C4516SDWN3S1-RGBC0120-2H Smart Pixel LED Datenblatt - P-LCC-6 Gehäuse - 5V - 120° Abstrahlwinkel - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die C4516SDWN3S1-RGBC0120-2H ist eine integrierte Smart Pixel LED-Komponente. Sie vereint rote, grüne und blaue LED-Chips mit einem dedizierten 3-Kanal-Treiber-IC in einem einzigen P-LCC-6 Oberflächenmontage (SMD)-Gehäuse. Diese Integration vereinfacht das Design, da externe Treiberkomponenten für jeden Farbkanal entfallen.

Die Kernfunktion des integrierten Treiber-ICs (im Dokument als 4516-IC bezeichnet) ist die individuelle 8-Bit-Pulsweitenmodulation (PWM) für jede der roten (R), grünen (G) und blauen (B) LEDs. Dies ermöglicht die Erzeugung von 16,7 Millionen Farben (2^24) durch präzise Intensitätsmischung. Die Steuerung erfolgt über ein einfaches Ein-Draht-Serielle-Kommunikationsprotokoll, was sie äußerst kosteneffizient und einfach in verschiedenen Beleuchtungsdesigns umsetzbar macht.

Das Gehäuse verfügt über einen inneren Reflektor und ist aus farblosem klarem Harz geformt, was zu seinem weiten Abstrahlwinkel von 120 Grad beiträgt. Die Mischung des Lichts der drei Primärfarben-LEDs ergibt eine weiße Lichtemission, wodurch diese Komponente besonders für Hintergrundbeleuchtungen und Lichtleiteranwendungen geeignet ist, bei denen eine gleichmäßige, breitwinklige Ausleuchtung erforderlich ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Limits, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb außerhalb dieser Bereiche ist nicht garantiert.

• Versorgungsspannung (VDD):Maximal 6,5V. Die typische Betriebsspannung beträgt 5V, was einen sicheren Spielraum bietet.
• Verlustleistung (PD):Weniger als 400 mW. Dies begrenzt die gesamte vom IC und den LEDs erzeugte Wärme.
• LED-Ausgangsstrom (Iout):Maximal 25 mA pro Kanal. Der typische Ausgangsstrom ist in den elektrischen Kenngrößen mit 20 mA spezifiziert.
• Betriebstemperatur (Topr):-25°C bis +85°C. Dies definiert den Umgebungstemperaturbereich für einen zuverlässigen Betrieb.
• Lagertemperatur (Tstg):-40°C bis +90°C.
• Elektrostatische Entladung (ESD):Hält 2000V stand, was auf einen grundlegenden Handhabungsschutz hinweist.
• Löttemperatur:Kompatibel mit bleifreien (Pb-free) Prozessen: IR-Reflow-Lötung bei 260°C für maximal 10 Sekunden oder Handlötung bei 350°C für maximal 3 Sekunden.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Gemessen bei Ta=25°C und VDD=5V definieren diese Parameter die Lichtausgangsleistung.

• Lichtstärke (Iv):
  • Rot (R): 450 mcd (Min) bis 1120 mcd (Max). Der typische Wert liegt innerhalb dieses Bereichs.
  • Grün (G): 1120 mcd (Min) bis 2800 mcd (Max). Grün ist typischerweise der hellste Kanal.
  • Blau (B): 280 mcd (Min) bis 710 mcd (Max).
  • Toleranz:±11% für die Lichtstärke.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):100° (Min), 120° (Typisch), 140° (Max). Der weite typische Winkel von 120° ist ein Hauptmerkmal.
• Dominante Wellenlänge (λd):
  • Rot: 618 nm bis 630 nm.
  • Grün: 520 nm bis 535 nm.
  • Blau: 463 nm bis 475 nm.
  • Toleranz:±1 nm.
• Chip-Materialien:Rot verwendet AlGaInP, während Grün und Blau InGaN verwenden, was für hocheffiziente LEDs Standard ist.

2.3 Elektrische Kenngrößen

Parameter für den integrierten Treiber-IC, spezifiziert über Ta=-20 bis +70°C und Vdd=4,5 bis 5,5V.

• Ausgangsstrom (IOL):19 mA (Min), 20 mA (Typ), 21 mA (Max). Dies ist der konstante Strom, der jeder LED zugeführt wird.
• Eingangs-Logikpegel (für DIN-, SET-Pins):
  • VIH (High-Level-Eingangsspannung): Minimum 2,7V.
  • VIL (Low-Level-Eingangsspannung): Maximum 0,3 * Vdd (z.B. max. 1,5V bei Vdd=5V).
• Hysteresespannung (VH):Typisch 0,35V. Dies sorgt für Störfestigkeit an den Eingangspins.
• Dynamische Stromaufnahme (IDD_dyn):Typisch 2 mA. Dies ist der Betriebsstrom des Treiber-ICs selbst.

3. Kommunikationsprotokoll & Timing

Das Bauteil verwendet ein Ein-Draht-, Non-Return-to-Zero (NRZ)-Kommunikationsschema, um 24-Bit-Daten (8 Bit für jeden R-, G-, B-Kanal) zu empfangen.

3.1 Datenübertragungs-Timing

Logikpegel werden durch die Dauer des High-Pulses innerhalb einer festen Zykluszeit von 1,2 µs definiert.

• Logik '0':Hochspannungszeit (T0H) = 0,30 µs (±0,15µs), Niederspannungszeit (T0L) = 0,90 µs.
• Logik '1':Hochspannungszeit (T1H) = 0,90 µs (±0,15µs), Niederspannungszeit (T1L) = 0,30 µs.
• Reset-/Latch-Signal:Ein Low-Pegel-Signal am DIN-Pin für mehr als 50 µs (speziell wird >250 µs gezeigt) überträgt die empfangenen 24-Bit-Daten in die Ausgangsregister und aktualisiert so die LED-Helligkeit.

Die Daten werden MSB (Most Significant Bit) zuerst für jede Farbe übertragen. Die Reihenfolge für einen einzelnen Pixel ist: R[7], R[6], ... R[0], G[7], ... G[0], B[7], ... B[0]. Der DOUT-Pin sendet das Signal erneut, wodurch mehrere Bauteile von einer einzigen Controller-Datenleitung in Reihe geschaltet (Daisy-Chain) werden können.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen und Pinbelegung

Das Bauteil ist in einem P-LCC-6 (Plastic Leaded Chip Carrier)-Gehäuse untergebracht. Die bereitgestellte Abmessungszeichnung zeigt einen typischen SMD-Footprint. Die Pin-Konfiguration ist wie folgt:

1. DI (Data Input):Steuerdaten-Signaleingang.
2. VDD:Versorgungsspannung für die Steuerschaltung / den IC (typisch 5V).
3. Anode (Pin 3 & 4):Diese sind intern verbunden. Versorgungseingang für die R-, G-, B-LED-Chips. Muss über geeignete strombegrenzende Widerstände an eine Spannungsquelle angeschlossen werden.
4. GND (Masse):Gemeinsame Masse für den IC und die LEDs.
5. DOUT (Data Output):Steuerdaten-Signalausgang für die Reihenschaltung (Daisy-Chain) zum DI-Pin des nächsten Bauteils.

Kritische Design-Hinweis:Das Datenblatt warnt ausdrücklich, dass externe strombegrenzende Widerständezwingendin Reihe mit den Anoden-Pins geschaltet werden müssen. Ohne diese kann bereits ein geringer Anstieg der Anoden-Versorgungsspannung zu einer großen, zerstörerischen Stromänderung durch die LEDs führen.

5. Löt-, Montage- & Lagerrichtlinien

5.1 Lötbedingungen

Das Bauteil ist bleifrei und mit IR-Reflow-Lötung kompatibel. Ein empfohlenes bleifreies Temperaturprofil wird bereitgestellt:

• Vorwärmen:150–200°C für 60–120 Sekunden (max. Anstiegsrate 3°C/Sek.).
• Reflow:Über 217°C für 60–150 Sekunden, mit einer Spitzentemperatur von maximal 260°C für höchstens 10 Sekunden.
• Abkühlen:Maximale Abkühlrate von 6°C/Sek.
• Wichtig:Reflow-Lötung sollte nicht mehr als zweimal durchgeführt werden. Während des Erhitzens sollte keine Spannung auf das Gehäuse ausgeübt werden, und die Leiterplatte sollte nach dem Löten nicht verformt sein.

5.2 Feuchtigkeitsempfindlichkeit und Lagerung

Das Bauteil ist in feuchtigkeitsbeständigen Barrieretüten mit Trockenmittel verpackt.

• Vor dem Öffnen:Lagern bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit (RH). Die Tüte erst öffnen, wenn das Bauteil verwendet werden soll.
• Nach dem Öffnen (Bodenlebensdauer):Bauteile müssen innerhalb von 24 Stunden nach dem Öffnen der feuchtigkeitsdichten Tüte gelötet werden.
• Trocknen (Baking):Wenn die Lagerzeit überschritten wurde oder das Trockenmittel Feuchtigkeit anzeigt, ist vor der Verwendung eine Trocknungsbehandlung bei 60°C ±5°C für 24 Stunden erforderlich.

6. Verpackung und Bestellung

Das Produkt wird auf geprägter Trägerbahn geliefert, die dann auf Spulen aufgewickelt wird. Die Standardmenge pro Spule beträgt 2000 Stück. Die Verpackungsmaterialien und der Prozess sind feuchtigkeitsbeständig ausgelegt. Etiketten auf der Spule enthalten Standardkennzeichnungen wie Produktnummer (P/N), Menge (QTY) und Losnummer (LOT No.). Das Datenblatt verweist auch auf Bins für Lichtstärke-Klasse (CAT), dominante Wellenlänge-Klasse (HUE) und Durchlassspannung-Klasse (REF), was darauf hindeutet, dass das Produkt in vorsortierten Leistungsklassen verfügbar sein kann.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungen

• Innen-/Außen-LED-Videodisplays:Ideal für niedrig- bis mittelauflösende Vollfarbdisplays, Beschilderungen und Nachrichtentafeln aufgrund der integrierten Steuerung und Daisy-Chain-Fähigkeit.
• Vollfarbige LED-Lichtbänder:Ermöglicht adressierbare RGB-LED-Bänder für dekorative, architektonische und Unterhaltungsbeleuchtung.
• LED-Dekorationsbeleuchtung:Geeignet für farbwechselnde Leuchten, Akzentbeleuchtung und interaktive Installationen.
• Gaming-Außenbeleuchtung:Kann für PC-Gehäusebeleuchtung, Tastatur-Hintergrundbeleuchtung oder andere Gaming-Peripheriegeräte verwendet werden.
• Lichtleiter/Hintergrundbeleuchtung:Der weite Abstrahlwinkel und die weiße Lichtmischung machen es zu einem guten Kandidaten für randbeleuchtete oder direkt beleuchtete Lichtleiteranwendungen.

7.2 Kritische Designüberlegungen

1. Strombegrenzungswiderstände:Dies ist die kritischste externe Komponente. Widerstände müssen in Reihe mit der Anodenversorgung für jeden Farbkanal geschaltet werden (oder ein gemeinsamer Widerstand, wenn eine einzige Versorgungsspannung für alle Farben verwendet wird), um den maximalen Strom einzustellen und die LEDs zu schützen. Der Wert muss basierend auf der Anodenversorgungsspannung (V_anode), der LED-Durchlassspannung (Vf, aus typischen Kurven geschätzt) und dem gewünschten Strom (I, typisch 20mA) berechnet werden. R = (V_anode - Vf) / I.
2. Stromversorgungs-Entkopplung:Ein Bypass-Kondensator (z.B. 0,1µF) sollte nahe am VDD-Pin platziert werden, um die Stromversorgung des ICs zu stabilisieren und Rauschen zu filtern.
3. Datenleitungsintegrität:Für lange Daisy-Chains oder in elektrisch verrauschten Umgebungen sollte die Zugabe eines kleinen Serienwiderstands (z.B. 100Ω) am Controller-Ausgang und/oder eines Pull-up-Widerstands an der Datenleitung in Betracht gezogen werden, um saubere Signalflanken zu gewährleisten.
4. Thermisches Management:Obwohl das Gehäuse eine geringe Leistung aufweist, können hohe Umgebungstemperaturen oder das gleichzeitige Betreiben aller drei LEDs mit maximaler Helligkeit an die Verlustleistungsgrenze heranreichen. Sorgen Sie für ausreichende Kupferflächen auf der Leiterplatte oder Kühlkörper, wenn es in hochdichten Arrays verwendet wird.
5. Timing-Einhaltung:Der Mikrocontroller oder Treiber, der das Datensignal erzeugt, muss sich strikt an die T0H-, T1H- und Reset-Timing-Spezifikationen halten, um eine zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die C4516SDWN3S1 integriert Treiber und LEDs, was sie von diskreten Lösungen (separate LED + externer Treiber-IC) unterscheidet. Hauptvorteile sind:

• Vereinfachtes Design:Reduziert die Anzahl der Komponenten, den Leiterplattenplatz und die Montagekomplexität.
• Ein-Draht-Steuerung:Minimiert die Verkabelung, insbesondere in Multi-Pixel-Arrays, im Vergleich zu Lösungen, die separate Takt- und Datenleitungen erfordern (z.B. SPI).
• Integrierte Bauform:Das P-LCC-6 ist ein gängiges, einfach zu montierendes SMD-Gehäuse.
• Weiter Abstrahlwinkel:Der 120°-Winkel ist vielen LEDs mit engeren Strahlen überlegen und vorteilhaft für diffuse Beleuchtungsanwendungen.
• Potenzielle Einschränkungen:Die Integration bedeutet, dass die LED-Leistung (Wellenlänge, Intensität) auf die gewählten Klassen festgelegt ist. Der maximale Ausgangsstrom pro Kanal (25mA) ist für Indikator- und Dekorationszwecke geeignet, kann aber niedriger sein als bei leistungsstarken diskreten LEDs.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

9.1 Wie viele dieser LEDs kann ich in Reihe schalten (Daisy-Chain)?

Theoretisch eine sehr große Anzahl, begrenzt hauptsächlich durch die Datenaktualisierungsrate. Jeder Pixel benötigt 24 Bit Daten. Die Datenrate wird durch die 1,2 µs pro Bit-Zeit bestimmt. Um eine Kette von N Pixeln zu aktualisieren, benötigt man (24 * N) Bits plus einen finalen Reset-Puls (>50 µs). Für eine 30 Hz Aktualisierungsrate könnten Hunderte von Pixeln in Reihe geschaltet werden. Die praktische Grenze wird durch die Signalintegrität und die Stromverteilung über lange Ketten gesetzt.

9.2 Warum sind externe Widerstände zwingend erforderlich?

Der integrierte Treiber-IC stellt eine konstante Stromsenkesinkauf der Kathodenseite jeder LED (intern verbunden) bereit. Der Stromwert wird jedoch durch die Spannungsdifferenz zwischen dem Anoden-Pin (extern versorgt) und der internen Referenz des ICs eingestellt. Ohne einen Serienwiderstand setzt die Anodenspannung den Strom direkt. Die LED-Durchlassspannung (Vf) hat einen negativen Temperaturkoeffizienten (sie sinkt, wenn die LED sich erwärmt). Ein leichter Anstieg der Versorgungsspannung oder ein Absinken von Vf aufgrund von Erwärmung kann zu einem unkontrollierten Anstieg des Stroms führen, der zu einem schnellen Ausfall führt. Der Widerstand sorgt für eine negative Rückkopplung und stabilisiert den Strom.

9.3 Kann ich einen 3,3V-Mikrocontroller verwenden, um den DIN-Pin zu steuern?

Möglicherweise, aber mit Vorsicht. Das VIH-Minimum beträgt 2,7V. Ein 3,3V-Logik-High (~3,3V) erfüllt diese Spezifikation. Allerdings sind die Rauschabstände reduziert. Es ist entscheidend, saubere Signale sicherzustellen. Wenn möglich, wird die Verwendung eines 5V-Mikrocontrollers oder eines Pegelwandlers für einen robusten Betrieb empfohlen.

9.4 Welchen Zweck hat der in den elektrischen Kenngrößen erwähnte SET-Pin?

Während der primäre Datenpin DIN ist, deutet der Verweis auf einen SET-Pin in den Eingangsspannungsspezifikationen darauf hin, dass es möglicherweise einen zusätzlichen Pin für die Konfiguration gibt (z.B. zum Einstellen einer globalen Helligkeit oder eines Modus). Die Hauptpin-Beschreibung listet nur DI, VDD, Anode, GND, DOUT auf. Entwickler sollten die detaillierteste Version des Treiber-IC-Datenblatts konsultieren, um die Pin-Funktionalität zu klären, falls der SET-Pin bei einer spezifischen Variante vorhanden ist.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach dem Prinzip eines einfachen seriellen Eingangs-/parallelen Ausgangs-Schieberegisters kombiniert mit konstanten Stromsenken. Der 24-Bit-Serien-Datenstrom wird über das Timing am DI-Pin in ein internes Schieberegister eingelesen. Jedes Bit entspricht dem gewünschten Ein-/Aus-Zustand für einen bestimmten Teilzeitraum innerhalb des PWM-Zyklus für einen Farbkanal. Sobald der gesamte 24-Bit-Rahmen empfangen wurde, überträgt ein langes Low-Signal (Reset) diese Daten in einen zweiten Satz von Registern, die direkt die Ausgangsstromsenken steuern. Diese Stromsenken schalten sich dann für einen Bruchteil jeder PWM-Periode ein, proportional zum 8-Bit-Wert für jede Farbe, wodurch die wahrgenommene Helligkeit und Farbe erzeugt wird. Der DOUT-Pin liefert die aus dem internen Register herausgeschobenen Daten und ermöglicht so die Kaskadierung.

11. Entwicklungstrends und Kontext

Bauteile wie die C4516SDWN3S1 repräsentieren ein ausgereiftes und kostenoptimiertes Segment des adressierbaren LED-Marktes. Die Technologietrends in diesem Bereich umfassen:

• Höhere Integration:Bewegung hin zu Treibern, die mehr Kanäle steuern (z.B. 4-Kanal RGBW) oder zusätzliche Funktionen wie Gammakorrektur und Fehlerdiffusion im IC enthalten.
• Verbesserte Kommunikationsprotokolle:Während Ein-Draht einfach ist, bieten neuere Protokolle höhere Datenraten (wie die 800kHz des WS2812B) oder verbesserte Störfestigkeit (Differenzsignalisierung, wie in professionellen LED-Panels).
• Höhere Bittiefe:Fortschritt von 8-Bit (256 Stufen) zu 10-Bit, 12-Bit oder sogar 16-Bit PWM pro Kanal für sanftere Farbverläufe und hohen Dynamikbereich in professioneller Beleuchtung.
• Verbesserte thermische und elektrische Leistung:Designs mit geringeren Spannungsabfällen, höherer Effizienz und besseren Wärmewegen, um eine höhere Dauergenauigkeit zu ermöglichen.
• Standardisierung:Wachstum von industrieüblichen digitalen Protokollen (z.B. DMX, Art-Net), die mit diesen Pixel-Treibern für großflächige Installationen kommunizieren.

Diese Komponente gehört fest zum Mainstream der kostengünstigen, digital adressierbaren RGB-LEDs und bietet für eine breite Palette von Verbraucher- und Gewerbeanwendungen eine effektive Balance zwischen Leistung, Einfachheit und Kosten.