SMD RGB-LED mit integriertem IC - 5,0x5,0x1,6mm - 4,2-5,5V - 358mW - Weiße Diffuslinse - Datenblatt

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen für eine SMD-LED-Baugruppe, die rote, grüne und blaue (RGB) Halbleiterchips zusammen mit einem dedizierten Treiber-IC in einem einzigen, kompakten Gehäuse vereint. Diese integrierte Lösung ist darauf ausgelegt, Konstantstromanwendungen für Entwickler zu vereinfachen, indem sie externe strombegrenzende Widerstände oder komplexe Treiberschaltungen für jeden Farbkanal überflüssig macht. Das Bauteil ist in einem weißen Diffuslinsengehäuse untergebracht, das das Licht der einzelnen Farbchips vermischt, um eine gleichmäßigere und diffusere Farbausgabe zu erzielen, die sich für Indikator- und dekorative Beleuchtungsanwendungen eignet.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Der primäre Vorteil dieser Komponente ist ihr hoher Integrationsgrad. Durch die Integration eines 8-Bit-Konstantstrom-PWM-Treiber-ICs ermöglicht sie eine präzise digitale Steuerung der Helligkeit jeder RGB-Farbe mit 256 verschiedenen Stufen, was die Erzeugung von über 16,7 Millionen Farbkombinationen ermöglicht. Das Single-Wire-Kaskaden-Datenübertragungsprotokoll erlaubt es, mehrere Einheiten zu einer Kette zu verbinden und über einen einzigen Mikrocontroller-Pin zu steuern, was die Verkabelungskomplexität und die Controller-I/O-Anforderungen in Multi-LED-Anwendungen erheblich reduziert.

Dies macht die Komponente besonders geeignet für platzbeschränkte und kostenempfindliche Anwendungen, die mehrfarbige oder Vollfarb-Lichteffekte erfordern. Ihre Zielmärkte umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Statusanzeigen in Unterhaltungselektronik und Netzwerkgeräten, Frontpanel-Hintergrundbeleuchtung, dekorative LED-Streifen, Vollfarbmodule und Elemente von Indoor-LED-Videodisplays oder -Beschilderungen. Das Gehäuse ist mit automatischen Bestückungsgeräten und Standard-Infrarot (IR)-Reflow-Lötprozessen kompatibel, was die Serienfertigung erleichtert.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen ist nicht garantiert.

• Verlustleistung (P_D)): 358 mW. Dies ist die maximale Gesamtleistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann. Das Überschreiten dieses Limits birgt das Risiko einer Überhitzung des internen ICs und der LED-Chips.
• Versorgungsspannungsbereich (V_DD)): +4,2V bis +5,5V. Der integrierte IC ist für eine nominelle 5V-Logikversorgung ausgelegt. Das Anlegen einer Spannung außerhalb dieses Bereichs kann die Steuerschaltung beschädigen.
• Gesamt-Durchlassstrom (I_F)): 65 mA. Dies ist die maximale Summe der Ströme durch die Rot-, Grün- und Blau-Kanäle zusammen.
• Betriebstemperatur (T_a)): -40°C bis +85°C. Das Bauteil funktioniert garantiert innerhalb dieses Umgebungstemperaturbereichs.
• Lagertemperatur: -40°C bis +100°C. Das Bauteil kann ohne angelegte Spannung innerhalb dieses größeren Bereichs gelagert werden.

2.2 Optische Eigenschaften

Gemessen bei einer Umgebungstemperatur (T_a) von 25°C und einer Versorgungsspannung (V_DD) von 5V, wobei alle Farbkanäle auf maximale Helligkeit eingestellt sind (Daten = 8'b11111111).

• Lichtstärke (I_V):
  • Rot (AlInGaP): 600 - 1200 mcd (typisch)
  • Grün (InGaN): 1100 - 2200 mcd (typisch)
  • Blau (InGaN): 270 - 540 mcd (typisch)
  Der grüne Chip weist typischerweise die höchste Ausgangsleistung auf, gefolgt von rot, dann blau. Dieses Ungleichgewicht ist bei RGB-LEDs üblich und muss in Farbmischalgorithmen berücksichtigt werden, um einen gewünschten Weißpunkt oder einen spezifischen Farbton zu erreichen.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2)): 120 Grad. Dieser große Abstrahlwinkel, definiert als der Winkel, bei dem die Intensität auf die Hälfte ihres Achsenwerts abfällt, ist charakteristisch für die weiße Diffuslinse und bietet ein breites, weiches Lichtabstrahlmuster, das für die Flächenbeleuchtung geeignet ist.
• Dominante Wellenlänge (λ_d):
  • Rot: 615 - 630 nm
  • Grün: 515 - 530 nm
  • Blau: 455 - 470 nm
  Diese Bereiche definieren die Primärfarbe des von jedem Chip emittierten Lichts. Das spezifische Bin innerhalb dieser Bereiche für eine bestimmte Einheit bestimmt ihre genauen Farbkoordinaten.

2.3 Elektrische Eigenschaften

Spezifiziert über den gesamten Betriebstemperaturbereich (-40°C bis +85°C) und Versorgungsspannungsbereich (4,2V bis 5,5V).

• IC-Ausgangsstrom pro Kanal (I_F)): 20 mA (typisch). Der integrierte Treiber-IC regelt den Strom, der jedem einzelnen Rot-, Grün- und Blau-LED-Chip zugeführt wird, auf diesen konstanten Wert und gewährleistet so eine stabile Helligkeit und Farbkonstanz unabhängig von Durchlassspannungsschwankungen.
• Eingangslogikpegel:
  • High-Level-Eingangsspannung (V_IH): 2,7V min bis V_DD. Kompatibel mit 3,3V- und 5V-Mikrocontroller-Ausgängen.
  • Low-Level-Eingangsspannung (V_IL): 0V bis 1,0V max.
• IC-Ruhestrom (I_DD)): 1,5 mA (typisch). Dies ist der Strom, den der integrierte Treiber-IC selbst verbraucht, wenn alle LED-Ausgänge ausgeschaltet sind (alle Datenbits sind '0').

3. Erklärung des Binning-Systems

3.1 CIE-Farbort-Binning

Das Dokument enthält eine Farbbin-Tabelle basierend auf den CIE-1931-(x, y)-Farbortkoordinaten. Das emittierte Licht jeder LED wird getestet und in spezifische Bins kategorisiert (z.B. A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3). Jedes Bin ist durch einen viereckigen Bereich im Farbortdiagramm definiert, der durch vier (x, y)-Koordinatenpunkte spezifiziert ist. Die Toleranz für die Platzierung innerhalb eines Bins beträgt +/- 0,01 in beiden x- und y-Koordinaten. Dieses Binning gewährleistet Farbkonstanz zwischen verschiedenen Produktionschargen. Entwickler können beim Bestellen einen Bincode angeben, um eine engere Farbabstimmung in ihrer Anwendung zu erreichen, was für Displays oder Multi-LED-Installationen, bei denen Farbgleichmäßigkeit von größter Bedeutung ist, entscheidend ist.

4. Analyse der Leistungskurven

4.1 Relative Intensität vs. Wellenlänge (Spektrale Verteilung)

Das bereitgestellte Diagramm (Abb. 1) zeigt die relative spektrale Leistungsverteilung für die Rot-, Grün- und Blau-Chips. Jede Kurve zeigt einen deutlichen Peak, der ihrem dominanten Wellenlängenbereich entspricht. Die Rotkurve ist um ~625nm zentriert, die Grünkurve um ~525nm und die Blaukurve um ~465nm. Die Breite dieser Peaks (Halbwertsbreite) beeinflusst die Farbreinheit; schmalere Peaks ergeben im Allgemeinen gesättigtere Farben. Die Überlappung zwischen dem Grün- und Rot-Spektrum ist minimal, was für die Erzielung einer großen Farbpalette vorteilhaft ist.

4.2 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur Derating-Kurve

Das Diagramm (Abb. 2) veranschaulicht die Beziehung zwischen dem maximal zulässigen Gesamt-Durchlassstrom (I_F) und der Umgebungsbetriebstemperatur (T_A). Mit steigender Temperatur nimmt der maximal zulässige Strom linear ab. Diese Derating ist notwendig, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur der LED-Chips und des Treiber-ICs sichere Grenzwerte überschreitet, was den Abbau beschleunigen und die Lebensdauer verkürzen würde. Bei der maximalen Betriebstemperatur von 85°C ist der zulässige Gesamtstrom deutlich niedriger als der bei 25°C spezifizierte absolute Maximalwert von 65mA. Diese Kurve muss für ein zuverlässiges thermisches Design herangezogen werden.

4.3 Räumliche Verteilung (Lichtstärkemuster)

Das Polardiagramm (Abb. 3) bildet die normalisierte relative Lichtstärke als Funktion des Betrachtungswinkels ab. Die Darstellung bestätigt den 120-Grad-Abstrahlwinkel und zeigt eine glatte, annähernd lambertförmige Verteilung, die für eine Diffuslinse typisch ist. Die Intensität ist bei 0 Grad (auf der Achse) am höchsten und nimmt symmetrisch auf 50 % ihres Spitzenwerts bei +/-60 Grad von der Achse ab.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen und Konfiguration

Die Komponente ist in einem SMD-Gehäuse mit den Gesamtabmessungen von etwa 5,0 mm Länge, 5,0 mm Breite und 1,6 mm Höhe (Toleranz ±0,2 mm) untergebracht. Das Gehäuse verfügt über eine weiße, diffuse Kunststofflinse. Die Pin-Konfiguration besteht aus vier Pads:

1. VSS: Masse (0V-Referenz).
2. DIN: Steuerdaten-Signaleingang. Empfängt den seriellen Datenstrom für diese spezifische LED.
3. DOUT: Steuerdaten-Signalausgang. Leitet den empfangenen Datenstrom an den DIN-Pin der nächsten LED in einer Daisy-Chain weiter.
4. VDD: Gleichstrom-Eingang (+4,2V bis +5,5V).

5.2 Empfohlene PCB-Lötflächen-Layout

Ein Lötflächenmusterdiagramm wird zur Anleitung des Leiterplatten (PCB)-Designs bereitgestellt. Die Einhaltung dieser empfohlenen Pad-Abmessungen und -Abstände gewährleistet eine ordnungsgemäße Lötstellenbildung während des Reflow, eine zuverlässige elektrische Verbindung und ausreichende mechanische Festigkeit. Das Design umfasst typischerweise Wärmeentlastungsverbindungen und geeignete Lötstopplacköffnungen.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 IR-Reflow-Lötprofil

Ein empfohlenes Infrarot (IR)-Reflow-Profil wird bereitgestellt, das mit dem J-STD-020B-Standard für bleifreie Lötprozesse konform ist. Das Profildiagramm zeigt die Schlüsselparameter: Vorwärmen, Einweichen, Reflow-Spitzentemperatur und Abkühlraten. Die Spitzentemperatur darf die maximale Lagertemperatur der Komponente (100°C) typischerweise nicht für mehr als eine bestimmte Zeit deutlich überschreiten, um Schäden am Kunststoffgehäuse oder innere Spannungen zu vermeiden. Die Einhaltung dieses Profils ist entscheidend für das Erreichen zuverlässiger Lötstellen, ohne die LED und den integrierten IC einem thermischen Schock auszusetzen.

6.2 Reinigung

Wenn eine Nachlöt-Reinigung erforderlich ist, kann die Komponente bei Raumtemperatur für weniger als eine Minute in Ethylalkohol oder Isopropylalkohol getaucht werden. Die Verwendung nicht spezifizierter oder aggressiver chemischer Reinigungsmittel ist verboten, da sie die Kunststofflinse oder das Gehäusematerial beschädigen können.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Band- und Spulenspezifikationen

Die Komponenten werden in geprägter Trägerbandverpackung mit einem Schutzdeckband geliefert, das auf Spulen mit einem Durchmesser von 7 Zoll (178 mm) aufgewickelt ist. Die Bandbreite beträgt 12 mm. Die Standardpackungsmenge beträgt 1000 Stück pro Spule, mit einer Mindestbestellmenge von 500 Stück für Teilspulen. Detaillierte Abmessungen für die Bandtaschen und die Spule werden bereitgestellt, um die Kompatibilität mit den Zuführern automatischer Bestückungsgeräte sicherzustellen.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Status- und Indikatorbeleuchtung: Mehrfarbige Statusanzeigen in Telekommunikations-, Netzwerk- und Industrieanlagen.
• Dekorative und architektonische Beleuchtung: LED-Streifen, Stimmungsbeleuchtung und farbwechselnde Akzente in Konsumgütern.
• Hintergrundbeleuchtung: Frontpanel- oder Logo-Hintergrundbeleuchtung mit dynamischen Farbeffekten.
• Vollfarb-Displays: Als einzelne Pixel in niedrigauflösenden Indoor-Vollfarb-LED-Displays, Nachrichtentafeln oder Softlight-Panels.

8.2 Designüberlegungen

• Stromversorgung: Stellen Sie eine saubere, geregelte 5V-Versorgung mit ausreichender Stromkapazität für die Anzahl der verwendeten LEDs sicher. Berücksichtigen Sie den Einschaltstrom, wenn viele LEDs gleichzeitig eingeschaltet werden.
• Daten-Signalintegrität: Für lange Daisy-Chains oder hohe Datenraten sollten Sie eine Signalbuffering oder Pegelanpassung in Betracht ziehen, wenn der Mikrocontroller mit 3,3V arbeitet, da V_IHmin 2,7V beträgt.
• Thermisches Management: Halten Sie sich an die Strom-Derating-Kurve (Abb. 2). Sorgen Sie für ausreichende Kupferfläche auf der PCB unter und um die LED-Pads herum, die als Kühlkörper dient, insbesondere bei Hochhelligkeits- oder Hochtemperaturanwendungen.
• Farbmischung: Software oder Firmware muss die unterschiedlichen Lichtstärken der R-, G- und B-Kanäle (gemäß den typischen Werten in Abschnitt 2.2) berücksichtigen, um eine genaue Farbmischung und einen neutralen Weißpunkt zu erreichen.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der Hauptunterschied dieser Komponente im Vergleich zu einer Standard-Diskret-RGB-LED ist der integrierte Konstantstromtreiber mit digitaler PWM-Steuerung. Eine diskrete RGB-LED benötigt drei separate strombegrenzende Widerstände (oder eine komplexere Konstantstromsenke) und drei Mikrocontroller-PWM-Kanäle zur Steuerung. Diese integrierte Lösung konsolidiert die Treiberschaltung, reduziert die Bauteilanzahl auf der PCB, vereinfacht die Firmware (durch Verwendung eines seriellen Protokolls anstelle mehrerer PWM-Timer) und ermöglicht ein einfaches Daisy-Chaining für skalierbare Installationen. Der Kompromiss ist ein etwas höherer Stückpreis und eine feste Stromstärkeeinstellung (typisch 20mA).

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

10.1 Wie viele dieser LEDs kann ich in einer Daisy-Chain verbinden?

Theoretisch eine sehr große Anzahl, da jede LED das Datensignal regeneriert und erneut überträgt. Die praktische Grenze wird durch die gewünschte Aktualisierungsrate und die Daten-Signalintegrität bestimmt. Die gesamte Datenübertragungszeit für N LEDs beträgt N * 24 Bits * (1,2 µs ± 300ns) plus ein Reset-Impuls. Für eine 30-fps-Aktualisierung begrenzt dies die Kette auf mehrere hundert LEDs. Signalverschlechterung über lange Ketten kann eine periodische Signalverstärkung erfordern.

10.2 Kann ich diese LED mit einem 3,3V-Mikrocontroller ansteuern?

Ja, die Spezifikation der Eingangs-High-Spannung (V_IH) von mindestens 2,7V ist mit einem 3,3V-Logik-High-Ausgang (~3,3V) kompatibel. Stellen Sie sicher, dass der GPIO-Pin des Mikrocontrollers genügend Strom für den DIN-Eingang liefern/aufnehmen kann. Die Stromversorgung (V_DD) muss weiterhin zwischen 4,2V und 5,5V liegen.

10.3 Warum beträgt der maximale Gesamtstrom 65mA, wenn jeder Kanal 20mA hat?

Die 20mA pro Kanal sind ein typischer Betriebsstrom, der vom internen Treiber eingestellt wird. Der absolute Maximalwert von 65mA ist eine Belastungsgrenze für das gesamte Gehäuse, unter Berücksichtigung der kombinierten Wärme, die von allen drei LEDs und dem Treiber-IC bei gleichzeitigem Betrieb mit maximaler Helligkeit erzeugt wird. Die Derating-Kurve (Abb. 2) zeigt, dass bei erhöhten Temperaturen der sichere Betriebsstrom viel niedriger als 65mA ist.

11. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Entwurf eines 16-LED-farbwechselnden dekorativen Lichtrings.Die LEDs würden kreisförmig angeordnet und in einer Daisy-Chain verbunden. Eine einzelne 5V, 1A-Stromversorgung wäre ausreichend (16 LEDs * ~1,5mA IC-Ruhestrom + 16 LEDs * 3 Kanäle * 20mA max * Tastverhältnis). Ein Mikrocontroller (z.B. ein Arduino oder ESP32) bräuchte nur einen GPIO-Pin, der mit dem DIN der ersten LED verbunden ist. Die Firmware würde einen Datenstrom erzeugen, der 24-Bit-Farbwerte (je 8 Bit für R, G, B) für alle 16 LEDs enthält, gefolgt von einem Reset-Impuls. Dieser Strom wird kontinuierlich gesendet, um Animationen zu erzeugen. Die weiße Diffuslinse stellt sicher, dass sich die einzelnen LED-Punkte zu einem gleichmäßigen Lichtring vermischen.

12. Funktionsprinzip Einführung

Das Bauteil arbeitet nach einem digitalen seriellen Kommunikationsprinzip. Der integrierte IC enthält Schieberegister und Latch für jeden Farbkanal. Ein serieller Datenstrom wird über den DIN-Pin in den IC getaktet. Jedes Datenbit wird durch die Zeitdauer eines High-Impulses innerhalb einer festen Periode von 1,2µs dargestellt. Ein '0'-Bit ist ein kurzer High-Impuls (~300ns), und ein '1'-Bit ist ein langer High-Impuls (~900ns). Die ersten 24 empfangenen Bits entsprechen den 8-Bit-Helligkeitswerten für Grün, Rot und Blau (typischerweise in dieser Reihenfolge, GRB). Nach dem Empfang seiner 24 Bits überträgt der IC alle nachfolgenden Bits von seinem DOUT-Pin erneut, wodurch die Daten kaskadiert werden. Ein niedriges Signal auf DIN, das länger als 250µs (RESET) anhält, veranlasst alle ICs in der Kette, ihre empfangenen Daten in die Ausgangstreiber zu übernehmen und die LED-Helligkeit gleichzeitig zu aktualisieren.

13. Technologietrends

Die Integration von Treiber-ICs direkt in LED-Gehäuse stellt einen bedeutenden Trend im LED-Komponentendesign dar, der hin zu \"Smart-LED\"-Lösungen führt. Dieser Trend reduziert die Systemkomplexität, verbessert die Zuverlässigkeit durch Minimierung externer Verbindungen und ermöglicht eine ausgefeiltere Steuerung (wie individuelle Adressierbarkeit). Zukünftige Entwicklungen könnten eine höhere Integration (Einbeziehung von Mikrocontrollern oder drahtlosen Controllern), verbesserte Farbkonstanz durch On-Chip-Kalibrierung, höhere PWM-Auflösung (10-Bit, 12-Bit, 16-Bit) für feinere Farbsteuerung und verbesserte Kommunikationsprotokolle mit höheren Datenraten und Fehlerkorrektur für robustere Großinstallationen umfassen.