LTC-5723JD LEDディスプレイ データシート - 0.56インチ桁高 - AlInGaP赤色 - マルチプレックス共通カソード - 技術文書

1. 製品概要

LTC-5723JDは、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た、高性能な4桁7セグメントディスプレイモジュールです。その主な機能は、4つの独立した桁にわたって数値データを視覚的に表示することであり、各桁は個別にアドレス可能な7つのセグメントと小数点で構成されています。このディスプレイの基盤となるコア技術は、アルミニウムインジウムガリウムリン化物（AlInGaP）発光ダイオードチップの使用です。このチップは、赤色スペクトルにおける高効率と優れた発光出力で知られています。これらのチップは不透明なガリウムヒ素（GaAs）基板上に形成されており、デバイスの全体的なコントラストと性能に貢献しています。ディスプレイは、白色のセグメントマーキングを持つグレーのフェースプレートを備えており、点灯する赤色セグメントに対して高コントラストの背景を提供することで可読性を高めています。この組み合わせは、様々な照明条件下で特に効果的であり、表示される情報が容易に識別できることを保証します。

本デバイスは、各桁に対して共通カソード構成を利用したマルチプレックス動作のために設計されています。この設計により、駆動用マイクロコントローラまたは回路から必要な入力/出力ピンの数を大幅に削減し、多桁ディスプレイに対するスペース効率とコスト効率に優れたソリューションを実現しています。各桁を高周波で順次アクティブ化することにより、人間の目には4桁すべてが連続的に点灯しているように見えます。これはマルチプレックスLEDディスプレイにおける標準的な技術です。LTC-5723JDは輝度でカテゴライズされており、特定の輝度範囲に基づいてユニットがビニングおよび販売されることを意味します。これにより、設計者は均一性や最小輝度閾値に関する正確なアプリケーション要件を満たす部品を選択することができます。

1.1 主な特長と利点

本ディスプレイは、幅広い産業、商業、計測器アプリケーションに適した、いくつかの明確な利点を提供します。

• 光学性能：高輝度と高コントラストを実現し、明るい環境下でも優れた文字表示と視認性を確保します。広い視野角により、ディスプレイは真正面だけでなく、様々な位置からも明確に読み取ることができます。
• 電気効率：セグメントあたりの低消費電力により、システム全体の消費電力を低減します。高効率AlInGaP技術の使用は、この性能を達成するための中心です。
• 設計と信頼性：連続した均一なセグメントを特徴としており、点灯するバーに目に見える切れ目がない、クリーンでプロフェッショナルな美的外観を提供します。固体素子として、機械的または真空ベースのディスプレイと比較して優れた信頼性と長寿命を提供し、摩耗する可動部品やフィラメントはありません。
• 物理的特性：桁高0.56インチ（14.2 mm）により、パネルメータ、試験装置、データを遠方から監視する必要があるその他のデバイスに適した、大きくて読みやすい数値表示を提供します。

2. 技術仕様と客観的解釈

このセクションでは、データシートに規定された電気的、光学的、物理的パラメータの詳細な客観的分析を提供します。これらの仕様を理解することは、適切な回路設計とデバイスの限界内での信頼性の高い動作を確保するために極めて重要です。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のある応力限界を定義します。これらの限界以下または限界での動作は保証されておらず、通常使用では避けるべきです。

• セグメントあたりの電力損失：70 mW。これは、単一のLEDセグメントがどのような条件下でも安全に熱として放散できる最大電力です。
• セグメントあたりのピーク順方向電流：90 mA。この電流は、1/10デューティサイクル、0.1 msパルス幅のパルス条件下でのみ許容されます。これは、例えばマルチプレックス方式において、非常に高い瞬間輝度を達成するために使用されます。
• セグメントあたりの連続順方向電流：25°Cで25 mA。この定格は25°C以上では0.28 mA/°Cの割合で直線的に減少します。信頼性の高い長期的な動作のためには、周囲温度の上昇に伴い連続電流をディレーティングして過熱を防止する必要があります。
• セグメントあたりの逆電圧：5 V。この値を超える逆電圧を印加すると、LED接合が破壊される可能性があります。
• 動作および保管温度範囲：-35°C から +85°C。本デバイスは産業用温度範囲に対応しています。
• はんだ付け温度：最大260°C、最大3秒間（シーティングプレーンから1.6mm下で測定）。これは、ウェーブまたはリフローはんだ付けプロセスにおいて、LEDチップやパッケージへの熱損傷を防ぐために重要です。

2.2 電気的および光学的特性

これらのパラメータは通常、周囲温度（Ta）25°Cで測定され、デバイスの通常動作性能を定義します。

• 平均光度（I_V）：順方向電流（I_F）1 mAで340 μcd（最小）、700 μcd（標準）。これはセグメントの知覚される明るさの尺度です。広い範囲は、デバイスが異なる輝度ビンで入手可能であることを示しています。
• ピーク発光波長（λ_p）：I_F=20 mAで650 nm（標準）。これは光出力が最大となる波長であり、可視スペクトルの明るい赤色部分に位置します。
• スペクトル線半値幅（Δλ）：I_F=20 mAで20 nm（標準）。これはスペクトル純度を示します。値が小さいほど、より単色（純色）の出力を意味します。
• 主波長（λ_d）：I_F=20 mAで639 nm（標準）。これは、光の知覚される色を最もよく表す単一波長です。
• 順方向電圧（V_F）：I_F=20 mAで2.1V（標準）、2.6V（最大）。これは動作時のLED両端の電圧降下です。電流制限回路の設計に極めて重要です。
• 逆電流（I_R）：逆電圧（V_R）5Vで100 μA（最大）。これは、LEDが最大定格内で逆バイアスされたときに流れる小さなリーク電流です。
• 光度マッチング比（I_V-m）：I_F=1 mAで2:1（最大）。これは、同一デバイス内の異なるセグメント間で許容される最大の輝度変動を規定し、視覚的な均一性を確保します。

測定に関する注意：光度は、CIE明所視応答曲線に近似するセンサーとフィルターの組み合わせを使用して測定され、値が人間の明るさ知覚に対応することを保証します。

3. ビニングシステムの説明

データシートは、デバイスが光度でカテゴライズされていると示しています。これは、ビニングとして知られるLED製造における一般的な慣行を指します。

• 光度ビニング：半導体製造プロセスに内在する変動により、同じ製造ロットのLEDでも輝度出力がわずかに異なる場合があります。メーカーは、標準試験電流（例：1 mA）での測定された光度に基づいて、これらのLEDをテストし、グループ（ビン）に分類します。LTC-5723JDは最小輝度340 μcd、標準700 μcdで入手可能です。特定の注文コードやサフィックスは、おそらく異なる輝度ビン（例：標準ビンと高輝度ビン）に対応しています。設計者は、製品内の複数のディスプレイ間の一貫性を確保したり、最小輝度要件を満たしたりするために、必要なビンを指定することができます。
• 波長/色ビニング：提供された抜粋では明示的に詳細が述べられていませんが、AlInGaP LEDは、すべてのセグメントとデバイス間で一貫した赤色の色合いを確保するために、主波長またはピーク波長でもビニングされる場合があります。λ_p（650 nm）およびλ_d（639 nm）の厳しい標準値は、本質的に良好な色の一貫性を示唆しています。

4. 性能曲線分析

データシートは代表的な電気的/光学的特性曲線を参照しています。具体的なグラフは本文に提供されていませんが、このようなデバイスの標準的な曲線には通常以下が含まれます：

• 順方向電流 vs. 順方向電圧（I_F-V_F曲線）：この非線形曲線は、所定の順方向電流を達成するために必要な電圧を示します。これは、特に定電流ドライバの場合、ドライバ回路の設計に不可欠です。
• 光度 vs. 順方向電流（I_V-I_F曲線）：この曲線は、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。一般的にある範囲では線形ですが、非常に高い電流では飽和します。これは、所望の輝度レベルを達成するために必要な動作電流を決定するのに役立ちます。
• 光度 vs. 周囲温度（I_V-T_a曲線）：これは、周囲（または接合）温度の上昇に伴って輝度がどのように減少するかを示します。このディレーティングは、高温環境で動作するアプリケーションにとって重要です。
• 相対強度 vs. 波長（スペクトル）：ピーク発光波長を中心に、異なる波長にわたる光出力の分布を示すプロットです。LEDの色特性を定義します。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

機械図面は、PCBフットプリント設計およびパネル切り抜きのための重要な寸法を提供します。特に指定がない限り、すべての寸法はミリメートル単位で、標準公差は±0.25 mmです。主な特徴には、パッケージの全長、幅、高さ、桁間の間隔、実装ピンのサイズと位置、および桁に対する小数点の位置が含まれます。設計者は、最終製品アセンブリでの適切な物理的適合と位置合わせを確保するために、これらの寸法に従う必要があります。

5.2 ピン接続と内部回路図

本デバイスは12ピン構成です。内部回路図は、マルチプレックス共通カソードアーキテクチャを明らかにしています。

• ピン配置：
  
  1: アノード E
  
  2: アノード D
  
  3: アノード DP（小数点）
  
  4: アノード C
  
  5: アノード G
  
  6: 共通カソード（桁4）
  
  7: アノード B
  
  8: 共通カソード（桁3）
  
  9: 共通カソード（桁2）
  
  10: アノード F
  
  11: アノード A
  
  12: 共通カソード（桁1）
• 回路アーキテクチャ：すべての同種セグメントアノード（例：桁1-4からのすべてのAセグメント）は内部で単一のピンに接続されています。各桁には専用の共通カソードピンがあります。特定の桁の特定のセグメントを点灯させるには、対応するアノードピンをハイ（または電流源に接続）に駆動し、対応する桁のカソードピンをロー（グランドに接続）に駆動する必要があります。この構造により、必要な駆動ライン数を32（4桁 * 8セグメント）からわずか12（7セグメントアノード + 1 DPアノード + 4桁カソード）に最小化しています。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

損傷を防ぐため、指定されたはんだ付けプロファイルを遵守することが必須です。

• リフローはんだ付けパラメータ：リード/はんだ接合部での最大許容温度は260°Cであり、この温度は3秒を超えて持続してはなりません。プロファイルはこの範囲内に収まるように設計する必要があります。熱衝撃を最小限に抑えるために、予熱が必要です。
• 手はんだ付け：手はんだ付けが必要な場合は、温度制御されたはんだごてを使用する必要があります。ピンごとの接触時間は、低熱容量の先端を使用して、理想的には3秒未満に最小限に抑えるべきです。
• 洗浄：ディスプレイのプラスチックフェースとエポキシ材料と互換性のある洗浄剤のみを使用してください。強力な溶剤は避けるべきです。
• 保管条件：デバイスは、保管温度範囲（-35°C から +85°C）内で低湿度の環境において、元の防湿バッグに入れて保管する必要があります。バッグが開封された場合、デバイスは指定された時間内に使用するか、湿気を吸収している場合ははんだ付け前にベーキングする必要があります。

7. アプリケーション提案

7.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• 試験・測定機器：デジタルマルチメータ、オシロスコープ、電源装置、周波数カウンタ。
• 産業用制御および計装：温度、圧力、流量、レベル監視用のパネルメータ；プロセスタイマー；カウンタ表示。
• 民生および商業用電子機器：販売時点情報管理システム、はかり、目覚まし時計、家電製品の表示。
• 自動車アフターマーケット：ゲージおよび診断ツール（環境仕様を満たす場合）。

7.2 設計上の考慮事項とドライバ回路

• マルチプレックスドライバ：マイクロコントローラまたは専用ディスプレイドライバIC（例：MAX7219、TM1637）がほぼ常に必要です。ファームウェアまたはハードウェアは、目に見えるちらつきを避けるために、4桁を高速（通常 >100 Hz）で循環させる必要があります。
• 電流制限：各アノードまたはカソードラインには、適切な電流制限抵抗が必要であるか、定電流源によって駆動される必要があります。抵抗値は R = (V_電源- V_F) / I_F を使用して計算されます。5V電源、目標I_F10 mA、標準V_F2.1Vの場合、R = (5 - 2.1) / 0.01 = 290 Ω。270 Ωまたは330 Ωの抵抗が適しています。
• 電力損失：最悪の場合（1桁のすべてのセグメントが点灯）の総電力を計算します。8セグメント、各10 mA、V_F=2.1Vの場合、桁あたりの電力は 8 * 0.01 * 2.1 = 0.168W です。ドライバ回路がこれを処理できることを確認してください。
• 視野角と実装：ディスプレイをパネルの切り抜きの後ろに配置し、ベゼルが広い視野角を妨げないようにします。ピンにストレスがかからないように、均一な背面サポートを確保してください。

8. 技術比較と差別化

他の表示技術およびLEDタイプとの比較：

• LCDとの比較：LEDは自発光型（自身で光を生成する）であり、優れた輝度、広い視野角、低温環境での優れた性能を提供します。バックライトは必要ありません。ただし、一般的に反射型LCDよりも多くの電力を消費し、色は固定されています。
• 他のLED色（GaAsP、GaP）との比較：LTC-5723JDで使用されているAlInGaP技術は、GaAsPなどの古い赤色LED材料と比較して、はるかに高い発光効率と優れた温度安定性を提供し、温度にわたってより一貫した色の明るいディスプレイを実現します。
• 単桁または小型ディスプレイとの比較：4桁を1つのパッケージに統合することで、PCBスペースを節約し、組立時間を短縮し、4つの独立した単桁ディスプレイを使用する場合と比較して位置合わせ精度を向上させます。
• 共通アノードディスプレイとの比較：共通カソードと共通アノードの選択は、多くの場合、ドライバICまたはマイクロコントローラ回路によって決定されます。共通カソードは、電流をソースする能力は高いがシンクする能力が低いマイクロコントローラと頻繁に使用されます。なぜなら、マイクロコントローラはアノードに電流をソースし、NPNトランジスタまたはNチャネルMOSFETを使用してより高いカソード電流をシンクできるからです。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

• Q: このディスプレイを3.3Vマイクロコントローラで駆動できますか？
  
  A: はい、ただし順方向電圧を確認する必要があります。より低い駆動電流（例：5 mA）では、V_Fは約2.0V程度であり、電流制限抵抗には1.3Vが残ります。これは十分です。輝度を維持するために目標電流を下げるか、セグメントへの電圧を昇圧できるドライバICを使用する必要があるかもしれません。
• Q: なぜピーク電流（90 mA）は連続電流（25 mA）よりもはるかに高いのですか？
  
  A: LEDは、チップの熱容量により急速な温度上昇が防がれるため、過熱することなく非常に短い高電流パルスを扱うことができます。これはマルチプレックスで活用されており、各桁は時間の25%（1/4デューティサイクル）しか点灯しません。25%デューティサイクルで40-50 mAのピーク電流は、25 mAで連続動作する場合よりもディスプレイをはるかに明るく見せることができます。
• Q: 光度マッチング比2:1は実際にはどういう意味ですか？
  
  A: 同一デバイス内で、同じ試験条件下で最も暗いセグメントの輝度が最も明るいセグメントの半分以上になることを意味します。これにより、ディスプレイ全体の視覚的な均一性が確保されます。重要なアプリケーションでは、より厳しいビン（例：1.5:1）を指定する必要があるかもしれません。
• Q: マルチプレックスのリフレッシュレートはどのように計算しますか？
  
  A: 4桁すべてを点灯させる完全なサイクルは、ちらつきを避けるのに十分な高いレート（通常 >60-100 Hz）で完了する必要があります。したがって、各桁の期間は 1/(リフレッシュレート * 桁数) です。100 Hzリフレッシュ、4桁の場合、各桁は 1/400s = 2.5 ms 点灯します。マイクロコントローラのタイマーは2.5 msごとに桁を切り替える必要があります。

10. 設計および使用事例研究

シナリオ: シンプルな4桁電圧計の設計

設計者が0-30V DC電圧計を作成しています。アナログ電圧はマイクロコントローラのADCによって読み取られます。マイクロコントローラはLTC-5723JDディスプレイを駆動する必要があります。

1. ハードウェア設計：マイクロコントローラのI/Oピンは、330Ωの電流制限抵抗を介して8本のアノードライン（A-G、DP）に接続されます。他の4本のI/Oピンは、4つのNPNトランジスタ（例：2N3904）のベースに接続されます。これらのトランジスタのコレクタは4つのカソードピン（桁1-4）に接続され、エミッタはグランドに接続されます。各トランジスタにはベース抵抗（例：4.7kΩ）が使用されます。
2. ファームウェアロジック：ファームウェアはADC読み取り値を4つの独立した桁に変換します。400 Hzで動作するタイマ割り込みルーチンに入ります。各割り込みで、すべての桁トランジスタをオフにします。次に、アノードライン（ポートまたはシフトレジスタ経由）を順番に次の桁のセグメントパターンに設定します。最後に、その特定の桁のトランジスタをオンにします。これが連続的に循環します。
3. 輝度制御：ディスプレイの輝度は2つの方法で調整できます：1) 電流制限抵抗の値を変更する（抵抗値が低い = 電流が高い = 明るい）、最大定格内で。2) マルチプレックスルーチン内で桁イネーブルラインにパルス幅変調（PWM）を使用し、事実上すべての桁のデューティサイクルを同時に変更する。

11. 動作原理

基本的な動作原理は、半導体p-n接合におけるエレクトロルミネッセンスに基づいています。ダイオードのオン電圧（このAlInGaP材料では約2.1V）を超える順方向電圧が印加されると、n型領域からの電子とp型領域からの正孔が活性領域に注入され、そこで再結合します。AlInGaPのような直接遷移型半導体では、この再結合によりエネルギーが光子（光）の形で放出されます。Al_xIn_yGa_1-x-yP合金の特定の組成は、バンドギャップエネルギー、したがって放出される光の波長（色）を決定し、このデバイスでは赤色スペクトルにあります。不透明なGaAs基板は、下方に放出される光を吸収し、非アクティブなセグメントを点灯させる可能性のある内部反射を防ぐことでコントラストを向上させます。

12. 技術トレンド

このデータシートで表されているAlInGaP技術は成熟しており非常に信頼性が高い一方で、表示技術のより広い分野は進化し続けています。トレンドには、青色および緑色用の窒化ガリウム（GaN）ベースの材料など、さらに高効率な材料の開発が含まれます。これらは現在主流となっています。多桁数値表示については、内蔵コントローラ、I2CまたはSPIインターフェース、時には組み込みフォントや特殊文字を備えた完全統合モジュールへの傾向があり、設計を簡素化しています。さらに、ドットマトリックスOLEDおよびマイクロLEDディスプレイは、同様のフォームファクタで英数字およびグラフィック情報を表示するためのより大きな柔軟性を提供する可能性があります。しかしながら、シンプルで明るく、頑丈で、コスト効率の高い数値表示を必要とするアプリケーションでは、LTC-5723JDのような専用の7セグメントLEDディスプレイは、その実績のある性能、シンプルさ、優れた可読性により、依然として非常に有効で人気のあるソリューションです。