LTS-4301JD LEDディスプレイ データシート - 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

LTS-4301JDは、明瞭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、コンパクトで高性能な単桁数値表示モジュールです。その中核機能は、標準的な7セグメント構成と右側の小数点を用いて、数字0から9を視覚的に表現することです。本デバイスは、スペース、電力効率、視認性が重要な要素となる多種多様な電子機器への統合を目的として設計されています。

本ディスプレイは、発光素子に先進的な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、高輝度の赤色光を効率的に生成するために特に選択されています。チップは不透明なGaAs（ガリウム砒素）基板上に形成されており、内部での光散乱を防止し、消灯時のセグメントの輪郭を鮮明にすることでコントラストを向上させています。パッケージは白いセグメントマーキングが施されたグレーの前面板を特徴としており、消灯時には優れた外観を提供し、点灯時には高いコントラストを実現します。

本コンポーネントの主なターゲット市場は、産業用計器、民生用家電製品、試験・測定機器、POSシステム、自動車のダッシュボード表示器などです。カテゴライズされた光度は、生産ロット間で一貫した輝度レベルを保証し、均一な視覚性能を要求するアプリケーションにとって極めて重要です。

2. 技術パラメータの詳細な客観的解釈

2.1 測光および光学特性

光学性能は、周囲温度（Ta）25°C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、代表値が650µcd（マイクロカンデラ）です。最小規定値は200µcdであり、基準レベルの輝度が保証されます。光度は、CIE（国際照明委員会）標準の明所視感度曲線に較正されたセンサーとフィルターの組み合わせを用いて測定され、報告値が人間の視覚知覚に対応することを保証します。

本デバイスは、ハイパーレッドスペクトルで光を放射します。ピーク発光波長（λp）は代表値で650ナノメートル（nm）です。知覚される色により密接に関連する主波長（λd）は、639nmと規定されています。スペクトル半値幅（Δλ）は20nmであり、スペクトル純度と放射される波長の狭い範囲を示しており、鮮やかな赤色をもたらします。光度マッチング比は最大2:1と規定されており、同一の駆動条件下における任意の2セグメント間の輝度差がこの比率を超えないことを意味し、形成される数字の均一な外観を保証します。

2.2 電気的特性

電気的特性は、動作限界と代表的な性能を定義します。セグメントあたりの順電圧（VF）は、試験電流20mAにおいて2.1Vから2.6Vの範囲です。設計者は、駆動回路がこれを克服するのに十分な電圧を供給できることを確認する必要があります。絶対最大定格は厳格な制限を設定します：セグメントあたりの連続順電流は25mAを超えてはならず、25°Cを超えると0.33mA/°Cの線形デレーティング係数が適用されます。このデレーティングは熱管理にとって重要です。周囲温度が上昇すると、過熱や永久損傷を防ぐために最大許容電流を低減しなければなりません。

パルス条件下（デューティ比1/10、パルス幅0.1ms）では、90mAのピーク順電流が許容されます。これは、マルチプレキシング方式や短期的な輝度向上に使用できます。セグメントあたりの最大逆電圧（VR）は5Vです。これを超えるとLEDのPN接合を損傷する可能性があります。逆電流（IR）は、5Vの逆バイアスを印加した場合、最大100µAと規定されており、接合のリーク特性を示しています。

2.3 熱的および信頼性パラメータ

本デバイスの動作温度範囲は-35°Cから+85°Cです。この広い範囲により、大きな温度変動を受ける環境にも適しています。保存温度範囲も同様に-35°Cから+85°Cです。セグメントあたりの消費電力は70mWに制限されています。適切な電流制限および必要に応じて放熱処理によりこの消費電力を管理することは、長期信頼性にとって不可欠です。データシートにははんだ付け温度プロファイルも規定されています：デバイスは、実装面から1/16インチ（約1.6mm）下の位置で260°C、3秒間耐えることができ、リフローはんだ付けプロセスをガイドします。

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、製造後のビニング（選別）プロセスを意味します。この抜粋では具体的なビンコードの詳細は提供されていませんが、このようなディスプレイの典型的なカテゴリ分けには、標準試験電流（例：1mA）で測定された光度に基づいてユニットをグループ化することが含まれます。これにより、顧客は一貫した輝度レベルの製品を受け取ることが保証されます。これらのコンポーネントを調達する設計者は、特に複数のディスプレイを並べて使用する場合、選択した光度カテゴリがアプリケーションの均一性要件を満たすことを確認するために、メーカーから具体的なビニング構造を確認する必要があります。

4. 性能曲線分析

データシートは、最終ページの代表的な電気的／光学的特性曲線を参照しています。提供されたテキストでは具体的なグラフは詳細に説明されていませんが、完全なデータシートに通常含まれるこのような曲線は設計にとって重要です。これらには通常、以下が示されます：

• 相対光度 vs. 順電流（I-V曲線）：このグラフは、駆動電流の増加に伴う光出力の増加を示します。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よくあります。
• 順電圧 vs. 順電流：この曲線は、LEDの動的抵抗を示すことで、電流制限回路の設計に役立ちます。
• 相対光度 vs. 周囲温度：これは、温度上昇に伴う光出力のデレーティングを示し、非標準環境条件下で動作するアプリケーションにとって重要です。
• スペクトル分布：相対強度と波長の関係をプロットしたもので、ピーク波長と主波長の仕様、およびスペクトル半値幅を視覚的に確認できます。

エンジニアは、これらの曲線を使用して、輝度、効率、寿命のバランスを考慮した駆動条件を最適化すべきであり、絶対最大定格のみで動作させるべきではありません。

5. 機械的およびパッケージ情報

本デバイスには詳細なパッケージ寸法図が提示されています。すべての寸法はミリメートルで提供され、特に指定がない限り一般的な公差は±0.25mm（0.01インチ）です。ディスプレイの桁高は0.4インチ（10.0mm）です。機械図面には、パッケージの全長、全幅、全高、セグメントと小数点の配置、リード（ピン）間隔と寸法、およびキーイングや方向性の特徴が定義されています。この情報は、PCBフットプリントの作成、製品筐体内への適切な収まりの確保、およびボード上でのディスプレイの正確な位置合わせに不可欠です。

6. ピン接続と内部回路

LTS-4301JDは、カソードコモン（共通カソード）デバイスです。ピン接続図は明示的に提供されています：

1. ピン1：アノードG（セグメントG）
2. ピン2：アノードF（セグメントF）
3. ピン3：共通カソード
4. ピン4：アノードE（セグメントE）
5. ピン5：アノードD（セグメントD）
6. ピン6：アノードD.P.（小数点）
7. ピン7：アノードC（セグメントC）
8. ピン8：共通カソード
9. ピン9：アノードB（セグメントB）
10. ピン10：アノードA（セグメントA）

2つの共通カソードピン（3と8）が存在するのは一般的であり、パッケージ内の電流密度を低減し、信頼性を向上させる役割を果たします。内部回路図は、すべてのセグメントアノード（A-GおよびDP）が互いに電気的に絶縁されており、それらのカソードは内部で2つの共通カソードピンに接続されていることを示しています。この構成では、駆動回路が個々のセグメントアノードに電流を供給し、共通カソード接続を通じて合計電流をシンクする必要があります。

7. はんだ付けおよび組立ガイドライン

提供される主要な組立ガイドラインは、はんだ付け温度制限です：部品は、実装面から1.6mm下の位置で260°C、3秒間耐えることができます。これは標準的なIPCリフロープロファイルの参照です。組立にあたっては：

• 無鉛はんだ付け用の推奨リフロープロファイルを使用します（260°Cのピーク温度が示唆）。
• PCBパッド設計がパッケージ寸法と一致することを確認し、トゥームストーニングや位置ずれを避けます。
• 取り扱い中のリードへの機械的ストレスを避けます。プラスチックレンズは汚染された工具で直接触れないでください。
• 半導体接合を保護するため、取り扱いおよび組立中は標準的なESD（静電気放電）対策に従います。
• 使用前には、規定された保存温度範囲（-35°Cから+85°C）および湿度条件を遵守します。

8. アプリケーション提案

8.1 代表的なアプリケーションシナリオ

本ディスプレイは、単一の高度に視認性の高い数値表示を必要とするあらゆるデバイスに最適です。一般的なアプリケーションには、デジタル温度計／湿度計、タイマーおよびカウンター表示、電圧／電流計の表示、家電製品の制御パネル（例：オーブン、電子レンジ）、基本的な電卓表示、ネットワーク機器や産業機器のステータスコードインジケータなどがあります。

8.2 設計上の考慮事項

• 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 R = (電源電圧 - VF) / IF で計算されます。ここで、VFは順電圧（安全のために最大値を使用）、IFは所望の動作電流（連続定格を超えない値）です。
• マルチプレキシング：このようなディスプレイを複数使用する多桁アプリケーションでは、マルチプレックス駆動方式が標準です。これは、一度に1桁の共通カソードを順次駆動しながら、その桁のセグメントデータを提示することを含みます。ピーク電流定格により、このモードではより高いパルス電流が可能ですが、デューティ比と平均電流を管理して連続消費電力制限内に収める必要があります。
• マイクロコントローラインターフェース：本ディスプレイは、マイクロコントローラのGPIOピンによって容易に駆動できます。特に共通カソードのより高い電流要件を処理するために、ドライバICやトランジスタアレイを介して駆動することがよくあります。
• 視野角：データシートは広い視野角を謳っています。最適な配置のためには、エンドユーザーから見た設置ディスプレイへの主な視線を考慮してください。

9. 技術比較と差別化

GaAsP（ガリウム砒素リン）赤色LEDのような旧来の技術と比較して、LTS-4301JDのAlInGaP技術は著しく高い発光効率を提供し、同じ入力電流でより高い輝度、または同等の輝度をより低い電力で実現します。不透明基板の使用は、透明基板のデバイスと比較してコントラストを向上させます。これは、チップ側面からの不要な発光を防ぐためです。白いセグメントを持つグレーの前面は、通電時だけでなく非通電時にもプロフェッショナルで高コントラストな外観を提供し、多くの環境照明条件下で全面黒や透明面のディスプレイよりも優れています。その0.4インチの桁高は、より小さく視認性の低いディスプレイと、より大きく消費電力の高いディスプレイの間の特定のニッチを埋めます。

10. 技術パラメータに基づくよくある質問

Q: このディスプレイを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: できません。各セグメントに直列の電流制限抵抗を使用する必要があります。5V電源で20mAの所望電流の場合、最大VF 2.6Vを使用すると、抵抗値は (5V - 2.6V) / 0.020A = 120オームとなります。マイクロコントローラのピンの電流供給能力を常に確認してください。

Q: 共通カソードは私の回路設計にとって何を意味しますか？

A: これは、LEDセグメントのすべてのカソード（負側）がパッケージ内部で接続されていることを意味します。セグメントを点灯させるには、その特定のアノードピンに（抵抗を介して）正の電圧を印加し、共通カソードピンをグランド（0V）に接続します。

Q: 最大連続電流は25mAですが、VFの試験条件は20mAを使用しています。どちらを使用すべきですか？

A: 20mAは標準的な試験条件であり、良好な輝度を提供しながら長寿命を維持する安全で代表的な動作点です。より高い輝度が必要な場合は最大25mAまで動作させることができますが、周囲温度とデレーティングの規則を厳格に遵守する必要があります。最大定格付近または最大定格で動作させると、動作寿命が短くなる可能性があります。

Q: なぜ共通カソードピンが2つあるのですか？

A: 機械的な対称性のため、および合計カソード電流（点灯しているすべてのセグメントからの電流の合計）を2つのピンに分散させるためです。これにより、ピンあたりの電流密度が低減され、信頼性が向上し、PCBレイアウトが容易になる場合があります。

11. 実践的な設計と使用事例

事例：シンプルなデジタル電圧計表示の設計

設計者が0-5V DC電圧計を作成しています。3桁出力のアナログ-デジタル変換器（ADC）がマイクロコントローラに接続されています。マイクロコントローラのファームウェアは、デジタル読み取り値を3桁の数字（例：4.23V）に変換します。これを表示するために、3つのLTS-4301JDユニットが使用されます。設計は時分割マルチプレキシングを採用しています。マイクロコントローラは、3つのディスプレイすべてのセグメントアノード（A-G、DP）を並列に駆動するためにポートを使用します。3つのNPNトランジスタ（または専用のドライバIC）を使用して、各桁の共通カソードを通じて電流をシンクし、高速に順次（例：桁あたり100Hz）切り替えます。ファームウェアは、セグメントデータをアクティブな桁のカソードと同期させます。電流制限抵抗は8本の各セグメントラインに配置されます。高い輝度とコントラストにより、明るい環境下でも表示が明瞭です。カテゴライズされた光度により、3桁すべてが均等に明るく表示されます。

12. 原理紹介

7セグメントディスプレイは、長方形の8の字パターンに配置された7つの発光ダイオード（LED）で構成される電子表示デバイスの一形態です。各LEDは、点灯すると数字の一部を形成するため、セグメントと呼ばれます。これら7つ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、ディスプレイは10進数の数字（0-9）といくつかの16進数の文字（A, b, C, d, E, F）を表現できます。小数点（DP）用の追加のLEDが含まれることがよくあります。LTS-4301JDは、AlInGaP半導体材料を使用してこの原理を実装しています。セグメントのアノードとカソード間にダイオードの接合電位を超える順バイアス電圧が印加されると、電子と正孔が半導体の活性領域で再結合し、材料のバンドギャップによって決定される波長（この場合は約650nm（赤色））で光子（光）としてエネルギーを放出します。不透明基板は迷光を吸収し、コントラストを向上させます。

13. 開発動向

7セグメントディスプレイの進化は、オプトエレクトロニクスのより広範な動向に沿っています。基本的な7セグメントの形状は数値表示のために永続的に有用ですが、基礎となる技術は進歩し続けています。発光効率（電気入力ワットあたりの光出力）の向上に向けた絶え間ない推進があり、エネルギー効率が改善され、低電力動作または輝度の向上が可能になります。より広い色域と、InGaN（インジウム・ガリウム・窒素）などの材料に基づくより効率的な緑色および青色LEDの開発により、フルカラーの多桁ドットマトリックスディスプレイがより一般的になってきていますが、7セグメントはそのシンプルさとコスト効率の良さから、純粋な数値アプリケーションでは依然として支配的です。統合は別の動向であり、ドライバ電子回路、マイクロコントローラ、時にはセンサーさえもスマートディスプレイモジュールに組み合わせることがあります。しかし、LTS-4301JDのようなディスクリート部品は、柔軟性、特定の性能特性、または大量生産時のコスト最適化を必要とする設計において強固な地位を維持しています。