SMD RGB LED mit integriertem IC - Konstantstromsteuerung - 5V - 65mA - Weiße Diffuslinse - Technisches Datenblatt

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt detailliert die Spezifikationen einer oberflächenmontierbaren RGB-LED-Komponente, die eine Steuerschaltung und RGB-Chips in einem einzigen Gehäuse integriert. Dieses integrierte Design bildet einen vollständigen, individuell ansteuerbaren Pixelpunkt und macht externe Treiberschaltungen für den Konstantstrombetrieb überflüssig. Das Bauteil ist für die automatisierte Leiterplattenbestückung ausgelegt und eignet sich für platzbeschränkte Anwendungen in einem breiten Spektrum elektronischer Geräte.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Der Hauptvorteil dieser Komponente ist ihr All-in-One-Design. Durch die Integration eines 8-Bit-Treiber-ICs ermöglicht sie eine Konstantstrom-PWM-Steuerung für jeden der roten, grünen und blauen Chips. Dadurch kann jede Grundfarbe 256 Helligkeitsstufen erreichen, was die Erzeugung von über 16,7 Millionen verschiedenen Farben ermöglicht. Die Signalübertragung zwischen mehreren Einheiten wird durch einen Ein-Draht-Kaskadenport vereinfacht. Zu den Hauptmerkmalen gehören RoHS-Konformität, eine für automatische Bestückungsgeräte geeignete Verpackung und Eignung für Infrarot-Reflow-Lötprozesse. Die Zielanwendungen umfassen Telekommunikation, Büroautomatisierung, Haushaltsgeräte, Industrieausrüstung, Statusanzeigen, Frontplatten-Hintergrundbeleuchtung, Vollfarbmodule, dekorative Beleuchtung und Indoor-Videodisplays.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

2.1 Absolute Maximalwerte

Ein Betrieb des Bauteils außerhalb dieser Grenzwerte kann dauerhafte Schäden verursachen. Die absoluten Maximalwerte sind bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C angegeben.

• Verlustleistung (P):358 mW. Dies ist die maximale Gesamtleistung, die das Gehäuse abführen kann.
• Versorgungsspannungsbereich (VDD):+4,2V bis +5,5V. Der integrierte IC benötigt diesen geregelten Spannungsbereich für einen ordnungsgemäßen Betrieb.
• Gesamtgleichstrom-Vorwärtsstrom (IF):65 mA. Dies ist der maximale Gesamtstrom, der den kombinierten RGB-Chips zugeführt werden kann.
• Betriebstemperaturbereich:-40°C bis +85°C.
• Lagertemperaturbereich:-40°C bis +100°C.

2.2 Optische Eigenschaften

Die optische Leistung wird bei Ta=25°C, VDD=5V und mit allen Farbkanälen auf maximale Helligkeit (8'b11111111) eingestellt gemessen.

• Lichtstärke (Iv):
  • Rot (AlInGaP): 340 mcd (Min), 800 mcd (Max)
  • Grün (InGaN): 600 mcd (Min), 1500 mcd (Max)
  • Blau (InGaN): 150 mcd (Min), 360 mcd (Max)
• Betrachtungswinkel (2θ1/2):120 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Lichtstärke die Hälfte der Achsintensität beträgt.
• Dominante Wellenlänge (λd):
  • Rot: 615 nm bis 630 nm
  • Grün: 520 nm bis 535 nm
  • Blau: 460 nm bis 475 nm

2.3 Elektrische Eigenschaften

Elektrische Parameter sind über einen Umgebungstemperaturbereich von -20°C bis +70°C und einen Versorgungsspannungsbereich (VDD) von 4,2V bis 5,5V spezifiziert.

• IC-Ausgangsstrom (IF):20 mA (typisch) pro Farbkanal (Rot, Grün, Blau separat). Dies ist der vom integrierten Treiber eingestellte Konstantstrom.
• Eingangsspannungspegel:
  • High-Level-Eingangsspannung (VIH): 2,7V min bis VDD max für DIN und andere Steuerpins.
  • Low-Level-Eingangsspannung (VIL): 0V min bis 1,0V max.
• IC-Arbeitsstrom (IDD):1,5 mA (typisch), wenn alle LED-Daten auf '0' (Aus-Zustand) gesetzt sind.

2.4 Datenübertragungs-Timing

Der integrierte IC verwendet ein spezifisches serielles Kommunikationsprotokoll. Die Gesamtperiode für ein Bit (TH + TL) beträgt 1,2μs ±300ns.

• T0H (0-Code, High-Zeit):300 ns ±150ns
• T0L (0-Code, Low-Zeit):900 ns ±150ns
• T1H (1-Code, High-Zeit):900 ns ±150ns
• T1L (1-Code, Low-Zeit):300 ns ±150ns
• RES (Reset-Zeit):>250 μs. Ein Niedrigsignal auf DIN, das länger als diese Zeit anhält, setzt den IC zurück.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Produkt verwendet ein auf CIE-Farbortkoordinaten basierendes Binning-System, um Farbkonsistenz zu gewährleisten. Die Bins werden durch Vierecke im CIE-1931-(x, y)-Farbtafeldiagramm definiert. Die bereitgestellte Tabelle listet Bincodes (A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3) mit den (x, y)-Koordinaten ihrer vier Eckpunkte (Punkt1 bis Punkt4) auf. Die Toleranz für jede CIE-(x, y)-Koordinate innerhalb eines Bins beträgt +/- 0,01. Dieses System ermöglicht es Designern, LEDs aus demselben Bincode auszuwählen, um ein einheitliches Farbbild in einem Array oder Display zu erzielen.

4. Analyse der Leistungskurven

4.1 Relative Intensität vs. Wellenlänge

Das Spektralverteilungsdiagramm zeigt die Emissionsmaxima der drei Farben. Die rote LED (unter Verwendung von AlInGaP-Technologie) hat eine dominante Wellenlänge im Bereich von 615-630 nm. Die grünen und blauen LEDs (unter Verwendung von InGaN-Technologie) haben ihre Maxima in den Bereichen von 520-535 nm bzw. 460-475 nm. Die Kurven helfen, die Farbreinheit und mögliche Überlappungen zwischen den Kanälen zu verstehen.

4.2 Vorwärtsstrom vs. Umgebungstemperatur (Derating-Kurve)

Dieses Diagramm veranschaulicht den maximal zulässigen Vorwärtsstrom für die LED in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Mit steigender Temperatur nimmt der maximal zulässige Strom linear ab, um Überhitzung zu verhindern und die Zuverlässigkeit sicherzustellen. Dies ist ein entscheidendes Diagramm für das Wärmemanagement-Design.

4.3 Räumliche Verteilung (Lichtstärke vs. Winkel)

Das Polardiagramm zeigt die relative Lichtstärke in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel. Das symmetrische, breite Strahlprofil mit einem Betrachtungswinkel von 120 Grad bestätigt die Beschreibung "weiße Diffuslinse" und bietet eine breite, gleichmäßige Ausleuchtung, die sich für Anzeige- und Hintergrundbeleuchtungsanwendungen eignet.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen und Pinbelegung

Die Komponente ist ein oberflächenmontierbares Bauteil. Das Datenblatt enthält eine detaillierte Maßzeichnung. Alle Abmessungen sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,2 mm angegeben, sofern nicht anders vermerkt. Die Pinbelegung ist wie folgt:

1. VDD:Gleichstromversorgungseingang (+4,2V bis +5,5V).
2. DIN:Steuerdatensignaleingang.
3. VSS: Ground.
4. DOUT:Steuerdatensignalausgang (zum Kaskadieren zum DIN des nächsten LEDs).

5.2 Empfohlenes PCB-Lötpad-Layout

Ein empfohlenes Land Pattern (Footprint) für die Leiterplatte wird bereitgestellt, um eine ordnungsgemäße Lötung und mechanische Stabilität während der Montage zu gewährleisten. Die Einhaltung dieser Empfehlung ist für eine gute Lötstellenzuverlässigkeit unerlässlich.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 IR-Reflow-Lötprofil

Ein detailliertes Reflow-Lötprofil-Diagramm wird bereitgestellt, das mit J-STD-020B für bleifreie Prozesse konform ist. Es spezifiziert die kritischen Parameter: Vorwärmen, Einweichen, Reflow-Spitzentemperatur und Abkühlraten. Die Einhaltung dieses Profils ist entscheidend, um thermische Schäden am LED-Gehäuse und internen IC zu vermeiden.

6.2 Reinigung

Falls eine Reinigung nach dem Löten erforderlich ist, sollte die LED nur bei Raumtemperatur für weniger als eine Minute in Ethylalkohol oder Isopropylalkohol getaucht werden. Die Verwendung nicht spezifizierter chemischer Reinigungsmittel ist verboten, da sie das Gehäusematerial beschädigen können.

7. Verpackung und Bestellinformationen

Das Bauteil wird in einem Band- und Rollenformat geliefert, das mit automatischen Pick-and-Place-Maschinen kompatibel ist.

• Bandabmessungen:12 mm Bandbreite.
• Rollenmaße:7-Zoll (178 mm) Durchmesser.
• Stückzahl pro Rolle:4000 Stück.
• Mindestpackmenge:500 Stück für Restposten.
• Deckband:Leere Bauteiltaschen werden mit einem Deckband versiegelt.
• Spezifikation:Die Verpackung entspricht den ANSI/EIA-481-Standards.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Statusanzeigen & Hintergrundbeleuchtung:Ideal für mehrfarbige Statusleuchten an Unterhaltungselektronik, Netzwerkgeräten und Industriebedienfeldern.
• Dekorative & Architekturbeleuchtung:Geeignet für farbwechselnde LED-Streifen, Ambientebeleuchtung und Akzentbeleuchtung aufgrund ihrer Vollfarbfähigkeit und Kaskadierfunktion.
• Niedrigauflösende Displays:Kann zum Aufbau von Vollfarbmodulen, Soft-Light-Lampen und unregelmäßigen Indoor-Videodisplays (z.B. Medienfassaden, Kunstinstallationen) verwendet werden.

8.2 Designüberlegungen

• Stromversorgung:Sorgen Sie für eine stabile, geregelte 5V-Versorgung im Bereich von 4,2V-5,5V. Berücksichtigen Sie Einschaltstromstöße und Entkopplungskondensatoren in der Nähe des VDD-Pins.
• Datensignalintegrität:Halten Sie die präzisen Timing-Anforderungen (T0H, T1H usw.) für das serielle Datensignal ein. Für lange Kaskaden oder rauschbehaftete Umgebungen sollten Sie Signalpufferung oder Pegelanpassung in Betracht ziehen.
• Wärmemanagement:Halten Sie sich an die Strom-Derating-Kurve. Bieten Sie ausreichend Kupferfläche auf der Leiterplatte für die Wärmeableitung, insbesondere wenn alle drei Kanäle über längere Zeit mit hoher Helligkeit betrieben werden.
• ESD-Schutz:Implementieren Sie während der Handhabung und in der endgültigen Anwendung Standard-ESD-Schutzmaßnahmen für Daten- und Stromleitungen.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu herkömmlichen diskreten RGB-LEDs, die externe Konstantstromtreiber oder Widerstände benötigen, bietet diese integrierte Lösung erhebliche Vorteile:

• Vereinfachtes Design:Reduziert die Anzahl der Bauteile, den PCB-Footprint und die Designkomplexität.
• Überlegene Farbkonsistenz:Der integrierte IC liefert einen präzisen, stabilen Konstantstrom für jeden Chip, was im Vergleich zu widerstandsbegrenzten Designs zu einer konsistenteren Farbausgabe über verschiedene Einheiten und die Zeit hinweg führt.
• Hochauflösende Dimmung:8-Bit-PWM (256 Stufen) pro Farbe ermöglicht sanftes Farbmischen und Dimmen und erlaubt professionelle Lichteffekte.
• Daisy-Chaining-Fähigkeit:Das Ein-Draht-Kaskadenprotokoll vereinfacht die Verkabelung für große Arrays, da nur ein Mikrocontroller-GPIO-Pin benötigt wird, um eine lange Kette von LEDs zu steuern.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck des integrierten ICs?

A: Er stellt intern die Konstantstromansteuerung und PWM-Dimmsteuerung für jeden Farbkanal bereit, wodurch externe strombegrenzende Bauteile überflüssig werden und die Mikrocontrollersteuerung vereinfacht wird.

F: Wie viele LEDs kann ich in einer Kette verbinden?

A: Theoretisch eine sehr große Anzahl, da jede LED das Datensignal regeneriert. Die praktische Grenze wird durch die erforderliche Datenaktualisierungsrate und den kumulativen Spannungsabfall auf der Stromversorgungsleitung (VDD) bestimmt. Für lange Ketten wird eine Stromversorgung an mehreren Punkten empfohlen.

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

A: Die minimale High-Level-Eingangsspannung (VIH) für das Datensignal beträgt 2,7V. Ein 3,3V-Logik-High (typischerweise 3,3V) erfüllt diese Anforderung, daher ist es generell kompatibel. Stellen Sie sicher, dass die 5V-Stromversorgung für die LED (VDD) von der 3,3V-Versorgung des Mikrocontrollers getrennt ist.

F: Warum ist der Vorwärtsstrom auf 20 mA festgelegt?

A: Der integrierte IC ist vorkonfiguriert, um einen konstanten Strom von 20 mA (typisch) an jeden LED-Chip zu liefern. Dies optimiert Leistung und Zuverlässigkeit. Die Helligkeit wird ausschließlich über das PWM-Tastverhältnis gesteuert, nicht durch Variieren der Stromamplitude.

11. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Entwurf einer kompakten, farbanpassbaren Statusanzeige für einen Smart-Home-Hub.

Der Designer verwendet diese LED, weil eine einzelne Komponente rotes, grünes und blaues Licht liefert. Der Mikrocontroller sendet einen einfachen seriellen Datenstrom, um die Farbe festzulegen (z.B. rot für offline, cyan für verbunden, lila für Update). Die Konstantstromansteuerung stellt sicher, dass die Helligkeit trotz geringfügiger Netzschwankungen stabil bleibt. Der breite Betrachtungswinkel macht die Anzeige aus verschiedenen Blickwinkeln sichtbar. Das SMD-Gehäuse ermöglicht ein elegantes, flaches Paneeldesign. Die Band- und Rollenverpackung ermöglicht eine schnelle, automatisierte Montage während der Serienfertigung.

12. Einführung in das Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach einem einfachen Prinzip. Ein externer Mikrocontroller sendet einen seriellen Datenstrom in den DIN-Pin. Dieser Strom enthält 24 Bit Daten (je 8 Bit für die Rot-, Grün- und Blau-Helligkeitsstufen). Der integrierte IC in der ersten LED liest diese ersten 24 Bit, speichert sie und schiebt dann den verbleibenden Datenstrom über seinen DOUT-Pin zum DIN-Pin der nächsten LED in der Kette. Der IC verwendet dann Pulsweitenmodulation (PWM), um die mit jedem LED-Chip verbundenen Konstantstromquellen zu steuern. Ein 20-mA-Strom wird sehr schnell ein- und ausgeschaltet. Das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit (Tastverhältnis) innerhalb einer festen Periode bestimmt die wahrgenommene Helligkeit jeder Farbe und ermöglicht so eine präzise Farbmischung.

13. Technologietrends

Die Integration von Steuerelektronik direkt in LED-Gehäuse stellt einen klaren Trend in der Industrie dar, hin zu "intelligenten" LEDs. Dieser Trend zielt darauf ab, das Endproduktdesign zu vereinfachen, die Leistungskonsistenz zu verbessern und fortschrittlichere Funktionen wie individuelle Adressierbarkeit in dichten Arrays zu ermöglichen. Zukünftige Entwicklungen könnten eine höhere Bittiefe für die Farbsteuerung (10-Bit, 12-Bit), integrierte Sensoren (z.B. für Temperatur- oder Lichtrückmeldung) und robuster oder schneller Kommunikationsprotokolle umfassen. Der Fokus bleibt auf zunehmender Integration, Reduzierung der Systemkosten und Verbesserung der Zuverlässigkeit für Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung, Automobilindustrie und hochauflösenden Displays.