0.56インチ 7セグメントLED表示器 データシート - 文字高14.22mm - 順方向電圧2.6V - 消費電力70mW - スーパーレッド - 技術文書

1. 製品概要

本資料は、文字高0.56インチ（14.22mm）の7セグメントLED表示器の仕様を詳細に説明します。このデバイスは、低消費電力で明確かつ信頼性の高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ています。その中核となる設計思想は、高輝度と高コントラストによる優れた視認性を提供しつつ、固体信頼性を維持することにあります。

表示器は、発光セグメントに先進的なAlInGaP（アルミニウム・インジウム・ガリウム・リン）半導体技術を採用しています。この材料系は、高効率の赤色および琥珀色光を生成することで知られています。使用される特定のチップは、不透明なGaAs（ガリウムヒ素）基板上に形成されており、内部での光散乱と反射を最小限に抑えることでコントラストの向上に貢献しています。最終製品は、白色セグメントを持つライト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の視認性を高めるために選ばれた組み合わせです。

2. 詳細な技術パラメータ分析

2.1 測光および光学特性

光学性能は、周囲温度（Ta）25°Cの標準試験条件下で規定されています。主要パラメータである平均光度（Iv）は、セグメントあたりの順方向電流（IF）1mAで駆動した場合、代表値が700 µcd（マイクロカンデラ）、最小規定値が320 µcdです。この測定は、CIE明所視感度曲線に較正されたセンサーとフィルターを使用して行われ、人間の視覚知覚と相関する値を保証します。

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639 nm、主波長（λd）は代表値で631 nmであり、いずれもIF=20mAで測定されます。これら2つの値の差と、スペクトル線半値幅（Δλ）20 nmは、発光される赤色光のスペクトル純度と特定の色合いを表しており、スーパーレッドカテゴリーに分類され、高い視認性を提供します。

光度マッチング比（IV-m）は2:1（最大）と規定されています。この比率は、同一条件下で駆動された場合の、単一デバイス内の異なるセグメント間の輝度の最大許容変動を示し、数字を表示する際の均一な外観を保証します。

2.2 電気的および熱的特性

電気的パラメータは、デバイスの低電力システムへの適合性を示しています。セグメントあたりの順方向電圧（VF）は、駆動電流1mAにおいて2.0Vから2.6Vの範囲です。セグメントあたりの逆方向電流（IR）は、逆方向電圧（VR）5Vが印加された場合、最大100 µAに制限されており、接合部のリーク特性を示しています。

熱的および電力の限界は絶対最大定格で定義されています。セグメントあたりの連続順方向電流は25 mAと定格されていますが、周囲温度の上昇に伴い、25°Cから0.33 mA/°Cの割合で直線的に減額する必要があります。セグメントあたりの電力損失は70 mWを超えてはなりません。パルス動作では、デューティ比1/10、パルス幅0.1msの条件下で、ピーク順方向電流90 mAが許容されます。デバイスの動作および保管温度範囲は-35°Cから+85°Cです。

3. ビニングおよび選別システム

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測定された光出力（Iv）に基づいて異なるグループまたはビンに仕分けされるビニングプロセスを意味します。これにより、設計者はアプリケーションに適した一貫した輝度レベルの部品を選択することができ、均一性が鍵となる多桁表示において重要です。この概要では特定のビンコードは記載されていませんが、典型的なビンは光度（例：500-600 µcd、600-700 µcd）および場合によっては順方向電圧の範囲を定義します。

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。本文中に具体的なグラフは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：

• 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。通常は非線形であり、非常に高い電流では効率が低下することが多いです。
• 順方向電圧 vs. 順方向電流：これはダイオードのI-V特性を示し、電流制限回路を設計する上で重要です。
• 相対光度 vs. 周囲温度：この曲線は、接合温度の上昇に伴い光出力がどのように減少するかを示し、設計における熱管理の重要な要素です。
• スペクトル分布：ピーク波長約639 nmを中心に、異なる波長にわたって発光される光の相対強度を示すプロットです。

これらの曲線は、非標準条件下でのデバイスの挙動を理解し、効率と寿命のために駆動回路を最適化するために不可欠です。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 物理的寸法と外形

デバイスのパッケージ寸法は図面（本文中では参照のみで詳細はなし）で提供されています。特に断りのない限り、すべての寸法はミリメートルで規定され、標準公差は±0.25 mmです。0.56インチの文字高（14.22mm）が全体の文字サイズを定義します。パッケージは、右側小数点付きの7セグメント表示器に一般的な、標準的な1桁、10ピン構成です。

5.2 ピン配置と極性識別

表示器はカソードコモン構成であり、すべてのLEDセグメントのカソード（負極端子）が内部で接続され、共通ピンに引き出されています。これはマルチプレックス駆動によく見られる設計です。ピン接続は明示的に定義されています：

1. アノード E
2. アノード D
3. コモンカソード
4. アノード C
5. アノード D.P. （小数点）
6. アノード B
7. アノード A
8. コモンカソード
9. アノード F
10. アノード G

ピン3とピン8は両方ともコモンカソードです。内部回路図は、標準的な7セグメントプラス小数点のレイアウトを示しており、各セグメントのアノードはそれぞれのピンに接続され、すべてのカソードは共通ピンに接続されています。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

規定されている主要な組立パラメータの一つは、はんだ付け温度プロファイルです。このデバイスは、パッケージの実装面から1/16インチ（約1.59mm）下で測定して、260°Cのはんだ付け温度を3秒間耐えることができます。これは、LEDチップやプラスチックパッケージへの熱ダメージを防ぐための、フローはんだ付けやリフロー工程における重要なパラメータです。設計者は、組立工程がこの時間-温度の組み合わせを超えないことを確認する必要があります。保管については、湿気吸収を防ぐために、乾燥した環境で規定の範囲-35°Cから+85°Cを維持する必要があります。

7. アプリケーション推奨事項

7.1 典型的なアプリケーションシナリオ

この表示器は、明確で低電力の数値表示が必要な、携帯型バッテリー駆動デバイス、計器パネル、民生電子機器、産業用コントロールに最適です。例としては、マルチメーター、タイマー、スケール、医療機器、家電制御パネルなどが挙げられます。その低電流動作（セグメントあたり1mAまで）は、GPIOピンが供給または吸収できる電流が限られていることが多いマイクロコントローラー駆動システムに適しています。

7.2 設計上の考慮事項と回路

駆動回路を設計する際、以下の点が重要です：

• 電流制限：各セグメントアノードには常に直列の電流制限抵抗を使用してください。抵抗値は、電源電圧（Vcc）、LED順方向電圧（Vf、安全のために最大値を使用）、および希望の順方向電流（If）に基づいて計算されます：R = (Vcc - Vf) / If。
• マルチプレクシング：多桁表示の場合、マルチプレックス駆動方式が標準です。各桁のコモンカソードを順次切り替え（スキャン）しながら、希望のセグメントのアノードを同期して駆動します。これにより、必要なマイクロコントローラーピン数と総消費電力を削減できます。短いON時間中のピーク電流は、ピーク電流仕様（デューティ比1/10で90mA）で許容されるように、DC定格よりも高くすることができます。
• マイクロコントローラーインターフェース：セグメントあたりの電流がMCUのピン駆動能力（通常20-25mA）内であれば、表示器はマイクロコントローラーのGPIOピンから直接駆動できます。より高い輝度やより多くの桁でのマルチプレクシングの場合は、外部ドライバー（例：トランジスタアレイや専用LEDドライバーIC）の使用が推奨されます。
• 視野角：広視野角機能は、表示器が軸外位置からも読み取り可能であることを意味し、様々な角度から見られるパネルにとって重要です。

8. 技術比較と差別化

この表示器の主な差別化要因は、AlInGaP技術の使用と最適化された低電流性能です。従来のGaAsPやGaP LED技術と比較して、AlInGaPは著しく高い発光効率を提供し、同じ電流でより明るい出力、またはより低い電流で同等の輝度を実現します。優れた低電流特性とセグメントマッチングに対する明示的な試験と選別は、重要な品質保証です。セグメントあたり1mAという非常に低い電流でも効果的に動作する能力は、適切な輝度を得るために5-20mAを必要とする表示器に比べて、超低電力設計における明確な利点です。

9. よくある質問（FAQ）

Q: ピーク波長と主波長の違いは何ですか？

A: ピーク波長（λp）は、発光スペクトルの強度が最大となる波長です。主波長（λd）は、LEDの光と同じ色に人間の目に見える純粋な単色光の波長です。色知覚に関してはλdの方がより関連性があります。

Q: 電流制限抵抗なしでこの表示器を駆動できますか？

A: いいえ。LEDは電流駆動デバイスです。電圧源に直接接続すると過剰な電流が流れ、熱的過負荷によりLEDを瞬時に破壊する可能性があります。直列抵抗または定電流回路が必須です。

Q: データシートには2つのコモンカソードピン（3と8）が示されています。両方接続する必要がありますか？

A: はい、最適な性能と電流分散のためには、両方のコモンカソードピンを回路のグランド（または電流シンク）に接続する必要があります。これは熱負荷のバランスを取り、セグメントの輝度を均一にするのに役立ちます。

Q: 5V電源と10mAセグメント電流の場合、適切な抵抗値はどのように計算しますか？

A: 最大Vf 2.6Vを使用します：R = (5V - 2.6V) / 0.01A = 240 オーム。最も近い標準値（220または270オーム）を使用します。実際の輝度が要件を満たしていることを常に確認してください。

10. 設計および使用事例研究

シナリオ: 4桁のバッテリー駆動デジタルタイマーの設計

目標は、良好な視認性を維持しながらバッテリー寿命を最大化することです。表示器は、マルチプレクシング方式を使用する低電力マイクロコントローラーによって駆動されます。

実装：4桁のコモンカソードは、MCUピンによって制御される4つのNPNトランジスタ（またはトランジスタアレイIC）に接続されます。7つのセグメントアノード（A-G）と小数点は、個々の電流制限抵抗を介してMCU出力ピンに接続されます。MCUはタイマー割り込み（例：1kHz）を実行します。各割り込みサイクルで、すべての桁のカソードをオフにし、次の順番の桁のセグメントパターンをアノードピンに設定し、その桁のカソードトランジスタをオンにします。これが4桁すべてを高速に循環し、すべての桁が同時に点灯しているかのような錯覚を作り出します。

電力最適化：各セグメントをわずか2-3mA（仕様内）で駆動し、1:4のマルチプレックスデューティサイクルを使用することで、セグメントあたりの平均電流は非常に低くなり、静的（非マルチプレックス）駆動と比較してバッテリー寿命を大幅に延長します。AlInGaP LEDの高効率により、これらの低い平均電流でも表示が明確に見えることが保証されます。

11. 技術原理紹介

7セグメントLED表示器は、8の字型に配置された個々の発光ダイオード（LED）の集合体です。7つの主要セグメント（AからGとラベル付け）はそれぞれ別個のLEDであり、追加のLEDが小数点（DP）として機能します。これらのセグメントの特定の組み合わせを選択的に点灯させることで、すべての10進数字（0-9）といくつかの文字を形成できます。

発光の基本原理は、半導体p-n接合におけるエレクトロルミネセンスです。ダイオードのバンドギャップ電圧を超える順方向電圧が印加されると、n型領域からの電子が活性層（この場合はAlInGaP製）でp型領域からの正孔と再結合します。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。光の特定の波長（色）は、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。AlInGaPは赤/オレンジ/琥珀色光に対応するバンドギャップを持ちます。不透明なGaAs基板は迷光を吸収し、チップの側面や背面を通って散乱するのを防ぐことでコントラストを向上させます。

12. 技術トレンドと背景

OLEDや高解像度ドットマトリックスLEDなどの新しい表示技術が存在する一方で、7セグメントLED表示器は、単純な数値出力を必要とするアプリケーションにおいて、堅牢でコスト効率が高く、非常に信頼性の高いソリューションであり続けています。この分野内でのトレンドは、より高い効率（ワットあたりのより多くの光）、現代のロジックレベルに合わせたより低い動作電圧、および改善された一貫性（より厳密なビニング）に向かっています。AlInGaP技術は、従来の材料に比べて効率において重要な一歩を表しています。さらに、エネルギー効率の良いバッテリー駆動のモノのインターネット（IoT）デバイスを可能にするために、非常に低い駆動電流下でも良好に性能を発揮する表示器への関心が高まっています。このデータシートで説明されているデバイスは、低電流動作とカテゴライズされた光度に焦点を当てており、携帯型電子機器の効率、信頼性、設計の柔軟性に向けたこれらの業界トレンドにうまく適合しています。