LED RGB SMD con Circuito Integrado Embebido - 5.0x5.0x1.6mm - Voltaje 4.2-5.5V - Potencia 99mW - Hoja Técnica en Español

1. Descripción General del Producto

Este documento detalla las especificaciones de un LED de montaje superficial (SMD) que integra chips semiconductores rojo, verde y azul (RGB) con un circuito integrado (CI) controlador de 8 bits embebido en un solo encapsulado. Esta solución integrada está diseñada para simplificar las aplicaciones de corriente constante para los diseñadores, eliminando la necesidad de resistencias limitadoras de corriente externas o circuitos controladores complejos para cada canal de color.

1.1 Ventajas Principales y Posicionamiento del Producto

La ventaja principal de este componente es su alto nivel de integración. Al combinar la lógica de control y los emisores RGB, forma un píxel direccionable completo. Esta arquitectura es especialmente beneficiosa para aplicaciones que requieren múltiples LEDs, como tiras de LED, pantallas matriciales e iluminación decorativa, ya que reduce significativamente el número de componentes, el espacio en la placa y la complejidad del sistema. El dispositivo viene en un encapsulado estándar compatible con la norma EIA, lo que lo hace compatible con procesos automatizados de colocación y soldadura por reflujo infrarrojo, algo crucial para la fabricación en grandes volúmenes.

1.2 Aplicaciones y Mercados Objetivo

Este LED está diseñado para una amplia gama de equipos electrónicos donde el espacio, la eficiencia y el control del color son primordiales. Sus principales áreas de aplicación incluyen:

• Módulos de Color Completo e Iluminación Suave:Ideal para crear efectos dinámicos de cambio de color en tiras de lámparas, iluminación de acento arquitectónico y sistemas de iluminación ambiental.
• Pantallas y Señalización de Interiores:Adecuado para pantallas de video irregulares, letreros informativos y paneles decorativos donde se requiere control individual de píxeles.
• Electrónica de Consumo:Puede usarse para indicadores de estado, retroiluminación de paneles frontales o iluminación estética en dispositivos como equipos de red, electrodomésticos y periféricos de computadora.
• Equipos Industriales y de Oficina:Aplicable para señalización de estado e iluminación de interfaces de operador en diversos contextos de automatización industrial y de oficina.

2. Parámetros Técnicos: Análisis Objetivo en Profundidad

Las siguientes secciones proporcionan un desglose objetivo y detallado de las características clave de rendimiento del dispositivo, según se definen en la hoja de datos.

2.1 Límites Absolutos Máximos y de Operación

Estos parámetros definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente al dispositivo. No están destinados para operación normal.

• Disipación de Potencia (P_D):99 mW. Esta es la potencia total máxima que el encapsulado puede disipar en forma de calor. Exceder este límite conlleva el riesgo de sobrecalentamiento y falla.
• Rango de Voltaje de Alimentación (V_DD):+4.2V a +5.5V. El CI embebido requiere una fuente regulada dentro de este rango para un funcionamiento confiable. Aplicar un voltaje fuera de este rango puede dañar el circuito de control.
• Corriente Directa Total (I_F):18 mA. Esta es la suma máxima de corrientes que fluyen simultáneamente a través de los chips Rojo, Verde y Azul.
• Rangos de Temperatura:El dispositivo está clasificado para operar desde -40°C hasta +85°C y puede almacenarse en ambientes desde -40°C hasta +100°C.

2.2 Características Ópticas

Medidas a una temperatura ambiente (T_a) de 25°C con un voltaje de alimentación (V_DD) de 5V y todos los canales de color configurados al brillo máximo (8'b11111111).

• Intensidad Luminosa (I_V):Esta es el brillo percibido de la salida de luz. Los valores típicos son: Rojo: 100-200 mcd, Verde: 250-500 mcd, Azul: 50-120 mcd. El chip verde típicamente exhibe la mayor intensidad luminosa.
• Ángulo de Visión (2θ_1/2):120 grados. Este amplio ángulo de visión, característico de una lente difusora, significa que el LED emite luz sobre un área amplia, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde la visibilidad desde múltiples ángulos es importante.
• Longitud de Onda Dominante (λ_d):Este parámetro define el color percibido de la luz. Los rangos especificados son: Rojo: 615-630 nm, Verde: 520-535 nm, Azul: 460-475 nm. Estos rangos ubican los colores dentro de las bandas espectrales visibles estándar para rojo, verde y azul.

2.3 Características Eléctricas

Definidas para un rango de temperatura ambiente de -20°C a +70°C, V_DDde 4.2V a 5.5V, y V_SSa 0V.

• Corriente de Salida del CI (I_F):5 mA (típico). Esta es la corriente constante suministrada por el CI controlador embebido a cada chip LED individual (Rojo, Verde y Azul). Este diseño de corriente constante garantiza una salida de color estable y protege los LEDs de picos de corriente.
• Niveles Lógicos de Entrada:Para el pin de entrada de datos (DIN), un nivel alto lógico (V_IH) se reconoce a un mínimo de 2.7V hasta V_DD. Un nivel bajo lógico (V_IL) se reconoce a un máximo de 1.0V. Esto es compatible con la lógica de microcontroladores de 3.3V y 5V.
• Corriente en Reposo del CI (I_DD):0.8 mA (típico) cuando todos los datos de los LED están configurados en '0' (apagado). Esta es la potencia consumida por el CI embebido mismo cuando los LEDs no están iluminados.

3. Protocolo de Transmisión de Datos y Control

El dispositivo cuenta con un protocolo de comunicación de un solo cable y encadenable, que permite conectar múltiples unidades en cadena y controlarlas desde un solo pin de un microcontrolador.

3.1 Fundamentos del Protocolo

Los datos se transmiten como una secuencia de pulsos altos y bajos en el pin DIN. Cada bit ('0' o '1') se codifica mediante un patrón de temporización específico dentro de un período nominal de 1.2 µs (±300ns).

• Bit '0':Tiempo alto (T_0H) = 300 ns ±150ns, seguido de Tiempo bajo (T_0L) = 900 ns ±150ns.
• Bit '1':Tiempo alto (T_1H) = 900 ns ±150ns, seguido de Tiempo bajo (T_1L) = 300 ns ±150ns.

La tolerancia de temporización permite cierta variación en las velocidades de reloj del microcontrolador, pero requiere temporización precisa por software o hardware para una comunicación confiable.

3.2 Estructura de la Trama de Datos

Cada LED requiere 24 bits de datos para establecer su color. Los datos se envían en el orden: Verde (8 bits), Rojo (8 bits), Azul (8 bits). Cada valor de 8 bits controla el brillo de ese canal de color específico con 256 pasos (0-255). Esto permite crear 16,777,216 (256^3) combinaciones de colores posibles.

3.3 Encadenamiento y Reinicio

Los datos enviados al pin DIN del primer LED se desplazan a través de su registro interno y luego se emiten por su pin DOUT después de 24 bits. Este DOUT puede conectarse al DIN del siguiente LED en la cadena, permitiendo controlar un número ilimitado de LEDs en serie. Una señal baja en el pin DIN que dure más de 250 µs (tiempo de RESET) hace que todos los LEDs en la cadena capturen los datos actualmente en sus registros y los muestren, luego se preparen para recibir nuevos datos comenzando con el primer LED de la cadena.

4. Sistema de Clasificación por Color

La hoja de datos proporciona una tabla de clasificación basada en el diagrama de cromaticidad CIE 1931 para categorizar la salida de color del LED blanco difuso. Los códigos de clasificación (A, B, C, D) definen cuadriláteros en el plano de coordenadas de color (x, y), cada uno con una tolerancia de ±0.01. Este sistema permite a fabricantes y diseñadores seleccionar LEDs con características de color consistentes para aplicaciones donde la uniformidad del color entre múltiples unidades es crítica, como en pantallas grandes o paneles de iluminación.

5. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos incluye representaciones gráficas de las relaciones clave de rendimiento.

5.1 Intensidad Relativa vs. Longitud de Onda (Distribución Espectral)

Esta curva muestra el espectro de emisión de cada chip de color (Rojo, Verde, Azul). Típicamente muestra picos distintos correspondientes a las longitudes de onda dominantes. El ancho de estos picos indica la pureza espectral; picos más estrechos sugieren colores más saturados. La superposición entre los espectros de color, particularmente en la región verde-amarilla, influirá en la calidad y el rango de los colores mezclados (por ejemplo, crear un amarillo puro a partir de rojo y verde).

5.2 Curva de Reducción de Corriente Directa vs. Temperatura Ambiente

Este gráfico es crucial para la gestión térmica. Muestra la corriente directa máxima permitida por chip LED en función de la temperatura ambiente. A medida que aumenta la temperatura, la corriente segura máxima disminuye. Por ejemplo, a 25°C, la corriente máxima podría estar cerca del valor nominal de 18mA, pero a 85°C, la corriente máxima permitida es significativamente menor. Los diseñadores deben asegurarse de que la corriente de operación, especialmente cuando los tres colores están a pleno brillo, no exceda el límite reducido a la temperatura ambiente máxima esperada para garantizar la confiabilidad a largo plazo.

5.3 Distribución Espacial (Patrón de Radiación)

Este gráfico polar ilustra cómo varía la intensidad de la luz con el ángulo de visión relativo al eje central del LED. El ángulo de visión de 120 grados (2θ_1/2) proporcionado es el punto donde la intensidad cae al 50% del valor en el eje. La lente difusora crea un patrón similar al de Lambert, proporcionando una iluminación uniforme sobre un área amplia en lugar de un haz enfocado.

6. Información Mecánica y de Empaquetado

6.1 Dimensiones y Configuración del Encapsulado

El dispositivo tiene una huella nominal de 5.0 mm x 5.0 mm con una altura de 1.6 mm. Todas las tolerancias dimensionales son de ±0.2 mm a menos que se especifique lo contrario. Un diagrama de vista superior identifica los cuatro pines: 1 (VDD - Alimentación), 2 (DIN - Entrada de Datos), 3 (VSS - Tierra), y 4 (DOUT - Salida de Datos).

6.2 Diseño Recomendado de Pads de Montaje en PCB

Se proporciona un diagrama del patrón de pistas para guiar el diseño de la PCB. Adherirse a estas dimensiones y espaciados recomendados de los pads es esencial para lograr uniones de soldadura confiables durante el proceso de reflujo y garantizar una estabilidad mecánica adecuada.

7. Directrices de Montaje y Manipulación

7.1 Proceso de Soldadura

El dispositivo es compatible con procesos de soldadura por reflujo infrarrojo (IR) adecuados para soldadura sin plomo (Pb-free). La hoja de datos hace referencia a un perfil según el estándar J-STD-020B. Los parámetros clave en dicho perfil incluyen precalentamiento, estabilización, temperatura máxima de reflujo (que no debe exceder la temperatura máxima nominal del dispositivo) y tasa de enfriamiento. Seguir el perfil recomendado es crítico para evitar choque térmico, defectos en las uniones de soldadura o daños al encapsulado del LED y al CI interno.

7.2 Limpieza

Si es necesaria una limpieza posterior al montaje, el método recomendado es sumergir la placa ensamblada en alcohol etílico o alcohol isopropílico a temperatura ambiente durante menos de un minuto. Se prohíbe el uso de limpiadores químicos no especificados o agresivos, ya que pueden dañar la lente de plástico o el material del encapsulado.

8. Empaquetado y Pedido

Los LEDs se suministran en cinta portadora con relieve de 8 mm de ancho enrollada en carretes de 7 pulgadas (178 mm) de diámetro. La cantidad de empaque estándar es de 4000 piezas por carrete. Las especificaciones de la cinta y el carrete cumplen con los estándares ANSI/EIA 481, garantizando compatibilidad con equipos de montaje automatizado. Se proporcionan dibujos dimensionales detallados de los bolsillos de la cinta y del carrete para fines logísticos y configuración de máquinas.

9. Consideraciones de Diseño para la Aplicación

9.1 Diseño de la Fuente de Alimentación

Una fuente de alimentación estable y de bajo ruido dentro del rango de 4.2V a 5.5V es esencial. La demanda total de corriente para una cadena de LEDs debe calcularse: I_total= (Número de LEDs) * (I_{DD_quiescent}) + (Número de Píxeles Encendidos) * (I_{F_R}+ I_{F_G}+ I_{F_B}). Para instalaciones grandes, considere la caída de voltaje a lo largo de las líneas de alimentación, lo que puede requerir inyección de energía en múltiples puntos.

9.2 Integridad de la Señal de Datos

Para cadenas largas o en entornos eléctricamente ruidosos, la integridad de la señal en la línea de datos (DIN/DOUT) puede degradarse. Las estrategias para mitigar esto incluyen usar una velocidad de datos más baja (si el tiempo lo permite), agregar una pequeña resistencia en serie (por ejemplo, 100-470 Ω) en la salida del microcontrolador para reducir el "ringing", y asegurar una conexión a tierra sólida y de baja impedancia en todo el sistema.

9.3 Gestión Térmica

Si bien el controlador de corriente constante proporciona protección inherente, la potencia disipada en forma de calor (P = V_f* I_fpara cada chip, más la pérdida del CI) debe gestionarse. Asegure una ventilación o disipación de calor adecuada si los LEDs operan a altos niveles de brillo o en altas temperaturas ambientales, especialmente en arreglos densamente poblados. Consulte la curva de reducción en la sección 5.2.

10. Comparación y Diferenciación Técnica

El diferenciador clave de este componente es elcircuito integrado controlador de corriente constante embebido. En comparación con un LED RGB estándar que requiere tres resistencias limitadoras de corriente externas y un circuito controlador externo de multiplexación o PWM, esta solución integrada ofrece ventajas significativas:

• Diseño Simplificado:Reduce la Lista de Materiales (BOM) y la complejidad del diseño de la PCB.
• Consistencia Mejorada:La fuente de corriente constante en el chip proporciona condiciones de accionamiento idénticas para cada color en cada unidad, lo que conduce a una mejor uniformidad de color en una producción.
• Encadenabilidad:El protocolo de un solo cable permite controlar cientos de LEDs desde un solo pin de un microcontrolador, simplificando enormemente el cableado y el software de control para instalaciones grandes.
• Alta Profundidad de Color:El control de 8 bits (256 pasos) por canal de color permite degradados suaves y una vasta paleta de colores, lo que es superior a soluciones multiplexadas o controladas analógicamente más simples.

11. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Puedo alimentar este LED directamente desde una fuente de 3.3V de un microcontrolador?

R: No. El voltaje mínimo absoluto de alimentación (V_DD) es 4.2V. Una fuente de 3.3V está por debajo del rango de operación y no alimentará correctamente al CI embebido. Necesita un riel de alimentación separado de 5V (o 4.2-5.5V) para los LEDs.

P: ¿Cómo calculo la corriente requerida para mi proyecto con 100 de estos LEDs?

R: Debe considerar dos componentes: 1) Corriente en reposo para los CIs: 100 LEDs * 0.8 mA = 80 mA. 2) Corriente del LED: Esto depende de los colores mostrados. En el peor de los casos (todos los LEDs mostrando blanco a pleno brillo), cada LED consume ~15 mA (3 colores * 5 mA). Entonces, 100 LEDs * 15 mA = 1500 mA. Corriente total en el peor caso ≈ 1580 mA o 1.58A a 5V. Su fuente de alimentación debe estar clasificada para esto.

P: ¿Qué sucede si la temporización de la señal de datos está ligeramente fuera de la tolerancia especificada?

R: El dispositivo puede interpretar mal los datos, lo que lleva a que se muestren colores incorrectos o a una falla completa de la comunicación en la cadena. Es crítico generar la señal de datos con una temporización lo más cercana posible a los valores típicos, manteniéndose dentro de los márgenes de ±150ns.

P: ¿Se requiere un disipador de calor?

R: Depende de las condiciones de operación. A temperatura ambiente y brillo moderado, la clasificación de disipación de potencia de 99mW probablemente sea suficiente. Sin embargo, si opera en un recinto con alta temperatura ambiente o a brillo máximo continuamente, se debe realizar un análisis térmico. La curva de reducción en la sección 5.2 muestra que la corriente máxima debe reducirse a medida que aumenta la temperatura, lo cual es una forma indirecta de gestión térmica.

12. Ejemplo de Aplicación Práctica

Escenario: Diseñar un Panel Matricial de 10x10 LEDs RGB para una Instalación Artística.

Pasos de Diseño:

1. Distribución:Organice 100 LEDs en una cuadrícula. Conecte todos los pines VDD a un plano de alimentación común de 5V y todos los pines VSS a un plano de tierra común.

2. Alimentación:Calcule la potencia máxima: 100 LEDs * (0.015A * 5V) = 7.5W. Seleccione una fuente de alimentación de 5V, 8A (40W) con un margen de ~20%. Planee la inyección de energía desde múltiples lados del panel para minimizar la caída de voltaje.

3. Cadena de Datos:Conecte el DOUT de cada LED en una fila al DIN del siguiente LED en la misma fila. Al final de cada fila, el DOUT puede conectarse al DIN del primer LED en la siguiente fila, creando una sola cadena larga de 100 LEDs.

4. Control:Un microcontrolador (por ejemplo, ESP32, Arduino) genera el flujo de datos. El software debe enviar 2400 bits (100 LEDs * 24 bits) de datos de color, seguidos de un pulso de reinicio >250 µs para que los LEDs se actualicen. Existen bibliotecas para simplificar este protocolo.

5. Térmica:Monte los LEDs en una PCB de aluminio o asegúrese de que el panel tenga ventilación, ya que 7.5W de calor en un espacio confinado elevarán la temperatura ambiente, desencadenando la necesidad de reducir la corriente.

13. Principio de Operación

El dispositivo opera bajo un principio simple pero efectivo. El CI embebido contiene un registro de desplazamiento y sumideros de corriente constante. Los datos seriales ingresados al pin DIN se desplazan a través del registro interno de 24 bits. Una vez que se recibe una señal de reinicio, el CI captura estos datos. Cada segmento de 8 bits de los datos capturados controla un generador de Modulación por Ancho de Pulso (PWM) para un canal de color (Rojo, Verde, Azul). La señal PWM luego acciona un sumidero de corriente constante conectado al chip LED correspondiente. Un valor de 255 (8'b11111111) resulta en un ciclo de trabajo del 100% (completamente encendido), mientras que un valor de 127 resulta en un ciclo de trabajo de ~50%, controlando así el brillo. El sumidero de corriente constante asegura que el LED reciba una corriente estable independientemente de las variaciones menores en el voltaje directo (V_f) entre chips o con la temperatura.

14. Tendencias y Contexto Tecnológico

Este componente representa una tendencia clara en la tecnología LED:mayor integración e inteligencia a nivel de encapsulado.Mover la funcionalidad del controlador al mismo sustrato que el emisor (un concepto a menudo llamado \"LEDs con circuitos integrados\" o \"LEDs inteligentes\") aborda varios desafíos de la industria. Reduce el costo y la complejidad del sistema para los usuarios finales, mejora la consistencia del rendimiento y permite nuevas aplicaciones como pantallas direccionables de alta resolución y fácilmente escalables. Esta tendencia está evolucionando hacia LEDs con circuitos integrados más avanzados capaces de mayores velocidades de datos (por ejemplo, para video), memoria incorporada para patrones e incluso sensores para retroalimentación de luz ambiental o temperatura, allanando el camino para sistemas de iluminación más autónomos y adaptativos.