LTS-5701AJF 0.56英吋黃橙色七段式LED顯示器規格書 - 字元高度14.22mm - 順向電壓2.6V - 功耗70mW - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTS-5701AJF是一款高效能、單一位數的七段式LED顯示模組。其主要功能是在電子設備中提供清晰、明亮的數字及有限的英數字元顯示。其核心技術基於磷化鋁銦鎵（AlInGaP）半導體材料，此材料專為發射黃橙色光譜而設計。相較於舊式技術如標準磷化鎵（GaP），此材料系統以其高效率與卓越亮度而聞名。本裝置採用帶有白色段標記的灰色面板，這顯著提升了在各種照明條件下的對比度與可讀性。其設計為共陽極配置，這簡化了許多以微控制器為基礎的應用中的電路設計，因為在這些應用中提供電流（灌電流）通常更為直接。

1.1 主要特性與優勢

此顯示器提供多項顯著優勢，使其適用於廣泛的應用：

• 最佳字元尺寸：字元高度為0.56英吋（14.22毫米），在保持緊湊佔位面積的同時，提供了優異的遠距離可見度。
• 卓越的光學性能：使用AlInGaP晶片可實現高亮度與高對比度。連續且均勻的發光段確保了字符外觀的一致性和美觀性，無暗點或不規則現象。
• 寬廣視角：其設計允許從廣泛的角度清晰可見，這對於面板儀表、儀器設備和消費性電子產品至關重要。
• 低功耗操作：它僅需相對較低的順向電流即可達到良好的發光強度，使其具有高能源效率，並適用於電池供電裝置。
• 增強可靠性：作為固態元件，與機械式或真空螢光顯示器相比，它具有高可靠性、長使用壽命以及抗衝擊和振動的能力。
• 品質保證：元件會根據發光強度進行分類（分級），確保不同生產批次的亮度一致性，以實現均勻的面板外觀。

2. 深入技術參數分析

本節對規格書中指定的電氣和光學參數提供詳細、客觀的解讀。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對元件造成永久損壞的應力極限。不保證在這些極限下或超過這些極限的操作，可靠的設計應避免此類情況。

• 每段功耗（70 mW）：這是在連續操作下，單一LED發光段能夠安全地以熱量形式消散的最大功率。超過此限制可能導致半導體接面過熱，從而加速老化或造成災難性故障。
• 每段峰值順向電流（60 mA，1/10工作週期，0.1ms脈衝）：此額定值允許使用較高電流的短脈衝來實現亮度的瞬間峰值，例如在多工顯示或用於高亮顯示時。嚴格的工作週期和脈衝寬度限制至關重要；平均電流仍必須符合連續額定值。
• 每段連續順向電流（25 mA）：單一發光段在穩態、非脈衝操作下的建議最大電流。當環境溫度（Ta）超過25°C時，指定了0.33 mA/°C的線性降額因子。這意味著如果環境溫度上升到50°C，最大允許連續電流將為：25 mA - ((50°C - 25°C) * 0.33 mA/°C) = 25 mA - 8.25 mA =16.75 mA.
• 每段逆向電壓（5 V）：可以施加在LED發光段上的逆向偏壓方向的最大電壓。超過此值可能導致崩潰並損壞PN接面。如果可能出現逆向電壓暫態，適當的電路設計應包含保護措施。
• 操作與儲存溫度範圍（-35°C 至 +85°C）：定義了可靠操作和非操作儲存的環境極限。
• 焊接溫度（260°C，持續3秒）：為波焊或迴焊製程提供指導，指定在特定點（距離安裝平面下方1/16英吋，約1.59毫米）在有限時間內的最高溫度，以防止損壞塑膠封裝和內部打線。

2.2 電氣與光學特性（於Ta=25°C時）

這些是在指定測試條件下的典型性能參數。它們用於設計計算和性能預期。

• 平均發光強度（I_V）：在I_F=1mA時為320-900 μcd。這是人眼感知亮度的度量。寬廣的範圍（最小值：320，典型值：900）表示存在分級過程。設計師必須使用最小值進行最壞情況下的亮度計算，以確保在所有條件下的可見度。
• 峰值發射波長（λ_p）：在I_F=20mA時為611 nm（典型值）。這是光譜輸出最強的波長，落在可見光譜的黃橙色區域內。
• 主波長（λ_d）：在I_F=20mA時為605 nm（典型值）。這是人眼感知到的、與發射光顏色最匹配的單一波長。它通常略低於峰值波長，這對於光譜較寬的LED來說很常見。
• 光譜線半高寬（Δλ）：在I_F=20mA時為17 nm（典型值）。此參數表示顏色純度。17 nm的值屬於中等寬度，產生飽和但非單色的黃橙色光。
• 每段順向電壓（V_F）：在I_F=20mA時為2.05V（最小值），2.6V（典型值）。這是LED工作時的壓降。對於計算限流電阻值至關重要：R = (V_電源- V_F) / I_F。使用典型值或最大值可確保電流不超過所需水平。
• 每段逆向電流（I_R）：在V_R=5V時為100 μA（最大值）。這是當LED在其最大額定值內被逆向偏壓時流過的微小漏電流。
• 發光強度匹配比（I_V-m）：2:1（最大值）。此規格定義了同一數字內不同發光段之間，或多位數顯示器中不同數字之間允許的最大亮度變化。2:1的比率意味著最亮的發光段亮度不得超過最暗發光段的兩倍，以確保外觀均勻。

3. 分級系統說明

規格書指出元件根據發光強度分類。這指的是製造後的分級或篩選過程。

• 發光強度分級：由於半導體磊晶生長和晶片製造過程中的自然變異，LED的光輸出可能有所不同。生產後，元件會根據其在標準測試電流（例如1mA）下測得的發光強度進行測試並分類到不同的等級中。指定的320至900 μcd範圍可能涵蓋了多個等級。對於需要嚴格亮度匹配的應用，製造商可能會提供特定的等級代碼。
• 順向電壓篩選：雖然未明確提及作為分級參數，但給出的V_F範圍（2.05V至2.6V）是典型的。對於極大量產或敏感的設計，元件也可以根據順向電壓進行篩選，以確保整個顯示器的功耗和熱特性一致。

4. 性能曲線分析

雖然提供的規格書摘錄提到了典型電氣/光學特性曲線，但具體圖表並未包含在文本中。根據標準LED行為，這些曲線通常會說明以下關係，對於理解元件在非標準條件下的性能至關重要：

• 順向電流 vs. 順向電壓（I-V曲線）：顯示指數關係。曲線會隨溫度變化；對於給定電流，V_F會隨著接面溫度升高而降低。
• 發光強度 vs. 順向電流：通常在較低電流下顯示近乎線性的關係，在極高電流下可能出現飽和或效率下降。此圖表用於根據所需亮度水平選擇工作電流。
• 發光強度 vs. 環境溫度：展示光輸出如何隨著環境（進而接面）溫度升高而減少。這對於在高溫環境中運行的設計至關重要。
• 光譜分佈：相對強度與波長的關係圖，顯示峰值約在611 nm，半高寬約為17 nm，定義了確切的顏色特性。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸與接腳定義

本裝置採用標準的10接腳、單一位數、七段式LED顯示器封裝。規格書提供了詳細的尺寸圖（此處未重現），所有關鍵尺寸均以毫米為單位。主要特徵包括整體高度、寬度和深度、數字視窗尺寸、引腳間距以及安裝平面。除非另有說明，公差通常為±0.25毫米。接腳連接定義明確：

1. 接腳 1: 陰極 E
2. 接腳 2: 陰極 D
3. 接腳 3: 共陽極
4. 接腳 4: 陰極 C
5. 接腳 5: 陰極 D.P. （小數點）
6. 接腳 6: 陰極 B
7. 接腳 7: 陰極 A
8. 接腳 8: 共陽極
9. 接腳 9: 陰極 F
10. 接腳 10: 陰極 G

內部電路圖顯示，所有發光段LED（A-G和DP）的陽極在內部連接在一起，並連接到兩個共陽極接腳（3和8），這兩個接腳在內部也是相連的。這種共陽極設計意味著要點亮一個發光段，必須將其對應的陰極接腳驅動為低電位（接地或較低電壓），同時陽極接腳通過限流電阻保持正電壓。

6. 焊接與組裝指南

絕對最大額定值中指定了焊接條件：260°C持續3秒，測量點位於安裝平面下方1/16英吋（約1.59毫米）處。這是波焊的標準參考。對於迴焊，採用峰值溫度不超過260°C的標準無鉛製程曲線是合適的。避免過度的熱應力至關重要，否則可能導致環氧樹脂封裝破裂、損壞內部晶片黏著或破壞連接晶片與引腳的細微打線。建議進行預熱以減少熱衝擊。焊接後，應讓元件逐漸冷卻。對於儲存，應保持在-35°C至+85°C的乾燥、無冷凝環境中，以保持可焊性並防止吸濕（這可能在迴焊過程中導致爆米花現象）。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

LTS-5701AJF非常適合需要清晰、可靠數字讀數的應用：

• 測試與量測設備：數位萬用電錶、頻率計數器、電源供應器、感測器讀數顯示。
• 工業控制：用於溫度、壓力、流量、轉速和製程變數顯示的面板儀表。
• 消費性電子產品：時鐘、計時器、廚房家電顯示器、音響設備電平表。
• 汽車改裝市場：用於輔助系統的儀表和顯示器（由於溫度和可靠性認證要求，不適用於主要儀表）。
• 醫療設備：非關鍵監測設備上的簡單參數顯示（需符合相關法規認證）。

7.2 設計考量與電路實作

• 電流限制：必須在共陽極或每個陰極上串聯一個電阻，以將順向電流限制在安全值內（例如10-20 mA）。電阻值使用電源電壓（V_CC）、LED順向電壓（V_F）和所需電流（I_F）計算：R = (V_CC- V_F) / I_F。為了進行保守設計以確保電流絕不超過目標值，請使用規格書中的最大V_F值。
• 多工掃描：對於多位數顯示器，幾乎總是使用多工掃描技術來最小化驅動微控制器的接腳數量。這涉及以快速序列一次點亮一位數字。視覺暫留效應使顯示器看起來持續點亮。進行多工掃描時，每段的峰值電流可以更高（在60mA脈衝額定值內），以補償降低的工作週期並維持平均亮度。設計必須確保每段的平均電流和功耗在連續極限內。
• 微控制器驅動：共陽極顯示器很容易由配置為開汲極或開集極輸出（將電流灌入地）的微控制器埠接腳驅動。或者，可以使用專用的LED驅動IC或電晶體陣列（例如ULN2003）來獲得更高的電流能力或更簡單的邏輯。
• 視角與安裝：在設計面板開孔和安裝深度時，應考慮預期使用者的視角，以充分利用顯示器的寬廣視角。

8. 技術比較與差異化

LTS-5701AJF的主要區別在於其使用AlInGaP材料來產生黃橙色光。與舊式的GaP黃色LED相比，AlInGaP提供了顯著更高的發光效率，從而在相同電流下實現更亮的顯示，或在較低功率下達到同等亮度。與紅色的GaAsP或AllnGaP LED相比，它提供了一種獨特的顏色，在某些環境光條件下可能更易於閱讀，並且可能更適合特定的美學或功能性顏色編碼要求。0.56英吋的數字尺寸使其成為儀表板中的常見類別，在尺寸和可讀性之間取得了良好的平衡。

9. 常見問題（基於技術參數）

Q1：使用5V電源以15mA驅動一個發光段時，應使用多大的電阻值？

A1：為了安全設計，使用最大V_F值2.6V：R = (5V - 2.6V) / 0.015A = 2.4V / 0.015A = 160 Ω。最接近的標準值150 Ω或180 Ω將是合適的。務必在電路中驗證實際亮度和電流。

Q2：我可以將兩個共陽極接腳連接在一起嗎？

A2：可以，接腳3和8在內部是相連的。在PCB上將它們連接在一起是標準做法，有助於分配電流，可能改善亮度均勻性。

Q3：如何顯示數字7？

A3：要顯示7，您需要點亮A、B和C段。因此，在共陽極配置下，對共陽極施加正電壓（通過限流電阻），並將A（接腳7）、B（接腳6）和C（接腳4）的陰極接腳連接到地（低邏輯電位）。

Q4：為什麼最大連續電流在超過25°C時需要降額？

A4：功耗限制是固定的。隨著環境溫度升高，LED接面與環境空氣之間的溫差（熱梯度）減小，使得散熱更加困難。為了防止接面溫度超過其安全極限，允許的功率（以及給定V_F下的電流）必須降低。

10. 實務設計範例

情境：設計一個4位數的電壓表顯示器。

使用一個I/O接腳有限的微控制器。四個LTS-5701AJF顯示器以多工掃描配置連接。所有四個數字的發光段陰極（A-G，DP）並聯連接。每個數字的共陽極接腳由微控制器接腳驅動的獨立NPN電晶體控制。微控制器使用計時器中斷，每2-5毫秒循環掃描各個數字。它計算當前掃描數字的段資料，並輸出到一個通過限流電阻連接到共陰極的埠。為了在1/4工作週期下保持良好的亮度，其有效時間內的峰值段電流可能設定為25-30 mA（遠低於60mA脈衝額定值），從而導致每段的平均電流約為6-7.5 mA，這是安全的並提供充足的亮度。如果設備預期在炎熱環境中運行，設計必須包含降額計算。

11. 技術原理介紹

LTS-5701AJF基於III-V族半導體化合物——磷化鋁銦鎵（Al_xIn_yGa_1-x-yP）。這些元素的特定比例決定了材料的能隙能量，這直接決定了發射光的波長（顏色）。在本例中，材料的組成經過設計，其能隙對應於黃橙色光子（約605-611 nm）。當順向電壓施加在PN接面兩端時，電子和電洞被注入主動區域。它們以輻射方式復合，以光的形式釋放能量。使用不透明的GaAs基板有助於吸收雜散光，提高對比度。灰色面板和白色發光段由帶有擴散顏料的模壓環氧樹脂製成，這有助於將光均勻地分散到每個發光段，並增強與未點亮背景的對比度。

12. 技術趨勢

雖然分立式七段顯示器在許多應用中仍然具有相關性，但顯示技術的總體趨勢是朝向整合性和靈活性發展。這包括：

整合化：帶有內建驅動IC（例如具有SPI/I2C介面）的多位數模組變得越來越普遍，簡化了與微控制器的介面。

材料：雖然AlInGaP對於紅-橙-黃色光效率很高，但像InGaN（用於藍/綠/白光）這樣的新材料提供了更高的效率。混合顯示器或全彩可定址LED矩陣在顯示更複雜資訊方面越來越受歡迎。

外形尺寸：業界不斷追求更薄的封裝、更高的亮度以實現陽光下可讀性，以及針對便攜式裝置的更低功耗。然而，像LTS-5701AJF這樣的標準七段式LED的基本簡單性、堅固性和成本效益，確保了它們在需要簡單數字輸出的廣泛應用中持續被使用。