目錄
1. 產品概述
LTP-2157AKD是一款固態字母數字字符顯示模組，專為需要清晰、明亮且可靠視覺輸出的應用而設計。其核心功能是使用可單獨定址的發光二極體(LED)網格來顯示字符和符號。主要應用領域包括工業控制面板、儀器儀表、銷售點終端機、醫療設備顯示器，以及各種僅需簡單單色字符讀數的消費性電子產品。
其基本工作原理基於5x7點矩陣配置。這意味著每個字符是透過點亮一個由5列和7行LED像素組成的網格中的特定圖案來形成。透過選擇性地對應每個所需像素的陽極(行)和陰極(列)線施加順向電壓，特定的點會被點亮以形成可識別的形狀，如字母和數字。該裝置採用多工驅動方案，其中行以高頻率依序啟動，在最大限度地減少所需驅動器引腳數量和功耗的同時，創造出穩定、完全點亮的字符視覺效果。
2. 技術參數：深入客觀解讀
2.1 光度與光學特性
光學性能是在環境溫度(Ta)為25°C的標準測試條件下定義的。關鍵參數平均發光強度(Iv)，在1/16佔空比下以32mA峰值電流(Ip)驅動時，其典型值為3500微燭光(µcd)。這表示其具有適合光線充足環境的高亮度輸出。規格書中規定的最小值為1650 µcd，這定義了產品的性能下限。
顏色特性由AlInGaP（磷化鋁銦鎵）半導體材料決定。峰值發射波長(λp)通常為650奈米(nm)，使其位於可見光譜的超紅光區域。主波長(λd)規定為639 nm。峰值波長與主波長之間的差異，以及20 nm的光譜線半寬度(Δλ)，描述了光譜純度以及發出的特定紅色色調。規定了2:1（最大值）的發光強度匹配比，這意味著在相同驅動條件下，字符中最暗段的亮度應不低於最亮段亮度的一半，以確保外觀均勻。
2.2 電氣與熱特性
絕對最大額定值定義了可能發生永久損壞的操作極限。每點的平均功耗額定值為40毫瓦(mW)。在脈衝操作下，每點的峰值順向電流可達90mA，而每點的平均順向電流在25°C時的基礎額定值為15mA，並隨著溫度升高以0.2 mA/°C的速率線性遞減。這種遞減對於熱管理和長期可靠性至關重要。每點的最大反向電壓為5V。
在典型操作條件下（順向電流 IF=20mA），每段的順向電壓(VF)範圍從2.1V（最小值）到2.6V（最大值）。此參數對於設計驅動器中的限流電路至關重要。反向電流(IR)非常低，在最大反向電壓5V下，通常為2.3至2.8微安培(µA)，顯示出良好的二極體特性。
該裝置的操作溫度範圍額定為-35°C至+85°C，儲存溫度範圍相同。此寬廣的範圍使其適用於惡劣環境。最大焊接溫度規定為260°C，最長持續時間為3秒，測量點位於安裝平面下方1.6mm（1/16英吋）處，這為PCB組裝製程提供了明確的指導方針。
3. 機械與封裝資訊
該顯示器的標稱矩陣高度為2.0英吋（50.8 mm）。封裝尺寸在詳細圖紙中提供，所有尺寸均以毫米為單位。除非圖紙上另有說明，否則製造公差通常為±0.25 mm（0.01英吋）。實體封裝採用灰色面板與白色點狀顏色設計，這在LED熄滅時增強了對比度，並在點亮時擴散光線。
引腳連接圖對於正確介接至關重要。該裝置採用14引腳配置。內部電路是標準的共陰極排列用於列，而7行的陽極則引出到個別的引腳。需注意內部連接：引腳4和引腳11在內部相連（兩者都是第3列的陰極），引腳5和引腳12在內部相連（兩者都是第4行的陽極）。這些連接是為了簡化內部鍵合，不影響外部驅動邏輯。
4. 性能曲線分析
規格書中引用了典型的電氣和光學特性曲線。雖然提供的文本中未詳細說明具體圖表，但此類裝置的標準曲線通常包括：
- 順向電流 vs. 順向電壓 (I-V曲線)：此圖顯示了指數關係，對於確定給定驅動電流所需的電源電壓至關重要。
- 發光強度 vs. 順向電流：此曲線顯示光輸出如何隨電流增加，通常在操作範圍內呈近線性關係，然後在極高電流下效率下降。
- 發光強度 vs. 環境溫度：這展示了熱淬滅效應，即LED輸出隨著接面溫度升高而降低。理解這一點對於具有高環境溫度或散熱不良的應用至關重要。
- 光譜分佈：相對強度與波長的關係圖，顯示光輸出集中在650nm峰值附近，並具有定義的20nm半寬度。
這些曲線讓設計師能夠優化性能，並理解亮度、效率、驅動電流和熱管理之間的權衡取捨。
5. 焊接與組裝指南
組裝必須遵守指定的焊接溫度曲線，以防止損壞。最大允許焊接溫度為260°C，元件暴露在此溫度下的時間不得超過3秒。這通常透過使用可控的回流焊接製程來實現，該製程具有升溫、保持峰值溫度並在指定限制內冷卻的溫度曲線。使用烙鐵進行手工焊接需要極度小心，以局部化熱量並避免超出這些參數。
對於儲存，應將裝置置於-35°C至+85°C的指定溫度範圍內，並在低濕度環境中存放。建議在元件的保存期限內使用，並在處理過程中遵循標準的ESD（靜電放電）預防措施，以保護敏感的半導體接面。
6. 應用建議與設計考量
6.1 典型應用電路
LTP-2157AKD需要外部驅動電路。常見的設計使用具有足夠I/O引腳的微控制器或專用的LED顯示器驅動IC（如MAX7219或類似產品）。驅動器必須實現多工掃描：它依序啟動7行陽極線中的每一行，同時為該特定行提供列陰極數據。刷新率必須足夠高（通常>100Hz）以避免可見的閃爍。每條列線（或整合到驅動器中）必須使用限流電阻，以將順向電流設定為所需值（例如，典型亮度為20mA）。電阻值的計算公式為 R = (Vcc - Vf - Vdriver_sat) / If，其中 Vcc 是電源電壓，Vf 是LED順向電壓（最大值約2.6V），Vdriver_sat 是驅動器的飽和電壓，If 是所需的順向電流。
6.2 設計考量
- 電源供應：確保電源能夠提供所需的峰值電流。每行最多可能點亮5列，每點峰值電流高達20mA，單一行可能消耗100mA。電源必須能夠處理這種脈衝負載。
- 散熱：雖然單個點的最大功耗僅為40mW，但多個點連續運作可能產生顯著的熱量。如果在高環境溫度或最大額定值下操作，請確保有足夠的通風或散熱措施。
- 視角與對比度：灰色面板/白色點狀設計提供了良好的熄滅狀態對比度。安裝顯示器時，請考慮預期的視角；LED亮度通常在軸向上最高。
- 軟體：微控制器韌體需要包含字型映射（定義每個字符5x7圖案的查找表）和多工掃描常式。
7. 技術比較與差異化
此顯示器的主要區別在於其使用了AlInGaP超紅光LED技術。與舊式的GaAsP（磷化鎵砷）紅光LED相比，AlInGaP提供了顯著更高的發光效率，從而在相同驅動電流下實現更高的亮度，或在較低功率下實現等效的亮度。它還提供了更好的色純度以及在溫度和時間上的穩定性。
與簡單的7段顯示器相比，5x7點矩陣提供了更大的靈活性，能夠顯示完整的字母數字字符集（A-Z、0-9、符號），甚至簡單的圖形，而7段顯示器主要限於數字和少數字母。權衡取捨在於硬體（更多驅動引腳）和軟體（字符生成）的複雜性增加。
8. 基於技術參數的常見問題
問：我可以用恆定直流電流驅動此顯示器而不進行多工掃描嗎？
答：技術上可以，但效率極低，不建議這樣做。以20mA同時驅動所有35個點將需要700mA的電流消耗並產生大量熱量。多工掃描是標準且預期的方法，可降低功耗和引腳數量。
問：峰值發射波長（650nm）和主波長（639nm）有什麼區別？
答：峰值波長是光譜輸出中強度最大的點。主波長是人眼看來具有相同顏色的單色光波長。之所以會產生差異，是因為LED發出的是一個光譜範圍（寬20nm）的光，而不是單一的純波長。
問：引腳圖顯示第3列有兩個引腳，第4行有兩個引腳。我需要連接兩者嗎？
答：不需要，這些引腳在內部是相連的。連接其中任何一個就足夠了。這種內部連接是為了簡化晶片鍵合的製造工藝。連接兩者不會造成損害，但沒有必要。
問：如何計算平均功耗？
答：對於多工掃描顯示器，平均電流大約為（完全點亮字符中亮點數 / 總點數）* 每點電流 * 佔空比。例如，對於一個使用24個亮點、每點20mA、佔空比為1/7（7行）的字符：平均電流 ≈ (24/35) * 20mA * (1/7) ≈ 2mA 每字符。乘以字符數量即為總負載。
9. 實際應用案例分析
情境：為工業烤箱設計一個簡單的單字符溫度讀數顯示。
需求是顯示0到199°C的溫度。微控制器讀取溫度感測器。使用一個LTP-2157AKD顯示器。微控制器的引腳有限，因此它使用串列輸入/並列輸出的移位暫存器（如74HC595）來驅動5列陰極，並使用其自身的7個I/O引腳透過電晶體開關來驅動行陽極（以處理較高的行電流）。
韌體包含數字0-9和度符號的5x7字型。多工掃描常式在計時器中斷中執行。顯示器顯示穩定、明亮的紅色數字，在工廠環境中可從數英尺外讀取。顯示器的寬廣操作溫度範圍（-35°C至+85°C）確保了可靠性，即使烤箱控制器的外部外殼變熱。灰色面板的高對比度防止了在明亮的工業照明下顯示模糊。
10. 技術原理與趨勢
10.1 底層技術原理
光的產生基於半導體p-n接面的電致發光。當施加順向電壓時，來自n型AlInGaP層的電子與來自p型層的電洞復合。此復合事件以光子（光）的形式釋放能量。AlInGaP材料的特定能帶隙決定了發射光子的波長（顏色），在本例中為約650nm的紅光。不透明的GaAs基板吸收任何向下發射的光，透過將更多光反射出裝置頂部來提高整體效率。5x7陣列是透過在共同基板上沉積並圖案化多個微小的LED晶片或單一圖案化晶粒來創建的，並具有互連的陽極和陰極線。
10.2 產業趨勢
雖然像LTP-2157AKD這樣的離散式5x7點矩陣顯示器在特定的成本敏感應用中仍然具有相關性，但更廣泛的產業趨勢正朝著整合解決方案發展。這些包括：
- 表面黏著元件(SMD)陣列：更小的佔位面積，更容易自動化組裝。
- 整合控制器/驅動器的顯示器：具有內建控制器的模組，透過SPI或I2C通訊，大幅減輕微控制器的資源負擔。
- 更高解析度和色彩：朝著更精細點距的矩陣和全彩RGB顯示器發展，以實現更詳細的圖形。
- 替代技術：在某些應用中，OLED（有機發光二極體）顯示器提供了卓越的對比度和視角，儘管通常成本更高且具有不同的壽命特性。
像這樣的離散式LED點矩陣的持久優勢在於其極高的穩健性、長壽命、高亮度、簡單性以及對於單色字符顯示任務的低成本，確保了它們在工業和嵌入式系統中的持續使用。
LED規格術語詳解
LED技術術語完整解釋
一、光電性能核心指標
| 術語 | 單位/表示 | 通俗解釋 | 為什麼重要 |
|---|---|---|---|
| 光效（Luminous Efficacy） | lm/W（流明/瓦） | 每瓦電能發出的光通量，越高越節能。 | 直接決定燈具的能效等級與電費成本。 |
| 光通量（Luminous Flux） | lm（流明） | 光源發出的總光量，俗稱"亮度"。 | 決定燈具夠不夠亮。 |
| 發光角度（Viewing Angle） | °（度），如120° | 光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。 | 影響光照範圍與均勻度。 |
| 色溫（CCT） | K（開爾文），如2700K/6500K | 光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。 | 決定照明氛圍與適用場景。 |
| 顯色指數（CRI / Ra） | 無單位，0–100 | 光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。 | 影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。 |
| 色容差（SDCM） | 麥克亞當橢圓步數，如"5-step" | 顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。 | 保證同一批燈具顏色無差異。 |
| 主波長（Dominant Wavelength） | nm（奈米），如620nm（紅） | 彩色LED顏色對應的波長值。 | 決定紅、黃、綠等單色LED的色相。 |
| 光譜分佈（Spectral Distribution） | 波長 vs. 強度曲線 | 顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。 | 影響顯色性與顏色品質。 |
二、電氣參數
| 術語 | 符號 | 通俗解釋 | 設計注意事項 |
|---|---|---|---|
| 順向電壓（Forward Voltage） | Vf | LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。 | 驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。 |
| 順向電流（Forward Current） | If | 使LED正常發光的電流值。 | 常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。 |
| 最大脈衝電流（Pulse Current） | Ifp | 短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。 | 脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。 |
| 反向電壓（Reverse Voltage） | Vr | LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。 | 電路中需防止反接或電壓衝擊。 |
| 熱阻（Thermal Resistance） | Rth（°C/W） | 熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。 | 高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。 |
| 靜電放電耐受（ESD Immunity） | V（HBM），如1000V | 抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。 | 生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。 |
三、熱管理與可靠性
| 術語 | 關鍵指標 | 通俗解釋 | 影響 |
|---|---|---|---|
| 結溫（Junction Temperature） | Tj（°C） | LED晶片內部的實際工作溫度。 | 每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。 |
| 光衰（Lumen Depreciation） | L70 / L80（小時） | 亮度降至初始值70%或80%所需時間。 | 直接定義LED的"使用壽命"。 |
| 流明維持率（Lumen Maintenance） | %（如70%） | 使用一段時間後剩餘亮度的百分比。 | 表徵長期使用後的亮度保持能力。 |
| 色漂移（Color Shift） | Δu′v′ 或 麥克亞當橢圓 | 使用過程中顏色的變化程度。 | 影響照明場景的顏色一致性。 |
| 熱老化（Thermal Aging） | 材料性能下降 | 因長期高溫導致的封裝材料劣化。 | 可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。 |
四、封裝與材料
| 術語 | 常見類型 | 通俗解釋 | 特點與應用 |
|---|---|---|---|
| 封裝類型 | EMC、PPA、陶瓷 | 保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。 | EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。 |
| 晶片結構 | 正裝、倒裝（Flip Chip） | 晶片電極佈置方式。 | 倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。 |
| 螢光粉塗層 | YAG、矽酸鹽、氮化物 | 覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。 | 不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。 |
| 透鏡/光學設計 | 平面、微透鏡、全反射 | 封裝表面的光學結構，控制光線分佈。 | 決定發光角度與配光曲線。 |
五、質量控制與分檔
| 術語 | 分檔內容 | 通俗解釋 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 光通量分檔 | 代碼如 2G、2H | 按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。 | 確保同一批產品亮度一致。 |
| 電壓分檔 | 代碼如 6W、6X | 按順向電壓範圍分組。 | 便於驅動電源匹配，提高系統效率。 |
| 色區分檔 | 5-step MacAdam橢圓 | 按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。 | 保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。 |
| 色溫分檔 | 2700K、3000K等 | 按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。 | 滿足不同場景的色溫需求。 |
六、測試與認證
| 術語 | 標準/測試 | 通俗解釋 | 意義 |
|---|---|---|---|
| LM-80 | 流明維持測試 | 在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。 | 用於推算LED壽命（結合TM-21）。 |
| TM-21 | 壽命推演標準 | 基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。 | 提供科學的壽命預測。 |
| IESNA標準 | 照明工程學會標準 | 涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。 | 行業公認的測試依據。 |
| RoHS / REACH | 環保認證 | 確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。 | 進入國際市場的准入條件。 |
| ENERGY STAR / DLC | 能效認證 | 針對照明產品的能效與性能認證。 | 常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。 |