SMD RGB LED 12-23C Datenblatt - 8mm Tape - 5V Versorgung - 256 Graustufen PWM-Steuerung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der 12-23C ist ein kompaktes, oberflächenmontierbares Bauteil (SMD), das drei einzelne LED-Chips (Rot, Grün, Blau) mit einem dedizierten 3-Kanal-Konstantstrom-Treiber-IC integriert. Diese Integration ermöglicht Vollfarbfähigkeit mit präziser digitaler Steuerung in einem einzigen, miniaturisierten Gehäuse. Sein Hauptvorteil liegt in der Ermöglichung hochdichter Leiterplatten-Designs für Anwendungen, die lebendige, dynamisch gesteuerte Farbbeleuchtung ohne die Komplexität externer Treiberschaltungen erfordern.

Die Kernfunktionalität wird von einer integrierten Schaltung angetrieben, die ein serielles digitales Datensignal akzeptiert. Dieses Signal enthält 24 Bit Daten (8 Bit pro Farbkanal), was 256 verschiedene Graustufen pro Farbe und somit über 16 Millionen mögliche Farbkombinationen ermöglicht. Das Bauteil ist auf 8 mm breitem Tape verpackt und wird auf Spulen mit 7 Zoll Durchmesser geliefert, wodurch es vollständig mit schnellen automatischen Bestückungsanlagen kompatibel ist.

2. Detaillierte technische Spezifikationen

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Der Betrieb sollte stets innerhalb dieser Grenzen erfolgen.

• Versorgungsspannung (VDD):+3,8 V bis +5,5 V. Dies ist der Spannungsbereich für die Logik- und Steuerschaltung des internen Treiber-ICs.
• Ausgangsspannung (VOUT):Maximal 17 V. Dieser Wert betrifft die Spannungsfestigkeit der internen Treiber-Ausgangstransistoren, die mit den LED-Anoden verbunden sind.
• Eingangsspannung (VIN):-0,5 V bis VDD+0,5 V. Gilt für die digitalen Eingangspins (DIN). Eine Überschreitung kann die Eingangsschutzstrukturen beschädigen.
• Elektrostatische Entladung (ESD):2000 V (Human Body Model). Zeigt ein mittleres Maß an ESD-Schutz an; dennoch werden ordnungsgemäße Handhabungsverfahren empfohlen.
• Betriebstemperatur (Topr):-20 °C bis +70 °C. Der Umgebungstemperaturbereich für zuverlässigen Betrieb.
• Lagertemperatur (Tstg):-40 °C bis +90 °C.
• Löttemperatur:Das Bauteil ist für Reflow-Löten mit einer Spitzentemperatur von 260 °C für 10 Sekunden oder für Handlöten bei 350 °C für 3 Sekunden ausgelegt.

2.2 Empfohlene Betriebsbedingungen

Dies sind die Bedingungen für optimale und garantierte Leistung.

• Versorgungsspannung (VDD):5,0 V (typisch). Das Bauteil ist für eine 5V-Logikversorgung ausgelegt.
• Eingangslogikpegel:
  • High-Level-Eingangsspannung (VIH): Minimum 0,7*VDD. Ein Signal muss über diesem Pegel liegen, um als logische '1' erkannt zu werden.
  • Low-Level-Eingangsspannung (VIL): Maximum 0,3*VDD. Ein Signal muss unter diesem Pegel liegen, um als logische '0' erkannt zu werden.
• Laufzeitverzögerung (TPLZ):Maximal 300 ns. Dies ist die Zeitverzögerung für ein Datensignal, um vom DIN-Pin zum DOUT-Pin zu gelangen, entscheidend für die Bestimmung der maximalen Datenübertragungsgeschwindigkeit in Daisy-Chain-Konfigurationen.
• Ausgangsabfallzeit (TTHZ):Maximal 20 µs für die R/G/B-Ausgangskanäle. Dies beeinflusst die PWM-Schaltcharakteristiken.
• Eingangskapazität (CI):Maximal 15 pF. Die kapazitive Last, die der DIN-Pin darstellt.

2.3 Elektro-optische Eigenschaften

Gemessen bei einem Durchlassstrom (IF) von 5 mA pro Farbchip und einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25 °C.

• Lichtstärke (Iv):
  • Rot (RS): Typische Werte reichen von 22,5 mcd bis 72,0 mcd, abhängig vom spezifischen Bin.
  • Grün (GH): Typische Werte reichen von 45,0 mcd bis 140,0 mcd.
  • Blau (BH): Typische Werte reichen von 18,0 mcd bis 57,0 mcd.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):130 Grad (typisch). Dieser weite Abstrahlwinkel ist charakteristisch für die weiße, diffundierende Harzlinse.
• Spitzenwellenlänge (λp):
  • Rot: 632 nm
  • Grün: 518 nm
  • Blau: 468 nm
• Dominante Wellenlänge (λd):Die wahrgenommene Farbwellenlänge.
  • Rot: 617,5 nm bis 629,5 nm
  • Grün: 525,0 nm bis 540,0 nm
  • Blau: 464,5 nm bis 476,5 nm
• Spektrale Bandbreite (Δλ):
  • Rot: 20 nm
  • Grün: 35 nm
  • Blau: 25 nm

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Bauteil wird basierend auf wichtigen optischen Parametern in Bins sortiert, um Farb- und Helligkeitskonsistenz innerhalb einer Produktionscharge sicherzustellen.

3.1 Binning der Lichtstärke

Jeder Farbchip wird separat gebinnt. Der Bincode (z.B. M2, N1, P2) definiert einen minimalen und maximalen Lichtstärkebereich bei IF=5mA. Beispielsweise hat ein Rot-Chip im Bin P1 eine Stärke zwischen 45,0 und 57,0 mcd. Das Datenblatt enthält detaillierte Tabellen für Rot (RS), Grün (GH) und Blau (BH). Für die Lichtstärke gilt eine Toleranz von ±11 %.

3.2 Binning der dominanten Wellenlänge

Ähnlich wie bei der Intensität wird auch die dominante Wellenlänge gebinnt, um den Farbort zu kontrollieren. Beispielsweise hat ein Grün-Chip im Bin 'Y' eine dominante Wellenlänge zwischen 525,0 nm und 530,0 nm. Das Datenblatt enthält Tabellen für alle drei Farben. Für die dominante Wellenlänge ist eine Toleranz von ±1 nm spezifiziert.

4. Leistungs- und Zeitanalyse

4.1 Zeitverhalten und Kommunikationsprotokoll

Das Bauteil verwendet ein Ein-Draht-, serielles Kommunikationsprotokoll. Daten werden bei der steigenden Flanke des Signals eingelesen. Das Protokoll definiert zwei Logikpegel: '0'-Code und '1'-Code, jeweils mit spezifischen High-Zeit- (T1H, T0H) und Low-Zeit-Anforderungen (T1L, T0L).

• T0H:300 ns ±80 ns (0-Code, High-Level-Zeit).
• T0L:900 ns ±80 ns (0-Code, Low-Level-Zeit).
• T1H:900 ns ±80 ns (1-Code, High-Level-Zeit).
• T1L:300 ns ±80 ns (1-Code, Low-Level-Zeit).
• RES (Reset-Zeit):>50 µs. Ein niedriges Signal am DIN, das länger als diese Zeit anhält, setzt das interne Schieberegister zurück und überträgt die Daten an den Ausgang.

Vierundzwanzig Bit Daten werden sequentiell übertragen: typischerweise 8 Bit für Grün, 8 Bit für Rot und 8 Bit für Blau (GRB-Reihenfolge). Die Daten für mehrere Bauteile können vom DOUT eines Bauteils zum DIN des nächsten in einer Daisy-Chain verkettet werden.

4.2 Anwendungsschaltung

Für ein 5V-System empfiehlt das Datenblatt, einen 0,1 µF Entkopplungskondensator zwischen den AVDD- (Stromversorgung) und GND-Pins zu platzieren, und zwar so nah wie möglich am Bauteil, um Rauschen zu minimieren und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Der interne Treiber ist ein Konstantstrom-Typ; jedoch deuten die absoluten Maximalwerte darauf hin, dass je nach angelegter Drain-Spannung (die Spannung an der LED-Anode, die höher als VDD ist) externe strombegrenzende Widerstände erforderlich sein können, um Überstromzustände zu verhindern. Die spezifischen Widerstandswerte werden durch den gewünschten LED-Strom und die Durchlassspannung der LED-Chips bei diesem Strom bestimmt.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil hat einen kompakten SMD-Fußabdruck. Die Maßzeichnung zeigt die Gehäusegröße und die Anschlusskonfiguration. Alle nicht spezifizierten Toleranzen betragen ±0,1 mm. Die Pinbelegung ist wie folgt:

1. DIN:Dateneingang für das serielle Steuersignal.
2. GND:Masseanschluss für Daten und Stromversorgung.
3. DOUT:Datenausgang für die Daisy-Chain-Verkettung zum nächsten Bauteil.
4. AVDD:Stromversorgungseingang, an +5V anschließen.

5.2 Verpackungsspezifikationen

Das Bauteil wird in feuchtigkeitsresistenter Verpackung geliefert.

• Trägertape:8 mm breites Tape auf einer Spule mit 7 Zoll Durchmesser. Jede Spule enthält 2000 Stück.
• Feuchtigkeitsempfindlichkeit:Die Bauteile sind feuchtigkeitsempfindlich (wahrscheinlich MSL 3 oder ähnlich). Vorsichtsmaßnahmen umfassen:
  • Lagerung vor Beutelöffnung: ≤30 °C / ≤90 % r.F.
  • Verarbeitungszeit nach Beutelöffnung: 24 Stunden bei ≤30 °C / ≤60 % r.F.
  • Nicht verwendete Teile müssen mit Trockenmittel neu verpackt werden, wenn die Verarbeitungszeit überschritten wird.
  • Trocknen ist erforderlich, wenn der Trockenmittel-Indikator Sättigung anzeigt oder die Lagerzeit überschritten ist.
• Spulen- und Tape-Abmessungen:Detaillierte Zeichnungen für die Spule, die Trägertape-Taschen und das Decktape werden bereitgestellt.
• Etiketteninformationen:Das Spulenetikett enthält Felder für Kunden-Teilenummer (CPN), Produktnummer (P/N), Menge (QTY) und die spezifischen Binning-Codes für Lichtstärke (CAT), Wellenlänge (HUE) und Durchlassspannung (REF).

6. Löt-, Montage- und Verwendungsrichtlinien

6.1 Kompatibilität mit Lötprozessen

Der 12-23C ist sowohl mit Infrarot- als auch mit Dampfphasen-Reflow-Lötprozessen kompatibel, unter Einhaltung des Profils mit einer Spitzentemperatur von 260 °C für bis zu 10 Sekunden. Er ist auch für Handlöten bei 350 °C für 3 Sekunden ausgelegt. Das Produkt ist bleifrei und entspricht den RoHS-, EU-REACH- und halogenfreien Standards (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl <1500 ppm).

6.2 Kritische Verwendungshinweise

• Überstromschutz:Es ist zwingend erforderlich, externe strombegrenzende Widerstände in Reihe mit jedem LED-Farbkanal zu verwenden. Die LED-Durchlassspannung hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass der Strom mit steigender Temperatur zunimmt. Ohne Widerstände kann selbst ein kleiner Anstieg der Versorgungsspannung oder der Sperrschichttemperatur zu thermischem Durchgehen und Bauteilausfall führen.
• ESD-Vorsichtsmaßnahmen:Obwohl für 2000 V HBM ausgelegt, sollten während der Montage und Handhabung Standard-ESD-Handhabungsverfahren befolgt werden.
• Thermisches Management:Die maximale Betriebssperrschichttemperatur ist durch den Treiber-IC und die LED-Chips begrenzt. Ausreichende Leiterplatten-Kupferfläche (Wärmeableitung) sollte für das GND-Pad verwendet werden, um Wärme abzuführen, insbesondere wenn die LEDs mit höheren Strömen betrieben werden.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Innen-/Außen-LED-Videodisplays:Ideal für Feinstpitch-Displays aufgrund der geringen Größe, des integrierten Treibers und der Daisy-Chain-Fähigkeit.
• Vollfarben-LED-Lichtschläuche/-Streifen:Ermöglicht adressierbare, programmierbare RGB-Beleuchtungsstreifen.
• LED-Dekorationsbeleuchtung:Architekturbeleuchtung, Beschilderung und Stimmungsbeleuchtung.
• Hintergrundbeleuchtung:Für Instrumententafeln, Schalter, LCDs und Symbole, bei denen dynamische Farbe gewünscht ist.
• Telekommunikationsgeräte:Statusanzeigen und Tastatur-Hintergrundbeleuchtung.

7.2 Designüberlegungen

• Stromversorgung:Verwenden Sie eine saubere, geregelte 5V-Versorgung. Der 0,1 µF Entkopplungskondensator ist entscheidend für die Störfestigkeit.
• Datenleitungsintegrität:Bei langen Daisy-Chains oder hohen Datenraten sollten Sie die Leiterbahnimpedanz und den möglichen Bedarf an einem Serienwiderstand nahe dem Treiberausgang zur Reduzierung von Überschwingern berücksichtigen.
• Stromeinstellung:Berechnen Sie den externen Widerstandswert (Rext) mit der Formel: Rext = (Vdrain - Vf_led - Vds_sat) / Iled_target. Wobei Vdrain die Anodenversorgungsspannung (<17 V) ist, Vf_led die LED-Durchlassspannung beim Zielstrom, Vds_sat die Sättigungsspannung des Treiber-Ausgangstransistors (aus dem Treiber-IC-Datenblatt, falls verfügbar) und Iled_target der gewünschte LED-Strom ist (z.B. 5 mA für Spezifikationsmessungen).
• Farbkonsistenz:Für Anwendungen, die einheitliche Farbe erfordern, geben Sie enge Binning-Codes (CAT und HUE) beim Lieferanten an.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die primäre Unterscheidung des 12-23C ist die Integration der LED-Chips und des Treiber-ICs. Im Vergleich zur Verwendung diskreter LEDs mit einem separaten Treiber-IC bietet diese Lösung:

• Reduzierte Bauteilanzahl:Weniger Teile zum Platzieren und Löten.
• Kleinerer Platzbedarf:Ermöglicht höhere Dichte-Designs.
• Vereinfachtes Leiterplatten-Layout:Keine Notwendigkeit, hochstromführende Treiberleitungen von einem zentralen IC zu entfernten LEDs zu führen.
• Einfachheit der digitalen Steuerung:Eine einzige Datenleitung steuert Farbe und Helligkeit, reduziert die Anzahl der Mikrocontroller-Pins und die Softwarekomplexität im Vergleich zur analogen PWM-Steuerung separater Kanäle.
• Daisy-Chaining:Vereinfacht die Verkabelung für lineare Anordnungen wie Lichtstreifen.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Welche maximale Datenrate kann ich verwenden?

A: Der begrenzende Faktor ist die Laufzeitverzögerung (max. 300 ns) und die Zeitbedingungen für T0H/T1H. Eine konservative Schätzung für die Datenperiode beträgt etwa 1,2 µs (T0H+T0L für eine '0'), was einer Datenrate von ungefähr 833 kHz entspricht. Die Reset-Zeit (50 µs) zwischen den Frames verringert jedoch die effektive Bildwiederholfrequenz.

F: Kann ich die LEDs mit mehr als 5 mA betreiben?

A: Das Datenblatt spezifiziert nur Eigenschaften bei 5 mA. Ein Betrieb mit höheren Strömen erhöht die Lichtausbeute, aber auch die Verlustleistung, die Sperrschichttemperatur und kann die Lebensdauer verringern. Der maximale Strom ist durch die Fähigkeit des Treiber-ICs und die eigenen Nennwerte der LED begrenzt, die hier nicht vollständig detailliert sind. Eine Entlastung und thermische Analyse sind unerlässlich.

F: Wie berechne ich den Wert des externen Widerstands?

A: Wie in Abschnitt 7.2 beschrieben. Sie benötigen die LED-Vf-Kurve (oft aus typischen Werten im Datenblatt geschätzt) und die Spannung Ihrer Anodenversorgung (Vdrain). Eine übliche Vdrain ist 12 V. Beispiel für rote LED bei 5 mA: Wenn Vf_rot ≈ 2,0 V und Vds_sat ≈ 0,6 V, dann R = (12 V - 2,0 V - 0,6 V) / 0,005 A = 1880 Ω. Verwenden Sie den nächstgelegenen Standardwert.

F: Was ist der Unterschied zwischen Spitzenwellenlänge und dominanter Wellenlänge?

A: Spitzenwellenlänge (λp) ist die Wellenlänge am höchsten Punkt in der spektralen Leistungsverteilungskurve der LED. Dominante Wellenlänge (λd) ist die Wellenlänge eines reinen monochromatischen Lichts, das der wahrgenommenen Farbe der LED entspricht. λd ist relevanter für Farbmischung und Display-Anwendungen.

10. Funktionsprinzipien

Das Bauteil arbeitet nach einem einfachen Prinzip. Ein internes Schieberegister empfängt serielle Daten am DIN-Pin. Diese Daten werden Bit für Bit basierend auf der Zeitsteuerung des Eingangssignals eingelesen. Nachdem 24 Bit empfangen wurden, überträgt ein niedriges Signal am DIN, das länger als die RES-Zeit (50 µs) anhält, diese Daten in ein Halteregister. Der Wert des Halteregisters steuert drei separate Pulsweitenmodulations- (PWM) Generatoren, einen für jeden Farbkanal (Rot, Grün, Blau). Jeder 8-Bit-Wert (0-255) legt das Tastverhältnis des entsprechenden PWM-Generators fest und steuert so über die Zeit den Durchschnittsstrom und damit die Helligkeit jedes LED-Chips. Das menschliche Auge integriert dieses schnelle Blinken und nimmt es als stetige Farbe mit einstellbarer Intensität wahr. Der DOUT-Pin liefert eine gepufferte Kopie des Eingangsdatenstroms und ermöglicht so eine nahtlose Daisy-Chain-Verkettung mit einer unbegrenzten Anzahl nachfolgender Bauteile.