LTS-5601AJG 0.56英吋七段式LED顯示器規格書 - 字高14.22mm - 綠色AlInGaP - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTS-5601AJG是一款高效能、單一位數、七段式字母數字顯示模組。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字母字元顯示。其核心技術基於磷化鋁銦鎵 (AlInGaP) 半導體材料，該材料專為在綠黃光譜範圍內實現高效率發光而設計。此元件為共陽極配置，意即所有LED段的陽極在內部連接至共用的接腳，從而簡化了電流驅動電路。顯示器配備灰色面板，可增強對比度，並透過減少反射來改善在各種環境光照條件下的可讀性。各段本身發出獨特的綠色光，此顏色因其高發光效率及對人眼極佳的視覺可見度而被選用。本產品專為需要可靠、長壽命且節能的數值指示應用而設計。

1.1 核心優勢與目標市場

此顯示器具備多項關鍵優勢，使其適用於廣泛的工業與消費性應用。其低功耗需求是一大優點，便於整合至電池供電或注重能源效率的系統中。高亮度與高對比度確保即使在明亮環境下仍清晰可讀。寬廣的視角提供從不同角度觀看時一致的視覺性能，這對於面板儀表與儀器設備至關重要。LED技術的固態可靠性，無活動零件且對衝擊和振動具有高耐受性，確保了長久的運作壽命。此元件亦針對發光強度進行分類，意味著產品經過分級與測試以符合特定的亮度標準，保證了生產批次中的性能一致性。此元件的目標市場包括測試與量測設備、工業控制面板、醫療裝置、汽車儀表板（用於售後或輔助顯示）、消費性電器，以及任何需要耐用且清晰數值讀數的電子系統。

2. 技術參數深度解析

本節針對規格書中指定的關鍵電氣、光學及熱參數提供詳細、客觀的分析。理解這些數值對於正確的電路設計以及確保顯示器在其安全與最佳性能範圍內運作至關重要。

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。它們並非用於正常操作。

• 每段功耗：70 mW。這是在無損壞風險下，單一段能轉換為熱（和光）的最大電功率。超過此值，特別是持續超過，可能導致過熱、光通量加速衰減，最終導致故障。
• 每段峰值順向電流：60 mA (於1/10工作週期，0.1ms脈衝寬度)。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，適用於多工方案或高亮顯示。指定的工作週期與脈衝寬度至關重要；平均電流仍須符合連續額定值。
• 每段連續順向電流：25 mA (於25°C)。這是建議用於段穩態連續點亮的最大電流。規格書指定了在超過25°C時，降額因子為0.33 mA/°C。這意味著若環境溫度 (Ta) 升高，最大允許連續電流必須線性降低以防止過熱。例如，在50°C時，最大電流將為 25 mA - (0.33 mA/°C * 25°C) = 16.75 mA。
• 每段逆向電壓：5 V。LED具有較低的逆向崩潰電壓。施加超過5V的逆向偏壓可能導致逆向電流突然增加，可能損壞PN接面。
• 工作與儲存溫度範圍：-35°C 至 +85°C。此元件額定可在此寬廣溫度範圍內運作與儲存，使其適用於嚴苛環境。
• 焊接溫度：260°C 持續3秒，測量點位於安裝平面下方1/16英吋 (≈1.6mm) 處。此定義了迴流焊接溫度曲線，以避免組裝過程中對LED晶片造成熱損傷。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在特定測試條件下（通常為Ta=25°C）量測，並定義了元件的典型性能。

• 平均發光強度 (I_V)：320 μcd (最小值)，900 μcd (典型值) 於 I_F=1mA。這是衡量單一段所發出之感知光功率的指標。寬廣的範圍（最小值到典型值）顯示了製造過程中的自然變異；設計人員應使用最小值進行最壞情況的亮度計算。1mA的測試電流是用於表徵亮度效率的標準低電流條件。
• 峰值發射波長 (λ_p)：571 nm (典型值) 於 I_F=20mA。這是發射光的光譜功率分佈達到最大值的波長。571 nm位於可見光譜的綠黃色區域。
• 光譜線半高寬 (Δλ)：15 nm (典型值)。這表示發射光的光譜純度或頻寬。15 nm的值相對較窄，是AlInGaP LED的特性，從而產生飽和的綠色光。
• 主波長 (λ_d)：572 nm (典型值)。這是人眼感知到、最能匹配該光顏色的單一波長。在此情況下，它非常接近峰值波長。
• 每段順向電壓 (V_F)：2.05V (最小值)，2.6V (典型值) 於 I_F=20mA。這是LED段在運作時的跨壓。對於設計限流電路至關重要。驅動器電源電壓必須高於 V_F。典型的2.6V高於標準GaAsP紅色LED，但低於許多藍色/白色LED。
• 每段逆向電流 (I_R)：100 μA (最大值) 於 V_R=5V。這是施加最大逆向電壓時的漏電流。
• 發光強度匹配比 (I_V-m)：2:1 (最大值)。此規定了在相同驅動條件下 (I_F=1mA)，單一元件內最亮段與最暗段之間的最大允許比率。2:1的比率確保了外觀上的合理均勻性。

3. 分級系統說明

規格書指出本產品已針對發光強度進行分類。這指的是生產後的一種分選流程，稱為分級。製造完成後，個別顯示器會經過測試，並根據關鍵參數被分選到不同的性能組別（級別）。對於LTS-5601AJG而言，主要的分級特性是其於標準測試電流（可能為1mA或20mA）下的發光強度。這確保客戶能獲得亮度水準一致的產品。雖然規格書提供了完整的最小值/典型值範圍，但生產批次通常會提供在更嚴格的亮度區間內。設計人員應查閱具體的採購文件或向製造商諮詢可用的分級代碼。對於需要並排使用多個顯示器的應用，一致的分級至關重要，可防止單元之間出現明顯的亮度差異。

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。這些曲線以視覺化方式呈現關鍵參數之間的關係，提供比單點數據更深入的洞察。

4.1 順向電流 vs. 順向電壓 (I-V曲線)

此基本曲線顯示了流經LED的電流與其跨壓之間的指數關係。它以圖形方式說明了順向電壓 (V_F) 規格。曲線將顯示一個膝點電壓（約2V），之後電流會隨著電壓的微小增加而迅速增加。這突顯了為何LED必須由限流源驅動，而非電壓源，以防止熱失控。

4.2 發光強度 vs. 順向電流

此曲線顯示光輸出如何隨驅動電流增加。對於AlInGaP LED，在廣泛的電流範圍內，關係大致呈線性，但在極高電流下，由於效率下降（熱產生增加）最終會轉為次線性。此曲線有助於設計人員選擇工作電流，以在平衡效率與壽命的同時達到所需亮度。

4.3 發光強度 vs. 環境溫度

此曲線描繪了光輸出的熱依賴性。隨著LED接面溫度升高，其發光強度通常會降低。此曲線的斜率量化了亮度的熱降額。這對於在高溫環境下運作的設計至關重要，因為顯示器在室溫下可能看起來比預期更暗。

4.4 相對強度 vs. 波長 (光譜)

此圖繪製了光譜功率分佈，顯示了每個波長發射的光強度。它將以571-572 nm的峰值/主波長為中心，形狀由15 nm的半高寬定義。此曲線確認了LED的顏色特性。

5. 機械與封裝資訊

此元件附有詳細的封裝尺寸圖（文中提及但未詳述）。關鍵機械特性包括0.56英吋（14.22 mm）的字高，這是中大型數位顯示器的標準尺寸。封裝為穿孔型（DIP - 雙列直插式封裝），具有10個接腳，間距為0.1英吋（2.54 mm），這是便於PCB安裝與手動原型製作的常見標準。灰色面板與綠色段是封裝設計的一部分。描述中的右側小數點註記說明了小數點相對於數字的位置。右側小數點是大多數數位顯示器的標準。內部電路圖顯示了共陽極連接：接腳3和8在內部連接在一起，作為所有段的共陽極，而接腳1、2、4、5、6、7、9和10分別是段E、D、C、DP、B、A、F和G的個別陰極。此配置最適合與微控制器進行多工驅動，其中共陽極被依序驅動（提供電源），而陰極則透過限流電阻接地以點亮特定段。

6. 焊接與組裝指南

正確的處理對於維持可靠性至關重要。絕對最大額定值規定了焊接溫度為260°C持續3秒，測量點位於安裝平面下方1.6mm處。這符合標準無鉛迴流焊接溫度曲線（例如IPC/JEDEC J-STD-020）。在波峰焊或手工焊接過程中，必須注意盡量減少總熱暴露時間，以防止損壞LED晶片、焊線或塑膠封裝。建議在手工焊接時於引腳上使用散熱片。避免對封裝或引腳施加機械應力。應在指定的-35°C至+85°C溫度範圍內，於乾燥、防靜電的環境中儲存，以防止吸濕（這可能在迴流焊時導致爆米花現象）和材料劣化。

7. 應用建議

7.1 典型應用電路

對於像LTS-5601AJG這樣的共陽極顯示器，最常見的驅動方法是多工掃描。在多工電路中，共陽極接腳（3和8）連接到NPN電晶體（或N通道MOSFET）的集極（或汲極），該電晶體作為高側開關。射極/源極連接到正電源 (Vcc)。基極/閘極由微控制器GPIO接腳控制。每個段陰極接腳連接到一個限流電阻，然後再連接到由微控制器控制的第二個電晶體或專用LED驅動IC（配置為電流沉）。微控制器快速循環，一次點亮一位數字的陽極電晶體，同時為該數字設定適當的陰極圖案。視覺暫留效應使所有數字看起來持續點亮。每段通常使用10-20 mA的順向電流，電阻計算公式為 R = (Vcc - V_F- V_CE(sat)) / I_F。對於5V電源，V_F=2.6V，且 V_CE(sat)=0.2V，目標 I_F=15mA，則 R = (5 - 2.6 - 0.2) / 0.015 ≈ 147 Ω（使用150 Ω）。

7.2 設計考量

• 電流限制：務必使用串聯電阻或恆流驅動器。切勿將LED直接連接到電壓源。
• 多工掃描頻率：使用足夠高的刷新率以避免可見閃爍，通常每位數 >60 Hz。對於4位數多工，掃描速率應 >240 Hz。
• 多工掃描中的峰值電流：由於每位數字僅在部分時間點亮（對於N位數字，工作週期 = 1/N），每段的瞬時電流可以設定得高於連續直流額定值，以達到所需的平均亮度，但不得超過峰值順向電流額定值。例如，在4位數多工（1/4工作週期）中，要達到相當於10mA直流的平均亮度，您可以使用40mA的脈衝驅動，這在60mA的峰值額定值範圍內。
• 視角：考慮其寬廣的視角來放置顯示器，以確保最終使用者的可讀性。
• 靜電防護：雖然未明確標示為敏感元件，但建議對所有半導體元件在處理和組裝時採取標準的ESD預防措施。

8. 技術比較與差異化

LTS-5601AJG主要透過其使用的AlInGaP技術實現差異化。與用於紅色和黃色LED的舊技術（如標準GaAsP）相比，AlInGaP提供了顯著更高的發光效率，從而在相同輸入電流下實現更亮的顯示器，或在更低功率下實現同等亮度。它還提供了更好的溫度穩定性和色彩飽和度。與GaP綠色LED相比，AlInGaP綠色通常具有更純正的綠色（波長更短）和更高的效率。與現代InGaN藍色/綠色/白色LED相比，AlInGaP在紅-琥珀-黃-綠光譜範圍內通常更有效率，但無法產生藍光或白光。對於純綠色的數位顯示器，AlInGaP代表了一種高效能、成熟的技術選擇。其共陽極配置對於基於微控制器的系統也是一個實用的優勢，因為它簡化了驅動電路的供電側。

9. 常見問題 (基於參數)

9.1 為何有兩個共陽極接腳 (3和8)？

這兩個接腳在內部是連接的。此設計有多重目的：1) 為封裝提供對稱性和機械穩定性。2) 允許更好的電流分佈，降低單一接腳的電流密度，這對於高亮度應用有益。3) 為PCB佈局提供靈活性；設計人員可以選擇將一個或兩個接腳連接到驅動電路。

9.2 我可以用3.3V微控制器系統驅動此顯示器嗎？

可以，但需要謹慎設計。典型順向電壓 (2.6V) 低於3.3V，因此是可行的。然而，對於簡單的串聯電阻來說，電壓餘裕 (3.3V - 2.6V = 0.7V) 很低。這個小的壓差意味著 V_F或電源電壓的微小變化將導致電流大幅變化。為了穩定運作，最好使用專用的恆流LED驅動IC或基於電晶體的電流源，它們可以在低餘裕電壓下工作，而不是使用簡單的電阻。

9.3 如何計算顯示器的總功耗？

對於所有段和小數點都點亮的靜態（非多工）顯示器：功率 = 點亮段數 * I_F* V_F。對於8段（7段+DP），在 I_F=20mA 且 V_F=2.6V 時，P = 8 * 0.02 * 2.6 = 0.416 W。在多工應用中，平均功率是每個點亮段的功率隨時間的平均值。對於一次只點亮一位數字的4位數多工，每段的平均電流為 I_F/ 4。

10. 實務設計案例研究

情境：使用微控制器設計一個簡單的4位數電壓表顯示器。

實作：使用四個LTS-5601AJG顯示器。每位數字的共陽極透過NPN電晶體（例如2N3904）連接到四個獨立的GPIO接腳。來自所有四個顯示器的八個段陰極（A-G和DP）連接在一起，然後透過150Ω限流電阻連接到另外八個GPIO接腳。微控制器使用其ADC量測電壓，將其轉換為十進位數字，並提取四位數。然後進入一個連續循環：關閉所有陽極電晶體，設定數字1數值的陰極圖案，開啟數字1的陽極電晶體，等待短時間（約2ms），然後對數字2、3和4重複此過程。此循環以超過100 Hz的速率重複，使顯示器看起來穩定點亮。亮度由限流電阻的值和/或每位數字週期內的工作週期（點亮時間）控制。

11. 工作原理

LTS-5601AJG基於半導體PN接面中的電致發光原理。其主動區由生長在不透明的GaAs基板上的AlInGaP層組成。當施加超過接面內建電位的順向偏壓（陽極相對於陰極為正）時，來自N型材料的電子和來自P型材料的電洞被注入主動區。在那裡，它們復合，以光子的形式釋放能量。AlInGaP合金的特定成分決定了能隙能量，進而決定了發射光的波長（顏色）——在此情況下為綠色（約572 nm）。不透明的基板有助於將發射光向外反射，提高了整體的光取出效率。灰色面板濾光片吸收環境光，透過減少底層材料的反射來增加對比度。

12. 技術趨勢

AlInGaP技術是一種成熟且高度優化的解決方案，適用於高效率的紅色、琥珀色和純綠色LED。此類指示器顯示技術的當前趨勢包括持續推動更高的發光效率（每瓦更多流明），以實現更低的功耗和更少的熱產生。封裝技術也在持續發展，以允許更高的最大驅動電流和更好的熱管理，從而實現更亮的顯示器。此外，整合是一個關鍵趨勢；雖然離散式七段顯示器因其簡單性和成本效益而仍然流行，但整合了驅動IC、微控制器介面（如I2C或SPI），有時甚至包含字元產生器的整合顯示模組市場正在成長，這簡化了終端工程師的設計流程。然而，對於需要客製化、高亮度或特定機械外形的應用，像LTS-5601AJG這樣的離散元件仍然是至關重要且可靠的選擇。