LTS-5701AKF LED顯示器規格書 - 0.56英吋字高 - 黃橙色 - 2.6V順向電壓 - 70mW功耗 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTS-5701AKF是一款單一位數、七段式字母數字顯示器，專為需要清晰、明亮的數字或有限字母數字指示的應用而設計。其核心功能是透過選擇性點亮其段（A至G以及小數點）來形成字元，以提供視覺輸出。該元件採用磷化鋁銦鎵（AlInGaP）半導體技術製造，該技術生長在砷化鎵（GaAs）基板上。選擇此材料系統是因為其在產生高亮度黃橙色光方面的高效率。顯示器配備灰色面板，可減少環境光反射以增強對比度，並在未點亮時提供白色段輪廓以確保清晰的字元定義。它被歸類為共陽極型，意味著所有LED段的陽極在內部連接，簡化了典型微控制器驅動電路中的電流源供應。

1.1 核心優勢與目標市場

此顯示器的主要優勢源於其AlInGaP結構與設計。它提供高發光強度和出色的對比度，即使在光線充足的環境中也能確保可讀性。寬視角是顯示器可能從不同位置觀看的應用中的關鍵功能。其固態可靠性，無活動部件且結構堅固的半導體構造，帶來長使用壽命以及抗衝擊和振動的能力。低功耗需求使其適用於電池供電或注重能源效率的設備。這些功能的組合鎖定了包括工業儀表（例如面板儀表、計時器、計數器）、消費性家電（例如微波爐、咖啡機）、汽車儀表板（用於輔助顯示器）、測試與測量設備，以及任何需要簡單、可靠數字讀數的嵌入式系統等市場。

2. 深入技術參數分析

本節對規格書中指定的關鍵電氣與光學參數提供詳細、客觀的解釋，說明其對設計工程師的重要性。

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。它們不是正常運作的條件。

• 每段功耗（70 mW）：這是在無損壞風險下，單一段可以轉換為熱（和光）的最大電功率。超過此限制（通常是施加過高電流或順向電壓）可能導致過熱、加速老化（流明衰減）或災難性故障。
• 每段峰值順向電流（60 mA，佔空比1/10，0.1ms脈衝）：此額定值允許比連續額定值更高的短暫電流脈衝。這對於多工方案或實現瞬間更高亮度很有用。指定的佔空比和脈衝寬度至關重要；在60mA下超出這些脈衝條件運作是不安全的。
• 每段連續順向電流（25 mA）：在指定的環境溫度條件下，可以無限期施加到一段的最大直流電流。規格書提供了在25°C以上每°C 0.33 mA的降額因子。例如，在環境溫度（Ta）為85°C時，最大允許連續電流將為：25 mA - [(85°C - 25°C) * 0.33 mA/°C] = 25 mA - 19.8 mA =5.2 mA。此降額對於熱管理至關重要。
• 每段逆向電壓（5 V）：在不導致崩潰的情況下，可以施加在逆向方向（陰極相對於陽極為正）的最大電壓。超過此值可能損壞LED的PN接面。
• 工作與儲存溫度範圍（-35°C 至 +85°C）：定義了可靠運作與非運作儲存的環境限制。

2.2 電氣與光學特性

這些是在特定測試條件下（除非註明，否則Ta=25°C）測量的典型性能參數。

• 平均發光強度（I_V）：最小值：800 µcd，典型值：1667 µcd（在I_F=1mA時）。這是衡量點亮段感知亮度的指標。寬範圍表示存在分級系統（見第3節）。設計師必須使用最小值進行最壞情況的亮度計算。
• 每段順向電壓（V_F）：典型值：2.05V，最大值：2.6V（在I_F=20mA時）。這是LED在導通指定電流時的壓降。對於計算所需的限流電阻值至關重要：R = (V_電源- V_F) / I_F。使用最大V_F可確保足夠的電壓餘裕。
• 峰值發射波長（λ_p）：661 nm。這是LED光譜輸出達到最大值時的波長。對於AlInGaP黃橙色LED，這通常落在光譜的琥珀色/紅橙色部分。
• 主波長（λ_d）：605 nm。這是人眼感知到的、與LED光色相匹配的單一波長。對於顏色規格而言，這是比峰值波長更相關的參數。
• 譜線半高寬（Δλ）：17 nm。這表示發射光的光譜純度或頻寬。較小的值意味著更單色（純色）的輸出。
• 每段逆向電流（I_R）：最大值：100 µA（在V_R=5V時）。這是當LED在其最大額定值內被逆向偏壓時流動的小漏電流。
• 發光強度匹配比：2:1（最大值）。這規定了單一數位內或多位數系統中數位之間最亮段與最暗段之間的最大允許比率。2:1的比率意味著最亮段不能比最暗段亮超過兩倍，確保外觀均勻。

3. 分級系統說明

規格書指出此元件已針對發光強度進行分類。這意味著在製造後有一個分級或篩選的過程。由於半導體磊晶生長與晶片製造的固有差異，LED在關鍵參數上會呈現變異。為了確保終端使用者的一致性，製造商會測試並將LED分級（binning）成特性相近的群組。

發光強度分級：平均發光強度給出的寬範圍（800至1667 µcd）表明元件被分到不同的強度等級。LTS-5701AKF的採購訂單可能會指定特定的強度等級代碼（例如，最低強度等級），以保證應用達到一定的亮度水平。設計師應查閱製造商的詳細分級文件以了解可用的代碼。

波長/顏色分級：雖然除了605 nm的典型值外，未明確提供主波長的最小/典型/最大範圍，但AlInGaP元件通常也會針對顏色（主波長或色度座標）進行分級，以確保顯示器中所有段與數位元的一致性。超出指定等級的變異在視覺上會呈現為不同深淺的黃橙色。

4. 性能曲線分析

規格書提及典型電氣/光學特性曲線。雖然文中未提供具體圖表，但我們可以推斷其標準內容與重要性。

順向電流 vs. 順向電壓（I_F-V_F曲線）：此非線性曲線顯示V_F如何隨I_F增加。它展示了二極體典型的指數關係。此曲線的膝點大約在典型V_F（2.05V-2.6V）附近。此圖對於理解LED的動態電阻以及設計高效的驅動電路至關重要，尤其是在使用PWM進行調光時。

發光強度 vs. 順向電流（I_V-I_F曲線）：此曲線顯示在正常工作範圍內，光輸出大致與順向電流成正比。然而，效率（每瓦流明）通常在低於最大額定值的電流下達到峰值。以極高電流驅動LED會導致熱飽和並降低效率。

發光強度 vs. 環境溫度（I_V-T_a曲線）：對於AlInGaP LED，發光強度通常隨著接面溫度升高而降低。此曲線量化了這種降額，對於在高環境溫度下運行的應用至關重要。它直接與絕對最大額定值中指定的電流降額因子相關。

相對強度 vs. 波長（光譜分佈曲線）：此鐘形曲線將顯示在整個光譜範圍內發射的光強度，以峰值波長（661 nm）為中心，寬度由半高寬（17 nm）定義。它確認了LED的顏色特性。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸與圖面

該元件採用標準10接腳、單一位數、七段式LED封裝。規格書中的關鍵尺寸註記包括：所有尺寸均以毫米為單位，除非另有說明，否則一般公差為±0.25mm。針對接腳尖端偏移給出了特定公差：+/- 0.4 mm，這對於PCB焊盤設計以確保正確對齊和可焊性非常重要。高度、寬度、字高（14.22mm）、段尺寸和接腳間距的確切尺寸在封裝圖面中定義（文中提及但未詳細說明）。工程師必須取得完整的機械圖面以進行準確的PCB佈局。

5.2 接腳連接與極性識別

接腳定義明確：

• 接腳3和8：共陽極（CA）。這些在內部連接，必須連接到正電源電壓。
• 接腳1, 2, 4, 5, 6, 7, 9, 10：分別對應段E, D, C, DP（小數點）, B, A, F, G的陰極。這些接腳透過一個限流電阻連接到地（或電流吸收端）以點亮相應的段。

5.3 內部電路圖

所引用的圖表將顯示內部電氣連接：八個獨立的LED晶片（七個段加上小數點），每個的陽極連接到共陽極接腳（3和8），其陰極連接到各自的專用接腳。這證實了共陽極拓撲結構。

6. 焊接與組裝指南

規格書提供了特定的焊接條件：在260°C下，於安裝平面下方1/16英吋處持續3秒。這是波峰焊接規格。這意味著接腳可以浸入焊錫波中，深度約在顯示器塑膠本體下方1.6mm（1/16英吋）處，最長3秒，焊錫槽溫度為260°C。這可以防止過多熱量沿著接腳傳遞並損壞內部LED晶片或塑膠封裝。

重要考量：

• 迴流焊接：如果使用迴流焊接（SMT常見，但這是通孔元件），必須仔細控制溫度曲線。組裝過程中元件的最高溫度額定值不得超過。通常應將本體峰值溫度保持在最高儲存溫度（85°C）以下，或按照製造商提供的更具體的迴流曲線進行。
• 清潔：焊接後，僅使用與顯示器塑膠材料相容的清潔劑，以避免開裂或霧化。
• 處理：避免對接腳施加機械應力。在處理和組裝過程中採取適當的ESD（靜電放電）預防措施。
• 儲存：在指定的溫度範圍（-35°C至+85°C）內，於低濕度、防靜電的環境中儲存。

7. 應用建議與設計考量

7.1 典型應用電路

最常見的驅動方法是多工掃描，尤其是對於多位數顯示器。由於它是共陽極顯示器，陽極（接腳3和8）將連接到微控制器的I/O接腳，這些接腳配置為輸出並設為高電位（或連接到用作高側開關的電晶體）。所有段（A-G, DP）的陰極將連接到電流吸收驅動器，這些驅動器可以是分立電晶體、專用LED驅動IC（如帶有恆定電流的74HC595移位暫存器或MAX7219），或具有足夠吸收能力的微控制器接腳。每個陰極路徑都需要串聯一個限流電阻（或者如果每個數位的電流被調節，則每個共陽極使用一個電阻）。電阻值計算為：R = (V_電源- V_F- V_CE(sat)或 V_壓降) / I_F。為安全設計，請使用最大V_F。

7.2 設計考量

• 電流限制：始終使用限流電阻或恆流驅動器。切勿將LED直接連接到電壓源。
• 多工掃描頻率：對於多工顯示器，使用足夠高的刷新率以避免可見閃爍（通常每位數>60 Hz）。佔空比決定了平均電流。對於N位數，每段的峰值電流可以達到所需平均電流的N倍，但不得超過峰值電流額定值（在指定條件下為60mA）。
• 視角：考慮其寬視角來放置顯示器，以確保終端使用者的可見性。
• 對比度增強：灰色面板有幫助，但在高環境光條件下，考慮添加對比濾光片或遮光罩。
• 熱管理：在高環境溫度下遵守電流降額規則。如果在密閉空間中使用多個顯示器，請確保通風良好。

8. 技術比較與差異化

與其他七段式顯示器技術相比：

• 與標準GaAsP或GaP LED（紅色、綠色）相比：AlInGaP提供顯著更高的發光效率（每mA更多的光輸出）和更好的溫度穩定性，從而實現更亮且性能更一致的顯示器。
• 與LCD相比：LED是自發光的（產生自己的光），使其在黑暗中無需背光即可清晰可見，而反射式LCD需要環境光。LED還具有更快的響應時間和更寬的工作溫度範圍。然而，對於靜態顯示，LCD通常消耗的功率要少得多。
• 與VFD（真空螢光顯示器）相比：VFD可以提供高亮度和寬視角，但需要相對較高的驅動電壓且更脆弱。LED更堅固，需要較低的電壓，並且具有更長的使用壽命。
• 在AlInGaP顯示器內部：LTS-5701AKF以其特定的0.56英吋字高、黃橙色、共陽極配置、右側小數點以及其分類（分級）的發光強度而與眾不同，確保了專業應用的一定品質和一致性。

9. 常見問題（基於技術參數）

Q1：如果我使用I/O接腳的電流限制，是否可以在沒有限流電阻的情況下用5V微控制器驅動此顯示器？
A：不行。僅依賴微控制器的內部接腳電流限制對於LED來說既不安全也不可靠。接腳限制是為了保護，而不是為了設定精確的工作點。LED的順向電壓約為2.1-2.6V。將其直接連接到5V接腳將試圖迫使非常高的電流，可能損壞微控制器接腳和LED。必須使用外部限流電阻。

Q2：為什麼有兩個共陽極接腳（3和8）？
A：這是改善電流分佈和可靠性的常見設計實踐。所有點亮段的總電流流入共陽極。並聯兩個接腳可以減少每個單獨接腳和內部鍵合線上的電流負載和熱應力，從而延長使用壽命並允許更高的整體亮度。

Q3：發光強度是在1mA下給出的，但順向電壓是在20mA下給出的。我應該使用哪個進行設計？
A：兩者都用，但用於不同的計算。使用V_F@ 20mA（或您選擇的工作電流）來計算串聯電阻值。使用I_V與I_F的關係（來自特性曲線）來估計在您選擇的工作電流下的亮度。1mA的I_V值是為了比較和分級的標準化測試點。

Q4：無鉛封裝（符合RoHS）是什麼意思？
A：這意味著用於構建元件的材料，包括接腳上的焊錫鍍層，符合有害物質限制（RoHS）指令。具體來說，它表示鉛（Pb）、汞、鎘、六價鉻以及某些阻燃劑（PBB, PBDE）的含量未超過允許水平。這對於大多數全球市場的環境合規性很重要。

10. 實務設計與使用範例

範例1：簡單的4位數電壓表顯示器。可以使用四個LTS-5701AKF數位來顯示0.000至19.99V的電壓。帶有ADC的微控制器將測量電壓。顯示器將被多工掃描：微控制器將計算每個數位要點亮哪些段，並在驅動活動數位段的共享陰極線的同時，快速循環掃描四個共陽極。必須注意根據多工掃描佔空比來限制每段的峰值電流（例如，1/4佔空比 = 峰值電流可以是所需平均亮度電流的4倍）。

範例2：工業計時器/計數器。在工廠環境中，設備可能會計算生產線上的物品數量。LTS-5701AKF的高亮度和寬視角使其適合操作員從遠處查看計數。其堅固的固態結構可承受振動。設計需要確保顯示器在工廠照明條件下可讀，可能需要遮陽罩。

11. 技術原理介紹

LTS-5701AKF基於磷化鋁銦鎵（Al_xIn_yGa_1-x-yP）半導體技術。這是一種III-V族化合物半導體，其中鋁（Al）、銦（In）和鎵（Ga）的相對比例決定了材料的能隙能量。能隙能量直接決定了當電子在接面處與電洞復合時發射的光的波長（顏色）。AlInGaP在產生光譜中黃色、橙色、琥珀色和紅色區域的光方面特別高效。磊晶層生長在砷化鎵（GaAs）基板上。當施加超過接面內建電位的順向電壓時，電子被注入P區，電洞被注入N區。它們在主動區的復合以光子（光）的形式釋放能量。灰色面板吸收環境光以提高對比度，而白色段輪廓則為未點亮的段提供參考。

12. 技術趨勢與發展

雖然像LTS-5701AKF這樣的傳統七段式LED顯示器因其簡單性、可靠性和成本效益而在特定應用中仍然高度相關，但顯示技術的更廣泛趨勢是顯而易見的。總體趨勢是朝著更高整合度和可定址性發展。這包括提供完整字母數字和圖形功能的點矩陣LED顯示器和OLED的普及。整合驅動解決方案（如I2C或SPI控制的LED驅動晶片）正在成為標準，簡化了微控制器介面。在材料方面，雖然AlInGaP在其顏色範圍內已經成熟且高效，但研究仍在繼續改進效率（每瓦流明）、顯色性以及溫度和使用壽命期間的穩定性。對於需要極簡、堅固和特定數字輸出的利基應用，分立式七段顯示器將繼續是一個可行且通常是最佳的解決方案。此類元件的趨勢是朝著更低的功耗、更高的亮度效率以及可能更小的外形尺寸發展，同時保持可讀性。