3020 Mid-Power LED Datenblatt - Abmessungen 3,0x2,0mm - Spannung 6,6V - Leistung 0,5W - Kalt-/Neutral-/Warmweiß - Deutsche Technische Dokumentation

Produktübersicht

Die 3020er Serie stellt eine Mid-Power LED-Lösung dar, die für Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung konzipiert ist und ein optimales Gleichgewicht zwischen Lichtausbeute, Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit bietet. Untergebracht in einem thermisch optimierten Epoxidharz-Formstoff (EMC)-Gehäuse, ist diese LED für eine konstante Leistung bei kompakten Abmessungen von 3,0 mm x 2,0 mm ausgelegt. Die Serie zeichnet sich durch ihr hohes Lumen-pro-Watt- und Lumen-pro-Euro-Verhältnis aus, was sie zu einer überzeugenden Wahl für kostensensitive, aber leistungsorientierte Beleuchtungsdesigns macht.

Die Kernpositionierung dieses Produkts liegt im Markt für Retrofit- und Neubau-Allgemeinbeleuchtung, einschließlich Innen- und Außenanwendungen. Seine primären Vorteile ergeben sich aus dem EMC-Gehäusematerial, das im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen ein überlegenes Wärmemanagement bietet, was höhere Betriebsströme und eine verbesserte Lebensdauer ermöglicht. Die LED ist für eine Nennleistung von 0,5 W ausgelegt, kann jedoch unter geeigneten thermischen Bedingungen bis zu 0,8 W betrieben werden, was Designflexibilität bietet.

Der Zielmarkt umfasst ein breites Spektrum an Beleuchtungssegmenten: direkter Ersatz für traditionelle Glüh- und Leuchtstofflampen in Retrofit-Projekten, primäre Lichtquellen für die Wohn- und Gewerbe-Allgemeinbeleuchtung, Hintergrundbeleuchtung für Schilder sowie architektonische oder dekorative Beleuchtung, bei der Farbqualität und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind.

Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Photometrische und Farbkennwerte

Die elektro-optische Leistung wird unter Standardtestbedingungen von 25 °C Umgebungstemperatur und 60 % relativer Luftfeuchtigkeit bei einem Betriebsstrom von 80 mA spezifiziert. Die Produktfamilie bietet Optionen für die korrelierte Farbtemperatur (CCT) von Warmweiß (2725 K) bis Kaltweiß (7040 K), detailliert in der Produktauswahltabelle. Alle Varianten halten einen minimalen Farbwiedergabeindex (CRI oder Ra) von 80 ein, was eine gute Farbtreue für die Allgemeinbeleuchtung gewährleistet. Typische Lichtstromwerte liegen je nach CCT-Bin bei 80 mA zwischen 54 Lumen und 66 Lumen. Es ist wichtig, die angegebenen Messtoleranzen zu beachten: ±7 % für den Lichtstrom und ±2 für den CRI. Die CCT wird aus dem CIE-1931-Farbtafeldiagramm abgeleitet.

Elektrische und thermische Parameter

Die wichtigsten elektrischen Parameter definieren den Betriebsbereich der LED. Die typische Durchlassspannung (VF) beträgt bei 80 mA 6,6 V mit einer Toleranz von ±0,1 V. Der absolute maximale Durchlassstrom beträgt 120 mA, mit einer Nennwert für den Pulsstrom (IFP) von 200 mA für Pulse ≤100 µs und einem Tastverhältnis ≤1/10. Die maximale Verlustleistung (PD) ist mit 816 mW spezifiziert. Die Sperrspannungsfestigkeit (VR) beträgt 5 V.

Die thermische Leistung ist entscheidend für die Zuverlässigkeit. Der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Lötpunkt (RθJ-SP) beträgt typischerweise 21 °C/W. Dieser Parameter verknüpft direkt die Betriebssperrschichttemperatur mit der Leiterplattentemperatur. Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur (Tj) beträgt 115 °C. Das Bauteil verfügt über einen breiten Abstrahlwinkel (2θ1/2) von 110 Grad, was eine breite, gleichmäßige Lichtverteilung bietet. Der Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) entspricht dem Human-Body-Modell (HBM) bis zu 1000 V.

Absolute Maximalwerte

Die Einhaltung der absoluten Maximalwerte ist für die Zuverlässigkeit des Bauteils nicht verhandelbar. Das Überschreiten dieser Grenzwerte kann zu dauerhaften Schäden führen. Die Grenzwerte sind: Durchlassstrom (IF): 120 mA; Puls-Durchlassstrom (IFP): 200 mA; Verlustleistung (PD): 816 mW; Sperrspannung (VR): 5 V; Betriebstemperatur (Topr): -40 °C bis +85 °C; Lagertemperatur (Tstg): -40 °C bis +85 °C; Sperrschichttemperatur (Tj): 115 °C; Löttemperatur (Tsld): 230 °C oder 260 °C für 10 Sekunden (abhängig vom Reflow-Profil).

Erläuterung des Binning-Systems

Farb- / CCT-Binning

Die LEDs werden in präzise Farb-Bins sortiert, um Konsistenz innerhalb eines Leuchtens zu gewährleisten. Die Binning-Struktur für Farbkoordinaten folgt einem elliptischen System auf dem CIE-1931-Farbtafeldiagramm. Jeder Bin (z.B. 27M5, 30M5) ist durch einen Mittelpunkt (x, y-Koordinaten), eine große Halbachse (a), eine kleine Halbachse (b) und einen Drehwinkel (Φ) definiert. Das System entspricht den Anforderungen des Energy-Star-Programms für den Bereich von 2600 K bis 7000 K. Die Messunsicherheit für Farbkoordinaten beträgt ±0,007. Dieses enge Binning minimiert sichtbare Farbunterschiede zwischen einzelnen LEDs in einem Array.

Lichtstrom-Binning

Zur Steuerung der Helligkeitsgleichmäßigkeit werden LEDs auch nach ihrem Lichtstromausgang bei 80 mA gebinnt. Der Lichtstrom wird in Codes (E7, E8, E9, F1) kategorisiert, die jeweils einen spezifischen Lumenbereich darstellen (z.B. E8: 58-62 lm, E9: 62-66 lm, F1: 66-70 lm). Der anwendbare Lichtstrom-Bin für eine bestimmte LED hängt von ihrem Farb-Bin ab. Dieses zweidimensionale Binning (Farbe und Lichtstrom) ermöglicht es Designern, LEDs auszuwählen, die sowohl den Farb- als auch den Helligkeitsanforderungen ihrer Anwendung entsprechen.

Durchlassspannungs-Binning

Die Durchlassspannung wird in drei Bins sortiert, um das Treiberdesign und die Stromanpassung in parallelen Strängen zu unterstützen. Die Bins sind: Code C (5,5 V - 6,0 V), Code D (6,0 V - 6,5 V) und Code E (6,5 V - 7,0 V), gemessen bei 80 mA mit einer Toleranz von ±0,1 V. Die Auswahl von LEDs aus demselben Spannungs-Bin kann helfen, eine gleichmäßigere Stromverteilung und thermische Leistung in Multi-LED-Systemen sicherzustellen.

Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere wichtige Diagramme für die Designanalyse. Das Diagramm der relativen spektralen Verteilung zeigt das Emissionsspektrum, das typisch für eine phosphorkonvertierte weiße LED ist, mit einem blauen Pump-Peak und einer breiten gelben Phosphor-Emission. Die Abstrahlwinkelverteilung bestätigt das lambertähnliche Abstrahlmuster mit dem 110-Grad-Halbwinkel.

Die Durchlassstromkennlinien sind entscheidend. Die Kurve IF vs. relativer Lichtstrom zeigt, dass die Lichtleistung unterlinear mit dem Strom ansteigt, wobei die Effizienz bei höheren Strömen typischerweise aufgrund erhöhter Wärme und des Droop-Effekts abnimmt. Die Kurve Durchlassspannung vs. Durchlassstrom (IV) ist für das Treiberdesign wesentlich und zeigt die exponentielle V-I-Beziehung der Diode.

Temperaturkennwerte sind für die reale Leistung von entscheidender Bedeutung. Das Diagramm der Umgebungstemperatur (Ta) vs. relativer Lichtstrom veranschaulicht die Abnahme der Lichtleistung, wenn die Umgebungs- (und folglich die Sperrschicht-) Temperatur steigt. Die Ta vs. Durchlassspannung-Kurve zeigt den negativen Temperaturkoeffizienten von VF. Das Diagramm der Sperrschichttemperatur, das Ta gegen relativen Lichtstrom und Durchlassspannung aufträgt, erläutert diese thermischen Abhängigkeiten weiter. Vielleicht am wichtigsten ist die Derating-Kurve für den maximalen Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur, die den maximalen sicheren Betriebsstrom bei erhöhten Umgebungstemperaturen vorgibt, um ein Überschreiten der Tj max von 115 °C zu verhindern.

Das CIE-Farbtafeldiagramm stellt die Farb-Bins (27M5, 30M5 usw.) visuell als Ellipsen auf dem Schwarzkörperort dar und bietet eine klare Referenz für die Farbauswahl und die Binning-Grenzen.

Mechanische und Verpackungsinformationen

Die LED verwendet ein Oberflächenmontage (SMD)-Gehäuse mit Abmessungen von etwa 3,0 mm Länge und 2,0 mm Breite. Die mechanische Zeichnung liefert detaillierte Abmessungen, einschließlich Pad-Abständen, Bauteilhöhe und Lötpad-Geometrie. Alle Abmessungen sind in Millimetern mit einer nicht definierten Toleranz von ±0,2 mm angegeben. Die Zeichnung ist im Maßstab 1:1 dargestellt, um eine genaue Referenz zu ermöglichen. Das Gehäuse verfügt über zwei Anoden- und zwei Kathodenanschlüsse, was eine robuste Lötstellenbildung und eine verbesserte Wärmeleitung zur Leiterplatte erleichtert. Die Polarität ist auf dem Gehäuse selbst klar markiert, typischerweise mit einem Kathodenindikator wie einer Kerbe oder einer grünen Markierung.

Löt- und Montagerichtlinien

Das Bauteil ist für bleifreie Reflow-Lötprozesse geeignet. Die maximale Löttemperatur ist mit 230 °C oder 260 °C Spitzentemperatur für eine Dauer von 10 Sekunden spezifiziert, abhängig vom verwendeten spezifischen Reflow-Profil (z.B. SnAgCu-Lot). Es ist zwingend erforderlich, ein empfohlenes Reflow-Profil mit kontrollierten Aufheiz- und Abkühlraten einzuhalten, um thermischen Schock zu minimieren und Gehäuserisse oder Delamination zu verhindern. Die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) wird im bereitgestellten Inhalt nicht explizit angegeben, aber für EMC-Gehäuse wird im Allgemeinen empfohlen, die Bauteile vor dem Reflow zu backen, wenn sie über längere Zeit Umgebungsbedingungen ausgesetzt waren, um "Popcorning" zu vermeiden. Die Lagerung sollte in einer trockenen, kontrollierten Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -40 °C bis +85 °C erfolgen.

Anwendungsempfehlungen

Typische Anwendungsszenarien

• Retrofit Lamps: Ideal for LED bulbs and tubes designed to replace incandescent, halogen, or fluorescent lamps, leveraging its efficacy and cost structure.
• General Lighting: Suitable for downlights, panel lights, troffers, and other fixtures in residential, office, and commercial spaces.
• Signage and Backlighting: Effective for indoor and outdoor sign illumination due to its good color rendering and reliability.
• Architectural/Decorative Lighting: Can be used in coves, shelves, and accent lighting where consistent color and smooth beam are important.

Designüberlegungen

• Thermal Management: The 21°C/W thermal resistance necessitates an effective PCB thermal design. Use of metal-core PCBs (MCPCBs) or thermally enhanced FR4 with sufficient copper area is recommended to keep the solder point temperature low, thereby maintaining light output, color stability, and long-term reliability.
• Current Driving: While rated up to 120mA, operating at or below 80mA is typical for balancing efficacy, lifetime, and thermal load. Use a constant-current LED driver for stable operation.
• Optics: The 110-degree viewing angle is quite broad. Secondary optics (lenses, reflectors) may be required to achieve specific beam patterns.
• Binning Selection: For multi-LED fixtures, specify tight color and flux bins (e.g., within a single ellipse code) to ensure visual uniformity. Consider voltage binning if LEDs are placed in parallel strings.

Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu herkömmlichen Mid-Power LEDs in PPA (Polyphthalamid)- oder PCT (Polycyclohexylendimethylenterephthalat)-Gehäusen ist der wichtigste Unterscheidungsfaktor dieser 3020 EMC-Serie ihre überlegene thermische Leistung. Das EMC-Material hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit und kann höhere Sperrschichttemperaturen ohne Vergilbung oder Degradation aushalten. Dies ermöglicht:

• Higher Drive Capability: Ability to be driven at higher currents (up to 0.8W) while maintaining reliability.
• Improved Lumen Maintenance: Better resistance to lumen depreciation (L70, L90) over time due to reduced thermal stress on the phosphor and die.
• Longer Lifespan: The enhanced thermal path slows the rate of internal degradation mechanisms.
• Cost-Effectiveness: Provides a performance level closer to high-power LEDs but at a mid-power price point and with simpler drive requirements.

Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

Q: What is the actual power consumption at the typical operating point?
A: At the test condition of 80mA and a typical VF of 6.6V, the power consumption is 0.528W (80mA * 6.6V).

Q: How does light output change with temperature?
A: Luminous flux decreases as junction temperature increases. The derating curve (Fig. 6) quantifies this relationship. Proper heatsinking is essential to minimize output loss in warm environments.

Q: Can I drive this LED at 120mA continuously?
A: While 120mA is the absolute maximum rating, continuous operation at this current requires exceptional thermal management to keep the junction temperature below 115°C. For most designs, operating at or below 80-100mA is recommended for optimal lifetime and efficacy.

Q: What is the difference between the "Typ." and "Min." luminous flux values?
A: The "Typical" value represents the average or expected output for that bin. The "Minimum" value is the lowest output guaranteed for LEDs sorted into that specific flux bin code (e.g., E9). Designers should use the minimum value for conservative system lumen calculations.

Q: How do I interpret the color bin code, e.g., '30M5'?
A: The code defines a specific ellipse on the CIE chart. The first two digits often relate to the CCT (e.g., '30' approximates 3000K nominal), while the letter and number define the ellipse size and position relative to the black-body locus. Refer to Table 5 for the exact center coordinates and ellipse parameters.

Design- und Anwendungsfallstudie

Scenario: Designing a 1200lm LED Panel Light for Office Use.
A designer targets a 600mm x 600mm panel light with a neutral white color (4000K, CRI >80) and an efficacy of 100 lm/W. Using the 3020 LED from the 40M5 color bin with a typical flux of 66 lm at 80mA (0.528W), the single-LED efficacy is approximately 125 lm/W. To achieve 1200lm, approximately 19 LEDs are needed (1200 lm / 66 lm per LED). Allowing for system losses (optics, thermal), 24 LEDs might be used in a 6x4 array.

Die LEDs würden auf einer Aluminium-MCPCB (Metal Core PCB) montiert werden. Die gesamte Systemleistung würde etwa 24 * 0,528 W = ~12,7 W betragen. Es würde ein Konstantstromtreiber mit einer Ausgabe von 80 mA und einem Spannungsbereich, der 24 in Reihe geschaltete LEDs abdeckt (24 * ~6,6 V = ~158 V), ausgewählt. Es würde eine thermische Simulation durchgeführt, um sicherzustellen, dass das MCPCB-Design die LED-Lötpunkttemperatur ausreichend niedrig hält, um >90 % des anfänglichen Lichtstroms bei der Nennbetriebstemperatur der Leuchte aufrechtzuerhalten. Durch die Spezifikation aller LEDs aus dem 40M5-Farb-Bin und einem einzigen Lichtstrom-Bin (z.B. F1) würde eine ausgezeichnete Farb- und Helligkeitsgleichmäßigkeit über die gesamte Fläche erreicht.

Einführung in das Funktionsprinzip

Dies ist eine phosphorkonvertierte weiße LED. Der grundlegende Betrieb beinhaltet einen Halbleiterchip, typischerweise aus Indiumgalliumnitrid (InGaN), der bei Vorwärtsspannung (Elektrolumineszenz) blaues Licht emittiert. Dieses blaue Licht wird teilweise von einer Cer-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce)-Phosphorschicht absorbiert, die über dem Chip aufgebracht ist. Der Phosphor wandelt einen Teil der blauen Photonen in ein breites Spektrum von gelbem Licht um. Die Kombination des verbleibenden blauen Lichts und des emittierten gelben Lichts führt zur Wahrnehmung von weißem Licht. Die genaue korrelierte Farbtemperatur (CCT) wird durch Variation der Phosphorzusammensetzung und -dicke gesteuert. Das EMC-Gehäuse dient dazu, den empfindlichen Halbleiterchip und den Phosphor zu schützen, eine mechanische Struktur bereitzustellen und, was am wichtigsten ist, einen primären Weg für die Wärmeleitung von der Sperrschicht zu den Lötpads und der Leiterplatte zu bieten.

Technologietrends

Das Mid-Power LED-Segment, insbesondere mit EMC-Gehäusen, entwickelt sich weiter. Wichtige Trends, die bei diesem Produkt und dem breiteren Markt beobachtbar sind, umfassen:

• Increased Efficacy: Ongoing improvements in internal quantum efficiency of the blue die and phosphor conversion efficiency drive higher lm/W outputs.
• Enhanced Color Quality: Beyond CRI (Ra), there is a focus on improving metrics like R9 (saturated red) and TM-30 (Rf, Rg) for better color rendition, especially in retail and museum lighting.
• Higher Power Density: Packages like the 3020 are being driven harder (e.g., 0.8W) while maintaining reliability, blurring the line between mid-power and high-power segments.
• Improved Thermal Materials: Development of EMC compounds with even higher thermal conductivity and better resistance to harsh environments (UV, humidity).
• Miniaturization and Integration: The drive for smaller, denser light sources for applications like automotive lighting and ultra-slim fixtures.
• Smart and Tunable Lighting: While this is a static white LED, the industry is moving towards LEDs that can dynamically adjust CCT and intensity, often requiring more complex multi-chip or phosphor designs.

Die 3020 EMC LED positioniert sich fest innerhalb dieser Trends und bietet eine thermisch robuste, effiziente und kosteneffektive Plattform für die aktuelle Generation von Allgemeinbeleuchtungslösungen.