Datenblatt für 3020 Mid-Power EMC-LEDs - 3.0x2.0mm - Spannung 3.4V - Leistung 0.5W/0.8W - Kalt-/Neutral-/Warmweiß - Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert detailliert die technischen Spezifikationen und Leistungsmerkmale der 3020-Serie von Mid-Power-LEDs mit fortschrittlicher EMC (Epoxidharz-Formmasse)-Verguss-Technologie. Diese Serie ist für allgemeine Beleuchtungsanwendungen konzipiert und bietet eine optimale Balance zwischen Lichtausbeute, Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit.

1.1 Produktpositionierung und Kernvorteile

Die 3020-LED ist auf den Mid-Power-Markt ausgerichtet und richtet sich hauptsächlich an Anwendungen mit strengen Anforderungen an hohe Leistung und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Ihre Kernvorteile ergeben sich aus der Verguss-Technologie und dem elektrischen Design.

• EMC-Gehäuse mit verbesserter thermischer Leistung: Im Vergleich zu herkömmlichen PPA- oder PCT-Kunststoffen bietet EMC-Material eine überlegene Wärmeleitfähigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit, was zu einer besseren Lichtstromerhaltung und einer längeren Lebensdauer führt.
• Hohe Lichtausbeute und Preis-Leistungs-Verhältnis (Lumen pro Dollar): Dieses Produkt zielt darauf ab, die besten Lumen pro Watt und Lumen pro Dollar in seiner Klasse zu bieten und eignet sich ideal für kostenbewusste Großprojekte in der Beleuchtungsbranche.
• Leistungsflexibilität: Obwohl für die 0,5W-Serie ausgelegt, ermöglicht sein robustes Gehäuse eine Betriebsleistung von bis zu 0,8W und bietet so Gestaltungsspielraum für unterschiedliche Treiberstromanforderungen.
• Hohe Farbqualität: Ein minimaler Farbwiedergabeindex (CRI) von 80 gewährleistet eine gute Farbtreue und eignet sich für allgemeine Innenraumbeleuchtung, bei der Farbgenauigkeit erforderlich ist.
• Starke Treiberleistung: Unterstützt einen maximalen Durchlassstrom (IF) von 240 mA und einen Impulsstrom (IFP) von 300 mA, was eine Anpassung an verschiedene Treiberkonzepte ermöglicht.

1.2 Zielmärkte und Schlüsselanwendungen

Die Vielseitigkeit der 3020 LED macht sie für ein breites Spektrum an Beleuchtungsanwendungen geeignet.

• Retrofit-Leuchten und -Lampen: Direkter Ersatz für traditionelle Glühlampen, Energiesparlampen oder ältere LED-Module in Lampen, Leuchtstoffröhren und Downlights.
• Allgemeine Beleuchtung: Hauptlichtquelle für Wohn-, Gewerbe- und Industrieleuchten (z.B. Panel Lights, Rasterleuchten, Hochregalleuchten).
• Hintergrundbeleuchtung: Beleuchtung für Innen- und Außenbeschilderung, Lichtkästen und dekorative Paneele.
• Architektur- und Dekorationsbeleuchtung: Akzentbeleuchtung, Lichtleistenbeleuchtung und andere Anwendungen, die eine stabile Lichtleistung und Farbkonstanz erfordern.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Alle Parameter wurden unter Standardtestbedingungen gemessen: Vorwärtsstrom (IF) = 150mA, Umgebungstemperatur (Ta) = 25°C, relative Luftfeuchtigkeit (RH) = 60%.

2.1 Optoelektronische Eigenschaften

Die wichtigsten Leistungskennzahlen, die die Lichtausgabe und Farbe einer LED definieren.

• Lichtstrom: Bei 150mA liegt der typische Bereich zwischen 58 lm und 68 lm, abhängig von der zugeordneten Farbtemperatur (CCT)-Bin. Für jedes Bin ist auch ein garantierter Mindestwert festgelegt. Die Messtoleranz beträgt ±7%.
• Flussspannung (VF): Bei 150mA beträgt der typische Spannungsabfall über der LED 3,4V, im Bereich von 3,1V (min.) bis 3,4V (typ.). Die Toleranz beträgt ±0,1V. Dieser Parameter ist entscheidend für Treiberdesign und Wärmemanagement.
• Blickwinkel (2θ1/2): Der typische 110°-Weitwinkel bietet eine breite, gleichmäßige Lichtverteilung und eignet sich hervorragend für die Allgemeinbeleuchtung.
• Farbwiedergabeindex (CRI/Ra): Der Ra-Wert beträgt mindestens 80, mit einer Messtoleranz von ±2. Dies weist auf eine gute Farbtreue hin.
• Rückwärtsstrom (IR): Bei einer Sperrspannung (VR) von 5V maximal 10 μA, was auf eine gute Sperrschichtintegrität hindeutet.

2.2 Elektrische und absolute Maximalwerte

Diese Grenzwerte definieren die Betriebsgrenzen, die zu dauerhaften Schäden führen können.

• Maximaler Durchlassstrom (IF_max): 240 mA (DC).
• Maximaler Impuls-Sperrstrom (IFP_max): beträgt unter bestimmten Bedingungen (Impulsbreite ≤ 100µs, Tastverhältnis ≤ 1/10) 300 mA.
• Maximale Verlustleistung (PD_max): 816 mW. Dies ist die maximal zulässige thermische Verlustleistung am Übergang.
• Maximale Sperrspannung (VR_max): 5 V.
• Sperrschichttemperatur (Tj_max): 115 °C. Absolute Maximaltemperatur des Halbleiterübergangs.
• Betriebs- und Lagertemperatur: -40 °C bis +85 °C.
• Löttemperatur: Hält 230°C oder 260°C für 10 Sekunden aus, kompatibel mit Standard-Lötreflowkurven für bleifreies Löten.

2.3 Thermische Eigenschaften

Ein effektives Wärmemanagement ist entscheidend für Leistung und Lebensdauer.

• Wärmewiderstand (Rθ_J-SP): 21 °C/W (typ.). Dies ist der thermische Widerstand vom LED-Chip zur Lötstelle. Ein niedrigerer Wert zeigt eine bessere Wärmeableitung vom Chip zur Leiterplatte an. Dieser Parameter ist entscheidend für die Berechnung des Temperaturanstiegs des Chips relativ zur Lötstelle: ΔTj = PD * Rθ_J-SP。
• Elektrostatische Entladungsfestigkeit (ESD): Kann 1000V (Human Body Model) standhalten und bietet eine gute Betriebsrobustheit.

3. Erläuterung des Binningsystems

Um Farb- und Helligkeitskonsistenz in der Produktion zu gewährleisten, werden LEDs in verschiedene Bins sortiert. Diese Serie verwendet ein Multiparameter-Binningsystem.

3.1 Farbtemperatur- und Farbort-Binning

Dieses Produkt bietet sechs Haupt-CCT-Stufen, von Warmweiß bis Kaltweiß, entsprechend den ENERGY STAR-Definitionen für die Abstufung von 2600K bis 7000K.

• Modell und CCT-Bereich:
  • T3427811C-**AA: Warmweiß (typ. 2725K, Bereich 2580K-2870K)
  • T3430811C-**AA: Warmweiß (typ. 3045K, Bereich 2870K-3220K)
  • T3440811C-**AA: Neutralweiß (typ. 3985K, Bereich 3710K-4260K)
  • T3450811C-**AA: Neutralweiß (typ. 5028K, Bereich 4745K-5311K)
  • T3457811C-**AA: Kaltweiß (typ. 5665K, Bereich 5310K-6020K)
  • T3465811C-**AA: Kaltweiß (typ. 6530K, Bereich 6020K-7040K)
• Farbort-Sortierstruktur (Tabelle 5): Jede CCT-Sortierklasse (z.B. 27M5, 30M5) wird durch eine Ellipse im CIE 1931-Farbtafeld definiert. Die Tabelle spezifiziert die Mittelpunktskoordinaten (x, y) der Ellipse, die große Halbachse (a), die kleine Halbachse (b) und deren Rotationswinkel (Φ). Die Messunsicherheit der Farbkoordinaten beträgt ±0.007.

3.2 Lichtstrom-Sortierung

Innerhalb jedes Farbort-Binnings werden die LEDs weiter nach ihrer Lichtleistung bei 150 mA sortiert.

• Lichtstrom-Code: Codes such as E7, E8, E9, F1, F2 represent specific lumen ranges. For example, in the 27M5 chromaticity binning:
  • Code E7: 54 lm (minimum) to 58 lm (maximum)
  • Code E8: 58 lm to 62 lm
  • Code E9: 62 lm bis 66 lm
• Die verfügbaren Lichtstrom-Codes variieren je nach Farbort-Sortierung; in der Regel bieten höhere CCT-Sortierungen höhere Lichtstrom-Codes (z.B. bis zu F2: 70-72 lm).

3.3 Vorwärtsspannungs-Binning

LEDs werden ebenfalls nach ihrer Vorwärtsspannung gruppiert, um den Treiberentwurf zu vereinfachen und ein einheitliches Verhalten der Lichtbänder bei Reihenschaltung zu gewährleisten.

• Spannungscode:
  • Code 1: VF = 2.8V bis 3.0V
  • Code 2: VF = 3.0V bis 3.2V
  • Code 3: VF = 3.2V bis 3.4V
• Die Messabweichung für VF beträgt ±0,1V.

4. Analyse der Leistungskurve

Die bereitgestellten Diagramme liefern entscheidende Einblicke in das Verhalten von LEDs unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

4.1 IV-Charakteristik und relativer Lichtstrom

Abbildung 3 (IF gegenüber relativem Lichtstrom): Sie zeigt die Beziehung zwischen Treiberstrom und Lichtausgang. Der Lichtstrom steigt sublinear mit dem Strom an. Obwohl das Treiben mit höheren Strömen (z.B. 240mA) eine höhere Gesamtlichtmenge erzeugt, nimmt die Lichtausbeute (Lumen pro Watt) aufgrund erhöhter thermischer und elektrischer Verluste typischerweise ab. Entwickler müssen einen Ausgleich zwischen Ausgangsanforderungen, Lichtausbeute und thermischer Belastung finden.

Abbildung 4 (IF vs. VF): Sie veranschaulicht die IV-Kennlinie der Diode. Die Durchlassspannung steigt mit zunehmendem Strom an. Diese Kurve ist entscheidend für die Berechnung der Verlustleistung (PD = IF * VF) an jedem Arbeitspunkt, was sich direkt auf das thermische Design auswirkt.

4.2 Temperaturabhängigkeit

Abbildung 6 (Ta vs. relativer Lichtstrom): Sie zeigt den negativen Effekt eines Anstiegs der Umgebungs-/Lötstellentemperatur auf die Lichtleistung. Bei einem Temperaturanstieg von 25°C auf 85°C kann der Lichtstrom um etwa 20-30% abnehmen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit eines effektiven thermischen PCB-Designs und von Kühlkörpern.

Abbildung 7 (Ta gegenüber Durchlassspannung): Zeigt, dass die Durchlassspannung mit steigender Temperatur linear abnimmt (bei typischen InGaN-LEDs etwa -2mV/°C). Diese Eigenschaft kann manchmal zur Schätzung der Sperrschichttemperatur genutzt werden.

Abbildung 8 (maximaler IF in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur): Eine entscheidende Derating-Kurve. Der maximal zulässige Dauer-Vorwärtsstrom muss mit steigender Umgebungstemperatur reduziert werden, um eine Überschreitung der maximalen Sperrschichttemperatur (115°C) zu verhindern. Beispielsweise liegt der maximal zulässige Strom bei einer Umgebungstemperatur von 85°C deutlich unter 240mA.

4.3 Spektral- und Chromatikverhalten

Abbildung 1 (Spektralverteilung): Typisches Spektrum einer weißen LED, bestehend aus einer blauen Chip-LED und einem Leuchtstoff. Die Grafik zeigt den blauen Peak des Chips und die breitere Emission des gelben Leuchtstoffs. Die genaue Form bestimmt CCT und CRI.

Abbildung 5 (Ta vs. CIE x, y-Verschiebung): Dargestellt ist, wie sich die Farbkoordinaten bei konstantem Strom mit der Temperatur ändern. Die Koordinaten bewegen sich entlang einer bestimmten Bahn. Das Verständnis dieser Verschiebung ist für Anwendungen wichtig, die über einen Temperaturbereich eine strenge Farbstabilität erfordern.

Abbildung 2 (Abstrahlcharakteristik): Es wurde der nahezu lambertstrahlende Emissionsmodus im Zusammenhang mit einem Betrachtungswinkel von 110 Grad bestätigt, der die Änderung der Intensität in Abhängigkeit vom Zentriwinkel zeigt.

5. Anwendungsleitfaden und Designüberlegungen

5.1 Thermomanagement

Dies ist der wichtigste Faktor, um Leistung und Lebensdauer sicherzustellen.

• PCB-Design: Verwenden Sie Metallkern-Leiterplatten (MCPCB) oder Standard-FR4-Platinen mit ausreichenden Wärmeabführungsdurchkontaktierungen unter dem LED-Wärmepad, um die Wärme von der Lötstelle abzuleiten.
• Berechnung der Sperrschichttemperatur: Überwachen und regeln Sie Tj kontinuierlich. Sie kann geschätzt werden: Tj ≈ Tsp + (PD * Rθ_J-SP), wobei Tsp die an der Lötstelle gemessene Temperatur ist. Halten Sie Tj stets unter 115°C und für eine längere Lebensdauer idealerweise deutlich darunter.
• Der Entlastungskurve folgen: Die maximale Stromstärke in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur (Abbildung 8) strikt einhalten.

5.2 Elektrischer Antrieb

• Konstantstrom-Antrieb: Verwenden Sie stets einen Konstantstrom-LED-Treiber. Aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten von VF führt eine Konstantspannungsansteuerung zu thermischem Durchgehen und Ausfall.
• Stromauswahl: Obwohl LEDs Ströme von bis zu 240 mA verarbeiten können, bietet der Betrieb bei einem Prüfstrom von 150 mA oder darunter in der Regel die beste Balance aus Lichtausbeute, Lebensdauer und thermischer Belastung. Verwenden Sie die Kurve in Abbildung 3, um den entsprechenden Strom für die gewünschte Lichtleistung auszuwählen.
• Reihen-/Parallelschaltung: Wenn mehrere LEDs in Reihe geschaltet werden, muss die Compliance-Spannung des Treibers ausreichen, um die Summe der VF der LED-Kette zu decken. Bei parallelen Ketten verwenden Sie separate Strombegrenzungen oder eine sorgfältige VF-Bin-Auswahl, um eine ungleichmäßige Stromverteilung zu vermeiden.

5.3 Optisches Design

• Der weite Blickwinkel von 110 Grad eignet sich für Anwendungen, die eine breite Ausleuchtung ohne sekundäre Optik erfordern. Für fokussierte Lichtstrahlen sind geeignete Linsen oder Reflektoren erforderlich.
• Beim Mischen von LEDs aus verschiedenen Produktionschargen sollte die Farbort-Sortierung berücksichtigt werden, um eine gleichmäßige Farbgebung innerhalb der Leuchte zu gewährleisten.

5.4 Schweißen und Handhabung

• Reflow-Löten: Kompatibel mit Standard-Lötzinn-freien Reflow-Lötprofilen mit einer Spitzentemperatur von 230°C oder 260°C und einer Dauer von maximal 10 Sekunden. Die empfohlenen Aufheiz-, Halte- und Abkühlraten des Profils sind einzuhalten, um Gehäusespannungen zu vermeiden.
• ESD-Präventionsmaßnahmen: Obwohl für 1000V HBM spezifiziert, sollten während der Handhabung und Montage dennoch Standard-ESD-Präventionsmaßnahmen eingehalten werden (geerdete Arbeitsstation, Erdungsarmband).
• Lagerung: Innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs (-40°C bis +85°C) in einer trockenen, kontrollierten Umgebung lagern.

6. Technischer Vergleich und Differenzierung

Obwohl das Datenblatt keinen direkten Seitenvergleich mit spezifischen Konkurrenzkomponenten bietet, lassen sich die entscheidenden Differenzierungsvorteile dieses 3020 EMC-Gehäuses ableiten:

• Vergleich von EMC mit Kunststoffgehäusen (PPA/PCT): Im Vergleich zu Standardkunststoffen bietet EMC eine überlegene thermische Leistung und eine bessere Beständigkeit gegen Vergilben/Verbräunen unter hohen Temperaturen und UV-Bestrahlung. Dies führt zu einer besseren Lichtstromerhaltung (L70/L90-Lebensdauer) und Farbstabilität über die Zeit.
• Leistungsdichte: Kann zuverlässig bis zu 0,8 W im 3020-Gehäuse arbeiten und bietet eine höhere Leistungsdichte als viele herkömmliche Mid-Power-LEDs, wodurch möglicherweise die Anzahl der für eine bestimmte Lichtstromausgabe benötigten LEDs reduziert wird.
• Umfassendes Binning: Multiparameter-Binning (Chroma, Lichtstrom, Spannung) bietet Herstellern ein Werkzeug, um eine hohe Farb- und Helligkeitskonstanz in ihren Endprodukten zu erreichen, eine wesentliche Anforderung für hochwertige Leuchten.

7. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

Frage: Kann ich diese LED kontinuierlich mit dem maximalen Strom von 240 mA betreiben?
Antwort: Ja, aber nur unter der Voraussetzung, dass Sie die Sperrschichttemperatur (Tj) unter 115°C halten können. Dies erfordert ein hervorragendes Wärmemanagement (sehr niedriger thermischer Widerstand von der Sperrschicht zur Umgebung). Für die meisten praktischen Anwendungen wird ein Betrieb mit einem niedrigeren Strom (z. B. 150 mA) empfohlen, um die beste Lichtausbeute und Zuverlässigkeit zu erzielen.

Frage: Wie hoch ist der tatsächliche Leistungsverbrauch am typischen Arbeitspunkt?
Antwort: Bei IF=150mA und VF=3,4V (typ.) beträgt die elektrische Eingangsleistung P = 0,15A * 3,4V = 0,51W (510mW). Die Differenz zwischen diesem Wert und dem maximalen Verlustleistungsrating (816mW) stellt die thermische Designreserve dar.

Frage: Wie ist der Bin-Code "T3450811C-**AA, 50M5, F1, 2" zu interpretieren?
Antwort: Dies spezifiziert eine LED mit neutralweißer Farbe (typ. 5028K, Bin 50M5), einem Lichtstrom im Bereich F1 (66-70 lm bei 150mA) und einer Durchlassspannung Code 2 (3,0V-3,2V). Die "**" in der Typenbezeichnung repräsentieren wahrscheinlich einen spezifischen Lichtstrom-/Spannungscode.

Frage: Warum nimmt die Lichtleistung mit steigender Temperatur ab?
Antwort: Zwei Hauptgründe: 1) Die interne Quanteneffizienz des Halbleiterchips nimmt bei höheren Temperaturen ab. 2) Die Konversionseffizienz der Phosphorschicht sinkt und mögliches thermisches Quenching tritt auf. Effektive Kühlung kann diesen Rückgang mildern.

Frage: Ist ein Kühlkörper erforderlich?
答：对于任何运行在低电流以上（例如>60mA）或在密闭/封闭式灯具中的应用，散热器或具有优异热扩散性能的PCB对于管理结温是绝对必要的。

8. Kurze Einführung in das Funktionsprinzip

Die 3020 LED ist eine auf Halbleiterphysik basierende Festkörperlichtquelle. Die Kernkomponente ist ein Chip aus Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Material. Wird eine Vorwärtsspannung angelegt, die die Schwellenspannung der Diode überschreitet, rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des Chips und setzen Energie in Form von Photonen frei. In dieser weißen LED emittiert der Chip hauptsächlich blaues Licht. Eine Phosphorschicht (typischerweise Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat, YAG) ist auf dem Chip aufgebracht. Ein Teil des blauen Lichts wird vom Phosphor absorbiert und als gelbes Licht wieder emittiert. Das verbleibende blaue Licht kombiniert mit dem konvertierten gelben Licht erzeugt die visuelle Wahrnehmung von weißem Licht. Das genaue Verhältnis von blauem zu gelbem Licht sowie die spezifische Phosphorzusammensetzung bestimmen die korrelierte Farbtemperatur (CCT) und die Farbwiedergabeeigenschaften (CRI) des emittierten weißen Lichts. Die EMC-Vergussmasse dient dem Schutz des empfindlichen Halbleiterchips und des Phosphors, bietet mechanische Stabilität, bildet die primäre optische Linse und, am wichtigsten, bietet einen effektiven Weg für die Wärmeableitung vom heißen pn-Übergang.

9. Technologische Trends

Der Bereich der Mid-Power-LEDs, repräsentiert durch Gehäuse wie 3020, entwickelt sich kontinuierlich weiter. Zu den wichtigen branchenbezogenen Trends, die mit diesem Produkt zusammenhängen, gehören:

• Stetig steigende Lichtausbeute: Kontinuierliche Verbesserungen in Chip-Epitaxie, Phosphortechnologie und Gehäusedesign treiben die Lumen-pro-Watt-Werte weiter nach oben, wodurch bei gleicher Lichtleistung der Energieverbrauch gesenkt wird.
• Verbesserte Farbqualität und -konstanz: 对于高端照明应用，对更高CRI（Ra > 90，R9 > 50）和更严格的色度分档（例如，麦克亚当椭圆步长2或3）的需求正在增长。荧光粉和分档技术正在进步以满足这一需求。
• Erhöhte Zuverlässigkeit und Lebensdauer: Fokus auf die Verbesserung von Materialien (z.B. EMC) und Fertigungsprozessen, um die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Belastung, Feuchtigkeit und Lichtdegradation zu erhöhen und somit die L90-Lebensdauer zu verlängern.
• Miniaturisierung und höhere Leistungsdichte: Der Trend geht hin zur Integration einer höheren Lichtleistung in immer kleinere Gehäuse (z.B. von 3528 zu 3030 zu 2835 oder zur Handhabung höherer Wattzahlen bei gleicher Größe), was auf die Nachfrage nach kleineren, schlankeren Leuchten zurückzuführen ist.
• Intelligente und dimmbare Beleuchtung: Obwohl es sich hier um eine Standard-Weißlicht-LED handelt, bewegt sich der breitere Markt hin zu LEDs, die eine dynamische Anpassung der CCT (tunierbares Weißlicht) ermöglichen oder Steuerelektronik integrieren, auch wenn diese Funktionen typischerweise auf Modul- oder Systemebene und nicht auf Einzelchip-Ebene realisiert werden.

Die 3020 EMC LED-Serie positioniert sich in dieser sich entwickelnden Landschaft als eine ausgereifte, kosteneffiziente und zuverlässige "Arbeitspferd"-Lösung, die mit ihrer soliden technischen Basis die Kernanforderungen der Allgemeinbeleuchtung erfüllt.