LTP-2157AKY-01 LED顯示器規格書 - 2.0英吋 (50.8mm) 矩陣高度 - 琥珀黃 - 5x7點陣 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTP-2157AKY-01是一款2.0英吋（50.8毫米）矩陣高度、5x7點陣的英數字元顯示模組。其設計旨在為需要數字或有限英數字元輸出的應用提供清晰、高對比度的字元顯示。本裝置採用先進的AS-AlInGaP（磷化鋁銦鎵）LED晶片，該晶片生長於GaAs基板上，以其高效率和卓越亮度著稱。顯示器採用黑底白點的設計，增強了在各種照明條件下的對比度和可讀性。其主要應用於工業儀表、消費性電子產品以及其他需要緊湊、可靠且低功耗顯示解決方案的裝置。

1.1 核心優勢

• 高亮度與高對比度：AlInGaP技術結合黑底白點設計，提供卓越的可視性。
• 低功耗需求：專為高效能運作而設計，適用於電池供電或注重能源效率的應用。
• 固態可靠性：相較於其他顯示技術，LED具有長使用壽命、抗震性以及穩定的性能表現。
• 優異的字元外觀：5x7點陣格式提供了輪廓清晰、易於辨識的字元。
• X-Y選擇架構：矩陣以行（陽極）和列（陰極）的配置組織，允許透過多工方式進行高效控制，並減少驅動接腳的數量。

2. 技術參數深度解析

本節針對規格書中指定的關鍵電氣與光學參數，提供詳細且客觀的分析。理解這些數值對於正確的電路設計和確保長期可靠性至關重要。

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。不建議在此極限之外操作。

• 每點平均功率消耗：35 mW。此限制對於熱管理至關重要。超過此值可能導致過熱、發光輸出降低，並加速LED晶片的劣化。
• 每點峰值順向電流：60 mA（於1 kHz，25%工作週期）。此額定值適用於脈衝操作。在此條件下的平均電流為15 mA（60 mA * 0.25），此值仍須低於平均電流額定值。
• 每點平均順向電流：基礎額定值在25°C時為13 mA。重要的是，其額定值會以0.17 mA/°C遞減。例如，在環境溫度（Ta）為85°C時，最大允許平均電流將為：13 mA - [0.17 mA/°C * (85°C - 25°C)] = 13 mA - 10.2 mA =2.8 mA。如此強烈的遞減突顯了在高溫環境中進行謹慎熱設計的必要性。
• 每點逆向電壓：5 V。施加超過此值的逆向偏壓可能導致接面崩潰。
• 操作與儲存溫度：-35°C 至 +85°C。本裝置額定適用於工業級溫度範圍。
• 焊接條件：260°C 持續3秒，烙鐵頭至少位於安裝平面下方1/16英吋（約1.6毫米）。此舉可防止過多熱量沿著接腳傳導並損壞內部LED晶片。

2.2 電氣與光學特性（Ta = 25°C）

這些是在指定測試條件下的典型性能參數。

• 每點平均發光強度（I_V）：1650（最小），3600（典型）µcd。測試條件為峰值電流（I_p）32 mA，工作週期1/16。實際平均電流為2 mA。此寬廣範圍顯示了亮度分級的可能性。
• 峰值發射波長（λ_p）：595 nm（典型）。此定義了光譜輸出達到最大值的波長，使其位於可見光譜的琥珀黃區域。
• 主波長（λ_d）：592 nm（典型）。這是人眼感知的單一波長，與峰值波長非常接近。
• 光譜線半高寬（Δλ）：15 nm（典型）。此表示光譜純度；寬度越窄，顏色越飽和、越純淨。
• 每段順向電壓（V_F）：
  • 2.05V（最小），2.6V（典型），於 I_F= 20 mA。
  • 2.3V（最小），2.8V（典型），於 I_F= 80 mA。電壓隨電流增加是由於二極體的串聯電阻所致。
• 逆向電流（I_R）：100 µA（最大），於 V_R= 5V。低逆向電流是理想的。
• 發光強度匹配比（I_V-m）：2:1（最大）。此規定了陣列中最亮點與最暗點之間的最大允許比率，確保外觀均勻。

3. 分級系統說明

雖然提供的規格書未詳細說明正式的商業分級結構，但指定的參數範圍暗示了固有的變異性。設計者應注意不同單元或生產批次之間可能存在的以下變異：

• 波長/顏色分級：典型主波長為592 nm。單元可能在此值附近略有變化，影響琥珀黃的準確色調。
• 發光強度（亮度）分級：發光強度最小值為1650 µcd，典型值為3600 µcd。如此大的差異表明，對於需要嚴格亮度匹配的應用，可能需要在組裝層級進行選擇或分級。
• 順向電壓分級：順向電壓範圍（20mA時為2.05V至2.6V）顯示了變異性。這對於設計恆流驅動器很重要，以確保所有段具有一致的亮度，而不會對較高V_F dots.

4. 性能曲線分析

規格書參考了典型特性曲線。這些圖表雖然未在提供的文本中顯示，但對於理解裝置在非標準條件下的行為至關重要。

4.1 順向電流 vs. 順向電壓（I-V曲線）

此曲線將顯示典型的二極體指數關係。指定的V_F點在20mA和80mA處給出了兩個數據點。該曲線有助於確定給定電流所需的驅動電壓，並允許計算功率消耗（V_F* I_F）。

4.2 發光強度 vs. 順向電流

此圖表顯示光輸出如何隨電流增加。對於LED，在一個範圍內關係通常是線性的，但在極高電流下會因熱效應和效率下降而飽和。在典型電流（由32mA峰值、1/16工作週期規格推導）附近操作可確保最佳效率和壽命。

4.3 發光強度 vs. 環境溫度

LED的光輸出隨著接面溫度升高而降低。此特性，加上強烈的電流遞減（0.17 mA/°C），突顯了管理裝置操作溫度以維持一致亮度和可靠性的極端重要性。

4.4 光譜分佈

相對強度 vs. 波長的圖表將顯示峰值約在595 nm處，典型半高寬為15 nm，確認了琥珀黃的色座標。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

顯示模組具有特定的物理尺寸（原始規格書中的圖表提供）。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。設計者必須將這些尺寸納入其產品外殼和PCB佈局中。

5.2 接腳連接與極性識別

本裝置採用14接腳配置。接腳定義如下： 1. 陽極行5 2. 陽極行7 3. 陰極列2 4. 陰極列3 5. 陽極行4 6. 陰極列5 7. 陽極行6 8. 陽極行3 9. 陽極行1 10. 陰極列4 11. 陰極列3（註：接腳4也是陰極列3；這可能是源文本的筆誤。接腳11推測是陰極列6或其他列。必須參考內部電路圖以進行澄清。） 12. 陽極行4（與接腳5重複；可能是文件錯誤） 13. 陰極列1 14. 陽極行2

關鍵注意事項：提供的接腳列表包含明顯的重複項（接腳4和11對應列3，接腳5和12對應行4）。規格書中引用的內部電路圖是正確接腳到段映射的權威來源，必須用於設計。根據陰極列和陽極行的描述，顯示器使用共陰極組配置。

5.3 內部電路圖

示意圖顯示了35個LED（5列 x 7行）的電氣互連。每個LED的陽極連接到一條行線，其陰極連接到一條列線。要點亮特定點，必須驅動其對應的行線為高電位（陽極），並驅動列線為低電位（陰極）。此矩陣結構允許僅用12條線（5行 + 7列）控制35個點，實現高效的多工。

6. 焊接與組裝指南

• 迴流焊接：遵循指定條件：260°C持續3秒。使用受控的溫度曲線以避免熱衝擊。
• 手工焊接：如有必要，請使用溫控烙鐵。對接腳加熱，而非封裝本體，並限制接觸時間以防止熱量滲入顯示器。
• 清潔：使用與顯示器材料（可能是環氧樹脂和塑膠）相容的適當溶劑。避免使用可能損壞內部連接的超音波清洗。
• 儲存條件：在指定的溫度範圍（-35°C至+85°C）內，儲存於乾燥、防靜電的環境中。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 工業面板儀表：顯示電壓、電流、溫度、壓力等數值。
• 測試與量測設備：多用電錶、示波器（用於設定或基本讀數）、信號產生器的讀數顯示。
• 消費性電器：計時器、磅秤、音響設備顯示器。
• 醫療設備：監視器或診斷工具上簡單的數字讀數，其中可靠性是關鍵。
• 零售設備：價格顯示器、基本交易終端機。

7.2 設計考量

• 驅動電路：需要具有足夠GPIO接腳的微控制器，或具有多工支援的專用LED驅動IC。驅動器必須能夠為陽極行提供電流，並為陰極列吸收電流。必須為每條行線或列線設置限流電阻以設定順向電流。
• 電流計算：由於多工，每個LED的瞬時（峰值）電流將高於所需的平均電流。對於N個多工行，峰值電流應約為所需平均電流的N倍。確保此峰值電流不超過60 mA的絕對最大額定值。
• 熱管理：遵守電流遞減曲線。在高環境溫度下，降低驅動電流或改善通風。黑底可能吸收更多環境熱量。
• 視角：考慮預期的觀看位置。LED點矩陣顯示器通常具有有限的最佳視角。
• 靜電放電（ESD）保護：在控制線上實施標準的ESD保護，特別是如果顯示器可由使用者接觸。

8. 技術比較與差異化

與其時代的其他顯示技術（如真空螢光顯示器（VFD）或更小的LCD）相比，LTP-2157AKY-01提供了明顯的優勢：

• 對比VFD：操作電壓更低，無需燈絲或高壓驅動器，更堅固耐用，壽命更長，且在低溫環境下性能更佳。
• 對比LCD：亮度與對比度更高，自發光（無需背光），操作溫度範圍更廣，響應時間更快。代價是功耗較高，且顯示複雜圖形的能力有限。
• 對比標準GaP或GaAsP LED：使用AlInGaP技術提供了顯著更高的發光效率和亮度，從而在明亮環境下具有更好的可視性。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

Q1：我可以用每點恆定20mA驅動此顯示器嗎？

A：不能以靜態模式同時驅動所有點，因為這將超過平均功率消耗限制（35 mW/點 * 35點 = 1.225W，且20mA * 2.6V = 52mW/點）。您必須使用多工。在1/7工作週期的多工（一次點亮一行）中，要達到20mA平均電流，每點的峰值電流可能約為~140mA，這超過了60mA的峰值額定值。因此，您必須仔細設計多工方案和峰值電流，以同時滿足平均和峰值限制。

Q2：為什麼接腳列表中有重複的接腳分配？

A：提供內容中的文字接腳列表可能包含文件錯誤。確定的參考是原始規格書中的內部電路圖。請務必使用示意圖進行您的PCB設計。

Q3：如何計算所需的限流電阻？

A：對於恆定電壓源（V_CC），使用歐姆定律：R = (V_CC- V_F- V_CE(sat)) / I_F。其中V_F是LED順向電壓（為安全起見使用最大值，例如2.8V），V_CE(sat)是列驅動電晶體的飽和電壓（如果使用），而I_F是所需的順向電流。對於多工設計，I_F是峰值 current.

Q4：峰值波長和主波長有什麼區別？

A：峰值波長（λ_p）是光譜發射最大值的物理點。主波長（λ_d）是心理物理相關量，代表與感知顏色匹配的單一波長。對於單色LED，它們通常非常接近。

10. 實務設計案例研究

情境：設計一個使用LTP-2157AKY-01的簡單數位電壓表讀數顯示，由5V微控制器系統驅動，環境溫度最高達50°C。

1. 驅動器選擇：選擇一個至少有12個空閒GPIO接腳的微控制器，或將一個較小的MCU與串列轉並列移位暫存器及用於行/列驅動的電晶體陣列配對。
2. 電流限制：確定在50°C時每點的最大平均電流：13 mA - [0.17 mA/°C * (50-25)] = 13 mA - 4.25 mA =8.75 mA.
3. 多工方案：使用1:7行多工。要達到8.75 mA的平均值，其有效行時間內的峰值電流應約為~61.25 mA（8.75 * 7）。這略高於60 mA的峰值額定值。因此，將目標平均值降低至~8.5 mA，使峰值為59.5 mA。
4. 電阻計算：假設列驅動器V_CE(sat)為0.2V，且V_F(max)為2.8V。對於驅動陽極的5V電源：R = (5V - 2.8V - 0.2V) / 0.0595 A ≈ 33.6Ω。使用標準33Ω電阻。功率額定值：P = I²* R = (0.0595)²* 33 ≈ 0.117W。1/4W電阻已足夠。
5. 軟體：實作一個計時器中斷來循環掃描7行，根據字元字型映射為每一行開啟適當的列驅動器。

11. 操作原理

本裝置基於半導體p-n接面中的電致發光原理運作。當對單個LED單元施加超過二極體導通電壓的順向偏壓（陽極行為正，陰極列為負）時，電子和電洞在AlInGaP活性區域中復合，以由材料能隙決定的波長（約592-595 nm，琥珀黃）釋放光子能量。5x7矩陣透過一次選擇性地啟動一行（陽極），同時為該行中應點亮的點在列（陰極）上提供吸收路徑來定址。此過程（多工）發生的速度比人眼能感知的更快，從而創建所有所需點的穩定影像。

12. 技術趨勢

雖然此特定產品採用了成熟的AlInGaP-on-GaAs技術，但LED顯示器的廣泛領域已顯著發展。與此產品類別相關的當前趨勢包括：

• 微型化：點矩陣顯示器可提供更小的像素間距和封裝尺寸。
• 全彩RGB矩陣：現代顯示器通常在每個像素中整合紅、綠、藍LED，實現全彩圖形。
• 整合驅動器：較新的模組通常包含板載驅動IC和控制器，透過串列介面（I2C、SPI）通訊，與直接GPIO多工相比，大大簡化了主機系統設計。
• 更高效率的材料：從AlInGaP轉向更高效的材料，如用於某些顏色的InGaN，以及在內部量子效率和光提取方面的持續改進。
• 替代技術：對於英數字元顯示器，OLED（有機發光二極體）技術提供了類似的自發光優勢，具有潛在更薄的尺寸和更廣的視角，儘管歷史上在壽命和成本方面有不同的考量。

LTP-2157AKY-01代表了一種穩健、經過驗證的解決方案，適用於其特定的尺寸、顏色、簡單性和可靠性組合能滿足設計要求的應用。