LTP-2157AKD LEDドットマトリクス表示器 データシート - 2.0インチ高 - 5x7配列 - ハイパーレッド (650nm) - 40mW/ドット - 技術文書

1. 製品概要

LTP-2157AKDは、明確で明るく信頼性の高い視覚出力を必要とするアプリケーション向けに設計された、固体式の英数字キャラクタ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)のグリッドを使用して文字や記号を表示することです。主な適用分野には、産業用制御パネル、計測器、POS端末、医療機器の表示部、およびシンプルなモノクロ文字表示で十分な様々な民生電子機器が含まれます。

基本的な動作原理は、5x7ドットマトリクス構成に基づいています。これは、各文字が5列7行のLEDピクセルグリッド内の特定のパターンを点灯させることで形成されることを意味します。目的の各ピクセルに対応するアノード（行）とカソード（列）ラインに順方向電圧を選択的に印加することで、特定のドットが点灯し、文字や数字のような認識可能な形状を作り出します。本デバイスはマルチプレックス駆動方式を採用しており、行を高周波で順次アクティブにすることで、安定した完全点灯文字の知覚を生み出し、必要な駆動ピン数と消費電力を最小限に抑えています。

2. 技術パラメータ：詳細かつ客観的な解釈

2.1 測光・光学特性

光学性能は、周囲温度(Ta)25°Cにおける標準試験条件下で定義されます。主要パラメータである平均光度(Iv)は、1/16デューティサイクルでピーク電流(Ip)32mAで駆動した場合、典型的な値として3500マイクロカンデラ(µcd)です。これは、明るい環境下でも適した高輝度出力を示しています。規定された最小値は1650 µcdであり、これは製品の性能下限を定義します。

色特性は、AlInGaP（アルミニウムインジウムガリウムリン）半導体材料によって決定されます。ピーク発光波長(λp)は典型的に650ナノメートル(nm)で、可視スペクトルのハイパーレッド領域に位置します。主波長(λd)は639 nmと規定されています。ピーク波長と主波長の差、および20 nmのスペクトル線半値幅(Δλ)は、発光される赤色のスペクトル純度と特定の色合いを記述します。光度整合比は2:1(最大)と規定されており、同一駆動条件下で、文字内の最も暗いセグメントの輝度が最も明るいセグメントの輝度の半分以上であるべきことを意味し、均一な外観を保証します。

2.2 電気・熱特性

絶対最大定格は、永久的な損傷が発生する可能性のある動作限界を定義します。ドットあたりの平均消費電力は40ミリワット(mW)と定格されています。ドットあたりのピーク順方向電流は、パルス動作で90mAに達することができます。一方、ドットあたりの平均順方向電流は、25°Cでの基本定格が15mAで、温度上昇に伴い0.2 mA/°Cで直線的に低下します。この低下率は、熱管理と長期信頼性にとって極めて重要です。ドットあたりの最大逆電圧は5Vです。

典型的な動作条件下（順方向電流 IF=20mA）では、セグメントあたりの順方向電圧(VF)は2.1V(最小)から2.6V(最大)の範囲です。このパラメータは、ドライバ内の電流制限回路を設計する上で不可欠です。逆電流(IR)は非常に低く、最大逆電圧5Vにおいて典型的に2.3から2.8マイクロアンペア(µA)であり、良好なダイオード特性を示しています。

本デバイスの動作温度範囲は-35°Cから+85°Cと定格されており、保管温度範囲も同様です。この広い範囲により、過酷な環境下での使用に適しています。最大はんだ付け温度は、実装面から1.6mm(1/16インチ)下で測定した場合、最大3秒間260°Cと規定されており、PCB実装プロセスに対する明確なガイドラインを提供します。

3. 機械的仕様・パッケージ情報

本表示器のマトリクス高さは2.0インチ(50.8 mm)と記載されています。パッケージ寸法は、すべての寸法をミリメートルで示した詳細図面で提供されます。製造公差は、図面に別段の記載がない限り、一般的に±0.25 mm(0.01インチ)です。物理的パッケージは、グレーの表面と白いドットカラーを特徴としており、LEDが消灯時のコントラストを高め、点灯時の光を拡散させます。

ピン接続図は、正しいインターフェースのために重要です。本デバイスは14ピン構成です。内部回路は、列に対して標準的なコモンカソード配置であり、7行のアノードは個々のピンに引き出されています。内部接続に注意することが重要です：ピン4とピン11は内部で接続されており（両方とも列3のカソード）、ピン5とピン12も内部で接続されています（両方とも行4のアノード）。これらの接続は内部ボンディングを簡素化するために行われており、外部駆動ロジックには影響しません。

4. 性能曲線分析

データシートでは、典型的な電気・光学特性曲線が参照されています。提供されたテキストでは具体的なグラフは詳細に記述されていませんが、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-V曲線)：このグラフは指数関数的関係を示し、所定の駆動電流に必要な電源電圧を決定する上で重要です。
• 光度 vs. 順方向電流：この曲線は、光出力が電流とともにどのように増加するかを示し、動作範囲内では非常に高い電流で効率が低下する前は、ほぼ線形関係にあります。
• 光度 vs. 周囲温度：これは、接合温度が上昇するとLED出力が減少する熱消光効果を示しています。これを理解することは、周囲温度が高い、または放熱が不十分なアプリケーションにおいて重要です。
• スペクトル分布：相対強度対波長のプロットで、定義された20nmの半値幅を持つ650nmピーク付近に光出力が集中していることを示します。

これらの曲線により、設計者は性能を最適化し、輝度、効率、駆動電流、熱管理の間のトレードオフを理解することができます。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

損傷を防ぐため、実装は規定のはんだ付けプロファイルに従わなければなりません。許容される最大はんだ付け温度は260°Cであり、部品はこの温度に3秒を超えてさらされてはなりません。これは通常、温度を上昇させ、ピークで保持し、規定の範囲内で冷却するプロファイルを持つ制御されたリフローはんだ付けプロセスを使用して達成されます。はんだごてによる手はんだ付けでは、熱を局所化し、これらのパラメータを超えないように細心の注意が必要です。

保管については、本デバイスは低湿度環境で、規定の温度範囲-35°Cから+85°C内に保つべきです。部品はその保存寿命内に使用し、取り扱い中は静電気放電(ESD)対策を標準的に行い、敏感な半導体接合を保護することが推奨されます。

6. アプリケーション提案および設計上の考慮点

6.1 代表的なアプリケーション回路

LTP-2157AKDは外部駆動回路を必要とします。一般的な設計では、十分なI/Oピンを備えたマイクロコントローラ、または専用のLED表示ドライバIC（MAX7219など）を使用します。ドライバはマルチプレックスを実装する必要があります：7本の行アノードラインを順次アクティブにしながら、その特定の行に対する列カソードデータを提供します。リフレッシュレートは、目に見えるちらつきを避けるために十分に高く（通常>100Hz）なければなりません。各列ライン（またはドライバに統合）には、順方向電流を所望の値（例：典型的な輝度の場合は20mA）に設定するための電流制限抵抗が必須です。抵抗値の計算式は R = (Vcc - Vf - Vdriver_sat) / If です。ここで、Vccは電源電圧、VfはLED順方向電圧（最大約2.6V）、Vdriver_satはドライバの飽和電圧、Ifは所望の順方向電流です。

6.2 設計上の考慮点

• 電源：電源が要求されるピーク電流を供給できることを確認してください。1行あたり最大5列が点灯し、ドットあたり最大20mAのピーク電流の場合、単一行で100mAを消費する可能性があります。電源はこのパルス負荷に対応できなければなりません。
• 放熱：個々のドットの消費電力は最大40mWですが、多くのドットを連続動作させるとかなりの熱が発生する可能性があります。高い周囲温度または最大定格で動作する場合は、十分な通風または放熱対策を確保してください。
• 視野角とコントラスト：グレー表面/白ドットの設計は、消灯時の良好なコントラストを提供します。表示器を実装する際は、意図する視野角を考慮してください。LEDの輝度はしばしば軸上で最も高くなります。
• ソフトウェア：マイクロコントローラのファームウェアには、フォントマップ（各文字の5x7パターンを定義するルックアップテーブル）とマルチプレックスルーチンを含める必要があります。

7. 技術比較および差別化

本表示器の主な差別化要因は、AlInGaPハイパーレッドLED技術の採用です。従来のGaAsP（ガリウムヒ素リン）赤色LEDと比較して、AlInGaPは著しく高い発光効率を提供し、同じ駆動電流でより高い輝度、または同等の輝度をより低い電力で実現します。また、温度や時間経過に対する色純度と安定性も優れています。

シンプルな7セグメント表示器と比較して、5x7ドットマトリクスははるかに高い柔軟性を提供し、完全な英数字キャラクタセット（A-Z、0-9、記号）や単純なグラフィックスさえも表示可能です。一方、7セグメント表示器は主に数字と少数の文字に限定されます。トレードオフは、ハードウェア（より多くの駆動ピン）とソフトウェア（文字生成）の両方における複雑さの増加です。

8. 技術パラメータに基づくよくある質問

Q: マルチプレックスせずに、一定のDC電流でこの表示器を駆動できますか？

A: 技術的には可能ですが、非常に非効率的であり推奨されません。35個すべてのドットを20mAで同時に駆動すると、700mAの電流消費と大きな発熱が必要になります。マルチプレックスは標準的かつ意図された方法であり、電力とピン数を削減します。

Q: ピーク発光波長(650nm)と主波長(639nm)の違いは何ですか？

A: ピーク波長は、スペクトル出力における最大強度の点です。主波長は、人間の目に同じ色に見える単色光の単一波長です。この差は、LEDが単一の純粋な波長ではなく、幅20nmの光のスペクトルを発光するために生じます。

Q: ピン配置図では、列3に2本、行4に2本のピンが示されています。両方に接続する必要がありますか？

A: いいえ、これらのピンは内部で接続されています。どちらか一方に接続すれば十分です。この内部接続は、ダイボンディングを簡素化するための製造上の工夫です。両方に接続しても害はありませんが不要です。

Q: 平均消費電力はどのように計算しますか？

A: マルチプレックス表示の場合、平均電流はおおよそ（完全点灯文字内の点灯ドット数 / 総ドット数）* ドットあたり電流 * デューティサイクル です。例えば、24ドットが点灯する文字を20mA、1/7デューティサイクル（7行）で駆動する場合：平均電流 ≈ (24/35) * 20mA * (1/7) ≈ 2mA/文字 です。総負荷は文字数で乗算します。

9. 実用的なアプリケーション事例

シナリオ: 産業用オーブン向けのシンプルな単一文字温度表示器の設計。

要件は、0から199°Cの温度を表示することです。マイクロコントローラが温度センサを読み取ります。1個のLTP-2157AKD表示器を使用します。マイクロコントローラのピン数が限られているため、シリアルイン/パラレルアウトシフトレジスタ（74HC595など）を使用して5列のカソードを駆動し、7本の自前のI/Oピンを使用してトランジスタスイッチを介して行アノードを駆動します（より高い行電流を扱うため）。

ファームウェアには、数字0-9および度記号のための5x7フォントが含まれています。マルチプレックスルーチンはタイマ割り込みで実行されます。表示器は安定した明るい赤色の数字を表示し、工場環境で数フィート離れても読むことができます。表示器の広い動作温度範囲（-35°Cから+85°C）は、オーブンコントローラの外装が温かくなった場合でも信頼性を確保します。グレー表面の高いコントラストは、明るい産業用照明下での色褪せを防ぎます。

10. 技術原理とトレンド

10.1 基礎技術原理

発光は、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。順方向電圧が印加されると、n型AlInGaP層からの電子がp型層からの正孔と再結合します。この再結合事象により、光子（光）の形でエネルギーが放出されます。AlInGaP材料の特定のエネルギーバンドギャップが、放出される光子の波長（色）、この場合は約650nmの赤色光を決定します。不透明なGaAs基板は下方に発光された光を吸収し、デバイス上部からより多くの光を反射することで全体的な効率を向上させます。5x7アレイは、複数の微小LEDチップまたは単一のパターン化されたダイを共通基板上に堆積・パターニングし、相互接続されたアノードおよびカソードラインで構成されています。

10.2 業界トレンド

LTP-2157AKDのような個別の5x7ドットマトリクス表示器は、特定のコスト重視のアプリケーションでは依然として関連性がありますが、より広範な業界トレンドは統合ソリューションに向かっています。これらには以下が含まれます：

- 表面実装デバイス(SMD)アレイ：より小さな占有面積、容易な自動実装。

- 統合コントローラ/ドライバ表示器：SPIやI2Cを介して通信する内蔵コントローラを備えたモジュールで、マイクロコントローラのリソース負担を大幅に軽減します。

- 高解像度とカラー化：より詳細なグラフィックスのための微細ピッチマトリクスおよびフルカラーRGB表示器への移行。

- 代替技術：一部のアプリケーションでは、OLED（有機LED）表示器が優れたコントラストと視野角を提供しますが、多くの場合、より高コストで、異なる寿命特性を持ちます。

このような個別LEDマトリクスの永続的な利点は、その極端な堅牢性、長寿命、高輝度、シンプルさ、およびモノクロ文字表示タスクにおける低コストであり、産業用および組み込みシステムでの継続的な使用を保証しています。