Fotometriche e Ottiche

Le prestazioni luminose sono un fattore chiave di differenziazione. L'intensità luminosa media per segmento è specificata con valori minimi, tipici e massimi in diverse condizioni di pilotaggio. A una corrente diretta (I_F) di 1 mA, l'intensità varia da 320 μcd (min) a 1300 μcd (max), con un valore tipico fornito. A una corrente di pilotaggio più alta di 10 mA, l'intensità tipica aumenta significativamente a 5400 μcd, dimostrando la capacità del dispositivo per applicazioni ad alta luminosità. Il rapporto di corrispondenza dell'intensità luminosa tra i segmenti è specificato come massimo 2:1 a I_F=1mA, garantendo uniformità visiva sulla cifra. La lunghezza d'onda dominante (λ_d) è di 624 nm, e la lunghezza d'onda di picco di emissione (λ_p) è di 632 nm a I_F=20mA, collocandolo saldamente nella porzione rossa dello spettro visibile. La semilarghezza della linea spettrale (Δλ) è di 20 nm, indicando una larghezza di banda spettrale relativamente stretta che contribuisce al colore rosso puro.

2.2 Caratteristiche Elettriche

La tensione diretta (V_F) per segmento è compresa tra 2.1V (min) e 2.6V (max) quando pilotata a 20 mA. Questo parametro è essenziale per calcolare il valore necessario del resistore limitatore di corrente in un circuito: R_limit= (V_{alimentazione}- V_F) / I_F. La corrente inversa (I_R) è limitata a un massimo di 100 μA a una tensione inversa (V_R) di 5V, che è una condizione di prova standard e non una modalità operativa continua.

2.3 Valori Massimi Assoluti e Gestione Termica

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente. La corrente diretta continua per segmento è di 25 mA. La corrente diretta di picco per segmento è nominale a 90 mA, ma solo in condizioni pulsate (frequenza 1 kHz, ciclo di lavoro 15%), utile negli schemi di multiplexing per ottenere una luminosità media percepita più elevata. La dissipazione di potenza per segmento è di 70 mW, calcolata come V_F* I_F. È specificato un fattore di derating della corrente diretta di 0.28 mA/°C al di sopra della temperatura ambiente (T_a) di 25°C. Ciò significa che per ogni grado Celsius sopra i 25°C, la massima corrente continua ammissibile deve essere ridotta di 0.28 mA per prevenire il surriscaldamento. Ad esempio, a 50°C, la corrente massima sarebbe 25 mA - (0.28 mA/°C * 25°C) = 18 mA. L'intervallo di temperatura operativo e di stoccaggio è -35°C a +105°C, indicando robustezza per ambienti ostili.

3. Sistema di Binning e Classificazione

La scheda tecnica dichiara esplicitamente che i dispositivi sono "Binnati per Intensità Luminosa". Questo è un processo critico di controllo qualità e selezione. Durante la produzione si verificano delle variazioni. Il binning consiste nel testare l'output luminoso di ciascun'unità a una corrente di prova standard (probabilmente 1 mA o 10 mA come da scheda tecnica) e nel raggrupparli in specifici intervalli di intensità o "bin". Ciò consente ai progettisti di selezionare componenti con livelli di luminosità coerenti per la loro applicazione, garantendo un aspetto uniforme nei display multi-cifra o tra prodotti diversi. Sebbene la scheda tecnica fornisca l'intervallo minimo/massimo complessivo, i codici bin specifici e i relativi intervalli di intensità sono tipicamente definiti in un documento di binning separato del produttore.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a "Curve Tipiche delle Caratteristiche Elettriche/Ottiche" che sono essenziali per comprendere il comportamento del dispositivo oltre le specifiche puntuali. Sebbene i grafici specifici non siano dettagliati nel testo fornito, le curve standard per tali dispositivi includono tipicamente:

• Intensità Luminosa Relativa vs. Corrente Diretta (I_Vvs. I_F):Mostra come l'output luminoso aumenti con la corrente, solitamente in modo sub-lineare a correnti più elevate a causa del riscaldamento e del calo di efficienza.
• Tensione Diretta vs. Corrente Diretta (V_Fvs. I_F):Dimostra la caratteristica I-V del diodo, cruciale per la progettazione del driver.
• Intensità Luminosa Relativa vs. Temperatura Ambiente (I_Vvs. T_a):Illustra come l'output luminoso diminuisca all'aumentare della temperatura di giunzione, evidenziando l'importanza della gestione termica.
• Distribuzione Spettrale:Un grafico dell'intensità relativa rispetto alla lunghezza d'onda, che mostra il picco a ~632 nm e la semilarghezza di 20 nm.

Queste curve consentono agli ingegneri di modellare le prestazioni in condizioni non standard (es. diverse correnti di pilotaggio, temperature) e ottimizzare i loro progetti.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

Il LSHD-5503 ha un'altezza della cifra di 0.56 pollici (14.22 mm). Le dimensioni del package sono fornite in un disegno dettagliato con tutte le misure critiche in millimetri. Le tolleranze sono generalmente ±0.25 mm salvo diversa specifica. Queste informazioni sono vitali per la progettazione dell'impronta PCB, garantendo un corretto adattamento all'interno dell'involucro e mantenendo l'allineamento del punto decimale. Il package ospita i chip LED, la maschera frontale grigio chiaro/segmenti bianchi e i piedini di connessione.

6. Connessione dei Piedini e Circuito Interno

Il dispositivo ha una configurazione standard a 10 piedini per un display a 7 segmenti più punto decimale. Utilizza un'architettura acatodo comune. Ciò significa che i catodi (terminali negativi) di tutti i segmenti LED sono collegati insieme internamente e portati ai piedini 3 e 8, anch'essi collegati tra loro. Gli anodi (terminali positivi) di ciascun segmento individuale (da A a G) e del punto decimale (DP) sono portati a piedini separati (1, 2, 4, 5, 6, 7, 9, 10). Lo schema del circuito interno rappresenta visivamente questa disposizione, mostrando otto LED individuali (sette segmenti + DP) con i loro anodi isolati e i loro catodi collegati al nodo comune. Questa configurazione è ideale per il multiplexing, dove le cifre vengono alimentate una alla volta in rapida sequenza.

7. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

I valori massimi assoluti includono condizioni specifiche di saldatura: il dispositivo può essere sottoposto a una temperatura del saldatore di 260°C per 5 secondi, a condizione che la punta del saldatore sia almeno 1/16 di pollice (circa 1.6 mm) al di sotto del piano di appoggio del package. Questa è un'istruzione critica per prevenire che il calore eccessivo risalga i piedini danneggiando i chip LED interni o il package plastico. Per la saldatura a onda o a rifusione, il profilo deve essere controllato attentamente per rimanere entro i limiti termici del package, tipicamente facendo riferimento allo standard IPC/JEDEC J-STD-020 per la sensibilità all'umidità e i profili di rifusione, sebbene non sia esplicitamente dichiarato qui. Durante il montaggio devono essere sempre seguite le corrette procedure di manipolazione ESD (Scarica Elettrostatica).

8. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progetto

8.1 Scenari Applicativi Tipici

Il LSHD-5503 è adatto per qualsiasi applicazione che richieda un display numerico a cifra singola luminoso e affidabile. Usi comuni includono: apparecchiature di test e misurazione (multimetri, frequenzimetri), pannelli di controllo industriali (display di temperatura, letture di contatori), elettrodomestici consumer (forni a microonde, lavatrici, apparecchi audio), strumenti per il mercato dei ricambi auto e terminali punto vendita.

8.2 Considerazioni Critiche di Progetto

• Limitazione della Corrente:I LED sono dispositivi pilotati in corrente. Deve essere utilizzato un resistore in serie con ciascun segmento (o un driver a corrente costante) per limitare la corrente diretta a un valore sicuro (≤25 mA continuo). Il valore del resistore è calcolato utilizzando la tensione di alimentazione e la caduta di tensione diretta dalla scheda tecnica.
• Multiplexing:Per display multi-cifra, un dispositivo a catodo comune come il LSHD-5503 è ideale. Un microcontrollore può abilitare sequenzialmente il catodo comune di una cifra mentre pilota gli anodi dei segmenti per il pattern di quella cifra. La corrente di picco nominale (90 mA pulsata) consente una corrente istantanea più elevata durante il breve periodo di multiplexing per ottenere una luminosità media elevata.
• Progettazione Termica:Rispettare la curva di derating della corrente. Assicurare un'adeguata ventilazione se si opera ad alte temperature ambientali o ad alte correnti continue. Il layout del PCB può aiutare a dissipare il calore dai piedini.
• Angolo di Visione:La scheda tecnica dichiara un ampio angolo di visione, il che è vantaggioso per applicazioni in cui il display può essere visto da posizioni fuori asse.

9. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto a tecnologie più vecchie come i LED rossi standard in GaAsP (Fosfuro di Arseniuro di Gallio), la tecnologia AlInGaP nel LSHD-5503 offre un'efficienza luminosa significativamente più alta, risultando in una maggiore luminosità a parità di corrente di pilotaggio. Fornisce anche una purezza del colore superiore e una maggiore stabilità nel tempo e con la temperatura. Rispetto ad alcuni moderni LED bianchi con filtri colore, i LED rossi AlInGaP sono intrinsecamente monocromatici e più efficienti per produrre luce rossa pura. L'altezza della cifra di 0.56 pollici lo colloca in una categoria di dimensioni comuni, offrendo un buon equilibrio tra leggibilità e ingombro fisico. La sua configurazione a catodo comune offre un vantaggio diretto per progetti multiplexati basati su microcontrollore rispetto ai tipi ad anodo comune in certe topologie di circuito.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Posso pilotare questo display direttamente da un pin di un microcontrollore a 5V?

R: No. Devi utilizzare un resistore limitatore di corrente. Un tipico LED rosso ha una caduta di circa 2V. Collegare direttamente 5V causerebbe una corrente eccessiva, distruggendo il segmento. Calcola il resistore: R = (5V - 2.6V) / 0.02A = 120Ω (usando V_Fmassima per sicurezza).

D: Cosa significa "Binnato per Intensità Luminosa" per il mio progetto?

R: Significa che puoi ordinare componenti da un intervallo di luminosità specifico. Se la coerenza visiva tra più unità è critica (es. un pannello multi-cifra), specifica il codice bin desiderato al tuo distributore per garantire che tutte le cifre abbiano una luminosità corrispondente.

D: La corrente di picco è 90mA, ma quella continua è solo 25mA. Posso usare 90mA per un output più luminoso?

R: Solo in modalità pulsata, come specificato (1 kHz, ciclo di lavoro 15%). La corrente media in quel caso sarebbe 90mA * 0.15 = 13.5mA, che rientra nella nominale continua. Un funzionamento continuo a 90mA supererebbe il limite di dissipazione di potenza e causerebbe un rapido guasto.

D: Come collego i due piedini del catodo comune (3 e 8)?

R: Sono collegati internamente. Puoi usarne uno solo o collegarli entrambi al tuo circuito di pilotaggio (es. sink a transistor) per una potenziale migliore distribuzione della corrente e prestazioni termiche.

11. Caso di Studio di Progetto e Utilizzo

Scenario: Progettazione di un semplice display voltmetrico a 3 cifre.

Vengono utilizzati tre display LSHD-5503. Viene scelto un microcontrollore con un numero sufficiente di pin I/O. Il progetto impiega il multiplexing a divisione di tempo:

1. I piedini del catodo comune di ciascuna cifra sono collegati a singoli transistor NPN (o a un IC driver dedicato) controllati dal microcontrollore.

2. I piedini degli anodi dei segmenti (A-G, DP) di tutte e tre le cifre sono collegati insieme e collegati al microcontrollore tramite resistori limitatori di corrente.

3. Il software del microcontrollore: a) Disattiva tutti i transistor driver dei catodi. b) Calcola quali segmenti devono essere accesi per la cifra delle centinaia. c) Attiva il pattern dei segmenti sulle linee degli anodi. d) Abilita brevemente il transistor per il catodo della cifra delle centinaia. e) Ripete i passaggi b-d per le cifre delle decine e delle unità in rapida successione (es. a una frequenza complessiva di 1 kHz).

La corrente di picco del segmento durante il suo breve tempo di accensione può essere impostata più alta (es. 40-60 mA) per compensare il basso ciclo di lavoro (≈33% per cifra in un sistema a 3 cifre), ottenendo un display luminoso e senza sfarfallio mantenendo la potenza media e il calore entro i limiti.

12. Introduzione al Principio Tecnologico

Il LSHD-5503 si basa sul materiale semiconduttore Fosfuro di Alluminio Indio Gallio (AlInGaP) cresciuto epitassialmente su un substrato di Arseniuro di Gallio (GaAs). Questo è un semiconduttore composto del gruppo III-V. Quando una tensione diretta viene applicata attraverso la giunzione p-n, elettroni e lacune vengono iniettati nella regione attiva. La loro ricombinazione rilascia energia sotto forma di fotoni (luce). La specifica energia del bandgap della lega AlInGaP determina la lunghezza d'onda della luce emessa; in questo caso, è sintonizzata per produrre luce rossa intorno a 624-632 nm. L'uso di un materiale a bandgap diretto come l'AlInGaP risulta in un'alta efficienza quantica interna. La luce viene emessa attraverso un package epossidico stampato che incorpora un frontale grigio chiaro con segmenti dipinti di bianco. La vernice bianca riflette e diffonde la luce proveniente dal chip LED sottostante, creando i segmenti uniformemente illuminati visibili all'utente.

13. Tendenze e Contesto Tecnologico

Sebbene il LSHD-5503 rappresenti una tecnologia matura e affidabile, il campo più ampio della tecnologia dei display continua a evolversi. L'AlInGaP rimane la tecnologia dominante ad alta efficienza per i LED rossi e ambra. Le tendenze nei display LED discreti includono la ricerca di un'efficienza ancora più elevata (più lumen per watt), che migliora l'autonomia della batteria nei dispositivi portatili e riduce il carico termico. C'è anche una tendenza verso la miniaturizzazione della scala del chip stesso, consentendo potenzialmente impronte di package più piccole o una densità di pixel più elevata nei display multi-elemento. Inoltre, l'integrazione è una tendenza chiave; l'elettronica di pilotaggio e talvolta persino i microcontrollori vengono integrati in moduli "display intelligenti", semplificando il processo di progettazione per gli ingegneri finali. Tuttavia, per display numerici a cifra singola standard ed economici, dispositivi come il LSHD-5503, con le loro prestazioni consolidate e ampia disponibilità, rimarranno un componente fondamentale nella progettazione elettronica nel prossimo futuro, specialmente in applicazioni dove display grafici personalizzati non sono necessari.