LTP-2257KA 5x7ドットマトリクスLED表示器 データシート - 1.97インチ高 - AlInGaP レッドオレンジ - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTP-2257KAは、明確で信頼性の高い文字出力を必要とするアプリケーション向けに設計された、単一桁の英数字表示モジュールです。その中核機能は、個別にアドレス可能な発光ダイオード（LED）のグリッドを通じて、通常はASCIIまたはEBCDICコード化された文字などのデータを視覚的に表現することです。本デバイスは、低消費電力、ソリッドステートの信頼性、広い視野角が重要な性能要因となるシステムへの統合のために設計されています。

この部品の主な市場は、産業用制御パネル、計測器、POS端末、基本的な情報表示装置、そしてシンプルで堅牢な文字表示が必要な組み込みシステムなどが含まれます。その積み重ね可能な設計により、複数桁の表示を水平方向に作成することができ、単語や数字を表示するための柔軟性を提供します。

中核的な技術的優位性は、LEDチップにアルミニウムインジウムガリウムリン（AlInGaP）半導体材料を使用している点にあります。この材料システムは、赤から琥珀色のスペクトルにおいて高効率の発光を実現することで知られており、良好な視認性を提供します。表示面は黒色で、点灯した白いドットとの高いコントラストを実現し、様々な周囲光条件下での可読性を大幅に向上させています。

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ている主要な電気的、光学的、物理的パラメータについて、詳細かつ客観的な分析を提供します。

2.1 測光・光学特性

光学的性能は、表示器の機能の中核です。主要パラメータは、一貫性を確保するために標準化された試験条件（Ta=25℃）下で測定されます。

• 平均光度（I_V）：最小2100μcdから最大5000μcdの範囲で、代表値は示唆されています。この光度は、I_p=32mA、デューティサイクル1/16のパルス駆動条件下で、ドットごとに測定されます。1/16デューティサイクルは、マルチプレックスマトリクス駆動において一般的で、各行は時間の一部のみアクティブになります。使用されるセンサーはCIE明所視効率関数を近似しており、測定値が人間の目の感度と相関することを保証します。
• ピーク発光波長（λ_p）：代表値は621ナノメートル（nm）です。これは、光出力が最大となる波長を示します。可視スペクトルの赤橙色領域に該当します。
• 主波長（λ_d）：615 nmです。これは、人間の目がLEDの出力色と一致すると知覚する単一波長です。発光スペクトルの形状により、ピーク波長よりわずかに低い値となるのが一般的です。
• スペクトル半値幅（Δλ）：約18 nmです。このパラメータは、発光の帯域幅、具体的にはスペクトル曲線の最大パワーの半分の高さにおける幅を定義します。18 nmという値は、比較的狭帯域の単色光源であることを示しており、AlInGaP LEDの特徴であり、飽和した色を生み出します。
• 光度マッチング比（I_V-m）：最大2:1です。これは表示の均一性にとって重要なパラメータです。同一表示モジュール内のいずれかの個々のドットの光度が、他のいずれかのドットの2倍を超えないことを規定します。これにより、文字のすべてのセグメントで一貫した明るさが保証されます。

2.2 電気的特性

電気的パラメータは、デバイスのインターフェースおよび電力要件を定義します。

• 順方向電圧（V_F）：試験電流（I_F）20mAにおけるドットあたりの範囲は、最小2.05Vから最大2.6Vです。これはLEDが導通しているときの両端の電圧降下です。設計者は駆動回路がこの電圧を供給できることを確認する必要があります。代表値は明記されていませんが、この範囲内にあります。
• 逆方向電流（I_R）：逆方向電圧（V_R）15Vにおける最大値は100μAです。これはLEDが逆バイアスされたときに流れるわずかなリーク電流です。動作中は通常無視できますが、回路保護設計では考慮する必要があります。
• ドットあたりの平均順方向電流：定格平均電流は13 mAです。ただし、25℃を超えると0.17 mA/℃のデレーティング係数が線形に適用されます。これは、周囲温度が上昇するにつれて、過熱や早期故障を防ぐために許容される最大平均電流を減らさなければならないことを意味します。例えば、85℃では、最大平均電流は次のようになります：13 mA - [0.17 mA/℃ * (85-25)℃] = 13 - 10.2 = 2.8 mA。

2.3 絶対最大定格

これらは、いかなる条件下でも、たとえ一瞬であっても超えてはならないストレス限界です。これらの限界を超えて動作すると、永久損傷を引き起こす可能性があります。

• ドットあたりの平均消費電力：最大36 mW。これは平均順方向電流と順方向電圧の積です。
• ドットあたりのピーク順方向電流：最大100 mA。これは許容される最高の瞬時電流で、通常はマルチプレックス方式における非常に短いパルス時に該当します。
• ドットあたりの逆方向電圧：最大5 V。これを超えると接合破壊を引き起こす可能性があります。
• 動作・保管温度範囲：-35℃ から +85℃。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℃、最大3秒間。これはシーティングプレーンから1.6mm（1/16インチ）下で測定されます。これはフローはんだ付けやリフローはんだ付けプロセスにとって重要です。

3. ビニングおよび分類システム

データシートは、本デバイスが光度で分類されていると明記しています。これは、ユニットが測定された光出力に基づいて選別、またはビニングされていることを示します。光度範囲（2100-5000 μcd）は、おそらく複数のビンにわたる広がりを表しています。メーカーは通常、LEDをより狭い光度範囲（例：2100-3000 μcd、3000-4000 μcd、4000-5000 μcd）にグループ分けします。これにより、顧客は特定の明るさ均一性要件に合わせてビンを選択できます。複数ユニットの表示では、均一な外観を実現するために、同じ光度ビンからのLEDを使用することが不可欠です。データシートは順方向電圧や波長のビニングについては明記していませんが、V_Fおよびλ_pについて提供されている最小/最大範囲が全体的な広がりを定義しています。

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は提供されていませんが、その標準的な内容と重要性を推測することができます。

• 相対光度 vs. 順方向電流（I-V曲線）：このグラフは、光出力が駆動電流とともにどのように増加するかを示します。通常は非線形で、熱効果により非常に高い電流では効率が低下します。32mAパルスの試験点は、この曲線の効率的で線形な部分にある可能性が高いです。
• 順方向電圧 vs. 順方向電流：この曲線はダイオードのI-V特性を示します。電圧は電流に対して対数的に増加します。20mAで規定されたV_Fは、この曲線上の1点です。
• 相対光度 vs. 周囲温度：これは熱性能を理解するための重要な曲線です。LEDの光出力は、一般に接合温度が上昇すると減少します。順方向電流に対して指定されたデレーティングは、性能と信頼性を維持するためにこの熱効果を管理することに直接関連しています。
• スペクトル分布：相対強度と波長の関係を示すプロットで、約621nm付近にピークを持ち、ピーク強度の半分の高さにおける幅（FWHM）は約18nmです。

5. 機械的仕様およびパッケージ情報

本デバイスは、PCB実装に適した標準的なDIP（デュアルインラインパッケージ）スタイルのフォームファクタを持つスルーホール部品です。

• マトリクス高さ：定義する物理的特徴は、1.97インチ（50.15 mm）の文字高さです。これは遠方から視認するために設計された大型表示器です。
• パッケージ寸法：データシートには詳細な寸法図が含まれています。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。この図はPCBフットプリント設計および筐体内への適切な収まりを確保するために不可欠です。
• ピン接続：本デバイスは単一列に12本のピンを持ちます。
  • ピン1-7：カソード行1から7に対応します。一般的なマトリクス構成では、これらが走査線となります。
  • ピン8-12：アノード列5から1に対応します（順序が逆であることに注意：ピン8は列5、ピン12は列1）。これらがデータ線となります。
• 内部回路図：提供されている図は、標準的な5x7マトリクス構成を示しています。各LED（ドット）はアノード列とカソード行の交点に位置します。特定のドットを点灯させるには、対応するアノード線をハイ（正電圧）に駆動し、対応するカソード線をロー（グランド）に駆動する必要があります。このマトリクス配置により、必要な駆動ピン数を最小限（個別アドレス方式の35本ではなく12本）に抑えています。
• 極性識別：ピン配置表はアノードとカソードの接続を明確に識別しています。パッケージには、ピン1の向きを示すノッチやマーキングが一端にある可能性が高いです。

6. 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組立仕様は、はんだ付けプロセスに関するものです。

• リフロー/フローはんだ付けパラメータ：絶対最大定格は、本デバイスが最大3秒間、260℃のはんだ付け温度に耐えられることを規定しています。この測定はシーティングプレーンから1.6mm下（すなわちPCBレベル）で行われ、部品本体ではありません。これはリード部品の標準的な定格であり、一般的なフローはんだ付けプロファイルと互換性があります。鉛フリーはんだ（融点が高い）を使用したリフローはんだ付けでは、リードが短時間260℃に達しても、部品本体温度が長時間にわたって最大保管温度85℃を超えないように、プロファイルを慎重に制御する必要があります。
• 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べきです。ピンごとの接触時間は最小限に抑え、理想的には3秒未満とし、熱がリードを伝わって内部のワイヤボンドやエポキシを損傷するのを防ぎます。
• 洗浄：特定の洗浄指示はありません。標準的なイソプロピルアルコールや承認されたフラックスリムーバーを使用できますが、プラスチック面やマーキングを損傷する可能性があるため、強力な溶剤は避けるべきです。
• 保管条件：本デバイスは、乾燥した結露のない環境で、指定された温度範囲-35℃から+85℃内で保管する必要があります。湿気の吸収（はんだ付け時にポップコーン現象を引き起こす可能性がある）を防ぐために、使用するまで部品を元の防湿バッグに入れておくことが望ましいです。

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

• 産業用制御パネル：設定値、プロセス値（温度、圧力、速度）、エラーコード、または機械状態の表示。
• 試験・計測機器：マルチメータ、電源、または信号発生器からの数値読み取り値の表示。
• 民生用電子機器（レガシー）：時計、タイマー、基本的な電卓、または家電製品の表示。
• 組み込みシステムプロトタイピング：マイクロコントローラ（例：Arduino、PIC）がデバッグ情報やユーザープロンプトを表示するためのシンプルで直接的な出力。
• 積層型複数桁表示：複数のLTP-2257KAモジュールを横に並べることで、基本的な情報ボードやサイネージ向けに単語、数字、またはシンプルなスクロールメッセージを作成できます。

7.2 設計上の考慮点

• 駆動回路：専用のLEDドライバIC、または電流制限抵抗を備えたマイクロコントローラのGPIOピンが必要です。マトリクス構成のため、マルチプレックス（走査）方式が必要です。ドライバはアノード列に電流を供給し、カソード行から電流を吸い込む必要があります。マルチプレックスタイミング計算では、ドットあたりのピーク電流（100mA）と平均電流のデレーティングを遵守しなければなりません。
• 電流制限：動作電流を設定するために、各アノード列またはカソード行（駆動トポロジーに依存）に外部抵抗が必須です。抵抗値は、電源電圧（V_CC）、LED順方向電圧（V_F）、および所望の電流（I_F）に基づいて計算されます。例えば、5V電源、V_F2.3V、目標I_F20mAの場合：R = (5V - 2.3V) / 0.02A = 135オーム。標準的な150オームの抵抗が適しています。
• 熱管理：本デバイスは低電力ですが、高い周囲温度環境では順方向電流のデレーティング曲線に従う必要があります。表示器が密閉されている場合は、十分な空気の流れを確保してください。ドットあたりの平均消費電力（最大36mW）は、完全に点灯した文字全体の総最大消費電力に換算され、PCBの熱設計で考慮すべきです。
• 視野角：広い視野角の特徴は有益ですが、最適な可読性のためには、表示器は主要な視聴者に向けて取り付けるべきです。黒面/白ドットの設計は、ほとんどの角度から良好なコントラストを提供します。

8. 技術比較および差別化

リリース当時（2000年頃）に利用可能だった他の表示技術と比較して、LTP-2257KAは特定の利点を提供しました：

• 白熱灯または真空蛍光表示管（VFD）との比較：LEDはソリッドステートであり、はるかに高い信頼性、衝撃/振動耐性、長寿命（通常数万時間）、および低い動作電圧/電力を提供します。また、加熱フィラメントや高電圧を必要としません。
• 初期のLCDとの比較：LEDは自発光型であり、自身で光を生成するため、バックライトなしで低照度または暗所でも明確に視認できます。はるかに広い動作温度範囲と高速な応答時間を持ちます。ただし、反射型LCDよりも消費電力が多く、複雑なグラフィックスには適していません。
• 他のLED技術との比較：古いGaAsPやGaPと比較して、AlInGaP材料の使用は、所定の駆動電流に対してより高い効率とより良い色純度（より飽和した赤橙色）を提供しました。大型の1.97インチ高さを備えた特定の5x7フォーマットは、遠方から容易に読み取れる文字を必要とするアプリケーションをターゲットとしていました。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: すべてのドットを同時に一定のDC電流で駆動できますか？

A: 技術的には可能ですが、非常に非効率であり、35個すべてのドットが点灯した場合、平均電力定格を超える可能性があります。標準的かつ意図された方法はマルチプレックス方式で、ドットが高周波で一度に1行（または1列）ずつ点灯され、平均電流を大幅に削減しながら安定した表示の錯覚を作り出します。

Q: ピーク波長と主波長の違いは何ですか？

A: ピーク波長は、LEDが最も多くの光パワーを発する波長です。主波長は、人間の目がLEDの色と一致すると知覚する単一波長です。LEDの発光スペクトルの非対称性により、これらはしばしば近いですが同一ではありません。色知覚に関しては主波長の方がより関連性があります。

Q: 順方向電圧は2.05-2.6Vです。3.3Vのロジック電源から動作させられますか？

A: はい、もちろん可能です。3.3V電源はLEDを順方向バイアスするのに十分です。より低い電源電圧に基づいて電流制限抵抗値を再計算する必要があります（例：R = (3.3V - 2.3V) / 0.02A = 50オーム）。

Q: 光度試験条件の1/16デューティとはどういう意味ですか？

A: これは、LEDが32mAの電流でパルス駆動されたが、パルスは全時間周期の1/16の間のみアクティブであったことを意味します。測定された光度は全周期にわたる平均値です。これは1:16マルチプレックス駆動方式（例：7行 + 9ブランク = 16タイムスロット）の条件をシミュレートしています。

10. 実践的な設計および使用事例

事例：シンプルな4桁ボルトメータ表示の構築エンジニアは、パネル上に0.000から9.999ボルトの電圧を表示する必要があります。水平に積み重ねた4つのLTP-2257KAモジュールを使用することに決定しました。

1. 回路設計：ADCを備えたマイクロコントローラが電圧を読み取ります。ファームウェアは読み取り値を4桁の10進数に変換します。マイクロコントローラのI/Oポートと、個別のトランジスタまたは専用のマルチプレックスドライバIC（MAX7219など）を組み合わせて、4つの表示器を走査するように構成します。各表示器のカソード行は並列に接続され、各桁のアノード列は個別に制御されます。これにより、4桁×7行のマトリクスが作成されます。
2. 電流設定：5V電源を使用し、明るい表示を目指して、ドットあたりの平均電流を15mAに選択します。4桁と7行にわたるマルチプレックスを考慮すると（すべて点灯時の各ドットの実質的なデューティサイクルは1/28）、アクティブなタイムスロット中のピークパルス電流はより高くなります（例：15mA * 28 = 420mA）。ただし、これは100mAのピーク電流定格に対して確認する必要があります。したがって、ピークを定格内に収めるために、タイミングを調整するか、より低い平均電流を使用する必要があります。
3. 熱に関する考慮：パネルは実験室環境（25℃）を想定しています。ここでは平均電流のデレーティングは問題になりません。ただし、駆動回路からの熱を放散するために、PCBにグランドプレーンを設けることを確認します。
4. 結果：最終製品は、明確で明るく、良好な視野角を持つ4桁の読み取り値を表示し、卓上機器の要件を満たしています。

11. 動作原理

LTP-2257KAは、パッシブマトリクスに配置された発光ダイオード（LED）の基本原理に基づいて動作します。5x7グリッドを形成する35個のドットのそれぞれが、個々のAlInGaP LEDチップです。特定のアノード（列）とカソード（行）のペア間に、ダイオードの接合電位（約2V）を超える順方向バイアス電圧が印加されると、その交点にあるLEDに電流が流れます。この電流により、半導体の活性領域内で電子と正孔が再結合し、AlInGaP材料に特徴的な波長（赤橙色）の光子、すなわち光としてエネルギーが放出されます。

マトリクス構成は巧妙な相互接続方法です。35本の個別の配線を持つ代わりに、垂直列内のすべてのLEDのアノードが一緒に接続され、水平行内のすべてのLEDのカソードが一緒に接続されています。単一のドットを点灯させるには、その特定の列を正に駆動し、その特定の行をグランドに駆動します。パターン（文字など）を表示するには、走査アルゴリズムが行（または列）を高速に順次切り替え、各行に対して適切な列ドライバを順番にオンにします。十分に高い周波数（通常>100Hz）では、残像効果により文字全体が安定して点灯しているように見えます。

12. 技術トレンドと背景

LTP-2257KAは、成熟した確立された表示技術を代表しています。リリース当時、ドットマトリクスLED表示器は英数字出力の主流ソリューションでした。古いGaAsPなどの材料からAlInGaPへの移行は、効率と色の改善をもたらす重要なトレンドでした。

その後のトレンドは以下の方向に進んでいます：

表面実装デバイス（SMD）パッケージ：現代の同等品はほぼ独占的にSMDタイプであり、より小型化された自動組立が可能です。

高密度およびフルマトリクス表示：基本的な5x7フォーマットは、より大きなドットマトリクスモジュール（例：8x8、16x16）や、任意の形状や複数のフォントでテキストを表示できるフルグラフィックパネルに大きく取って代わられています。

統合コントローラ：現代のLEDマトリクスモジュールは、ドライバ、メモリ、通信インターフェース（I2CやSPIなど）を単一のボード上に含むことが多く、エンジニアの設計プロセスを大幅に簡素化しています。

代替技術：シンプルな文字出力を必要とする多くのアプリケーションでは、低電力のLCD（バックライト付きまたは無し）やOLED表示器がより一般的になっており、特に消費電力、薄型化、またはグラフィカルな能力が優先される場合に顕著です。

これらのトレンドにもかかわらず、LTP-2257KAのようなスルーホールLEDドットマトリクス表示器は、教育現場、ホビイストプロジェクト、レガシー機器の保守、およびそのシンプルさ、堅牢性、高輝度、広い温度範囲が決定的な利点となる特定の産業アプリケーションにおいて、依然として関連性を持っています。