LTC-4724JS LEDディスプレイ仕様書 - 0.4インチ桁高 - AlInGaP黄色LED - 2.6V順電圧 - 40mW消費電力 - 技術文書

1. 製品概要

LTC-4724JSは、明確な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3桁7セグメントディスプレイモジュールです。その主な機能は、個々のLEDセグメントを使用して3桁の数字（0-9）および関連する小数点を視覚的に表示することです。このデバイスは、スペース効率、可読性、信頼性が重要な考慮事項となる様々な電子システムへの統合のために設計されています。

中核技術は、LEDチップにアルミニウムインジウムガリウムリン（AlInGaP）半導体材料を利用しています。この材料システムは、黄色から赤色のスペクトル領域における高効率と優れた性能で知られています。チップは不透明なガリウムヒ素（GaAs）基板上に作製されており、光出力を前方に導くのに役立ち、輝度とコントラストを向上させます。このディスプレイは、白いセグメントマーキングを持つグレーのフェースプレートを備えており、様々な照明条件下で文字の視認性を向上させる高コントラストの背景を提供します。

このディスプレイは、マルチプレックス（時分割）共通カソード構成を採用しています。この設計は、静的駆動方式と比較して必要な駆動ピンの数を大幅に削減します。各桁の各セグメントに専用のピンを必要とする代わりに、各桁のカソードは一緒に接続され、順次制御（マルチプレックス）されます。一方、各セグメントタイプ（A-G、DP）のアノードはすべての桁で共有されます。これは、I/Oピンが限られているマイクロコントローラベースのシステムに非常に効率的です。

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、ディスプレイの機能性の中心です。主要なパラメータは、通常、周囲温度（Ta）25°Cでの標準化された試験条件下で測定されます。

• 平均光度（I_V）：このパラメータは、セグメントの知覚される明るさを定義します。試験電流（I_F）1mAにおいて、代表値は650 µcd（マイクロカンデラ）で、保証最小値は200 µcdです。この広い範囲は、強度の分類またはビニングプロセスを示しており、これは最低性能レベルを保証するためのLED製造において一般的です。
• ピーク発光波長（λ_p）：I_F=20mAで測定した場合、代表的なピーク波長は588ナノメートル（nm）です。これは、発光が可視スペクトルの黄色領域に確実に位置することを示しています。
• 主波長（λ_d）：これは587 nmで、ピーク波長に非常に近い値です。主波長は、光の知覚される色を最もよく表す単一波長であり、色が重要なアプリケーションにおいて極めて重要です。
• スペクトル線半値幅（Δλ）：15 nm（代表値）のこのパラメータは、発光のスペクトル純度または帯域幅を示します。ここに見られるような比較的狭い半値幅は、AlInGaP LEDの特徴であり、鮮やかで純粋な黄色の発色に寄与します。
• 光度マッチング比（I_V-m）：最大2:1と規定されるこの比率は、同一ディスプレイ内の異なるセグメント間の明るさの許容変動を定義します。2:1の比率は、同一の駆動条件下で最も明るいセグメントが最も暗いセグメントの2倍を超えてはならないことを意味し、均一な外観を保証します。

すべての光度測定は、CIE（国際照明委員会）標準の明所視応答曲線に近似するように校正された光センサーとフィルターの組み合わせを使用して行われ、測定値が人間の視覚的知覚と相関することを保証します。

2.2 電気的特性および絶対最大定格

これらの限界を遵守することは、デバイスの長寿命化と破壊的故障の防止に不可欠です。

• セグメントあたりの連続順電流：任意の単一LEDセグメントを流すことができる最大許容連続DC電流は、25°Cで25 mAです。この温度を超えると、定格は周囲温度が摂氏1度上昇するごとに0.33 mA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ピーク順電流：パルス動作の場合、より高い電流が許容されます。1/10デューティサイクル、0.1msパルス幅の条件下では、ピーク電流は60 mAに達することができます。これは、短いON時間中に高い瞬間輝度が必要なマルチプレックス方式で有用です。
• セグメントあたりの消費電力：単一セグメントが熱として消費できる最大電力は40 mWです。これは、順電圧（V_F）に順電流（I_F）を乗じたものとして計算されます。この限界を超えると、半導体接合部の過熱のリスクがあります。
• セグメントあたりの順電圧（V_F）：駆動電流20 mAにおいて、LEDセグメント両端の代表的な順方向電圧降下は2.6Vで、最小値は2.05Vです。このパラメータは、ドライバ内の電流制限回路を設計する上で極めて重要です。
• セグメントあたりの逆電圧：LEDセグメントに印加できる最大逆バイアス電圧は5Vです。これを超えると、接合部の破壊によりLEDに即時的かつ不可逆的な損傷を引き起こす可能性があります。
• セグメントあたりの逆電流（I_R）：5Vの逆バイアスを印加した場合、リーク電流は通常100 µA以下です。

2.3 熱および環境仕様

• 動作温度範囲：このデバイスは、周囲温度範囲-35°Cから+85°C内で正しく機能するように規定されています。この範囲外での性能は保証されません。
• 保存温度範囲：このデバイスは、動作なしで同じ-35°Cから+85°Cの範囲内で保存できます。
• はんだ付け温度：組立中、このデバイスはパッケージの実装面から1.6mm下で測定して、最大260°Cのはんだ付け温度を最大3秒間耐えることができます。これは、フローはんだ付けまたはリフロー工程にとって重要です。

3. ビニングおよび分類システム

このデータシートは、デバイスが光度で分類されていると明示しています。これは、製造後の選別（ビニング）プロセスを意味します。この抜粋では特定のビンコード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分類には、標準試験電流での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、顧客は一貫した最低輝度レベルのディスプレイを受け取ることが保証されます。I_Vに対して規定された最小値（200 µcd）と代表値（650 µcd）は、この分類の境界を定義します。設計者は、輝度が指定された2:1のマッチング比内および強度ビン間でユニット間で変動する可能性があり、複数のディスプレイ間で均一な輝度を得るためのシステムキャリブレーションに影響を与える可能性があることに注意する必要があります。

4. 性能曲線分析

データシートは代表的な電気/光学特性曲線を参照しており、詳細な設計作業に不可欠です。具体的なグラフは本文では提供されていませんが、標準的なLED特性に基づくと、これらの曲線には通常以下が含まれます：

• 順電流対順電圧（I-V曲線）：この非線形曲線は、LEDにかかる電圧と結果として生じる電流の関係を示します。電圧の小さな変化が電流（したがって輝度）の大きな変化を引き起こす可能性があるため、定電流ドライバを設計する上で極めて重要です。曲線の膝の部分、すなわち20mAで典型的なV_Fが2.6V付近の領域が通常の動作領域です。
• 光度対順電流（I-L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。一般的にある範囲では線形ですが、熱や効率低下により非常に高い電流では飽和します。I_Vの1mA試験点と他のパラメータの20mA点は、この曲線上の2つの重要な参照点を提供します。
• 光度対周囲温度：LEDの光出力は、一般に接合温度が上昇すると減少します。この曲線は、広い温度範囲で動作するアプリケーションにおいて、高温でも可読性が維持されることを保証するために極めて重要です。
• スペクトル分布：相対強度対波長のプロットで、約588 nmにピークがあり、狭い15 nmの半値幅を示し、純粋な黄色の発光を確認します。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 物理的寸法と公差

パッケージ図面は、PCBレイアウトおよび筐体設計に不可欠な機械的データを提供します。すべての寸法はミリメートルで提供されます。規定されていない寸法の一般的な公差は±0.25 mm（±0.01インチに相当）です。設計者は、適切なフィットを保証するために、これらの公差を機械的設計に組み込む必要があります。図面には、ディスプレイモジュールの全長、幅、高さ、桁間の間隔、セグメントサイズ、および実装ピンの位置と直径が詳細に示されます。

5.2 ピン構成および接続図

ピン接続表は、内部回路と外部とのインターフェースマップです。LTC-4724JSは15ピン配置を使用します（いくつかのピンは接続なしまたはピンなしとマークされています）。

• 共通カソード：ピン1、5、7、および14はカソード接続です。ピン1は桁1用、ピン5は桁2用、ピン7は桁3用、ピン14は左側の小数点（L1、L2、L3）の共通カソードです。この構造により、マルチプレックス方式が可能になります。
• セグメントアノード：残りのピン（2、3、4、6、8、11、12、15）は、特定のセグメントのアノードです：A、B、C、D、E、F、G、およびDP（小数点）。セグメントCとGは、内部回路図に示されているように、それぞれ左小数点L3および一般的なものと共有されています。

内部回路図は、このマルチプレックスアーキテクチャを視覚的に表し、3桁のカソードと共有セグメントアノードがどのように相互接続されているかを示しています。この図を理解することは、正しいソフトウェアのタイミングとハードウェア駆動回路を開発するために不可欠です。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

はんだ付け温度の絶対最大定格（実装面から1.6mm下で260°C、3秒間）は、組立プロセスに明確な指針を提供します。この定格は、標準的な無鉛リフローはんだ付けプロファイル（ピーク温度は約245-250°C）と互換性があります。フローはんだ付けの場合、ピンが溶融はんだにさらされる時間をこの限界内に収まるように制御する必要があります。スルーホール部品のはんだ付けには、標準的なIPCガイドラインに従うことをお勧めします。熱衝撃を最小限に抑えるために、予熱が推奨されます。はんだ付け後、ディスプレイは徐冷させるべきです。敏感なLED接合部への損傷を防ぐために、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。

7. アプリケーション提案および設計上の考慮事項

7.1 典型的なアプリケーションシナリオ

LTC-4724JSは、コンパクトで明るく信頼性の高い数値表示を必要とする様々なアプリケーションに適しています。一般的な用途には以下が含まれます：

• 試験・測定機器：デジタルマルチメータ、周波数カウンタ、電源装置（3桁の分解能で十分な場合、例：0-999の表示）。
• 産業用制御および計装：温度、圧力、速度、またはカウント表示用のパネルメータ。
• 民生用電子機器：オーディオ機器（アンプのボリューム表示）、キッチン家電（タイマー、温度表示）。
• 自動車アフターマーケット：電圧、RPM、または温度用のゲージおよびディスプレイ。

7.2 重要な設計上の考慮事項

• 駆動回路：マルチプレックス駆動回路が必要です。これは通常、桁のカソード（通常はトランジスタを介して）に電流をシンクし、セグメントアノードに電流をソースできるマイクロコントローラまたは専用のディスプレイドライバICを含みます。各セグメントアノード（または定電流ドライバを使用する場合は共有される可能性があります）には、I_Fを安全な値（通常、輝度と寿命のバランスを考慮して10-20 mAの間）に設定するための電流制限抵抗が必須です。
• マルチプレックス周波数：リフレッシュレートは、目に見えるちらつきを避けるために十分に高くする必要があり、通常は60 Hz以上です。3桁の場合、各桁はサイクルの約1/3の間点灯します。ピーク電流は、減少したデューティサイクルを補償し平均輝度を維持するために、より高く（最大60mAのパルス定格まで）設定することができます。
• 電源：順電圧要件（約2.6V）は、システム電源がこれよりも高い電圧を提供する必要があることを意味し、電流制限抵抗と駆動回路での電圧降下を考慮に入れます。5V電源が一般的で便利です。
• 視野角とコントラスト：データシートは広い視野角と高コントラストを謳っています。グレーのフェースと白いセグメントがコントラストを向上させます。最適な視認性を得るには、ディスプレイは主な視認方向に対して垂直に取り付けるべきです。高い周囲光条件下では、高い輝度（代表値650 µcd）が有利です。
• 熱管理：セグメントあたりの消費電力は低いですが、特に高い電流で複数のセグメントが同時に点灯する場合の累積熱は考慮する必要があります。特に上限温度付近で動作する場合は、筐体内の十分な換気が推奨されます。

8. 技術比較および差別化

LTC-4724JSの主要な差別化要因は、その材料技術とパッケージにあります。標準的なGaPやGaAsP LEDなどの古い技術と比較して、AlInGaP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もたらします。生成される黄色もより鮮やかで純粋です。現代の代替品と比較して、その0.4インチの桁高は、サイズと可読性の特定のバランスを提供します。マルチプレックス共通カソード設計は多桁ディスプレイの標準ですが、特定のピン配置と内部回路（左小数点の共通カソードを含む）はこの品番に固有であり、ドライバソフトウェアと一致させる必要があります。光度の分類は、すべてのディスプレイに存在するとは限らない品質管理のレベルを提供します。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

• Q: このディスプレイを3.3Vのマイクロコントローラで駆動できますか？A: 可能ですが、注意深い設計が必要です。代表的なV_Fは2.6Vです。駆動トランジスタと電流制限抵抗での小さな電圧降下を考慮すると、3.3V電源からのヘッドルームは非常に厳しいか不十分である可能性があり、特にV_Fの変動を考慮するとそうです。5V電源の方がより確実です。レベルシフタまたは別の5Vレールから電源を供給されるドライバICが必要になる場合があります。
• Q: なぜピーク電流（60mA）は連続電流（25mA）よりも高いのですか？A: デューティサイクルが低い場合、平均消費電力と接合温度が安全限界内に収まるため、LEDはより高い瞬間電流に耐えることができます。これは、マルチプレックスでより高い知覚輝度を達成するために利用されます。
• Q: 接続なしピンの目的は何ですか？A: これらは、標準的な15ピンDIP（デュアルインラインパッケージ）のフットプリットに合わせるための機械的なプレースホルダーである可能性が高いです。これらははんだ付け中の物理的な安定性を提供しますが、電気的機能はありません。これらをどの回路にも接続しないでください。
• Q: 電流制限抵抗の値をどのように計算しますか？A: オームの法則を使用します：R = (V_電源- V_F- V_{ドライバ降下}) / I_F。5V電源、V_Fが2.6V、ドライバ降下が0.2V、希望するI_Fが15mAの場合：R = (5 - 2.6 - 0.2) / 0.015 = 146.7 Ω。標準の150 Ω抵抗が適切です。常に抵抗での消費電力を確認してください：P = I²* R。

10. 実用的な設計および使用例

マイクロコントローラを使用した簡単な3桁電圧計の設計を考えてみましょう。マイクロコントローラのADCが電圧を読み取り、0から999の間の数値に変換し、それを表示する必要があります。

1. ハードウェアインターフェース：マイクロコントローラの3つのI/Oピンは、3桁のカソードピン（1,5,7）から電流をシンクするNPNトランジスタ（またはトランジスタアレイ）を制御するための出力として構成されます。他の8つのI/Oピン（またはピンを節約するためのシフトレジスタ）は、個々の150Ω電流制限抵抗を介して8つのセグメントアノードピン（A,B,C,D,E,F,G,DP）に電流をソースするための出力として構成されます。
2. ソフトウェアルーチン：メインループはマルチプレックスを実装します。すべての桁のカソードをオフにします。次に、桁1のセグメントパターン（例：5を表示するため）をアノードピンに設定します。次に、桁1のカソードを有効にします（トランジスタを介してグランドパスを提供）。短い時間（例：2-3 ms）待機します。次に、桁1を無効にし、桁2のセグメントパターンを設定し、桁2のカソードを有効にし、待機し、桁3について繰り返します。このサイクルを連続的に繰り返します。セグメントあたりのピーク電流は約20mAに設定できます。1/3のデューティサイクルでは、平均電流は約6.7mAとなり、連続定格内に十分収まります。
3. 結果：残像効果により、3桁すべてが同時に安定して点灯しているように見え、測定された電圧が表示されます。

11. 技術原理の紹介

LTC-4724JSは、AlInGaP（アルミニウムインジウムガリウムリン）半導体を使用した固体照明技術に基づいています。ダイオードのバンドギャップ電圧を超える順電圧が印加されると、電子と正孔が半導体構造の活性領域に注入されます。それらは再結合し、光子（光）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）を決定します—この場合は黄色（約587-588 nm）です。不透明なGaAs基板は、後方に発せられる光を吸収し、有用な前方光出力に寄与しない内部反射を減らすことで全体的な効率を向上させます。7セグメント形式は、7つの独立した棒状のLEDセグメント（AからGとラベル付け）を選択的に点灯させることによって数字を形成する標準化された方法です。

12. 技術動向と背景

この特定の部品は成熟したAlInGaP技術を使用していますが、より広範なLEDディスプレイの状況は進化し続けています。動向には、青色/緑色/白色用のInGaNなどのさらに効率的な材料の採用、より高密度でより小さなフットプリントのためのチップオンボード（COB）および表面実装デバイス（SMD）パッケージの開発、ドライバとコントローラのディスプレイモジュールへの直接統合（インテリジェントディスプレイ）が含まれます。しかし、標準的なスルーホールパッケージで純粋で効率的な黄色を必要とする特定のアプリケーションでは、LTC-4724JSのようなAlInGaPベースのディスプレイは、信頼性が高く費用対効果の高いソリューションであり続けます。そのシンプルさ、堅牢性、および基本的なマイクロコントローラとの容易なインターフェースは、カスタムグラフィックディスプレイが不要な多くの産業および民生設計における継続的な関連性を保証します。