LSHD-5503 LEDディスプレイ データシート - 0.56インチ桁高 - AlInGaP赤色 - 2.6V順電圧 - 70mW消費電力 - 技術文書

1. 製品概要

LSHD-5503は、明確で明るく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た高性能単桁数値表示モジュールです。その中核技術は、ヒ化ガリウム（GaAs）基板上にエピタキシャル成長された先進半導体アルミニウムインジウムガリウムリン（AS-AlInGaP）赤色LEDチップに基づいています。この材料システムは、赤色スペクトルにおける高効率と優れた色純度で知られています。本デバイスは、白色のセグメント区切りを持つライトグレーのフェイスプレートを備えており、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ています。主な設計目標は、低消費電力、高輝度出力、均一なセグメント発光、およびソリッドステートの信頼性であり、数値データの表示が重要な様々な民生用、産業用、計測機器製品への統合に適しています。

2. 詳細技術パラメータ分析

LSHD-5503の性能は、回路設計と性能予測にそれぞれ重要な、包括的な電気的および光学的パラメータのセットによって定義されます。

2.1 測光・光学特性

発光性能は重要な差別化要因です。各セグメントの平均光度は、異なる駆動条件下での最小値、標準値、最大値で規定されています。順電流（I_F）1mAでは、強度は320μcd（最小）から1300μcd（最大）の範囲で、標準値が提供されています。より高い駆動電流10mAでは、標準強度は5400μcdに大幅に上昇し、高輝度アプリケーションに対応する本デバイスの能力を示しています。セグメント間の光度マッチング比は、I_F=1mAで最大2:1と規定され、桁全体の視覚的な均一性を保証します。主波長（λ_d）は624nm、ピーク発光波長（λ_p）はI_F=20mAで632nmであり、可視スペクトルの赤色部分に確実に位置します。スペクトル線半値幅（Δλ）は20nmで、比較的狭いスペクトル帯域幅を示し、純粋な赤色の発色に寄与しています。

2.2 電気的特性

各セグメントの順方向電圧（V_F）は、20mAで駆動した場合、2.1V（最小）から2.6V（最大）の間です。このパラメータは、回路に必要な電流制限抵抗値を計算するために不可欠です：R_limit= (V_supply- V_F) / I_F。逆電流（I_R）は、逆電圧（V_R）5Vで最大100μAに制限されており、これは標準的な試験条件であり、連続動作モードではありません。

2.3 絶対最大定格と熱管理

これらの定格は、永久損傷が発生する可能性のある応力限界を定義します。各セグメントの連続順電流は25mAです。各セグメントのピーク順電流は90mAと定格されていますが、これはパルス条件（1kHz周波数、15%デューティサイクル）でのみ有効であり、多重化方式でより高い知覚輝度を達成するのに役立ちます。各セグメントの消費電力は70mWで、V_F* I_Fとして計算されます。周囲温度（T_a）が25°Cを超える場合、順電流のディレーティング係数0.28mA/°Cが規定されています。これは、25°Cを超える摂氏1度ごとに、最大許容連続電流を0.28mA減少させなければならないことを意味し、過熱を防ぎます。例えば、50°Cでは、最大電流は25mA - (0.28mA/°C * 25°C) = 18mAとなります。動作および保管温度範囲は-35°Cから+105°Cであり、過酷な環境に対する堅牢性を示しています。

3. ビニングと分類システム

データシートは、デバイスが輝度でビニングされていると明記しています。これは重要な品質管理および選別プロセスです。製造工程ではばらつきが生じます。ビニングとは、標準試験電流（データシートに従い、おそらく1mAまたは10mA）における各ユニットの光束出力をテストし、特定の強度範囲またはビンにグループ分けすることを指します。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でき、複数桁表示や異なる製品間での均一な外観を保証できます。データシートは全体の最小/最大範囲を提供しますが、特定のビンコードとそれに対応する強度範囲は、通常、メーカーから別途提供されるビニング文書で定義されます。

4. 性能曲線分析

データシートは標準的な電気的・光学的特性曲線を参照しており、単一点の仕様を超えたデバイスの挙動を理解するために不可欠です。提供されたテキストでは具体的なグラフは詳細に記載されていませんが、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. 順電流（I_Vvs. I_F）：光出力が電流とともにどのように増加するかを示し、通常、高電流では発熱と効率低下により準線形の傾向を示します。
• 順電圧 vs. 順電流（V_Fvs. I_F）：ダイオードのI-V特性を示し、ドライバ設計に重要です。
• 相対光度 vs. 周囲温度（I_Vvs. T_a）：接合温度が上昇するにつれて光出力がどのように減少するかを示し、熱管理の重要性を強調しています。
• 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632nmでのピークと20nmの半値幅を示します。

これらの曲線により、エンジニアは非標準条件（例：異なる駆動電流、温度）下での性能をモデル化し、設計を最適化することができます。

5. 機械的・パッケージ情報

LSHD-5503の桁高は0.56インチ（14.22mm）です。パッケージ寸法は、すべての重要な寸法をミリメートル単位で示した詳細図で提供されます。特に指定がない限り、公差は一般的に±0.25mmです。この情報は、PCBフットプリント設計、筐体内への適切な収まりの確保、小数点の位置合わせの維持に不可欠です。パッケージには、LEDチップ、ライトグレーのフェイス/白色セグメントマスク、および接続ピンが収められています。

6. ピン接続と内部回路

本デバイスは、7セグメントプラス小数点表示用の標準的な10ピン構成を備えています。これはカソードコモンアーキテクチャを採用しています。これは、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、ピン3と8に引き出されていることを意味し、これらも接続されています。各セグメント（AからG）および小数点（DP）のアノード（正極端子）は、別々のピン（1、2、4、5、6、7、9、10）に引き出されています。内部回路図はこの配置を視覚的に表し、アノードが分離され、カソードが共通ノードに接続された8つの個別のLED（7セグメント+DP）を示しています。この構成は、桁を高速に順番に点灯させる多重化に理想的です。

7. はんだ付けと組立ガイドライン

絶対最大定格には、特定のはんだ付け条件が含まれています：デバイスは、はんだごて先端がパッケージのシーティングプレーンから少なくとも1/16インチ（約1.6mm）下にあるという条件で、260°Cのはんだごて温度に5秒間さらすことができます。これは、過度の熱がピンを伝わって内部のLEDチップやプラスチックパッケージを損傷するのを防ぐための重要な指示です。フローまたはリフローはんだ付けの場合、プロファイルはパッケージの熱的限界内に収まるように注意深く制御する必要があり、通常は湿気感受性とリフロープロファイルに関するIPC/JEDEC J-STD-020標準を参照しますが、ここでは明示されていません。組立中は常に適切なESD（静電気放電）取り扱い手順に従う必要があります。

8. アプリケーション提案と設計上の考慮事項

8.1 典型的なアプリケーションシナリオ

LSHD-5503は、明るく信頼性の高い単桁数値表示を必要とするあらゆるアプリケーションに適しています。一般的な用途には、試験・測定機器（マルチメータ、周波数カウンタ）、産業用制御パネル（温度表示、カウンタ表示）、民生用家電（電子レンジ、洗濯機、オーディオ機器）、自動車用アフターマーケット計器、およびPOS端末が含まれます。

8.2 重要な設計上の考慮事項

• 電流制限：LEDは電流駆動デバイスです。各セグメントには、順電流を安全な値（連続≤25mA）に制限するための直列抵抗（または定電流ドライバ）を使用する必要があります。抵抗値は、電源電圧とデータシートの順方向電圧降下を使用して計算されます。
• 多重化：複数桁表示の場合、LSHD-5503のようなカソードコモンデバイスが理想的です。マイクロコントローラは、ある桁のパターンに対応するセグメントアノードを駆動しながら、その桁のコモンカソードを順次有効にすることができます。ピーク電流定格（90mAパルス）により、短い多重化期間中に高い瞬時電流を使用して、明るい平均輝度を達成することが可能です。
• 熱設計：電流ディレーティング曲線に従ってください。高温環境または高連続電流で動作する場合は、十分な換気を確保してください。PCBレイアウトは、ピンからの放熱を助けることができます。
• 視野角：データシートは広い視野角を謳っており、表示が軸外れ位置から見られる可能性のあるアプリケーションに有益です。

9. 技術比較と差別化

標準的なGaAsP（リン化ガリウムヒ素）赤色LEDのような旧来の技術と比較して、LSHD-5503のAlInGaP技術は著しく高い発光効率を提供し、同じ駆動電流でより大きな輝度を実現します。また、温度や時間に対する優れた色純度と安定性も提供します。カラーフィルタを備えた一部の現代的な白色LEDと比較して、AlInGaP赤色LEDは本質的に単色であり、純粋な赤色光を生成するのに効率的です。0.56インチの桁高は一般的なサイズカテゴリーに位置し、視認性と物理的フットプリントの間の良好なバランスを提供します。そのカソードコモン構成は、特定の回路トポロジーにおいて、アノードコモンタイプに比べてマイクロコントローラベースの多重化設計に直接的な利点を提供します。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: この表示器を5Vのマイクロコントローラピンから直接駆動できますか？

A: いいえ。電流制限抵抗を使用する必要があります。典型的な赤色LEDは約2Vの電圧降下があります。5Vを直接接続すると過剰な電流が流れ、セグメントを破壊します。抵抗を計算します：R = (5V - 2.6V) / 0.02A = 120Ω（安全のために最大V_Fを使用）。

Q: 私の設計にとって輝度でビニングされているとはどういう意味ですか？

A: 特定の輝度範囲の部品を注文できることを意味します。複数のユニット間での視覚的一貫性が重要な場合（例：複数桁パネル）、希望のビンコードをディストリビューターに指定して、すべての桁の輝度が一致するようにします。

Q: ピーク電流は90mAですが、連続電流は25mAのみです。より明るい出力のために90mAを使用できますか？

A: 指定されたパルスモード（1kHz、15%デューティサイクル）でのみ可能です。その場合の平均電流は90mA * 0.15 = 13.5mAとなり、連続定格内です。90mAでの連続動作は消費電力限界を超え、急速な故障を引き起こします。

Q: 2つのコモンカソードピン（3と8）をどのように接続すればよいですか？

A: それらは内部で接続されています。どちらか一方を使用するか、電流分布と熱性能を向上させる可能性のために両方をドライバ回路（例：トランジスタシンク）に接続することができます。

11. 設計・使用事例

シナリオ：シンプルな3桁電圧計表示の設計。

3つのLSHD-5503表示器を使用します。十分なI/Oピンを備えたマイクロコントローラを選択します。設計は時分割多重化を採用します：

1. 各桁のコモンカソードピンは、マイクロコントローラによって制御される個別のNPNトランジスタ（または専用ドライバIC）に接続されます。

2. 3桁すべてのセグメントアノードピン（A-G、DP）は一緒に接続され、電流制限抵抗を介してマイクロコントローラに接続されます。

3. マイクロコントローラソフトウェア：a) すべてのカソードドライバトランジスタをオフにします。b) 百の桁にどのセグメントを点灯させる必要があるかを計算します。c) アノードライン上でセグメントパターンをアクティブにします。d) 百の桁のカソード用のトランジスタを短時間有効にします。e) 十の桁と一の桁について、b-dのステップを高速に連続して繰り返します（例：全体で1kHzの速度で）。

短いオン時間中のピークセグメント電流は、低いデューティサイクル（3桁システムでは桁あたり約33%）を補償するために高く設定することができ（例：40-60mA）、平均電力と熱を限界内に保ちながら、明るくちらつきのない表示を実現します。

12. 技術原理の紹介

LSHD-5503は、ヒ化ガリウム（GaAs）基板上にエピタキシャル成長されたアルミニウムインジウムガリウムリン（AlInGaP）半導体材料に基づいています。これはIII-V族の化合物半導体です。p-n接合に順電圧が印加されると、電子と正孔が活性領域に注入されます。それらの再結合により、光子（光）の形でエネルギーが放出されます。AlInGaP合金の特定のバンドギャップエネルギーが放出される光の波長を決定します。この場合、約624-632nmの赤色光を生成するように調整されています。AlInGaPのような直接遷移型バンドギャップ材料を使用することで、高い内部量子効率が得られます。光は、ライトグレーのフェイスと白色塗装セグメントを組み込んだ成形エポキシパッケージを通して放出されます。白色塗料は、下層のLEDチップからの光を反射・拡散させ、ユーザーに見える均一に照明されたセグメントを作り出します。

13. 技術トレンドと背景

LSHD-5503は成熟した信頼性の高い技術を代表していますが、表示技術のより広い分野は進化し続けています。AlInGaPは、赤色および琥珀色LEDの主要な高効率技術であり続けています。個別LEDディスプレイのトレンドには、さらなる高効率化（ワットあたりのルーメン数の向上）の追求が含まれ、これにより携帯機器のバッテリー寿命が向上し、熱負荷が低減されます。また、チップスケール自体の小型化の傾向もあり、多素子ディスプレイでのより小さなパッケージフットプリントまたはより高いピクセル密度を可能にします。さらに、統合が重要なトレンドです。ドライバ電子回路や時にはマイクロコントローラさえもインテリジェント表示モジュールに統合され、エンドエンジニアの設計プロセスを簡素化しています。しかし、標準的でコスト効率の高い単桁数値表示については、LSHD-5503のようなデバイスは、その実証済みの性能と広範な入手性により、特にカスタムグラフィカル表示が不要なアプリケーションにおいて、当面の間、電子設計の基本的な構成要素であり続けるでしょう。