3020 Mid-Power LED Datenblatt - Abmessungen 3,0x2,0mm - Spannung 3,4V - Leistung 0,5W - Kalt-/Neutral-/Warmweiß - Technisches Dokument

Produktübersicht

Die 3020-Serie stellt eine leistungsstarke Mid-Power LED-Lösung für die Allgemeinbeleuchtung dar. Das Gehäuse aus thermisch optimiertem Epoxidharz (EMC) bietet eine hervorragende Balance aus Lichtausbeute, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz. Das Produkt ist primär für den Retrofit- und Allgemeinbeleuchtungsmarkt positioniert, wo hohe Lichtausbeute pro Kosten und gute Farbqualität entscheidend sind. Die Kernvorteile umfassen eines der besten Lumen-pro-Watt- und Lumen-pro-Euro-Verhältnisse in dieser Klasse, ein robustes Gehäuse für bis zu 0,8W und einen hohen Farbwiedergabeindex (CRI) von mindestens 80. Der Zielmarkt umfasst ein breites Spektrum an Beleuchtungslösungen, vom direkten Ersatz traditioneller Lampen bis hin zu Architektur- und Dekorationsbeleuchtung.

Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Photometrische und optische Eigenschaften

Die elektrooptische Leistung ist unter Standardtestbedingungen von 150mA Durchlassstrom (IF) und einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C spezifiziert. Die Produktfamilie bietet korrelierte Farbtemperaturen (CCT) von Warmweiß (2580K-3220K) bis Kaltweiß (5310K-7040K). Für eine typische Neutralweiß-Variante (z.B. T3450811C) kann der Lichtstrom bis zu 68 Lumen erreichen. Ein Schlüsselmerkmal ist der garantierte minimale Farbwiedergabeindex (CRI oder Ra) von 80 über alle Bins hinweg, was eine gute Farbtreue sicherstellt. Die räumliche Lichtverteilung ist durch einen breiten Abstrahlwinkel (2θ1/2) von 110 Grad gekennzeichnet, der eine gleichmäßige Ausleuchtung ermöglicht. Wichtig sind die spezifizierten Messtoleranzen: ±7% für den Lichtstrom und ±2 für den CRI.

Elektrische und thermische Parameter

Die elektrischen Eigenschaften definieren die Betriebsgrenzen. Die typische Durchlassspannung (VF) beträgt 3,4V bei 150mA mit einer Toleranz von ±0,1V. Die absoluten Maximalwerte sind für ein zuverlässiges Design entscheidend: Der maximale Dauer-Durchlassstrom (IF) beträgt 240mA, wobei unter bestimmten Bedingungen ein Pulsstrom (IFP) von 300mA zulässig ist (Pulsbreite ≤ 100µs, Tastverhältnis ≤ 1/10). Die maximale Verlustleistung (PD) liegt bei 816mW. Das thermische Management wird durch einen niedrigen thermischen Widerstand (Rth j-sp) von 21°C/W (von der Sperrschicht zum Lötpunkt) erleichtert, was für die Aufrechterhaltung von Leistung und Lebensdauer wesentlich ist. Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur (Tj) beträgt 115°C.

Erklärung des Binning-Systems

Wellenlängen- / Farbtemperatur-Binning

Die Farbkonsistenz der LED wird durch eine präzise Binning-Struktur basierend auf dem CIE-1931-Farbdiagramm gesteuert. Das System verwendet elliptische Bins, die durch einen Mittelpunkt (x, y-Koordinaten), eine große Halbachse (a), eine kleine Halbachse (b) und einen Drehwinkel (Φ) definiert sind. Zum Beispiel hat der 40M5-Bin für Neutralweiß einen Mittelpunkt bei (0,3825, 0,3798). Das Binning für Farbtemperaturen zwischen 2600K und 7000K folgt dem Energy-Star-Standard und gewährleistet so eine enge Farbkonsistenz für Anwendungen, die einheitliches Weißlicht erfordern. Die Messunsicherheit für die Farbkoordinaten beträgt ±0,007.

Lichtstrom-Binning

Die Lichtleistung wird ebenfalls in Bins kategorisiert, um die Leistung zu garantieren. Jeder Farb-Bin (z.B. 27M5, 30M5) ist weiter in Lichtstrom-Ränge unterteilt, die durch Codes wie E7, E8, F1 usw. gekennzeichnet sind. Beispielsweise hat eine LED im 30M5-Farb-Bin mit dem Lichtstrom-Code F1 einen Lichtstrom zwischen 66 und 70 Lumen bei 150mA. Dies ermöglicht es Entwicklern, LEDs mit vorhersagbarer Lichtleistung für ihre spezifischen Anwendungsanforderungen auszuwählen.

Durchlassspannungs-Binning

Um die Schaltungsentwicklung und Stromanpassung, insbesondere in Multi-LED-Arrays, zu unterstützen, wird die Durchlassspannung in drei Ränge sortiert: Code 1 (2,8V - 3,0V), Code 2 (3,0V - 3,2V) und Code 3 (3,2V - 3,4V). Dies hilft, die Anforderungen an die Stromversorgung vorherzusagen und die thermischen Lasten effektiver zu managen.

Analyse der Leistungskurven

Strom-Spannungs- (I-V) und Strom-Lichtstrom- (I-Φ) Kennlinien

Abbildung 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen Durchlassstrom und relativem Lichtstrom. Die Ausgabe ist bis zum empfohlenen Betriebsstrom nahezu linear, was eine gute Effizienz zeigt. Abbildung 4 zeigt die Durchlassspannung in Abhängigkeit vom Strom, was für das Treiberdesign wesentlich ist. Der positive Temperaturkoeffizient der Spannung ist deutlich erkennbar, was bedeutet, dass VF mit steigender Temperatur abnimmt – ein typisches Verhalten für LEDs.

Temperaturabhängigkeit

Die Leistungsänderung mit der Temperatur ist ein kritischer Designfaktor. Abbildung 6 zeigt, dass der relative Lichtstrom mit steigender Umgebungstemperatur (Ta) abnimmt, was die Bedeutung des thermischen Managements zur Aufrechterhaltung der Lichtleistung unterstreicht. Abbildung 7 zeigt die Abnahme der Durchlassspannung mit steigender Temperatur. Abbildung 8 liefert eine Derating-Kurve für den maximal zulässigen Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, was für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit unter verschiedenen Betriebsbedingungen entscheidend ist.

Spektrale und winkelmäßige Verteilung

Abbildung 1 zeigt die relative spektrale Leistungsverteilung, die die Farbqualität und CCT definiert. Abbildung 2 stellt die Abstrahlcharakteristik (räumliches Strahlungsdiagramm) dar und bestätigt den breiten 110-Grad-Abstrahlwinkel für eine gleichmäßige Ausleuchtung.

Farbverschiebung mit der Temperatur

Abbildung 5 zeigt die Verschiebung der CIE x, y Farbkoordinaten mit steigender Umgebungstemperatur (von 25°C bis 85°C). Diese Information ist für Anwendungen, bei denen Farbstabilität über den Temperaturbereich erforderlich ist, von entscheidender Bedeutung.

Löt- und Montagerichtlinien

Die LED ist mit bleifreien Reflow-Lötverfahren kompatibel. Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur beträgt 230°C oder 260°C für eine maximale Dauer von 10 Sekunden. Es ist zwingend erforderlich, das empfohlene Reflow-Profil einzuhalten, um thermische Schäden am EMC-Gehäuse und dem internen Chip zu verhindern. Der Betriebstemperaturbereich reicht von -40°C bis +85°C, der Lagertemperaturbereich ist identisch. Es muss darauf geachtet werden, die absoluten Maximalwerte während des Betriebs nicht zu überschreiten, da dies zu irreversiblen Schäden an der LED führen kann.

Anwendungsempfehlungen

Typische Anwendungsszenarien

Das Datenblatt nennt mehrere Schlüsselanwendungen: Retrofit traditioneller Lampen (wie Glüh- oder Kompaktleuchtstofflampen), allgemeine Innen- und Außenbeleuchtung, Hintergrundbeleuchtung für Innen-/Außenschilder sowie Architektur-/Dekorationsbeleuchtung. Die Kombination aus hoher Effizienz, gutem CRI und einem breiten Abstrahlwinkel macht sie für diese vielfältigen Einsatzzwecke geeignet.

Designüberlegungen

Entwickler müssen dem thermischen Management besondere Aufmerksamkeit schenken. Unter Verwendung des angegebenen thermischen Widerstandswerts (21°C/W) muss eine geeignete Kühlung berechnet werden, um die Sperrschichttemperatur unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen unter 115°C zu halten. Für Anwendungen mit hoher Umgebungstemperatur muss die Derating-Kurve für den Strom (Abb. 8) befolgt werden. Für eine konstante Lichtleistung wird ein Konstantstromtreiber gegenüber einem Konstantspannungstreiber empfohlen. Bei der Entwicklung von Multi-LED-Arrays sollte die Verwendung von LEDs aus denselben Spannungs- und Lichtstrom-Bins in Betracht gezogen werden, um eine gleichmäßige Helligkeit und Stromaufteilung zu gewährleisten.

Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu traditionellen Mid-Power LEDs in Kunststoffgehäusen bietet das EMC-Gehäuse eine deutlich bessere thermische Leistung, was höhere Treiberströme und Verlustleistungen (bis zu 0,8W) bei gleichbleibender Zuverlässigkeit ermöglicht. Dies führt zu einer höheren Lumenleistung aus einem ähnlich großen Gehäuse. Der garantierte CRI von 80+ bietet einen Wettbewerbsvorteil in Anwendungen, bei denen Farbqualität wichtig ist, im Vergleich zu Standardprodukten mit niedrigerem CRI. Der breite 110-Grad-Abstrahlwinkel ist vorteilhaft für Anwendungen, die eine breite, gleichmäßige Ausleuchtung ohne Sekundäroptik erfordern.

Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

Q: What is the maximum power I can drive this LED at?
A: The absolute maximum power dissipation is 816mW. However, the recommended operating condition is based on 0.5W nominal. Operating at higher power requires excellent thermal management to stay within the junction temperature limit.

Q: How do I interpret the luminous flux bins (E7, F1, etc.)?
A: These codes represent ranges of luminous output at 150mA. You must cross-reference the code with the specific color bin table (Table 6) to find the minimum and maximum lumen values for that group.

Q: Can I use a constant voltage source to drive this LED?
A: It is not recommended. LEDs are current-driven devices. A small change in forward voltage can cause a large change in current, potentially exceeding maximum ratings. Always use a constant current driver or a circuit that actively limits current.

Q: What is the impact of the ±7% flux tolerance?
A: This means the actual measured luminous flux of a production LED can vary by ±7% from the typical value listed in the datasheet. The binning system helps control this variation by grouping LEDs into tighter flux ranges.

Praktischer Anwendungsfall

Scenario: Designing a 10W LED Bulb Retrofit
A designer aims to create an A19 bulb replacement using this 3020 LED. Targeting 800 lumens, they might use 16 LEDs driven at approximately 140mA each (slightly below the test current for better efficacy and thermal headroom). They would select LEDs from the same color bin (e.g., 40M5 for 4000K Neutral White) and a consistent flux bin (e.g., F1) to ensure color and brightness uniformity. The total forward voltage for 16 LEDs in series would be roughly 16 * 3.4V = 54.4V, dictating the driver specifications. A properly designed aluminum PCB with thermal vias would be necessary to sink the heat from the 10W total dissipation, keeping individual junction temperatures well below the 115°C maximum.

Einführung in das Funktionsprinzip

Leuchtdioden (LEDs) sind Halbleiterbauelemente, die Licht durch Elektrolumineszenz emittieren. Wenn eine Durchlassspannung an den p-n-Übergang angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts wird durch die Bandlückenenergie der verwendeten Halbleitermaterialien bestimmt. Weißlicht in dieser LED wird typischerweise durch einen blau emittierenden Halbleiterchip erzeugt, der mit einer Phosphorschicht beschichtet ist. Ein Teil des blauen Lichts wird durch den Phosphor in längere Wellenlängen (gelb, rot) umgewandelt, und die Mischung aus blauem und phosphorkonvertiertem Licht erscheint dem menschlichen Auge weiß. Das EMC-Gehäuse dient zum Schutz des Halbleiterchips und der Bonddrähte, bietet eine primäre Optiklinse und, was am wichtigsten ist, einen Weg für eine effiziente Wärmeableitung von der Sperrschicht.

Technologietrends

Das Mid-Power LED-Segment entwickelt sich weiterhin hin zu höherer Effizienz (Lumen pro Watt) und höherer Zuverlässigkeit bei geringeren Kosten. Wichtige Trends sind die Einführung robusterer Gehäusematerialien wie EMC und Keramik, um höhere Betriebstemperaturen und -ströme zu ermöglichen, was zu einer höheren Lumendichte führt. Es gibt einen kontinuierlichen Druck zur Verbesserung der Phosphortechnologie, um höhere Farbwiedergabeindex (CRI)-Werte und eine konsistentere Farbqualität über Chargen hinweg zu erreichen. Darüber hinaus ist die Integration mehrerer Chips in einem einzigen Gehäuse (COB - Chip-on-Board oder Multi-Die Mid-Power) ein Trend, um die Montage zu vereinfachen und die Systemkosten für Hochlumenanwendungen zu senken. Der Trend zu Smart Lighting beeinflusst auch das LED-Design, mit einem Fokus auf Kompatibilität mit Dimmprotokollen und einstellbaren Weißlichtsystemen.