SMD 5050 RGBW LED Datenblatt - 5.0x5.0x1.6mm - Rot 2.6V/Grün 3.8V/Blau 3.8V/Weiß 3.6V - 0.2W pro Chip - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt detailliert die Spezifikationen eines kompakten, oberflächenmontierbaren Niedrigleistungs-LED-Gehäuses im 5050-Format. Das Bauteil integriert vier einzelne Halbleiterchips in einem einzigen weißen Kunstharzgehäuse: Rot (R), Grün (G), Blau (B) und Weiß (W). Diese Multi-Chip-Konfiguration ermöglicht die Erzeugung eines breiten Farbspektrums, einschließlich reinem Weißlicht vom dedizierten weißen Chip und Mischfarben aus der RGB-Kombination. Das Gehäuse ist mit einem 8-poligen Leadframe ausgelegt, der für jeden Chip einen individuellen elektrischen Zugang zur unabhängigen Steuerung bietet.

Die zentralen Vorteile dieser LED sind ihre hohe Lichtausbeute, der niedrige Stromverbrauch und der weite Betrachtungswinkel von 120 Grad. Ihre kompakte SMD-Bauform macht sie geeignet für automatisierte Bestückungsprozesse wie IR-Reflow-Löten. Das Produkt entspricht wichtigen Umwelt- und Sicherheitsstandards, einschließlich RoHS, EU REACH und halogenfreien Anforderungen (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm).

Die Zielanwendungen sind vielfältig und nutzen ihre Farbmischfähigkeit und allgemeinen Beleuchtungseigenschaften. Hauptanwendungen sind allgemeine dekorative und Unterhaltungsbeleuchtung, Statusanzeigen, Hintergrundbeleuchtung oder Beleuchtung für Schalter und Panels sowie andere Anwendungen, bei denen kompakte, mehrfarbige Lichtquellen benötigt werden.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Alle Grenzwerte sind bei einer Lötstellen-Temperatur (T_Lötstelle) von 25°C angegeben. Das Überschreiten dieser Grenzwerte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Sperrspannung (V_R):Maximal 5V für alle Chips (R, G, B, W). Das Anlegen einer höheren Sperrspannung kann zum Sperrschichtdurchbruch führen.
• Dauer-Durchlassstrom (I_F):Rote und weiße Chips sind für 200mA ausgelegt. Grüne und blaue Chips sind für 180mA ausgelegt. Dies sind Gleichstromgrenzwerte.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):Für gepulsten Betrieb mit einem Tastverhältnis von 1/10 und einer Pulsbreite von 10ms. Rot/Weiß: 400mA. Grün/Blau: 360mA.
• Verlustleistung (P_d):Die maximal zulässige Verlustleistung pro Chip. R: 520mW, G/B: 684mW, W: 720mW. Dies ist entscheidend für das Wärmemanagement.
• Temperaturbereiche:Betrieb: -40°C bis +85°C. Lagerung: -40°C bis +100°C. Maximale Sperrschichttemperatur (T_j): 110°C.
• Wärmewiderstand (R_{th J-S}):Sperrschicht zu Lötstelle. R: 60°C/W, G: 110°C/W, B: 75°C/W, W: 75°C/W. Niedrigere Werte zeigen eine bessere Wärmeableitung vom Chip zur Platine an.
• Löttemperatur:IR-Reflow: 260°C Spitzentemperatur für maximal 10 Sekunden. Handlöten: 350°C für maximal 3 Sekunden.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Die typische Leistung wird bei T_Lötstelle=25°C und I_F=100mA gemessen, sofern nicht anders angegeben.

• Lichtstärke (I_v):Gemessen in Millicandela (mcd). Typische Werte: R: 5000 mcd, G: 11000 mcd, B: 3000 mcd, W: 10000 mcd. Auch Mindestwerte sind angegeben. Toleranz beträgt ±11%.
• Durchlassspannung (V_F):Der Spannungsabfall über der LED bei 100mA. Typisch/Max: R: 2,10V/2,60V, G: 3,00V/3,80V, B: 3,10V/3,80V, W: 2,90V/3,60V. Toleranz ist ±0,1V. Dieser Parameter ist entscheidend für das Treiberdesign.
• Betrachtungswinkel (2θ_1/2):120 Grad. Dies ist der volle Winkel, bei dem die Lichtstärke die Hälfte der Spitzenintensität (auf der Achse) beträgt.
• Dominante Wellenlänge (λ_p):Die Spitzenwellenlänge des emittierten Lichts. R: 619-629nm, G: 520-535nm, B: 460-475nm. Toleranz ist ±1nm. Die weiße LED wird als "Gelblich" beschrieben.
• Sperrstrom (I_R):Maximaler Leckstrom von 10µA bei V_R= -5V für alle Chips.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Um Farb- und Helligkeitskonsistenz zu gewährleisten, werden LEDs basierend auf gemessener Leistung in Bins sortiert.

3.1 Binning der Lichtstärke

LEDs werden nach ihrer gemessenen Lichtstärke bei I_F=100mA gruppiert. Jeder Bin hat einen Code (z.B. CB, DA, EA), der einen Min/Max-Intensitätsbereich in mcd definiert.

• Rot (R):Bins CB (3550-4500 mcd), DA (4500-5600 mcd), DB (5600-7100 mcd).
• Grün (G):Bins EA (7100-9000 mcd), EB (9000-11200 mcd), FA (11200-14000 mcd).
• Blau (B):Bins BA (1800-2240 mcd), BB (2240-2800 mcd), CA (2800-3550 mcd), CB (3550-4500 mcd).
• Weiß (W):Bins DB (5600-7100 mcd), EA (7100-9000 mcd), EB (9000-11200 mcd), FA (11200-14000 mcd), FB (14000-18000 mcd).

3.2 Binning der dominanten Wellenlänge

LEDs werden auch nach der Spitzenwellenlänge ihres emittierten Lichts gebinnt, um den Farbton zu kontrollieren.

• Rot (R):Bins RB (619-624 nm), RC (624-629 nm).
• Grün (G):Bins G7 (520-525 nm), G8 (525-530 nm), G9 (530-535 nm).
• Blau (B):Bins B3 (460-465 nm), B4 (465-470 nm), B5 (470-475 nm).

3.3 Binning der Farbortkoordinaten (Weiße LED)

Für die weiße LED wird die Farbe präzise mithilfe von Farbortkoordinaten (x, y) im CIE-1931-Diagramm definiert. Das Datenblatt enthält eine detaillierte Tabelle mit Bincodes (z.B. A11, A12, A21) und ihren entsprechenden viereckigen Bereichen, die durch vier Sätze von (x,y)-Koordinaten definiert sind. Die Toleranz für diese Koordinaten beträgt ±0,01. Dieses System gewährleistet eine enge Kontrolle über den Weißpunkt (z.B. kaltweiß, neutralweiß, warmweiß) des emittierten Lichts.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien, die für das Verständnis des Bauteilverhaltens unter verschiedenen Betriebsbedingungen wesentlich sind.

4.1 Spektrale Verteilung

Eine typische spektrale Verteilungskurve wird gezeigt, die die relative Intensität über der Wellenlänge darstellt. Diese Kurve stellt visuell die Zusammensetzung der Lichtabgabe dar. Für die RGB-Chips zeigt sie schmale Peaks bei ihren dominanten Wellenlängen. Für die weiße LED (typischerweise ein blauer Chip mit Phosphorbeschichtung) zeigt die Kurve einen breiten Peak vom konvertierten Licht des Phosphors, kombiniert mit einem kleineren blauen Peak von der Pump-LED. Die Standard-Augenempfindlichkeitskurve (V(λ)) wird ebenfalls für photometrische Berechnungen referenziert.

4.2 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kennlinie)

Separate Kurven für R-, G-, B- und W-Chips zeigen die Beziehung zwischen Durchlassstrom (I_F) und Durchlassspannung (V_F) bei 25°C. Diese Kurven sind exponentieller Natur. Sie sind entscheidend für den Entwurf von strombegrenzenden Schaltungen oder Konstantstromtreibern. Die Kurven bestätigen, dass bei einem typischen Betriebsstrom von 100mA die V_Fmit den in der elektrischen Tabelle angegebenen typischen Werten übereinstimmt.

4.3 Wellenlänge vs. Durchlassstrom

Diese Kurven veranschaulichen, wie sich die dominante Wellenlänge (Farbe) jedes Chips mit zunehmendem Durchlassstrom verschiebt. Im Allgemeinen kann die Wellenlänge aufgrund von Sperrschichterwärmung und anderen Effekten leicht mit dem Strom ansteigen. Dies ist eine wichtige Überlegung für Anwendungen, die eine präzise Farbstabilität über einen Bereich von Helligkeitsstufen erfordern.

4.4 Relative Intensität vs. Durchlassstrom

Diese Diagramme zeigen, wie die Lichtausgabe (relative Lichtstärke für G/W, relative radiometrische Intensität für R/B) mit dem Durchlassstrom zunimmt. Die Beziehung ist bei niedrigeren Strömen im Allgemeinen linear, kann aber bei höheren Strömen aufgrund von thermischem und Effizienz-Droop sättigen. Diese Daten werden verwendet, um den optimalen Treiberstrom für eine gewünschte Helligkeitsstufe zu bestimmen.

4.5 Maximal zulässiger Durchlassstrom vs. Temperatur

Diese Entlastungskennlinie ist eine der wichtigsten für die Zuverlässigkeit. Sie zeigt, wie der maximal zulässige Dauer-Durchlassstrom reduziert werden muss, wenn die Umgebungs- (oder Lötstellen-) Temperatur steigt. Beispielsweise wird bei 85°C der zulässige Strom deutlich niedriger sein als der Nennwert bei 25°C. Ein Betrieb oberhalb dieser Kurve riskiert das Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur, was zu beschleunigtem Lichtstromrückgang und einer deutlich verkürzten Lebensdauer der LED führt.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Die LED ist empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD) und muss mit entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen gehandhabt werden. Die empfohlenen Lötmethoden sind:

• IR-Reflow-Löten:Dies ist die bevorzugte Methode für die SMD-Montage. Die maximale Spitzentemperatur sollte 260°C nicht überschreiten, und die Zeit über 260°C sollte auf 10 Sekunden begrenzt sein. Ein Standard-Lötzinn-freies Reflow-Profil ist geeignet.
• Handlöten:Bei Bedarf kann Handlöten mit einer Lötspitzentemperatur von maximal 350°C durchgeführt werden. Die Kontaktzeit pro Anschluss sollte auf 3 Sekunden begrenzt sein, um thermische Schäden am Gehäuse und den Bonddrähten zu verhindern.

Es muss darauf geachtet werden, mechanische Belastungen des Gehäuses während und nach dem Löten zu vermeiden. Der Lagertemperaturbereich beträgt -40°C bis +100°C.

6. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Jeder Chip (R, G, B, W) benötigt aufgrund seiner unterschiedlichen Durchlassspannungseigenschaften seine eigene strombegrenzende Schaltung. Ein Konstantstromtreiber wird gegenüber einem einfachen Vorwiderstand dringend empfohlen, um eine bessere Helligkeitskonsistenz und Farbstabilität zu erreichen, insbesondere bei Betrieb mit einer variablen Spannungsquelle wie einer Batterie. Für RGB-Farbmischung ist Pulsweitenmodulation (PWM) die Standardmethode zur Intensitätssteuerung, da sie eine konstante Durchlassspannung und -strom beibehält und so die Farbart jeder Primärfarbe bewahrt.

6.2 Wärmemanagement

Effektive Wärmeableitung ist entscheidend für Leistung und Langlebigkeit. Die Wärmewiderstandswerte (R_{th J-S}) zeigen an, wie leicht Wärme vom Chip zur Leiterplatte abfließt. Designer müssen sicherstellen, dass die Leiterplatte über ausreichend Kupferfläche (Wärmepads oder Durchkontaktierungen zu inneren Lagen) verfügt, um die insgesamt erzeugte Wärme (Summe aus I_F* V_Ffür alle aktiven Chips) abzuführen. Betrieb in der Nähe oder an den maximalen Stromgrenzwerten ohne ausreichende Kühlung führt zu hohen Sperrschichttemperaturen, was zu einem Rückgang der Lichtausgabe (Lichtstromrückgang) und einer erheblich verkürzten Betriebslebensdauer der LED führt.

6.3 Optisches Design

Der weite Betrachtungswinkel von 120 Grad macht diese LED geeignet für Anwendungen, die breite, diffuse Beleuchtung erfordern. Für stärker gerichtetes Licht können Sekundäroptiken (Linsen) erforderlich sein. Beim Design für Farbmischung gewährleistet die physische Nähe der vier Chips innerhalb des 5050-Gehäuses eine gute räumliche Farbmischung auf Distanz, aber bei sehr naher Betrachtung könnten einzelne farbige Punkte erkennbar sein.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Diese 5050 RGBW-LED unterscheidet sich durch die Integration von vier verschiedenen Emittern in einem sehr kompakten, industrieüblichen 5,0mm x 5,0mm Footprint. Im Vergleich zur Verwendung von vier separaten einfarbigen 5050-LEDs spart dieses integrierte Gehäuse Leiterplattenplatz und vereinfacht die Pick-and-Place-Montage. Die Einbeziehung eines dedizierten weißen Chips zusätzlich zu den RGB-Chips bietet eine hochwertige weiße Lichtquelle ohne Farbmischung, die manchmal zu geringerer Effizienz oder Farbwiedergabeproblemen führen kann. Die individuelle 8-polige Konfiguration bietet maximale Flexibilität für die Steuerung, sodass jede Farbe unabhängig oder in beliebiger Kombination angesteuert werden kann.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich alle vier Chips (RGBW) parallel von einer einzigen Konstantspannungsquelle mit einem Vorwiderstand betreiben?

A: Nicht empfohlen. Die Durchlassspannungen (V_F) unterscheiden sich erheblich (z.B. Rot ~2,1V, Blau ~3,1V). Ein Parallelschalten würde zu einem schwerwiegenden Stromungleichgewicht führen, wobei der rote Chip den Großteil des Stroms ziehen und möglicherweise seinen Nennwert überschreiten würde, während die anderen schwach bleiben oder aus sind. Jeder Farbkanal erfordert eine separate Stromregelung.

F: Was ist der Unterschied zwischen Lichtstärke (mcd) und Verlustleistung (mW) in den Grenzwerten?

A: Lichtstärke (gemessen in Candela oder Millicandela) ist die vom menschlichen Auge wahrgenommene Helligkeit des Lichts, gewichtet mit der Empfindlichkeitskurve des Auges. Verlustleistung (in Milliwatt) ist die elektrische Leistung, die an der LED-Sperrschicht in Wärme umgewandelt wird (I_F*V_F). Ein Teil der Eingangsleistung wird in Licht (Strahlungsleistung) umgewandelt, aber das Datenblatt spezifiziert die maximale Wärme, die bewältigt werden muss.

F: Wie interpretiere ich die Farbortkoordinaten-Bins für die weiße LED?

A: Jeder Bin (z.B. A11) definiert einen kleinen viereckigen Bereich im CIE-Farbdiagramm. Die vier Paare von (x,y)-Koordinaten sind die Ecken dieses Bereichs. LEDs, deren gemessene Farbe innerhalb dieses Vierecks liegt, erhalten diesen Bincode. Dies stellt sicher, dass alle LEDs einer Charge einen nahezu identischen Weißpunkt haben.

F: Warum ist der Spitzen-Durchlassstrom (I_FP) höher als der Dauerstrom (I_F)?

A: Die Halbleitersperrschicht kann für sehr kurze Dauer (in diesem Fall 10ms) höhere Stromimpulse verkraften, weil die erzeugte Wärme keine Zeit hat, die Sperrschichttemperatur auf ein kritisches Niveau anzuheben. Dies ist nützlich für PWM-Dimmung oder zum Erzeugen kurzer, heller Blitze.

9. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Szenario: Entwurf einer farbwechselnden Stimmungsleuchte.

Ein Designer wählt diese LED für eine USB-betriebene Schreibtischlampe. Er verwendet einen Mikrocontroller mit vier PWM-Kanälen, um die Ströme für R, G, B und W unabhängig zu steuern. Die weiße LED bietet einen reinen Leselichtmodus. Die RGB-LEDs werden gemischt, um Millionen von Farben für Ambientebeleuchtung zu erzeugen. Das Design verwendet einen Konstantstrom-LED-Treiber-IC, der bis zu 200mA pro Kanal liefern kann. Die Leiterplatte enthält eine große Massefläche, die über mehrere Durchkontaktierungen mit dem Wärmepad der LED verbunden ist, um als Kühlkörper zu dienen. Die Firmware implementiert Farbübergangsalgorithmen und enthält eine Wärmemanagement-Logik, die den maximalen Treiberstrom reduziert, wenn der Temperatursensor des Mikrocontrollers (in der Nähe der LED auf der Platze platziert) über 70°C misst, um sicherzustellen, dass die LED innerhalb ihrer sicheren Temperatur-Entlastungskurve arbeitet.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Die Lichtemission basiert auf Elektrolumineszenz in Halbleitermaterialien. Wenn eine Durchlassspannung an den p-n-Übergang der LED angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher und setzen Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die Farbe (Wellenlänge) des Lichts wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt. Der rote Chip verwendet AlInGaP (Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid). Die grünen und blauen Chips verwenden InGaN (Indium-Gallium-Nitrid) mit unterschiedlichen Indium/Gallium-Verhältnissen, um die Bandlücke einzustellen. Die weiße LED verwendet typischerweise einen blauen InGaN-Chip, der mit einem gelben (oder mehrfarbigen) Phosphor beschichtet ist. Das blaue Licht des Chips regt den Phosphor an, der dann ein breites Spektrum längerer Wellenlängen (gelb, rot) emittiert, das sich mit dem verbleibenden blauen Licht zu weißem Licht kombiniert. Die Beschreibung "Gelblich" deutet auf eine korrelierte Farbtemperatur (CCT) auf der wärmeren Seite des weißen Spektrums hin.

11. Technologietrends und Kontext

Integrierte Multi-Chip-Gehäuse wie dieses 5050 RGBW repräsentieren einen Trend zu höherer Funktionsdichte und vereinfachtem Systemdesign in der LED-Beleuchtung. Der Trend zu breiteren Betrachtungswinkeln (wie 120 Grad) spricht Anwendungen an, die gleichmäßige, blendfreie Beleuchtung anstelle von fokussierten Spotlights erfordern. Es gibt einen kontinuierlichen Branchentrend zu höherer Lichtausbeute (mehr Lichtausbeute pro elektrischem Watt) und verbesserter Farbwiedergabe, insbesondere für die weiße Komponente. Darüber hinaus spiegeln engere Binning-Toleranzen, wie sie durch die detaillierten Farbortkoordinatentabellen belegt werden, die Marktnachfrage nach überlegener Farbkonsistenz sowohl in monochromen als auch in weißen LED-Anwendungen wider, was bei Multi-LED-Leuchten und Displays entscheidend ist.