LTC-5675KG LEDディスプレイ データシート - 0.52インチ桁高 - AlInGaPグリーン - 順電圧2.6V - 技術文書

1. 製品概要

LTC-5675KGは、4桁7セグメントの英数字表示モジュールです。主な機能は、様々な電子機器や計測機器において、明確で視認性の高い数値および限定的な英数字情報を提供することです。中核技術として、高効率な緑色光を生成することで知られる、不透明なGaAs基板上に実装されたAlInGaP（アルミニウム・インジウム・ガリウム・リン）LEDチップを採用しています。表示部は白いセグメントマーキングが施されたグレーのフェースプレートを備えており、点灯する緑色セグメントに対して優れたコントラストを提供します。この設計は、低消費電力かつ優れた視覚性能を備えた信頼性の高いソリッドステート数値表示を必要とする用途、例えば産業用制御パネル、試験装置、民生用機器、コンパクトな形状で複数桁が必要な計測機器などをターゲットとしています。

1.1 主な特長と利点

• 桁サイズ：0.52インチ（13.2 mm）の文字高さで、良好な可読性を提供します。
• セグメント設計：連続的で均一なセグメントにより、優れた文字の見た目と美観を実現。
• 光学性能：高輝度かつ高コントラスト比により、様々な照明条件下でも鮮明な視認性を確保。
• 視野角：広い視野角を備え、軸外れ位置からでも表示が読み取れることを保証します。
• 電力効率：低電力要求により、バッテリー駆動や省エネルギーを重視するアプリケーションに適しています。
• 信頼性：可動部品のないソリッドステート構造による信頼性で、長い動作寿命を実現。
• 品質管理：輝度によるカテゴリ分け（ビニング）が行われており、複数桁や複数ユニットのアプリケーションで一貫した輝度マッチングが可能です。
• 環境適合性：RoHS（有害物質使用制限）指令に準拠した無鉛パッケージです。

2. 技術仕様の詳細分析

このセクションでは、データシートに規定された電気的および光学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 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ストレスの限界を定義します。この限界を超えて動作させることは推奨されません。

• セグメントあたりの電力損失：最大70 mW。これは順電圧に基づく最大連続電流を制限します。
• セグメントあたりのピーク順電流：最大60 mA、ただしパルス条件（1 kHz、25%デューティサイクル）でのみ有効です。この定格はマルチプレクシングや短時間のサージ条件を想定しています。
• セグメントあたりの連続順電流：25°C時で最大25 mA。周囲温度が25°Cを超えて上昇すると、この電流は0.33 mA/°Cで線形に低下します。例えば、85°Cでは、最大許容連続電流は約 25 mA - ((85°C - 25°C) * 0.33 mA/°C) = 5.2 mA となります。
• セグメントあたりの逆電圧：最大5 V。これを超えると接合部の破壊を引き起こす可能性があります。
• 動作温度範囲：-35°C ～ +85°C。デバイスは産業用温度範囲に対応しています。
• 保存温度範囲：-35°C ～ +85°C。
• はんだ付け条件：260°Cで3秒間。ただし、これは部品の実装面から1/16インチ（約1.6mm）下で測定された値であることが条件です。これは一般的なリフロー温度プロファイルのガイドラインです。

2.2 電気的・光学的特性（Ta=25°C）

これらは、指定された試験条件下での代表的な動作パラメータです。

• 平均光度（I_V）：これは主要な輝度パラメータです。
  • 最小値：I_F= 1 mA 時に 320 µcd
  • 代表値：I_F= 10 mA 時に 1050 µcd
  • 最大値：I_F= 10 mA 時に 11550 µcd。最小値から最大値までの広い範囲は、デバイスがビニング（カテゴリ分け）されていることを示しています。設計者は均一な輝度を得るために適切なビンから選択する必要があります。
• ピーク発光波長（λ_p）：I_F=20mA 時に 571 nm（代表値）。これは可視スペクトルの緑色領域です。
• スペクトル線半値幅（Δλ）：15 nm（代表値）。これは発光する緑色光のスペクトル純度または帯域幅を示しています。
• 主波長（λ_d）：572 nm（代表値）。ピーク波長とはわずかに異なり、人間の目が光源の色と一致すると知覚する単一波長です。
• セグメントあたりの順電圧（V_F）：I_F=20mA 時に 2.1V（最小）、2.6V（代表値）。これは電流制限回路を設計する上で極めて重要です。駆動回路はこのV_F.
• セグメントあたりの逆電流（I_R）：V_R=5V 時に最大 100 µA。低い値は接合部の品質が良好であることを示します。
• 光度マッチング比（I_V-m）："類似光領域"内のセグメント間で最大2:1。これは、1桁または指定されたグループ内で最も明るいセグメントが最も暗いセグメントの2倍を超えて明るくならないことを意味し、視覚的な均一性を保証します。

測定に関する注意：光度は、CIEの明所視感度曲線に近似した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ており、値が人間の明るさ知覚に対応することを保証しています。

3. ビニングシステムの説明

データシートは、デバイスが輝度でカテゴリ分けされていると明記しています。これはビニングプロセスです。

• 光度ビニング：I_V仕様（10mA時に320～11550 µcd）の広い範囲は、複数の輝度ビンが存在することを示唆しています。メーカーは部品をテストし、測定された出力に基づいてグループ（ビン）に分類します。これにより、顧客は高輝度アプリケーション用に保証された最小輝度レベル（例：I_V> 8000 µcdのビン）の部品や、コスト重視の設計用の標準ビンの部品を購入できます。ビニングされた部品を使用することは、複数のディスプレイや桁にわたって均一な外観を実現するために不可欠です。
• 波長の一貫性：明示的にビニングされているとは記載されていませんが、λ_p（571 nm）およびλ_d（572 nm）の厳密な代表値は、良好なプロセス制御を示しており、生産ロット全体で一貫した緑色を実現しています。

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記載されていませんが、その標準的な内容と重要性を推測することができます。

• 順電流 vs. 順電圧（I-V曲線）：このグラフは指数関数的な関係を示します。所定の駆動電流に必要な供給電圧を決定し、電力損失（P = V_F* I_F）を計算するために極めて重要です。
• 光度 vs. 順電流：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。通常は非線形であり、非常に高い電流では発熱により効率（ルーメン毎ワット）が低下することがよくあります。データシートは1mAと10mAでの離散的な点を提供しています。
• 光度 vs. 周囲温度：AlInGaP LEDの場合、一般に接合温度が上昇すると光出力は減少します。この曲線は、全温度範囲（-35°C～+85°C）で動作するアプリケーションを設計し、高温時でも十分な輝度を確保するために不可欠です。
• スペクトル分布：相対強度と波長の関係を示すグラフで、571-572 nmを中心に約15 nmの半値幅を持ち、緑色光出力を確認できます。

5. 機械的仕様とパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

デバイスは標準的なLEDディスプレイパッケージを使用しています。寸法図（本文では参照のみで詳細はなし）には通常、以下が示されます：

• モジュール全体の長さ、幅、高さ。
• 桁間の間隔（ピッチ）。
• セグメントの寸法と間隔。
• リード（ピン）の間隔、長さ、直径。注記には、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、一般的な公差は±0.25 mmであると記載されています。

5.2 ピン構成と極性

LTC-5675KGはコモンアノードデバイスです。これは、各桁のすべてのLEDのアノードが内部で接続され、桁ごとに単一のピン（ピン10-13：桁1-4アノード）に引き出されていることを意味します。各セグメント（A-G、DP）のカソードはすべての桁で共有され、それぞれのピン（セグメントA-G用：ピン27-30、35-37；小数点用：ピン31-34）に接続されています。この構成はマルチプレクシングに理想的です。

マルチプレクシング動作：数字を表示するために、マイクロコントローラは以下を行います：

1. 目的の文字に対応するセグメントカソード（A-G）のパターンを設定します。
2. その文字が表示される特定の桁のコモンアノードピンをON（電圧を印加）にします。
3. 各桁のアノードを高周波数（例：100Hz以上）で順次切り替え、すべての桁が同時に点灯しているように知覚させます。これにより、スタティック駆動と比較して必要な駆動ピン数と消費電力を大幅に削減できます。

内部回路図：参照される図は、コモンアノード、マルチプレクシングアーキテクチャを視覚的に確認させ、4つの桁アノードと7+1のセグメントカソードを示しています。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

• リフローはんだ付け：指定条件は260°Cで3秒間、部品本体から1.6mm下で測定された値です。これは一般的な無鉛リフロープロファイル（ピーク温度245-260°C）に適合しています。
• 注意事項：
  • 取り扱い中にリードに機械的ストレスをかけないでください。
  • はんだ付け前後にディスプレイが最大保存温度を超える温度にさらされないようにしてください。
  • 取り扱い中は標準的なESD（静電気放電）対策に従ってください。
• 保存条件：指定された温度範囲（-35°C～+85°C）内の乾燥した環境で保管し、リフロー時にポップコーン現象を引き起こす可能性のある湿気の吸収を防いでください。

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

• 産業用計測機器：パネルメーター、プロセスコントローラー、タイマー表示。
• 試験・測定機器：デジタルマルチメーター、周波数カウンター、電源装置。
• 民生用/業務用機器：電子レンジ、オーディオ機器、POS端末。
• 自動車用アフターマーケット：日中視認性のために高輝度が必要な計器や表示器。

7.2 設計上の考慮事項

• 電流制限：各セグメントカソードまたは桁アノード（駆動方式による）には、必ず直列の電流制限抵抗を使用してください。抵抗値は R = (V_電源- V_F) / I_F で計算されます。5V電源、V_F=2.6V、I_F=10mAの場合： R = (5 - 2.6) / 0.01 = 240 Ω。
• マルチプレクシングドライバ：十分なI/Oピンを備えたマイクロコントローラ、またはマルチプレクシングと電流制御を処理する専用LEDドライバIC（例：MAX7219、TM1637）を使用してください。ドライバICは設計を簡素化し、輝度制御機能を提供することが多いです。
• 電力損失：特にマルチプレクシング中に複数桁の全セグメントを同時に駆動する場合の総電力を計算してください。定格を超えないことを確認し、高温環境で動作する場合は熱対策を考慮してください。
• 輝度マッチング：最良の視覚効果を得るため、特に複数のディスプレイを使用する場合は、サプライヤーに光度ビンを指定してください。
• 視野角：広い視野角により柔軟な取り付けが可能ですが、機械設計時に主なユーザーの視線を考慮してください。

8. 技術比較と差別化

従来の標準GaP（リン化ガリウム）グリーンLEDやフィルター付き白熱灯表示などの技術と比較して、LTC-5675KGのAlInGaP技術は以下を提供します：

• より高い効率と輝度：AlInGaPは優れた発光効率を提供し、より低い電流でより明るい表示を実現します。
• より良い色飽和度：緑色は一般的により純粋で鮮やかです。
• 信頼性の向上：ソリッドステートLEDは、白熱灯や真空蛍光表示管（VFD）よりもはるかに長い寿命を持ちます。
• 低消費電力：携帯機器やバッテリー駆動機器に不可欠です。
• フィルターの背後で使用される一部の現代的なブルーチップ+蛍光体白色LEDと比較して、単色緑色アプリケーションではAlInGaPグリーンの方が効率的であることが多いです。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

1. 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、発光スペクトルの強度が最大となる単一波長です。主波長は、光源の知覚される色と一致する単色光の単一波長です。これらはしばしば近い値ですが同一ではなく、人間の知覚にとっては主波長の方がより関連性があります。
2. Q: ドライバICなしで3.3Vの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: 可能ですが、注意が必要です。代表的なV_Fは20mAで2.6Vです。3.3Vでは、電流制限抵抗にかかる電圧マージンはわずか0.7Vです。10mAの電流の場合、70Ωの抵抗が必要になります。これは実行可能ですが、V_Fや電源電圧の変動により電流が大きく変動する可能性があります。専用のLEDドライバやトランジスタバッファを使用する方が堅牢です。
3. Q: なぜ連続電流は温度とともに低下するのですか？
   
   A: LEDの接合温度が上昇すると、内部効率が低下し、熱暴走のリスクが高まります。電流を低下させることで過剰な発熱を防ぎ、長期信頼性を確保し、輝度の低下や故障を防止します。
4. Q: 設計において輝度でカテゴリ分けされているとはどういう意味ですか？
   
   A: これは、特定の輝度ビン（例：最小I_V値）を選択するために、ディストリビューターと協力する必要があることを意味します。そうしないと、異なるビンからの部品を受け取る可能性があり、桁間や製品の異なるユニット間で目立つ輝度差が生じる可能性があります。

10. 設計および使用事例

シナリオ：4桁DC電圧パネルメーターの設計

1. マイクロコントローラの選択：少なくとも12個のデジタルI/Oピン（4桁アノード + 7セグメントカソード + 1小数点）を備えたMCUを選択するか、I/Oエキスパンダを使用します。
2. 駆動回路：ファームウェアでマルチプレクシングを実装します。MCUは桁1～4を高速で切り替えます。各桁について、カソードピンにセグメントパターンを設定し、小さなNPNトランジスタを介して対応するアノードピンを有効にします（完全に点灯した数字8の場合、アノード電流は8セグメント * 10mA = 80mAとなり、ほとんどのMCUピンの制限を超える可能性があるため）。
3. 電流制限：8本の220Ω抵抗（セグメントカソードA-GおよびDP用に各1本）を配置します。これにより、5V電源および代表的なV_F.
4. 輝度制御：必要に応じて、桁の有効時間にソフトウェアPWM（パルス幅変調）を実装し、ディスプレイ全体を減光します。
5. 結果：0.000から19.99Vまでの電圧測定値を表示する、コンパクトで効率的かつ明るいディスプレイ。高コントラスト・高輝度のAlInGaPセグメントにより、屋内・屋外の照明条件下でも優れた可読性を発揮します。

11. 技術原理の紹介

LTC-5675KGはAlInGaP（アルミニウム・インジウム・ガリウム・リン）半導体技術に基づいています。この材料システムは、不透明なGaAs（砒化ガリウム）基板上にエピタキシャル成長されます。AlInGaP層のp-n接合に順方向電圧が印加されると、電子と正孔が再結合し、光子の形でエネルギーを放出します。活性層中のAl、In、Ga、P原子の特定の組成がバンドギャップエネルギーを決定し、それが直接発光の波長（色）を決定します。このデバイスでは、約572 nmを中心とする緑色光を生成するように組成が調整されています。不透明な基板は、光が主にチップの上面から放出されることを意味し、セグメントベースの表示構造に適しています。個々のLEDチップはワイヤーボンディングされ、プラスチックパッケージ内で標準的な7セグメントパターンに組み立てられます。

12. 技術動向と背景

AlInGaP技術は、高効率な赤色、オレンジ色、琥珀色、緑色LEDのための成熟かつ高度に最適化されたソリューションを表しています。表示技術の状況において：

• 単色表示の場合：AlInGaPは、その効率と色純度の高さから、純粋な緑色、赤色、琥珀色の表示において依然として最良の選択肢であり、これらの色にフィルターされたブルーチップ+蛍光体白色LEDをしばしば凌駕します。
• 市場背景：ドットマトリックスOLEDやTFT-LCDがフルカラーで高情報量の表示を支配していますが、LTC-5675KGのような7セグメントLEDディスプレイは、シンプルで非常に明るく、低コスト、信頼性が高く、低消費電力の数値表示を必要とするアプリケーションにおいて強固な地位を維持しています。
• 将来の展開：動向としては、さらなる効率改善、高級アプリケーション向けのより厳密な輝度・色ビニング、およびドライバエレクトロニクスや通信インターフェース（I2Cなど）をディスプレイモジュールに直接統合することでシステム設計を簡素化することが含まれます。しかし、基本的な7セグメント形状と標準色のためのAlInGaP技術は、そのターゲットアプリケーションにおいて今後何年も関連性を保ち続けるでしょう。