SMD RGB-LED mit integrierter IC - 5.0x5.0x1.6mm - Spannung 4.2-5.5V - Leistung 99mW - Technisches Datenblatt DE

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen einer Oberflächenmontage-LED (SMD), die rote, grüne und blaue (RGB) Halbleiterchips mit einem integrierten 8-Bit-Treiber-IC in einem einzigen Gehäuse vereint. Diese integrierte Lösung ist darauf ausgelegt, Konstantstrom-Anwendungen für Entwickler zu vereinfachen, indem sie externe strombegrenzende Widerstände oder komplexe Treiberschaltungen für jeden Farbkanal überflüssig macht.

1.1 Kernvorteile und Produktpositionierung

Der Hauptvorteil dieses Bauteils ist sein hoher Integrationsgrad. Durch die Kombination von Steuerlogik und RGB-Emittern bildet es einen vollständigen, adressierbaren Pixelpunkt. Diese Architektur ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die mehrere LEDs erfordern, wie LED-Streifen, Matrix-Displays und dekorative Beleuchtung, da sie die Anzahl der Bauteile, den Leiterplattenplatz und die Systemkomplexität erheblich reduziert. Das Bauteil ist in einem standardkonformen EIA-Gehäuse untergebracht, was es mit automatischen Bestückungs- und Infrarot-Reflow-Lötprozessen kompatibel macht – ein entscheidender Faktor für die Serienfertigung.

1.2 Zielanwendungen und Märkte

Diese LED ist für ein breites Spektrum elektronischer Geräte entwickelt, bei denen Platz, Effizienz und Farbkontrolle von größter Bedeutung sind. Ihre Hauptanwendungsgebiete umfassen:

• Vollfarbmodule und indirekte Beleuchtung:Ideal zur Erzeugung dynamischer Farbwechsel-Effekte in Lichtleisten, Architekturbeleuchtung und Ambientebeleuchtungssystemen.
• Innendisplays und Beschilderung:Geeignet für unregelmäßige Videodisplays, Informationsschilder und dekorative Paneele, bei denen eine individuelle Pixelsteuerung erforderlich ist.
• Unterhaltungselektronik:Kann für Statusanzeigen, Frontplatten-Hintergrundbeleuchtung oder dekorative Beleuchtung in Geräten wie Netzwerkausrüstung, Haushaltsgeräten und Computerperipherie verwendet werden.
• Industrie- & Bürogeräte:Einsetzbar für Status-Signalisierung und Bediener-Schnittstellenbeleuchtung in verschiedenen industriellen und büroautomatischen Kontexten.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Analyse

Die folgenden Abschnitte bieten einen detaillierten, objektiven Überblick über die wichtigsten Leistungsmerkmale des Bauteils, wie im Datenblatt definiert.

2.1 Absolute Maximalwerte und Betriebsgrenzen

Diese Parameter definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Verlustleistung (P_D):99 mW. Dies ist die maximale Gesamtleistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann. Das Überschreiten dieses Grenzwerts birgt die Gefahr von Überhitzung und Ausfall.
• Versorgungsspannungsbereich (V_DD):+4,2V bis +5,5V. Der integrierte IC benötigt eine geregelte Versorgung innerhalb dieses Bereichs für einen zuverlässigen Betrieb. Das Anlegen einer Spannung außerhalb dieses Bereichs kann die Steuerelektronik beschädigen.
• Gesamt-Durchlassstrom (I_F):18 mA. Dies ist die maximale Summe der Ströme, die gleichzeitig durch die roten, grünen und blauen Chips fließen.
• Temperaturbereiche:Das Bauteil ist für den Betrieb von -40°C bis +85°C ausgelegt und kann in Umgebungen von -40°C bis +100°C gelagert werden.

2.2 Optische Eigenschaften

Gemessen bei einer Umgebungstemperatur (T_a) von 25°C mit einer Versorgungsspannung (V_DD) von 5V und allen Farbkanälen auf maximaler Helligkeit (8'b11111111).

• Lichtstärke (I_V):Dies ist die wahrgenommene Helligkeit der Lichtausgabe. Die typischen Werte sind: Rot: 100-200 mcd, Grün: 250-500 mcd, Blau: 50-120 mcd. Der grüne Chip weist typischerweise die höchste Lichtstärke auf.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):120 Grad. Dieser weite Abstrahlwinkel, charakteristisch für eine diffundierende Linse, bedeutet, dass die LED Licht über einen großen Bereich abgibt, was sie für Anwendungen geeignet macht, bei denen die Sichtbarkeit aus mehreren Winkeln wichtig ist.
• Dominante Wellenlänge (λ_d):Dieser Parameter definiert die wahrgenommene Farbe des Lichts. Die spezifizierten Bereiche sind: Rot: 615-630 nm, Grün: 520-535 nm, Blau: 460-475 nm. Diese Bereiche platzieren die Farben innerhalb der Standard-Sichtbarkeitsbereiche für Rot, Grün und Blau.

2.3 Elektrische Eigenschaften

Definiert für einen Umgebungstemperaturbereich von -20°C bis +70°C, V_DDvon 4,2V bis 5,5V und V_SSbei 0V.

• IC-Ausgangsstrom (I_F):5 mA (typisch). Dies ist der konstante Strom, den der integrierte Treiber-IC jedem einzelnen roten, grünen und blauen LED-Chip zuführt. Dieses Konstantstrom-Design gewährleistet eine stabile Farbausgabe und schützt die LEDs vor Stromspitzen.
• Eingangs-Logikpegel:Für den Dateneingang (DIN)-Pin wird ein logisches High (V_IH) ab einem Minimum von 2,7V bis zu V_DDerkannt. Ein logisches Low (V_IL) wird bei einem Maximum von 1,0V erkannt. Dies ist mit 3,3V- und 5V-Mikrocontroller-Logik kompatibel.
• IC-Ruhestrom (I_DD):0,8 mA (typisch), wenn alle LED-Daten auf '0' (aus) gesetzt sind. Dies ist die Leistung, die der integrierte IC selbst verbraucht, wenn die LEDs nicht leuchten.

3. Datenübertragungsprotokoll und Steuerung

Das Bauteil verfügt über ein Ein-Draht-, kaskadierbares Kommunikationsprotokoll, das es ermöglicht, mehrere Einheiten zu einer Kette zu verbinden und von einem einzigen Mikrocontroller-Pin aus zu steuern.

3.1 Protokollgrundlagen

Daten werden als Folge von High- und Low-Impulsen auf dem DIN-Pin übertragen. Jedes Bit ('0' oder '1') wird durch ein spezifisches Zeitmuster innerhalb einer nominellen Periode von 1,2 µs (±300ns) codiert.

• '0'-Bit:High-Zeit (T_0H) = 300 ns ±150ns, gefolgt von Low-Zeit (T_0L) = 900 ns ±150ns.
• '1'-Bit:High-Zeit (T_1H) = 900 ns ±150ns, gefolgt von Low-Zeit (T_1L) = 300 ns ±150ns.

Die Zeit-Toleranz ermöglicht gewisse Variationen in der Mikrocontroller-Taktgeschwindigkeit, erfordert jedoch präzise Software- oder Hardware-Timing für eine zuverlässige Kommunikation.

3.2 Datenrahmenstruktur

Jede LED benötigt 24 Bit Daten, um ihre Farbe einzustellen. Die Daten werden in der Reihenfolge gesendet: Grün (8 Bit), Rot (8 Bit), Blau (8 Bit). Jeder 8-Bit-Wert steuert die Helligkeit des jeweiligen Farbkanals mit 256 Stufen (0-255). Dies ermöglicht die Erstellung von 16.777.216 (256^3) möglichen Farbkombinationen.

3.3 Kaskadierung und Reset

Daten, die in den DIN-Pin der ersten LED gesendet werden, werden durch ihr internes Register geschoben und dann nach 24 Bit an ihrem DOUT-Pin ausgegeben. Dieser DOUT kann mit dem DIN der nächsten LED in der Kette verbunden werden, sodass eine unbegrenzte Anzahl von LEDs seriell gesteuert werden kann. Ein Low-Signal am DIN-Pin, das länger als 250 µs (RESET-Zeit) anhält, bewirkt, dass alle LEDs in der Kette die aktuell in ihren Registern befindlichen Daten übernehmen und anzeigen und sich dann darauf vorbereiten, neue Daten zu empfangen, beginnend mit der ersten LED in der Kette.

4. Farb-Sortierungssystem

Das Datenblatt enthält eine auf dem CIE-1931-Farbtafeldiagramm basierende Sortiertabelle zur Kategorisierung der Farbausgabe der weiß diffundierten LED. Die Sortiercodes (A, B, C, D) definieren Vierecke auf der (x, y)-Farbkoordinatenebene, jedes mit einer Toleranz von ±0,01. Dieses System ermöglicht es Herstellern und Entwicklern, LEDs mit konsistenten Farbcharakteristiken für Anwendungen auszuwählen, bei denen Farbgleichheit über mehrere Einheiten hinweg kritisch ist, wie z.B. bei großen Displays oder Beleuchtungspaneelen.

5. Leistungskurvenanalyse

Das Datenblatt enthält grafische Darstellungen wichtiger Leistungsbeziehungen.

5.1 Relative Intensität vs. Wellenlänge (Spektralverteilung)

Diese Kurve zeigt das Emissionsspektrum jedes Farbchips (Rot, Grün, Blau). Sie zeigt typischerweise deutliche Spitzen, die den dominanten Wellenlängen entsprechen. Die Breite dieser Spitzen zeigt die spektrale Reinheit an; schmalere Spitzen deuten auf gesättigtere Farben hin. Die Überlappung zwischen den Farbspektren, insbesondere im grün-gelben Bereich, beeinflusst die Qualität und den Bereich der Mischfarben (z.B. die Erzeugung eines reinen Gelbs aus Rot und Grün).

5.2 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur (Derating-Kurve)

Dieses Diagramm ist entscheidend für das thermische Management. Es zeigt den maximal zulässigen Durchlassstrom pro LED-Chip in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Mit steigender Temperatur sinkt der maximal sichere Strom. Beispielsweise könnte bei 25°C der maximale Strom nahe dem Nennwert von 18mA liegen, aber bei 85°C ist der maximal zulässige Strom deutlich niedriger. Entwickler müssen sicherstellen, dass der Betriebsstrom, insbesondere wenn alle drei Farben mit voller Helligkeit leuchten, den reduzierten Grenzwert bei der höchsten erwarteten Umgebungstemperatur nicht überschreitet, um langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

5.3 Räumliche Verteilung (Abstrahlcharakteristik)

Dieses Polardiagramm veranschaulicht, wie sich die Lichtintensität mit dem Betrachtungswinkel relativ zur Mittelachse der LED ändert. Der angegebene Abstrahlwinkel von 120 Grad (2θ_1/2) ist der Punkt, an dem die Intensität auf 50% des Wertes auf der Achse abfällt. Die diffundierende Linse erzeugt ein lambert-ähnliches Muster und sorgt so für eine gleichmäßige Ausleuchtung über einen großen Bereich anstelle eines fokussierten Strahls.

6. Mechanische und Verpackungsinformationen

6.1 Gehäuseabmessungen und Konfiguration

Das Bauteil hat eine nominelle Grundfläche von 5,0 mm x 5,0 mm bei einer Höhe von 1,6 mm. Alle Maßtoleranzen betragen ±0,2 mm, sofern nicht anders angegeben. Eine Draufsicht identifiziert die vier Pins: 1 (VDD - Versorgung), 2 (DIN - Dateneingang), 3 (VSS - Masse) und 4 (DOUT - Datenausgang).

6.2 Empfohlene Lötflächengeometrie auf der Leiterplatte

Ein Lötflächen-Layout-Diagramm wird zur Unterstützung des Leiterplatten-Designs bereitgestellt. Die Einhaltung dieser empfohlenen Lötflächenabmessungen und -abstände ist entscheidend, um zuverlässige Lötstellen während des Reflow-Prozesses zu erreichen und eine ordnungsgemäße mechanische Stabilität sicherzustellen.

7. Montage- und Handhabungsrichtlinien

7.1 Lötprozess

Das Bauteil ist mit Infrarot (IR)-Reflow-Lötprozessen kompatibel, die für bleifreies (Pb-freies) Löten geeignet sind. Das Datenblatt verweist auf ein Profil gemäß dem J-STD-020B-Standard. Zu den Schlüsselparametern eines solchen Profils gehören Vorwärmung, Haltephase, Reflow-Spitzentemperatur (die die maximale Temperaturbelastbarkeit des Bauteils nicht überschreiten darf) und Abkühlrate. Die Einhaltung des empfohlenen Profils ist entscheidend, um thermischen Schock, Lötstellendefekte oder Schäden am LED-Gehäuse und internen IC zu verhindern.

7.2 Reinigung

Wenn eine Reinigung nach der Montage erforderlich ist, ist die empfohlene Methode das Eintauchen der bestückten Leiterplatte in Ethylalkohol oder Isopropylalkohol bei Raumtemperatur für weniger als eine Minute. Die Verwendung nicht spezifizierter oder aggressiver chemischer Reinigungsmittel ist untersagt, da sie die Kunststofflinse oder das Gehäusematerial beschädigen können.

8. Verpackung und Bestellung

Die LEDs werden auf 8 mm breiter, geprägter Trägerfolie geliefert, die auf 7-Zoll (178 mm) große Spulen aufgewickelt ist. Die Standardpackungsmenge beträgt 4000 Stück pro Spule. Die Folien- und Spulenspezifikationen entsprechen den ANSI/EIA 481-Standards und gewährleisten so die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsgeräten. Detaillierte Maßzeichnungen für die Folientaschen und die Spule werden für Logistik- und Maschineneinrichtungszwecke bereitgestellt.

9. Anwendungsdesign-Überlegungen

9.1 Stromversorgungsdesign

Eine stabile, rauscharme Stromversorgung im Bereich von 4,2V bis 5,5V ist unerlässlich. Der Gesamtstrombedarf für eine LED-Kette muss berechnet werden: I_gesamt= (Anzahl LEDs) * (I_{DD_Ruhe}) + (Anzahl leuchtender Pixel) * (I_{F_R}+ I_{F_G}+ I_{F_B}). Bei großen Installationen ist der Spannungsabfall entlang der Stromversorgungsleitungen zu berücksichtigen, was möglicherweise eine Stromzufuhr an mehreren Punkten erfordert.

9.2 Daten-Signalintegrität

Bei langen Daisy-Chains oder in elektrisch gestörten Umgebungen kann die Signalintegrität auf der Datenleitung (DIN/DOUT) beeinträchtigt werden. Strategien zur Abhilfe umfassen die Verwendung einer niedrigeren Datenrate (falls das Timing es erlaubt), das Hinzufügen eines kleinen Serienwiderstands (z.B. 100-470 Ω) am Mikrocontroller-Ausgang zur Reduzierung von Überschwingern und die Sicherstellung einer soliden, niederohmigen Masseverbindung im gesamten System.

9.3 Thermomanagement

Obwohl der Konstantstromtreiber einen inhärenten Schutz bietet, muss die als Wärme abgegebene Leistung (P = V_f* I_ffür jeden Chip, plus IC-Verluste) gemanagt werden. Sorgen Sie für ausreichende Belüftung oder Kühlkörper, wenn LEDs mit hohen Helligkeitsstufen oder in hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden, insbesondere in dicht gepackten Arrays. Siehe die Derating-Kurve in Abschnitt 5.2.

10. Technischer Vergleich und Differenzierung

Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal dieses Bauteils ist derintegrierte Konstantstrom-Treiber-IC. Im Vergleich zu einer Standard-RGB-LED, die drei externe strombegrenzende Widerstände und eine externe Multiplex- oder PWM-Treiberschaltung erfordert, bietet diese integrierte Lösung erhebliche Vorteile:

• Vereinfachtes Design:Reduziert die Stückliste (BOM) und die Komplexität des Leiterplattenlayouts.
• Verbesserte Konsistenz:Die On-Chip-Konstantstromquelle bietet für jede Farbe in jeder Einheit identische Ansteuerbedingungen, was zu einer besseren Farbgleichheit über eine Produktionscharge führt.
• Kaskadierbarkeit:Das Ein-Draht-Protokoll ermöglicht die Steuerung von Hunderten von LEDs von einem einzigen Mikrocontroller-Pin aus und vereinfacht die Verkabelung und Steuerungssoftware für große Installationen erheblich.
• Hohe Farbtiefe:8-Bit (256-Stufen)-Steuerung pro Farbkanal ermöglicht sanfte Farbverläufe und eine riesige Farbpalette, was einfacheren gemultiplexten oder analog gesteuerten Lösungen überlegen ist.

11. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diese LED direkt von einer 3,3V-Mikrocontroller-Versorgung speisen?

A: Nein. Die absolute Mindestversorgungsspannung (V_DD) beträgt 4,2V. Eine 3,3V-Versorgung liegt unterhalb des Betriebsbereichs und versorgt den integrierten IC nicht korrekt. Sie benötigen eine separate 5V- (oder 4,2-5,5V-) Stromversorgung für die LEDs.

F: Wie berechne ich den für mein Projekt mit 100 dieser LEDs erforderlichen Strom?

A: Sie müssen zwei Komponenten berücksichtigen: 1) Ruhestrom für die ICs: 100 LEDs * 0,8 mA = 80 mA. 2) LED-Strom: Dies hängt von den angezeigten Farben ab. Im Worst-Case-Szenario (alle LEDs zeigen weiß mit voller Helligkeit) zieht jede LED ~15 mA (3 Farben * 5 mA). Also, 100 LEDs * 15 mA = 1500 mA. Gesamtstrom im Worst Case ≈ 1580 mA oder 1,58A bei 5V. Ihre Stromversorgung muss dafür ausgelegt sein.

F: Was passiert, wenn das Datensignal-Timing leicht außerhalb der spezifizierten Toleranz liegt?

A: Das Bauteil könnte die Daten falsch interpretieren, was zu falsch angezeigten Farben oder einem vollständigen Kommunikationsausfall in der Kette führt. Es ist entscheidend, das Datensignal mit einem Timing so nah wie möglich an den typischen Werten zu erzeugen und innerhalb der ±150ns-Toleranzen zu bleiben.

F: Ist ein Kühlkörper erforderlich?

A: Es hängt von den Betriebsbedingungen ab. Bei Raumtemperatur und moderater Helligkeit ist die Verlustleistungsgrenze von 99mW wahrscheinlich ausreichend. Wenn jedoch in einem Gehäuse mit hoher Umgebungstemperatur oder kontinuierlich mit maximaler Helligkeit betrieben wird, sollte eine thermische Analyse durchgeführt werden. Die Derating-Kurve in Abschnitt 5.2 zeigt, dass der maximale Strom mit steigender Temperatur reduziert werden muss, was eine indirekte Form des thermischen Managements ist.

12. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Entwurf eines 10x10 RGB-LED-Matrix-Panels für eine Kunstinstallation.

Entwurfsschritte:

1. Layout:100 LEDs in einem Raster anordnen. Alle VDD-Pins mit einer gemeinsamen 5V-Stromversorgungsebene und alle VSS-Pins mit einer gemeinsamen Masseebene verbinden.

2. Stromversorgung:Spitzenleistung berechnen: 100 LEDs * (0,015A * 5V) = 7,5W. Wählen Sie ein 5V, 8A (40W) Netzteil mit ~20% Reserve. Planen Sie die Stromzufuhr von mehreren Seiten des Panels, um den Spannungsabfall zu minimieren.

3. Datenkette:Den DOUT jeder LED in einer Reihe mit dem DIN der nächsten LED in derselben Reihe verbinden. Am Ende jeder Reihe kann der DOUT mit dem DIN der ersten LED in der nächsten Reihe verbunden werden, um eine einzige lange Kette von 100 LEDs zu erstellen.

4. Steuerung:Ein Mikrocontroller (z.B. ESP32, Arduino) erzeugt den Datenstrom. Die Software muss 2400 Bit (100 LEDs * 24 Bit) Farbdaten senden, gefolgt von einem Reset-Impuls >250 µs, um die LEDs zu aktualisieren. Es existieren Bibliotheken, um dieses Protokoll zu vereinfachen.

5. Thermik:Die LEDs auf einer Aluminium-Leiterplatte montieren oder sicherstellen, dass das Panel belüftet ist, da 7,5W Wärme in einem geschlossenen Raum die Umgebungstemperatur erhöhen und somit eine Stromreduzierung erforderlich machen.

13. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach einem einfachen, aber effektiven Prinzip. Der integrierte IC enthält ein Schieberegister und Konstantstromsenken. Seriendaten, die in den DIN-Pin getaktet werden, werden durch das interne 24-Bit-Register geschoben. Sobald ein Reset-Signal empfangen wird, übernimmt der IC diese Daten. Jedes 8-Bit-Segment der übernommenen Daten steuert einen Pulsweitenmodulations (PWM)-Generator für einen Farbkanal (Rot, Grün, Blau). Das PWM-Signal steuert dann eine Konstantstromsenke, die mit dem entsprechenden LED-Chip verbunden ist. Ein Wert von 255 (8'b11111111) ergibt einen 100% Tastgrad (voll ein), während ein Wert von 127 einen ~50% Tastgrad ergibt und so die Helligkeit steuert. Die Konstantstromsenke stellt sicher, dass die LED einen stabilen Strom erhält, unabhängig von geringen Durchlassspannungs (V_f)-Schwankungen zwischen den Chips oder mit der Temperatur.

14. Technologietrends und Kontext

Dieses Bauteil repräsentiert einen klaren Trend in der LED-Technologie:erhöhte Integration und Intelligenz auf Gehäuseebene.Die Verlagerung der Treiberfunktionalität auf dasselbe Substrat wie den Emitter (ein Konzept, oft als \"LEDs mit integrierten Schaltkreisen\" oder \"Smart LEDs\" bezeichnet) adressiert mehrere Herausforderungen der Industrie. Es reduziert Systemkosten und -komplexität für Endanwender, verbessert die Leistungskonsistenz und ermöglicht neue Anwendungen wie leicht skalierbare, hochauflösende adressierbare Displays. Dieser Trend entwickelt sich weiter zu LEDs mit fortschrittlicheren integrierten Schaltkreisen, die höhere Datenraten (z.B. für Video), eingebauten Speicher für Muster und sogar Sensoren für Umgebungslicht- oder Temperaturrückmeldung ermöglichen und so den Weg für autonomere und anpassungsfähigere Beleuchtungssysteme ebnen.