ورقة بيانات مكون LED - مراجعة دورة الحياة 2 - وثائق تقنية

1. نظرة عامة على المنتج

تقدم هذه الوثيقة التقنية المواصفات الشاملة والمبادئ التوجيهية لمكون الدايود الباعث للضوء (LED). يركز إصدار المراجعة هذا بشكل أساسي على توثيق مرحلة دورة الحياة الرسمية وتحديث المعايير التقنية لتعكس معايير التصنيع الحالية وخصائص الأداء. تعتبر مصابيح LED أجهزة أشباه موصلات تحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء مرئي، وتُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات تتراوح من أضواء المؤشر والإضاءة الخلفية إلى الإضاءة العامة وإضاءة السيارات، وذلك بسبب كفاءتها وعمرها الطويل وموثوقيتها.

تكمن الميزة الأساسية لهذا المكون في تصميمه الموحد، مما يضمن أداءً متسقًا عبر عمليات الإنتاج الضخم. تم تصميمه ليكون متوافقًا مع عمليات تجميع تقنية التركيب السطحي الآلي (SMT)، مما يجعله مناسبًا للدمج في المنتجات الإلكترونية الحديثة. يشمل السوق المستهدف الإلكترونيات الاستهلاكية، وأنظمة التحكم الصناعي، وتجهيزات السيارات الداخلية، وتطبيقات اللافتات حيث تكون هناك حاجة إلى إضاءة موثوقة ومنخفضة الطاقة.

2. التفسير الموضوعي المتعمق للمعايير التقنية

بينما تكون مقتطفات ملف PDF المقدمة محدودة، فإن ورقة البيانات التقنية التفصيلية لمكون LED تحتوي عادةً على أقسام المعايير الحرجة التالية. تمثل القيم أدناه النطاقات القياسية في الصناعة لحزمة LED SMD متوسطة الطاقة الشائعة؛ حيث سيتم تحديد القيم المحددة في ورقة البيانات الكاملة.

2.1 الخصائص الضوئية واللونية

تحدد الخصائص الضوئية ناتج الضوء وجودته. تشمل المعايير الرئيسية ما يلي:

• التدفق الضوئي (Φ_v):إجمالي الضوء المرئي المنبعث من المصدر، ويُقاس باللومن (lm). يمكن أن تتراوح القيم النموذجية للمكون القياسي من 20 لومن إلى 120 لومن اعتمادًا على اللون وتيار التشغيل.
• الطول الموجي السائد (λ_D):اللون المُدرك للضوء، ويُقاس بالنانومتر (nm). بالنسبة لمصابيح LED البيضاء، يتم استبدال هذا بدرجة حرارة اللون المترابطة (CCT).
• درجة حرارة اللون المترابطة (CCT):بالنسبة لمصابيح LED البيضاء، يصف هذا المظهر اللوني للضوء، من الأبيض الدافئ (مثل 2700K-3000K) إلى الأبيض البارد (مثل 5000K-6500K).
• مؤشر تجسيد الألوان (CRI):مقياس لمدى دقة كشف مصدر الضوء لألوان الأجسام مقارنة بمصدر الضوء الطبيعي. تتطلب تطبيقات الإضاءة العامة عادةً مؤشر تجسيد ألوان (CRI) بقيمة 80 أو أعلى.

2.2 المعايير الكهربائية

تعد المعايير الكهربائية حاسمة لتصميم الدائرة وضمان التشغيل الموثوق.

• الجهد الأمامي (V_F):انخفاض الجهد عبر LED عندما يكون باعثًا للضوء عند تيار أمامي محدد. يختلف حسب اللون ومادة أشباه الموصلات (مثل ~2.0 فولت للأحمر، ~3.2 فولت للأزرق/الأبيض). النطاق النموذجي لـ LED أبيض هو من 2.8 فولت إلى 3.4 فولت.
• التيار الأمامي (I_F):تيار التشغيل الموصى به، وعادة ما يكون 20 مللي أمبير، أو 60 مللي أمبير، أو 150 مللي أمبير لأحجام الحزم المختلفة. يمكن أن يتسبب تجاوز الحد الأقصى للتيار المقنن في حدوث تلف دائم.
• الجهد العكسي (V_R):أقصى جهد يمكن تطبيقه في الاتجاه العكسي دون الإضرار بـ LED، وعادة ما يكون حوالي 5 فولت.

2.3 الخصائص الحرارية

يعتمد أداء وعمر LED بشكل كبير على درجة حرارة الوصلة.

• المقاومة الحرارية (R_θJCأو R_θJA):مقاومة تدفق الحرارة من وصلة LED إلى العلبة (JC) أو الهواء المحيط (JA). تشير القيمة الأقل إلى تبديد حراري أفضل. قد تكون قيمة R_θJAالنموذجية لحزمة SMD في حدود 100-200 درجة مئوية/واط.
• أقصى درجة حرارة للوصلة (T_J):أعلى درجة حرارة مسموح بها عند وصلة أشباه الموصلات، وغالبًا ما تكون 125 درجة مئوية أو 150 درجة مئوية. يعد التشغيل دون هذه الدرجة ضروريًا للموثوقية طويلة المدى.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

لضمان اتساق اللون والسطوع في الإنتاج، يتم فرز مصابيح LED إلى مجموعات (Bins).

• تصنيف الطول الموجي/درجة حرارة اللون:يتم تجميع مصابيح LED بناءً على طولها الموجي السائد أو درجة حرارة اللون المترابطة (CCT). قد يكون مخطط التصنيف النموذجي لمصابيح LED البيضاء بخطوات 100K أو 200K ضمن نطاق CCT (مثل 3000K، 3200K، 3500K).
• تصنيف التدفق الضوئي:يتم فرز مصابيح LED وفقًا لناتج الضوء الخاص بها عند تيار اختبار قياسي. يتم تعريف المجموعات (Bins) بقيم لومن دنيا وعليا (مثل Bin A: 80-90 لومن، Bin B: 90-100 لومن).
• تصنيف الجهد الأمامي:يساعد الفرز بناءً على V_Fعند تيار محدد في تصميم دوائر القيادة الفعالة وتحقيق سطوع موحد في السلاسل المتوازية. قد تكون المجموعات (Bins) الشائعة بخطوات 0.1 فولت.

4. تحليل منحنيات الأداء

تعد البيانات الرسومية ضرورية لفهم الأداء تحت ظروف متغيرة.

• منحنى التيار-الجهد (I-V):يُظهر هذا الرسم البياني العلاقة بين التيار الأمامي والجهد الأمامي. إنه غير خطي، ويظهر جهد عتبة قبل أن يزداد التيار بسرعة. هذا المنحنى حيوي لاختيار مقاومات تحديد التيار أو تصميم مشغلات التيار الثابت.
• الخصائص الحرارية:تُظهر الرسوم البيانية عادةً كيف يتغير التدفق الضوئي والجهد الأمامي كدالة لدرجة حرارة الوصلة. ينخفض ناتج الضوء عمومًا مع ارتفاع درجة الحرارة (الخمود الحراري)، بينما ينخفض الجهد الأمامي قليلاً.
• توزيع القدرة الطيفية (SPD):رسم بياني للشدة النسبية للضوء المنبعث عند كل طول موجي. بالنسبة لمصابيح LED البيضاء (المحولة بالفوسفور)، يظهر هذا ذروة LED الزرقاء المضخة وطيف انبعاث الفوسفور الأوسع.

5. معلومات الميكانيكا والتغليف

تضمن البيانات الميكانيكية الدقيقة تصميم PCB صحيحًا والتجميع.

• أبعاد الحزمة:رسومات تفصيلية ذات أبعاد حرجة مثل الطول والعرض والارتفاع وتباعد الأطراف. للحزمة SMD الشائعة مثل 2835 أبعاد اسمية تبلغ 2.8 مم × 3.5 مم.
• تخطيط الوسادة (Footprint):النمط الموصى به لوسادة النحاس على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للحام. يشمل هذا حجم الوسادة وشكلها وتباعدها لضمان تكوين وصلة لحام صحيحة وقوة ميكانيكية.
• تحديد القطبية:علامة واضحة على حزمة LED (غالبًا شق، أو زاوية مقطوعة، أو علامة خضراء على جانب الكاثود) للإشارة إلى الأنود والكاثود من أجل التوصيل الكهربائي الصحيح.

6. إرشادات اللحام والتجميع

المناولة الصحيحة أمر بالغ الأهمية لمنع التلف.

• ملف تعريف لحام إعادة التدفق (Reflow):رسم بياني للوقت-درجة الحرارة يحدد مراحل التسخين المسبق، والنقع، وإعادة التدفق، والتبريد. يجب ألا تتجاوز درجة الحرارة القصوى الحد الأقصى لتحمل LED (غالبًا 260 درجة مئوية لبضع ثوانٍ) لتجنب إتلاف العدسة البلاستيكية أو الروابط الداخلية.
• احتياطات:تجنب الإجهاد الميكانيكي على العدسة. استخدم مادة مساعدة (Flux) خالية من الكلوريدات ولا تحتاج للتنظيف. لا تنظف بطرق الموجات فوق الصوتية بعد اللحام. تأكد من التحكم في درجة حرارة طرف مكواة اللحام إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا.
• ظروف التخزين:يجب تخزين مصابيح LED في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة مع التحكم في درجة الحرارة والرطوبة (مثل <40 درجة مئوية، <60% رطوبة نسبية) لمنع امتصاص الرطوبة وأكسدة الأطراف.

7. معلومات التعبئة والطلب

معلومات للوجيستيات والمشتريات.

• مواصفات التعبئة:يتم توريدها عادةً على شريط مطبوع وبكرة متوافقة مع آلات الالتقاط والوضع الآلي. يتم تحديد حجم البكرة (مثل 7 بوصة، 13 بوصة) والكمية لكل بكرة (مثل 2000 قطعة، 4000 قطعة).
• معلومات وضع العلامات:يتضمن ملصق البكرة رقم الجزء، والكمية، ورقم الدفعة، ورمز التاريخ، ومعلومات التصنيف (Binning).
• قاعدة ترقيم الأجزاء:يشفر رقم الموديل السمات الرئيسية مثل حجم الحزمة، واللون، ودرجة حرارة اللون المترابطة (CCT)، ومجموعة التدفق الضوئي (Flux Bin)، ومجموعة الجهد (Voltage Bin) (مثل LED2835-W-50-80-C1).

8. اقتراحات التطبيق

توجيهات للتنفيذ الفعال.

• دوائر التطبيق النموذجية:التوصيل على التوالي مع مقاوم محدد للتيار لمصادر التيار المستمر منخفضة الجهد، أو تشغيلها بواسطة مشغل LED تيار ثابت مخصص للحصول على أفضل أداء وكفاءة، خاصة في مصفوفات LED المتعددة أو التطبيقات التي تعمل بالتيار المتردد.
• اعتبارات التصميم:تأكد من وجود غطاء حراري كافٍ على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) (فتحات حرارية، مساحة نحاسية) لإدارة درجة حرارة الوصلة. ضع في اعتبارك التصميم البصري (العدسات، المشتتات) لنمط الحزمة الضوئية المطلوب. ضع في الاعتبار اختلاف الجهد الأمامي عند تصميم السلاسل المتوازية لمنع عدم توازن التيار.

9. المقارنة التقنية

يقدم هذا المكون، باعتباره LED SMD موحدًا، تمييزًا من خلال توازنه بين الأداء والتكلفة والموثوقية. مقارنةً بمصابيح LED ذات الثقب المار (Through-Hole)، فإنه يتيح التصغير والتجميع الآلي. مقارنةً بحزم LED الأقدم، فإنه يوفر عادةً كفاءة أعلى (لومن لكل واط) وإدارة حرارية أفضل بسبب وجود وسادة حرارية مكشوفة في بعض التصميمات. يشير إصدار المراجعة المحدد لدورة الحياة (المراجعة: 2) إلى تحسين المنتج المستمر، والذي قد يتضمن تحسينات في المواد (مثل عدسة سيليكون أكثر متانة) أو الطبقة الناشئة لأشباه الموصلات للحصول على كفاءة أعلى أو اتساق لوني أفضل مقارنة بالإصدارات السابقة.

10. الأسئلة الشائعة

إجابات بناءً على استفسارات المعايير التقنية النموذجية.

• س: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من مصدر طاقة 5 فولت؟ج: لا. يجب عليك استخدام مقاوم محدد للتيار على التوالي أو مشغل تيار ثابت. يتم حساب قيمة المقاومة كالتالي: R = (جهد المصدر - V_F) / I_F. بالنسبة لـ LED بجهد 3.2 فولت وعند تيار 20 مللي أمبير من مصدر طاقة 5 فولت، R = (5 - 3.2) / 0.02 = 90 أوم.
• س: لماذا تحتاج مصابيح LED المتوازية إلى مقاومات فردية؟ج: بسبب الاختلافات الطبيعية في V_F، ستتقاسم مصابيح LED المتصلة مباشرة على التوازي التيار بشكل غير متساوٍ. سيسحب LED واحد بجهد أمامي V_Fأقل قليلاً تيارًا أكثر، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة والعطل. تساعد المقاومات الفردية في موازنة التيارات.
• س: ماذا يعني "LifecyclePhase: Revision"؟ج: يشير إلى أن المنتج في حالة نشطة ودعم، حيث قد يتم تحديث الوثائق والمواصفات لتعكس تحسينات طفيفة، أو توضيحات، أو تغييرات في العملية دون تغيير شكل المنتج أو ملاءمته أو وظيفته الأساسية.

11. حالة استخدام عملية

الحالة: إضاءة خلفية لعرض لوحة تحكم صناعية.يحتاج مصمم إلى إضاءة خلفية موحدة وموثوقة وطويلة الأمد لشاشة LCD مقاس 5 بوصات. يختارون مكون LED هذا في نوعية الأبيض البارد (6500K). يتم ترتيب مصابيح LED متعددة في مصفوفة على شريط PCB مرن حول حواف الشاشة، باستخدام بصريات إطلاق جانبي أو إضاءة خلفية مباشرة. تم تصميم مشغل تيار ثابت لتوفير 60 مللي أمبير لكل سلسلة متوالية مكونة من 6 مصابيح LED (إجمالي V_F~19.2 فولت). تربط الفتحات الحرارية وسادات LED بمستوى أرضي كبير على لوحة الدوائر الرئيسية (PCB) لتبديد الحرارة. يضمن مؤشر تجسيد الألوان (CRI) العالي تمثيلًا دقيقًا للألوان على الشاشة. يمنح حالة "المراجعة 2" ثقة في نضج المكون واستقرار إمداده لهذا التطبيق الصناعي طويل العمر.

12. مقدمة عن المبدأ العلمي

الـ LED هو جهاز أشباه موصلات ذو حالة صلبة. يتكون من رقاقة من مادة أشباه الموصلات مخلطة بشوائب لإنشاء وصلة p-n. عند تطبيق جهد أمامي، تتحد الإلكترونات من المنطقة n مع الفجوات من المنطقة p داخل الوصلة، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة في شكل فوتونات. يتم تحديد الطول الموجي (اللون) للضوء المنبعث من خلال فجوة النطاق الطاقي لمادة أشباه الموصلات. على سبيل المثال، يستخدم نيتريد الغاليوم الإنديوم (InGaN) لمصابيح LED الزرقاء والخضراء، بينما يستخدم فوسفيد الألومنيوم الغاليوم الإنديوم (AlGaInP) لمصابيح LED الحمراء والعنبرية. يتم إنشاء مصابيح LED البيضاء عادةً عن طريق طلاء رقاقة LED زرقاء أو فوق بنفسجية بمادة فوسفورية تمتص بعض الضوء الأزرق وتعيد إصداره كضوء أصفر أو طيف أوسع، مما يجتمع لإنتاج الضوء الأبيض.

13. اتجاهات التطوير

تستمر صناعة LED في التطور مع عدة اتجاهات واضحة. تزداد الكفاءة (لومن لكل واط) بثبات، مما يقلل من استهلاك الطاقة للإضاءة. هناك تركيز قوي على تحسين جودة اللون، بما في ذلك قيم مؤشر تجسيد الألوان (CRI) أعلى (90+) واتساق لوني أكثر دقة (تصنيف Bin أضيق). يستمر التصغير، مما يتيح تطبيقات جديدة في الأجهزة فائقة الصغر. الإضاءة الذكية والمتصلة، التي تدمج مصابيح LED مع أجهزة الاستشعار والتحكم، هي مجال متنامٍ. علاوة على ذلك، يهدف البحث في مواد جديدة مثل البيروفسكايت والنقاط الكمومية إلى تحقيق كفاءات أعلى، وتجسيد ألوان أفضل، وتكاليف أقل. يشمل الاتجاه أيضًا تعزيز الموثوقية والعمر الافتراضي تحت تيارات تشغيل أعلى ودرجات حرارة تشغيل أعلى.