LTS-313AJD LED 顯示器規格書 - 0.3英吋字高 - 超紅光 - 2.6V順向電壓 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳述一款緊湊型、單一位數、七段式字母數字顯示模組的規格。此裝置專為需要清晰、明亮的數字指示且功耗極低的應用而設計。其核心設計理念在於以小巧的體積提供卓越的可讀性與可靠性。

此顯示器採用先進的半導體材料以實現其特性輸出。它依據發光強度進行分類，確保批量生產的一致性以及在終端用戶應用中可預測的性能。

1.1 核心優勢與目標市場

此顯示器的主要優勢包括其極低的電流需求，使其適用於電池供電或對能源敏感的電路。高亮度與高對比度，結合廣視角，確保了在各種照明條件下及從不同視角觀看時均具備良好的可讀性。相較於機械式或燈絲式顯示器，其固態結構提供了固有的可靠性與長使用壽命。

其0.3英吋的字高使其非常適合用於攜帶式儀器、消費性電子產品、面板儀表、工業控制介面，以及任何空間有限但清晰數字回饋至關重要的嵌入式系統。連續且均勻的段位設計造就了出色的字元外觀，提升了使用者體驗。

2. 技術規格深入解析

本節針對規格書中定義的電氣、光學及物理參數，提供客觀且詳細的分析。

2.1 光度學與光學特性

發光元件基於磷化鋁銦鎵（AlInGaP）半導體技術，具體採用超紅光配方。此材料系統在紅橙色波長區域以高效率及良好的溫度穩定性著稱。

• 平均發光強度（I_V）：在標準測試電流1mA下，範圍為200至600微燭光（μcd）。此參數定義了感知亮度。提及的分類意味著裝置會根據測得的強度進行分選，以確保落在這個保證範圍內。
• 峰值發射波長（λ_p）：典型值為650奈米（nm）。這是光功率輸出達到最大值的波長。
• 主波長（λ_d）：典型值為639奈米。這是人眼感知的波長，也是定義顏色（超紅光）的關鍵指標。
• 譜線半高寬（Δλ）：約為20奈米。這表示光譜純度或圍繞峰值發射的波長範圍。20nm是AlInGaP LED的特徵值。
• 發光強度匹配比：規定最大值為2:1。這對於多位數顯示器或使用多個段位的應用是一個關鍵參數，確保最亮與最暗段位之間的亮度變化不超過此比例，從而提供均勻的外觀。

2.2 電氣參數

電氣特性定義了裝置的工作邊界與典型條件。

• 每段順向電壓（V_F）：典型值為2.1V，最大值為2.6V，測量條件為順向電流（I_F）20mA。這是點亮段位兩端的電壓降。設計者必須確保驅動電路能提供足夠的電壓。
• 每段連續順向電流（I_F）：在25°C下的絕對最大額定值為25mA。超過25°C時，適用0.33 mA/°C的降額因子，這意味著允許的連續電流會隨著環境溫度升高而降低，以防止過熱。
• 峰值順向電流：在特定條件下（1/10工作週期，0.1ms脈衝寬度）允許高達90mA的脈衝電流。這使得多工掃描方案或短暫的高亮度爆發成為可能。
• 逆向電壓（V_R）：最大值為5V。超過此值可能損壞LED接面。若電路設計中可能出現逆向電壓，應加入保護措施。
• 逆向電流（I_R）：在5V全逆向電壓下，最大值為100 μA，表示關閉狀態下的漏電流。
• 每段功耗：最大值為70 mW。此熱限制與電流降額相結合，對於可靠性計算至關重要。

2.3 熱與環境額定值

• 工作溫度範圍：-35°C 至 +85°C。此裝置適用於工業級環境。
• 儲存溫度範圍：-35°C 至 +85°C。
• 焊接溫度：最高260°C，最長3秒，測量點位於安裝平面下方1.6mm（1/16英吋）處。這是波峰焊或迴流焊製程的標準指導原則，以避免對封裝或晶片造成熱損傷。

3. 分級系統說明

規格書明確指出裝置依據發光強度分類。這指的是LED製造中常見的分級做法。

由於半導體磊晶生長與製造過程中固有的微小差異，同一生產批次的LED在關鍵參數（如發光強度與順向電壓）上可能存在輕微差異。為了確保客戶獲得一致的產品，製造商會測試每個LED，並將其分類到不同的性能組別或級別中。標示為依據發光強度分類的產品，意味著保證其單元符合指定的強度範圍（本例中為200-600 μcd），並且對於高均勻性要求的應用，通常可以要求該範圍內更嚴格的級別。雖然這份簡要規格書未詳細說明，但其他常見的分級參數可能包括主波長（用於顏色一致性）和順向電壓。

4. 性能曲線分析

規格書提及了典型的特性曲線。雖然文中未提供具體圖表，但我們可以根據列出的參數推斷其標準內容與重要性。

4.1 電流 vs. 電壓（I-V）曲線

典型的I-V曲線將顯示順向電流與順向電壓之間的指數關係。該曲線會通過在20mA時典型V_F點2.1V。此曲線對於設計限流電路至關重要，無論是使用簡單的電阻還是恆流驅動器。

4.2 發光強度 vs. 順向電流（I_Vvs. I_F)

此圖表將顯示亮度如何隨電流增加而增加。它在一定範圍內通常是線性的，但在較高電流下會因熱效應和效率下降而飽和。該曲線將顯示在1mA測試條件下的強度，並說明直至最大連續電流下的性能。

4.3 溫度依賴性

在25°C以外溫度下標註的特性曲線將說明關鍵的依賴關係：

• 順向電壓 vs. 溫度：對於AlInGaP LED，V_F通常隨溫度升高而降低（負溫度係數）。這對於熱管理和恆流驅動設計非常重要。
• 發光強度 vs. 溫度：輸出強度通常隨接面溫度升高而降低。連續電流的降額與管理此熱效應以維持亮度和壽命直接相關。

4.4 光譜分佈

光譜圖將可視化發射光在波長上的功率分佈，以650nm（峰值）為中心，半高寬為20nm，確認了超紅光色點。

5. 機械與封裝資訊

此裝置具有灰色面板與白色段位，透過減少環境光反射來增強對比度。封裝尺寸以公釐為單位提供，標準公差為±0.25mm。確切的佔位面積與引腳間距對於PCB佈局至關重要。內部電路圖確認了所有段位與小數點均為共陰極配置。這意味著所有LED段位的陰極（負極端）在內部連接到共同的引腳（1和6），而每個段位的陽極（正極端）則有其專用的引腳。此配置很常見，並簡化了微控制器驅動應用中的多工掃描。

6. 引腳連接與電路介面

此10引腳裝置的引腳定義如下：

1. 共陰極
2. 陽極 F（上段）
3. 陽極 G（中段）
4. 陽極 E（左下段）
5. 陽極 D（下段）
6. 共陰極（內部連接至引腳1）
7. 陽極 RDP（右小數點）
8. 陽極 C（右下段）
9. 陽極 B（右上段）
10. 陽極 A（上段）

註：規格書亦提及右與左小數點，表示裝置包含左右兩個小數點，儘管引腳連接表中僅列出右小數點（RDP）的陽極。左小數點可能在內部連接到另一個段位陽極，或在此版本中無法單獨存取。引腳1和6上的共陰極連接為PCB佈線與散熱提供了靈活性。

7. 焊接與組裝指南

提供的主要指南是焊接溫度限制：在安裝平面下方1.6mm處，最高260°C，最長3秒。這符合通孔元件的標準IPC指南。對於波峰焊，這意味著需要控制預熱與接觸時間。對於手工焊接，應使用溫控烙鐵以避免長時間加熱。在操作過程中應遵守標準的ESD（靜電放電）預防措施，因為LED對靜電敏感。儲存應在指定的溫度範圍內，並處於低濕度環境中。

8. 應用建議與設計考量

8.1 典型應用場景

• 攜帶式三用電表與測試設備：低電流消耗有利於電池壽命。
• 消費性家電：計時器、烤箱或加熱器上的溫度讀數。
• 工業控制面板：狀態指示器、計數器顯示。
• 汽車改裝顯示器：用於輔助儀表（電壓、溫度）。
• 教育套件與原型製作：因其簡單性與通用介面。

8.2 設計考量

• 限流：務必為每個段位陽極使用串聯電阻或恆流驅動器。電阻值可計算為 R = (電源電壓 - V_F) / I_F。對於5V電源，目標電流10mA，典型V_F為2.1V：R = (5 - 2.1) / 0.01 = 290Ω。使用270Ω或330Ω的標準電阻是合適的。
• 多工掃描：對於多位數顯示器，共陰極配置易於進行多工掃描。透過依序啟用每個位數的共陰極，並呈現該位數的段位資料，可以用較少的I/O引腳控制多個位數。峰值電流額定值允許在多工掃描週期中使用更高的脈衝電流以達到平均亮度。
• 微控制器介面：若未使用多工掃描，通常每個位數需要8條I/O線（7段 + 1小數點），外加一個電晶體或驅動IC來吸收共陰極電流，該電流是該位數中所有點亮段位電流的總和。
• 視角：廣視角允許靈活的安裝位置，但為了獲得最佳可讀性，需考慮主要使用者的視線方向。

9. 技術比較與差異化

與白熾燈或真空螢光顯示器（VFD）等舊技術相比，此LED顯示器提供了顯著更低的功耗、更長的使用壽命以及更高的抗衝擊/振動能力。在LED顯示器家族中，使用AlInGaP實現超紅光相較於舊式的GaAsP紅光LED具有優勢，通常能提供更高的效率（每mA產生更多光）、更好的溫度穩定性以及更飽和的紅色。0.3英吋的尺寸比常見的0.5英吋或0.56英吋顯示器更小，可實現更高的密度或更緊湊的設計。低電流需求（即使在1mA下也有效）是相較於需要每段5-20mA才能達到標準亮度的顯示器，在功耗受限設計中的一個關鍵差異點。

10. 常見問題解答（基於技術參數）

10.1 兩個共陰極引腳（1和6）的用途是什麼？

它們在內部相連。提供兩個引腳可以實現更好的電流分佈、降低每個引腳的電流密度、有助於PCB佈線的靈活性（可從任一邊佈線），並可改善晶片的散熱。

10.2 我可以直接從微控制器引腳驅動此顯示器嗎？

您可以將段位陽極連接到微控制器的輸出引腳，但您必須為每個引腳串聯一個限流電阻。僅靠微控制器引腳無法安全地限制電流。此外，共陰極電流（最高可達25mA x 點亮的段位數）很可能會超過單個微控制器引腳的吸收能力，因此需要外部電晶體或驅動IC（如ULN2003）來切換陰極。

10.3 超紅光與標準紅光相比有何意義？

超紅光是一個行銷術語，通常用於主波長約在630-640nm的AlInGaP LED。相較於波長稍長（660-670nm）的深紅光或波長較短、更偏橙色的標準紅光（620-625nm），它呈現出一種更深、更偏橙色的紅色。它在視覺亮度與顏色區分度之間提供了良好的平衡。

10.4 如何在多位數設計中實現所有位數的亮度均勻？

使用多工掃描技術，並確保所有位數對應段位的限流電阻完全相同。規格書上的強度匹配比規格（最大2:1）有所幫助，但為了獲得最佳效果，請使用同一生產批次的LED，或者如果您的驅動器允許脈衝寬度調變（PWM），則實施軟體亮度校準。

11. 設計與使用案例範例

情境：設計一個簡單的3位數電壓表顯示。

1. 電路拓撲：使用三個LTS-313AJD顯示器以多工掃描配置連接。所有三個顯示器的段位陽極（A-G, DP）並聯連接。每個顯示器的共陰極引腳連接到一個獨立的NPN電晶體（例如2N3904）集極，射極接地。電晶體的基極透過一個基極電阻由微控制器引腳驅動。
2. 微控制器角色：ADC讀取電壓。韌體將數值轉換為三個位數。然後進入一個快速循環：關閉所有陰極電晶體，將位數1的段位圖案輸出到並聯的陽極線（透過串聯電阻），開啟位數1的陰極電晶體，等待短暫時間（例如2ms），然後對位數2和位數3重複此過程。循環重複速度足夠快（例如>60Hz），以呈現穩定、無閃爍的顯示。
3. 計算：如果每個段位在其啟動時間內以5mA驅動，且每個位數點亮三個段位（例如顯示1），則每段峰值電流為5mA。每段平均電流為5mA / 3（對於3位數多工）≈ 1.67mA，這完全在限制範圍內且節省電力。陰極電晶體必須吸收3段 * 5mA = 15mA的電流，這很容易處理。

12. 工作原理簡介

七段式LED顯示器是一個排列成8字形的發光二極體陣列。每個二極體（段位）都是一個p-n接面半導體裝置。當施加超過接面閾值電壓（對於此AlInGaP類型約為2.1V）的順向電壓時，電子與電洞在主動區複合，以光子（光）的形式釋放能量。光的特定波長（顏色）由半導體材料的能隙決定，這在AlInGaP化合物中經過設計。透過選擇性地對七個段位（A到G）的不同組合施加電流，可以形成數字0-9及一些字母。共陰極配置在內部連接了所有這些二極體的負極端，簡化了外部控制。

13. 技術趨勢與背景

像這樣的獨立七段式LED顯示器代表了一種成熟可靠的技術。當前顯示技術的趨勢正朝著更高整合度的方向發展，例如具有內建控制器（如TM1637或MAX7219驅動器）的多位數模組，透過I2C或SPI通訊，大幅減少了微控制器I/O與軟體開銷。同時也朝著有機LED（OLED）和柔性顯示器發展，以實現更複雜的圖形。然而，對於惡劣環境（寬溫範圍、需要高亮度）下簡單、明亮、低成本且低功耗的數字指示，獨立的LED段位仍然是主導且最佳的解決方案。LED材料（如效率更高的AlInGaP和InGaN（用於藍/綠光））的持續發展，不斷提升此類顯示器的效率、亮度與顏色選擇。