LTD-5023AJR 0.56英吋 AlInGaP 超紅光 LED 顯示器規格書 - 字高14.22mm - 順向電壓2.6V - 功耗70mW - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTD-5023AJR 是一款高效能、低功耗的七段式 LED 顯示模組。其主要功能是為需要數位讀數的電子設備提供清晰、明亮的數字及有限的英數字元輸出。其核心技術基於 AlInGaP（磷化鋁銦鎵）半導體材料，專為產生高效率、高可靠性的超紅光而設計。

本裝置屬於共陰極類型，意指每個數字的所有 LED 陰極在內部連接在一起。此配置簡化了驅動電路，特別適用於多工掃描應用。每個數字配有一個右側小數點，允許靈活的數值表示。此顯示器採用固態結構，在抗震性、使用壽命和電源效率方面，相較於真空螢光或白熾燈等舊技術具有優勢。

2. 技術規格詳解

2.1 光度學與光學特性

光學性能是此顯示器功能的核心。主要顏色定義為超紅光，由 AlInGaP 晶片實現。在環境溫度 25°C 下量測的關鍵光學參數包括：

• 平均發光強度 (I_V):當每個段以極低的順向電流 (I_F) 1mA 驅動時，範圍從最小值 320 µcd 到典型最大值 700 µcd。此低電流下的高亮度是一項重要特性。
• 峰值發射波長 (λ_p):典型值為 639 奈米 (nm)。這定義了發射光譜中最高強度的特定點。
• 主波長 (λ_d):典型值為 631 nm。這是人眼感知的波長，對於顏色規格至關重要。
• 譜線半高寬 (Δλ):約為 20 nm。此參數表示光譜純度或發射光譜帶的窄度。
• 發光強度匹配比 (I_V-m):在 I_F=1mA 時，最大值為 2:1。這確保了同一數字內不同段之間的亮度均勻性，對於一致的視覺外觀至關重要。

所有發光強度量測均使用校準至 CIE 明視覺響應曲線的感測器和濾光片組合進行，確保數據與人眼視覺相關。

2.2 電氣特性與絕對最大額定值

遵守這些額定值對於可靠操作和防止裝置永久損壞至關重要。

• 每段連續順向電流:絕對最大值為 25 mA。當環境溫度 (T_A) 高於 25°C 時，適用 0.33 mA/°C 的線性降額因子。
• 每段峰值順向電流:最大值為 90 mA，但僅限於佔空比 1/10、脈衝寬度 0.1ms 的脈衝條件下。這允許在短時間內過驅動，以在多工掃描系統中實現更高的峰值亮度。
• 每段功耗:最大值為 70 mW。此限制與順向電流額定值結合，決定了工作條件下最大允許的順向電壓。
• 每段逆向電壓:最大值為 5 伏特。超過此值可能損壞 LED 接面。
• 每段順向電壓 (V_F):典型值為 2.6V，在測試電流 (I_F) 20mA 時最大值為 2.6V。最小值列為 2V。
• 每段逆向電流 (I_R):當施加逆向電壓 (V_R) 5V 時，最大值為 100 µA。

2.3 熱與環境規格

• 工作溫度範圍:-35°C 至 +85°C。此寬廣範圍使顯示器適用於各種環境條件，從工業控制到消費性電子產品。
• 儲存溫度範圍:-35°C 至 +85°C。
• 焊接溫度:本裝置可承受 260°C 的焊接溫度達 3 秒，量測點位於安裝平面下方 1/16 英吋（約 1.6mm）處。這與標準無鉛迴焊製程相容。

3. 分級與分類系統

規格書明確指出本裝置根據發光強度進行分類。這表示生產過程中有分級程序，顯示器會根據其在標準測試電流（可能為 1mA 或 20mA）下量測的光輸出進行分類。分級由最小值和/或典型強度值（例如 320-700 µcd 範圍）定義。這讓設計師能為其應用選擇亮度一致的元件，確保產品中多個單元的外觀均勻。雖然此特定文件未詳細說明，但類似裝置通常也會對順向電壓 (V_F) 和主波長 (λ_d) 進行分級，以保證電氣和顏色的一致性。

4. 性能曲線分析

規格書參考了典型電氣/光學特性曲線。雖然文中未提供具體圖表，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):顯示指數關係，對於設計限流電路至關重要。膝點電壓約在典型 V_F值 2.6V 附近。
• 發光強度 vs. 順向電流 (I-L 曲線):展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。它突顯了低電流（1mA）下的高效率。
• 發光強度 vs. 環境溫度:顯示光輸出隨接面溫度升高而下降，對於高溫或高功率應用很重要。
• 光譜分佈曲線:相對強度對波長的圖，中心位於 631-639 nm 區域，並具有指定的 20 nm 半高寬。

5. 機械與封裝資訊

5.1 實體尺寸

顯示器的數字高度為 0.56 英吋（14.22 mm）。參考了封裝尺寸圖，所有尺寸均以毫米為單位，標準公差為 ±0.25mm，除非另有說明。實體封裝內含兩個完整的七段數字及其各自的小數點。

5.2 接腳連接與內部電路

本裝置採用 18 接腳配置。接腳定義明確：

• 接腳 1-12, 15-18: 數字 1 和數字 2 各個段（A-G, DP）的陽極連接。
• 接腳 13 和 14: 分別為數字 2 和數字 1 的共陰極。

內部電路圖顯示了共陰極配置：給定數字的所有 LED 共用一個共陰極接腳，而每個段（及小數點）都有自己獨立的陽極接腳。這是共陰極多數字顯示器的標準配置。

6. 焊接與組裝指南

提供的主要組裝規格是焊接溫度曲線：在安裝平面下方 1.6mm 處，260°C 持續 3 秒。這符合 IPC/JEDEC 表面黏著裝置迴焊標準。最佳實務包括：

• 使用可控的迴焊爐，其溫度曲線能適當升溫至峰值溫度並冷卻，以最小化熱應力。
• 避免直接對 LED 封裝進行手工焊接，以防止過熱並損壞半導體晶片或塑膠透鏡。
• 確保顯示器在組裝前儲存在乾燥環境中，以防止吸濕，這可能導致迴焊過程中的爆米花現象。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

此顯示器非常適合需要清晰、低功耗數字讀數的應用：

• 測試與量測設備:三用電錶、頻率計數器、電源供應器。
• 工業控制:面板儀錶、製程指示器、計時器顯示。
• 消費性電子產品:音響設備（擴大機、接收器）、廚房電器、時鐘。
• 汽車改裝市場:儀錶和診斷工具（在環境規格合適的情況下）。

7.2 設計考量

• 電流限制:LED 是電流驅動裝置。每個陽極接腳必須透過一個串聯的限流電阻驅動。電阻值計算為 R = (V_電源- V_F) / I_F。使用典型 V_F值 2.6V 和期望的 I_F值 5-10mA 以獲得良好亮度是常見做法。
• 多工掃描:對於多數字顯示器，使用多工掃描以較少的驅動接腳控制多個段。這涉及在每個數字的共陰極之間快速循環供電，同時點亮相應的段。LTD-5023AJR 的共陰極設計非常適合此應用。峰值電流額定值（90mA）允許在短暫的多工掃描脈衝期間使用更高的瞬時電流，以實現與較低連續電流相當的平均亮度。
• 微控制器介面:通常需要 GPIO 接腳或專用的 LED 驅動 IC（如移位暫存器或恆流驅動器）來控制陽極，並使用一個電晶體（NPN 或 N 通道 MOSFET）在多工掃描期間從每個共陰極接腳吸收電流。
• 視角:規格書提到寬廣視角，這對於顯示器可能從非軸向位置觀看的應用非常有益。

8. 技術比較與差異化

LTD-5023AJR 透過以下幾個關鍵特性與眾不同：

• AlInGaP 技術:與舊的 GaAsP 或 GaP LED 相比，AlInGaP 提供顯著更高的發光效率，特別是在紅/橙/琥珀色光譜中，從而在較低電流下產生更亮的輸出。
• 低電流操作:針對優異的低電流特性（低至每段 1mA）進行了明確的測試和篩選，使其在電池供電或對能源敏感的應用中表現優異，其中每一毫安培都很重要。
• 段匹配:保證發光強度匹配比（最大 2:1）確保了視覺一致性，這在低階顯示器中並非總是能保證。
• 對比度:淺灰色面板和白色段顏色，結合高亮度，造就了出色的字元外觀和高對比度，易於閱讀。

9. 常見問題（基於技術參數）

問：我可以直接從 5V 微控制器接腳驅動此顯示器嗎？

答：不行。您必須在每個陽極串聯一個限流電阻。對於 5V 電源和目標電流 10mA，電阻值約為 (5V - 2.6V) / 0.01A = 240 歐姆。

問：峰值波長和主波長有什麼區別？

答：峰值波長是 LED 能量輸出最高的物理點。主波長是人眼對顏色的單一波長感知，兩者可能略有不同。提供兩者是為了完整的光學規格。

問：如何獨立使用兩個數字？

答：您可以透過它們獨立的共陰極接腳（數字 1 為接腳 14，數字 2 為接腳 13）來控制它們。通過將一個陰極設為低電位（接地）而將另一個保持高電位（斷開），您可以選擇哪個數字被啟動。然後，對您希望點亮的那個數字的段施加電壓到相應的陽極接腳。

問：此顯示器適合戶外使用嗎？

答：其工作溫度範圍（-35°C 至 +85°C）相當穩健。然而，規格書未指定防塵防水等級（IP 等級）。對於戶外使用，可能需要額外的保護蓋或外殼。

10. 實務設計與使用範例

情境：使用微控制器設計一個簡單的 2 位數電壓錶讀數。

1. 硬體連接:將顯示器的 18 個接腳連接到微控制器系統。兩個共陰極接腳（13, 14）連接到兩個 NPN 電晶體（例如 2N3904），電晶體集極接陰極，射極接地，基極透過基極電阻連接到微控制器 GPIO 接腳。16 個陽極接腳（兩個數字的段 A-G 和 DP）連接到微控制器的 16 個 GPIO 接腳，每個都透過一個 220-330 歐姆的限流電阻。
2. 軟體邏輯（多工掃描）:韌體每隔幾毫秒執行一次計時器中斷。在中斷服務常式中：
   • 關閉兩個陰極驅動電晶體（將 GPIO 設為高電位）。
   • 設定對應於需要點亮的段的陽極接腳 GPIO，用於數字 1.
   • 開啟數字 1 的陰極電晶體（將 GPIO 設為低電位）。
   • 等待短暫時間（例如 1-5ms）。
   • 關閉數字 1 的陰極。
   • 設定對應於需要點亮的段的陽極接腳 GPIO，用於數字 2.
   • 開啟數字 2 的 cathode.
   • 陰極電晶體。等待短暫時間。
   • 重複。人眼會將這種快速切換感知為兩個數字持續點亮。
3. 電流計算:如果每個數字點亮時間佔 50%（50% 佔空比），並且您希望平均段電流為 5mA，則應將其點亮期間的瞬時電流設定為 10mA。電阻值將使用此 10mA 數值計算。

11. 工作原理

本裝置基於半導體 P-N 接面的電致發光原理運作。當施加超過接面內建電位（AlInGaP 約為 2.0-2.6V）的順向電壓時，來自 N 型材料的電子在主動區與來自 P 型材料的電洞復合。此復合事件以光子（光）的形式釋放能量。AlInGaP 晶體結構的特定成分決定了能隙能量，這直接決定了發射光的波長（顏色）——在本例中為紅色光譜（631-639 nm）。七個段是排列成8字形的獨立 LED 晶片。通過選擇性地為這些段的不同組合供電，可以形成數字 0-9 和一些字母。

12. 技術趨勢與背景

此產品代表了 LED 顯示技術中一個成熟且高度優化的領域。AlInGaP 是用於高效能紅、橙、琥珀色 LED 的成熟材料系統。當前顯示技術的趨勢正朝著更高密度、全彩色的解決方案發展，例如用於複雜圖形的 OLED 和 micro-LED。然而，在優先考慮極高可靠性、長使用壽命（通常超過 100,000 小時）、低成本、高亮度、介面簡單以及在各種照明條件下優異可讀性的應用中，七段式 LED 顯示器仍然是不可替代的。該領域的發展重點在於進一步提高效率（每瓦流明）、改善對比度，以及為超低功耗物聯網裝置實現更低的驅動電流，確保這項技術在可預見的未來在工業、儀器儀錶和特定消費性應用中持續保持相關性。