Ficha Técnica do Display LED de 7 Segmentos LTD-5260JD - 0,52 Polegadas, Vermelho Hiper - Altura do Dígito 13,2mm - Tensão Direta 2,6V - Potência 70mW - Documentação Técnica em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTD-5260JD é um módulo de display LED de 7 segmentos de alto desempenho, com altura de dígito de 0,52 polegadas (13,2 mm). Foi concebido para aplicações que requerem leituras numéricas nítidas e brilhantes. O dispositivo utiliza a avançada tecnologia de semicondutor Fosfeto de Alumínio, Índio e Gálio (AlInGaP) para os seus chips emissores de luz, que são fabricados sobre um substrato não transparente de Arsenieto de Gálio (GaAs). Esta construção contribui para as suas principais características visuais: um mostrador cinzento e áreas de segmentos brancas quando apagados, o que melhora o contraste quando os segmentos vermelhos são iluminados.

O display apresenta uma configuração de cátodo comum, que é um desenho padrão para simplificar o circuito de acionamento em aplicações com múltiplos dígitos. Inclui um ponto decimal (D.P.) à direita para cada dígito, permitindo a exibição de números fracionários. Os principais objetivos de projeto para este componente são excelente aparência dos caracteres, alto brilho, elevada relação de contraste e um amplo ângulo de visão, tudo alcançado com requisitos de potência relativamente baixos, típicos da tecnologia LED de estado sólido.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

As vantagens principais do LTD-5260JD derivam da sua tecnologia LED vermelho hiper AlInGaP. Comparada com tecnologias mais antigas, como os LEDs vermelhos padrão de GaAsP (Fosfeto de Arsenieto de Gálio), o AlInGaP oferece uma eficiência luminosa significativamente superior. Isto traduz-se em níveis de brilho mais elevados para uma dada corrente direta, ou menor consumo de energia para um nível de brilho exigido. A designação "vermelho hiper" indica uma cor vermelha profunda e saturada, com um comprimento de onda dominante tipicamente em torno de 639 nm, que é altamente visível para o olho humano.

O dispositivo é categorizado por intensidade luminosa, o que significa que as unidades são classificadas ou separadas com base na sua saída de luz medida. Isto permite aos projetistas selecionar displays com brilho consistente entre múltiplas unidades num produto, garantindo uma aparência uniforme. A fiabilidade de estado sólido dos LEDs significa que não há filamentos para queimar, resistência a vibrações e um tempo de vida operacional extremamente longo, frequentemente superior a 100.000 horas.

O mercado-alvo para este display inclui instrumentação industrial, equipamentos de teste e medição, sistemas de ponto de venda, painéis de automóveis (para displays secundários ou do mercado de reposição), dispositivos médicos e eletrodomésticos onde é necessária uma leitura numérica clara e fiável. O seu tamanho de dígito de 0,52 polegadas torna-o adequado para montagem em painéis onde o espaço é uma consideração, mas a legibilidade a uma distância moderada é necessária.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

A ficha técnica fornece especificações elétricas, óticas e valores máximos absolutos abrangentes, que são críticos para um desenho de circuito fiável e para garantir a longevidade do display.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Não são condições para operação normal.

• Dissipação de Potência por Chip:70 mW. Esta é a potência máxima que pode ser dissipada continuamente por um segmento LED individual (chip) sem causar sobreaquecimento.
• Corrente Direta de Pico por Chip:90 mA. Isto é permitido apenas em condições pulsadas com um ciclo de trabalho de 1/10 e uma largura de pulso de 0,1 ms. É útil para esquemas de multiplexagem ou para alcançar breves períodos de maior brilho.
• Corrente Direta Contínua por Chip:25 mA a 25°C. Este valor é reduzido linearmente a 0,33 mA/°C à medida que a temperatura ambiente (Ta) aumenta acima de 25°C. Por exemplo, a 85°C, a corrente contínua máxima seria aproximadamente: 25 mA - ((85°C - 25°C) * 0,33 mA/°C) = 25 mA - 19,8 mA = 5,2 mA. Esta redução é crucial para a gestão térmica.
• Tensão Reversa por Chip:5 V. Exceder esta tensão em polarização reversa pode romper a junção PN do LED.
• Faixa de Temperatura de Operação e Armazenamento:-35°C a +85°C. O dispositivo é classificado para faixas de temperatura industriais.
• Temperatura de Soldadura:Máximo de 260°C por um máximo de 3 segundos, medido a 1,6mm abaixo do plano de assentamento. Isto define as restrições do perfil de soldadura por refluxo.

2.2 Características Elétricas e Óticas

Estes parâmetros são medidos em condições de teste padrão (Ta=25°C) e representam o desempenho típico do dispositivo.

• Intensidade Luminosa Média (I_V):320 (Mín), 700 (Tip), μcd (Microcandelas) a I_F=1mA. Esta é a medida principal do brilho. A ampla gama de mín. a tip. indica o processo de classificação; os projetistas devem usar o valor mínimo para cálculos de brilho no pior caso.
• Comprimento de Onda de Emissão de Pico (λ_p):650 nm (Tip) a I_F=20mA. Este é o comprimento de onda no qual a saída espectral é mais forte.
• Comprimento de Onda Dominante (λ_d):639 nm (Tip) a I_F=20mA. Este é o comprimento de onda único percebido pelo olho humano, definindo a cor. O valor de 639 nm confirma a classificação "vermelho hiper".
• Largura a Meia Altura Espectral (Δλ):20 nm (Tip). Isto indica a pureza da cor; um valor menor significa uma luz mais monocromática.
• Tensão Direta por Segmento (V_F):2,1 (Mín), 2,6 (Tip) Volts a I_F=20mA. Isto é crítico para projetar o circuito limitador de corrente. O driver deve fornecer pelo menos 2,6V para garantir que o LED acenda corretamente.
• Corrente Reversa por Segmento (I_R):100 μA (Máx) a V_R=5V. Esta é a corrente de fuga quando o LED está em polarização reversa.
• Razão de Correspondência de Intensidade Luminosa (I_V-m):2:1 (Máx). Isto especifica que a diferença de brilho entre quaisquer dois segmentos dentro do mesmo dígito não excederá uma razão de 2 para 1, garantindo uma aparência uniforme.

3. Explicação do Sistema de Classificação

A ficha técnica afirma explicitamente que os dispositivos são "categorizados por intensidade luminosa". Isto refere-se a um processo de classificação ou separação pós-fabrico. Devido a variações inerentes no crescimento epitaxial do semicondutor e nos processos de fabrico do chip, LEDs do mesmo lote de produção podem ter variações em parâmetros-chave como a tensão direta (V_F) e a intensidade luminosa (I_V).

Para o LTD-5260JD, o critério principal de classificação é a intensidade luminosa, conforme indicado. As unidades são testadas e separadas em diferentes classes de intensidade (ex.: uma classe para 320-400 μcd, outra para 400-500 μcd, etc., na condição de teste de 1mA). Isto permite aos fabricantes e distribuidores oferecer peças com níveis mínimos de brilho garantidos. Os projetistas que adquirem estes displays devem especificar a classe de intensidade requerida para garantir consistência em todas as unidades da sua produção, o que é vital para produtos que usam múltiplos displays onde a uniformidade visual é importante. A ficha técnica fornece os valores mínimo (320 μcd) e típico (700 μcd), definindo a gama possível.

4. Análise das Curvas de Desempenho

Embora os gráficos específicos não sejam detalhados no texto fornecido, a ficha técnica inclui uma secção para "Curvas Típicas de Características Elétricas / Óticas". Com base no comportamento padrão dos LEDs, estas curvas tipicamente incluiriam:

• Curva I-V (Corrente-Tensão):Mostra a relação entre a tensão direta (V_F) e a corrente direta (I_F). É não linear, com um aumento acentuado na corrente assim que a tensão direta excede o limiar do díodo (cerca de 2V para o vermelho AlInGaP). Esta curva é essencial para projetar drivers de corrente constante.
• Intensidade Luminosa vs. Corrente Direta (I_Vvs. I_F):Mostra como o brilho aumenta com a corrente. Geralmente é linear a correntes mais baixas, mas pode saturar a correntes mais altas devido a efeitos térmicos e queda de eficiência.
• Intensidade Luminosa vs. Temperatura Ambiente (I_Vvs. T_A):Ilustra como a saída de luz diminui à medida que a temperatura da junção aumenta. Esta é uma curva crítica de redução para aplicações que operam em ambientes de alta temperatura.
• Distribuição Espectral:Um gráfico de potência radiante relativa versus comprimento de onda, mostrando o pico em ~650 nm e a largura a meia altura de ~20 nm, confirmando a tabela de características óticas.
• Tensão Direta vs. Temperatura Ambiente (V_Fvs. T_A):Mostra o coeficiente de temperatura negativo de V_F; a tensão direta diminui ligeiramente à medida que a temperatura aumenta.

Estas curvas permitem aos engenheiros prever o desempenho em condições não padrão e otimizar o seu projeto para eficiência e fiabilidade.

5. Informação Mecânica e de Embalagem

A ficha técnica fornece um desenho detalhado das dimensões do encapsulamento. As características mecânicas principais incluem:

• Tamanho Geral:O desenho especifica o comprimento, largura e altura do encapsulamento plástico, bem como o espaçamento e dimensões dos terminais. Todas as dimensões estão em milímetros com uma tolerância padrão de ±0,25 mm, salvo indicação em contrário.
• Desenho do Suporte dos Terminais:Os 18 pinos estão dispostos com um espaçamento de 0,1 polegadas (2,54 mm), que é uma pegada padrão DIP (Dual In-line Package), tornando-o compatível com soquetes e layouts padrão de PCB.
• Identificação de Polaridade:O diagrama de ligação dos pinos serve como guia principal de polaridade e pinagem. Os pinos de cátodo comum (13 e 14) estão claramente identificados. O encapsulamento físico provavelmente inclui um entalhe, um ponto ou um canto chanfrado para indicar a orientação do pino 1, que deve ser cruzado com o diagrama de pinos.
• Plano de Assentamento:A nota sobre a temperatura de soldadura refere-se a um ponto 1,6mm abaixo do plano de assentamento, o que é importante para definir a massa térmica do encapsulamento durante a soldadura por refluxo.

6. Diretrizes de Soldadura e Montagem

Os valores máximos absolutos fornecem a diretriz principal para soldadura: o encapsulamento não deve ser exposto a temperaturas superiores a 260°C por mais de 3 segundos. Isto está alinhado com os perfis padrão de soldadura por refluxo sem chumbo (ex.: IPC/JEDEC J-STD-020).

Processo Recomendado:Deve ser usado um forno de refluxo padrão por infravermelhos ou convecção com um perfil de temperatura controlado. O perfil deve ter uma zona de pré-aquecimento para elevar gradualmente a temperatura, uma zona de estabilização para ativar o fluxo e equalizar as temperaturas, uma zona de refluxo de pico onde a temperatura nos terminais do encapsulamento atinge brevemente 240-250°C (permanecendo abaixo do limite de 260°C), e uma zona de arrefecimento controlado.

Soldadura Manual:Se for necessária soldadura manual, deve ser usado um ferro de soldar com temperatura controlada. A temperatura da ponta do ferro deve ser ajustada tipicamente entre 300-350°C, mas o tempo de contacto com cada pino deve ser muito curto (menos de 3 segundos) para evitar que o calor suba pelo terminal e danifique as ligações internas por fio ou o próprio chip LED. É aconselhável o uso de uma pinça dissipadora de calor no terminal entre a junta e o corpo do encapsulamento.

Limpeza:Após a soldadura, se for necessária limpeza, use solventes compatíveis com o material do encapsulamento plástico. O álcool isopropílico é geralmente seguro.

Condições de Armazenamento:Armazene num ambiente seco e antiestático dentro da faixa de temperatura especificada de -35°C a +85°C. Os dispositivos devem ser mantidos nas suas embalagens originais de barreira à humidade até estarem prontos para uso, para evitar a absorção de humidade, que pode causar "efeito pipoca" durante o refluxo.

7. Ligação dos Pinos e Circuito Interno

A tabela de ligação dos pinos é exaustiva. O LTD-5260JD é um display de dois dígitos com um cátodo comum para cada dígito. O diagrama de circuito interno mostraria que todos os ânodos para um segmento específico (ex.: segmento "A") de um dígito específico são independentes, enquanto os cátodos de todos os segmentos dentro de um único dígito estão ligados internamente.

Método de Acionamento:Esta configuração é ideal para multiplexagem. Para exibir um número, o microcontrolador faria:

1. Colocar o padrão dos ânodos (pinos 1-12, 15-18) em nível alto (através de resistências limitadoras) para os segmentos que precisam ser iluminados.
2. Colocar o cátodo comum do dígito correspondente (pino 13 ou 14) em nível baixo para completar o circuito e iluminar o dígito.
3. Após um curto período (ex.: 5ms), desligar esse dígito colocando o seu cátodo em nível alto ou em flutuação.
4. Repetir o processo para o próximo dígito com o seu padrão de ânodo de segmento e cátodo correspondentes.

Ao alternar rapidamente entre os dígitos (a uma frequência >100Hz), a persistência da visão cria a ilusão de que ambos os dígitos estão continuamente acesos. Este método reduz significativamente o número de pinos de I/O do microcontrolador e o consumo de energia em comparação com o acionamento estático (não multiplexado).

8. Sugestões de Aplicação

8.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A aplicação mais comum é um circuito de acionamento multiplexado. As portas de I/O de um microcontrolador, frequentemente aumentadas com drivers externos de sumidouro de corrente (como um array Darlington ULN2003A) para lidar com a corrente do cátodo, controlam o display. Cada ânodo de segmento liga-se ao microcontrolador (ou a um IC de latch/decodificador como um 74HC595) através de uma resistência limitadora de corrente. O valor da resistência é calculado usando R = (V_fonte- V_F) / I_F. Para uma fonte de 5V, um V_Ftípico de 2,6V, e um I_Fdesejado de 10 mA: R = (5 - 2,6) / 0,01 = 240 Ω. Uma resistência de 220 Ω ou 270 Ω seriam escolhas padrão.

8.2 Considerações de Projeto

• Limitação de Corrente:Use sempre resistências em série para cada ânodo de segmento. Nunca ligue um LED diretamente a uma fonte de tensão.
• Corrente de Pico na Multiplexagem:Na multiplexagem, a corrente instantânea durante o breve tempo de ligação pode ser maior do que a classificação DC para alcançar o mesmo brilho médio. Por exemplo, com um ciclo de trabalho de 1/4, poderia usar um pulso de 40 mA para alcançar uma média de 10 mA. No entanto, este pulso não deve exceder a classificação de corrente de pico máxima absoluta de 90 mA e deve respeitar as restrições de ciclo de trabalho e largura de pulso.
• Ângulo de Visão:Posicione o display de modo que a direção de visualização pretendida esteja dentro do amplo ângulo de visão do dispositivo, tipicamente perpendicular ao mostrador para o máximo contraste.
• Atenuação:O brilho pode ser controlado via PWM (Modulação por Largura de Pulso) nos drivers do cátodo, ajustando o ciclo de trabalho dos pulsos de multiplexagem.

9. Comparação e Diferenciação Técnica

O principal diferenciador do LTD-5260JD é o uso da tecnologia AlInGaP para emissão vermelho hiper. Comparado com displays que usam a tecnologia mais antiga GaAsP ou AlInGaP vermelho padrão:

• vs. Vermelho GaAsP:O AlInGaP oferece uma eficiência luminosa substancialmente superior (mais luz por mA), melhor estabilidade térmica e um comprimento de onda maior (vermelho mais profundo) que frequentemente parece mais brilhante ao olho e tem melhor desempenho através de filtros vermelhos.
• vs. Displays LED Vermelhos Padrão:O comprimento de onda dominante "vermelho hiper" de 639 nm proporciona um contraste superior contra o fundo cinzento/branco, especialmente em condições de luz ambiente, comparado com um vermelho padrão de ~625 nm.
• vs. Alternativas Contemporâneas (ex.: OLED):Embora os OLEDs ofereçam flexibilidade e potencialmente maior contraste em ambientes escuros, este display LED é superior em ambientes de alto brilho (legibilidade à luz solar), oferece uma faixa de temperatura de operação mais ampla e possui uma fiabilidade e estabilidade de longo prazo comprovadas que superam os OLEDs de primeira geração.

10. Perguntas Frequentes (Baseadas nos Parâmetros Técnicos)

P: Posso acionar este display com um microcontrolador de 3,3V?

R: Sim, mas deve verificar a tensão direta. O V_Ftípico é 2,6V. Com uma fonte de 3,3V, a margem de tensão para a resistência limitadora é de apenas 0,7V (3,3V - 2,6V). Para alcançar uma corrente de 10 mA, precisaria de uma resistência de 70 Ω (R = 0,7V / 0,01A). Isto é viável, mas a corrente será mais sensível a variações no V_Fe na tensão da fonte. Uma fonte de 5V é mais robusta para acionar estes LEDs.

P: Por que a intensidade luminosa é dada a 1mA mas o V_Fa 20mA?

R: A intensidade a uma corrente baixa (1mA) é uma condição de teste padrão para comparar a eficiência de brilho. A tensão direta é tipicamente medida a uma corrente de operação padrão (20mA), que é um nível de acionamento comum para LEDs indicadores. Os projetistas usam os dados de 1mA para cálculos de baixa potência e o V_Fde 20mA para o projeto do circuito de acionamento padrão.

P: O que significa "cátodo comum" para o meu circuito?

R: Significa que todos os cátodos (lados negativos) dos LEDs num dígito estão ligados internamente. Para acender um segmento, aplica uma tensão positiva (através de uma resistência) ao seu pino de ânodo e liga o pino de cátodo comum do dígito ao terra. Isto é o oposto de um display de "ânodo comum", onde se liga o pino do segmento ao terra e aplica tensão ao ânodo comum.

P: Como calculo a dissipação de potência para a gestão térmica?

R: Para um segmento, a potência P = V_F* I_F. A 20mA e 2,6V, P = 52 mW por segmento. Se todos os 7 segmentos de um dígito estiverem acesos (mais o ponto decimal, perfazendo 8), a potência total para esse dígito seria 8 * 52 mW = 416 mW. Esta potência é dissipada como calor nos chips LED. Deve garantir que a temperatura média do chip não excede os seus limites, seguindo a curva de redução de corrente e fornecendo ventilação ou dissipação de calor adequadas, se necessário, especialmente em altas temperaturas ambientes.

11. Estudo de Caso de Projeto Prático

Cenário:Projetar um display simples de voltímetro de dois dígitos para uma fonte de alimentação de bancada, mostrando 0,0V a 19,9V.

Implementação:

1. Microcontrolador:É escolhido um MCU de 8 bits de baixo custo com pelo menos 10 pinos de I/O.
2. Circuito de Acionamento:Dois pinos de porta de I/O são configurados para sumir corrente para os dois cátodos comuns (pinos 13 & 14). Estes pinos ligam-se diretamente ao MCU se conseguirem sumir 20-40mA, ou através de um transistor/driver IC. Outros oito pinos de I/O (ou um registo de deslocamento série/paralelo como o 74HC595 para poupar pinos) acionam os ânodos dos segmentos (A-G e DP para ambos os dígitos, notando que alguns são partilhados) através de resistências limitadoras individuais de 220Ω.
3. Software:O firmware lê a tensão via um ADC, converte-a para BCD (Decimal Codificado em Binário) e usa uma tabela de consulta para determinar quais segmentos acender para cada dígito (0-9). Implementa uma rotina de multiplexagem que atualiza o display a uma taxa de 200Hz (cada dígito ligado por ~2,5ms).
4. Controlo de Brilho:É implementado um ajuste simples de PWM do ciclo de trabalho da multiplexagem, controlado por um potenciómetro lido por outro canal ADC, permitindo ao utilizador atenuar o display em ambientes escuros.

Este caso destaca o uso eficiente de I/O, a limitação de corrente adequada e a técnica de multiplexagem possibilitada pelo design de cátodo comum e dois dígitos do LTD-5260JD.

12. Introdução ao Princípio Tecnológico

O princípio emissor de luz central é a eletroluminescência numa junção PN de semicondutor. O LTD-5260JD usa AlInGaP (Fosfeto de Alumínio, Índio e Gálio) como camada ativa. Quando uma tensão direta é aplicada, eletrões da região tipo N e lacunas da região tipo P são injetados na região ativa. Lá, eles recombinam-se, libertando energia na forma de fotões (luz). A composição específica da liga Al_xIn_yGa_1-x-yP determina a energia da banda proibida, que dita diretamente o comprimento de onda (cor) da luz emitida. Para o vermelho hiper a ~639 nm, a composição é cuidadosamente calibrada. O substrato não transparente de GaAs absorve qualquer luz emitida para baixo, melhorando o contraste ao impedir que a luz se disperse pela parte de trás do chip. A face cinzenta e os segmentos brancos fazem parte do molde do encapsulamento plástico, que atua como um difusor e filtro de realce de contraste para os pequenos e brilhantes chips LED montados atrás dele.

13. Tendências de Desenvolvimento

Embora os displays LED de 7 segmentos discretos como o LTD-5260JD permaneçam relevantes para muitas aplicações devido à sua simplicidade, robustez e custo-eficácia, várias tendências são evidentes:

1. Integração:Há uma tendência para displays com drivers integrados (interface I2C ou SPI) e controladores, reduzindo a contagem de componentes e a sobrecarga do microcontrolador para o projetista do sistema.
2. Miniaturização e Maior Densidade:Displays com alturas de dígito menores (ex.: 0,3 polegadas) e módulos multi-dígitos (4 dígitos, 8 dígitos) em embalagens únicas são comuns.
3. Variedade de Cores:Embora o vermelho seja tradicional, displays de 7 segmentos verde brilhante, azul, amarelo e RGB de cor completa estão disponíveis para necessidades estéticas ou funcionais específicas.
4. Tecnologias Alternativas:Em aplicações onde o consumo ultrabaixo, a finura ou a flexibilidade são primordiais, os displays de segmentos baseados em OLED são uma alternativa, embora possam comprometer o brilho máximo, a faixa de temperatura ou a fiabilidade a longo prazo em certas condições, comparados com os LEDs inorgânicos.
5. Melhorias de Eficiência:A investigação contínua em materiais semicondutores, incluindo novos LEDs convertidos por fósforo e tecnologia micro-LED, promete eficiências ainda mais altas e novos fatores de forma, embora estes sejam mais propensos a impactar as tecnologias de display de próxima geração do que a substituir os LEDs de segmento tradicionais a curto prazo nas suas aplicações principais.

O LTD-5260JD representa uma solução madura e otimizada dentro do seu nicho específico, equilibrando desempenho, fiabilidade e custo.