مصباح LED RGB SMD مزود بدائرة متكاملة - تحكم تيار ثابت - 5 فولت - 65 مللي أمبير - عدسة بيضاء مشتتة - ورقة بيانات تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

توضح هذه الوثيقة مواصفات مكون مصباح LED RGB سطحي التركيب يدمج دائرة تحكم ورقائق RGB داخل عبوة واحدة. يشكل هذا التصميم المتكامل نقطة بكسل كاملة وقابلة للعنونة بشكل فردي، مما يلغي الحاجة إلى دوائر سائق خارجية لتشغيل التيار الثابت. تم تصميم الجهاز للتجميع الآلي على لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) وهو مناسب للتطبيقات ذات المساحة المحدودة عبر مجموعة واسعة من المعدات الإلكترونية.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

الميزة الأساسية لهذا المكون هي تصميمه الشامل (All-in-One). من خلال تضمين دائرة متكاملة (IC) سائق 8-بت، فإنه يوفر تحكمًا في عرض النبضة (PWM) بتيار ثابت لكل من رقائق الأحمر والأخضر والأزرق. يسمح هذا لكل لون أساسي بتحقيق 256 مستوى من السطوع، مما يتيح إنشاء أكثر من 16.7 مليون لون متميز. يتم تبسيط نقل الإشارة بين وحدات متعددة من خلال منفذ تسلسلي (Single-Wire Cascading Port). تشمل الميزات الرئيسية التوافق مع توجيهات RoHS، وتغليف متوافق مع معدات التركيب الآلي، وملاءمة لعمليات لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء. تشمل تطبيقاته المستهدفة الاتصالات، وأتمتة المكاتب، والأجهزة المنزلية، والمعدات الصناعية، ومؤشرات الحالة، والإضاءة الخلفية للألواح الأمامية، ووحدات الألوان الكاملة، والإضاءة الزخرفية، وشاشات الفيديو الداخلية.

2. المعلمات التقنية: تفسير موضوعي متعمق

2.1 القيم القصوى المطلقة

تشغيل الجهاز خارج هذه الحدود قد يتسبب في تلف دائم. يتم تحديد القيم القصوى المطلقة عند درجة حرارة محيطة (Ta) تبلغ 25 درجة مئوية.

• تبديد الطاقة (P):358 ملي واط. هذه هي أقصى طاقة إجمالية يمكن للعبوة تبديدها.
• نطاق جهد التغذية (VDD):+4.2 فولت إلى +5.5 فولت. تتطلب الدائرة المتكاملة المضمنة هذا النطاق من الجهد المنظم للتشغيل السليم.
• إجمالي التيار الأمامي المستمر (IF):65 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار إجمالي يمكن توفيره لرقائق RGB مجتمعة.
• نطاق درجة حرارة التشغيل:-40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية.
• نطاق درجة حرارة التخزين:-40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية.

2.2 الخصائص البصرية

يتم قياس الأداء البصري عند Ta=25°C، VDD=5V، وضبط جميع قنوات الألوان على أقصى سطوع (8'b11111111).

• الشدة الضوئية (Iv):
  • الأحمر (AlInGaP): 340 مللي كانديلا (الحد الأدنى)، 800 مللي كانديلا (الحد الأقصى)
  • الأخضر (InGaN): 600 مللي كانديلا (الحد الأدنى)، 1500 مللي كانديلا (الحد الأقصى)
  • الأزرق (InGaN): 150 مللي كانديلا (الحد الأدنى)، 360 مللي كانديلا (الحد الأقصى)
• زاوية الرؤية (2θ1/2):120 درجة (نموذجي). هذه هي الزاوية الكاملة التي تكون عندها الشدة الضوئية نصف الشدة على المحور.
• الطول الموجي السائد (λd):
  • الأحمر: 615 نانومتر إلى 630 نانومتر
  • الأخضر: 520 نانومتر إلى 535 نانومتر
  • الأزرق: 460 نانومتر إلى 475 نانومتر

2.3 الخصائص الكهربائية

يتم تحديد المعلمات الكهربائية على نطاق درجة حرارة محيطة من -20°C إلى +70°C ونطاق جهد تغذية (VDD) من 4.2V إلى 5.5V.

• تيار خرج الدائرة المتكاملة (IF):20 مللي أمبير (نموذجي) لكل قناة لون (الأحمر، الأخضر، الأزرق بشكل منفصل). هذا هو التيار الثابت الذي يضبطه السائق المدمج.
• مستويات جهد الإدخال:
  • جهد الإدخال عالي المستوى (VIH): 2.7V كحد أدنى إلى VDD كحد أقصى لدبوس DIN وأطراف التحكم الأخرى.
  • جهد الإدخال منخفض المستوى (VIL): 0V كحد أدنى إلى 1.0V كحد أقصى.
• تيار عمل الدائرة المتكاملة (IDD):1.5 مللي أمبير (نموذجي) عند ضبط جميع بيانات LED على '0' (حالة إيقاف).

2.4 توقيت نقل البيانات

تستخدم الدائرة المتكاملة المضمنة بروتوكول اتصال تسلسلي محدد. إجمالي الفترة الزمنية للبت الواحد (TH + TL) هي 1.2 ميكروثانية ±300 نانوثانية.

• T0H (رمز 0، وقت المستوى العالي):300 نانوثانية ±150 نانوثانية
• T0L (رمز 0، وقت المستوى المنخفض):900 نانوثانية ±150 نانوثانية
• T1H (رمز 1، وقت المستوى العالي):900 نانوثانية ±150 نانوثانية
• T1L (رمز 1، وقت المستوى المنخفض):300 نانوثانية ±150 نانوثانية
• RES (وقت إعادة التعيين):>250 ميكروثانية. إشارة منخفضة على دبوس DIN تستمر لفترة أطول من هذا تعيد تعيين الدائرة المتكاملة.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يستخدم المنتج نظام تصنيف يعتمد على إحداثيات اللونية CIE لضمان اتساق اللون. يتم تعريف التصنيفات بواسطة أشكال رباعية على مخطط اللونية CIE 1931 (x, y). يسرد الجدول المقدم رموز التصنيف (A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3) مع إحداثيات (x, y) لنقاطها الأربع الزاوية (Point1 إلى Point4). التسامح لكل إحداثي CIE (x, y) داخل تصنيف هو +/- 0.01. يسمح هذا النظام للمصممين باختيار مصابيح LED من نفس رمز التصنيف لتحقيق مظهر لوني موحد في مصفوفة أو شاشة عرض.

4. تحليل منحنيات الأداء

4.1 الشدة النسبية مقابل الطول الموجي

يظهر مخطط التوزيع الطيفي قمم الانبعاث للألوان الثلاثة. يحتوي LED الأحمر (باستخدام تقنية AlInGaP) على طول موجي سائد في نطاق 615-630 نانومتر. تحتوي مصابيح LED الخضراء والزرقاء (باستخدام تقنية InGaN) على قمم في نطاقات 520-535 نانومتر و 460-475 نانومتر على التوالي. تساعد المنحنيات في فهم نقاء اللون والتداخل المحتمل بين القنوات.

4.2 منحنى تخفيض التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح هذا الرسم البياني أقصى تيار أمامي مسموح به لمصباح LED كدالة لدرجة الحرارة المحيطة. مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض الحد الأقصى للتيار المسموح به خطيًا لمنع ارتفاع درجة الحرارة وضمان الموثوقية. هذا رسم بياني بالغ الأهمية لتصميم إدارة الحرارة.

4.3 التوزيع المكاني (الشدة الضوئية مقابل الزاوية)

يصور الرسم البياني القطبي الشدة الضوئية النسبية كدالة لزاوية الرؤية. يؤكد نمط الحزمة العريضة المتماثل بزاوية رؤية 120 درجة وصف العدسة "البيضاء المشتتة"، مما يوفر إضاءة واسعة ومتساوية مناسبة لتطبيقات المؤشرات والإضاءة الخلفية.

5. المعلومات الميكانيكية والتغليف

5.1 أبعاد العبوة وتكوين الأطراف (Pins)

المكون هو جهاز سطحي التركيب (SMD). تتضمن ورقة البيانات رسمًا تفصيليًا للأبعاد. جميع الأبعاد بالمليمترات مع تسامح قياسي ±0.2 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. تكوين الأطراف (Pins) كما يلي:

1. VDD:مدخل طاقة التيار المستمر (+4.2V إلى +5.5V).
2. DIN:مدخل إشارة بيانات التحكم.
3. VSS: Ground.
4. DOUT:خرج إشارة بيانات التحكم (للتسلسل إلى دبوس DIN الخاص بمصباح LED التالي).

5.2 تخطيط نقاط التثبيت الموصى بها على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)

يتم توفير نمط تثبيت (Footprint) مقترح للـ PCB لضمان اللحام السليم والاستقرار الميكانيكي أثناء التجميع. يعد اتباع هذه التوصية أمرًا ضروريًا لتحقيق موثوقية جيدة لمفصل اللحام.

6. إرشادات اللحام والتركيب

6.1 ملف تعريف لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء (IR Reflow)

يتم توفير رسم بياني تفصيلي لملف تعريف لحام إعادة التدفق، متوافق مع J-STD-020B للعمليات الخالية من الرصاص. يحدد المعلمات الحرجة: التسخين المسبق، النقع، درجة حرارة الذروة لإعادة التدفق، ومعدلات التبريد. يعد الالتزام بهذا الملف الشخصي أمرًا بالغ الأهمية لتجنب التلف الحراري لعبوة LED والدائرة المتكاملة الداخلية.

6.2 التنظيف

إذا كان التنظيف بعد اللحام ضروريًا، فيجب غمر LED فقط في كحول الإيثيل أو كحول الأيزوبروبيل في درجة حرارة الغرفة لأقل من دقيقة واحدة. يُحظر استخدام المنظفات الكيميائية غير المحددة لأنها قد تتلف مادة العبوة.

7. معلومات التغليف والطلب

يتم توريد الجهاز بتنسيق شريط وبكرة متوافق مع آلات الالتقاط والتركيب الآلي.

• أبعاد الشريط:عرض الشريط 12 ملم.
• حجم البكرة:قطر 7 بوصات (178 ملم).
• الكمية لكل بكرة:4000 قطعة.
• الحد الأدنى لكمية التعبئة:500 قطعة للدفعات المتبقية.
• شريط الغطاء:يتم إغلاق الجيوب الفارغة للمكونات بشريط غطاء علوي.
• المواصفات:يتوافق التغليف مع معايير ANSI/EIA 481.

8. اقتراحات التطبيق

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• مؤشرات الحالة والإضاءة الخلفية:مثالي لمصابيح حالة متعددة الألوان على الإلكترونيات الاستهلاكية، ومعدات الشبكات، والألواح الصناعية.
• الإضاءة الزخرفية والمعمارية:مناسب لشرائط LED متغيرة الألوان، وإضاءة المزاج، والإضاءة التكميلية بسبب قدرته على إنتاج الألوان الكاملة وميزة التسلسل.
• الشاشات منخفضة الدقة:يمكن استخدامه لبناء وحدات ألوان كاملة، ومصابيح الإضاءة الناعمة، وشاشات الفيديو الداخلية غير المنتظمة (مثل واجهات الوسائط، والمنشآت الفنية).

8.2 اعتبارات التصميم

• مزود الطاقة:تأكد من وجود مصدر طاقة 5 فولت مستقر ومنظم ضمن النطاق 4.2V-5.5V. ضع في اعتبارك تيار التشغيل الأولي ومكثفات إزالة الاقتران بالقرب من دبوس VDD.
• سلامة إشارة البيانات:الحفاظ على متطلبات التوقيت الدقيقة (T0H, T1H، إلخ) لإشارة البيانات التسلسلية. للسلاسل الطويلة أو البيئات ذات الضوضاء، فكر في تخزين الإشارة المؤقت أو تحويل المستوى.
• إدارة الحرارة:الالتزام بمنحنى تخفيض التيار. وفر مساحة نحاسية كافية على الـ PCB لتبديد الحرارة، خاصة عند تشغيل القنوات الثلاث بسطوع عالٍ لفترات طويلة.
• حماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):تنفيذ تدابير الحماية القياسية من التفريغ الكهروستاتيكي على خطوط البيانات والطاقة أثناء التعامل وفي التطبيق النهائي.

9. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بمصابيح LED RGB المنفصلة التقليدية التي تتطلب سائق تيار ثابت خارجي أو مقاومات، تقدم هذه الحلول المتكاملة مزايا كبيرة:

• تصميم مبسط:يقلل من عدد المكونات، ومساحة الـ PCB، وتعقيد التصميم.
• اتساق لوني فائق:توفر الدائرة المتكاملة المضمنة تيارًا ثابتًا دقيقًا ومستقرًا لكل رقاقة، مما يؤدي إلى إخراج لوني أكثر اتساقًا عبر الوحدات وبمرور الوقت مقارنة بالتصميمات المقيدة بالمقاومة.
• تعتيم عالي الدقة:PWM 8-بت (256 خطوة) لكل لون يسمح بخلط ألوان وتعتيم سلس، مما يتيح تأثيرات إضاءة احترافية.
• قدرة الربط التسلسلي (Daisy-Chaining):يُبسط بروتوكول التسلسل أحادي السلك (Single-Wire Cascade) الأسلاك للمصفوفات الكبيرة، حيث يتطلب فقط دبوس GPIO واحدًا لوحدة التحكم الدقيقة (Microcontroller) للتحكم في سلسلة طويلة من مصابيح LED.

10. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س: ما هو الغرض من الدائرة المتكاملة المضمنة؟

ج: توفر قيادة تيار ثابت وتحكم في تعتيم PWM لكل قناة لون داخليًا، مما يلغي الحاجة إلى مكونات تحديد تيار خارجية ويبسط تحكم وحدة التحكم الدقيقة.

س: كم عدد مصابيح LED التي يمكنني توصيلها في سلسلة؟

ج: نظريًا، عدد كبير جدًا، حيث يقوم كل LED بإعادة توليد إشارة البيانات. يتم تحديد الحد العملي من خلال معدل تحديث البيانات المطلوب وانخفاض الجهد التراكمي على خط الطاقة (VDD). للسلاسل الطويلة، يوصى بحقن الطاقة في نقاط متعددة.

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED بوحدة تحكم دقيقة (Microcontroller) بجهد 3.3 فولت؟

ج: الحد الأدنى لمستوى الإدخال العالي للبيانات (VIH) هو 2.7V. مستوى منطقي عالٍ بجهد 3.3V (عادة 3.3V) يلبي هذا المطلب، لذا فهو متوافق بشكل عام. تأكد من أن مصدر الطاقة 5V لـ LED (VDD) منفصل عن مصدر 3.3V لوحدة التحكم الدقيقة.

س: لماذا يتم ضبط التيار الأمامي على 20 مللي أمبير؟

ج: تمت تهيئة الدائرة المتكاملة المضمنة مسبقًا لتوصيل 20 مللي أمبير ثابتة (نموذجي) إلى كل رقاقة LED. هذا يحسن الأداء والموثوقية. يتم التحكم في السطوع فقط من خلال دورة عمل PWM، وليس عن طريق تغيير سعة التيار.

11. مثال عملي للاستخدام

السيناريو: تصميم مؤشر حالة مضغوط وقابل للتخصيص بالألوان لمركز منزل ذكي.

يستخدم المصمم هذا LED لأن مكونًا واحدًا يوفر ضوءًا أحمر وأخضر وأزرق. ترسل وحدة التحكم الدقيقة دفق بيانات تسلسلي بسيط لضبط اللون (مثل الأحمر للاتصال غير المتصل، والأزرق السماوي للمتصل، والأرجواني للتحديث). تضمن قيادة التيار الثابت بقاء السطوع مستقرًا بغض النظر عن التقلبات الطفيفة في مصدر الطاقة. تجعل زاوية الرؤية الواسعة المؤشر مرئيًا من زوايا مختلفة. تتيح عبوة التركيب السطحي (SMD) تصميمًا أنيقًا ومسطحًا. يتيح التغليف بالشريط والبكرة التجميع الآلي السريع أثناء الإنتاج الضخم.

12. مقدمة عن مبدأ التشغيل

يعمل الجهاز على مبدأ بسيط. ترسل وحدة تحكم دقيقة خارجية دفق بيانات تسلسلي إلى دبوس DIN. يحتوي هذا الدفق على 24 بت من البيانات (8 بت لكل من مستويات سطوع الأحمر والأخضر والأزرق). تقرأ الدائرة المتكاملة المضمنة داخل أول LED أول 24 بت هذه، وتقفلها، ثم تنقل دفق البيانات المتبقي من خلال دبوس DOUT الخاص بها إلى دبوس DIN الخاص بـ LED التالي في السلسلة. ثم تستخدم الدائرة المتكاملة تعديل عرض النبضة (PWM) للتحكم في مصادر التيار الثابتة المتصلة بكل رقاقة LED. يتم تشغيل وإيقاف تيار 20 مللي أمبير بسرعة كبيرة. تحدد نسبة وقت التشغيل إلى وقت الإيقاف (دورة العمل) ضمن فترة زمنية ثابتة السطوع الملحوظ لكل لون، مما يسمح بخلط ألوان دقيق.

13. اتجاهات التكنولوجيا

يمثل دمج الإلكترونيات التحكمية مباشرة في عبوات LED اتجاهًا واضحًا في الصناعة، يتجه نحو مصابيح LED "الذكية" أو "المتقدمة". يهدف هذا الاتجاه إلى تبسيط تصميم المنتج النهائي، وتحسين اتساق الأداء، وتمكين ميزات أكثر تقدمًا مثل إمكانية العنونة الفردية في المصفوفات الكثيفة. قد تشمل التطورات المستقبلية عمق بت أعلى للتحكم في اللون (10-بت، 12-بت)، وأجهزة استشعار متكاملة (مثل استشعار درجة الحرارة أو الضوء)، وبروتوكولات اتصال أكثر قوة أو أعلى سرعة. يظل التركيز على زيادة التكامل، وتقليل تكلفة النظام، وتحسين الموثوقية للتطبيقات في الإضاءة العامة، والسيارات، والشاشات عالية الدقة.