Техническая документация LTD-5260JD: 7-сегментный светодиодный индикатор с высотой знака 13.2 мм, напряжением 2.6 В и мощностью 70 мВт

1. Обзор продукта

LTD-5260JD — это высокопроизводительный 7-сегментный светодиодный модуль с высотой знака 0.52 дюйма (13.2 мм). Он предназначен для применений, требующих четкого и яркого цифрового отображения. Устройство использует передовую технологию полупроводников на основе фосфида алюминия-индия-галлия (AlInGaP) для своих светоизлучающих чипов, которые изготовлены на непрозрачной подложке из арсенида галлия (GaAs). Такая конструкция обеспечивает ключевые визуальные характеристики: серую лицевую панель и белые области сегментов в неактивном состоянии, что повышает контрастность при включении красных сегментов.

Индикатор имеет конфигурацию с общей катодной схемой, что является стандартным решением для упрощения схемы управления в многоразрядных приложениях. Он включает правую десятичную точку (D.P.) для каждого разряда, позволяя отображать дробные числа. Основными целями проектирования данного компонента являются отличный внешний вид символов, высокая яркость, высокий коэффициент контрастности и широкий угол обзора, достигаемые при относительно низком энергопотреблении, характерном для твердотельной светодиодной технологии.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Ключевые преимущества LTD-5260JD обусловлены его технологией AlInGaP для сверхкрасных светодиодов. По сравнению со старыми технологиями, такими как стандартные красные светодиоды на основе GaAsP (фосфида арсенида галлия), AlInGaP обеспечивает значительно более высокую световую отдачу. Это означает более высокие уровни яркости при заданном прямом токе или более низкое энергопотребление при требуемом уровне яркости. Обозначение "сверхкрасный" указывает на глубокий, насыщенный красный цвет с доминирующей длиной волны, обычно около 639 нм, что хорошо воспринимается человеческим глазом.

Устройство классифицируется по световой интенсивности, то есть модули сортируются на основе измеренной светоотдачи. Это позволяет разработчикам выбирать индикаторы с одинаковой яркостью для нескольких единиц в продукте, обеспечивая однородный внешний вид. Надежность твердотельных светодиодов означает отсутствие нитей накаливания, устойчивость к вибрациям и чрезвычайно долгий срок службы, часто превышающий 100 000 часов.

Целевой рынок для этого индикатора включает промышленные приборы, контрольно-измерительное оборудование, POS-системы, автомобильные приборные панели (для вторичного рынка или дополнительных дисплеев), медицинские устройства и бытовую технику, где требуется четкое и надежное цифровое отображение. Размер знака 0.52 дюйма делает его подходящим для монтажа на панели, где важен размер, но необходима читаемость с умеренного расстояния.

2. Подробный анализ технических параметров

В техническом описании представлены полные электрические, оптические и предельные параметры, которые критически важны для надежного проектирования схемы и обеспечения долговечности индикатора.

2.1 Предельные параметры

Эти параметры определяют пределы нагрузки, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не являются условиями для нормальной работы.

• Рассеиваемая мощность на чип:70 мВт. Это максимальная мощность, которая может непрерывно рассеиваться отдельным светодиодным сегментом (чипом) без перегрева.
• Пиковый прямой ток на чип:90 мА. Допускается только в импульсном режиме со скважностью 1/10 и длительностью импульса 0.1 мс. Полезно для схем мультиплексирования или достижения кратковременной повышенной яркости.
• Непрерывный прямой ток на чип:25 мА при 25°C. Этот параметр линейно снижается на 0.33 мА/°C при увеличении температуры окружающей среды (Ta) выше 25°C. Например, при 85°C максимальный непрерывный ток составит приблизительно: 25 мА - ((85°C - 25°C) * 0.33 мА/°C) = 25 мА - 19.8 мА = 5.2 мА. Это снижение критически важно для управления температурным режимом.
• Обратное напряжение на чип:5 В. Превышение этого напряжения в обратном смещении может привести к пробою PN-перехода светодиода.
• 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 1.6 мм ниже плоскости установки. Это определяет ограничения профиля пайки оплавлением.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры измерены в стандартных условиях испытаний (Ta=25°C) и представляют типичные характеристики устройства.

• Средняя сила света (I_V):320 (мин.), 700 (тип.), мккд (микрокандела) при I_F=1мА. Это основной показатель яркости. Широкий диапазон от мин. до тип. указывает на процесс сортировки; разработчики должны использовать минимальное значение для расчетов яркости в наихудшем случае.
• Пиковая длина волны излучения (λ_p):650 нм (тип.) при I_F=20мА. Это длина волны, на которой спектральная мощность излучения максимальна.
• Доминирующая длина волны (λ_d):639 нм (тип.) при I_F=20мА. Это единственная длина волны, воспринимаемая человеческим глазом, определяющая цвет. Значение 639 нм подтверждает классификацию "сверхкрасный".
• Полуширина спектральной линии (Δλ):20 нм (тип.). Это указывает на чистоту цвета; меньшее значение означает более монохроматический свет.
• Прямое напряжение на сегмент (V_F):2.1 (мин.), 2.6 (тип.) Вольт при I_F=20мА. Это критически важно для проектирования схемы ограничения тока. Драйвер должен обеспечивать не менее 2.6В для правильного включения светодиода.
• Обратный ток на сегмент (I_R):100 мкА (макс.) при V_R=5В. Это ток утечки при обратном смещении светодиода.
• Коэффициент соответствия силы света (I_V-m):2:1 (макс.). Это означает, что разница в яркости между любыми двумя сегментами в пределах одного разряда не превысит соотношения 2 к 1, обеспечивая однородный внешний вид.

3. Объяснение системы сортировки

В техническом описании прямо указано, что устройства "классифицируются по силе света". Это относится к процессу сортировки после производства. Из-за присущих вариаций в процессе эпитаксиального роста полупроводников и изготовления чипов светодиоды из одной производственной партии могут иметь различия в ключевых параметрах, таких как прямое напряжение (V_F) и сила света (I_V).

Для LTD-5260JD, как указано, основным критерием сортировки является сила света. Устройства тестируются и сортируются по различным группам интенсивности (например, группа для 320-400 мккд, другая для 400-500 мккд и т.д., при условии испытания 1мА). Это позволяет производителям и дистрибьюторам предлагать компоненты с гарантированными минимальными уровнями яркости. Разработчики, заказывающие эти индикаторы, должны указывать требуемую группу интенсивности, чтобы обеспечить согласованность всех единиц в их производственной партии, что жизненно важно для продуктов, использующих несколько индикаторов, где важна визуальная однородность. Техническое описание предоставляет минимальное (320 мккд) и типичное (700 мккд) значения, определяя возможный диапазон.

4. Анализ характеристических кривых

Хотя конкретные графики не детализированы в предоставленном тексте, техническое описание включает раздел "Типичные электрические/оптические характеристические кривые". Основываясь на стандартном поведении светодиодов, эти кривые обычно включают:

• Вольт-амперная характеристика (I-V):Показывает зависимость между прямым напряжением (V_F) и прямым током (I_F). Она нелинейна, с резким увеличением тока, как только прямое напряжение превышает пороговое значение диода (около 2В для красного AlInGaP). Эта кривая необходима для проектирования драйверов постоянного тока.
• Зависимость силы света от прямого тока (I_Vот I_F):Показывает, как яркость увеличивается с током. Обычно она линейна при низких токах, но может насыщаться при высоких токах из-за тепловых эффектов и снижения эффективности.
• Зависимость силы света от температуры окружающей среды (I_Vот T_A):Иллюстрирует, как световой поток уменьшается с ростом температуры перехода. Это критически важная кривая снижения параметров для приложений, работающих в условиях высоких температур.
• Спектральное распределение:График относительной излучаемой мощности в зависимости от длины волны, показывающий пик около 650 нм и полуширину около 20 нм, подтверждающий данные оптической таблицы характеристик.
• Зависимость прямого напряжения от температуры окружающей среды (V_Fот T_A):Показывает отрицательный температурный коэффициент V_F; прямое напряжение немного снижается с увеличением температуры.

Эти кривые позволяют инженерам прогнозировать производительность в нестандартных условиях и оптимизировать конструкцию для эффективности и надежности.

5. Механическая информация и информация о корпусе

Техническое описание содержит подробный чертеж размеров корпуса. Ключевые механические особенности включают:

• Общий размер:На чертеже указаны длина, ширина и высота пластикового корпуса, а также шаг и размеры выводов. Все размеры указаны в миллиметрах со стандартным допуском ±0.25 мм, если не указано иное.
• Конструкция выводной рамки:18 выводов расположены с шагом 0.1 дюйма (2.54 мм), что соответствует стандартному DIP (Dual In-line Package) корпусу, что делает его совместимым со стандартными PCB-разъемами и компоновками.
• Идентификация полярности:Схема подключения выводов служит основным руководством по полярности и распиновке. Общие катодные выводы (13 и 14) четко обозначены. Физический корпус, вероятно, включает выемку, точку или скошенный угол для указания ориентации вывода 1, что следует сверять со схемой выводов.
• Плоскость установки:Примечание о температуре пайки ссылается на точку на 1.6 мм ниже плоскости установки, что важно для определения тепловой массы корпуса во время пайки оплавлением.

6. Рекомендации по пайке и сборке

Предельные параметры предоставляют ключевое руководство по пайке: корпус не должен подвергаться воздействию температур выше 260°C более 3 секунд. Это соответствует стандартным профилям бессвинцовой пайки оплавлением (например, IPC/JEDEC J-STD-020).

Рекомендуемый процесс:Следует использовать стандартную инфракрасную или конвекционную печь оплавления с контролируемым температурным профилем. Профиль должен иметь зону предварительного нагрева для постепенного повышения температуры, зону выдержки для активации флюса и выравнивания температур, зону пикового оплавления, где температура на выводах корпуса кратковременно достигает 240-250°C (оставаясь ниже предела 260°C), и контролируемую зону охлаждения.

Ручная пайка:Если необходима ручная пайка, следует использовать паяльник с регулировкой температуры. Температура жала паяльника обычно должна быть установлена в диапазоне 300-350°C, но время контакта с каждым выводом должно быть очень коротким (менее 3 секунд), чтобы предотвратить передачу тепла по выводу и повреждение внутренних проводных соединений или самого светодиодного чипа. Рекомендуется использовать теплоотводящую клипсу на выводе между местом пайки и корпусом.

Очистка:После пайки, если требуется очистка, используйте растворители, совместимые с материалом пластикового корпуса. Изопропиловый спирт, как правило, безопасен.

Условия хранения:Храните в сухой, антистатической среде в указанном температурном диапазоне от -35°C до +85°C. Устройства должны храниться в оригинальных влагозащитных пакетах до готовности к использованию, чтобы предотвратить поглощение влаги, которое может вызвать "вспучивание" во время оплавления.

7. Подключение выводов и внутренняя схема

Таблица подключения выводов является исчерпывающей. LTD-5260JD — это двухразрядный индикатор с общей катодной схемой для каждого разряда. Внутренняя схема показывает, что все аноды для конкретного сегмента (например, сегмента "A") конкретного разряда независимы, в то время как катоды всех сегментов в пределах одного разряда соединены вместе внутри.

Метод управления:Эта конфигурация идеально подходит для мультиплексирования. Для отображения числа микроконтроллер должен:

1. Установить высокий уровень на анодах (выводы 1-12, 15-18, через токоограничивающие резисторы) для сегментов, которые необходимо включить.
2. Перевести общий катод соответствующего разряда (вывод 13 или 14) в низкий уровень, чтобы замкнуть цепь и включить разряд.
3. Через короткий промежуток времени (например, 5 мс) выключить этот разряд, установив его катод в высокий уровень или в состояние высокого импеданса.
4. Повторить процесс для следующего разряда с соответствующим шаблоном анодов сегментов и катодом.

Быстро переключаясь между разрядами (с частотой >100 Гц), инерция зрения создает иллюзию, что оба разряда постоянно горят. Этот метод значительно сокращает количество требуемых выводов ввода/вывода микроконтроллера и энергопотребление по сравнению со статическим (немультиплексированным) управлением.

8. Рекомендации по применению

8.1 Типовые схемы применения

Наиболее распространенным применением является мультиплексированная схема управления. Порты ввода/вывода микроконтроллера, часто усиленные внешними драйверами стока тока (такими как массив Дарлингтона ULN2003A) для управления током катода, управляют индикатором. Каждый анод сегмента подключается к микроконтроллеру (или микросхеме защелки/декодера, такой как 74HC595) через токоограничивающий резистор. Значение резистора рассчитывается по формуле R = (V_{питания}- V_F) / I_F. Для питания 5В, типичного V_F2.6В и желаемого I_F10 мА: R = (5 - 2.6) / 0.01 = 240 Ом. Стандартными вариантами будут резисторы 220 Ом или 270 Ом.

8.2 Соображения по проектированию

• Ограничение тока:Всегда используйте последовательные резисторы для каждого анода сегмента. Никогда не подключайте светодиод напрямую к источнику напряжения.
• Пиковый ток при мультиплексировании:При мультиплексировании мгновенный ток во время короткого времени включения может быть выше номинального постоянного тока для достижения той же средней яркости. Например, при скважности 1/4 можно использовать импульс 40 мА для достижения среднего значения 10 мА. Однако этот импульс не должен превышать абсолютный максимальный пиковый ток 90 мА и должен соответствовать ограничениям по скважности и длительности импульса.
• Угол обзора:Расположите индикатор так, чтобы предполагаемое направление обзора находилось в пределах широкого угла обзора устройства, обычно перпендикулярно лицевой панели для максимальной контрастности.
• Регулировка яркости:Яркость можно регулировать с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции) на драйверах катода, изменяя скважность импульсов мультиплексирования.

9. Техническое сравнение и дифференциация

Основным отличием LTD-5260JD является использование технологии AlInGaP для сверхкрасного излучения. По сравнению с индикаторами, использующими старые технологии GaAsP или стандартные красные AlInGaP:

• По сравнению с GaAsP красным:AlInGaP обеспечивает значительно более высокую световую отдачу (больше света на мА), лучшую температурную стабильность и более длинную волну (более глубокий красный цвет), которая часто кажется ярче для глаза и имеет лучшие характеристики через красные фильтры.
• По сравнению со стандартными красными светодиодными индикаторами:Доминирующая длина волны "сверхкрасного" 639 нм обеспечивает превосходную контрастность на серо-белом фоне, особенно в условиях окружающего освещения, по сравнению со стандартным красным ~625 нм.
• По сравнению с современными альтернативами (например, OLED):Хотя OLED предлагают гибкость и потенциально более высокую контрастность в темноте, этот светодиодный индикатор превосходит их в условиях высокой яркости (читаемость при солнечном свете), предлагает более широкий рабочий температурный диапазон и обладает доказанной долгосрочной надежностью и стабильностью, превосходящей OLED первого поколения.

10. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Могу ли я управлять этим индикатором с микроконтроллера на 3.3В?

О: Да, но вы должны проверить прямое напряжение. Типичное V_Fсоставляет 2.6В. При питании 3.3В запас напряжения для токоограничивающего резистора составляет всего 0.7В (3.3В - 2.6В). Для достижения тока 10 мА потребуется резистор 70 Ом (R = 0.7В / 0.01А). Это возможно, но ток будет более чувствителен к вариациям V_Fи напряжения питания. Питание 5В является более надежным для управления этими светодиодами.

В: Почему сила света указана при 1мА, а V_Fпри 20мА?

О: Сила света при низком токе (1мА) является стандартным условием испытаний для сравнения эффективности яркости. Прямое напряжение обычно измеряется при стандартном рабочем токе (20мА), который является распространенным уровнем управления для индикаторных светодиодов. Разработчики используют данные при 1мА для расчетов низкого энергопотребления, а V_Fпри 20мА — для проектирования стандартных схем управления.

В: Что означает "общая катодная схема" для моей схемы?

О: Это означает, что все катоды (отрицательные стороны) светодиодов в одном разряде соединены вместе внутри корпуса. Чтобы включить сегмент, вы подаете положительное напряжение (через резистор) на его анодный вывод и подключаете общий катодный вывод разряда к земле. Это противоположно индикатору с "общей анодной схемой", где вы заземляете вывод сегмента и подаете напряжение на общий анод.

В: Как рассчитать рассеиваемую мощность для управления температурным режимом?

О: Для одного сегмента мощность P = V_F* I_F. При 20мА и 2.6В, P = 52 мВт на сегмент. Если все 7 сегментов разряда включены (плюс десятичная точка, итого 8), общая мощность для этого разряда составит 8 * 52 мВт = 416 мВт. Эта мощность рассеивается в виде тепла в светодиодных чипах. Вы должны убедиться, что средняя температура чипа не превышает его пределы, следуя кривой снижения тока и обеспечивая адекватную вентиляцию или теплоотвод при необходимости, особенно при высоких температурах окружающей среды.

11. Практический пример проектирования

Сценарий:Проектирование простого двухразрядного вольтметра для настольного источника питания, отображающего от 0.0В до 19.9В.

Реализация:

1. Микроконтроллер:Выбран недорогой 8-битный МК как минимум с 10 выводами ввода/вывода.
2. Схема управления:Два вывода порта ввода/вывода настроены на сток тока для двух общих катодов (выводы 13 и 14). Эти выводы подключаются непосредственно к МК, если они могут потреблять 20-40мА, или через транзистор/драйверную микросхему. Восемь других выводов ввода/вывода (или сдвиговый регистр последовательного ввода/параллельного вывода, такой как 74HC595, для экономии выводов) управляют анодами сегментов (A-G и DP для обоих разрядов, учитывая, что некоторые из них общие) через индивидуальные токоограничивающие резисторы 220 Ом.
3. Программное обеспечение:Прошивка считывает напряжение через АЦП, преобразует его в двоично-десятичный код (BCD) и использует таблицу поиска для определения, какие сегменты включать для каждого разряда (0-9). Она реализует процедуру мультиплексирования, обновляя индикатор с частотой 200 Гц (каждый разряд включен примерно 2.5 мс).
4. Управление яркостью:Реализована простая ШИМ-регулировка скважности мультиплексирования, управляемая потенциометром, считываемым другим каналом АЦП, что позволяет пользователю затемнять индикатор в темноте.

Этот пример подчеркивает эффективное использование ввода/вывода, правильное ограничение тока и технику мультиплексирования, обеспечиваемую общей катодной схемой и двухразрядной конструкцией LTD-5260JD.

12. Введение в технологический принцип

Основной принцип излучения света — электролюминесценция в полупроводниковом PN-переходе. LTD-5260JD использует AlInGaP (фосфид алюминия-индия-галлия) в качестве активного слоя. При приложении прямого напряжения электроны из N-области и дырки из P-области инжектируются в активную область. Там они рекомбинируют, высвобождая энергию в виде фотонов (света). Конкретный состав сплава Al_xIn_yGa_1-x-yP определяет энергию запрещенной зоны, которая напрямую диктует длину волны (цвет) излучаемого света. Для сверхкрасного цвета около 639 нм состав тщательно калибруется. Непрозрачная подложка GaAs поглощает любое излучение, направленное вниз, улучшая контрастность, предотвращая рассеяние света с задней стороны чипа. Серая лицевая панель и белые сегменты являются частью пластикового корпуса, который действует как рассеиватель и контрастный фильтр для небольших ярких светодиодных чипов, установленных за ним.

13. Тенденции развития

Хотя дискретные 7-сегментные светодиодные индикаторы, такие как LTD-5260JD, остаются актуальными для многих применений благодаря своей простоте, надежности и экономической эффективности, наблюдается несколько тенденций:

1. Интеграция:Наблюдается переход к индикаторам со встроенными драйверами (интерфейс I2C или SPI) и контроллерами, что сокращает количество компонентов и нагрузку на микроконтроллер для системного разработчика.
2. Миниатюризация и повышение плотности:Распространены индикаторы с меньшей высотой знака (например, 0.3 дюйма) и многозначные модули (4-разрядные, 8-разрядные) в одном корпусе.
3. Разнообразие цветов:Хотя красный цвет традиционен, доступны ярко-зеленые, синие, желтые и полноцветные RGB 7-сегментные индикаторы для конкретных эстетических или функциональных потребностей.
4. Альтернативные технологии:В приложениях, где первостепенное значение имеют сверхнизкое энергопотребление, тонкость или гибкость, сегментные индикаторы на основе OLED являются альтернативой, хотя они могут уступать по максимальной яркости, температурному диапазону или долгосрочной надежности в определенных условиях по сравнению с неорганическими светодиодами.
5. Улучшение эффективности:Постоянные исследования в области полупроводниковых материалов, включая новые светодиоды с фосфорным преобразованием и технологию микро-светодиодов, обещают еще более высокую эффективность и новые форм-факторы, хотя в ближайшей перспективе они, скорее всего, повлияют на технологии дисплеев следующего поколения, а не заменят традиционные сегментные светодиоды в их основных областях применения.

LTD-5260JD представляет собой зрелое, оптимизированное решение в своей конкретной нише, балансируя между производительностью, надежностью и стоимостью.