ورقة بيانات LED RGB SMD 5515-RGB020AH-AM - 5.5x1.5 مم - أحمر/أخضر/أزرق - 20 مللي أمبير - درجة سيارات

1. نظرة عامة على المنتج

يعد 5515-RGB020AH-AM مكون LED عالي الأداء من نوع SMD، يجمع بين باعثات الضوء الأحمر والأخضر والأزرق (RGB) داخل عبوة واحدة مقاس 5.5 مم × 1.5 مم. تم تصميمه وتأهيله خصيصًا للبيئات الإلكترونية الصارمة في السيارات. تشمل مزاياه الأساسية إخراج ضوئي عالي، وزاوية رؤية واسعة تبلغ 120 درجة، وبناءً قويًا يتوافق مع معايير موثوقية السيارات الصارمة مثل AEC-Q102. السوق المستهدف الرئيسي هو أنظمة الإضاءة الداخلية للسيارات، بما في ذلك الإضاءة الجوية، وإضاءة الخلفية للمفاتيح، وتطبيقات الإضاءة الزخرفية أو الوظيفية الأخرى حيث يكون خلط الألوان والموثوقية أمرًا بالغ الأهمية.

2. تحليل متعمق للمعايير الفنية

2.1 الخصائص الضوئية والبصرية

يتم توصيف أداء LED عند تيار اختبار قياسي قدره 20 مللي أمبير ودرجة حرارة وسادة حرارية تبلغ 25 درجة مئوية. قيم الكثافة الضوئية النموذجية هي 1120 ميللي كانديلا (mcd) للشريحة الحمراء، و2800 mcd للشريحة الخضراء، و450 mcd للشريحة الزرقاء. تمثل هذه القيم أقصى سطوع يمكن تحقيقه في الظروف القياسية. الأطوال الموجية السائدة، التي تحدد اللون المدرك، هي نموذجيًا 621 نانومتر للأحمر، و527 نانومتر للأخضر، و467 نانومتر للأزرق. تشترك الألوان الثلاثة في زاوية رؤية واسعة ومتسقة (2φ) تبلغ 120 درجة، مما يضمن توزيعًا موحدًا للضوء. تسامحات القياس هي ±8% للكثافة الضوئية و±1 نانومتر للطول الموجي السائد.

2.2 المعايير الكهربائية والحرارية

الجهد الأمامي (V_F) عند 20 مللي أمبير هو نموذجيًا 2.00 فولت للأحمر، و2.75 فولت للأخضر، و3.00 فولت للأزرق. تختلف تصنيفات أقصى تيار أمامي مستمر (I_F): 50 مللي أمبير للأحمر و30 مللي أمبير لكل من الأخضر والأزرق. يعود هذا الاختلاف بشكل أساسي إلى اختلاف كفاءة وخصائص المواد شبه الموصلة المختلفة. تصنيفات أقصى تبديد للطاقة المطلقة هي 137.5 مللي واط (أحمر)، و105 مللي واط (أخضر)، و112.5 مللي واط (أزرق). إدارة الحرارة أمر بالغ الأهمية؛ يتم تحديد المقاومة الحرارية من الوصلة إلى نقطة اللحام (R_thJS) بقيم حقيقية (مقاسة) وكهربائية (محسوبة). على سبيل المثال، تصل المقاومة الحرارية الحقيقية إلى 52 كلفن/واط للأحمر و85 كلفن/واط للأخضر/الأزرق، مما يشير إلى الحاجة إلى تصميم حراري مناسب للوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للحفاظ على الأداء والعمر الافتراضي.

2.3 الحدود القصوى المطلقة والموثوقية

تم تصنيف الجهاز لنطاق درجة حرارة تشغيل يتراوح من -40 درجة مئوية إلى +110 درجة مئوية، وهو مناسب للبيئة القاسية داخل السيارة. أقصى درجة حرارة مسموح بها للوصلة هي 125 درجة مئوية. يتميز بحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) مصنفة بـ 2 كيلو فولت (نموذج جسم الإنسان)، وهو أمر ضروري للمناولة أثناء التصنيع. المنتج متوافق مع لوائح RoHS وREACH وخالي من الهالوجين (Br/Cl < 900 جزء في المليون، Br+Cl < 1500 جزء في المليون). كما يلبي فئة المتانة ضد التآكل B1، مما يشير إلى درجة من المقاومة للأجواء المسببة للتآكل، ويتمتع بمستوى حساسية الرطوبة (MSL) 3.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية رئيسية حيوية لتصميم الدائرة والتنبؤ بالأداء.

3.1 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى I-V)

يظهر منحنى I-V العلاقة بين التيار المتدفق عبر LED والجهد عبره. لكل لون منحنى مميز بسبب فجوات النطاق المختلفة لأشباه الموصلات. يتمتع LED الأحمر بأقل جهد أمامي، يليه الأخضر، ثم الأزرق. يستخدم المصممون هذا الرسم البياني لاختيار مقاومات تحديد التيار المناسبة أو إعدادات محرك التيار الثابت لضمان عمل LED ضمن نطاق الجهد المحدد له لتيار مرغوب.

3.2 الكثافة الضوئية النسبية مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا الرسم البياني كيف يتغير إخراج الضوء مع تيار القيادة. عادةً ما تزداد الكثافة الضوئية مع التيار ولكن ليس دائمًا بشكل خطي، خاصة عند التيارات الأعلى حيث قد تنخفض الكفاءة بسبب التسخين. هذه المعلومات حاسمة لتصميم دوائر التعتيم أو تحقيق مستويات سطوع محددة.

3.3 رسوم بيانية للاعتماد على درجة الحرارة

تظهر ثلاثة رسوم بيانية رئيسية تباين الأداء مع درجة حرارة الوصلة (T_j):

1. الكثافة الضوئية النسبية مقابل درجة حرارة الوصلة:ينخفض إخراج الضوء عمومًا مع زيادة درجة الحرارة. يختلف معدل الانخفاض حسب اللون، مما يؤثر على توازن اللون في تطبيقات RGB إذا لم يتم التحكم في درجات الحرارة.

2. الجهد الأمامي النسبي مقابل درجة حرارة الوصلة:ينخفض الجهد الأمامي عادةً مع زيادة درجة الحرارة. يمكن استخدام هذه الخاصية للاستشعار عن درجة الحرارة ولكن يجب أخذها في الاعتبار في أنظمة القيادة بجهد ثابت.

3. انزياح الطول الموجي السائد مقابل درجة حرارة الوصلة:يتغير الطول الموجي للون المنبعث قليلاً مع درجة الحرارة. بينما يكون الانزياح عادةً صغيرًا (بضعة نانومترات على نطاق التشغيل)، إلا أنه يمكن أن يكون مهمًا للتطبيقات الحساسة للألوان.

3.4 منحنيات تخفيض التيار الأمامي

تظهر منحنيات منفصلة للأحمر وللأخضر/الأزرق أقصى تيار أمامي مستمر مسموح به كدالة لدرجة حرارة وسادة اللحام (T_S). مع ارتفاع درجة حرارة PCB، ينخفض أقصى تيار آمن لمنع درجة حرارة الوصلة من تجاوز 125 درجة مئوية. على سبيل المثال، ينخفض أقصى تيار لـ LED الأحمر من 50 مللي أمبير عند درجة حرارة نقطة لحام 103 درجة مئوية إلى 35 مللي أمبير عند 110 درجة مئوية. هذه المنحنيات ضرورية لضمان التشغيل الموثوق في التطبيقات الواقعية ذات درجات الحرارة المحيطة المتغيرة.

3.5 توزيع الطيف ونمط الإشعاع

يظهر الرسم البياني لتوزيع الطيف النسبي شدة الضوء المنبعث عبر طيف الطول الموجي لكل لون. يؤكد الطبيعة النطاقية الضيقة لمصابيح LED، مع قمم عند أطوالها الموجية السائدة. يمثل مخطط الإشعاع النموذجي (غير مفصل بالكامل في المقتطف) زاوية الرؤية البالغة 120 درجة بصريًا، ويظهر كيف تنخفض الشدة عند الزوايا بعيدًا عن المركز (عموديًا على سطح LED).

4. معلومات التصنيف (Binning)

تتضمن ورقة البيانات قسمًا مخصصًا لمعلومات التصنيف (Binning). في تصنيع LED، "التصنيف" هو عملية فرز مصابيح LED بناءً على معايير مقاسة مثل الكثافة الضوئية (السطوع)، والجهد الأمامي (V_F)، والطول الموجي السائد (اللون). هذا ضروري بسبب الاختلافات الطفيفة المتأصلة في عملية إنتاج أشباه الموصلات. تحدد جداول التصنيف (المشار إليها في المحتويات) النطاقات أو الرموز المحددة لكل فئة معلمة. بالنسبة للمصممين، فإن فهم التصنيف أمر بالغ الأهمية لضمان اتساق اللون ومطابقة الأداء الكهربائي عند استخدام مصابيح LED متعددة في تجميع واحد، كما في شريط الإضاءة الجوية. تمثل القيم النموذجية المدرجة في جدول الخصائص مركز التوزيع المتوقع، ولكن الأجزاء المشتراة الفعلية ستندرج في فئات محددة وفقًا لرمز الطلب.

5. المعلومات الميكانيكية والتعبئة

5.1 الأبعاد الميكانيكية

يستخدم المكون بصمة عبوة 5515، مما يشير إلى حجم جسم يبلغ طوله حوالي 5.5 مم وعرضه 1.5 مم. يحدد الرسم الميكانيكي التفصيلي (القسم 7) جميع الأبعاد الحرجة بما في ذلك الارتفاع الكلي، وتباعد الأطراف، وأحجام الوسادات، والتسامحات. هذا الرسم ضروري لمصممي تخطيط PCB لإنشاء البصمة الصحيحة في برنامج CAD الخاص بهم.

5.2 تخطيط وسادات اللحام الموصى به والقطبية

يوفر القسم 8 نمط أرضية موصى به (تصميم وسادة اللحام) لـ PCB. يضمن استخدام هندسة الوسادة الموصى بها تكوين وصلة لحام مناسبة أثناء الريفيو، وقوة ميكانيكية جيدة، ونقل حراري مثالي من الوسادة الحرارية لـ LED إلى PCB. يوضح الرسم أيضًا بوضوح القطبية أو علامة الطرف 1، وهو أمر بالغ الأهمية للتوصيل الكهربائي الصحيح للأنودات الأحمر والأخضر والأزرق والكاثود المشترك (بافتراض تكوين كاثود مشترك، وهو نموذجي لمصابيح LED RGB).

5.3 معلومات التعبئة

يتم توريد مصابيح LED على شريط وبكرة للتجميع الآلي (pick-and-place). يوضح القسم 10 مواصفات التعبئة، بما في ذلك أبعاد البكرة، وعرض الشريط، وتباعد الجيوب، والاتجاه. هذه المعلومات ضرورية لبرمجة معدات التجميع بشكل صحيح.

6. إرشادات اللحام والتجميع

6.1 ملف تعريف لحام الريفيو

يحدد القسم 9 ملف تعريف لحام الريفيو الموصى به. هذا رسم بياني للوقت ودرجة الحرارة يحدد كيفية تسخين تجميع PCB لإذابة معجون اللحام وتكوين وصلات موثوقة دون الإضرار بـ LED. تشمل المعايير الرئيسية منحنى التسخين المسبق، ووقت ودرجة حرارة النقع، ودرجة الحرارة القصوى (لا تتجاوز 260 درجة مئوية لمدة 30 ثانية، وفقًا للحدود القصوى المطلقة)، ومعدل التبريد. الالتزام بهذا الملف الشخصي أمر حيوي للإنتاجية والموثوقية طويلة المدى.

6.2 احتياطات الاستخدام

يسرد القسم 11 احتياطات المناولة والاستخدام المهمة. من المحتمل أن تشمل هذه التحذيرات حول:

- تجنب الإجهاد الميكانيكي على عدسة LED.

- حماية الجهاز من التفريغ الكهروستاتيكي المفرط (ESD) أثناء المناولة، على الرغم من تصنيفه 2 كيلو فولت.

- التأكد من نظافة PCB وعملية التجميع لمنع التلوث.

- اتباع إرشادات تخفيض التيار بناءً على درجة حرارة التشغيل.

- استخدام طرق تحديد التيار المناسبة (مقاومات أو محركات) لمنع التيار الزائد.

6.3 معايير اختبار مقاومة الكبريت

يذكر القسم 12 معايير اختبار الكبريت. قد تحتوي بعض البيئات، خاصة بعض الأجزاء الداخلية للسيارات أو البيئات الصناعية، على غازات كبريتية يمكن أن تسبب تآكل مكونات LED القائمة على الفضة. يتحقق هذا الاختبار من متانة LED ضد مثل هذه الأجواء المسببة للتآكل، وهو جزء من تأهيله لدرجة السيارات.

7. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

التطبيق الأساسي:الإضاءة الجوية الداخلية للسيارات لألواح الأبواب، وأحواض الأقدام، ولإبراز لوحة القيادة، ووسط الكونسول.

التطبيقات الثانوية:الإضاءة الخلفية للأزرار والمفاتيح ولوحات التحكم؛ الإضاءة الزخرفية في الإلكترونيات الاستهلاكية حيث تكون موثوقية درجة السيارات مطلوبة.

7.2 اعتبارات التصميم الحرجة

1. دوائر القيادة:استخدم محركات تيار ثابت للحصول على اتساق لوني وتحكم في السطوع مثاليين، خاصة للتعتيم بـ PWM. إذا كنت تستخدم تحديد تيار بمقاوم بسيط، فاحسب المقاومات بشكل منفصل لكل قناة لونية بسبب اختلاف جهودها الأمامية.

2. الإدارة الحرارية:تتطلب قيم المقاومة الحرارية تصميم PCB مع تخفيف حراري كافٍ. استخدم ثقوب حرارية (thermal vias) تحت الوسادة الحرارية لـ LED متصلة بمستوى أرضي أو صب نحاسي مخصص لتبديد الحرارة.

3. خلط الألوان والتحكم:لتحقيق نطاق واسع من الألوان (بما في ذلك الأبيض)، يوصى بشدة باستخدام تحكم تعديل عرض النبضة (PWM) مستقل لكل قناة لونية. تعني الكثافات الضوئية المختلفة (الأحمر: 1120 mcd، الأخضر: 2800 mcd، الأزرق: 450 mcd) أنه يجب معايرة تيار القيادة أو دورة عمل PWM لكل قناة لتحقيق نقطة بيضاء أو توازن لوني مرغوب فيه.

4. التصميم البصري:زاوية الرؤية البالغة 120 درجة مناسبة للإضاءة المنتشرة ذات المساحة الواسعة. للحصول على ضوء أكثر تركيزًا، ستكون هناك حاجة إلى بصريات ثانوية (عدسات أو أدلة ضوئية). تم تصميم عامل الشكل ذو المنظر الجانبي لإصدار ضوء موازٍ لسطح PCB، وهو مثالي لأدلة الضوء ذات الإضاءة الجانبية.

8. المقارنة الفنية والتمييز

بينما لا يقارن ملف PDF مباشرة بأجزاء أخرى، يمكن استنتاج المميزات الرئيسية لهذا المكون:

- التأهيل للسيارات (AEC-Q102):هذا يميز بشكل كبير عن مصابيح LED ذات الدرجة التجارية، حيث يتضمن اختبارات صارمة لدورات الحرارة، والرطوبة، والتشغيل في درجات حرارة عالية، وغيرها من الضغوطات الخاصة ببيئات السيارات.

- كثافة ضوئية عالية:مخرجات الأخضر والأحمر عالية بشكل خاص لتيار قيادة 20 مللي أمبير، مما قد يقلل من عدد مصابيح LED المطلوبة لمستوى سطوع معين.

- RGB متكامل في عبوة منظر جانبي:يجمع بين ثلاثة ألوان في عبوة مدمجة ومنخفضة الارتفاع مناسبة لتطبيقات الإضاءة الخلفية المحدودة المساحة، مما يلغي الحاجة إلى وضع ثلاثة مصابيح LED منفصلة.

- مقاومة التآكل والكبريت:يلبي معايير محددة للبيئات القاسية، وهو ما لا توفره العديد من مصابيح LED القياسية.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير الفنية)

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED بمصدر طاقة 5 فولت؟

أ: نعم، ولكن يجب عليك استخدام مقاومات تحديد التيار. على سبيل المثال، لـ LED الأزرق (V_Fنموذجي 3.0 فولت @20 مللي أمبير)، ستكون قيمة المقاومة R = (5 فولت - 3.0 فولت) / 0.020 أمبير = 100 أوم. استخدم دائمًا أقصى V_Fمن ورقة البيانات لتصميم قوي.

س: لماذا تختلف التيارات القصوى للأحمر مقابل الأخضر/الأزرق؟

أ: هذا بسبب الاختلافات في كفاءة المواد شبه الموصلة وخصائصها الحرارية. يمكن للشريحة الحمراء (على الأرجح AlInGaP) عادةً تحمل كثافات تيار أعلى من الشرائح الخضراء/الزرقاء (على الأرجح InGaN) ضمن نفس قيود الحرارة للعبوة.

س: كيف يمكنني إنشاء ضوء أبيض باستخدام هذا LED RGB؟

أ: يتم إنشاء الضوء الأبيض عن طريق خلط الألوان الأساسية الثلاثة. بسبب اختلاف الكثافات الضوئية، لا يمكنك ببساطة تشغيل الثلاثة بنفس التيار. يجب عليك ضبط الشدة النسبية لكل قناة (عبر قيم مقاومات مختلفة أو دورات عمل PWM) للخلط إلى نقطة بيضاء محددة (مثل D65). وهذا يتطلب معايرة.

س: ما معنى MSL 3؟

أ: مستوى حساسية الرطوبة 3 يعني أن مصابيح LED المعبأة يمكن تعريضها لظروف أرضية المصنع (≤30 درجة مئوية / 60% رطوبة نسبية) لمدة تصل إلى 168 ساعة (7 أيام) قبل أن يجب لحامها. إذا تم تجاوز ذلك، فإنها تتطلب خبزًا لإزالة الرطوبة الممتصة التي قد تسبب "انفجار الفشار" (تشقق العبوة) أثناء لحام الريفيو.

10. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو:تصميم شريط إضاءة جوي بلوحة باب سيارة باستخدام عشرة مصابيح LED من نوع 5515-RGB020AH-AM.

الخطوات:

1. تخطيط PCB:ضع مصابيح LED بتخطيط الوسادة الموصى به. قم بتوصيل الوسادة الحرارية بمنطقة نحاسية كبيرة بها عدة ثقوب حرارية (thermal vias) إلى مستوى أرضي داخلي لتبديد الحرارة. تأكد من أن مسارات الأنودات الثلاثة والكاثود المشترك ذات حجم مناسب.

2. دائرة القيادة:اختر دائرة متكاملة (IC) لمحرك LED ذي تيار ثابت من 3 قنوات مصممة للاستخدام في السيارات. اضبط حد التيار للمحرك على 20 مللي أمبير لكل قناة لكل LED. نظرًا لأن عشرة مصابيح LED متصلة على التوازي في كل قناة، يجب أن يزود المحرك 200 مللي أمبير لكل قناة لونية. بدلاً من ذلك، قم بتوصيل مصابيح LED على التوالي لمطابقة تيار أفضل، ولكن هذا يتطلب جهد إمداد أعلى.

3. التحليل الحراري:احسب أسوأ حالة لتبديد الطاقة: (10 مصابيح LED * (2.0 فولت * 0.02 أمبير للأحمر)) + (10 * (2.75 فولت * 0.02 أمبير للأخضر)) + (10 * (3.0 فولت * 0.02 أمبير للأزرق)) = 0.4 واط + 0.55 واط + 0.6 واط = 1.55 واط إجمالي. باستخدام المقاومة الحرارية، قم بتقدير ارتفاع درجة الحرارة وتأكد من بقائها ضمن حدود منحنى التخفيض لدرجة الحرارة المحيطة المتوقعة للمقصورة (مثل 85 درجة مئوية).

4. التحكم في اللون:استخدم متحكمًا دقيقًا (microcontroller) لتوليد إشارات PWM لمدخلات التعتيم في IC المحرك. برمج جداول بحثية لإنتاج الألوان المطلوبة (مثل ألوان جوية خاصة بالعلامة التجارية). قم بمعايرة نسب PWM للأحمر والأخضر والأزرق في التجميع النهائي لمراعاة اختلافات التصنيف (binning) وتحقيق ضوء أبيض متسق عبر جميع الأبواب.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء) هو جهاز شبه موصل يصدر ضوءًا عندما يمر تيار كهربائي عبره. تسمى هذه الظاهرة بالكهرباء الضوئية (electroluminescence). يحتوي 5515-RGB020AH-AM على ثلاث شرائح شبه موصلة منفصلة (dice) داخل عبوة واحدة:

- الشريحةالحمراءتُصنع عادةً من مادة فوسفيد الألومنيوم إنديوم جاليوم (AlInGaP).

- الشريحتانالخضراءوالزرقاءتُصنعان عادةً من مادة نيتريد الإنديوم جاليوم (InGaN).

كل شريحة لها وصلة p-n. عند تطبيق جهد أمامي يتجاوز عتبة الشريحة المميزة، تتحد الإلكترونات والفجوات عند الوصلة، وتطلق الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). يحدد طاقة فجوة النطاق للمادة شبه الموصلة الطول الموجي المحدد (اللون) للضوء. ثم ينبعث الضوء من خلال عدسة إيبوكسي مصبوبة توفر أيضًا حماية ميكانيكية وتشكيل الحزمة (زاوية 120 درجة). تشترك الشرائح الثلاث في توصيل كاثود مشترك لتبسيط الدائرة الخارجية.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يتم دفع تطور مصابيح LED مثل 5515-RGB020AH-AM من خلال عدة اتجاهات واضحة في الصناعة:

1. زيادة التكامل والتقليص:دمج ألوان متعددة (RGB، RGBW) في عبوات أصغر حجمًا مع الحفاظ على إخراج الضوء أو زيادته.

2. كفاءة أعلى (لومن لكل واط):تؤدي التحسينات المستمرة في الطبقة النمو البلوري لأشباه الموصلات وتصميم الشرائح إلى مزيد من إخراج الضوء لنفس المدخلات الكهربائية، مما يقلل من استهلاك الطاقة والحمل الحراري.

3. موثوقية ومتانة محسنة:تؤدي المعايير الأكثر صرامة للتطبيقات السيارات والصناعية والهواء الطلق إلى تحسينات في المواد (مثل عدسات أكثر متانة، وتشطيبات مقاومة للتآكل) والتعبئة لتحمل درجات حرارة ورطوبة ودورات حرارية أعلى.

4. جودة لون واتساق محسّنان:تسامحات تصنيف (binning) أضيق وتطوير مصابيح LED بخصائص طيفية محددة لتلبية متطلبات مؤشر تجسيد اللون العالي (CRI) للإضاءة المتميزة.

5. إضاءة ذكية ومتصلة:يتم تصميم مصابيح LED بشكل متزايد لتكون مقترنة بمحركات متكاملة وواجهات اتصال (مثل I2C أو LIN في السيارات) للتحكم الديناميكي في الألوان القابلة للتوجيه، متجاوزة التعتيم التناظري البسيط.