LTD-5221AJF LED顯示器規格書 - 0.56英吋字高 - AlInGaP黃橙色 - 2.6V順向電壓 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTD-5221AJF是一款高效能七段式字母數字顯示模組，專為需要清晰、明亮且低功耗數值讀數的應用而設計。其主要功能是為數位儀器、消費性電子產品和工業控制面板提供高度易讀的顯示。

此元件的核心優勢在於其LED晶片採用了磷化鋁銦鎵（AlInGaP）半導體材料。此材料系統以其在紅光至黃橙色光譜中的高發光效率和優異色彩純度而聞名。顯示器具有淺灰色面板和白色段碼顏色，有助於提高對比度，即使在各種環境光照條件下，字符也易於辨讀。

此顯示器歸類為低電流元件，特別針對低驅動電流下的最佳效能進行測試和篩選。其設計旨在提供優異的字符外觀、高亮度和寬廣視角，確保從多個角度都能清晰可見。固態結構提供了固有的可靠性和長使用壽命，使其適用於耐用性至關重要的應用。

1.1 核心功能與目標應用

定義此產品的關鍵功能包括0.56英吋（14.22 mm）的字高，在尺寸和可讀性之間取得了良好平衡。段碼連續且均勻，提供了乾淨專業的美感。其低功耗需求對於電池供電或對能源敏感的設備來說是一大優勢。

此元件根據發光強度進行分類，意味著單元會根據其光輸出進行分級或篩選，從而確保單一產品中多個顯示器之間的亮度一致性。這對於多位數面板儀表或計分板等應用至關重要。

典型的目標市場和應用包括：可攜式測試設備、醫療設備、汽車儀表板（用於輔助顯示）、家電控制、銷售點終端機以及工業計時器/計數器顯示。其可靠性和效能使其成為消費級和專業級電子產品的首選。

2. 技術參數深度分析

LTD-5221AJF的電氣和光學特性是在環境溫度（TA）為25°C的標準測試條件下規定的。詳細理解這些參數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元件永久損壞的應力極限，不適用於正常操作。

• 每段功耗：70 mW。這是單個LED段碼在不會導致過熱的情況下可以安全消耗的最大功率。
• 每段峰值順向電流：90 mA。此電流僅允許在脈衝條件下（0.1ms脈衝寬度，1/10佔空比），例如在多工驅動方案中，以實現更高的瞬時亮度。
• 每段連續順向電流：25°C時為25 mA。當環境溫度超過25°C時，此電流以0.33 mA/°C的速率線性遞減。此降額對於熱管理至關重要。
• 每段逆向電壓：5 V。在逆向偏壓下超過此電壓可能會損壞LED的PN接面。
• 工作與儲存溫度範圍：-35°C 至 +85°C。此寬廣範圍確保了在惡劣環境下的功能性。
• 焊接溫度：此元件可承受在安裝平面下方1/16英吋（約1.6mm）處，260°C的焊接溫度持續3秒。

2.2 電氣與光學特性

這些參數描述了元件在正常工作條件下的性能。

• 平均發光強度（Iv）：在順向電流（IF）為1 mA時，範圍從320 μcd（最小值）到700 μcd（典型值）。此極低的驅動電流突顯了其高效率。強度是使用模擬人眼明視覺響應（CIE曲線）的濾光片測量的。
• 每段順向電壓（VF）：典型值為2.6 V，在IF=20 mA時最大值為2.6 V。最小值為2.05 V。此參數對於設計限流電路至關重要。
• 峰值發射波長（λp）：611 nm。這是發射光強度最高的波長，定義了黃橙色。
• 主波長（λd）：605 nm。這是人眼感知的波長，與色點密切相關。
• 譜線半高寬（Δλ）：17 nm。這表示色彩純度；寬度越窄，表示顏色越飽和、越純淨。
• 每段逆向電流（IR）：在逆向電壓（VR）為5V時，最大值為100 μA。
• 發光強度匹配比（Iv-m）：最大值為2:1。此規格規定了在相同驅動條件下（IF=1mA），單一數字內最亮段碼與最暗段碼之間的最大允許比率，確保均勻性。

3. 分級與分類系統

規格書明確指出此元件根據發光強度進行分類。這意味著存在一個分級過程。

3.1 發光強度分級

雖然本文件未提供具體的分級代碼，但實際操作涉及測試每個顯示器或每批LED，並根據其在標準測試電流（例如1mA或20mA）下測得的光輸出，將其分組（分級）。這使得製造商能夠購買具有保證最低亮度或在特定亮度範圍內的顯示器，確保在多數字顯示應用中所有數字的視覺一致性。當一致性是關鍵設計要求時，設計師必須查閱製造商的具體分級文件以獲取可用的代碼和規格。

4. 性能曲線分析

規格書參考了典型電氣/光學特性曲線，這些是理解元件在表格中單點數據之外行為的重要工具。

4.1 典型曲線解讀

雖然提供的文本中未呈現具體圖表，但此類元件的標準曲線通常包括：

• 順向電流 vs. 順向電壓（I-V曲線）：此非線性曲線顯示了LED兩端電壓與流經電流之間的關係。對於選擇適當的限流電阻或設計恆流驅動器至關重要。此曲線的膝點大約在典型的VF值附近。
• 發光強度 vs. 順向電流（I-L曲線）：此圖表顯示光輸出如何隨驅動電流增加。在一定範圍內通常是線性的，但在極高電流下可能會飽和。該曲線證實了在低電流下的高效率（如Iv的1mA測試點所示）。
• 發光強度 vs. 環境溫度：此曲線展示了光輸出的熱降額。隨著溫度升高，LED的效率降低，導致在相同驅動電流下發光強度降低。這強化了絕對最大額定值中指定的電流降額的重要性。
• 光譜分佈曲線：此圖表將顯示圍繞611 nm峰值在不同波長下發射光的相對強度，其寬度由17 nm半高寬參數定義。

設計師應使用這些曲線來預測在非標準條件下的性能，例如不同的驅動電流或工作溫度。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸與公差

元件的物理外觀和關鍵尺寸在圖紙中提供（有參考但未顯示）。所有尺寸均以毫米為單位，標準公差為±0.25 mm（0.01英吋），除非特定特徵註記另有說明。此資訊對於PCB佈局、確保正確設計佔位面積和開孔，以及機械整合到最終產品外殼中至關重要。

5.2 接腳連接與內部電路

LTD-5221AJF是一款兩位數、共陽極顯示器。內部電路圖和接腳連接表對於正確接線至關重要。

• 配置：共陽極。這意味著每個數字的所有LED陽極在內部連接在一起。要點亮一個段碼，必須將其對應的陰極接腳驅動為低電位（接地或連接至電流吸收端），同時該數字的共陽極驅動為高電位（透過限流電阻連接至VCC）。
• 接腳定義：此18接腳元件對數字1和數字2的段碼A-G及小數點（D.P.）的陰極，以及兩個共陽極接腳（每個數字一個）有特定的分配。接腳1標記為無連接（N.C.）。
• 小數點：規格書指定右側小數點，表示小數點相對於數字的位置。

這種共陽極配置在基於微控制器的系統中通常更受青睞，因為I/O接腳在吸收電流（驅動低電位）方面通常比提供電流（驅動高電位）表現更好。

6. 焊接與組裝指南

絕對最大額定值提供了關鍵的焊接參數：元件可承受在安裝平面下方1.6mm處測得的峰值溫度260°C持續3秒。這與典型的無鉛迴焊溫度曲線相符。

6.1 建議做法

• 迴焊：使用標準無鉛迴焊溫度曲線，峰值溫度不超過260°C。應控制高於液相線（例如217°C）的時間，以最小化對塑料封裝和內部接線的熱應力。
• 手工焊接：如果需要手工焊接，請使用溫控烙鐵。將熱量施加到PCB焊墊上，而不是直接施加到顯示器接腳，並限制接觸時間以防止過熱。
• 清潔：使用與顯示器塑料材料相容的清潔溶劑，以避免變色或劣化。
• 儲存：在規定的溫度範圍（-35°C至+85°C）內，儲存在乾燥、防靜電的環境中，以防止吸濕（這可能在迴焊過程中導致爆米花現象）和靜電放電損壞。

7. 應用設計考量

7.1 驅動電路設計

正確設計驅動電路對於性能和壽命至關重要。

• 限流：務必在每個共陽極串聯一個限流電阻（用於靜態驅動）或使用恆流驅動器。電阻值可以使用歐姆定律計算：R = (Vcc - VF) / IF。例如，Vcc為5V，VF為2.6V，期望的IF為10 mA：R = (5 - 2.6) / 0.01 = 240 Ω。
• 低電流操作：此元件的特性規格低至每段1mA。對於超低功耗應用，以1-2 mA驅動可以提供足夠的可見度，同時最大限度地降低功耗。
• 多工掃描：對於多位數顯示器，多工掃描是標準做法。這涉及依次啟用一個數字的共陽極，同時呈現該數字的段碼數據。峰值電流額定值（90 mA，1/10佔空比）允許更高的脈衝電流來補償降低的佔空比，以維持感知亮度。每段的平均電流仍必須遵守連續電流額定值。
• 微控制器介面：對於共陽極顯示器，連接到段碼陰極的微控制器接腳應配置為輸出。要開啟一個段碼，將對應的接腳設為LOW。要關閉它，將其設為HIGH（或如果可能，設為高阻抗）。共陽極接腳通常由能夠提供整個數字總電流的外部電晶體（例如PNP BJT或P通道MOSFET）驅動。

7.2 熱管理

雖然LED效率高，但仍會產生熱量。設計中必須考慮連續電流的0.33 mA/°C降額因子。如果顯示器預期在高環境溫度環境中運行（例如在密封外殼內或靠近其他熱源），則必須相應降低最大允許連續電流。如果以接近或達到最大額定電流驅動，請確保充分的通風或散熱。

8. 技術比較與差異化

LTD-5221AJF的主要差異化在於其材料技術和低電流優化。

• 與傳統GaAsP或GaP LED比較：AlInGaP技術提供了顯著更高的發光效率和更好的溫度穩定性，從而實現更明亮、顏色隨溫度和使用壽命更一致的顯示器。
• 與標準亮度LED比較：此元件特別針對低電流性能進行測試和篩選。許多標準七段顯示器的特性規格是在20mA下定義的；而此元件保證在1mA下的性能，使其在電池關鍵應用中表現更優異。
• 與藍/綠/白色LED顯示器比較：黃橙色（605-611 nm）提供了出色的可見度，並且在低光條件下，與較短波長的顏色相比，通常被認為對眼睛的負擔較小。與早期的藍色或白色LED相比，它通常也具有更高的發光效率。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

問：我可以不使用限流電阻，直接從3.3V微控制器接腳驅動此顯示器嗎？

答：不行。您必須始終使用限流機制（電阻或恆流驅動器）。即使Vcc（3.3V）接近VF（2.05-2.6V），沒有電阻將導致過量電流流過，可能損壞LED和微控制器接腳。

問：峰值發射波長和主波長有什麼區別？

答：峰值波長（λp=611nm）是發射光譜的物理峰值。主波長（λd=605nm）是純單色光的波長，該單色光在人眼觀察者看來與LED具有相同的顏色。它們通常很接近，但並不完全相同。

問：匹配比是2:1。這是否意味著一個段碼可能比另一個亮兩倍？

答：是的，此規格允許在相同測試條件下存在此最大變異。對於大多數應用，這種變異並不明顯到令人反感。如果需要極高的均勻性，請諮詢製造商以獲得更嚴格的分級選項，或考慮使用同一生產批次的顯示器。

問：我可以將此顯示器用於戶外應用嗎？

答：工作溫度範圍（-35°C至+85°C）支援許多戶外環境。然而，直接暴露在陽光和天氣下需要在PCB上塗覆保護塗層，並在顯示器上方加裝保護窗，以防止塑料紫外線劣化和濕氣侵入。淺灰色/白色面板的高對比度有助於在陽光下的可讀性。

10. 實務設計與使用範例

10.1 案例研究：可攜式萬用電錶顯示器

在手持式數位萬用電錶中，電源效率至關重要。LTD-5221AJF可以在多工掃描配置下以每段1-2 mA驅動。具有整合LED驅動段的微控制器可以高效控制2-4位數字。寬廣的視角允許使用者從各種角度讀取測量值，高對比度確保在昏暗的實驗室環境和較亮的環境中都能清晰可讀。低順向電壓也有助於在使用3V或4.5V電池供電時最大化電池壽命。

10.2 案例研究：工業計時器/計數器

對於面板安裝的工業計時器，可靠性和可見性是關鍵。LED顯示器的固態可靠性在抗衝擊/振動和使用壽命方面超越了真空螢光顯示器（VFD）等舊技術。AlInGaP材料的穩定性確保了顯示器顏色和亮度在多年連續運行中不會顯著偏移。共陽極配置簡化了與工業PLC數位輸出模組的介面，這些模組通常具有共地方案。

11. 技術原理介紹

LTD-5221AJF基於生長在非透明砷化鎵（GaAs）基板上的磷化鋁銦鎵（AlInGaP）半導體技術。此材料系統允許透過調整Al、In、Ga和P的比例來精確設計半導體的能隙。較大的能隙對應於較短波長（較高能量）的光發射。此處使用的成分創造了一個能隙，當電子在順向偏壓下跨越PN接面與電洞復合時，會產生黃橙色區域（約611 nm）的光子發射。

非透明GaAs基板意義重大。早期的紅色LED使用透明的GaP基板，但AlInGaP層與GaAs的晶格匹配更好。基板本身會吸收部分產生的光，但現代晶片設計在高階元件中使用分佈式布拉格反射器（DBR）或晶圓鍵合到透明基板（如GaP）等技術來提高光提取效率。此規格書提到非透明基板，表明這是一種標準的、具成本效益的晶片設計。

12. 技術趨勢與背景

雖然此特定規格書來自2000年，但基礎的AlInGaP技術由於其效率和顏色穩定性，對於紅、橙和黃色LED仍然高度相關。然而，更廣泛的顯示器領域已經演進。

• 整合趨勢：現代應用通常使用點矩陣OLED或LCD顯示器，以在顯示文字和圖形方面提供更大的靈活性。然而，對於簡單、高亮度、低成本且不需要客製化的數值讀數，七段式LED仍然無可匹敵。
• 效率提升：對AlInGaP材料和晶片設計（如薄膜覆晶設計）的持續研究不斷推動發光效率（流明每瓦）更高，允許在更低電流下實現更明亮的顯示器或減少熱量產生。
• 混色：對於全彩應用，紅色AlInGaP LED與氮化銦鎵（InGaN）藍色和綠色LED結合使用。像LTD-5221AJF這樣的黃橙色變體在單色應用中找到了其利基，這些應用需要其特定顏色和高效率。
• 驅動器整合：一個現代趨勢是將LED顯示器與驅動IC整合在單一封裝或模組中，簡化設計並減少元件數量，儘管單位成本可能更高。

總而言之，LTD-5221AJF代表了一種成熟、優化的解決方案，滿足特定且持久的應用需求：可靠、明亮、低功耗的數值顯示。