LTC-4724JS LED顯示器規格書 - 0.4英吋數位高度 - AlInGaP黃光 - 2.6V順向電壓 - 40mW功耗 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTC-4724JS是一款緊湊型、高效能的三位數七段顯示器模組，專為需要清晰數字讀數的應用而設計。其主要功能是透過獨立的LED段位，視覺化地顯示三個數字（0-9）及相關的小數點。此元件適用於各種電子系統的整合，其中空間效率、可讀性和可靠性是關鍵考量。

其核心技術採用磷化鋁銦鎵（AlInGaP）半導體材料作為LED晶片。此材料系統以其高效率及在黃光至紅光光譜區域的優異性能而聞名。晶片製造於不透明的砷化鎵（GaAs）基板上，有助於將光輸出導向前方，從而提升亮度和對比度。顯示器配備灰色面板與白色段位標記，提供高對比度的背景，可在各種照明條件下提升字元辨識度。

此顯示器採用多工共陰極配置。相較於靜態驅動方式，此設計能大幅減少所需的驅動接腳數量。無需為每個數位的每個段位提供專用接腳，而是將每個數位的陰極連接在一起並依序控制（多工），而每個段位類型（A-G、DP）的陽極則在所有數位間共享。這對於I/O接腳有限的微控制器系統來說非常高效。

2. 深入技術參數分析

2.1 光度與光學特性

光學性能是顯示器功能的核心。關鍵參數通常在環境溫度（Ta）為25°C的標準化測試條件下量測。

• 平均發光強度（I_V）：此參數定義了段位的感知亮度。在測試電流（I_F）為1mA時，典型值為650 µcd（微燭光），最低保證值為200 µcd。此寬廣範圍表示存在強度分類或分級過程，這在LED製造中很常見，旨在確保最低性能水準。
• 峰值發射波長（λ_p）：在I_F=20mA下量測，典型峰值波長為588奈米（nm）。這使發光明確位於可見光譜的黃色區域。
• 主波長（λ_d）：此值為587 nm，非常接近峰值波長。主波長是最能代表光線感知顏色的單一波長，對於色彩要求嚴格的應用至關重要。
• 光譜線半高寬（Δλ）：典型值為15 nm，此參數表示發射光的光譜純度或頻寬。如本例所示，相對較窄的半高寬是AlInGaP LED的特性，有助於產生飽和、純淨的黃色。
• 發光強度匹配比（I_V-m）：此比率規定最大值為2:1，定義了同一顯示器內不同段位之間允許的亮度變化。2:1的比率意味著在相同驅動條件下，最亮的段位亮度不應超過最暗段位的兩倍，以確保外觀均勻。

所有發光強度量測均使用經過校準以近似CIE（國際照明委員會）標準明視覺響應曲線的光感測器與濾光片組合進行，確保量測結果與人類視覺感知相符。

2.2 電氣特性與絕對最大額定值

遵守這些限制對於元件的使用壽命和防止災難性故障至關重要。

• 每段位連續順向電流：在25°C下，流經任何單一LED段位的最大允許連續直流電流為25 mA。超過此溫度時，額定值必須以每攝氏度環境溫度升高0.33 mA的速率線性降額。
• 每段位峰值順向電流：對於脈衝操作，允許更高的電流。在1/10工作週期、0.1ms脈衝寬度下，峰值電流可達60 mA。這對於多工方案非常有用，因為在短暫的開啟時間內需要更高的瞬時亮度。
• 每段位功耗：單一段位可作為熱量消散的最大功率為40 mW。此值計算為順向電壓（V_F）乘以順向電流（I_F）。超過此限制有導致半導體接面過熱的風險。
• 每段位順向電壓（V_F）：在驅動電流為20 mA時，LED段位的典型順向電壓降為2.6V，最小值為2.05V。此參數對於設計驅動器中的限流電路至關重要。
• 每段位反向電壓：可施加於LED段位的最大反向偏壓為5V。超過此值可能因接面崩潰而對LED造成立即且不可逆的損壞。
• 每段位反向電流（I_R）：施加5V反向偏壓時，漏電流通常為100 µA或更低。

2.3 熱與環境規格

• 工作溫度範圍：此元件規定在環境溫度範圍-35°C至+85°C內能正常運作。超出此範圍的性能不予保證。
• 儲存溫度範圍：此元件可在相同的-35°C至+85°C範圍內不運作狀態下儲存。
• 焊接溫度：在組裝過程中，此元件可承受最高260°C的焊接溫度，最長持續時間為3秒，量測點位於封裝安裝平面下方1.6mm處。這對於波峰焊或迴焊製程至關重要。

3. 分級與分類系統

規格書明確指出此元件已按發光強度分類。這意味著存在生產後的分選（分級）過程。雖然此摘錄未提供具體的分級代碼，但此類顯示器的典型分類涉及根據標準測試電流下量測的發光強度對單元進行分組。這確保客戶獲得具有一致最低亮度水準的顯示器。針對I_V所規定的最小值（200 µcd）和典型值（650 µcd）定義了此分類的邊界。設計人員應注意，亮度可能在指定的2:1匹配比範圍內以及不同強度等級之間有所變化，這可能影響多個顯示器間均勻亮度的系統校準。

4. 性能曲線分析

規格書參考了典型電氣/光學特性曲線，這些對於詳細設計工作至關重要。雖然文中未提供具體圖表，但基於標準LED特性，這些曲線通常包括：

• 順向電流 vs. 順向電壓（I-V曲線）：此非線性曲線顯示施加於LED兩端的電壓與所產生電流之間的關係。對於設計恆流驅動器至關重要，因為電壓的微小變化會導致電流（進而亮度）的巨大變化。曲線的膝點，約在20mA時典型V_F為2.6V處，是正常的工作區域。
• 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而增加。在一定範圍內通常是線性的，但在極高電流下會因熱效應和效率下降而飽和。I_V的1mA測試點和其他參數的20mA點提供了此曲線上的兩個關鍵參考點。
• 發光強度 vs. 環境溫度：LED的光輸出通常隨著接面溫度升高而降低。此曲線對於在寬廣溫度範圍內運作的應用至關重要，以確保在高溫下仍能保持可讀性。
• 光譜分佈：相對強度與波長的關係圖，顯示峰值約在588 nm，以及15 nm的窄半高寬，證實了純黃色的發光。

5. 機械與封裝資訊

5.1 實體尺寸與公差

封裝圖提供了PCB佈局和外殼設計的關鍵機械數據。所有尺寸均以毫米為單位。未指定尺寸的一般公差為±0.25 mm（相當於±0.01英吋）。設計人員必須將這些公差納入其機械設計中，以確保正確安裝。圖紙將詳細說明顯示器模組的總長、寬、高，數位間距，段位尺寸，以及安裝接腳的位置和直徑。

5.2 接腳配置與連接圖

接腳連接表是內部電路與外部世界之間的介面對應圖。LTC-4724JS採用15接腳排列（其中數個接腳標記為無連接或無接腳）。

• 共陰極：接腳1、5、7和14是陰極連接。接腳1對應數位1，接腳5對應數位2，接腳7對應數位3，接腳14則是左側小數點（L1、L2、L3）的共陰極。此結構實現了多工方案。
• 段位陽極：其餘接腳（2、3、4、6、8、11、12、15）是特定段位的陽極：A、B、C、D、E、F、G和DP（小數點）。如內部電路圖所示，段位C和G分別與左小數點L3和通用點共享。

內部電路圖以視覺化方式呈現了此多工架構，顯示了三個數位陰極和共享的段位陽極如何互連。理解此圖對於開發正確的軟體時序和硬體驅動電路至關重要。

6. 焊接與組裝指南

焊接溫度的絕對最大額定值（安裝平面下方1.6mm處，260°C持續3秒）為組裝過程提供了明確指導。此額定值與標準無鉛迴焊製程曲線（峰值溫度通常在245-250°C左右）相容。對於波峰焊，必須控制接腳暴露於熔融焊料的時間，以保持在該限制內。建議遵循IPC標準的穿孔元件焊接指南。建議進行預熱以減少熱衝擊。焊接後，應讓顯示器逐漸冷卻。組裝過程中應始終遵循適當的ESD（靜電放電）處理程序，以防止損壞敏感的LED接面。

7. 應用建議與設計考量

7.1 典型應用場景

LTC-4724JS非常適合各種需要緊湊、明亮且可靠的數字顯示的應用。常見用途包括：

• 測試與量測設備：數位萬用電錶、頻率計數器、電源供應器，其中3位數解析度已足夠（例如顯示0-999）。
• 工業控制與儀器儀表：用於溫度、壓力、速度或計數顯示的面板儀錶。
• 消費性電子產品：音訊設備（擴大機音量顯示）、廚房電器（計時器、溫度讀數）。
• 汽車改裝市場：用於電壓、轉速或溫度的儀錶和顯示器。

7.2 關鍵設計考量

• 驅動電路：需要多工驅動電路。這通常涉及微控制器或專用顯示驅動IC，能夠吸收數位陰極的電流（通常透過電晶體）並向段位陽極提供電流。每個段位陽極必須使用限流電阻（如果使用恆流驅動器，則可能共享），以將I_F設定在安全值，通常在10-20 mA之間，以平衡亮度和壽命。
• 多工頻率：刷新率必須足夠高以避免可見閃爍，通常高於60 Hz。對於三個數位，每個數位在每個週期中大約點亮1/3的時間。可以設定更高的峰值電流（最高可達60mA脈衝額定值），以補償降低的工作週期並維持平均亮度。
• 電源供應：順向電壓要求（約2.6V）意味著系統電源必須提供高於此值的電壓，以容納限流電阻和驅動電路上的壓降。常見且方便的是使用5V電源。
• 視角與對比度：規格書宣稱具有寬廣視角和高對比度。灰色面板/白色段位增強了對比度。為獲得最佳觀看效果，顯示器應垂直安裝於主要觀看方向。在高環境光條件下，高亮度（典型650 µcd）是有益的。
• 熱管理：雖然每段位的功耗很低，但應考慮多個段位同時點亮（特別是在較高電流下）所累積的熱量。建議在外殼內提供足夠的通風，尤其是在接近上限溫度運作時。

8. 技術比較與差異化

LTC-4724JS的關鍵差異化因素在於其材料技術和封裝。與標準GaP或GaAsP LED等舊技術相比，AlInGaP提供了顯著更高的發光效率，從而在相同驅動電流下產生更高的亮度。產生的黃色也更飽和、更純淨。與當代替代方案相比，其0.4英吋數位高度在尺寸和可讀性之間提供了特定的平衡。多工共陰極設計是多位數顯示器的標準，但特定的接腳定義和內部電路（包括左小數點的共享陰極）是此料號獨有的，必須由驅動軟體匹配。發光強度的分類提供了可能並非所有顯示器都具備的品質控制水準。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

• 問：我可以用3.3V微控制器驅動此顯示器嗎？答：有可能，但需要謹慎設計。典型V_F為2.6V。考慮到驅動電晶體和限流電阻上的小壓降後，3.3V電源的餘裕可能非常緊張或不足，特別是考慮到V_F的變化。5V電源更可靠。您可能需要一個電平轉換器或由獨立5V電源軌供電的驅動IC。
• 問：為什麼峰值電流（60mA）高於連續電流（25mA）？答：如果工作週期低，LED可以承受更高的瞬時電流，因為平均功耗和接面溫度仍保持在安全限制內。這在多工中被利用以實現更高的感知亮度。
• 問：無連接接腳的用途是什麼？答：它們可能是機械佔位符，以適應標準的15接腳DIP（雙列直插式封裝）佔位面積。它們在焊接時提供物理穩定性，但沒有電氣功能。請勿將它們連接到任何電路。
• 問：如何計算限流電阻的值？答：使用歐姆定律：R = (V_電源- V_F- V_{驅動器壓降}) / I_F。對於5V電源，V_F為2.6V，驅動器壓降為0.2V，期望I_F為15mA：R = (5 - 2.6 - 0.2) / 0.015 = 146.7 Ω。標準的150 Ω電阻是合適的。務必驗證電阻的功耗：P = I²* R。

10. 實用設計與使用範例

考慮使用微控制器設計一個簡單的3位數電壓錶。微控制器的ADC讀取電壓，將其轉換為0到999之間的數字，並需要顯示出來。

1. 硬體介面：將三個微控制器I/O接腳配置為輸出，以控制NPN電晶體（或電晶體陣列），從三個數位陰極接腳（1,5,7）吸收電流。另外八個I/O接腳（或為節省接腳使用移位暫存器）配置為輸出，透過獨立的150Ω限流電阻向八個段位陽極接腳（A,B,C,D,E,F,G,DP）提供電流。
2. 軟體常式：主迴圈實現多工。它關閉所有數位陰極。然後為數位1設定陽極接腳上的段位圖案（例如顯示5）。接著啟用（透過電晶體提供接地路徑）數位1的陰極。等待短暫時間（例如2-3 ms）。然後停用數位1，為數位2設定段位圖案，啟用數位2的陰極，等待，並為數位3重複此過程。此循環持續重複。每段位的峰值電流可設定為約20mA。在1/3工作週期下，平均電流約為6.7mA，遠低於連續額定值。
3. 結果：由於視覺暫留，所有三個數位看起來像是同時且穩定地點亮，顯示測量的電壓。

11. 技術原理介紹

LTC-4724JS基於使用AlInGaP（磷化鋁銦鎵）半導體的固態照明技術。當施加超過二極體能隙電壓的順向電壓時，電子和電洞被注入半導體結構的主動區域。它們重新結合，以光子（光）的形式釋放能量。AlInGaP合金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）——在本例中為黃色（約587-588 nm）。不透明的GaAs基板吸收任何向後發射的光，通過減少不貢獻於有用前向光輸出的內部反射來提高整體效率。七段格式是一種標準化的方法，透過選擇性點亮七個獨立的條形LED段位（標記為A到G）來形成數字字元。

12. 技術趨勢與背景

雖然此特定元件使用成熟的AlInGaP技術，但更廣泛的LED顯示器領域仍在持續發展。趨勢包括採用更高效的材料（如用於藍/綠/白光的InGaN）、開發板上晶片（COB）和表面黏著元件（SMD）封裝以實現更高密度和更小佔位面積，以及將驅動器和控制器直接整合到顯示器模組中（智慧顯示器）。然而，對於在標準穿孔封裝中需要純淨、高效黃色光的特定應用，基於AlInGaP的顯示器（如LTC-4724JS）仍然是可靠且具成本效益的解決方案。其簡單性、穩健性以及與基本微控制器介面的易用性，確保了它們在許多不需要自訂圖形顯示的工業和消費性設計中持續保持相關性。