5515-RGB020AH-AM SMD RGB LED Datenblatt - 5.5x1.5mm - Rot/Grün/Blau - 20mA - Automotive-Grade

1. Produktübersicht

Die 5515-RGB020AH-AM ist eine hochleistungsfähige, oberflächenmontierbare (SMD) LED-Komponente, die rote, grüne und blaue (RGB) Emitter in einem einzigen 5,5mm x 1,5mm großen Gehäuse vereint. Sie ist speziell für anspruchsvolle Automotive-Elektronikumgebungen entwickelt und qualifiziert. Ihre Kernvorteile umfassen eine hohe Lichtausbeute, einen weiten Abstrahlwinkel von 120 Grad und einen robusten Aufbau, der strengen Automotive-Zuverlässigkeitsstandards wie AEC-Q102 entspricht. Der primäre Zielmarkt sind Automotive-Innenraumbeleuchtungssysteme, einschließlich Ambientebeleuchtung, Schalterbeleuchtung und anderen dekorativen oder funktionalen Beleuchtungsanwendungen, bei denen Farbmischung und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Photometrische & Optische Eigenschaften

Die Leistung der LED wird bei einem Standard-Prüfstrom von 20mA und einer Lötstellentemperatur von 25°C charakterisiert. Die typischen Lichtstärkewerte betragen 1120 Millicandela (mcd) für den roten Chip, 2800 mcd für den grünen Chip und 450 mcd für den blauen Chip. Diese Werte repräsentieren die unter Standardbedingungen erreichbare Spitzenhelligkeit. Die dominierenden Wellenlängen, die die wahrgenommene Farbe definieren, betragen typischerweise 621nm für Rot, 527nm für Grün und 467nm für Blau. Alle drei Farben teilen sich einen konsistenten, weiten Abstrahlwinkel (2φ) von 120 Grad, was eine gleichmäßige Lichtverteilung gewährleistet. Die Messtoleranzen betragen ±8% für die Lichtstärke und ±1nm für die dominante Wellenlänge.

2.2 Elektrische & Thermische Parameter

Die Durchlassspannung (V_F) bei 20mA beträgt typischerweise 2,00V für Rot, 2,75V für Grün und 3,00V für Blau. Die maximalen Dauer-Durchlassstrom (I_F) Nennwerte unterscheiden sich: 50mA für Rot und 30mA für Grün und Blau. Dieser Unterschied ist hauptsächlich auf die unterschiedliche Effizienz und thermische Eigenschaften der verschiedenen Halbleitermaterialien zurückzuführen. Die absoluten maximalen Verlustleistungs-Nennwerte betragen 137,5mW (Rot), 105mW (Grün) und 112,5mW (Blau). Das thermische Management ist entscheidend; der thermische Widerstand von der Sperrschicht zur Lötstelle (R_thJS) wird sowohl mit realen (gemessenen) als auch elektrischen (berechneten) Werten spezifiziert. Beispielsweise beträgt der reale thermische Widerstand bis zu 52 K/W für Rot und 85 K/W für Grün/Blau, was die Notwendigkeit eines angemessenen PCB-Thermaldessigns zur Aufrechterhaltung von Leistung und Lebensdauer anzeigt.

2.3 Absolute Maximalwerte und Zuverlässigkeit

Das Bauteil ist für einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +110°C ausgelegt, geeignet für die raue Umgebung im Fahrzeuginnenraum. Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur beträgt 125°C. Es verfügt über einen Elektrostatischen Entladungsschutz (ESD) mit einer Nennspannung von 2kV (Human Body Model), was für die Handhabung während der Fertigung wesentlich ist. Das Produkt ist konform mit RoHS, REACH und halogenfreien Vorschriften (Br/Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). Es erfüllt außerdem die Korrosionsrobustheitsklasse B1, was einen gewissen Grad an Widerstandsfähigkeit gegen korrosive Atmosphären anzeigt, und hat einen Feuchtigkeitsempfindlichkeitsgrad (MSL) von 3.

3. Analyse der Leistungskennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere wichtige Diagramme, die für Schaltungsdesign und Leistungsvorhersage entscheidend sind.

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

Die I-V-Kennlinie zeigt die Beziehung zwischen dem durch die LED fließenden Strom und der daran anliegenden Spannung. Jede Farbe hat aufgrund unterschiedlicher Halbleiterbandlücken eine eigene Kennlinie. Die rote LED hat die niedrigste Durchlassspannung, gefolgt von Grün, dann Blau. Entwickler nutzen dieses Diagramm, um geeignete strombegrenzende Widerstände oder Konstantstrom-Treibereinstellungen auszuwählen, um sicherzustellen, dass die LED innerhalb ihres spezifizierten Spannungsbereichs für einen gewünschten Strom arbeitet.

3.2 Relative Lichtstärke vs. Durchlassstrom

Dieses Diagramm veranschaulicht, wie sich die Lichtausbeute mit dem Treiberstrom ändert. Typischerweise steigt die Lichtstärke mit dem Strom, jedoch nicht immer linear, insbesondere bei höheren Strömen, wo die Effizienz aufgrund von Erwärmung sinken kann. Diese Information ist entscheidend für das Design von Dimmerschaltungen oder zum Erreichen spezifischer Helligkeitsniveaus.

3.3 Temperaturabhängigkeitsdiagramme

Drei wichtige Diagramme zeigen die Leistungsvariation mit der Sperrschichttemperatur (T_j):

1. Relative Lichtstärke vs. Sperrschichttemperatur:Die Lichtausbeute nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab. Die Abnahmerate variiert je nach Farbe, was die Farbbalance in RGB-Anwendungen beeinflusst, wenn die Temperaturen nicht kontrolliert werden.

2. Relative Durchlassspannung vs. Sperrschichttemperatur:Die Durchlassspannung nimmt typischerweise mit steigender Temperatur ab. Diese Eigenschaft kann zur Temperaturerfassung genutzt werden, muss aber bei Konstantspannungs-Treiberkonzepten berücksichtigt werden.

3. Verschiebung der dominanten Wellenlänge vs. Sperrschichttemperatur:Die emittierte Farbwellenlänge verschiebt sich leicht mit der Temperatur. Obwohl die Verschiebung normalerweise klein ist (einige Nanometer über dem Betriebsbereich), kann sie für farbkritische Anwendungen wichtig sein.

3.4 Durchlassstrom-Derating-Kurven

Separate Kurven für Rot und für Grün/Blau zeigen den maximal zulässigen Dauer-Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Lötstellentemperatur (T_S). Mit steigender PCB-Temperatur sinkt der maximal sichere Strom, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur 125°C überschreitet. Beispielsweise reduziert sich der maximale Strom der roten LED von 50mA bei 103°C Lötstellentemperatur auf 35mA bei 110°C. Diese Kurven sind wesentlich, um einen zuverlässigen Betrieb in realen Anwendungen mit variierenden Umgebungstemperaturen sicherzustellen.

3.5 Spektrale Verteilung und Abstrahlcharakteristik

Das Diagramm der relativen spektralen Verteilung zeigt die Intensität des emittierten Lichts über das Wellenlängenspektrum für jede Farbe. Es bestätigt die schmalbandige Natur der LEDs mit Spitzen bei ihren jeweiligen dominanten Wellenlängen. Das typische Abstrahldiagramm (im Auszug nicht vollständig detailliert) würde den 120-Grad-Abstrahlwinkel visuell darstellen und zeigen, wie die Intensität in Winkeln abseits der Mitte (senkrecht zur LED-Oberfläche) abfällt.

4. Binning-Informationen

Das Datenblatt enthält einen eigenen Abschnitt für Binning-Informationen. In der LED-Fertigung ist "Binning" der Prozess des Sortierens von LEDs basierend auf gemessenen Parametern wie Lichtstärke (Helligkeit), Durchlassspannung (V_F) und dominanter Wellenlänge (Farbe). Dies ist aufgrund inhärenter kleiner Variationen im Halbleiterfertigungsprozess notwendig. Die Binning-Tabellen (im Inhaltsverzeichnis referenziert) definieren die spezifischen Bereiche oder Codes für jeden Parameter-Bin. Für Entwickler ist das Verständnis des Binnings entscheidend, um Farbkonsistenz und elektrische Leistungsanpassung sicherzustellen, wenn mehrere LEDs in einer Baugruppe verwendet werden, wie z.B. in einem Ambientebeleuchtungsstreifen. Die in der Eigenschaftstabelle aufgeführten typischen Werte repräsentieren die Mitte der erwarteten Verteilung, aber tatsächlich gekaufte Teile fallen gemäß Bestellcode in spezifische Bins.

5. Mechanische & Verpackungsinformationen

5.1 Mechanische Abmessungen

Die Komponente verwendet ein 5515-Gehäuse, was eine Baugröße von etwa 5,5mm Länge und 1,5mm Breite bezeichnet. Die detaillierte mechanische Zeichnung (Abschnitt 7) spezifiziert alle kritischen Abmessungen einschließlich Gesamthöhe, Anschlussabstand, Pad-Größen und Toleranzen. Diese Zeichnung ist für PCB-Layout-Designer wesentlich, um den korrekten Footprint in ihrer CAD-Software zu erstellen.

5.2 Empfohlenes Lötpad-Layout & Polarität

Abschnitt 8 bietet ein empfohlenes Land Pattern (Lötpad-Design) für die Leiterplatte. Die Verwendung der empfohlenen Pad-Geometrie gewährleistet eine korrekte Lötstellenbildung während des Reflow-Prozesses, gute mechanische Festigkeit und optimalen Wärmetransfer vom thermischen Pad der LED zur Leiterplatte. Das Diagramm zeigt auch deutlich die Polarität oder Pin-1-Markierung, was für die korrekte elektrische Verbindung der roten, grünen und blauen Anoden und der gemeinsamen Kathode (unter Annahme einer Common-Cathode-Konfiguration, typisch für RGB-LEDs) entscheidend ist.

5.3 Verpackungsinformationen

Die LEDs werden auf Gurt und Rolle für die automatisierte Bestückung geliefert. Abschnitt 10 detailliert die Verpackungsspezifikationen, einschließlich Rollenabmessungen, Gurtbreite, Taschenabstand und Ausrichtung. Diese Informationen sind notwendig, um die Bestückungsgeräte korrekt zu programmieren.

6. Löt- & Bestückungsrichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Abschnitt 9 spezifiziert das empfohlene Reflow-Lötprofil. Dies ist ein Zeit-Temperatur-Diagramm, das definiert, wie die Leiterplattenbaugruppe erhitzt werden sollte, um das Lotpaste zu schmelzen und zuverlässige Verbindungen zu bilden, ohne die LED zu beschädigen. Schlüsselparameter umfassen Vorwärmrampe, Einweichzeit und -temperatur, Spitzentemperatur (laut absoluten Maximalwerten nicht über 260°C für 30 Sekunden) und Abkühlrate. Die Einhaltung dieses Profils ist entscheidend für Ausbeute und langfristige Zuverlässigkeit.

6.2 Anwendungshinweise

Abschnitt 11 listet wichtige Handhabungs- und Anwendungshinweise auf. Diese beinhalten wahrscheinlich Warnungen zu:

- Vermeidung mechanischer Belastung der LED-Linse.

- Schutz des Bauteils vor übermäßiger elektrostatischer Entladung (ESD) während der Handhabung, trotz seiner 2kV-Nennung.

- Sicherstellung, dass Leiterplatte und Bestückungsprozess sauber sind, um Kontamination zu verhindern.

- Befolgung der Strom-Derating-Richtlinien basierend auf der Betriebstemperatur.

- Verwendung geeigneter Strombegrenzungsmethoden (Widerstände oder Treiber), um Überstrom zu verhindern.

6.3 Schwefelbeständigkeits-Prüfkriterien

Abschnitt 12 erwähnt Schwefeltestkriterien. Bestimmte Umgebungen, insbesondere einige Fahrzeuginnenräume oder industrielle Umgebungen, können schwefelhaltige Gase enthalten, die silberbasierte LED-Komponenten korrodieren können. Dieser Test überprüft die Robustheit der LED gegen solche korrosiven Atmosphären, was Teil ihrer Automotive-Grade-Qualifikation ist.

7. Anwendungsvorschläge & Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Primäranwendung:Automotive-Innenraum-Ambientebeleuchtung für Türverkleidungen, Fußraum, Armaturenbrettakzente und Mittelkonsolen.

Sekundäranwendungen:Hintergrundbeleuchtung für Tasten, Schalter und Bedienfelder; dekorative Beleuchtung in Unterhaltungselektronik, wo Automotive-Grade-Zuverlässigkeit gewünscht ist.

7.2 Kritische Designaspekte

1. Treiberschaltung:Verwenden Sie Konstantstrom-Treiber für optimale Farbkonsistenz und Helligkeitssteuerung, insbesondere für PWM-Dimmung. Bei Verwendung einfacher widerstandsbasierter Strombegrenzung berechnen Sie die Widerstände aufgrund der unterschiedlichen Durchlassspannungen separat für jeden Farbkanal.

2. Thermisches Management:Die thermischen Widerstandswerte erfordern ein PCB-Design mit ausreichender Wärmeableitung. Verwenden Sie thermische Durchkontaktierungen unter dem thermischen Pad der LED, die mit einer Massefläche oder einer dedizierten Kupferfläche verbunden sind, um Wärme abzuleiten.

3. Farbmischung & -steuerung:Um eine breite Farbpalette (einschließlich Weiß) zu erreichen, wird eine unabhängige Pulsweitenmodulation (PWM) jedes Farbkanals dringend empfohlen. Die unterschiedlichen Lichtstärken (Rot: 1120mcd, Grün: 2800mcd, Blau: 450mcd) bedeuten, dass der Treiberstrom oder das PWM-Tastverhältnis für jeden Kanal kalibriert werden muss, um einen gewünschten Weißpunkt oder Farbbalance zu erreichen.

4. Optisches Design:Der 120° Abstrahlwinkel eignet sich für diffuse, großflächige Beleuchtung. Für fokussierteres Licht wären Sekundäroptiken (Linsen oder Lichtleiter) erforderlich. Die Side-View-Bauform ist dafür ausgelegt, Licht parallel zur PCB-Oberfläche abzustrahlen, ideal für Kantenbeleuchtungs-Lichtleiter.

8. Technischer Vergleich & Differenzierung

Während das PDF nicht direkt mit anderen Bauteilen vergleicht, können die Hauptunterscheidungsmerkmale dieser Komponente abgeleitet werden:

- Automotive-Qualifikation (AEC-Q102):Dies ist ein bedeutendes Unterscheidungsmerkmal gegenüber kommerziellen LEDs und beinhaltet strenge Tests für Temperaturwechsel, Feuchtigkeit, Hochtemperaturbetrieb und andere für Automotive-Umgebungen spezifische Belastungen.

- Hohe Lichtstärke:Die grüne und rote Ausgangsleistung ist für einen 20mA-Treiberstrom besonders hoch, was möglicherweise die Anzahl der für eine bestimmte Helligkeit benötigten LEDs reduziert.

- Integrierte RGB-LED im Side-View-Gehäuse:Vereint drei Farben in einem kompakten, flachen Gehäuse, geeignet für platzbeschränkte Hintergrundbeleuchtungsanwendungen, und eliminiert die Notwendigkeit, drei separate LEDs zu platzieren.

- Korrosions- & Schwefelbeständigkeit:Erfüllt spezifische Standards für raue Umgebungen, die viele Standard-LEDs nicht erfüllen.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diese LED mit einer 5V-Versorgung betreiben?

A: Ja, aber Sie müssen strombegrenzende Widerstände verwenden. Für die blaue LED (V_Ftyp. 3,0V @20mA) wäre der Widerstandswert R = (5V - 3,0V) / 0,020A = 100 Ohm. Verwenden Sie für ein robustes Design immer den maximalen V_F-Wert aus dem Datenblatt.

F: Warum sind die maximalen Ströme für Rot vs. Grün/Blau unterschiedlich?

A: Dies liegt an Unterschieden in der Effizienz und den thermischen Eigenschaften der Halbleitermaterialien. Der rote Chip (wahrscheinlich AlInGaP) kann typischerweise höhere Stromdichten innerhalb der gleichen thermischen Gehäusebeschränkungen verkraften als die grünen/blauen Chips (wahrscheinlich InGaN).

F: Wie erzeuge ich weißes Licht mit dieser RGB-LED?

A: Weißes Licht wird durch Mischen der drei Grundfarben erzeugt. Aufgrund der unterschiedlichen Lichtstärken können Sie nicht einfach alle drei mit dem gleichen Strom betreiben. Sie müssen die relative Intensität jedes Kanals (über unterschiedliche Widerstandswerte oder PWM-Tastverhältnisse) anpassen, um einen spezifischen Weißpunkt (z.B. D65) zu mischen. Dies erfordert Kalibrierung.

F: Was bedeutet MSL 3?

A: Feuchtigkeitsempfindlichkeitsgrad 3 bedeutet, dass die verpackten LEDs bis zu 168 Stunden (7 Tage) den Bedingungen auf der Fertigungshalle (≤30°C/60% RH) ausgesetzt sein können, bevor sie gelötet werden müssen. Wird dies überschritten, müssen sie gebacken werden, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen, die während des Reflow-Lötens "Popcorning" (Gehäuserissbildung) verursachen könnte.

10. Praktische Design-Fallstudie

Szenario:Entwurf eines Ambientebeleuchtungsstreifens für eine Autotürverkleidung mit zehn 5515-RGB020AH-AM LEDs.

Schritte:

1. PCB-Layout:Platzieren Sie die LEDs mit dem empfohlenen Pad-Layout. Verbinden Sie das thermische Pad mit einer großen Kupferfläche mit mehreren thermischen Durchkontaktierungen zu einer internen Massefläche zur Wärmeableitung. Stellen Sie sicher, dass die Leiterbahnen für die drei Anoden und die gemeinsame Kathode ausreichend dimensioniert sind.

2. Treiberschaltung:Wählen Sie einen 3-Kanal-Konstantstrom-LED-Treiber-IC, der für Automotive-Anwendungen ausgelegt ist. Setzen Sie die Strombegrenzung des Treibers auf 20mA pro Kanal pro LED. Da zehn LEDs parallel auf jedem Kanal geschaltet sind, muss der Treiber 200mA pro Farbkanal liefern. Alternativ können LEDs in Reihe geschaltet werden für eine bessere Stromanpassung, was jedoch eine höhere Versorgungsspannung erfordert.

3. Thermische Analyse:Berechnen Sie die Verlustleistung im Worst-Case: (10 LEDs * (2,0V*0,02A für Rot)) + (10*(2,75V*0,02A für Grün)) + (10*(3,0V*0,02A für Blau)) = 0,4W + 0,55W + 0,6W = 1,55W gesamt. Schätzen Sie unter Verwendung des thermischen Widerstands den Temperaturanstieg und stellen Sie sicher, dass er innerhalb der Derating-Kurvengrenzen für die erwartete Kabinenumgebungstemperatur (z.B. 85°C) bleibt.

4. Farbsteuerung:Verwenden Sie einen Mikrocontroller, um PWM-Signale für die Dimmungseingänge des Treiber-ICs zu erzeugen. Programmieren Sie Look-up-Tabellen, um gewünschte Farben (z.B. markenspezifische Ambientefarben) zu erzeugen. Kalibrieren Sie die PWM-Verhältnisse für Rot, Grün und Blau in der finalen Baugruppe, um Binning-Variationen auszugleichen und konsistentes weißes Licht über alle Türen hinweg zu erreichen.

11. Funktionsprinzip-Einführung

Eine LED (Licht emittierende Diode) ist ein Halbleiterbauelement, das Licht aussendet, wenn ein elektrischer Strom durch es fließt. Dieses Phänomen wird Elektrolumineszenz genannt. Die 5515-RGB020AH-AM enthält drei separate Halbleiterchips (Dice) in einem Gehäuse:

- DerroteChip besteht typischerweise aus Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP) Material.

- DiegrünenundblauenChips bestehen typischerweise aus Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) Material.

Jeder Chip hat einen p-n-Übergang. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die den charakteristischen Schwellenwert des Chips überschreitet, rekombinieren Elektronen und Löcher am Übergang und setzen Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Wellenlänge (Farbe) des Lichts wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt. Das Licht wird dann durch eine geformte Epoxidharzlinse emittiert, die auch mechanischen Schutz bietet und den Lichtkegel formt (120° Winkel). Die drei Chips teilen sich eine gemeinsame Kathodenverbindung, um die externe Schaltung zu vereinfachen.

12. Technologietrends

Die Entwicklung von LEDs wie der 5515-RGB020AH-AM wird von mehreren klaren Branchentrends vorangetrieben:

1. Erhöhte Integration und Miniaturisierung:Kombination mehrerer Farben (RGB, RGBW) in immer kleineren Gehäusen bei gleichbleibender oder steigender Lichtausbeute.

2. Höhere Effizienz (Lumen pro Watt):Fortlaufende Verbesserungen in der Halbleiterepitaxie und Chipdesign führen zu mehr Lichtausbeute bei gleichem elektrischem Eingang, was den Stromverbrauch und die thermische Belastung reduziert.

3. Verbesserte Zuverlässigkeit und Robustheit:Strengere Standards für Automotive-, Industrie- und Außenanwendungen treiben Verbesserungen bei Materialien (z.B. robustere Linsen, korrosionsbeständige Beschichtungen) und Gehäusetechnologien voran, um höheren Temperaturen, Feuchtigkeit und thermischen Zyklen standzuhalten.

4. Verbesserte Farbqualität und Konsistenz:Engere Binning-Toleranzen und die Entwicklung von LEDs mit spezifischen spektralen Eigenschaften, um hohe Farbwiedergabeindex (CRI) Anforderungen für Premium-Beleuchtung zu erfüllen.

5. Intelligente und vernetzte Beleuchtung:LEDs werden zunehmend so gestaltet, dass sie mit integrierten Treibern und Kommunikationsschnittstellen (wie I2C oder LIN im Automotive-Bereich) kombiniert werden können, für dynamische, adressierbare Farbsteuerung, die über einfache analoge Dimmung hinausgeht.