ورقة بيانات LED EL 2020 Cube Light - حزمة SMD - أبيض بارد - 50 لومن عند 140 مللي أمبير - 3.0 فولت - زاوية رؤية 120 درجة - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد EL 2020 Cube Light مصباح LED عالي الأداء من نوع جهاز مُركب على السطح (SMD)، مُصمم خصيصًا لتطبيقات إضاءة السيارات المتطلبة. يمثل هذا المكون حلاً مدمجًا وموثوقًا للإضاءة ذات الحالة الصلبة، حيث يوازن بين الناتج الضوئي والكفاءة والمتانة المطلوبة لأنظمة المركبات الحديثة. يتمحور فلسفة التصميم الأساسية حول توفير أداء ثابت تحت نطاقات درجات الحرارة الواسعة والظروف البيئية القاسية النموذجية لبيئات السيارات.

يُقدم LED بدرجة حرارة لونية بيضاء باردة (Cool White)، مستهدفًا التطبيقات التي تتطلب ضوءًا أبيض ساطعًا ومحايدًا إلى مائل للزرقة قليلاً. تم تصميم الحزمة لعمليات التجميع الآلي، مما يسهل التصنيع بكميات كبيرة. الميزة الرئيسية لهذا الجهاز هي امتثاله لتأهيل اختبار الإجهاد AEC-Q102 لأشباه الموصلات البصرية المنفصلة، وهو المعيار الصناعي لمكونات السيارات. وهذا يضمن مستوى من الموثوقية والعمر الطويل يلبي أو يتجاوز متطلبات مصنعي السيارات الأصليين (OEM).

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الخصائص الضوئية والكهربائية

الخاصية الضوئية الأساسية هي التدفق الضوئي النموذجي البالغ 50 لومن (lm) عند تشغيله بتيار أمامي (I_F) قدره 140 مللي أمبير. من المهم ملاحظة تسامح القياس المحدد البالغ ±8% للتدفق الضوئي، والذي يأخذ في الاعتبار الاختلافات الطبيعية في الإنتاج. الحد الأدنى والأقصى للقيم تحت نفس الظروف هما 45 لومن و 70 لومن على التوالي، مما يحدد نافذة الأداء.

من الناحية الكهربائية، يُظهر الجهاز جهدًا أماميًا نموذجيًا (V_F) قدره 3.0 فولت عند 140 مللي أمبير، مع نطاق يتراوح من 2.75 فولت إلى 3.5 فولت. يتم تحديد تسامح قياس الجهد الأمامي بـ ±0.05 فولت. يتمتع الجهاز بنطاق تشغيل واسع للتيار الأمامي يتراوح من حد أدنى 10 مللي أمبير إلى حد أقصى مطلق 250 مللي أمبير. يتميز الأداء البصري بزاوية رؤية واسعة تبلغ 120 درجة (بهامش ±5°)، مما يوفر نمط إشعاع واسع وموحد مناسب لمختلف البصريات الإضاءة.

2.2 التصنيفات الحرارية والحدود القصوى المطلقة

إدارة الحرارة أمر بالغ الأهمية لأداء LED وعمره الافتراضي. تحدد ورقة البيانات قيمتين للمقاومة الحرارية: المقاومة الحرارية الحقيقية (R_{th JS real}) من الوصلة (Junction) إلى نقطة اللحام (Solder Point) تبلغ عادةً 24 كلفن/واط (بحد أقصى 32 كلفن/واط)، بينما القيمة المشتقة كهربائيًا (R_{th JS el}) تبلغ عادةً 17 كلفن/واط (بحد أقصى 23 كلفن/واط). غالبًا ما تُستخدم القيمة الكهربائية الأقل كإرشاد تصميمي متحفظ.

تحدد التصنيفات القصوى المطلقة الحدود التشغيلية التي لا يجب تجاوزها لمنع التلف الدائم. تشمل التصنيفات الرئيسية:

• تبديد الطاقة (P_d): 875 ملي واط
• التيار الأمامي (I_F): 250 مللي أمبير (مستمر)
• تيار الذروة (I_FM): 750 مللي أمبير للنبضات ≤10 ميكروثانية عند دورة عمل منخفضة (D=0.005)
• درجة حرارة الوصلة (T_J): 150 درجة مئوية
• درجة حرارة التشغيل والتخزين: من -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية
• حساسية التفريغ الكهروستاتيكي (HBM): 8 كيلو فولت
• درجة حرارة لحام إعادة التدفق: 260 درجة مئوية كحد أقصى لمدة 30 ثانية

الالتزام بهذه الحدود ضروري للتشغيل الموثوق.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

لإدارة التباينات في الإنتاج والسماح بتصميم دقيق للنظام، يتم فرز مصابيح LED إلى فئات بناءً على المعايير الرئيسية.

3.1 تصنيف التدفق الضوئي

يتم تصنيف التدفق الضوئي إلى ثلاث فئات:

• F4:45 لومن (الحد الأدنى) إلى 52 لومن (الحد الأقصى)
• F5:52 لومن (الحد الأدنى) إلى 60 لومن (الحد الأقصى)
• F6:60 لومن (الحد الأدنى) إلى 70 لومن (الحد الأقصى)

تقع القيمة النموذجية البالغة 50 لومن ضمن الفئة F4. يجب على المصممين اختيار الفئة المناسبة بناءً على الناتج الضوئي المطلوب لتطبيقهم.

3.2 تصنيف الجهد الأمامي

يتم أيضًا تصنيف الجهد الأمامي للمساعدة في تصميم دائرة القيادة وإدارة الطاقة:

• 2730:2.75 فولت (الحد الأدنى) إلى 3.0 فولت (الحد الأقصى)
• 3032:3.0 فولت (الحد الأدنى) إلى 3.25 فولت (الحد الأقصى)
• 3235:3.25 فولت (الحد الأدنى) إلى 3.5 فولت (الحد الأقصى)

3.3 تصنيف اللون (اللونية)

يتم تعريف الانبعاث الأبيض البارد ضمن فضاء اللون CIE 1931. توفر ورقة البيانات إحداثيات الزوايا لأربع فئات متميزة (63M, 61M, 58M, 56M) والتي تتوافق مع نطاقات درجة حرارة اللون المرتبطة (CCT):

• 63M:~6100 كلفن إلى 6600 كلفن
• 61M:~5800 كلفن إلى 6300 كلفن
• 58M:~5600 كلفن إلى 6100 كلفن
• 56M:~5300 كلفن إلى 5800 كلفن

يوضح التمثيل البياني على مخطط اللونية CIE هذه الفئات كأشكال رباعية. يتم تحديد تسامح القياس لإحداثيات اللون بـ ±0.005. يضمن هذا التصنيف اتساق اللون عبر مصابيح LED متعددة في التجميع.

4. تحليل منحنيات الأداء

4.1 منحنى التيار-الجهد والتدفق الضوئي النسبي

يظهر الرسم البياني للتيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي العلاقة الأسية المميزة. عند نقطة التشغيل النموذجية 140 مللي أمبير، يكون V_Fحوالي 3.0 فولت. المنحنى ضروري لتصميم دائرة تحديد التيار.

يوضح الرسم البياني للتدفق الضوئي النسبي مقابل التيار الأمامي أن الناتج الضوئي أقل من الخطي مع التيار. بينما يزداد الناتج مع التيار، تنخفض الكفاءة (لومن لكل واط) عادةً عند التيارات الأعلى بسبب زيادة درجة حرارة الوصلة وعوامل أخرى. يتم تسوية المنحنى للتدفق عند 140 مللي أمبير.

4.2 الاعتماد على درجة الحرارة

يوضح منحنيان حاسمان تباين الأداء مع درجة حرارة الوصلة (T_j).

• التدفق الضوئي النسبي مقابل درجة حرارة الوصلة:يوضح أن الناتج الضوئي ينخفض مع زيادة T_j. يعد وجود مشتت حراري فعال أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على السطوع المطلوب.
• الجهد الأمامي النسبي مقابل درجة حرارة الوصلة:يوضح أن V_Fله معامل درجة حرارة سالب، حيث ينخفض خطيًا مع ارتفاع T_j. يمكن استخدام هذه الخاصية أحيانًا لاستشعار درجة الحرارة.
• انزياح اللونية مقابل درجة حرارة الوصلة:يرسم التغير في إحداثيات CIE x و y، ويظهر انزياحًا ضئيلًا عبر نطاق درجة الحرارة، وهو أمر مهم لاستقرار اللون.

4.3 التوزيع الطيفي ونمط الإشعاع

يرسم الرسم البياني للتوزيع الطيفي النسبي الشدة مقابل الطول الموجي من 400 نانومتر إلى 800 نانومتر. يُظهر ذروة في المنطقة الزرقاء (حوالي 450-455 نانومتر) من الانبعاث الأساسي لشريحة LED، مع ذروة ثانوية أوسع في المنطقة الصفراء (حوالي 550-600 نانومتر) تولدها طبقة الفسفور، والتي تتحد لإنتاج الضوء الأبيض البارد.

يوضح الرسم التخطيطي النموذجي لخصائص الإشعاع زاوية الرؤية 120 درجة بصريًا، ويظهر التوزيع الزاوي للشدة الضوئية بالنسبة للخط المركزي (0°).

4.4 تخفيض التصنيف ومعالجة النبضات

منحنى تخفيض التيار الأمامي هو أداة تصميم حيوية. يرسم الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي المستمر مقابل درجة حرارة لوحة اللحام (T_S). مع زيادة T_S، يجب تقليل الحد الأقصى المسموح به للتيار لمنع تجاوز T_J(الحد الأقصى) البالغة 150 درجة مئوية. على سبيل المثال، عند T_Sقدرها 125 درجة مئوية، يكون الحد الأقصى I_Fهو 250 مللي أمبير.

يحدد الرسم البياني لقدرة معالجة النبض المسموح بها تيار النبض الذروة (I_FP) المسموح به لعرض نبضة معين (t_p) ودورة عمل (D)، مع كون نقطة اللحام عند 25 درجة مئوية. هذا أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تستخدم أنظمة قيادة نبضية.

5. معلومات الميكانيكا والحزمة والتركيب

5.1 الأبعاد الميكانيكية

تتضمن ورقة البيانات رسمًا ميكانيكيًا مفصلاً لحزمة LED. تحدد الأبعاد الرئيسية (بالمليمترات) البصمة والارتفاع ومواضع الأطراف. عادةً ما يكون التسامح ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. الرسم ضروري لتصميم بصمة PCB وضمان الملاءمة المناسبة داخل التجميع النهائي.

5.2 تخطيط لوحة اللحام الموصى به

يوفر رسم منفصل النمط الموصى به لطبقة النحاس على PCB للحصول على لحام مثالي. يتضمن هذا أحجام وتباعد لوحات اللحام للأطراف الكهربائية ولوحة التوصيل الحراري. يضمن اتباع هذه التوصية تكوين وصلة لحام جيدة، ونقل حراري مناسب إلى PCB، واستقرار ميكانيكي.

6. إرشادات اللحام والتركيب والتعامل

6.1 ملف تعريف لحام إعادة التدفق (Reflow)

تم تصنيف المكون لتحمل درجة حرارة ذروة قصوى لإعادة التدفق تبلغ 260 درجة مئوية لمدة 30 ثانية. يجب استخدام ملف تعريف إعادة تدفق نموذجي، مع مراحل تسخين مسبق ونقع وإعادة تدفق وتبريد مُتحكم فيها لتقليل الصدمة الحرارية وضمان وصلات لحام موثوقة دون الإضرار بحزمة LED أو المواد الداخلية.

6.2 احتياطات الاستخدام

تشمل احتياطات التعامل العامة تجنب الإجهاد الميكانيكي على الحزمة، ومنع تلوث العدسة، واستخدام ضوابط التفريغ الكهروستاتيكي المناسبة أثناء التعامل والتركيب، حيث تم تصنيف الجهاز لتحمل 8 كيلو فولت HBM ESD.

6.3 حساسية الرطوبة والتخزين

يتمتع LED بمستوى حساسية الرطوبة (MSL) 2. وهذا يعني أنه يمكن تعريض الحزمة لظروف أرضية المصنع (≤30 درجة مئوية / 60% رطوبة نسبية) لمدة تصل إلى عام واحد قبل أن تتطلب الخبز قبل لحام إعادة التدفق. للتخزين لفترات أطول أو بعد فتح الكيس، يجب اتباع إجراءات الخبز المحددة وفقًا لمعايير IPC/JEDEC لمنع ظاهرة "الفشار" (popcorning) أثناء إعادة التدفق.

7. الامتثال البيئي والموثوقية

الجهاز متوافق مع لوائح RoHS (تقييد المواد الخطرة) وREACH. كما تم تحديده على أنه خالٍ من الهالوجين، مع حدود على محتوى البروم (Br) والكلور (Cl) (Br <900 جزء في المليون، Cl <900 جزء في المليون، Br+Cl <1500 جزء في المليون).

ميزة موثوقية كبيرة هي أداؤه في البيئات الغنية بالكبريت. يلبي الجهاز معايير اختبار الكبريت من الفئة A1، مما يشير إلى مقاومة عالية للتآكل الناجم عن الكبريت الجوي، وهو مصدر قلق شائع في بيئات السيارات والصناعية.

8. ملاحظات التطبيق واعتبارات التصميم

8.1 التطبيق الأساسي: إضاءة السيارات

التطبيق الأساسي المقصود هو إضاءة السيارات. تشمل حالات الاستخدام المحتملة الإضاءة الداخلية (أضواء القبة، أضواء الخريطة، إضاءة منطقة القدمين، الإضاءة المحيطة)، والإشارات الخارجية (أضواء الفرامل المركزية المرتفعة - CHMSL)، وربما الإضاءة المساعدة. يجعل تأهيل AEC-Q102 ونطاق درجة الحرارة الواسع ومقاومة الكبريت الجهاز مناسبًا لهذه البيئات القاسية.

8.2 تصميم دائرة القيادة (Driver)

يجب على المصممين تنفيذ دائرة قيادة تيار ثابت، وليس مصدر جهد ثابت، لضمان ناتج ضوئي مستقر ومنع الانفجار الحراري (Thermal Runaway). يجب تصميم دائرة القيادة لاستيعاب نطاق تصنيف الجهد الأمامي. إدارة الحرارة غير قابلة للتفاوض؛ يجب أن يوفر PCB مسارًا حراريًا كافيًا من لوحة التوصيل الحرارية لـ LED إلى مشتت حراري أو طبقات النحاس في اللوحة للحفاظ على درجة حرارة الوصلة ضمن الحدود الآمنة، خاصة عند التشغيل بتيارات عالية أو في درجات حرارة محيطة عالية.

8.3 التصميم البصري

توفر زاوية الرؤية 120 درجة مرونة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب حزمة ضوئية مركزة، ستكون البصريات الثانوية (العواكس، العدسات) ضرورية. الزاوية الواسعة مفيدة للتطبيقات التي تتطلب إضاءة موحدة ومنتشرة على مساحة.

9. المقارنة التقنية والتحديد

مقارنة بمصابيح LED التجارية القياسية، فإن المميزات الرئيسية لهذا المكون هي تأهيله لمستوى السيارات (AEC-Q102)، ونطاق درجة حرارة التشغيل الموسع (-40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية)، ومقاومته المحددة للتآكل بالكبريت. تأتي هذه الميزات على حساب تكلفة أعلى ولكنها إلزامية لمعايير سلامة وموثوقية السيارات. داخل سوق LED السيارات، يضع ناتجه البالغ 50 لومن عند 140 مللي أمبير كجهاز متوسط الطاقة مناسب لمجموعة واسعة من التطبيقات تتجاوز وظائف المؤشر البسيطة.

10. الأسئلة الشائعة (FAQs)

س: ما هي الكفاءة النموذجية (لومن لكل واط) لهذا LED؟

ج: عند نقطة التشغيل النموذجية (140 مللي أمبير، 3.0 فولت، 50 لومن)، تكون طاقة الدخل 0.42 واط (140 مللي أمبير * 3.0 فولت). الكفاءة حوالي 119 لومن/واط (50 لومن / 0.42 واط).

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة ببطارية سيارة 12 فولت؟

ج: لا. يتطلب LED دائرة قيادة تيار ثابت. توصيله مباشرة بمصدر 12 فولت سيسبب تيارًا مفرطًا، مما يؤدي إلى تدمير الجهاز على الفور. هناك حاجة لدائرة قيادة تنظم التيار إلى المستوى المطلوب (مثل 140 مللي أمبير).

س: كيف أفسر قيمتي المقاومة الحرارية المختلفتين؟

ج: استخدم قيمة المقاومة الحرارية الأعلى "الحقيقية" (R_{th JS real}نموذجي 24 كلفن/واط) لحسابات التصميم الحراري المتحفظ. يتم اشتقاق القيمة الكهربائية من تقنية قياس وغالبًا ما تكون أقل.

س: ماذا يعني MSL 2 لعملية الإنتاج الخاصة بي؟

ج: يعني MSL 2 أنه يمكن تخزين المكونات في كيسها المغلق الحاجز للرطوبة لمدة تصل إلى 12 شهرًا في ظروف مُتحكم فيها (≤30 درجة مئوية / 60% رطوبة نسبية). بمجرد فتح الكيس، لديك عادةً أسبوع واحد لإكمال لحام إعادة التدفق قبل أن تحتاج الأجزاء إلى الخبز.

11. دراسة حالة للتصميم والاستخدام

السيناريو: تصميم ضوء قبة داخلي للسيارة.

يحتاج المصمم إلى ضوء أبيض ساطع لتجميع ضوء القبة. يختار هذا LED في فئة التدفق الضوئي F5 (52-60 لومن) وفئة اللون 61M (~5800-6300 كلفن) للحصول على مظهر أبيض محايد. يصمم PCB بتخطيط لوحة اللحام الموصى به تمامًا. يتم اختيار دائرة متكاملة (IC) لقيادة تيار ثابت من نوع Buck لتوفير 140 مللي أمبير من نظام السيارة 12 فولت. يتم إجراء التحليل الحراري باستخدام منحنى التخفيض والمقاومة الحرارية: إذا حافظت إدارة الحرارة في PCB على درجة حرارة لوحة اللحام أقل من 85 درجة مئوية، فيمكن تشغيل LED بكامل تصنيفه 140 مللي أمبير. زاوية الرؤية الواسعة 120 درجة مثالية لإضاءة المقصورة بشكل متساوٍ دون الحاجة إلى بصريات ثانوية معقدة. يعطي تأهيل AEC-Q102 ثقة في موثوقية المكون طويلة المدى لهذا التطبيق في السيارات.

12. مبدأ التشغيل

هذا هو LED أبيض مُحول بالفوسفور. النواة هي شريحة أشباه موصلات، عادةً ما تكون مصنوعة من نيتريد الغاليوم الإنديوم (InGaN)، والتي تنبعث منها ضوء في الطيف الأزرق عندما يمر تيار كهربائي عبرها (الإنارة الكهربائية). يمتص طبقة من طلاء الفسفور من نوع الإيتريوم ألومنيوم غارنيت المطعمة بالسيريوم (YAG:Ce) المترسبة على الشريحة أو بالقرب منها جزءًا من هذا الضوء الأزرق. يمتص الفسفور بعض الفوتونات الزرقاء ويعيد إصدار الضوء عبر طيف أوسع، في الغالب في المنطقة الصفراء. يدرك العين البشرية خليط الضوء الأزرق المتبقي والضوء الأصفر المحول على أنه ضوء أبيض. تحدد النسبة الدقيقة للانبعاث الأزرق إلى الأصفر، والتي يتم التحكم فيها من خلال تركيب الفسفور وسمكه، درجة حرارة اللون المرتبطة (CCT)، مما يؤدي إلى الناتج "الأبيض البارد" المحدد.

13. اتجاهات التكنولوجيا

الاتجاه العام في إضاءة LED للسيارات هو نحو كفاءة أعلى (المزيد من اللومن لكل واط)، وكثافة طاقة أعلى، وتحسين الموثوقية. هناك أيضًا دفع نحو تحكم أكثر دقة في اللون ومؤشر تجسيد اللون (CRI) أعلى لإدراك بصري أفضل. التكامل هو اتجاه آخر، حيث أصبحت الحزم متعددة الشرائح والحزم ذات دوائر القيادة أو التحكم المدمجة أكثر شيوعًا. علاوة على ذلك، هناك تركيز متزايد على أنظمة الإضاءة الذكية والتكيفية، والتي قد تتطلب مصابيح LED قادرة على التبديل أو التعتيم بسرعة كبيرة. بينما تصف ورقة البيانات هذه مكونًا منفصلاً بشريحة واحدة، تستمر التكنولوجيا الأساسية في التطور لتلبية هذه المتطلبات لأنظمة إضاءة السيارات المستقبلية، بما في ذلك الإضاءة الأمامية المتقدمة والإضاءة الإشارية الديناميكية.