LTC-4727JD LEDディスプレイ仕様書 - 0.4インチ桁高 - ハイパーレッド(650nm) - 順電圧2.6V - 消費電力70mW - 技術文書

1. 製品概要

LTC-4727JDは、明確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、4桁7セグメント英数字表示モジュールです。その主な機能は、個別にアドレス可能なセグメントを通じて数値データを視覚的に表現することです。本デバイスは、不透明なGaAs基板上に実装された先進的なAlInGaP（アルミニウムインジウムガリウムリン）LEDチップを使用して構築されています。この材料選択はデバイスの性能にとって重要であり、AlInGaP半導体は赤色から琥珀色のスペクトル領域における高効率と優れた発光出力で知られています。視覚的表現は、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特徴としており、様々な照明条件下で最適な視認性を提供する高いコントラストを実現します。

このディスプレイの中核的な利点は、LED技術に由来するソリッドステートの信頼性にあります。これは、真空蛍光管や白熱灯ディスプレイなどの従来技術と比較して、大幅に長い動作寿命を提供します。本デバイスは光度でカテゴライズされており、一貫した輝度レベルを保証するためにユニットがビニングおよびテストされています。パッケージは鉛フリー製造要件に準拠しています。ディスプレイの設計は、優れた文字表示、高輝度、広い視野角を優先しており、複数の角度からの視認性が不可欠な民生用および産業用インターフェースの両方に適しています。

1.1 技術パラメータの詳細な客観的解釈

1.1.1 測光・光学特性

光学性能は、周囲温度(Ta)25℃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、順電流(IF)1mAで駆動した場合、最小200µcdから最大650µcdの範囲で指定されています。この範囲は、実際の出力に基づいてデバイスが選別される製造ビニングプロセスを示しています。代表値は設計計算のための中心的な参照点として機能します。類似発光領域の光度マッチング比は最大2:1と指定されており、すべてのセグメントおよび桁で均一な輝度を確保し、まだらまたは不均一な外観を防ぐために重要です。

色特性は波長によって定義されます。ピーク発光波長(λp)は代表値で650ナノメートル(nm)であり、出力は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639nmと指定されています。区別を理解することが重要です：ピーク波長はスペクトルパワーが最大となる点であり、主波長は人間の目が知覚する色の単一波長です。スペクトル線半値幅(Δλ)は20nmであり、発光の狭い帯域幅を示しており、純粋で飽和した赤色に寄与します。

1.1.2 電気的パラメータ

電気的特性は、デバイスの動作限界と条件を定義します。絶対最大定格は、永久的な損傷が発生する可能性のある限界を設定します。セグメントあたりの連続順電流定格は25mAです。25℃から線形的に0.33mA/℃のデレーティング係数が適用され、周囲温度が上昇するにつれて最大安全連続電流が減少することを意味します。これは熱管理における重要な設計上の考慮事項です。パルス動作では、特定の条件下（1/10デューティ比、0.1msパルス幅）で、より高いピーク順電流90mAが許容されます。これにより、平均電力を低く保ちながら知覚される輝度を達成するために、より高い瞬間電流を使用できるマルチプレクシング方式が可能になります。

セグメントあたりの順方向電圧(VF)は、IF=20mAで2.1Vから2.6Vの範囲です。このパラメータは、通常は抵抗器または定電流ドライバである電流制限回路を設計するために不可欠です。逆電圧(VR)定格は5Vであり、この電圧での逆電流(IR)は最大100µAであり、オフ状態でのダイオードのリーク特性を示しています。セグメントあたりの消費電力は70mWに制限されており、これはアプリケーションの熱設計に直接関係します。

1.1.3 熱・環境仕様

本デバイスの動作温度範囲は-35℃から+105℃に定格されています。この広い範囲により、産業用制御装置や自動車内装（非重要領域）を含む過酷な環境でのアプリケーションに適しています。同一の保存温度範囲は、電源が入っていない状態でもデバイスがこれらの極限状態に耐えられることを保証します。はんだリフロー条件は明示的に規定されています：部品は、実装面から1/16インチ（約1.59mm）下で測定して、260℃で3秒間耐えることができます。この情報は、はんだ付け中の熱損傷を防ぐためのPCB組立プロセスにとって極めて重要です。

1.2 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ことを示しています。これは、製造されたユニットが標準試験電流（おそらく1mAまたは20mA）で測定された光出力に基づいてグループ（ビン）にテストおよび選別されるビニングプロセスを意味します。設計者はビンを選択して、単一製品内の複数のディスプレイ間で輝度の一貫性を確保できます。この文書ではビンコードが明示的に詳細に記載されていませんが、このようなシステムにより、保証された最小または代表的な光度を持つ部品の調達が可能になり、均一な視覚性能を必要とするアプリケーションにとって重要です。

1.3 性能曲線分析

データシートは代表的な電気/光学特性曲線を参照しており、これは単一点の仕様を超えてデバイスの動作を理解するための重要なツールです。提供されたテキストでは特定の曲線は詳細に記載されていませんが、このようなデバイスの代表的な曲線には以下が含まれます：

• 相対光度 vs. 順電流（I-V曲線）：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ます。通常は非線形であり、熱効果により非常に高い電流では効率が低下することがよくあります。
• 順電圧 vs. 順電流：これはダイオードのIV特性を示し、電圧降下と電源要件を計算するために重要です。
• 相対光度 vs. 周囲温度：この曲線は、接合温度が上昇するにつれて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、高い周囲温度で動作する設計の鍵です。
• スペクトル分布：指定された20nmの半値幅を持つ650nmピークを中心に、波長全体にわたる相対パワーを表示するグラフです。

これらの曲線により、設計者は輝度、効率、寿命のバランスを考慮して駆動条件を最適化できます。

2. 機械的・パッケージ情報

2.1 寸法・外形図

パッケージ図は重要な機械的データを提供します。すべての主要寸法はミリメートルで指定されています。これらの寸法の標準公差は、特定の特徴の注記で別段の記載がない限り±0.25mmです。重要な注記として、ピン先端シフト公差が+0.4mmと指定されており、これは成形プロセス中のリードの潜在的なわずかな位置ずれを考慮したもので、PCBの穴配置やソケット設計に影響を与えます。全体のサイズは、単一の数字文字の物理的な高さを指す0.4インチ（10.0mm）の桁高によって決定されます。

2.2 ピン配置・接続図

本デバイスは16ピン構成ですが、すべての位置が実装または接続されているわけではありません。これはマルチプレックス・コモンカソードディスプレイとして構成されています。このアーキテクチャはその動作の基本です：

• コモンカソード：ピン1、2、4、6、および8は、それぞれ桁1、桁2、セグメントのグループ(L1,L2,L3)、桁3、桁4のコモンカソード接続です。マルチプレックス方式では、これらのカソードを順次グランドに切り替えて、どの桁をアクティブにするかを選択します。
• セグメントアノード：ピン3、5、7、11、13、14、15、および16は、個々のセグメント(A, B, C, D, E, F, G, DP)および一部のコロン/句読点セグメント(L1, L2, L3)のアノード接続です。適切なアノードをハイ（電流制限抵抗を介して）駆動して、現在選択されている桁の特定のセグメントを点灯させます。
• 内部回路図は、これらのアノードとカソードの相互接続を示しており、スタティック駆動に必要な36本以上のラインではなく、わずか13本の有効な信号線で4桁と小数点/コロンを制御できるマトリックスを形成しています。

3. はんだ付け・組立ガイドライン

絶対最大定格セクションは、主要なはんだ付けパラメータを提供します：デバイスは、実装面から1.59mm（1/16インチ）下の点で測定して、はんだ温度260℃で3秒間耐えることができます。これは標準的なリフロープロファイルの参照です。手はんだ付けでは、局所的な過熱を防ぐために、より低い温度と短い接触時間を使用する必要があります。組立プロセスのどの部分においても、LEDパッケージ自体の温度が最大保存温度定格を超えないようにすることが極めて重要です。LEDチップは静電気に敏感であるため、適切なESD（静電気放電）取り扱い手順に従う必要があります。

4. アプリケーション提案

4.1 代表的なアプリケーションシナリオ

このディスプレイは、コンパクトで信頼性が高く明るい数値表示を必要とするアプリケーションに理想的です。一般的な用途は以下の通りです：

• 試験・測定機器：デジタルマルチメータ、周波数カウンタ、電源装置。
• 産業用制御装置：温度、圧力、RPM、カウント表示用のパネルメータ。
• 民生用電子機器：オーディオ機器（アンプの音量/表示）、厨房家電、時計。
• 自動車アフターマーケット：ゲージおよび表示モジュール（環境仕様が適合する場合）。

4.2 設計上の考慮事項と回路実装

このディスプレイを駆動するには、専用のディスプレイドライバIC（MAX7219やTM1637など）または十分なI/Oピンとソフトウェアを備えたマイクロコントローラであるマルチプレクシングコントローラが必要です。設計では以下を考慮する必要があります：

• 電流制限：順電流を設定するために、各セグメントアノード（または定電流ドライバを使用する場合は一連のアノード）と直列に抵抗器を配置する必要があります。値はR = (Vcc - VF) / IFを使用して計算されます。最大VF 2.6V、目標IF 10mAの5V電源を使用する場合、R = (5 - 2.6) / 0.01 = 240オームです。
• マルチプレクシング周波数：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する必要があり、通常は桁あたり60-100Hz以上です。4桁の場合、走査周波数は240-400Hzである必要があります。
• ピーク電流 vs. 平均電流：所望の平均輝度を達成するために、短いON時間中のピーク電流を高くすることができます。デューティ比が1/4（4桁の場合）の場合、ピーク電流20mAはセグメントあたり平均電流5mAをもたらし、連続定格内に収まります。
• 放熱：特に高い周囲温度では、セグメントあたりの平均消費電力(IF * VF * デューティ比)が70mWを超えないようにしてください。

5. 技術比較と差別化

LTC-4727JDは、GaAs基板上でのAlInGaPテクノロジーの使用によって差別化されています。従来のGaP（リン化ガリウム）赤色LEDと比較して、AlInGaPは大幅に高い発光効率を提供し、同じ電流でより明るいディスプレイ、または同じ輝度でより低い消費電力を実現します。不透明な基板は、内部光散乱を防ぐことでコントラストの向上に役立ちます。連続均一セグメント機能は、セグメント内のギャップや不均一な照明を回避する高品質のダイとレンズ設計を示しています。鉛フリーパッケージは、現代の環境規制（RoHS）への準拠を保証します。

6. よくある質問（技術パラメータに基づく）

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からのスペクトルパワー出力が最も高い物理的な点です。主波長は、人間の目が知覚する色の点であり、全スペクトルから計算されます。これらはわずかに異なることがよくあります。

Q: 3.3Vマイクロコントローラでこのディスプレイを駆動できますか？

A: はい、ただし順電圧を確認する必要があります。最大VFが2.6Vの場合、電流制限抵抗のためのヘッドルームはわずか0.7V（3.3V - 2.6V）です。この小さな電圧降下により、電流はVFの変動に対してより敏感になります。3.3Vシステムでは定電流ドライバの使用を推奨します。または、より低い目標電流を使用してください。

Q: 順電流にデレーティング係数があるのはなぜですか？

A: LEDは半導体接合部で熱を発生させます。周囲温度が上昇すると、所与の消費電力に対して接合温度が上昇します。デレーティング係数は、接合温度が最大定格を超えて寿命を大幅に短縮したり故障を引き起こしたりするのを防ぐために、許容される最大電流を下げます。

Q: マルチプレックス・コモンカソードは、私の駆動回路にとって何を意味しますか？

A: それは、コモンカソードピンをグランド（ロー）に接続することで、一度に1桁ずつ点灯させることを意味します。次に、その桁に表示したいパターンのセグメントアノードピンに電圧を印加します。すべての桁を高速でサイクルします。人間の目は光を統合するため、すべての桁が連続して点灯しているように見えます。

7. 実装ケーススタディ

マイクロコントローラとこのディスプレイを使用して、シンプルな4桁電圧計を設計することを考えてみましょう。マイクロコントローラのADCが電圧を読み取り、数値に変換し、ディスプレイを駆動します。マイクロコントローラは、電流制限抵抗を介してセグメントアノード(A-G, DP)に接続された8本のI/Oピンを持ちます。4本の追加I/Oピンは、4つの桁カソードピン(1, 2, 6, 8)から電流をシンクするNPNトランジスタ（またはトランジスタアレイICを使用）を制御します。ピン4（コロンのコモンカソード）は、コロンが常時点灯する場合はグランドに接続するか、別々に制御できます。ファームウェアは、ディスプレイをリフレッシュするためのタイマ割り込みを実装します。割り込みルーチンでは、すべての桁カソードをオフにし、次の桁のセグメントパターンをアノードポートに出力し、その桁のカソードをオンにします。このプロセスを各桁に対して繰り返し、安定したちらつきのない表示を作成します。

8. 動作原理の紹介

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センスに基づいています。ダイオードの閾値を超える順電圧が印加されると、N型AlInGaP領域からの電子がP型領域からの正孔と再結合します。この再結合イベントは、光子（光）の形でエネルギーを放出します。650nm（赤色）の特定の波長は、結晶成長プロセス中に設計されたAlInGaP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。不透明なGaAs基板は下向きに発せられる光を吸収し、コントラストを向上させます。個々のセグメントは、複数のLEDチップまたはパターン化されたアノードを持つ単一チップによって形成され、内部でパッケージピンに配線されています。マルチプレクシング方式は、人間の目の残像効果を利用して必要な制御ラインの数を減らす電気的技術です。

9. 技術トレンド

AlInGaPは赤色および琥珀色LEDの高性能テクノロジーとして残っていますが、より広範なディスプレイ業界のトレンドはこのような部品に影響を与えます。より高い効率（ワットあたりのルーメン）への継続的な推進があり、より低い電力でより明るいディスプレイ、または発熱の削減が可能になります。小型化は別のトレンドですが、桁高は多くの場合視認性要件によって制約されます。統合は重要なトレンドです。現代のディスプレイモジュールには、ドライバIC、コントローラ、時にはマイクロコントローラさえも同じパッケージ内に含まれることが多く、シンプルなシリアルバス（I2CまたはSPI）へのインターフェースを簡素化します。しかし、LTC-4727JDのようなディスクリートディスプレイは、コスト重視の設計、カスタムレイアウト、または制御電子機器が集中化されているアプリケーションにとって依然として重要です。世界的な環境規制に準拠した鉛フリーおよびハロゲンフリー材料への移行は現在標準となっています。将来の開発では、新しい基板材料やチップ設計によるさらなる効率向上が見られるかもしれませんが、コアとなるマルチプレックス7セグメントアーキテクチャは、数値表示ニーズに対する信頼性が高く費用対効果の高いソリューションであり続けます。