3020 Mid-Power LED Datenblatt - 3.0x2.0mm - 19V typ. - 0.6W - Kalt-/Neutral-/Warmweiß - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die 3020-Serie repräsentiert eine Familie von Mid-Power LEDs, die ein thermisch optimiertes Epoxidharz-Formstoff-Gehäuse (EMC) nutzen. Dieses Design ist darauf ausgelegt, eine optimale Balance zwischen Lichtausbeute (Lumen pro Watt) und Kosteneffizienz (Lumen pro Dollar) zu liefern, was sie zu einer überzeugenden Wahl für ein breites Spektrum an Allgemeinbeleuchtungsanwendungen macht. Die Serie zeichnet sich durch ihren kompakten Bauraum von 3,0 mm x 2,0 mm aus und ist für eine typische Verlustleistung von 0,6 W ausgelegt, mit einer maximal zulässigen Leistung von 0,8 W unter spezifizierten Bedingungen.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die primären Vorteile dieser LED-Serie ergeben sich aus ihrer EMC-Gehäusetechnologie und Designoptimierungen. Das EMC-Material bietet im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen einen überlegenen Wärmewiderstand und eine langfristige Zuverlässigkeit, was eine stabile Leistung bei höheren Betriebstemperaturen ermöglicht. Zu den Hauptmerkmalen gehören ein maximaler Durchlassstrom von 40 mA, ein minimaler Farbwiedergabeindex (CRI) von 80 für hohe Farbqualität und die Kompatibilität mit bleifreien Reflow-Lötprozessen. Diese Eigenschaften machen die Serie ideal für Retrofit-Lampen, allgemeine Innen- und Außenbeleuchtung, Hintergrundbeleuchtung für Schilder sowie architektonische oder dekorative Leuchten, bei denen eine Kombination aus Effizienz, Zuverlässigkeit und Farbqualität von größter Bedeutung ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt spezifizierten Schlüssel-Leistungsparameter. Das Verständnis dieser Werte ist für eine korrekte Schaltungsauslegung und Wärmemanagement entscheidend.

2.1 Elektro-optische Kennwerte

Die elektro-optische Leistung wird unter Standard-Testbedingungen von I_F= 30 mA, T_a= 25 °C und 60 % relativer Luftfeuchtigkeit gemessen. Der Lichtstrom wird für zwei kritische Temperaturen angegeben: die Umgebungstemperatur (T_a=25 °C) und die Lötstellentemperatur (T_s=85 °C). Letztere ist ein realistischeres Leistungsindiz in einer praktischen Anwendung, bei der die LED auf einer Platine montiert ist. Beispielsweise liefert eine typische kaltweiße Sortiergruppe (65R6) 72 Lumen bei T_a=25 °C, aber nur 62 Lumen bei T_s=85 °C, was die Bedeutung des thermischen Designs unterstreicht. Das Datenblatt gibt eine Toleranz von ±7 % für Lichtstrommessungen und ±2 für CRI (Ra)-Messungen an.

2.2 Elektrische und thermische Parameter

Die Durchlassspannung (V_F) hat einen typischen Wert von 19 V bei 30 mA, mit einer spezifizierten Toleranz von ±0,3 V. Der Abstrahlwinkel (2Θ1/2) beträgt breite 120 Grad, definiert als der Winkel, bei dem die Lichtstärke auf die Hälfte ihres Spitzenwerts abfällt. Ein kritischer thermischer Parameter ist der thermische Widerstand von Sperrschicht zu Lötstelle (R_{th j-sp}), spezifiziert mit typisch 22 °C/W. Dieser Wert quantifiziert, wie effektiv Wärme vom Halbleiterübergang zur Lötstelle abfließt; ein niedrigerer Wert bedeutet eine bessere Wärmeableitung. Die elektrostatische Entladungsfestigkeit (ESD) beträgt 1000 V (Human Body Model), ein Standardwert für Mid-Power LEDs.

2.3 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden auftreten können. Sie dürfen unter keinen Betriebsbedingungen überschritten werden. Wichtige Grenzwerte sind: ein kontinuierlicher Durchlassstrom (I_F) von 40 mA, ein gepulster Durchlassstrom (I_FP) von 60 mA (für Pulse ≤ 100 µs, Tastverhältnis ≤ 1/10), eine maximale Verlustleistung (P_D) von 840 mW und eine maximale Sperrschichttemperatur (T_j) von 125 °C. Der Betriebs- und Lagertemperaturbereich liegt bei -40 °C bis +105 °C. Das Lötprofil erlaubt einen Spitzenwert von 230 °C oder 260 °C für maximal 10 Sekunden.

3. Erklärung des Sortiersystems

Um Farb- und Helligkeitskonstanz in der Produktion sicherzustellen, werden LEDs in Sortiergruppen (Bins) eingeteilt. Diese Serie verwendet ein umfassendes Sortiersystem basierend auf Energy Star-Richtlinien für den Bereich 2600K bis 7000K.

3.1 Farbtemperatur (CCT) und Farbortsortierung

Die Produktauswahltabelle listet sechs primäre CCT-Gruppen auf, von Warmweiß (2725K, 3045K) bis Kaltweiß (6530K). Jede CCT-Gruppe hat einen entsprechenden Farbort-Code (z.B. 27R5, 65R6). Tabelle 5 und Abbildung 9 zeigen die Struktur der Farbortsortierung im CIE-1931-Diagramm im Detail. Jede Sortiergruppe ist durch einen elliptischen Bereich mit einem spezifischen Mittelpunktskoordinatenpaar (x, y) bei 25 °C und 85 °C definiert, zusammen mit den Radien der Haupt-/Nebenachse (a, b) und einem Winkel (Φ). Die Messunsicherheit für die Farbkoordinaten beträgt ±0,007.

3.2 Lichtstromsortierung

Innerhalb jeder Farbortsortiergruppe werden die LEDs weiter nach ihrem Lichtstromausgang bei 30 mA sortiert. Tabelle 6 definiert die Lichtstromränge. Beispielsweise sind innerhalb der Farbortsortiergruppe 65R6 LEDs mit den Lichtstromcodes F1 (66-70 lm min), F2 (70-74 lm min) und F3 (74-78 lm min) erhältlich, alle gemessen bei T_a=25 °C. Diese zweidimensionale Sortierung (Farbe + Lichtstrom) ermöglicht es Konstrukteuren, LEDs auszuwählen, die präzise Anwendungsanforderungen sowohl für den Farbort als auch die Helligkeit erfüllen.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten der LED unter variierenden Bedingungen veranschaulichen, was für Vorhersagemodelle und robustes Design unerlässlich ist.

4.1 IV-Kennlinie und relativer Lichtstrom

Abbildung 4 zeigt die Beziehung zwischen Durchlassspannung (V_F) und Durchlassstrom (I_F). Die Kurve ist im Arbeitsbereich relativ linear, wobei V_Fmit dem Strom ansteigt. Abbildung 3 stellt den relativen Lichtstrom über I_Fdar. Der Lichtstrom steigt unterlinear mit dem Strom; ein Betrieb der LED über den empfohlenen 30 mA hinaus bringt abnehmende Lichtausbeute bei deutlich höherer Wärmeentwicklung, was Effizienz und Lebensdauer potenziell verringert.

4.2 Temperaturabhängigkeit

Abbildungen 6 und 7 sind für die thermische Analyse entscheidend. Abbildung 6 zeigt, wie der relative Lichtstrom linear abnimmt, wenn die Lötstellentemperatur (T_s) steigt. Bei 125 °C beträgt die Ausgangsleistung etwa 20 % des Werts bei 25 °C. Abbildung 7 zeigt, dass V_Febenfalls mit steigender Temperatur abnimmt, eine typische Eigenschaft von Halbleiterdioden. Abbildung 5 veranschaulicht die Verschiebung der Farbortkoordinaten (CIE x, y) mit der Temperatur, was für farbkritische Anwendungen wichtig ist.

3.3 Spektralverteilung und Abstrahlwinkel

Abbildung 1 zeigt eine typische spektrale Leistungsverteilungskurve, die die relative Intensität über die Wellenlängen darstellt. Die Form dieser Kurve bestimmt CCT und CRI. Abbildung 2 zeigt das räumliche Abstrahlverhalten (Abstrahlwinkelverteilung) und bestätigt das lambertstrahlerähnliche Emissionsprofil mit dem spezifizierten 120-Grad-Abstrahlwinkel.

4.4 Umgebungstemperatur-Derating

Abbildung 8 ist eine Derating-Kurve für den maximal zulässigen Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur (T_a) und dem thermischen Widerstand des Systems (R_j-a). Beispielsweise muss bei einem System-R_j-avon 45 °C/W der maximale Strom von 40 mA bei T_a=89 °C auf etwa 22 mA bei T_a=105 °C reduziert werden, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur ihren Grenzwert von 125 °C überschreitet. Dieses Diagramm ist entscheidend für die Bestimmung sicherer Betriebsströme in Hochtemperaturumgebungen.

5. Anwendungsrichtlinien und Designüberlegungen

5.1 Typische Anwendungsszenarien

Aufgrund ihrer Balance aus Effizienz, Kosten und Zuverlässigkeit eignet sich diese LED-Serie besonders gut für:
- Retrofit-Lampen:Direkter Ersatz für Glüh-, Halogen- oder Kompaktleuchtstofflampen in Leuchtmitteln, Röhren und Downlights.
- Allgemeinbeleuchtung:Primäre Lichtquelle in Wohn-, Gewerbe- und Industrieleuchten.
- Schilder-Hintergrundbeleuchtung:Gleichmäßige Ausleuchtung für Innen- und Außenschilder.
- Architekturbeleuchtung:Fassadenbeleuchtung, indirekte Beleuchtung und andere dekorative Anwendungen, bei denen Farbqualität wichtig ist.

5.2 Kritische Designüberlegungen

Wärmemanagement:Dies ist der wichtigste Faktor für Leistung und Lebensdauer. Der niedrige R_{th j-sp}-Wert von 22 °C/W ist nur wirksam, wenn die Leiterplatte und der Kühlkörper einen thermisch leitfähigen Pfad zur Umgebung bieten. Der Einsatz von Metallkern-Leiterplatten (MCPCBs) oder Platinen mit ausreichenden Wärmeleitdurchkontaktierungen wird dringend empfohlen. Konsultieren Sie stets die Derating-Kurve (Abb. 8), um den Treiberstrom festzulegen.
Stromtreiber:Ein Konstantstromtreiber ist für eine stabile Lichtausgabe und Farbe zwingend erforderlich. Der empfohlene Betriebsstrom beträgt 30 mA, obwohl er bei exzellenten thermischen Bedingungen bis zu 40 mA betrieben werden kann. Das Überschreiten von 40 mA birgt das Risiko sofortiger Beschädigung.
Optik:Der 120-Grad-Abstrahlwinkel ist für viele Allgemeinbeleuchtungsanwendungen geeignet. Für stärker gebündelte Lichtstrahlen sind Sekundäroptiken (Linsen) erforderlich.
ESD-Schutz:Obwohl für 1000 V HBM ausgelegt, sollten während der Montage und Handhabung die üblichen ESD-Schutzmaßnahmen beachtet werden.

6. Vergleichsanalyse und technische Differenzierung

Innerhalb des Mid-Power LED-Segments sind die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale dieser 3020 EMC-Serie:
1. Hochtemperaturfähigkeit:Das EMC-Gehäuse ermöglicht einen dauerhaften Betrieb bei höheren Lötstellentemperaturen (T_s=85 °C-Daten angegeben) im Vergleich zu Standard-PPA- oder PCT-Kunststoffen, die vergilben und degradieren können.
2. Leistungsdichte:Mit einer Fähigkeit von bis zu 0,8 W in einem 3,0x2,0 mm Gehäuse bietet sie eine höhere Leistungsdichte als viele traditionelle 3528- oder 2835-Mid-Power-LEDs, was möglicherweise die Anzahl der benötigten LEDs für eine bestimmte Lumenleistung reduziert.
3. Spannungskennwert:Die typische Durchlassspannung von 19 V bei 30 mA ist bemerkenswert. Konstrukteure müssen sicherstellen, dass der LED-Treiber für diesen höheren Spannungsbereich konfiguriert ist, verglichen mit häufigeren 3 V oder 6 V Mid-Power LEDs.
4. Umfassende Sortierung:Die Einhaltung der Energy Star-Sortierung und die Bereitstellung sowohl von Farb- als auch Lichtstromsortiergruppen bieten Vorhersagbarkeit und Konsistenz für qualitativ hochwertige Beleuchtungsprodukte.

7. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Warum ist der Lichtstrom bei T_s=85 °C niedriger als bei T_a=25 °C?
A: T_aist die Lufttemperatur um die LED herum. T_sist die Temperatur an der Lötstelle, die viel näher an der tatsächlichen Sperrschichttemperatur während des Betriebs liegt. Mit steigender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad des Halbleiters, was die Lichtausbeute verringert. Die T_s=85 °C-Daten sind eine realistischere Leistungskennzahl für das Design.

F: Kann ich diese LED dauerhaft mit 40 mA betreiben?
A: Der absolute Maximalwert beträgt 40 mA, aber dies ist eine Belastungsgrenze. Der empfohlene Betriebszustand ist 30 mA. Ein Betrieb mit 40 mA ist nur möglich, wenn das Wärmemanagement außergewöhnlich gut ist (sehr niedriger System-R_j-a) und die Umgebungstemperatur niedrig ist, gemäß der Derating-Kurve in Abb. 8. Dies verringert die Effizienz und kann die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

F: Wie interpretiere ich den Sortiercode, zum Beispiel '65R6'?
A: Der Code definiert die Farbortsortiergruppe. Die ersten beiden Ziffern (65) beziehen sich auf die CCT (6500K-Bereich). Der Buchstabe (R) und die folgende Ziffer (6) definieren die spezifische Ellipse im CIE-Diagramm, in die die Farbkoordinaten der LED fallen, was eine enge Farbkonstanz gewährleistet.

F: Was bedeutet der thermische Widerstand von 22 °C/W?
A: Dieser Wert (R_{th j-sp}) zeigt an, dass für jedes Watt Verlustleistung in der LED-Sperrschicht die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Lötstelle um 22 °C ansteigt. Ein niedrigerer Wert ist besser. Der gesamte thermische Widerstand des Systems (Sperrschicht zu Umgebung, R_j-a) umfasst diesen plus den Widerstand der Leiterplatte, der thermischen Schnittstelle und des Kühlkörpers.

8. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwicklung einer 1200-Lumen-LED-Röhrenleuchte.
Ziel:Ersatz einer Leuchtstoff-T8-Röhre durch eine LED-Äquivalent.
Designprozess:
1. Lumenziel:1200 Lumen.
2. LED-Auswahl:Wahl der Sortiergruppe 65R6-F2 (typisch 72 lm bei 30 mA, T_a=25 °C). Unter Berücksichtigung des thermischen Deratings (geschätzt ~15 % Verlust bei Betriebstemperatur) wird mit 61 lm pro LED gerechnet.
3. Mengenberechnung:1200 lm / 61 lm pro LED ≈ 20 LEDs.
4. Elektrisches Design:20 LEDs in Reihe würden eine Treiberspannung von 20 * 19 V = 380 V erfordern, was sehr hoch ist. Ein praktischerer Ansatz ist die Verwendung von zwei Reihen à 10 LEDs in Serie (190 V pro Reihe), die parallel geschaltet und von einem Konstantstromtreiber mit insgesamt 60 mA (30 mA pro Reihe) betrieben werden.
5. Thermisches Design:Gesamtleistung: 20 LEDs * 19 V * 0,03 A = 11,4 W. Unter Verwendung einer Aluminium-Leiterplatte als Kühlkörper muss der Konstrukteur berechnen, ob der System-R_j-aniedrig genug ist, um die Sperrschicht in der geschlossenen Röhrenumgebung unter 125 °C zu halten, wobei die Derating-Kurve als Leitfaden dient.
Dieser Fall verdeutlicht das Zusammenspiel zwischen elektrischer Konfiguration, Wärmemanagement und photometrischen Zielen.

9. Technische Prinzipien und Trends

9.1 Funktionsprinzip

Diese LED arbeitet nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz in einem Halbleiter. Wenn eine Durchlassspannung an den p-n-Übergang angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die im Gehäuse verwendeten spezifischen Materialien (Phosphore) wandeln einen Teil des primären blauen Lichts vom Chip in längere Wellenlängen um, was das gewünschte Weißlicht mit einer spezifischen CCT und CRI ergibt. Das EMC-Gehäuse dient dem Schutz des Chips und der Bonddrähte, bietet eine Primäroptik und, am wichtigsten, einen wärmeleitenden Pfad zur Wärmeableitung.

9.2 Branchentrends

Der Mid-Power LED-Markt entwickelt sich weiterhin hin zu höherer Effizienz (lm/W) und verbesserter Zuverlässigkeit bei niedrigeren Kosten. Der Einsatz von EMC-Gehäusen, wie in dieser Serie zu sehen, ist ein bedeutender Trend, der traditionelle Kunststoffe aufgrund der überlegenen Beständigkeit gegen Hitze und Feuchtigkeit ersetzt und längere Lebensdauern sowie höhere Treiberströme ermöglicht. Darüber hinaus gibt es einen kontinuierlichen Druck auf engere Farb- und Lichtstromsortierung, um die Anforderungen hochwertiger Beleuchtung zu erfüllen. Die Integration dieser Komponenten in Module und Light Engines ist ebenfalls ein wachsender Trend, der das Design für Leuchtenhersteller vereinfacht. Die in diesem Datenblatt bereitgestellten Daten spiegeln den aktuellen Industriestandard für die Charakterisierung und Spezifikation der Leistung unter realistischen thermischen Bedingungen wider.