LSHD-F101 0.39インチ 1桁 赤色LEDディスプレイ データシート - 文字高 10.0mm - 順方向電圧 2.6V - 消費電力 70mW - 技術文書

1. 製品概要

LSHD-F101は、1桁の7セグメント＋小数点LEDディスプレイモジュールです。ガリウムヒ素（GaAs）基板上に形成された先進的なアルミニウムインジウムガリウムリン（AlInGaP）エピタキシャル層を利用し、高効率な赤色光を発光します。本デバイスの主な用途は、計器盤、民生家電、産業用制御装置など、明確で明るく信頼性の高い数値表示が必要な電子機器です。その中核的な利点は、連続的で均一なセグメントによる優れた文字表示、優れた視認性を実現する高輝度・高コントラスト、そして長寿命を保証する固体信頼性です。

1.1 主な特長

• 文字高：0.39インチ（10.0 mm）。
• 連続的で均一なセグメントにより、滑らかな文字表示を実現。
• 低消費電力で、エネルギー効率に優れています。
• 高輝度・高コントラストにより、優れた視認性を提供。
• 広視野角で、様々な取り付け位置に対応可能。
• 可動部がなく、固体信頼性に優れています。
• 光度によるカテゴリ分けが行われており、複数桁表示での輝度マッチングが可能。
• RoHS指令に準拠した鉛フリーパッケージです。

2. 技術パラメータ：詳細かつ客観的な解釈

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。信頼性の高い性能のため、これらの限界値付近での動作は推奨されません。

• セグメントあたりの消費電力：70 mW。これは、個々のLEDセグメントが熱損傷を引き起こすことなく安全に消費できる最大電力です。
• セグメントあたりのピーク順方向電流：90 mA。この定格はパルス条件（デューティ比1/10、パルス幅0.1ms）下で適用され、連続電流定格よりも高くなります。
• セグメントあたりの連続順方向電流：25°C時 25 mA。周囲温度が25°Cを超えて上昇すると、この電流は0.28 mA/°Cで線形に低下します。高温時には適切な放熱対策または電流低減が必要です。
• セグメントあたりの逆電圧：5 V。逆バイアスでこの電圧を超えると、即座に致命的な故障を引き起こす可能性があります。
• 動作・保管温度範囲：-35°C ～ +105°C。本デバイスは、この広範な産業用温度範囲内での動作と保管に対して定格付けされています。
• はんだ付け条件：パッケージは、実装面から1/16インチ（約1.6 mm）下で測定し、260°Cで最大5秒間のはんだ付けに耐えることができます。

2.2 電気的・光学的特性

これらは、指定された試験条件（Ta=25°C）下で測定された代表的な性能パラメータです。

• セグメントあたりの平均光度（Iv）：駆動電流1mA時で200-750 ucd、10mA時で3400-9750 ucdの範囲。この高い光度により、明るい表示出力が保証されます。
• ピーク発光波長（λp）：650 nm（代表値）。これは光出力が最大となる波長を指定します。
• 主波長（λd）：639 nm（代表値）。これは人間の目が知覚する単一波長であり、色を赤として定義します。
• スペクトル半値幅（Δλ）：20 nm（代表値）。これは発光する赤色光のスペクトル純度を示します。
• チップあたりの順方向電圧（Vf）：試験電流20mA時で2.10Vから2.60V。回路設計では、一貫した駆動電流を確保するためにこの範囲に対応する必要があります。
• セグメントあたりの逆電流（Ir）：逆電圧5V時、最大100 µA。このパラメータは試験目的のみであり、連続的な逆バイアス動作は禁止されています。
• 光度マッチング比：駆動電流1mA時、セグメント間で最大2:1。これにより、ディスプレイ全体で均一な輝度が保証されます。

3. ビニングシステムの説明

データシートには、デバイスが光度によるカテゴリ分けされていると記載されています。これは、標準試験電流（例：1mAまたは10mA）での測定光出力に基づいてディスプレイを選別するビニングプロセスを意味します。これにより、設計者は同じまたは隣接する光度ビンから部品を選択し、複数桁ディスプレイでの視覚的な均一性を確保できます。これにより、一部の桁が他よりも明るくまたは暗く見えることを防ぎます。この抜粋では特定のビンコードの詳細は提供されていませんが、このカテゴリ分けは最終アプリケーションにおける美的および機能的一貫性のための重要な品質管理ステップです。

4. 性能曲線分析

データシートは、詳細設計に不可欠な代表的な電気的／光学的特性曲線を参照しています。これらには通常以下が含まれます：

• IV曲線（順方向電流 vs. 順方向電圧）：指数関数的関係を示し、定電流ドライバの設計に重要です。
• 光度 vs. 順方向電流：光出力が電流とともにどのように増加するかを示し、輝度調整と効率計算に役立ちます。
• 光度 vs. 周囲温度：温度上昇に伴う光出力の低下を示し、熱管理に重要です。
• スペクトル分布：波長に対する相対強度をプロットしたグラフで、主波長とピーク波長、スペクトル幅を確認します。

設計者は、これらの曲線を参照して駆動条件を最適化し、温度依存性を理解し、実際の動作環境での性能を予測する必要があります。

5. 機械的・パッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

ディスプレイは、白色セグメントを持つライトグレーの表面を有します。主な寸法上の注意点は以下の通りです：

• 特に指定がない限り、全ての寸法はミリメートル単位で、一般公差は±0.25mmです。
• ピン先端のシフト公差は±0.40 mmです。
• ピン用の推奨PCB穴径は1.0 mmです。
• 品質仕様により、異物、セグメント内の気泡、反射板の曲がり、表面インクの汚染は制限され、光学的明瞭さと機械的完全性が確保されます。

5.2 ピン配置と回路図

本デバイスは、コモンアノード構造を持つ10ピン構成です。内部回路図は、内部で接続された2つのコモンアノードピン（ピン1とピン6）を示しており、冗長性と潜在的に優れた電流分配を提供します。セグメントカソード（A-GおよびDP）は個々のピンに接続されています。この構成は複数桁のマルチプレクシングには標準的ですが、これは1桁ユニットです。ピン配置は以下の通りです：1-コモンアノード、2-F、3-G、4-E、5-D、6-コモンアノード、7-DP、8-C、9-B、10-A。

6. はんだ付け・組立ガイドライン

6.1 自動はんだ付け

推奨条件：パッケージの実装面から1.6mm（1/16インチ）下で測定し、260°Cで5秒間。この工程中、部品本体温度は最大定格を超えてはなりません。

6.2 手はんだ付け

推奨条件：実装面から1.6mm下にこて先を配置し、350°C ±30°Cで最大5秒間。長時間の熱暴露を避けるよう注意が必要です。

7. アプリケーション推奨事項

7.1 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、オフィス機器、通信機器、家電製品を含む一般的な電子機器を対象としています。その高輝度と視認性の良さから、パネルメーター、時計表示、シンプルな制御ユニットの表示、明確な数値インジケータが必要な民生電子機器に適しています。

7.2 重要な設計上の考慮事項

• 駆動方法：LEDの輝度は電圧ではなく電流の関数であるため、一貫した光度と長寿命を確保するために、定電圧駆動よりも定電流駆動を強く推奨します。
• 電流制限：駆動回路は、各セグメントへの電流を絶対最大定格（連続25mA、温度に応じて低下）以内に制限する必要があります。これを超えると急速な劣化を引き起こします。
• 電圧範囲：回路は、2.10Vから2.60Vまでの全順方向電圧（Vf）範囲に対応し、意図した電流を全てのユニットに供給できるように設計する必要があります。
• 逆電圧保護：駆動回路には、電源投入時、シャットダウン時、または故障状態においてLEDカソードに逆電圧や電圧スパイクが印加されるのを防ぐための保護（直列ダイオードや集積回路の機能など）を組み込むべきです。
• 熱管理：安全動作電流は、アプリケーション環境の最高周囲温度に基づき、25°C以上で0.28 mA/°Cの低下率を使用して低下させる必要があります。

8. 信頼性試験

本デバイスは、軍事規格（MIL-STD）、日本工業規格（JIS）、および内部規格に基づく包括的な信頼性試験を実施しています。これらの試験は、その堅牢性と長寿命を検証します：

• 動作寿命（RTOL）：室温下、最大定格電流で1000時間。
• 環境ストレス：高温高湿保管（65°C/90-95% RHで500時間）、高温・低温保管（105°Cおよび-35°Cで1000時間）、温度サイクル、およびサーマルショック試験を含みます。
• プロセス堅牢性：耐はんだ性およびはんだ付け性試験により、パッケージが標準的な組立プロセスに耐えられることを保証します。

9. 注意事項および使用制限

本デバイスは、故障が生命や健康を危険にさらす可能性のある安全至上のアプリケーション（例：航空、医療生命維持装置、輸送安全システム）向けには設計されていません。そのようなアプリケーションでは、メーカーに特別に認定された部品について相談することが必須です。メーカーは、絶対最大定格を超える、または提供された指示に反する動作による損害について一切の責任を負いません。逆バイアスは金属移動を誘発し、リーク電流の増加や故障につながる可能性があるため、回避するよう特に注意が必要です。

10. 技術比較と差別化

LSHD-F101は、GaAs基板上でのAlInGaP技術の採用により差別化されています。従来の標準的なGaAsPやGaPなどの技術と比較して、AlInGaP LED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。連続的で均一なセグメントという特徴は、セグメント内の目に見える隙間やホットスポットを排除する高品質な金型と拡散板の設計を示しており、よりプロフェッショナルで読みやすい文字表示につながります。広視野角と光度によるカテゴリ分けは、異なる視点からの一貫した視覚性能や複数ユニット間での均一性を必要とするアプリケーションにおいて、さらなる利点となります。

11. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 5V電源と単純な抵抗でこのディスプレイを駆動できますか？

A: はい、ただし注意深い計算が必要です。オームの法則（R = (電源電圧 - LEDのVf) / LED電流）を使用し、20mA時の最悪ケースVfを2.6Vと仮定すると、抵抗値は（5V - 2.6V）/ 0.02A = 120オームとなります。しかし、Vfのばらつきにより、セグメント間やディスプレイ間で輝度が異なる可能性があります。一貫性のためには定電流ドライバが望ましいです。

Q: ピーク波長と主波長の違いは何ですか？

A: ピーク波長（650nm）は、発光スペクトルの物理的なピークです。主波長（639nm）は、人間の目に同じ色知覚を与える単一波長です。主波長は色指定により関連性が高いです。

Q: なぜコモンアノードピンが2つあるのですか？

A: これは機械的な対称性を提供し、PCBレイアウトを簡素化し、電流をより均等に分配するのに役立ち、信頼性と輝度均一性を向上させる可能性があります。

12. 設計・使用ケーススタディ

シナリオ：シンプルなデジタル電圧計表示の設計。

設計者は、2桁の電圧計表示（2ユニット必要）のためにLSHD-F101を選択します。まず、均一な輝度を得るために同じビンから2つのディスプレイを調達するため、光度ビニング情報を確認します。マイクロコントローラは3.3Vで動作します。良好な輝度を得るために各セグメントを10mAの目標値で駆動するため、トランジスタアレイICを使用した定電流シンクドライバを設計します。駆動回路には、表示パネルに接続する長い配線からの誘導性電圧スパイクをクランプする保護ダイオードを含めます。PCBレイアウトでは、推奨される1.0mmの取り付け穴に十分な間隔をあけてディスプレイを配置し、放熱のためのグランドプレーンを含めます。試験中には、予想される最高周囲温度50°Cでのセグメント輝度を確認し、電流が適切に低下し、セグメントあたり約18mA（25mA - (0.28mA/°C * (50-25)°C)）になっていることを確認します。

13. 動作原理の紹介

LSHD-F101の発光は、AlInGaP材料で作られた半導体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。接合の内蔵電位を超える順方向電圧が印加されると、n型領域からの電子とp型領域からの正孔が活性領域に注入されます。ここでそれらは再結合し、光子の形でエネルギーを放出します。AlInGaP合金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）に対応します—この場合は赤色です。GaAs基板は光を吸収するため、チップは上面発光用に設計されており、その後成形プラスチックパッケージによって拡散され、均一なセグメントを形成します。

14. 技術トレンドと背景

AlInGaP技術は、赤色、橙色、黄色LEDのための成熟した高効率ソリューションを代表します。窒化ガリウム（GaN）ベースのLEDなどの新しい技術が青色、緑色、白色照明市場を支配していますが、AlInGaPはそのスペクトル領域での優れた効率と色純度のため、高性能赤色インジケータおよびディスプレイの選択材料であり続けています。ディスプレイ技術のトレンドには、自動組立と高密度化のための表面実装デバイス（SMD）パッケージへの移行が含まれます。LSHD-F101はスルーホール部品ですが、その高輝度、信頼性、カテゴリ分けされた性能という設計原則は基本的なものです。将来の開発は、さらなる効率向上、より広い温度範囲、および駆動電子回路との統合に焦点を当てる可能性があります。