LTP-1457AKD LED 點矩陣顯示器規格書 - 1.2 英吋 (30.42mm) 高度 - AlInGaP 超紅光 - 5x7 陣列 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTP-1457AKD 是一款單字元、可顯示英數字元的顯示模組，專為需要清晰、可靠字元輸出的應用而設計。其核心功能是透過一個由可獨立定址的發光二極體（LED）所組成的網格，以視覺方式呈現資料，通常是 ASCII 或 EBCDIC 編碼的字元。

本裝置的核心是一個 5 列 x 7 行（5x7）的 AlInGaP（磷化鋁銦鎵）超紅光 LED 晶片陣列。此半導體材料生長在不透明的砷化鎵（GaAs）基板上，這有助於其光學性能。視覺呈現採用灰色面板搭配白色點狀設計，為點亮的紅色元件提供高對比度。此元件的設計主要目標是低功耗、固態可靠性，以及透過單一平面結構實現的寬廣視角。它根據發光強度進行分類，以便在多字元應用中進行亮度匹配，並且可以水平堆疊以形成多字元顯示器。

2. 技術參數深入解析

2.1 絕對最大額定值

這些參數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超出這些極限的操作。

• 每點平均功耗：40 mW。這是每個 LED 段在不過熱的情況下可以處理的最大連續功率。
• 每點峰值順向電流：90 mA。此電流僅允許在脈衝條件下使用，工作週期為 1/10，脈衝寬度為 0.1 ms，以避免熱過應力。
• 每點平均順向電流：在 25°C 時為 15 mA。此電流在 25°C 以上以 0.2 mA/°C 的速率線性遞減。例如，在 85°C 時，最大允許平均電流約為：15 mA - ((85°C - 25°C) * 0.2 mA/°C) = 3 mA。
• 每點逆向電壓：5 V。在逆向偏壓下超過此電壓可能導致接面崩潰。
• 操作與儲存溫度範圍：-35°C 至 +85°C。
• 焊接溫度：可承受 260°C 最高 3 秒，測量點位於封裝體安裝平面下方 1.6mm（1/16 英吋）處。

2.2 電氣與光學特性

這些是在環境溫度（Ta）為 25°C 的指定測試條件下保證的性能參數。

• 平均發光強度（I_V）：範圍從 800 μcd（最小值）到 2600 μcd（典型值），測試條件為峰值電流（I_p）32 mA，工作週期 1/16。強度測量使用近似於明視覺（CIE）人眼響應曲線的濾光片。
• 峰值發射波長（λ_p）：在順向電流（I_F）為 20 mA 驅動時，典型值為 650 nm。這是光功率輸出最大的波長。
• 譜線半高寬（Δλ）：典型值為 20 nm（I_F=20mA）。這表示發射光波長圍繞峰值的分布範圍。
• 主波長（λ_d）：典型值為 639 nm（I_F=20mA）。這是人眼感知的單一波長，可能與峰值波長略有不同。
• 每點順向電壓（V_F）：根據電流不同，範圍從 2.1V 到 2.8V。在 I_F=20mA 時：2.1V（最小值），2.6V（典型值）。在 I_F=80mA 時：2.3V（最小值），2.8V（典型值）。
• 每點逆向電流（I_R）：當施加逆向電壓（V_R）5V 時，最大值為 100 μA。
• 發光強度匹配比（I_V-m）：最大值為 2:1。這規定了在相同驅動條件下，同一裝置上任意兩點（或段）之間的亮度差異不會超過兩倍。

3. 分級系統說明

規格書指出該裝置根據發光強度分類。這意味著在製造後進行了分級或篩選過程。由於半導體磊晶生長和晶片處理的固有差異，同一生產批次的 LED 可能具有略微不同的光輸出。為了確保應用中的一致性，特別是在均勻亮度至關重要的多字元顯示器中，製造出的單元會根據測量的發光強度進行測試並分入不同的級別。設計師可以在訂購時指定級別代碼，以確保其組裝中的所有單元都落在嚴格的亮度範圍內，防止某些字元看起來比其他字元更暗或更亮。雖然此規格書未列出特定的級別代碼或強度範圍，但這種做法是確保視覺品質的標準程序。

4. 性能曲線分析

規格書的最後一頁專門介紹典型電氣/光學特性曲線。這些圖表對於理解裝置在表格中列出的單點規格之外的行為非常寶貴。雖然提供的文本中未詳細說明具體曲線，但此類裝置的典型圖表將包括：

• 順向電流 vs. 順向電壓（I-V 曲線）：顯示 LED 接面上電流與電壓之間的非線性關係。它有助於設計限流電路。
• 發光強度 vs. 順向電流：展示光輸出如何隨電流增加而增加，通常在較高電流下由於發熱和效率下降而呈現次線性增長。
• 發光強度 vs. 環境溫度：說明當接面溫度升高時，光輸出會減少，這對於在寬廣溫度範圍內操作的應用至關重要。
• 光譜分布：相對強度與波長的關係圖，顯示發射紅光光譜的形狀和寬度。

這些曲線使工程師能夠預測在其特定操作條件下的性能，這些條件可能與標準測試條件不同。

5. 機械與封裝資訊

LTP-1457AKD 的物理結構由其封裝尺寸和內部電路定義。

5.1 封裝尺寸

本裝置的矩陣高度為 1.2 英吋（30.42 mm）。規格書第 2 頁提供了詳細的尺寸圖。所有尺寸均以毫米為單位指定，一般公差為 ±0.25 mm（±0.01 英吋），除非特定特徵要求不同的公差。此圖對於 PCB（印刷電路板）佔位面積設計至關重要，可確保元件正確安裝並與電路板的焊墊對齊。

5.2 內部電路與接腳定義

本顯示器對行使用共陰極配置。內部電路圖顯示一個 5x7 矩陣，其中每個 LED（點）形成於陽極（列）線和陰極（行）線的交點處。要點亮特定點，必須將其對應的列陽極驅動為高電位（並配合適當的限流），同時將其行陰極拉至低電位。

接腳連接表對於介面連接至關重要：

- 接腳 1, 2, 5, 7, 8, 9, 12, 14 連接至陰極行（1-7）。

- 接腳 3, 4, 6, 10, 11, 13 連接至陽極列（1-5）。

注意：提供的清單中存在不一致之處，其中接腳 11 列為陽極列 3，接腳 4 也列為陽極列 3。在標準的 5x7 矩陣（12 個接腳，或 14 個接腳其中 2 個可能未使用）中，這可能是文件錯誤；其中一個應該是列 1、2、3、4 或 5。必須查閱實際的規格書圖表以獲得正確、明確的對應關係。需要適當的多工驅動電路來依序啟動行和列以形成字元，而不產生殘影。

6. 焊接與組裝指南

提供的主要組裝規格是焊接溫度曲線。本裝置可承受 260°C 的峰值溫度，最長持續時間為 3 秒。此測量點位於封裝體安裝平面下方 1.6mm 處，大致對應於 PCB 表面或焊點本身。此額定值與標準無鉛（SnAgCu）迴焊製程相容。設計師必須確保其迴焊爐的溫度曲線不超過此時間-溫度限制，以防止損壞 LED 晶片、內部打線或塑膠封裝材料。在處理過程中應遵守標準的 ESD（靜電放電）預防措施。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

此顯示器適用於需要單一、高度清晰的字元或符號的應用。其可堆疊的特性使其可用於多字元設置。常見用途包括：

- 儀表板（電壓表、萬用表、頻率計數器）。

- 工業控制系統狀態指示器。

- 銷售點終端機顯示器。

- 當多個單元組合時，可用於簡單的訊息看板或計分板。

- 嵌入式系統使用者介面，用於狀態碼或單一位數輸出。

7.2 設計考量

• 驅動電路：需要具有足夠 I/O 接腳的微控制器或專用的 LED 顯示器驅動 IC（如 MAX7219 或類似產品）來進行多工。每個接腳將為多個 LED 提供或吸收電流，因此請確保不超過 MCU 或驅動器的每接腳電流限制。
• 限流：每個陽極列必須使用外部限流電阻（或恆流驅動器），以將順向電流（I_F）設定在安全值，考慮到隨溫度遞減，連續操作時通常介於 10-20 mA 之間。
• 功耗：計算總功耗，尤其是當多個點同時點亮時。確保其保持在裝置和 PCB 的熱限制範圍內。
• 視角：寬廣的視角對於可能從側面觀看顯示器的應用非常有益。
• 亮度一致性：為多單元應用訂購時，請指定強度級別，以確保視覺均勻性。

8. 技術比較與差異化

LTP-1457AKD 的主要差異化特點在於其使用 AlInGaP 超紅光技術及其特定的機械/電氣格式。

• 與標準 GaAsP 或 GaP 紅光 LED 比較：與舊技術相比，AlInGaP LED 通常提供更高的發光效率、更好的溫度穩定性以及更飽和、純正的紅色（主波長約 639nm），而舊技術可能看起來更偏橙色。
• 與更大或更小的點矩陣顯示器比較：1.2 英吋的高度和 5x7 格式代表了一種特定的尺寸和解析度權衡，在中等距離下提供良好的可讀性。更小的格式節省空間但降低可讀性；更大的格式從遠處看更清晰，但消耗更多功率和電路板面積。
• 與整合控制器顯示器比較：這是一個原始LED 陣列。具有整合控制器（I2C、SPI）的顯示器簡化了微控制器介面，但可能靈活性較低或價格較高。LTP-1457AKD 以更複雜的驅動電路為代價，提供直接控制。

9. 常見問題解答（基於參數）

問：我可以用 5V 微控制器直接驅動此顯示器嗎？

答：有可能，但需謹慎。典型的 V_F是 2.1-2.8V。5V MCU 接腳會將 5V 施加到陽極，如果沒有限流電阻，將會損壞 LED。您必須使用串聯電阻。計算公式為：R = (V_電源- V_F) / I_F。對於 5V 電源，V_F=2.6V，且 I_F=20mA，R = (5 - 2.6) / 0.02 = 120 Ω。此外，請確保 MCU 能夠吸收/提供所需的多工電流。

問：發光強度測試條件中的1/16 工作週期是什麼意思？

答：這表示 LED 在整個週期時間內有 1/16 的時間處於脈衝開啟狀態。對於多工顯示器，這是一種常見的驅動方法。開啟時間內的峰值電流（測試中為 32 mA）高於直流操作可使用的電流，以達到相當於較低直流電流的感知亮度。平均電流為（峰值電流 * 工作週期）= 32mA * (1/16) = 2 mA。

問：如何建立像字母和數字這樣的字元？

答：您需要在軟體中建立字型表或字元產生器。這是一個查找表，定義了每個 ASCII 或 EBCDIC 代碼需要點亮哪些點（陽極/列、陰極/行的組合）。例如，字元A將對應到 5 列和 7 行中的特定圖案。

10. 設計與使用案例研究

情境：為馬達控制器設計單一位數 RPM 指示器。

顯示器需要顯示一個 0-9 的數字，代表速度範圍。選擇了一個具有 12 個 I/O 接腳的低成本微控制器。

實作方式：7 個接腳配置為開汲極輸出以驅動陰極行（吸收電流）。5 個接腳配置為數位輸出，透過限流電阻驅動陽極列（提供電流）。韌體包含數字 0-9 的 5x7 字型對應表。它執行一個計時器中斷，依序將每個行（1-7）的陰極接腳拉低以啟動該行。對於啟動的行，韌體根據要在該特定行顯示的數字的字型圖案，將 5 個陽極接腳設為高電位。這種多工操作速度快於人眼可感知的速度（例如 >100 Hz），從而產生穩定、無閃爍的影像。每個 LED 的平均電流保持在 10 mA（根據工作週期調整峰值電流），以確保在功耗限制內的長期可靠性。

11. 工作原理

基本原理是半導體 p-n 接面中的電致發光。AlInGaP 材料具有直接能隙。當施加順向偏壓（陽極相對於陰極為正電壓）時，電子從 n 型區域注入導電帶，電洞從 p 型區域注入價電帶。這些電荷載子在接面附近的主動區域中復合。在像 AlInGaP 這樣的直接能隙材料中，這些復合中有很大一部分是輻射性的，意味著它們以光子（光）的形式釋放能量。此光的波長（顏色）由半導體材料的能隙能量（E_g）決定，根據公式 λ ≈ hc/E_g。對於調諧為紅光的 AlInGaP，這會產生波長約為 650 nm 的光子。5x7 矩陣排列只是這些單獨的 p-n 接面 LED 的網格，其陽極和陰極以交叉模式連接，以最小化所需的驅動器接腳數量。

12. 技術趨勢

雖然 LTP-1457AKD 代表了一種成熟可靠的技術，但顯示技術的更廣泛領域仍在不斷發展。此類離散式 LED 點矩陣顯示器面臨來自使用表面黏著裝置（SMD）LED 的整合模組的競爭，後者可以更小並提供更高的解析度。此外，有機 LED（OLED）和微型 LED 技術正在進步，有望實現更薄、更高效、對比度更高的顯示器。對於簡單、堅固、單一字元或低解析度多字元顯示器的特定利基市場，AlInGaP 和類似的 III-V 族半導體 LED 由於其經過驗證的可靠性、寬廣的操作溫度範圍、高亮度以及對於工業和儀器應用的成本效益，仍然具有高度相關性。此領域的趨勢是朝向更高的效率（每瓦更多光）以及更嚴格的顏色和亮度一致性分級。