مصباح LED RGB ذو دائرة متكاملة مضمنة - 5.0x5.0x1.6 مم - 4.2-5.5 فولت - 358 ميغاواط - عدسة بيضاء منتشرة - ورقة البيانات التقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُفصّل هذا المستند مواصفات مكون مصباح LED من نوع جهاز السطح المُركب (SMD) الذي يدمج شرائح أشباه الموصلات الحمراء والخضراء والزرقاء (RGB) مع دائرة متكاملة (IC) مخصصة للقيادة داخل حزمة واحدة مدمجة. تم تصميم هذا الحل المتكامل لتبسيط تطبيقات التيار الثابت للمصممين، مما يلغي الحاجة إلى مقاومات خارجية للحد من التيار أو دوائر قيادة معقدة لكل قناة لونية. يتم تغليف الجهاز بعدسة بيضاء منتشرة، مما يساعد على مزج الضوء من الشرائح اللونية الفردية لإنشاء إخراج لوني أكثر تجانسًا وانتشارًا، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات إضاءة المؤشرات والإضاءة الزخرفية.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

الميزة الأساسية لهذا المكون هي مستوى التكامل العالي. من خلال تضمين دائرة متكاملة لقيادة PWM (تعديل عرض النبضة) بتيار ثابت 8 بت، فإنه يوفر تحكمًا رقميًا دقيقًا في سطوع كل لون من ألوان RGB مع 256 خطوة متميزة، مما يتيح إنشاء أكثر من 16.7 مليون تركيبة لونية. يسمح بروتوكول نقل البيانات التسلسلي أحادي السلك بتسلسل وحدات متعددة والتحكم فيها من خلال دبوس واحد في المتحكم الدقيق، مما يقلل بشكل كبير من تعقيد الأسلاك ومتطلبات مداخل/مخارج المتحكم في تطبيقات LED المتعددة.

هذا يجعل المكون مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات المحدودة المساحة والحساسة للتكلفة التي تتطلب تأثيرات إضاءة متعددة الألوان أو كاملة الألوان. تشمل أسواقه المستهدفة، على سبيل المثال لا الحصر، مؤشرات الحالة في الإلكترونيات الاستهلاكية ومعدات الشبكات، والإضاءة الخلفية للوحة الأمامية، وشرائط الإضاءة الزخرفية، ووحدات الألوان الكاملة، وعناصر شاشات الفيديو LED الداخلية أو اللافتات. الحزمة متوافقة مع معدات التجميع الآلي "اختر ووضع" وعمليات اللحام بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء (IR) القياسية، مما يسهل التصنيع بكميات كبيرة.

2. المعلمات التقنية: تفسير موضوعي متعمق

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه الحدود حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل عند أو تحت هذه الحدود.

• تبديد الطاقة (P_D): 358 ميغاواط. هذه هي أقصى طاقة إجمالية يمكن للحزمة تبديدها كحرارة. يتجاوز هذا الحد خطر ارتفاع درجة حرارة الدائرة المتكاملة الداخلية وشرائح LED.
• نطاق جهد الإمداد (V_DD): +4.2 فولت إلى +5.5 فولت. تم تصميم الدائرة المتكاملة المضمنة لمصدر منطقي اسمي 5 فولت. قد يؤدي تطبيق جهد خارج هذا النطاق إلى إتلاف دائرة التحكم.
• تيار الأمامي الإجمالي (I_F): 65 مللي أمبير. هذا هو الحد الأقصى لمجموع التيارات عبر القنوات الحمراء والخضراء والزرقاء مجتمعة.
• درجة حرارة التشغيل (T_a): -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية. يتم ضمان عمل الجهاز ضمن نطاق درجة الحرارة المحيطة هذا.
• درجة حرارة التخزين: -40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. يمكن تخزين الجهاز دون تطبيق طاقة ضمن هذا النطاق الأوسع.

2.2 الخصائص البصرية

تم القياس عند درجة حرارة محيطة (T_a) قدرها 25 درجة مئوية وجهد إمداد (V_DD) قدره 5 فولت مع ضبط جميع القنوات اللونية على أقصى سطوع (البيانات = 8'b11111111).

• شدة الإضاءة (I_V):
  • الأحمر (AlInGaP): 600 - 1200 ميللي كانديلا (نموذجي)
  • الأخضر (InGaN): 1100 - 2200 ميللي كانديلا (نموذجي)
  • الأزرق (InGaN): 270 - 540 ميللي كانديلا (نموذجي)
  تظهر الشريحة الخضراء عادةً أعلى إخراج، تليها الحمراء، ثم الزرقاء. هذا الخلل شائع في مصابيح LED RGB ويجب أخذه في الاعتبار في خوارزميات مزج الألوان لتحقيق نقطة بيضاء مرغوبة أو لون محدد.
• زاوية المشاهدة (2θ_1/2): 120 درجة. هذه الزاوية الواسعة للمشاهدة، المُعرَّفة على أنها الزاوية التي تنخفض فيها الشدة إلى نصف قيمتها على المحور، هي سمة مميزة للعدسة البيضاء المنتشرة، مما يوفر نمط إضاءة واسعًا وناعمًا مناسبًا لإضاءة المساحات.
• الطول الموجي السائد (λ_d):
  • الأحمر: 615 - 630 نانومتر
  • الأخضر: 515 - 530 نانومتر
  • الأزرق: 455 - 470 نانومتر
  تحدد هذه النطاقات اللون الأساسي للضوء المنبعث من كل شريحة. يحدد التصنيف المحدد داخل هذه النطاقات لوحدة معينة إحداثيات لونها الدقيقة.

2.3 الخصائص الكهربائية

محددة على كامل نطاق درجة حرارة التشغيل (-40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية) ونطاق جهد الإمداد (4.2 فولت إلى 5.5 فولت).

• تيار خرج الدائرة المتكاملة لكل قناة (I_F): 20 مللي أمبير (نموذجي). تنظم دائرة القيادة المضمنة التيار المزود لكل شريحة LED فردية حمراء وخضراء وزرقاء إلى هذه القيمة الثابتة، مما يضمن سطوعًا ثابتًا واتساقًا في اللون بغض النظر عن اختلافات جهد الأمامي.
• مستويات المنطق للإدخال:
  • جهد الإدخال عالي المستوى (V_IH): 2.7 فولت كحد أدنى إلى V_DD. متوافق مع مخرجات المتحكم الدقيق 3.3 فولت و5 فولت.
  • جهد الإدخال منخفض المستوى (V_IL): 0 فولت إلى 1.0 فولت كحد أقصى.
• تيار الخمول للدائرة المتكاملة (I_DD): 1.5 مللي أمبير (نموذجي). هذا هو التيار الذي تستهلكه دائرة القيادة المضمنة نفسها عندما تكون جميع مخرجات LED مغلقة (جميع بتات البيانات هي '0').

3. شرح نظام التصنيف

3.1 تصنيف إحداثيات اللون CIE

يوفر المستند جدول تصنيف لوني يعتمد على إحداثيات اللون CIE 1931 (x, y). يتم اختبار الضوء المنبعث من كل LED وتصنيفه إلى فئات محددة (مثل A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3). يتم تعريف كل فئة بمنطقة رباعية على مخطط اللونية، محددة بأربع نقاط إحداثية (x, y). التسامح للتنسيب داخل الفئة هو +/- 0.01 في كل من إحداثيات x و y. يضمن هذا التصنيف اتساق اللون بين دفعات الإنتاج المختلفة. يمكن للمصممين تحديد رمز فئة عند الطلب لتحقيق تطابق لوني أكثر دقة في تطبيقهم، وهو أمر بالغ الأهمية للشاشات أو التركيبات متعددة مصابيح LED حيث يكون تجانس اللون أمرًا أساسيًا.

4. تحليل منحنيات الأداء

4.1 الشدة النسبية مقابل الطول الموجي (توزيع الطيف)

يظهر الرسم البياني المقدم (الشكل 1) توزيع القدرة الطيفية النسبية للشرائح الحمراء والخضراء والزرقاء. يعرض كل منحنى ذروة مميزة تتوافق مع نطاق طوله الموجي السائد. يتركز المنحنى الأحمر حول ~625 نانومتر، والأخضر حول ~525 نانومتر، والأزرق حول ~465 نانومتر. يؤثر عرض هذه القمم (العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى) على نقاء اللون؛ عادةً ما تنتج القمم الأضيق ألوانًا أكثر تشبعًا. التداخل بين أطياف الأخضر والأحمر ضئيل، وهو أمر مفيد لتحقيق نطاق ألوان واسع.

4.2 منحنى تخفيض تيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح الرسم البياني (الشكل 2) العلاقة بين الحد الأقصى المسموح به لتيار الأمامي الإجمالي (I_F) ودرجة حرارة التشغيل المحيطة (T_A). مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض الحد الأقصى المسموح به للتيار بشكل خطي. هذا التخفيض ضروري لمنع درجة حرارة التقاطع لشرائح LED ودائرة القيادة من تجاوز الحدود الآمنة، مما قد يسرع التدهور ويقلل العمر الافتراضي. عند أقصى درجة حرارة تشغيل 85 درجة مئوية، يكون التيار الإجمالي المسموح به أقل بكثير من الحد الأقصى المطلق البالغ 65 مللي أمبير المحدد عند 25 درجة مئوية. يجب الرجوع إلى هذا المنحنى لتصميم حراري موثوق.

4.3 التوزيع المكاني (نمط شدة الإضاءة)

يُظهر الرسم البياني القطبي (الشكل 3) شدة الإضاءة النسبية الطبيعية كدالة لزاوية المشاهدة. يؤكد الرسم زاوية المشاهدة البالغة 120 درجة، ويظهر توزيعًا سلسًا يشبه توزيع لامبرت النموذجي للعدسة المنتشرة. تكون الشدة أعلى عند 0 درجة (على المحور) وتتناقص بشكل متماثل إلى 50٪ من ذروتها عند +/-60 درجة من المحور.

5. معلومات الميكانيكية والتغليف

5.1 أبعاد وتكوين الحزمة

يتم تغليف المكون في حزمة سطحية التركيب بأبعاد إجمالية تبلغ حوالي 5.0 مم في الطول و5.0 مم في العرض و1.6 مم في الارتفاع (تسامح ±0.2 مم). تتميز الحزمة بعدسة بلاستيكية بيضاء منتشرة. يتكون تكوين الدبابيس من أربع نقاط توصيل:

1. VSS: الأرضي (مرجع 0 فولت).
2. DIN: إدخال إشارة بيانات التحكم. يستقبل تيار البيانات التسلسلي لهذا الـ LED المحدد.
3. DOUT: إخراج إشارة بيانات التحكم. يقوم بإعادة توجيه تيار البيانات المستلم إلى دبوس DIN الخاص بـ LED التالي في السلسلة المتتالية.
4. VDD: إدخال طاقة التيار المستمر (+4.2 فولت إلى +5.5 فولت).

5.2 تخطيط نقاط التوصيل الموصى بها للوحة الدوائر المطبوعة

يتم توفير رسم لنمط نقاط التوصيل لتوجيه تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). يضمن الالتزام بأبعاد وتباعد نقاط التوصيل الموصى بها تكوين وصلة لحام صحيحة أثناء إعادة التدفق، واتصالًا كهربائيًا موثوقًا، وقوة ميكانيكية كافية. يتضمن التصميم عادةً وصلات تخفيف حرارية وفتحات مناسبة لطلاء اللحام.

6. إرشادات اللحام والتجميع

6.1 ملف تعريف اللحام بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء

يتم توفير ملف تعريف مقترح لللحام بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء (IR)، متوافق مع المعيار J-STD-020B لعمليات اللحام الخالية من الرصاص. يُظهر الرسم البياني للملف معلمات رئيسية: التسخين المسبق، والنقع، ودرجة حرارة الذروة لإعادة التدفق، ومعدلات التبريد. عادةً لا يجب أن تتجاوز درجة حرارة الذروة درجة حرارة التخزين القصوى للمكون (100 درجة مئوية) بهامش كبير لأكثر من وقت محدد لتجنب تلف الحزمة البلاستيكية أو الإجهاد الداخلي. يعد اتباع هذا الملف أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق وصلات لحام موثوقة دون تعريض LED والدائرة المتكاملة المضمنة لصدمة حرارية.

6.2 التنظيف

إذا كان التنظيف بعد اللحام مطلوبًا، فيمكن غمر المكون في كحول الإيثيل أو كحول الأيزوبروبيل في درجة حرارة الغرفة لأقل من دقيقة واحدة. يُحظر استخدام المنظفات الكيميائية غير المحددة أو القوية لأنها قد تتلف العدسة البلاستيكية أو مادة التغليف.

7. معلومات التغليف والطلب

7.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد المكونات معبأة في شريط ناقل بارز بشريط غطاء واقٍ، ملفوف على بكرات قطرها 7 بوصات (178 مم). عرض الشريط 12 مم. الكمية القياسية للتعبئة هي 1000 قطعة لكل بكرة، مع حد أدنى لكمية الطلب يبلغ 500 قطعة للبكرات الجزئية. يتم توفير أبعاد مفصلة لجيوب الشريط والبكرة لضمان التوافق مع مغذيات معدات التجميع الآلي.

8. اقتراحات التطبيق

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• إضاءة الحالة والمؤشرات: مؤشرات حالة متعددة الألوان في معدات الاتصالات والشبكات والصناعية.
• الإضاءة الزخرفية والمعمارية: شرائط LED، إضاءة المزاج، ولمسات تغيير الألوان في المنتجات الاستهلاكية.
• الإضاءة الخلفية: إضاءة خلفية للوحة أمامية أو شعار مع تأثيرات لونية ديناميكية.
• شاشات الألوان الكاملة: كبكسل فردي في شاشات LED داخلية كاملة الألوان منخفضة الدقة، أو لوحات الرسائل، أو ألواح الإضاءة الناعمة.

8.2 اعتبارات التصميم

• مزود الطاقة: تأكد من وجود مصدر طاقة 5 فولت نظيف ومنظم بسعة تيار كافية لعدد مصابيح LED المستخدمة. ضع في اعتبارك تيار التشغيل الأولي عند تشغيل العديد من مصابيح LED في وقت واحد.
• سلامة إشارة البيانات: للسلاسل المتتالية الطويلة أو معدلات البيانات العالية، ضع في اعتبارك تخزين الإشارة المؤقت أو تحويل المستوى إذا كان المتحكم الدقيق يعمل بجهد 3.3 فولت، حيث أن الحد الأدنى لـ V_IH هو 2.7 فولت.
• إدارة الحرارة: التزم بمنحنى تخفيض التيار (الشكل 2). وفر مساحة نحاسية كافية على لوحة الدوائر المطبوعة أسفل وحول نقاط توصيل LED لتعمل كمشتت حراري، خاصة في تطبيقات السطوع العالي أو درجة الحرارة المحيطة المرتفعة.
• مزج الألوان: يجب أن يأخذ البرنامج أو البرنامج الثابت في الاعتبار شدة الإضاءة المختلفة لقنوات R و G و B (حسب القيم النموذجية في القسم 2.2) لتحقيق مزج ألوان دقيق ونقطة بيضاء محايدة.

9. المقارنة التقنية والتمييز

المميز الرئيسي لهذا المكون مقارنة بمصباح LED RGB منفصل قياسي هو دائرة القيادة ذات التيار الثابت المتكاملة مع التحكم الرقمي PWM. يتطلب مصباح LED RGB منفصل ثلاثة مقاومات منفصلة للحد من التيار (أو مصرف تيار ثابت أكثر تعقيدًا) وثلاث قنوات PWM في المتحكم الدقيق للتحكم. يجمع هذا الحل المتكامل دائرة القيادة، ويقلل عدد المكونات على لوحة الدوائر المطبوعة، ويبسط البرنامج الثابت (باستخدام بروتوكول تسلسلي بدلاً من مؤقتات PWM متعددة)، ويمكن من التسلسل المتتالي السهل للتركيبات القابلة للتطوير. المقايضة هي تكلفة وحدة أعلى قليلاً وإعداد تيار ثابت (عادة 20 مللي أمبير).

10. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

10.1 كم عدد مصابيح LED هذه التي يمكنني توصيلها على التوالي؟

نظريًا، عدد كبير جدًا، حيث يقوم كل LED بتجديد وإعادة إرسال إشارة البيانات. يتم تحديد الحد العملي من خلال معدل التحديث المطلوب وسلامة إشارة البيانات. إجمالي وقت نقل البيانات لـ N من مصابيح LED هو N * 24 بت * (1.2 ميكروثانية ± 300 نانوثانية) بالإضافة إلى نبضة إعادة الضبط. لمعدل تحديث 30 إطارًا في الثانية، فإن هذا يحد السلسلة بعدة مئات من مصابيح LED. قد يتطلب تدهور الإشارة عبر السلاسل الطويلة تعزيزًا دوريًا للإشارة.

10.2 هل يمكنني تشغيل هذا الـ LED باستخدام متحكم دقيق بجهد 3.3 فولت؟

نعم، مواصفات جهد الإدخال العالي (V_IH) البالغة 2.7 فولت كحد أدنى متوافقة مع مخرج منطقي عالي 3.3 فولت (~3.3 فولت). تأكد من أن دبوس GPIO الخاص بالمتحكم الدقيق يمكنه توفير/استيعاب تيار كافٍ لإدخال DIN. يجب أن يظل مصدر الطاقة (V_DD) بين 4.2 فولت و5.5 فولت.

10.3 لماذا الحد الأقصى للتيار الإجمالي 65 مللي أمبير إذا كان كل قناة 20 مللي أمبير؟

التيار البالغ 20 مللي أمبير لكل قناة هو تيار تشغيل نموذجي مضبوط بواسطة برنامج التشغيل الداخلي. الحد الأقصى المطلق البالغ 65 مللي أمبير هو حد إجهاد للحزمة بأكملها، مع الأخذ في الاعتبار الحرارة المشتركة الناتجة عن جميع مصابيح LED الثلاثة ودائرة القيادة التي تعمل في وقت واحد بأقصى سطوع. يُظهر منحنى التخفيض (الشكل 2) أنه في درجات الحرارة المرتفعة، يكون تيار التشغيل الآمن أقل بكثير من 65 مللي أمبير.

11. مثال عملي لحالة الاستخدام

السيناريو: تصميم حلقة إضاءة زخرفية متغيرة الألوان مكونة من 16 LED.سيتم ترتيب مصابيح LED في دائرة وتوصيلها على التوالي. سيكون مصدر طاقة واحد 5 فولت، 1 أمبير كافيًا (16 LED * ~1.5 مللي أمبير تيار خمول للدائرة المتكاملة + 16 LED * 3 قنوات * 20 مللي أمبير كحد أقصى * دورة عمل). سيحتاج المتحكم الدقيق (مثل Arduino أو ESP32) إلى دبوس GPIO واحد فقط متصل بـ DIN لأول LED. سيقوم البرنامج الثابت بإنشاء تيار بيانات يحتوي على قيم ألوان 24 بت (8 بت لكل من R و G و B) لجميع مصابيح LED الـ 16، يليها نبضة إعادة ضبط. يتم إرسال هذا التيار باستمرار لإنشاء الرسوم المتحركة. تضمن العدسة البيضاء المنتشرة اختلاط نقاط LED الفردية في حلقة ضوء سلسة.

12. مقدمة عن مبدأ التشغيل

يعمل الجهاز على مبدأ الاتصال التسلسلي الرقمي. تحتوي الدائرة المتكاملة المضمنة على مسجلات إزاحة ومشابك لكل قناة لونية. يتم إدخال تيار بيانات تسلسلي إلى الدائرة المتكاملة عبر دبوس DIN. يتم تمثيل كل بت بيانات بتوقيت نبضة عالية ضمن فترة ثابتة تبلغ 1.2 ميكروثانية. بت '0' هو نبضة عالية قصيرة (~300 نانوثانية)، وبت '1' هو نبضة عالية طويلة (~900 نانوثانية). أول 24 بت مستلمة تتوافق مع قيم السطوع 8 بت للأخضر والأحمر والأزرق (عادة بهذا الترتيب، GRB). بعد استلام 24 بت الخاصة بها، تقوم الدائرة المتكاملة بإعادة إرسال جميع البتات اللاحقة من دبوس DOUT الخاص بها، مما يسمح للبيانات بالتسلسل. إشارة منخفضة على DIN تستمر لأكثر من 250 ميكروثانية (RESET) تتسبب في قفل جميع الدوائر المتكاملة في السلسلة للبيانات المستلمة في برامج تشغيل الإخراج، وتحديث سطوع LED في وقت واحد.

13. اتجاهات التكنولوجيا

يمثل دمج دوائر القيادة مباشرة في حزم LED اتجاهًا مهمًا في تصميم مكونات LED، متجهًا نحو حلول "LED الذكية". يقلل هذا الاتجاه من تعقيد النظام، ويحسن الموثوقية من خلال تقليل الاتصالات الخارجية، ويمكن من تحكم أكثر تطوراً (مثل إمكانية التوجيه الفردي). قد تشمل التطورات المستقبلية تكاملًا أعلى (دمج متحكمات دقيقة أو متحكمات لاسلكية)، وتحسين اتساق اللون من خلال المعايرة على الشريحة، ودقة PWM أعلى (10 بت، 12 بت، 16 بت) للتحكم الدقيق في اللون، وبروتوكولات اتصال محسنة بمعدلات بيانات أعلى وتصحيح أخطاء لتركيبات واسعة النطاق أكثر قوة.