Техническая документация LTP-2257KA: Светодиодный дисплей с матрицей 5x7, высота 1.97 дюйма, AlInGaP красно-оранжевый

1. Обзор продукта

LTP-2257KA — это однозначный алфавитно-цифровой дисплейный модуль, предназначенный для приложений, требующих четкого и надежного вывода символов. Его основная функция — визуальное представление данных, обычно символов в кодировке ASCII или EBCDIC, через матрицу индивидуально адресуемых светоизлучающих диодов (LED). Устройство разработано для интеграции в системы, где критически важными факторами являются низкое энергопотребление, надежность твердотельной технологии и широкий угол обзора.

Основной рынок для этого компонента включает промышленные панели управления, приборы, терминалы точек продаж, базовые информационные дисплеи и встраиваемые системы, где требуется простое и надежное отображение символов. Его конструкция с возможностью стыковки позволяет создавать многосимвольные дисплеи в горизонтальной плоскости, обеспечивая гибкость для отображения слов или чисел.

Основное технологическое преимущество заключается в использовании полупроводникового материала Aluminium Indium Gallium Phosphide (AlInGaP) для светодиодных чипов. Эта материаловая система известна высокой эффективностью излучения в красно-янтарно-оранжевом спектре, обеспечивая хорошую видимость. Дисплей имеет черную лицевую панель, которая создает высокую контрастность с подсвеченными белыми точками, значительно улучшая читаемость в различных условиях окружающего освещения.

2. Подробный анализ технических характеристик

В этом разделе представлен детальный объективный анализ ключевых электрических, оптических и физических параметров, определенных в техническом описании.

2.1 Фотометрические и оптические характеристики

Оптические характеристики являются центральными для функции дисплея. Ключевые параметры измеряются в стандартных условиях испытаний (Ta=25°C) для обеспечения согласованности.

• Средняя сила света (I_V):Диапазон от минимум 2100 мккд до максимум 5000 мккд, с подразумеваемым типичным значением. Эта интенсивность измеряется на точку в импульсном режиме при I_p=32мА и скважности 1/16. Скважность 1/16 типична для мультиплексированных матричных драйверов, где каждая строка активна лишь часть времени. Используемый датчик аппроксимирует функцию световой эффективности CIE, обеспечивая соответствие измерений чувствительности человеческого глаза.
• Пиковая длина волны излучения (λ_p):Обычно 621 нанометр (нм). Это указывает длину волны, на которой оптическая мощность излучения наибольшая. Она находится в красно-оранжевой области видимого спектра.
• Доминирующая длина волны (λ_d):615 нм. Это единственная длина волны, воспринимаемая человеческим глазом как соответствующая цвету излучения светодиода. Она немного ниже пиковой длины волны, что является обычным явлением из-за формы спектра излучения.
• Полуширина спектральной линии (Δλ):Приблизительно 18 нм. Этот параметр определяет ширину полосы излучаемого света, а именно ширину спектральной кривой на половине ее максимальной мощности. Значение 18 нм указывает на относительно узкополосный монохроматический источник, что характерно для светодиодов AlInGaP и приводит к насыщенному цвету.
• Коэффициент соответствия силы света (I_V-m):Максимум 2:1. Это критически важный параметр для однородности дисплея. Он указывает, что сила света любой отдельной точки не будет более чем в два раза превышать силу света любой другой точки в пределах одного модуля дисплея. Это обеспечивает равномерную яркость всех сегментов символа.

2.2 Электрические характеристики

Электрические параметры определяют интерфейс и требования к питанию устройства.

• Прямое напряжение (V_F):Диапазон от 2.05В (мин.) до 2.6В (макс.) на точку при испытательном токе (I_F) 20мА. Это падение напряжения на светодиоде, когда он проводит ток. Конструкторы должны обеспечить, чтобы схема управления могла обеспечить это напряжение. Типичное значение не указано, но находится в этом диапазоне.
• Обратный ток (I_R):Максимум 100 мкА при обратном напряжении (V_R) 15В. Это небольшой ток утечки, который протекает при обратном смещении светодиода. Обычно им можно пренебречь в работе, но его необходимо учитывать при проектировании защиты схемы.
• Средний прямой ток на точку:Номинальный средний ток составляет 13 мА. Однако применяется коэффициент снижения номинала 0.17 мА/°C линейно выше 25°C. Это означает, что максимально допустимый средний ток должен быть уменьшен с ростом температуры окружающей среды для предотвращения перегрева и преждевременного выхода из строя. Например, при 85°C максимальный средний ток составит: 13 мА - [0.17 мА/°C * (85-25)°C] = 13 - 10.2 = 2.8 мА.

2.3 Абсолютные максимальные параметры

Это пределы нагрузки, которые ни при каких условиях, даже кратковременно, не должны быть превышены. Работа за этими пределами может привести к необратимому повреждению.

• Средняя рассеиваемая мощность на точку:Максимум 36 мВт. Это произведение среднего прямого тока и прямого напряжения.
• Пиковый прямой ток на точку:Максимум 100 мА. Это максимально допустимый мгновенный ток, обычно актуальный во время очень коротких импульсов в мультиплексных схемах.
• Обратное напряжение на точку:Максимум 5 В. Превышение этого значения может вызвать пробой перехода.
• Диапазон рабочих температур и температур хранения:от -35°C до +85°C. Устройство рассчитано на промышленный температурный диапазон.
• Температура пайки:Максимум 260°C в течение не более 3 секунд, измеренная на расстоянии 1.6мм (1/16 дюйма) ниже плоскости установки. Это критически важно для процессов волновой или конвекционной пайки.

3. Система сортировки и категоризации

В техническом описании явно указано, что устройство "категоризировано по силе света". Это означает, что изделия сортируются или "биннуются" на основе измеренной светоотдачи. Диапазон силы света (2100-5000 мккд), вероятно, представляет разброс по нескольким бинам. Производители обычно группируют светодиоды в более узкие диапазоны интенсивности (например, 2100-3000 мккд, 3000-4000 мккд, 4000-5000 мккд). Это позволяет клиентам выбрать бин в соответствии с их конкретными требованиями к однородности яркости. Для многосегментного дисплея использование светодиодов из одного бина интенсивности необходимо для достижения однородного внешнего вида. В техническом описании не указана сортировка по прямому напряжению или длине волны, хотя предоставленные мин./макс. диапазоны для V_Fи λ_pопределяют общий разброс.

4. Анализ характеристических кривых

В техническом описании упоминаются "Типичные электрические/оптические характеристические кривые". Хотя конкретные графики не приведены в тексте, мы можем вывести их стандартное содержание и значение.

• Относительная сила света в зависимости от прямого тока (I-V кривая):Этот график показывал бы, как светоотдача увеличивается с ростом тока управления. Обычно она нелинейна, с падением эффективности при очень высоких токах из-за тепловых эффектов. Испытательная точка 32мА, вероятно, находится на эффективной линейной части этой кривой.
• Прямое напряжение в зависимости от прямого тока:Эта кривая показывает ВАХ диода. Напряжение увеличивается логарифмически с током. Указанное V_Fпри 20мА — это одна точка на этой кривой.
• Относительная сила света в зависимости от температуры окружающей среды:Это критически важная кривая для понимания тепловых характеристик. Светоотдача светодиодов обычно уменьшается с ростом температуры перехода. Указанное снижение номинала для прямого тока напрямую связано с управлением этим тепловым эффектом для поддержания производительности и надежности.
• Спектральное распределение:График относительной интенсивности в зависимости от длины волны, показывающий пик около 621нм и ширину приблизительно 18нм на половине пиковой интенсивности (FWHM).

5. Механическая информация и данные о корпусе

Устройство является компонентом для сквозного монтажа со стандартным форм-фактором DIP (Dual In-line Package), подходящим для монтажа на печатную плату.

• Высота матрицы:Определяющая физическая особенность — высота символа 1.97 дюйма (50.15 мм). Это дисплей большого формата, предназначенный для просмотра на расстоянии.
• Габаритные размеры корпуса:Техническое описание включает подробный чертеж с размерами. Все размеры указаны в миллиметрах со стандартным допуском ±0.25 мм, если не указано иное. Этот чертеж необходим для проектирования посадочного места на печатной плате и обеспечения правильной установки в корпус.
• Подключение выводов:Устройство имеет 12 выводов в один ряд.
  • Выводы 1-7: Соответствуют катодным строкам с 1 по 7. В стандартной матричной конфигурации это были бы линии сканирования.
  • Выводы 8-12: Соответствуют анодным столбцам с 5 по 1 (обратите внимание на обратный порядок: вывод 8 — столбец 5, вывод 12 — столбец 1). Это были бы линии данных.
• Внутренняя схема соединений:Приведенная схема показывает стандартную конфигурацию матрицы 5x7. Каждый светодиод (точка) расположен на пересечении анодного столбца и катодной строки. Чтобы зажечь конкретную точку, соответствующий анодный вывод должен быть переведен в высокий уровень (положительное напряжение), а катодный вывод — в низкий уровень (земля). Такая матричная организация минимизирует количество необходимых выводов драйвера (12 вместо 35 для индивидуально адресуемых точек).
• Идентификация полярности:Таблица распиновки четко идентифицирует подключения анода и катода. На корпусе, вероятно, имеется выемка или маркировка на одном конце для указания ориентации вывода 1.

6. Рекомендации по пайке и сборке

Основная спецификация сборки, приведенная здесь, касается процесса пайки.

• Параметры конвекционной/волновой пайки:Абсолютный максимальный параметр указывает, что устройство может выдерживать температуру пайки 260°C в течение максимум 3 секунд. Это измерение производится на расстоянии 1.6мм ниже плоскости установки (т.е. на уровне печатной платы), а не на корпусе компонента. Это стандартный параметр для выводных компонентов и совместим с типичными профилями волновой пайки. Для конвекционной пайки бессвинцовым припоем (который имеет более высокие температуры плавления) профиль должен тщательно контролироваться, чтобы температура корпуса компонента не превышала максимальную температуру хранения 85°C в течение длительного времени, даже если выводы кратковременно достигают 260°C.
• Ручная пайка:Если необходима ручная пайка, следует использовать паяльник с регулировкой температуры. Время контакта на вывод должно быть минимизировано, в идеале менее 3 секунд, чтобы предотвратить передачу тепла по выводам и повреждение внутренних проводных соединений или эпоксидной смолы.
• Очистка:Конкретные инструкции по очистке не даны. Можно использовать стандартный изопропиловый спирт или одобренные средства для удаления флюса, но следует избегать агрессивных растворителей, так как они могут повредить пластиковую лицевую панель или маркировку.
• Условия хранения:Устройство должно храниться в пределах указанного температурного диапазона от -35°C до +85°C в сухой среде без конденсации. Рекомендуется хранить компоненты в оригинальных влагозащитных пакетах до использования, чтобы предотвратить поглощение влаги, которое может вызвать "вспучивание" (popcorning) во время пайки.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типичные сценарии применения

• Промышленные панели управления:Отображение уставок, технологических значений (температура, давление, скорость), кодов ошибок или статуса оборудования.
• Контрольно-измерительное оборудование:Отображение числовых показаний мультиметров, источников питания или генераторов сигналов.
• Бытовая электроника (устаревшая):Часы, таймеры, базовые калькуляторы или дисплеи бытовой техники.
• Прототипирование встраиваемых систем:Простой прямой вывод для микроконтроллеров (например, Arduino, PIC) для отображения отладочной информации или пользовательских подсказок.
• Многосимвольные дисплеи с объединением:Размещая несколько модулей LTP-2257KA рядом, можно создавать слова, числа или простые прокручивающиеся сообщения для базовых информационных табло или вывесок.

7.2 Вопросы проектирования

• Схема управления:Требуется специализированная микросхема драйвера светодиодов или выводы GPIO микроконтроллера с токоограничивающими резисторами. Из-за матричной конфигурации необходима мультиплексная (сканирующая) схема. Драйвер должен подавать ток на анодные столбцы и принимать ток с катодных строк. Пиковый ток на точку (100мА) и снижение номинала среднего тока должны учитываться в расчетах временных диаграмм мультиплексирования.
• Ограничение тока:Внешние резисторы обязательны для каждого анодного столбца или катодной строки (в зависимости от топологии драйвера) для установки рабочего тока. Значение рассчитывается на основе напряжения питания (V_CC), прямого напряжения светодиода (V_F) и желаемого тока (I_F). Например, при питании 5В, V_F2.3В и целевом I_F20мА: R = (5В - 2.3В) / 0.02А = 135 Ом. Подошел бы стандартный резистор 150 Ом.
• Теплоотвод:Хотя устройство маломощное, в условиях высокой температуры окружающей среды необходимо соблюдать кривую снижения номинала для прямого тока. Обеспечьте достаточный поток воздуха, если дисплей находится в корпусе. Средняя рассеиваемая мощность на точку (макс. 36мВт) пересчитывается в общую максимальную рассеиваемую мощность для всего зажженного символа, что следует учитывать при тепловом проектировании печатной платы.
• Угол обзора:Функция "широкого угла обзора" полезна, но для оптимальной читаемости дисплей должен быть установлен лицом к основному наблюдателю. Конструкция с черной панелью и белыми точками обеспечивает хорошую контрастность с большинства углов.

8. Техническое сравнение и отличия

По сравнению с другими технологиями отображения, доступными на момент его выпуска (2000 год), LTP-2257KA предлагал конкретные преимущества:

• По сравнению с лампами накаливания или вакуумно-люминесцентными дисплеями (VFD):Светодиоды являются твердотельными, обеспечивая гораздо большую надежность, устойчивость к ударам/вибрации, более длительный срок службы (обычно десятки тысяч часов) и более низкое рабочее напряжение/потребляемую мощность. Им также не требуются нагреваемые нити накала или высокие напряжения.
• По сравнению с ранними ЖК-дисплеями:Светодиоды являются излучающими, то есть сами производят свет, что делает их четко видимыми в условиях слабого освещения или в темноте без подсветки. Они имеют гораздо более широкий рабочий температурный диапазон и более быстрое время отклика. Однако они потребляют больше энергии, чем отражающие ЖК-дисплеи, и не подходят для сложной графики.
• По сравнению с другими светодиодными технологиями:Использование материала AlInGaP по сравнению со старыми GaAsP или GaP обеспечивало более высокую эффективность и лучшую чистоту цвета (более насыщенный красно-оранжевый) при заданном токе управления. Конкретный формат 5x7 с большой высотой 1.97 дюйма был нацелен на приложения, требующие легко читаемых символов на расстоянии.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Могу ли я управлять этим дисплеем с постоянным постоянным током на всех точках одновременно?

О: Технически да, но это крайне неэффективно и превысит средние номинальные параметры мощности, если все 35 точек будут включены. Стандартный и предполагаемый метод — мультиплексирование, при котором точки зажигаются по одной строке (или столбцу) за раз с высокой частотой, создавая иллюзию стабильного изображения при значительном снижении среднего тока.

В: В чем разница между пиковой и доминирующей длиной волны?

О: Пиковая длина волны — это та, на которой светодиод излучает наибольшую оптическую мощность. Доминирующая длина волны — это единственная длина волны, которую человеческий глаз воспринимает как соответствующую цвету светодиода. Они часто близки, но не идентичны из-за асимметрии спектра излучения светодиода. Доминирующая длина волна более актуальна для восприятия цвета.

В: Прямое напряжение составляет 2.05-2.6В. Могу ли я питать его от источника логики 3.3В?

О: Да, абсолютно. Источника 3.3В достаточно для прямого смещения светодиода. Вам нужно будет пересчитать значение токоограничивающего резистора на основе более низкого напряжения питания (например, R = (3.3В - 2.3В) / 0.02А = 50 Ом).

В: Что означает "Скважность 1/16" в условиях испытания силы света?

О: Это означает, что светодиод импульсно питался током 32мА, но импульс был активен только 1/16 от общего периода времени. Измеренная интенсивность — это среднее значение за весь период. Это имитирует условия в мультиплексной схеме управления 1:16 (например, 7 строк + 9 пустых = 16 временных интервалов).

10. Практический пример проектирования и использования

Пример: Создание простого 4-разрядного дисплея вольтметра.Инженеру необходимо отображать напряжение от 0.000 до 9.999 вольт на панели. Он решает использовать четыре модуля LTP-2257KA, расположенных горизонтально.

1. Проектирование схемы:Микроконтроллер с АЦП считывает напряжение. Прошивка преобразует показание в четыре десятичные цифры. Порты ввода-вывода микроконтроллера в сочетании с дискретными транзисторами или специализированной микросхемой мультиплексного драйвера (например, MAX7219) настроены для сканирования четырех дисплеев. Катодные строки каждого дисплея соединены параллельно, а анодные столбцы каждого разряда управляются отдельно. Это создает матрицу 4 разряда на 7 строк.
2. Установка тока:Используя источник питания 5В и стремясь к яркому дисплею, они выбирают средний ток 15мА на точку. Учитывая мультиплексирование по 4 разрядам и 7 строкам (эффективно скважность 1/28 для каждой точки, когда все включены), пиковый импульсный ток во время его активного временного интервала будет выше (например, 15мА * 28 = 420мА), но это необходимо проверить на соответствие номинальному пиковому току 100мА. Следовательно, им потребуется скорректировать временные диаграммы или использовать меньший средний ток, чтобы удержать пик в пределах спецификации.
3. Тепловые соображения:Панель предназначена для лабораторных условий (25°C). Снижение номинала среднего тока здесь не вызывает беспокойства. Однако они обеспечивают наличие заземляющего слоя на печатной плате для отвода тепла от схемы драйвера.
4. Результат:Конечный продукт показывает четкое, яркое 4-разрядное показание с хорошим углом обзора, удовлетворяя требованиям настольного прибора.

11. Принцип работы

LTP-2257KA работает на основе фундаментального принципа светоизлучающего диода (LED), организованного в пассивную матрицу. Каждая из 35 точек, образующих сетку 5x7, представляет собой отдельный чип светодиода AlInGaP. Когда прямое смещающее напряжение, превышающее потенциал перехода диода (примерно 2В), прикладывается к конкретной паре анод (столбец) и катод (строка), ток протекает через светодиод на этом пересечении. Этот ток вызывает рекомбинацию электронов и дырок в активной области полупроводника, высвобождая энергию в виде фотонов — света — с длиной волны, характерной для материала AlInGaP (красно-оранжевый).

Матричная организация — это умный метод соединения. Вместо 35 отдельных проводов, аноды всех светодиодов в вертикальном столбце соединены вместе, а катоды всех светодиодов в горизонтальной строке соединены вместе. Чтобы зажечь одну точку, ее конкретный столбец переводится в положительное состояние, а конкретная строка — в состояние земли. Для отображения узора (например, символа) алгоритм сканирования быстро перебирает строки (или столбцы), поочередно включая соответствующие драйверы столбцов для каждой строки. При достаточно высокой частоте (обычно >100Гц) инерция зрения создает впечатление, что весь символ постоянно освещен.

12. Технологические тренды и контекст

LTP-2257KA представляет собой зрелую, устоявшуюся технологию отображения. На момент его выпуска светодиодные матричные дисплеи были основным решением для алфавитно-цифрового вывода. Переход к AlInGaP от старых материалов, таких как GaAsP, был значительным трендом, предлагавшим улучшенную эффективность и цвет.

Последующие тренды сместились в сторону:

Корпуса для поверхностного монтажа (SMD):Современные аналоги почти исключительно относятся к типам SMD, что позволяет осуществлять более компактную автоматизированную сборку.

Более высокая плотность и полноразмерные матричные дисплеи:Базовый формат 5x7 в значительной степени вытеснен более крупными матричными модулями (например, 8x8, 16x16) и полноценными графическими панелями, которые могут отображать произвольные формы и текст несколькими шрифтами.

Интегрированные контроллеры:Современные светодиодные матричные модули часто включают драйвер, память и интерфейс связи (например, I2C или SPI) на одной плате, что значительно упрощает процесс проектирования для инженеров.

Альтернативные технологии:Для многих приложений, требующих простого вывода символов, низкопотребляющие ЖК-дисплеи (с подсветкой или без) и OLED-дисплеи стали более распространенными, особенно там, где приоритетами являются энергопотребление, тонкость или графические возможности.

Несмотря на эти тренды, светодиодные матричные дисплеи для сквозного монтажа, такие как LTP-2257KA, остаются актуальными в образовательных целях, для любительских проектов, при обслуживании устаревшего оборудования и в конкретных промышленных приложениях, где их простота, надежность, высокая яркость и широкий температурный диапазон являются решающими преимуществами.