0.56英吋單一位數七段式LED顯示器規格書 - 14.22mm字高 - 綠色AlInGaP - 2.6V順向電壓 - 70mW功耗 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本元件為單一位數、七段式字母數字顯示器，專為需要清晰、明亮數字讀數的應用而設計。其主要功能是透過個別可控的段位，以視覺方式呈現數字0-9及部分字母。其核心技術基於磷化鋁銦鎵（AlInGaP）半導體材料，此材料專為在綠黃光譜範圍內實現高效率發光而設計。此材料系統生長在不透明的砷化鎵（GaAs）基板上，有助於管理光輸出與對比度。顯示器配備灰色面板，用以增強發光的綠色段位與背景之間的對比度，提升在不同光照條件下的可讀性。本元件根據其發光強度進行分類，確保在多個單元需要外觀均勻的關鍵應用中，亮度水平保持一致。

2. 深入技術參數分析

本節詳細解析元件在指定條件下的操作限制與性能特性。

2.1 絕對最大額定值

這些參數定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。為確保可靠、長期的性能，不建議在接近或達到這些極限的條件下操作。

• 每段功耗：70 mW。這是單一段位在無熱損壞風險下，可安全轉換為熱與光的最大功率。
• 每段峰值順向電流：60 mA。此額定值適用於脈衝條件下（1/10工作週期，0.1ms脈衝寬度）。允許短時間的高電流，以在多工或閃爍應用中實現極高亮度。
• 每段連續順向電流：25°C時為25 mA。當環境溫度（Ta）超過25°C時，此電流必須以0.33 mA/°C的速率線性降額，以防止過熱。
• 每段逆向電壓：5 V。在逆向偏壓方向超過此電壓可能導致接面崩潰。
• 操作與儲存溫度範圍：-35°C 至 +85°C。本元件適用於工業級溫度環境。
• 焊接溫度：本元件可承受在封裝安裝平面下方1/16英吋（約1.59 mm）處，溫度達260°C持續3秒的焊接溫度。

2.2 電氣與光學特性 (Ta=25°C)

這些是在標準測試條件下量測的典型性能參數，提供了元件在正常操作下的預期行為。

• 平均發光強度 (I_V)：在 I_F=1mA 時，320 μcd（最小值），900 μcd（典型值）。此參數量化了段位的感知亮度。寬廣的範圍表示存在針對強度的分級流程。
• 峰值發射波長 (λ_p)：在 I_F=20mA 時，571 nm（典型值）。這是光功率輸出達到最大值的波長，將發射光置於可見光譜的綠黃色區域。
• 譜線半高寬 (Δλ)：在 I_F=20mA 時，15 nm（典型值）。此參數描述發射光的光譜純度；半高寬越窄，表示顏色越接近單色光。
• 主波長 (λ_d)：在 I_F=20mA 時，572 nm（典型值）。這是人眼感知到、與發射光顏色最匹配的單一波長，與峰值波長密切相關。
• 每段順向電壓 (V_F)：在 I_F=20mA 時，2.05V（最小值），2.6V（典型值）。這是LED段位在導通指定電流時的跨壓。對於設計限流電路至關重要。
• 每段逆向電流 (I_R)：在 V_R=5V 時，100 μA（最大值）。這是段位處於逆向偏壓時流過的微小漏電流。
• 發光強度匹配比 (I_V-m)：在 I_F=1mA 時，2:1（典型值）。此比值定義了同一數字內不同段位或不同元件之間允許的最大亮度變化，確保視覺均勻性。

量測注意事項：發光強度是使用近似於CIE明視覺光度函數的感測器與濾光片組合進行量測，該函數模擬了標準人眼對不同波長的敏感度。

3. 分級系統說明

規格書指出此元件已根據發光強度進行分類。這意味著一個基於量測光輸出的分級或篩選流程。

• 發光強度分級：規格中標示的典型發光強度為900 μcd，最小值為320 μcd，這表示元件會在標準測試電流1mA下，根據其實際量測到的亮度進行測試與分組（分級）。這讓設計師能為其應用選擇亮度一致的元件，對於多數位顯示器而言至關重要，因為亮度不均會造成視覺干擾。
• 波長一致性：雖然未明確列為分級參數，但峰值發射波長（571 nm）與主波長（572 nm）的典型值範圍非常緊密，這顯示製造過程能產出高度一致的色彩輸出，這是AlInGaP材料系統的特性優勢。

4. 性能曲線分析

規格書提及典型電氣/光學特性曲線。雖然提供的文本中未詳述具體圖表，但此類元件的標準曲線通常包括：

• 順向電流 vs. 順向電壓 (I_F-V_F曲線)：此非線性曲線顯示順向電壓如何隨電流增加而變化。對於決定所需驅動電壓及設計恆流驅動器至關重要。
• 發光強度 vs. 順向電流 (I_V-I_F曲線)：此圖表顯示驅動電流與光輸出之間的關係。通常為次線性關係；電流加倍並不會使亮度加倍，且會增加熱量產生。
• 發光強度 vs. 環境溫度：此曲線展示當LED的接面溫度升高時，光輸出如何降低。了解此降額特性對於在高環境溫度下運作的應用至關重要。
• 光譜分佈圖：顯示不同波長下相對光功率的圖表，中心約在峰值波長571 nm處，典型半高寬為15 nm。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

本元件的數字高度為0.56英吋（14.22 mm）。封裝尺寸以圖面提供，所有尺寸單位為毫米。除非圖面另有規定，否則尺寸的標準公差為±0.25 mm（±0.01英吋）。此資訊對於PCB焊墊設計及確保在最終產品外殼內的正確安裝至關重要。

5.2 接腳連接與電路圖

此顯示器採用10接腳配置，為共陰極設計。內部電路圖顯示所有LED段位（A至G及小數點）的陰極在內部連接到兩個共陰極接腳（接腳3和接腳8）。這是簡化多工應用中驅動電路的標準配置。

接腳定義：

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

6. 焊接與組裝指南

絕對最大額定值指定了一個關鍵焊接參數：本元件可承受在封裝安裝平面下方1/16英吋（1.59 mm）處，溫度達260°C持續最多3秒的烙鐵或迴焊溫度曲線。此指南旨在防止組裝過程中對LED晶片和內部打線造成熱損壞。對於波峰焊，應盡量減少接觸焊錫的時間。在處理和組裝過程中應遵守標準的ESD（靜電放電）預防措施，以防止半導體接面受損。

7. 應用建議

7.1 典型應用情境

此顯示器適用於各種需要單一、高可見度數字指示器的應用：

• 測試與量測設備：數位萬用電錶、頻率計數器、電源供應器，需要清晰明亮的讀數。
• 工業控制：面板儀錶、製程指示器、機械上的計時器顯示。
• 消費性電子產品：獨立計數器、記分板、家電顯示器（例如微波爐、舊式音響設備）。
• 汽車改裝市場：儀錶和診斷工具（但應針對特定汽車要求驗證環境規格）。

7.2 設計考量

• 限流：LED是電流驅動元件。每個段位陽極必須串聯一個限流電阻或恆流驅動電路，以防止超過最大連續順向電流（25°C時為25 mA）。電阻值可使用歐姆定律計算：R = (V_電源- V_F) / I_F，其中 V_F為典型順向電壓（例如2.6V）。
• 多工掃描：對於多數位顯示器，會使用多工掃描方案，即快速輪流點亮每個數字。峰值順向電流額定值（60 mA）允許使用更高的脈衝電流來補償降低的工作週期，以維持感知亮度。
• 熱管理：雖然每段功耗很低，但在所有段位持續點亮的應用中（例如顯示8.），總功耗可能接近0.5W。若在高環境溫度下操作，請確保通風或散熱充足，並記得對連續電流進行降額。
• 視角：規格書宣稱具有寬廣視角，這是LED七段式顯示器的典型特性。應針對特定應用所需的視角範圍進行驗證。

8. 技術比較與差異化

根據提供的數據，此顯示器的關鍵差異化因素在於其材料技術和特定的性能特性。

• AlInGaP vs. 傳統材料：與較舊的技術（如標準GaP綠色LED）相比，AlInGaP提供了顯著更高的發光效率和亮度。這使得在高環境光條件下或較低驅動電流下具有更好的可見度，從而提高電源效率。
• 色彩與對比度：綠色AlInGaP段位與灰色面板的結合，提供了高對比度、易讀的顯示效果。綠色常因其對人眼感知的高發光效率而被選用，使得在給定的電氣輸入下看起來非常明亮。
• 固態可靠性：與所有LED一樣，它相較於白熾燈或真空螢光顯示器（VFD）具有優勢，包括抗衝擊/振動、更快的響應時間、更低的工作電壓和更長的使用壽命。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

1. 問：兩個共陰極接腳（3和8）的用途是什麼？
   
   答：它們在內部是連接的。提供兩個接腳有助於分散總陰極電流（可能是最多8個段位的電流總和），降低PCB走線的電流密度，並可改善封裝的散熱效果。
2. 問：我可以直接用5V微控制器接腳驅動此顯示器嗎？
   
   答：不行。您必須使用限流電阻。對於5V電源，目標電流20 mA，V_F為2.6V，電阻值為 R = (5V - 2.6V) / 0.02A = 120 Ω。微控制器接腳也必須能夠吸收或提供所需的段位電流。
3. 問：發光強度匹配比為2:1是什麼意思？
   
   答：這意味著在最亮的段位（或元件）與最暗的段位（或元件）之間，在相同測試條件下，亮度差異不會超過兩倍。這確保了顯示器整體的視覺均勻性。
4. 問：如何達到900 μcd的典型亮度？
   
   答：典型發光強度是在順向電流 (I_F) 為1 mA時指定的。要在您的設計中達到此亮度水平，您應以1 mA驅動每個段位。若要更高的亮度，您可以將電流增加到最大連續額定值（25°C時為25 mA），但請參考 I_V-I_F曲線，因為其關係並非線性。

10. 設計與使用案例研究

情境：設計一個簡單的數位電壓錶讀數

一位設計師正在設計一個0-99V直流電壓錶。他們需要兩個此類顯示器。微控制器的ADC讀取電壓並將其轉換為兩位數字。設計師使用多工掃描技術：數字1（十位）點亮5ms，然後數字2（個位）點亮5ms，如此不斷重複。為了在每個數字50%的工作週期下保持良好的感知亮度，他們決定以15 mA的脈衝電流驅動每個段位（遠低於60 mA的峰值額定值）。他們在每個數字的共陰極側使用一個電晶體，由微控制器控制，並在每個段位陽極連接限流電阻，這些電阻連接到配置為輸出的微控制器埠接腳。灰色面板和綠色段位確保即使在光線適中的工作坊環境中，讀數依然清晰。設計師從相同的發光強度分級中選擇元件，以確保兩個數字具有匹配的亮度。

11. 運作原理

七段式顯示器是由七個發光二極體（LED）組成的組件，排列成8字形。每個LED構成一個段位（標記為A至G）。另有一個額外的LED用於小數點（DP）。透過選擇性地對這些段位的特定組合施加順向偏壓（開啟），即可形成數字0到9的圖案。例如，要顯示7，需點亮A、B和C段位。在此類共陰極配置中，所有段位LED的陰極（負極端）都連接在一起，連接到一個或多個共接腳。要點亮一個段位，需將其對應的陽極接腳（透過限流電阻）驅動到正電壓，同時將共陰極接地。當電子在元件的p-n接面與電洞復合時，AlInGaP半導體材料會發光，釋放出具有材料能隙特徵波長的光子能量，在此例中為綠光。

12. 技術趨勢

雖然離散式七段LED顯示器在特定應用中仍然有其重要性，但顯示技術的更廣泛趨勢值得注意。整體趨勢正朝著整合式點矩陣顯示器（包括LED和LCD/OLED）發展，它們在類似尺寸的封裝中提供完整的字母數字和圖形功能。這些提供了更大的靈活性，但通常需要更複雜的驅動電子元件。對於僅需顯示數字的應用，七段式格式仍然非常高效且具成本效益。LED材料的進步，如本規格書中使用的AlInGaP，持續提升效率、亮度和色彩純度。此外，七段式顯示器的表面黏著元件（SMD）版本正變得越來越普遍，與本文檔可能描述的穿孔式設計相比，允許自動化組裝和更小的外形尺寸。LED的核心優勢——長壽命、堅固耐用和低功耗——確保在可預見的未來，它們仍將是指示器和簡單讀數應用中的主力。