LTS-313AJD LEDディスプレイ データシート - 0.3インチ桁高 - ハイパーレッド - 順電圧2.6V - 技術文書

1. 製品概要

本資料は、コンパクトな1桁7セグメント英数字表示モジュールの仕様を詳細に説明します。本デバイスは、最小限の消費電力で明瞭で明るい数値表示を必要とするアプリケーション向けに設計されています。その中核となる設計思想は、小型フォームファクタにおいて優れた可読性と信頼性を提供することにあります。

本ディスプレイは、その特性を実現するために先進的な半導体材料を利用しています。光束度でカテゴライズされており、ロット生産における均一性と、エンドユーザーアプリケーションでの予測可能な性能を保証します。

1.1 中核的利点とターゲット市場

本ディスプレイの主な利点は、非常に低い電流要求であり、バッテリー駆動またはエネルギーに敏感な回路に適しています。高輝度と高コントラスト比、そして広い視野角により、様々な照明条件下および異なる視点からでも視認性を確保します。固体構造は、機械式またはフィラメントベースのディスプレイと比較して、固有の信頼性と長い動作寿命を提供します。

0.3インチの桁高は、携帯型計器、民生電子機器、パネルメーター、産業用制御インターフェース、およびスペースが限られているが明確な数値フィードバックが不可欠なあらゆる組み込みシステムに理想的に位置付けられます。連続的で均一なセグメント設計は、優れた文字表示に寄与し、ユーザーエクスペリエンスを向上させます。

2. 技術仕様詳細解説

このセクションでは、データシートに定義された電気的、光学的、物理的パラメータについて、客観的かつ詳細な分析を提供します。

2.1 測光および光学特性

発光素子は、アルミニウムインジウムガリウムリン化物（AlInGaP）半導体技術に基づいており、特にハイパーレッド色調で構成されています。この材料システムは、赤～橙色の波長領域において高効率かつ良好な温度安定性で知られています。

• 平均光度（I_V）：標準試験電流1mAにおいて、200から600マイクロカンデラ（μcd）の範囲。このパラメータは知覚される明るさを定義します。言及されているカテゴライズは、測定された強度に基づいてデバイスがこの保証範囲内に収まるようにビン分けまたは選別されることを意味します。
• ピーク発光波長（λ_p）：代表値650ナノメートル（nm）。これは光出力が最大となる波長です。
• 主波長（λ_d）：代表値639 nm。これは人間の目が知覚する波長であり、色（ハイパーレッド）を定義するための主要な指標です。
• スペクトル半値幅（Δλ）：約20 nm。これはスペクトル純度、またはピーク周辺で放射される波長の広がりを示します。20nmという値はAlInGaP LEDの特徴です。
• 光度マッチング比：最大2:1と規定。これは多桁ディスプレイまたは複数セグメントを使用するアプリケーションにとって重要なパラメータであり、最も明るいセグメントと最も暗いセグメント間の輝度変動がこの比率を超えないことを保証し、均一な外観を提供します。

2.2 電気的特性

電気的特性は、デバイスの動作限界および代表的条件を定義します。

• セグメント毎の順方向電圧（V_F）：代表値2.1V、最大2.6V（順方向電流（I_F）20mA時測定）。これは点灯セグメント両端の電圧降下です。設計者は駆動回路が十分な電圧を供給できることを確認する必要があります。
• セグメント毎の連続順方向電流（I_F）：絶対最大定格は25°Cで25mA。25°C以上では0.33 mA/°Cのデレーティング係数が適用され、過熱を防ぐために周囲温度の上昇に伴い許容連続電流が減少することを意味します。
• ピーク順方向電流：特定の条件下（デューティ比1/10、パルス幅0.1ms）で最大90mAのパルス電流が許容されます。これにより、マルチプレクシング方式や短時間の高輝度バーストが可能になります。
• 逆方向電圧（V_R）：最大5V。これを超えるとLED接合部が損傷する可能性があります。逆電圧が発生する可能性がある場合は、回路設計に保護対策を組み込むべきです。
• 逆方向電流（I_R）：全逆電圧5V時、最大100 μA。これはオフ状態でのリーク電流を示します。
• セグメント毎の電力損失：最大70 mW。この熱的限界は、電流デレーティングと組み合わせて、信頼性計算において重要です。

2.3 熱的および環境定格

• 動作温度範囲：-35°C ～ +85°C。本デバイスは産業グレード環境向けに定格されています。
• 保存温度範囲：-35°C ～ +85°C。
• はんだ付け温度：最大260°C、最大3秒間（実装面から1.6mm（1/16インチ）下で測定）。これは、パッケージやダイへの熱ダメージを避けるための、フローまたはリフローはんだ付けプロセスにおける標準的なガイドラインです。

3. ビニングシステムの説明

データシートは、デバイスが光束度でカテゴライズされていると明記しています。これは、LED製造における一般的な慣行であるビニングを指します。

半導体エピタキシャル成長および製造プロセスにおける固有のわずかな変動により、同じ生産ロットのLEDでも、光束度や順方向電圧などの主要パラメータにわずかな差が生じることがあります。顧客に一貫性を保証するため、メーカーは各LEDをテストし、異なる性能グループまたはビンに分類します。光束度でカテゴライズされた製品とは、ユニットが指定された強度範囲（この場合は200-600 μcd）を満たすことが保証されており、高均一性が求められるアプリケーションでは、その範囲内でより狭いビンを要求できることも多いことを意味します。この簡潔なデータシートでは詳細には触れられていませんが、その他の一般的なビニングパラメータには、主波長（色の一貫性のため）や順方向電圧などがあります。

4. 性能曲線分析

データシートは代表的な特性曲線を参照しています。具体的なグラフは本文には提供されていませんが、記載されているパラメータに基づいて、その標準的な内容と重要性を推測することができます。

4.1 電流対電圧（I-V）曲線

代表的なI-V曲線は、順方向電流と順方向電圧の間の指数関数的関係を示します。この曲線は、20mA時の代表的なV_F点である2.1Vを通ります。この曲線は、単純な抵抗器を使用する場合でも定電流ドライバを使用する場合でも、電流制限回路を設計する上で不可欠です。

4.2 光度対順方向電流（I_V対 I_F)

このグラフは、電流の増加に伴って輝度がどのように増加するかを示します。通常、ある範囲では線形ですが、熱的および効率低下により、より高い電流では飽和します。この曲線は、1mAの試験条件での強度を示し、最大連続電流までの性能を説明します。

4.3 温度依存性

25°C以外の温度で示された特性曲線は、以下の主要な依存関係を説明します：

• 順方向電圧対温度：AlInGaP LEDの場合、V_Fは通常、温度の上昇とともに減少します（負の温度係数）。これは熱管理および定電流駆動設計において重要です。
• 光度対温度：出力強度は一般に、接合温度の上昇とともに減少します。連続電流のデレーティングは、輝度と寿命を維持するためにこの熱的影響を管理することに直接関連しています。

4.4 スペクトル分布

スペクトルプロットは、650nm（ピーク）を中心に20nmの半値幅を持つ、波長全体にわたる発光のパワー分布を視覚化し、ハイパーレッドの色点を確認します。

5. 機械的およびパッケージ情報

本デバイスは、白いセグメントを持つグレーの表面を有し、環境光の反射を低減することでコントラストを向上させています。パッケージ寸法はミリメートル単位で提供され、標準公差は±0.25mmです。正確なフットプリントとピン間隔は、PCBレイアウトにおいて重要です。内部回路図は、すべてのセグメントと小数点の共通カソード構成を確認しています。これは、LEDセグメントのすべてのカソード（負極端子）が内部で共通ピン（1と6）に接続され、各セグメントのアノード（正極端子）がそれぞれ専用のピンを持つことを意味します。この構成は一般的であり、マイクロコントローラ駆動のアプリケーションにおけるマルチプレクシングを簡素化します。

6. ピン接続と回路インターフェース

10ピンのデバイスは以下のピン配置を持ちます：

1. 共通カソード
2. アノード F（上セグメント）
3. アノード G（中央セグメント）
4. アノード E（左下セグメント）
5. アノード D（下セグメント）
6. 共通カソード（内部でピン1と接続）
7. アノード RDP（右小数点）
8. アノード C（右下セグメント）
9. アノード B（右上セグメント）
10. アノード A（上セグメント）

注：データシートは右および左小数点にも言及しており、本デバイスが左右両方の小数点を含むことを示していますが、ピン接続表には右小数点（RDP）のアノードのみが記載されています。左小数点は、おそらく内部で別のセグメントアノードに接続されているか、このバージョンでは個別にアクセスできません。ピン1と6の共通カソード接続により、PCB配線と放熱の柔軟性が得られます。

7. はんだ付けおよび組立ガイドライン

提供されている主要なガイドラインは、はんだ付け温度制限です：実装面から1.6mm下で、最大260°C、3秒間。これは、スルーホール部品の標準的なIPCガイドラインに準拠しています。フローはんだ付けの場合、これは予熱と接触時間の制御を意味します。手はんだ付けの場合、温度制御されたはんだごてを使用して、長時間の熱の適用を避けるべきです。LEDは静電気に敏感であるため、取り扱い中は標準的なESD（静電気放電）予防策を講じる必要があります。保存は、低湿度環境で指定された温度範囲内で行うべきです。

8. アプリケーション提案および設計上の考慮事項

8.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• 携帯型マルチメーターおよび試験装置：低電流消費はバッテリー寿命に理想的です。
• 民生用家電：タイマー、オーブンやヒーターの温度表示。
• 産業用制御パネル：状態インジケータ、カウンタ表示。
• 自動車用アフターマーケットディスプレイ：補助計器（電圧、温度）用。
• 教育用キットおよびプロトタイピング：そのシンプルさと一般的なインターフェースのため。

8.2 設計上の考慮事項

• 電流制限：各セグメントアノードには常に直列抵抗または定電流ドライバを使用してください。抵抗値は R = (供給電圧 - V_F) / I_F として計算できます。5V電源で、代表的なV_F 2.1V、目標電流10mAの場合：R = (5 - 2.1) / 0.01 = 290Ω。270Ωまたは330Ωの標準抵抗が適しています。
• マルチプレクシング：多桁ディスプレイの場合、共通カソード構成は容易にマルチプレクシングできます。各桁の共通カソードを順次有効にし、その桁のセグメントデータを提示することにより、少ないI/Oピンで多くの桁を制御できます。ピーク電流定格により、マルチプレクシングサイクル中に平均輝度を達成するためのより高いパルス電流が可能になります。
• マイクロコントローラインターフェース：マルチプレクシングしない場合、通常1桁あたり8本のI/Oライン（7セグメント + 1小数点）が必要で、さらに共通カソード電流（その桁のすべての点灯セグメントの電流の合計）をシンクするためのトランジスタまたはドライバICが必要です。
• 視野角：広い視野角により柔軟な取り付け位置が可能ですが、最適な可読性のためには、主なユーザーの視線を考慮してください。

9. 技術比較および差別化

白熱灯や真空蛍光表示管（VFD）などの古い技術と比較して、このLEDディスプレイは、大幅に低い消費電力、長い寿命、高い衝撃/振動耐性を提供します。LEDディスプレイファミリー内では、ハイパーレッドにAlInGaPを使用することは、古いGaAsP赤色LEDに比べて、通常、より高い効率（mAあたりの光量が多い）、より良い温度安定性、より鮮やかな赤色を提供するという利点があります。0.3インチサイズは一般的な0.5インチや0.56インチディスプレイよりも小さく、より高い密度またはよりコンパクトな設計を可能にします。低電流要求（1mAでも有効）は、標準輝度のためにセグメントあたり5-20mAを必要とするディスプレイと比較して、電力制約のある設計における重要な差別化要因です。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

10.1 2つの共通カソードピン（1と6）の目的は何ですか？

それらは内部で接続されています。2つのピンを提供することで、より良い電流分散が可能になり、ピンあたりの電流密度が低減され、PCBレイアウトの柔軟性（どちら側からも配線可能）が向上し、ダイからの放熱が改善される可能性があります。

10.2 このディスプレイをマイクロコントローラのピンから直接駆動できますか？

セグメントアノードをマイクロコントローラの出力ピンに接続することはできますが、各ピンと直列に電流制限抵抗を必ず含める必要があります。マイクロコントローラのピンだけでは安全に電流を制限できません。さらに、共通カソード電流（最大25mA × 点灯セグメント数）は、単一のマイクロコントローラピンのシンク能力を超える可能性が高いため、カソードを切り替えるための外部トランジスタまたはドライバIC（ULN2003など）が必要です。

10.3 ハイパーレッドは標準のレッドと比べてどう違いますか？

ハイパーレッドは、主波長が約630-640nmのAlInGaP LEDに対してよく使われるマーケティング用語です。これは、わずかに長い波長（660-670nm）のディープレッドや、より短くオレンジがかった標準のレッド（620-625nm）と比較して、より深みがありオレンジがかった赤に見えます。視覚的な明るさと色の識別性の良いバランスを提供します。

10.4 多桁設計で全ての桁の輝度を均一にするにはどうすればよいですか？

マルチプレクシング技術を使用し、全ての桁の対応するセグメントに対して電流制限抵抗が同一であることを確認してください。データシートの光度マッチング比仕様（最大2:1）は役立ちますが、最良の結果を得るためには、同じ生産ビンのLEDを使用するか、ドライバがパルス幅変調（PWM）を許可する場合はソフトウェア輝度キャリブレーションを実装してください。

11. 設計および使用事例

シナリオ：シンプルな3桁ボルトメーターディスプレイの設計。

1. 回路トポロジー：マルチプレクシング構成で3つのLTS-313AJDディスプレイを使用します。3つのディスプレイすべてのセグメントアノード（A-G、DP）は並列に接続されます。各ディスプレイの共通カソードピンは、別々のNPNトランジスタ（例：2N3904）のコレクタに接続され、エミッタはグランドに接続されます。トランジスタのベースは、ベース抵抗を介してマイクロコントローラのピンによって駆動されます。
2. マイクロコントローラの役割：ADCが電圧を読み取ります。ファームウェアはその値を3桁に変換します。その後、高速ループに入ります：すべてのカソードトランジスタをオフにし、桁1のセグメントパターンを並列アノードライン（直列抵抗を介して）に出力し、桁1のカソードトランジスタをオンにし、短時間（例：2ms）待機し、その後桁2と桁3について繰り返します。このサイクルは十分に高速（例：>60Hz）で繰り返され、安定したちらつきのない表示として認識されます。
3. 計算：各セグメントがアクティブ時間中に5mAで駆動され、1桁あたり3セグメント（例：1を表示）が点灯する場合、セグメントあたりのピーク電流は5mAです。セグメントあたりの平均電流は 5mA / 3（3桁マルチプレクシングの場合）≈ 1.67mAであり、これは制限内に十分収まり、電力を節約します。カソードトランジスタは3セグメント * 5mA = 15mAをシンクする必要があり、これは容易に処理できます。

12. 動作原理の紹介

7セグメントLEDディスプレイは、8の字型に配置された発光ダイオードの配列です。各ダイオード（セグメント）はp-n接合半導体デバイスです。接合部のしきい値（このAlInGaPタイプでは約2.1V）を超える順方向電圧が印加されると、電子と正孔が活性領域で再結合し、光子（光）の形でエネルギーを放出します。光の特定の波長（色）は、AlInGaP化合物で設計された半導体材料のバンドギャップエネルギーによって決定されます。7つのセグメント（AからG）の異なる組み合わせに選択的に電流を流すことにより、数字0-9といくつかの文字を形成できます。共通カソード構成では、これらのダイオードのすべての負極側が内部で接続されており、外部制御を簡素化します。

13. 技術トレンドと背景

このような個別の7セグメントLEDディスプレイは、成熟した信頼性の高い技術を代表しています。現在のディスプレイ技術のトレンドは、I2CやSPIを介して通信する内蔵コントローラ（例：TM1637やMAX7219ドライバ）を備えた多桁モジュールなど、より高い統合度に向かっており、マイクロコントローラのI/Oとソフトウェアのオーバーヘッドを大幅に削減しています。また、より複雑なグラフィックスのために有機LED（OLED）やフレキシブルディスプレイへの移行もあります。しかし、過酷な環境（広い温度範囲、高輝度要求）におけるシンプルで明るく、低コスト、低消費電力の数値表示については、個別のLEDセグメントが依然として支配的で最適なソリューションです。より効率的なAlInGaPやInGaN（青色/緑色用）などのLED材料の継続的な開発は、このようなディスプレイの効率、輝度、色のオプションを改善し続けています。