LTP-2257KA 5x7 點矩陣 LED 顯示器規格書 - 1.97 英吋字高 - AlInGaP 紅橙色 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTP-2257KA 是一款單字元、字母數字顯示模組，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）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。此元件專為整合到低功耗、固態可靠性及廣視角為關鍵性能因素的系統中而設計。

此元件的主要市場包括工業控制面板、儀器儀表、銷售點終端機、基本資訊顯示器以及需要簡單、穩固字元讀數的嵌入式系統。其可堆疊設計允許水平創建多字元顯示，為顯示單字或數字提供了靈活性。

核心技術優勢在於其使用磷化鋁銦鎵（AlInGaP）半導體材料作為 LED 晶片。此材料系統以在紅至琥珀橙色光譜中產生高效率發光而聞名，提供良好的可見度。顯示器採用黑色面板，與點亮的白色光點形成高對比度，顯著增強了在各種環境光照條件下的可讀性。

2. 技術規格深入解析

本節提供規格書中定義的關鍵電氣、光學和物理參數的詳細、客觀分析。

2.1 光度與光學特性

光學性能是顯示器功能的核心。關鍵參數在標準化測試條件下（Ta=25°C）測量，以確保一致性。

• 平均發光強度（I_V）：範圍從最小值 2100 µcd 到最大值 5000 µcd，並隱含一個典型值。此強度是在 I_p=32mA、1/16 佔空比的脈衝驅動條件下，針對每個光點測量的。1/16 佔空比是多工矩陣驅動的典型值，其中每一列僅在部分時間內處於活動狀態。使用的感測器近似於 CIE 明視覺光度函數，確保測量值與人眼敏感度相關。
• 峰值發射波長（λ_p）：典型值為 621 奈米（nm）。這表示光功率輸出最大的波長。它落在可見光譜的紅橙色區域內。
• 主波長（λ_d）：615 nm。這是人眼感知到的、與 LED 輸出顏色相匹配的單一波長。它略低於峰值波長，這是由於發射光譜形狀所致，是常見現象。
• 譜線半寬度（Δλ）：約 18 nm。此參數定義了發射光的頻寬，具體是光譜曲線在其最大功率一半處的寬度。18 nm 的值表示一個相對窄頻、單色的光源，這是 AlInGaP LED 的特性，並產生飽和的顏色。
• 發光強度匹配比（I_V-m）：最大值為 2:1。這是顯示均勻性的關鍵參數。它規定任何單個光點的發光強度不會超過同一顯示模組內任何其他光點的兩倍。這確保了字元所有筆劃的亮度一致。

2.2 電氣特性

電氣參數定義了元件的介面和電源需求。

• 順向電壓（V_F）：在測試電流（I_F）為 20mA 時，每個光點的範圍從 2.05V（最小值）到 2.6V（最大值）。這是 LED 導通時兩端的電壓降。設計人員必須確保驅動電路能夠提供此電壓。典型值未說明，但在此範圍內。
• 逆向電流（I_R）：在逆向電壓（V_R）為 15V 時，最大值為 100 µA。這是 LED 反向偏壓時流過的小漏電流。在操作中通常可忽略不計，但在電路保護設計中必須考慮。
• 每個光點的平均順向電流：額定平均電流為 13 mA。然而，在超過 25°C 時，需線性應用 0.17 mA/°C 的降額因子。這意味著隨著環境溫度升高，必須降低最大允許平均電流，以防止過熱和過早失效。例如，在 85°C 時，最大平均電流為：13 mA - [0.17 mA/°C * (85-25)°C] = 13 - 10.2 = 2.8 mA。

2.3 絕對最大額定值

這些是任何情況下（即使是瞬間）都不得超過的應力極限。超過這些極限操作可能導致永久性損壞。

• 每個光點的平均功耗：最大值 36 mW。這是平均順向電流和順向電壓的乘積。
• 每個光點的峰值順向電流：最大值 100 mA。這是允許的最高瞬時電流，通常與多工方案中非常短的脈衝有關。
• 每個光點的逆向電壓：最大值 5 V。超過此值可能導致接面崩潰。
• 操作與儲存溫度範圍：-35°C 至 +85°C。此元件額定用於工業溫度範圍。
• 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。這對於波焊或迴焊製程至關重要。

3. 分級與分類系統

規格書明確指出該元件按發光強度分類。這表示單元是根據其測量的光輸出進行分類或分級。發光強度範圍（2100-5000 µcd）可能代表了多個等級的分布。製造商通常將 LED 分組到更嚴格的強度範圍內（例如，2100-3000 µcd、3000-4000 µcd、4000-5000 µcd）。這允許客戶根據其特定的亮度均勻性要求選擇等級。對於多單元顯示器，使用來自相同強度等級的 LED 對於實現均勻外觀至關重要。規格書未指定順向電壓或波長的分級，儘管提供的 V_F和 λ_p的最小/最大值範圍定義了總分布。

4. 性能曲線分析

規格書參考了典型電氣/光學特性曲線。雖然文本中未提供具體圖表，但我們可以推斷其標準內容和重要性。

• 相對發光強度 vs. 順向電流（I-V 曲線）：此圖表將顯示光輸出如何隨驅動電流增加。它通常是非線性的，在非常高的電流下由於熱效應導致效率下降。32mA 脈衝測試點很可能位於此曲線的高效、線性部分。
• 順向電壓 vs. 順向電流：此曲線顯示二極體的 I-V 特性。電壓隨電流對數增加。指定的 20mA 下的 V_F是此曲線上的一個點。
• 相對發光強度 vs. 環境溫度：這是理解熱性能的關鍵曲線。LED 的光輸出通常隨著接面溫度升高而降低。為順向電流指定的降額與管理此熱效應以維持性能和可靠性直接相關。
• 光譜分布：相對強度 vs. 波長的圖表，顯示峰值約在 621nm，半高寬（FWHM）約為 18nm。

5. 機械與封裝資訊

此元件是一個通孔元件，採用標準 DIP（雙列直插式封裝）形式，適合 PCB 安裝。

• 矩陣高度：定義性的物理特徵是 1.97 英吋（50.15 公釐）的字元高度。這是一款專為遠距離觀看而設計的大型顯示器。
• 封裝尺寸：規格書包含詳細的尺寸圖。所有尺寸均以公釐為單位，標準公差為 ±0.25 mm，除非另有說明。此圖對於 PCB 佔位面積設計和確保在機殼內的正確安裝至關重要。
• 接腳連接：此元件有 12 個接腳，排成單列。
  • 接腳 1-7：對應陰極列 1 至 7。在常見的矩陣配置中，這些將是掃描線。
  • 接腳 8-12：對應陽極行 5 至 1（請注意順序相反：接腳 8 是行 5，接腳 12 是行 1）。這些將是資料線。
• 內部電路圖：提供的圖表顯示了標準的 5x7 矩陣配置。每個 LED（光點）位於陽極行和陰極列的交叉點。要點亮特定光點，其對應的陽極線必須驅動為高電位（正電壓），而其陰極線則驅動為低電位（接地）。這種矩陣排列最大限度地減少了所需的驅動器接腳數量（12 個，而不是單獨定址光點所需的 35 個）。
• 極性識別：接腳定義表清楚地標識了陽極和陰極連接。封裝的一端可能有凹口或標記來指示接腳 1 的方向。

6. 焊接與組裝指南

提供的主要組裝規格是針對焊接製程。

• 迴焊/波焊參數：絕對最大額定值規定，此元件可承受最高 260°C 的焊接溫度，最長 3 秒。此測量是在安裝平面下方 1.6mm 處（即 PCB 層面）進行，而非在元件本體。這是引線元件的標準額定值，與典型的波焊製程相容。對於使用無鉛焊料（熔點較高）的迴焊，必須仔細控制溫度曲線，以確保元件本體溫度不會長時間超過最大儲存溫度 85°C，即使引腳短暫達到 260°C。
• 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，最好在 3 秒內，以防止熱量沿引腳傳導並損壞內部接線或環氧樹脂。
• 清潔：未提供具體的清潔說明。可以使用標準的異丙醇或經批准的助焊劑去除劑，但應避免使用強效溶劑，因為它們可能會損壞塑膠面板或標記。
• 儲存條件：此元件應儲存在其指定的溫度範圍 -35°C 至 +85°C 內，並置於乾燥、無冷凝的環境中。建議將元件保存在其原始的防潮袋中，直到使用為止，以防止吸濕，這可能在焊接過程中導致爆米花現象。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 工業控制面板：顯示設定點、製程值（溫度、壓力、速度）、錯誤代碼或機器狀態。
• 測試與測量設備：顯示來自三用電錶、電源供應器或信號產生器的數值讀數。
• 消費性電子產品（傳統）：時鐘、計時器、基本計算機或家電顯示器。
• 嵌入式系統原型開發：為微控制器（例如 Arduino、PIC）提供簡單、直接的輸出，以顯示除錯資訊或使用者提示。
• 堆疊多字元顯示器：通過將多個 LTP-2257KA 模組並排放置，可以為基本資訊看板或標誌創建單字、數字或簡單的滾動訊息。

7.2 設計考量

• 驅動電路：需要專用的 LED 驅動器 IC 或帶有限流電阻的微控制器 GPIO 接腳。由於矩陣配置，必須採用多工（掃描）方案。驅動器必須向陽極行提供電流，並從陰極列吸收電流。在多工時序計算中，必須遵守每個光點的峰值電流（100mA）和平均電流降額。
• 電流限制：每個陽極行或陰極列（取決於驅動拓撲）必須使用外部電阻來設定工作電流。其值根據電源電壓（V_CC）、LED 順向電壓（V_F）和所需電流（I_F）計算。例如，使用 5V 電源，V_F為 2.3V，目標 I_F為 20mA：R = (5V - 2.3V) / 0.02A = 135 歐姆。標準的 150 歐姆電阻將是合適的。
• 熱管理：雖然此元件功耗低，但在高環境溫度下必須遵循順向電流的降額曲線。如果顯示器被封閉，請確保有足夠的氣流。每個光點的平均功耗（最大 36mW）轉換為整個點亮字元的總最大功耗，這應在 PCB 熱設計中考慮。
• 視角：廣視角特性是有益的，但為了獲得最佳可讀性，顯示器應面向主要觀看者安裝。黑色面板/白色光點設計在大多數角度下都能提供良好的對比度。

8. 技術比較與差異化

與其發布時（2000 年）可用的其他顯示技術相比，LTP-2257KA 提供了特定的優勢：

• 對比白熾燈或真空螢光顯示器（VFD）：LED 是固態的，提供更高的可靠性、抗震/抗振性、更長的使用壽命（通常為數萬小時）以及更低的工作電壓/功耗。它們也不需要加熱燈絲或高電壓。
• 對比早期 LCD：LED 是自發光的，意味著它們產生自己的光，使其在低光或黑暗條件下無需背光即可清晰可見。它們具有更寬的工作溫度範圍和更快的響應時間。然而，它們比反射式 LCD 消耗更多功率，且不適合複雜的圖形。
• 對比其他 LED 技術：與較舊的 GaAsP 或 GaP 相比，使用 AlInGaP 材料在給定的驅動電流下提供了更高的效率和更好的色純度（更飽和的紅橙色）。特定的 5x7 格式和 1.97 英吋的大字高，針對需要從遠處易於讀取字元的應用。

9. 常見問題（基於技術參數）

問：我可以用恆定直流電流同時驅動所有光點嗎？

答：技術上可以，但效率極低，如果所有 35 個光點都點亮，將超過平均功率額定值。標準且預期的方法是使用多工驅動，其中光點以高頻率一次點亮一列（或一行），在顯著降低平均電流的同時，創造出穩定顯示的錯覺。

問：峰值波長和主波長有什麼區別？

答：峰值波長是 LED 發射最多光功率的波長。主波長是人眼感知到的、與 LED 顏色相匹配的單一波長。由於 LED 發射光譜的不對稱性，它們通常接近但不完全相同。主波長與顏色感知更相關。

問：順向電壓是 2.05-2.6V。我可以從 3.3V 邏輯電源運行它嗎？

答：是的，完全可以。3.3V 電源足以使 LED 正向偏壓。您需要根據較低的電源電壓重新計算限流電阻值（例如，R = (3.3V - 2.3V) / 0.02A = 50 歐姆）。

問：發光強度測試條件中的1/16 佔空比是什麼意思？

答：這意味著 LED 以 32mA 電流脈衝驅動，但脈衝僅在總時間週期的 1/16 內處於活動狀態。測量的強度是整個週期的平均值。這模擬了 1:16 多工驅動方案中的條件（例如，7 列 + 9 個空白 = 16 個時槽）。

10. 實務設計與使用案例

案例：構建一個簡單的 4 位數電壓表顯示器。一位工程師需要在面板上顯示 0.000 至 9.999 伏特的電壓。他們決定使用四個水平堆疊的 LTP-2257KA 模組。

1. 電路設計：一個帶有 ADC 的微控制器讀取電壓。韌體將讀數轉換為四個十進制數字。微控制器的 I/O 埠，結合分立電晶體或專用的多工驅動器 IC（如 MAX7219），被配置為掃描這四個顯示器。每個顯示器的陰極列並聯連接，而每個數字的陽極行則單獨控制。這創建了一個 4 位數 x 7 列的矩陣。
2. 電流設定：使用 5V 電源並旨在獲得明亮的顯示，他們選擇每個光點的平均電流為 15mA。考慮到跨 4 位數和 7 列的多工（當所有光點都點亮時，每個光點的有效佔空比為 1/28），其在活動時槽中的峰值脈衝電流會更高（例如，15mA * 28 = 420mA），但這必須與 100mA 的峰值電流額定值進行核對。因此，他們需要調整時序或使用較低的平均電流，以將峰值保持在規格範圍內。
3. 熱考量：該面板用於實驗室環境（25°C）。平均電流降額在此不是問題。然而，他們確保 PCB 有接地層，以幫助散發驅動電路產生的熱量。
4. 結果：最終產品顯示出清晰、明亮的 4 位數讀數，具有良好的視角，滿足了工作台儀器的要求。

11. 工作原理

LTP-2257KA 基於排列在無源矩陣中的發光二極體（LED）的基本原理運作。構成 5x7 網格的 35 個光點中的每一個都是一個獨立的 AlInGaP LED 晶片。當在特定的陽極（行）和陰極（列）對之間施加超過二極體接面電位（約 2V）的正向偏壓時，電流流過該交叉點的 LED。此電流導致電子和電洞在半導體的有源區域內復合，以光子的形式釋放能量——即光，其波長是 AlInGaP 材料（紅橙色）的特徵。

矩陣組織是一種巧妙的互連方法。不是使用 35 條單獨的導線，而是將垂直列中所有 LED 的陽極連接在一起，將水平行中所有 LED 的陰極連接在一起。要點亮單個光點，其特定的行被驅動為正電位，其特定的列被驅動為接地。要顯示一個圖案（如字元），掃描演算法會快速遍歷各行（或各列），依次為每一列開啟適當的行驅動器。在足夠高的頻率下（通常 >100Hz），視覺暫留使整個字元看起來穩定地點亮。

12. 技術趨勢與背景

LTP-2257KA 代表了一種成熟、完善的顯示技術。在其發布時，點矩陣 LED 顯示器是字母數字輸出的主流解決方案。從 GaAsP 等舊材料轉向 AlInGaP 是一個重要的趨勢，提供了改進的效率和顏色。

隨後的趨勢已轉向：

表面黏著元件（SMD）封裝：現代的同等產品幾乎都是 SMD 類型，允許更小、自動化的組裝。

更高密度和全矩陣顯示器：基本的 5x7 格式已在很大程度上被更大的點矩陣模組（例如 8x8、16x16）和可以顯示任意形狀和多種字體文字的全圖形面板所取代。

整合控制器：現代的 LED 矩陣模組通常在單一電路板上包含驅動器、記憶體和通訊介面（如 I2C 或 SPI），大大簡化了工程師的設計流程。

替代技術：對於許多需要簡單字元輸出的應用，低功耗 LCD（帶或不帶背光）和 OLED 顯示器已變得更為常見，特別是在功耗、厚度或圖形能力是優先考量時。

儘管存在這些趨勢，像 LTP-2257KA 這樣的通孔 LED 點矩陣顯示器在教育環境、業餘愛好者專案、舊設備維護以及其簡單性、穩固性、高亮度和寬溫度範圍是決定性優勢的特定工業應用中，仍然具有相關性。