LTC-5723JD LED顯示器規格書 - 0.56英吋字高 - AlInGaP紅光 - 多工共陰極 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTC-5723JD是一款高效能、四位數、七段顯示模組，專為需要清晰、明亮數字讀數的應用而設計。其主要功能是透過四個獨立數字視覺化呈現數值資料，每個數字由七個可獨立定址的段位加上一個小數點組成。此顯示器的核心技術是採用鋁銦鎵磷（AlInGaP）發光二極體晶片，該晶片以其在紅光譜中的高效率和卓越發光輸出而聞名。這些晶片製造在不透明的砷化鎵（GaAs）基板上，有助於提升裝置的整體對比度和效能。顯示器配備灰色面板與白色段位標記，透過為發光的紅色段位提供高對比背景來增強可讀性。這種組合在各種照明條件下特別有效，確保顯示的資訊易於辨識。

本裝置專為多工操作設計，每個數字採用共陰極配置。此設計顯著減少了驅動微控制器或電路所需的輸入/輸出接腳數量，使其成為多數字顯示器的節省空間且具成本效益的解決方案。透過以高頻率依序啟動每個數字，所有四個數字在人眼看來是持續點亮的，這是多工LED顯示器的標準技術。LTC-5723JD根據發光強度進行分類，這意味著單元會根據特定的亮度範圍進行分級和銷售，讓設計師可以選擇符合精確應用需求（如均勻性或最低亮度閾值）的元件。

1.1 主要功能與優勢

此顯示器提供多項獨特優勢，使其適用於廣泛的工業、商業和儀器應用。

• 光學效能：提供高亮度與高對比度，即使在明亮環境中也能確保優異的字元外觀和易讀性。寬廣的視角允許從各種位置（不僅僅是正前方）清晰讀取顯示內容。
• 電氣效率：每個段位的功耗需求低，有助於降低整體系統功耗。採用高效率AlInGaP技術是實現此性能的關鍵。
• 設計與可靠性：具有連續均勻的段位，提供乾淨、專業的美感，發光條中沒有可見的斷點。作為固態裝置，與機械式或真空管顯示器相比，它提供了卓越的可靠性和使用壽命，沒有會磨損的活動部件或燈絲。
• 物理特性：字高為0.56英吋（14.2毫米），提供大型、易讀的數字顯示，適用於面板儀表、測試設備以及其他需要從遠處監控數據的裝置。

2. 技術規格與客觀解讀

本節對規格書中指定的電氣、光學和物理參數提供詳細、客觀的分析。理解這些規格對於正確的電路設計以及確保裝置在其限制範圍內可靠運作至關重要。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致裝置永久損壞的應力極限。不保證在這些極限下或接近極限時運作，正常使用中應避免。

• 每段位功耗：70 mW。這是在任何條件下，單個LED段位可以安全地以熱量形式消散的最大功率。
• 每段位峰值順向電流：90 mA。此電流僅允許在脈衝條件下使用，佔空比為1/10，脈衝寬度為0.1毫秒。它用於實現非常高的瞬時亮度，例如在多工方案中。
• 每段位連續順向電流：在25°C時為25 mA。此額定值在25°C以上以每°C 0.28 mA的速率線性遞減。為了可靠的長期運作，連續電流必須隨著環境溫度升高而降額，以防止過熱。
• 每段位逆向電壓：5 V。施加超過此值的逆向電壓可能導致LED接面崩潰。
• 工作與儲存溫度範圍：-35°C 至 +85°C。本裝置適用於工業級溫度範圍。
• 焊接溫度：最高260°C，持續時間最長3秒，測量點位於安裝平面下方1.6毫米處。這對於波焊或迴焊製程至關重要，以防止對LED晶片或封裝造成熱損傷。

2.2 電氣與光學特性

這些參數通常在環境溫度（Ta）為25°C時測量，定義了裝置的正常工作性能。

• 平均發光強度（I_V）：在順向電流（I_F）為1 mA時，340 μcd（最小值），700 μcd（典型值）。這是衡量段位感知亮度的指標。寬廣的範圍表示本裝置提供不同的亮度分級。
• 峰值發射波長（λ_p）：在I_F=20 mA時為650 nm（典型值）。這是光學輸出功率最大的波長，位於可見光譜的亮紅色部分。
• 譜線半高寬（Δλ）：在I_F=20 mA時為20 nm（典型值）。這表示光譜純度；數值越小表示輸出越接近單色（純色）。
• 主波長（λ_d）：在I_F=20 mA時為639 nm（典型值）。這是能最佳代表光線感知顏色的單一波長。
• 順向電壓（V_F）：在I_F=20 mA時為2.1V（典型值），2.6V（最大值）。這是LED工作時的跨壓。對於設計限流電路至關重要。
• 逆向電流（I_R）：在逆向電壓（V_R）為5V時為100 μA（最大值）。這是當LED在其最大額定值內逆向偏壓時流動的小量漏電流。
• 發光強度匹配比（I_V-m）：在I_F=1 mA時為2:1（最大值）。這規定了同一裝置內不同段位之間允許的最大亮度變化，確保視覺均勻性。

測量注意事項：發光強度是使用近似於CIE明視覺響應曲線的感測器和濾光片組合進行測量，確保數值符合人類的亮度感知。

3. 分級系統說明

規格書指出本裝置根據發光強度分類。這指的是LED製造中常見的做法，稱為分級。

• 發光強度分級：由於半導體製造過程中固有的變異，同一生產批次的LED可能具有略微不同的亮度輸出。製造商根據在標準測試電流（例如1 mA）下測得的發光強度，對這些LED進行測試和分類（分級）。LTC-5723JD提供的最小強度為340 μcd，典型值為700 μcd。特定的訂購代碼或後綴可能對應不同的亮度分級（例如，標準級和高亮度級）。設計師可以指定所需的分級，以確保產品中多個顯示器的一致性，或滿足最低亮度要求。
• 波長/顏色分級：雖然提供的摘錄中未明確詳述，但AlInGaP LED也可能根據主波長或峰值波長進行分級，以確保所有段位和裝置間的紅色色調一致。λ_p（650 nm）和λ_d（639 nm）的緊密典型值顯示了良好的固有顏色一致性。

4. 性能曲線分析

規格書參考了典型電氣/光學特性曲線。雖然文中未提供具體圖表，但此類裝置的標準曲線通常包括：

• 順向電流 vs. 順向電壓（I_F-V_F曲線）：這條非線性曲線顯示了達到給定順向電流所需的電壓。對於設計驅動電路（尤其是恆流驅動器）至關重要。
• 發光強度 vs. 順向電流（I_V-I_F曲線）：此曲線顯示亮度如何隨電流增加。通常在一定範圍內呈線性關係，但在極高電流下會飽和。它有助於確定達到所需亮度水平所需的工作電流。
• 發光強度 vs. 環境溫度（I_V-T_a曲線）：這顯示亮度如何隨著環境（或接面）溫度升高而降低。這種降額對於在高溫環境中運作的應用至關重要。
• 相對強度 vs. 波長（光譜）：顯示光輸出在不同波長上分佈的圖表，以峰值發射波長為中心。它定義了LED的顏色特性。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

機械圖提供了PCB佈局設計和面板開孔的關鍵尺寸。除非另有說明，所有尺寸均以毫米為單位，標準公差為±0.25毫米。主要特徵包括封裝的總長度、寬度和高度、數字之間的間距、安裝接腳的尺寸和位置，以及小數點相對於數字的位置。設計師必須遵守這些尺寸，以確保在最終產品組裝中正確的物理配合和對齊。

5.2 接腳連接與內部電路圖

本裝置採用12接腳配置。內部電路圖顯示了多工共陰極架構。

• 接腳定義：
  
  1: 陽極 E
  
  2: 陽極 D
  
  3: 陽極 DP（小數點）
  
  4: 陽極 C
  
  5: 陽極 G
  
  6: 共陰極（數字4）
  
  7: 陽極 B
  
  8: 共陰極（數字3）
  
  9: 共陰極（數字2）
  
  10: 陽極 F
  
  11: 陽極 A
  
  12: 共陰極（數字1）
• 電路架構：所有相似的段位陽極（例如，數字1-4的所有A段）在內部連接到單一接腳。每個數字都有其專用的共陰極接腳。要點亮特定數字上的特定段位，必須將相應的陽極接腳驅動為高電位（或連接到電流源），並將相應數字的陰極接腳驅動為低電位（接地）。這種結構將所需的驅動線路從32條（4位數 * 8段）減少到僅12條（7段陽極 + 1小數點陽極 + 4數字陰極）。

6. 焊接與組裝指南

必須遵守指定的焊接參數以防止損壞。

• 迴焊參數：引腳/焊點處的最大允許溫度為260°C，且此溫度持續時間不得超過3秒。應設計溫度曲線以保持在這個範圍內。預熱對於減少熱衝擊是必要的。
• 手工焊接：如果需要手工焊接，應使用溫控烙鐵。每個接腳的接觸時間應最小化，理想情況下少於3秒，並使用低熱容量的烙鐵頭。
• 清潔：僅使用與顯示器塑料面板和環氧樹脂材料相容的清潔劑。應避免使用強力溶劑。
• 儲存條件：裝置應儲存在其原始的防潮袋中，環境溫度應在儲存溫度範圍內（-35°C至+85°C）且濕度較低。如果袋子已打開，裝置應在指定時間內使用，或者如果吸收了濕氣，應在焊接前進行烘烤。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 測試與量測設備：數位萬用電錶、示波器、電源供應器、頻率計數器。
• 工業控制與儀器：用於溫度、壓力、流量和液位監控的面板儀表；製程計時器；計數器顯示。
• 消費性與商業電子產品：銷售點系統、電子秤、時鐘收音機、家電顯示器。
• 汽車售後市場：儀表和診斷工具（需符合環境規格）。

7.2 設計考量與驅動電路

• 多工驅動器：幾乎總是需要微控制器或專用顯示驅動IC（例如MAX7219、TM1637）。韌體或硬體必須快速循環掃描四個數字（通常>100 Hz）以避免可見閃爍。
• 限流：每個陽極或陰極線路必須有適當的限流電阻或由恆流源驅動。電阻值使用公式 R = (V_電源- V_F) / I_F計算。對於5V電源，目標I_F為10 mA，典型V_F為2.1V，則 R = (5 - 2.1) / 0.01 = 290 Ω。270 Ω或330 Ω的電阻是合適的。
• 功耗：計算最壞情況下的總功耗（一個數字的所有段位點亮）。假設8個段位各10 mA，V_F=2.1V，則每個數字的功耗為 8 * 0.01 * 2.1 = 0.168W。確保驅動電路能夠處理此功耗。
• 視角與安裝：將顯示器定位在面板開孔後方，使邊框不會阻擋寬廣的視角。確保均勻的背部支撐，以避免對接腳施加應力。

8. 技術比較與差異化

與其他顯示技術和LED類型相比：

• 對比LCD：LED是自發光（產生自己的光），提供更高的亮度、更寬的視角以及在低溫環境下更好的性能。它們不需要背光。然而，它們通常比反射式LCD消耗更多功率，且顏色固定。
• 對比其他LED顏色（GaAsP、GaP）：LTC-5723JD採用的AlInGaP技術，與較舊的紅色LED材料（如GaAsP）相比，提供了顯著更高的發光效率和更好的溫度穩定性，從而實現更明亮且顏色隨溫度變化更一致的顯示器。
• 對比單數字或更小顯示器：將四個數字整合在一個封裝中，與使用四個獨立的單數字顯示器相比，節省了PCB空間，減少了組裝時間，並提高了對齊精度。
• 對比共陽極顯示器：共陰極與共陽極的選擇通常取決於驅動IC或微控制器電路。共陰極常用於能夠良好提供電流但吸收電流能力較弱的微控制器，因為它們可以向陽極提供電流，並使用NPN電晶體或N通道MOSFET來吸收較高的陰極電流。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

• 問：我可以用3.3V微控制器驅動此顯示器嗎？
  
  答：可以，但必須檢查順向電壓。在較低的驅動電流下（例如5 mA），V_F可能約為2.0V，留給限流電阻的電壓為1.3V，這是足夠的。您可能需要降低目標電流以維持亮度，或使用能將電壓提升至段位的驅動IC。
• 問：為什麼峰值電流（90 mA）比連續電流（25 mA）高這麼多？
  
  答：LED可以承受非常短暫的高電流脈衝而不會過熱，因為晶片的熱質量防止了溫度快速上升。這在多工技術中被利用，其中每個數字僅在25%的時間內點亮（1/4佔空比）。在25%佔空比下，40-50 mA的峰值電流可以使顯示器看起來比以25 mA連續運行時亮得多。
• 問：發光強度匹配比2:1在實際中意味著什麼？
  
  答：這意味著在同一裝置內，在最暗的測試條件下，最暗的段位亮度不低於最亮段位亮度的一半。這確保了顯示器整體的視覺均勻性。對於關鍵應用，可能需要指定更嚴格的分級（例如1.5:1）。
• 問：如何計算多工的刷新率？
  
  答：點亮所有四個數字的完整循環必須以足夠高的速率完成以避免閃爍，通常>60-100 Hz。因此，每個數字的點亮時間為 1/(刷新率 * 數字數量)。對於100 Hz刷新率和4位數字，每個數字點亮時間為 1/400秒 = 2.5毫秒。微控制器的計時器必須每2.5毫秒切換一次數字。

10. 設計與使用案例研究

情境：設計一個簡單的4位數電壓表。

設計師正在創建一個0-30V直流電壓表。類比電壓由微控制器的ADC讀取。微控制器必須驅動LTC-5723JD顯示器。

1. 硬體設計：微控制器的I/O接腳透過330Ω限流電阻連接到8條陽極線（A-G、DP）。另外四個I/O接腳連接到四個NPN電晶體（例如2N3904）的基極。這些電晶體的集極連接到四個陰極接腳（數字1-4），射極接地。每個電晶體使用一個基極電阻（例如4.7kΩ）。
2. 韌體邏輯：韌體將ADC讀數轉換為四個獨立的數字。它進入一個以400 Hz運行的計時器中斷常式。在每次中斷中，它關閉所有數字電晶體。然後，它將陽極線（透過埠或移位暫存器）設定為下一個順序數字的段位圖案。最後，它開啟該特定數字的電晶體。此過程持續循環。
3. 亮度控制：顯示器亮度可以透過兩種方式調整：1) 改變限流電阻的值（電阻越低 = 電流越高 = 越亮），但需保持在最大額定值內。2) 在多工常式中對數字致能線使用脈衝寬度調變（PWM），有效地同時改變所有數字的佔空比。

11. 工作原理

基本工作原理基於半導體p-n接面的電致發光。當施加超過二極體導通電壓（對於此AlInGaP材料約為2.1V）的順向電壓時，來自n型區域的電子和來自p型區域的電洞被注入到主動區域，在那裡它們復合。在像AlInGaP這樣的直接能隙半導體中，這種復合以光子（光）的形式釋放能量。Al_xIn_yGa_1-x-yP合金的特定成分決定了能隙能量，從而決定了發射光的波長（顏色），對於本裝置而言位於紅光譜。不透明的GaAs基板吸收任何向下發射的光，通過防止可能點亮未啟動段位的內部反射來提高對比度。

12. 技術趨勢

雖然本規格書中代表的AlInGaP技術已經成熟且高度可靠，但顯示技術的更廣泛領域仍在持續發展。趨勢包括開發更高效率的材料，例如用於藍光和綠光的氮化鎵（GaN）基材料，現已成為主流。對於多數字數值顯示器，趨勢是朝向完全整合的模組發展，這些模組具有內建控制器、I2C或SPI介面，有時甚至內嵌字型和特殊字元，從而簡化設計。此外，點矩陣OLED和微型LED顯示器在類似外形尺寸下顯示字母數字和圖形資訊方面提供了更大的靈活性。然而，對於需要簡單、明亮、堅固且具成本效益的數字讀數的應用，像LTC-5723JD這樣的專用七段LED顯示器，由於其經過驗證的性能、簡單性和出色的可讀性，仍然是一個高度可行且受歡迎的解決方案。