ورقة بيانات LED RGB SMD طراز 12-23C - شريط 8 مم - تشغيل بجهد 5 فولت - تحكم PWM بـ 256 مستوى رمادي - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد الطراز 12-23C جهازًا مضغوطًا للتركيب السطحي (SMD) يدمج ثلاث شرائح LED فردية (أحمر، أخضر، أزرق) مع محرك تيار ثابت مخصص ثلاثي القنوات مدمج في دائرة متكاملة (IC). هذا التكامل يُمكن من تحقيق قدرة الألوان الكاملة مع تحكم رقمي دقيق في عبوة واحدة مصغرة. تكمن الميزة الأساسية في تمكين تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) عالية الكثافة للتطبيقات التي تتطلب إضاءة ملونة نابضة بالحياة ويمكن التحكم فيها ديناميكيًا دون تعقيد دوائر السائق الخارجية.

يتم تشغيل الوظيفة الأساسية بواسطة دائرة متكاملة تستقبل إشارة بيانات رقمية تسلسلية. تحتوي هذه الإشارة على 24 بت من البيانات (8 بت لكل قناة لونية)، مما يسمح بـ 256 مستوى رمادي متميز لكل لون، مما ينتج عنه أكثر من 16 مليون تركيبة لونية ممكنة. يتم تغليف الجهاز على شريط بعرض 8 مم ويتم توريده على بكرات بقطر 7 بوصات، مما يجعله متوافقًا تمامًا مع معدات التجميع الآلي عالية السرعة (Pick-and-Place).

2. الغوص العميق في المواصفات الفنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. يجب أن يظل التشغيل دائمًا ضمن هذه الحدود.

• جهد التغذية (VDD):+3.8 فولت إلى +5.5 فولت. هذا هو نطاق الجهد لدائرة التحكم والمنطق في محرك التيار الثابت المدمج.
• جهد الخرج (VOUT):17 فولت كحد أقصى. يتعلق هذا التصنيف بقدرة تحمل الجهد لترانزستورات الخرج الداخلية للمحرك المتصلة بمصاعد الـ LED.
• جهد الإدخال (VIN):-0.5 فولت إلى VDD+0.5 فولت. ينطبق على أطراف الإدخال الرقمية (DIN). تجاوز هذا يمكن أن يتلف هياكل الحماية المدخلة.
• التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):2000 فولت (نموذج جسم الإنسان). يشير إلى مستوى معتدل من الحماية من ESD؛ لا يزال يوصى بإجراءات التعامل المناسبة.
• درجة حرارة التشغيل (Topr):-20°م إلى +70°م. نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الموثوق.
• درجة حرارة التخزين (Tstg):-40°م إلى +90°م.
• درجة حرارة اللحام:تم تصنيف الجهاز للحام بإعادة التدفق (Reflow) بدرجة حرارة ذروية تبلغ 260°م لمدة 10 ثوانٍ، أو للحام اليدوي عند 350°م لمدة 3 ثوانٍ.

2.2 ظروف التشغيل الموصى بها

هذه هي الظروف للأداء الأمثل والمضمون.

• جهد التغذية (VDD):5.0 فولت (نموذجي). تم تصميم الجهاز لتشغيل بجهد منطقي 5 فولت.
• مستويات المنطق للإدخال:
  • جهد الإدخال للمستوى العالي (VIH): 0.7*VDD كحد أدنى. يجب أن تكون الإشارة أعلى من هذا المستوى لتعرف على أنها منطق '1'.
  • جهد الإدخال للمستوى المنخفض (VIL): 0.3*VDD كحد أقصى. يجب أن تكون الإشارة أقل من هذا المستوى لتعرف على أنها منطق '0'.
• زمن تأخر الانتشار (TPLZ):300 نانوثانية كحد أقصى. هذا هو زمن التأخر لإشارة البيانات للانتشار من طرف DIN إلى طرف DOUT، وهو أمر بالغ الأهمية لتحديد أقصى سرعة إرسال للبيانات في التكوينات المتسلسلة (Daisy-Chain).
• زمن هبوط الخرج (TTHZ):20 ميكروثانية كحد أقصى لقنوات الخرج R/G/B. يؤثر هذا على خصائص تبديل PWM.
• سعة الإدخال (CI):15 بيكوفاراد كحد أقصى. الحمل السعوي الذي يقدمه طرف DIN.

2.3 الخصائص الكهروضوئية

تم القياس عند تيار أمامي (IF) قدره 5 مللي أمبير لكل شريحة لون ودرجة حرارة محيطة (Ta) تبلغ 25°م.

• شدة الإضاءة (Iv):
  • الأحمر (RS): تتراوح القيم النموذجية من 22.5 مللي كانديلا إلى 72.0 مللي كانديلا، اعتمادًا على التصنيف المحدد (Bin).
  • الأخضر (GH): تتراوح القيم النموذجية من 45.0 مللي كانديلا إلى 140.0 مللي كانديلا.
  • الأزرق (BH): تتراوح القيم النموذجية من 18.0 مللي كانديلا إلى 57.0 مللي كانديلا.
• زاوية الرؤية (2θ1/2):130 درجة (نموذجي). زاوية الرؤية الواسعة هذه هي سمة لعدسة الراتنج الأبيض المشتت.
• الطول الموجي الذروي (λp):
  • الأحمر: 632 نانومتر
  • الأخضر: 518 نانومتر
  • الأزرق: 468 نانومتر
• الطول الموجي السائد (λd):الطول الموجي الملحوظ للون.
  • الأحمر: 617.5 نانومتر إلى 629.5 نانومتر
  • الأخضر: 525.0 نانومتر إلى 540.0 نانومتر
  • الأزرق: 464.5 نانومتر إلى 476.5 نانومتر
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):
  • الأحمر: 20 نانومتر
  • الأخضر: 35 نانومتر
  • الأزرق: 25 نانومتر

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتم فرز الجهاز إلى تصنيفات (Bins) بناءً على معايير بصرية رئيسية لضمان اتساق اللون والسطوع داخل الدفعة الإنتاجية الواحدة.

3.1 تصنيف شدة الإضاءة

يتم تصنيف كل شريحة لونية بشكل منفصل. يحدد رمز التصنيف (مثل M2، N1، P2) نطاقًا أدنى وأعلى لشدة الإضاءة عند IF=5mA. على سبيل المثال، الشريحة الحمراء في التصنيف P1 لها شدة إضاءة بين 45.0 و 57.0 مللي كانديلا. توفر ورقة البيانات جداول مفصلة للأحمر (RS)، والأخضر (GH)، والأزرق (BH). ينطبق تسامح ±11% على شدة الإضاءة.

3.2 تصنيف الطول الموجي السائد

على غرار الشدة، يتم أيضًا تصنيف الطول الموجي السائد للتحكم في نقطة اللون. على سبيل المثال، الشريحة الخضراء في التصنيف 'Y' لها طول موجي سائد بين 525.0 نانومتر و 530.0 نانومتر. توفر ورقة البيانات جداول للألوان الثلاثة. تم تحديد تسامح ±1 نانومتر للطول الموجي السائد.

4. تحليل الأداء والتوقيت

4.1 مخطط الموجة الزمني وبروتوكول الاتصال

يستخدم الجهاز بروتوكول اتصال تسلسلي أحادي السلك. يتم توقيت إدخال البيانات على الحافة الصاعدة للإشارة. يحدد البروتوكول مستويين منطقيين: رمز '0' ورمز '1'، لكل منهما متطلبات زمنية محددة للفترة العالية (T1H, T0H) والفترة المنخفضة (T1L, T0L).

• T0H:300 نانوثانية ±80 نانوثانية (رمز 0، زمن المستوى العالي).
• T0L:900 نانوثانية ±80 نانوثانية (رمز 0، زمن المستوى المنخفض).
• T1H:900 نانوثانية ±80 نانوثانية (رمز 1، زمن المستوى العالي).
• T1L:300 نانوثانية ±80 نانوثانية (رمز 1، زمن المستوى المنخفض).
• RES (زمن إعادة التعيين):>50 ميكروثانية. إشارة منخفضة على DIN تستمر لفترة أطول من هذا تقوم بإعادة تعيين مسجل الإزاحة الداخلي وتثبيت البيانات على الخرج.

يتم إرسال 24 بت من البيانات بالتسلسل: عادةً 8 بت للأخضر، و 8 بت للأحمر، و 8 بت للأزرق (ترتيب GRB). يمكن ربط بيانات أجهزة متعددة على التوالي (Daisy-Chain) من منفذ DOUT لجهاز واحد إلى منفذ DIN للجهاز التالي.

4.2 دائرة التطبيق

بالنسبة لنظام 5 فولت، توصي ورقة البيانات بوضع مكثف فصل (Decoupling) سعته 0.1 ميكروفاراد بين طرفي AVDD (الطاقة) و GND، ووضعه أقرب ما يمكن إلى الجهاز لتقليل الضوضاء وضمان تشغيل مستقر. المحرك الداخلي من نوع التيار الثابت؛ ومع ذلك، تشير القيم القصوى المطلقة إلى أنه قد تكون هناك حاجة إلى مقاومات خارجية للحد من التيار اعتمادًا على جهد المصدر المطبق (الجهد عند مصعد LED، وهو أعلى من VDD) لمنع حالات التيار الزائد. يتم تحديد قيم المقاوم المحددة بواسطة تيار LED المستهدف والجهد الأمامي لشرائح LED عند ذلك التيار.

5. معلومات الميكانيكا والتغليف

5.1 أبعاد العبوة

يتميز الجهاز ببصمة SMD مضغوطة. يظهر الرسم البعدي حجم الجسم وتكوين الأطراف. جميع التسامحات غير المحددة هي ±0.1 مم. توزيع الأطراف (Pinout) كما يلي:

1. DIN:إدخال البيانات لإشارة التحكم التسلسلية.
2. GND:الأرضي المشترك لكل من البيانات والطاقة.
3. DOUT:خرج البيانات للتوصيل التسلسلي (Daisy-Chain) بالجهاز التالي.
4. AVDD:إدخال مصدر الطاقة، يتم توصيله بـ +5 فولت.

5.2 مواصفات التغليف

يتم توريد الجهاز في تغليف مقاوم للرطوبة.

• الشريط الحامل (Carrier Tape):شريط بعرض 8 مم على بكرة قطرها 7 بوصات. تحتوي كل بكرة على 2000 قطعة.
• الحساسية للرطوبة:المكونات حساسة للرطوبة (على الأرجح MSL 3 أو ما شابه). تشمل الاحتياطات:
  • التخزين قبل فتح الكيس: ≤30°م / ≤90% رطوبة نسبية.
  • مدة الصلاحية بعد فتح الكيس: 24 ساعة عند ≤30°م / ≤60% رطوبة نسبية.
  • يجب إعادة تغليف الأجزاء غير المستخدمة بمجفف إذا تجاوزت مدة الصلاحية.
  • مطلوب تجفيف (Baking) إذا أظهر مؤشر المجفف التشبع أو تم تجاوز وقت التخزين.
• أبعاد البكرة والشريط:يتم توفير رسومات مفصلة للبكرة، وجيوب الشريط الحامل، والشريط الغطائي.
• معلومات الملصق:يتضمن ملصق البكرة حقولًا لرقم جزء العميل (CPN)، ورقم المنتج (P/N)، والكمية (QTY)، ورموز التصنيف المحددة لشدة الإضاءة (CAT)، والطول الموجي (HUE)، والجهد الأمامي (REF).

6. إرشادات اللحام والتركيب والاستخدام

6.1 توافق عملية اللحام

يتوافق الطراز 12-23C مع عمليات لحام إعادة التدفق (Reflow) بالأشعة تحت الحمراء والطور البخاري، مع الالتزام بالملف الزمني بدرجة حرارة ذروية تبلغ 260°م لمدة تصل إلى 10 ثوانٍ. كما أنه مصنف للحام اليدوي عند 350°م لمدة 3 ثوانٍ. المنتج خالي من الرصاص ومتوافق مع معايير RoHS، و EU REACH، والخالي من الهالوجين (Br <900 جزء في المليون، Cl <900 جزء في المليون، Br+Cl <1500 جزء في المليون).

6.2 احتياطات استخدام حرجة

• حماية التيار الزائد:من الضروري استخدام مقاومات خارجية للحد من التيار على التوالي مع كل قناة لونية من LED. يتمتع جهد LED الأمامي بمعامل درجة حرارة سالب، مما يعني أن التيار يزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. بدون المقاومات، حتى زيادة صغيرة في جهد التغذية أو درجة حرارة الوصلة يمكن أن تؤدي إلى هروب حراري وفشل الجهاز.
• احتياطات ESD:على الرغم من تصنيفه بـ 2000 فولت HBM، يجب اتباع إجراءات التعامل القياسية مع ESD أثناء التجميع والتعامل.
• إدارة الحرارة:تقتصر درجة حرارة الوصلة القصوى للتشغيل بواسطة دائرة المحرك المتكاملة وشرائح LED. يجب استخدام مساحة نحاسية كافية في اللوحة (PCB) (تخفيف حراري) لوسادة GND لتبديد الحرارة، خاصة عند تشغيل مصابيح LED بتيارات أعلى.

7. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• شاشات عرض الفيديو LED الداخلية/الخارجية:مثالي للشاشات ذات المسافة البينية الدقيقة نظرًا لصغر الحجم، والمحرك المدمج، وقابلية التوصيل التسلسلي.
• شرائط إضاءة LED كاملة الألوان:يمكن من شرائط إضاءة RGB القابلة للعنونة والبرمجة.
• إضاءة LED الزخرفية:الإضاءة المعمارية، اللافتات، وإضاءة الأجواء.
• الإضاءة الخلفية:لوحات العدادات، المفاتيح، شاشات LCD، والرموز حيث يكون اللون الديناميكي مرغوبًا فيه.
• معدات الاتصالات:مؤشرات الحالة والإضاءة الخلفية لوحة المفاتيح.

7.2 اعتبارات التصميم

• مصدر الطاقة:استخدم مصدر طاقة 5 فولت منظم ونظيف. مكثف الفصل 0.1µF حاسم لمقاومة الضوضاء.
• سلامة خط البيانات:للحواسيب التسلسلية الطويلة أو البيانات عالية السرعة، ضع في اعتبارك معاوقة المسار والحاجة المحتملة لمقاومة على التوالي بالقرب من خرج السائق لتقليل الرنين.
• ضبط التيار:احسب قيمة المقاوم الخارجي (Rext) باستخدام الصيغة: Rext = (Vdrain - Vf_led - Vds_sat) / Iled_target. حيث Vdrain هو جهد مصدر المصعد (<17 فولت)، Vf_led هو الجهد الأمامي لـ LED عند التيار المستهدف، Vds_sat هو جهد تشبع ترانزستور خرج السائق (من ورقة بيانات دائرة المحرك المتكاملة، إذا كانت متاحة)، و Iled_target هو تيار LED المطلوب (مثل 5mA لقياسات المواصفات).
• اتساق اللون:للتطبيقات التي تتطلب لونًا موحدًا، حدد رموز تصنيف ضيقة (CAT و HUE) من المورد.

8. المقارنة الفنية والتمييز

يتمثل التمييز الأساسي للطراز 12-23C في دمج شرائح LED ودائرة المحرك المتكاملة. مقارنة باستخدام مصابيح LED منفصلة مع دائرة محرك منفصلة، يقدم هذا الحل:

• تقليل عدد المكونات:أجزاء أقل للوضع واللحام.
• بصمة أصغر:يمكن من تصميمات أعلى كثافة.
• تبسيط تخطيط اللوحة (PCB Layout):لا حاجة لتوجيه مسارات السائق عالية التيار من دائرة متكاملة مركزية إلى مصابيح LED بعيدة.
• تبسيط التحكم الرقمي:خط بيانات واحد يتحكم في اللون والسطوع، مما يقلل من عدد أطراف المتحكم الدقيق (Microcontroller) وتعقيد البرنامج مقارنة بالتحكم التناظري PWM للقنوات المنفصلة.
• التوصيل التسلسلي (Daisy-Chaining):يبسط الأسلاك للمصفوفات الخطية مثل شرائط الإضاءة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير الفنية)

س: ما هو أقصى معدل بيانات يمكنني استخدامه؟

ج: العامل المحدد هو زمن تأخر الانتشار (300 نانوثانية كحد أقصى) ومتطلبات التوقيت لـ T0H/T1H. التقدير المحافظ لفترة البيانات هو حوالي 1.2 ميكروثانية (T0H+T0L لـ '0')، وهو ما يعادل معدل بيانات يبلغ حوالي 833 كيلوهرتز. ومع ذلك، فإن زمن إعادة التعيين (50 ميكروثانية) بين الإطارات سيقلل من معدل التحديث الفعال.

س: هل يمكنني تشغيل مصابيح LED بأكثر من 5 مللي أمبير؟

ج: تحدد ورقة البيانات الخصائص فقط عند 5 مللي أمبير. التشغيل بتيارات أعلى سيزيد من الناتج الضوئي ولكنه يزيد أيضًا من تبديد الطاقة، ودرجة حرارة الوصلة، وقد يقلل من العمر الافتراضي. التيار الأقصى محدود بقدرة دائرة المحرك المتكاملة وتصنيفات LED نفسها، والتي لم يتم تفصيلها بالكامل هنا. تخفيض التصنيف (Derating) والتحليل الحراري أمران ضروريان.

س: كيف أحسب قيمة المقاوم الخارجي؟

ج: كما هو موضح في القسم 7.2. أنت بحاجة إلى منحنى Vf لـ LED (غالبًا ما يتم تقديره من القيم النموذجية في ورقة البيانات) وجهد مصدر المصعد الخاص بك (Vdrain). Vdrain الشائع هو 12 فولت. مثال لمصباح LED أحمر عند 5 مللي أمبير: إذا كان Vf_red ≈ 2.0 فولت و Vds_sat ≈ 0.6 فولت، فإن R = (12 فولت - 2.0 فولت - 0.6 فولت) / 0.005 أمبير = 1880 أوم. استخدم القيمة القياسية الأقرب.

س: ما الفرق بين الطول الموجي الذروي والطول الموجي السائد؟

ج: الطول الموجي الذروي (λp) هو الطول الموجي عند أعلى نقطة في منحنى توزيع القدرة الطيفية لـ LED. الطول الموجي السائد (λd) هو الطول الموجي للضوء أحادي اللون النقي الذي يطابق اللون الملحوظ لـ LED. λd أكثر صلة بخلط الألوان وتطبيقات العرض.

10. مبادئ التشغيل

يعمل الجهاز على مبدأ بسيط. يستقبل مسجل إزاحة داخلي بيانات تسلسلية على طرف DIN. يتم توقيت إدخال هذه البيانات بتًا تلو الآخر بناءً على توقيت إشارة الإدخال. بعد استلام 24 بت، تقوم إشارة منخفضة على DIN تستمر لفترة أطول من زمن RES (50 ميكروثانية) بتثبيت هذه البيانات في مسجل احتفاظ. تتحكم قيمة مسجل الاحتفاظ في ثلاثة مولدات منفصلة لتعديل عرض النبضة (PWM)، واحد لكل قناة لونية (أحمر، أخضر، أزرق). تحدد كل قيمة 8 بت (0-255) دورة عمل مولد PWM المقابل، وبالتالي تتحكم في متوسط التيار، وبالتالي سطوع كل شريحة LED مع مرور الوقت. تدمج العين البشرية هذا الوميض السريع، وتدركه كلون ثابت بكثافة قابلة للتعديل. يوفر طرف DOUT نسخة مخزنة مؤقتًا من تيار بيانات الإدخال، مما يسمح بالتوصيل التسلسلي السلس لعدد غير محدود من الأجهزة اللاحقة.