مشخصات فنی قطعه LED - بازنگری چرخه عمر نسخه 2 - مستندات فنی

1. مرور کلی محصول

این سند فنی، مشخصات جامع و راهنمای کاربری برای یک قطعه دیود نورافشان (LED) ارائه می‌دهد. عملکرد اصلی این قطعه، تبدیل انرژی الکتریکی به نور مرئی با بازدهی و قابلیت اطمینان بالا است. این قطعه برای طیف وسیعی از کاربردها، از روشنایی عمومی و نور پس‌زمینه گرفته تا چراغ‌های نشانگر و نورپردازی تزئینی طراحی شده است. مزایای اصلی این قطعه شامل طول عمر عملیاتی طولانی، عملکرد یکنواخت در شرایط محیطی مختلف و کارکرد بهینه انرژی است. بازار هدف شامل الکترونیک مصرفی، روشنایی خودرو، تجهیزات صنعتی و سیستم‌های روشنایی مسکونی/تجاری است که در آن‌ها منابع نوری قابل اطمینان و کارآمد از اهمیت بالایی برخوردار است.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

تحلیل دقیق پارامترهای فنی برای یکپارچه‌سازی صحیح در طراحی مدار ضروری است. بخش‌های زیر مشخصات کلیدی را تشریح می‌کنند.

2.1 مشخصات نورسنجی و الکتریکی

عملکرد نورسنجی توسط پارامترهایی مانند شار نوری (بر حسب لومن اندازه‌گیری می‌شود)، طول موج غالب یا دمای رنگ متناظر (CCT) و شاخص نمود رنگ (CRI) تعریف می‌شود. این پارامترها روشنایی، رنگ و کیفیت نور ساطع شده را تعیین می‌کنند. پارامترهای الکتریکی نیز به همان اندازه حیاتی هستند. ولتاژ مستقیم (Vf) افت ولتاژ دو سر LED هنگام کار در جریان نامی را مشخص می‌کند. جریان مستقیم (If) جریان کاری توصیه شده است که بسته به رتبه توان، معمولاً در محدوده 20 میلی‌آمپر تا 350 میلی‌آمپر است. تجاوز از حداکثر جریان مستقیم یا ولتاژ معکوس می‌تواند منجر به خرابی فوری یا تدریجی قطعه شود. تلفات توان به صورت Vf * If محاسبه می‌شود و باید از طریق طراحی حرارتی مناسب مدیریت شود.

2.2 مشخصات حرارتی

عملکرد و طول عمر LED به شدت تحت تأثیر دمای اتصال قرار دارد. پارامترهای حرارتی کلیدی شامل مقاومت حرارتی از اتصال به نقطه لحیم (Rth_j-sp) و حداکثر دمای مجاز اتصال (T_j(max)) می‌شود. برای حفظ دمای اتصال در محدوده ایمن، به یک هیت‌سینک کارآمد نیاز است، زیرا دمای بالا باعث تسریع افت شار نوری و می‌تواند کروماتیسیته نور ساطع شده را تغییر دهد. منحنی کاهش رتبه (دریتینگ) که حداکثر جریان مستقیم مجاز را به عنوان تابعی از دمای محیط نشان می‌دهد، یک ابزار طراحی حیاتی است.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

برای اطمینان از یکنواختی رنگ و روشنایی در تولید، LEDها بر اساس اندازه‌گیری‌های دقیق در دسته‌های مختلف (بین) دسته‌بندی می‌شوند.

3.1 دسته‌بندی طول موج / دمای رنگ

LEDها در محدوده‌های تنگ طول موج (برای LEDهای تک‌رنگ) یا محدوده‌های دمای رنگ متناظر (برای LEDهای سفید) دسته‌بندی می‌شوند. یک سیستم دسته‌بندی متداول برای LED سفید ممکن است چندین بیضی مک‌آدام یا چهارضلعی‌های استاندارد ANSI C78.377 برای تعریف تغییر رنگ قابل قبول داشته باشد. طراحان باید دسته مورد نیاز را مشخص کنند تا ظاهر رنگ یکنواختی در یک آرایه یا تجهیز حاصل شود.

3.2 دسته‌بندی شار نوری

خروجی شار نوری نیز دسته‌بندی می‌شود. LEDهای حاصل از یک بچ تولیدی آزمایش شده و در دسته‌های شار (مثلاً حداقل/حداکثر لومن در یک جریان آزمایش مشخص) گروه‌بندی می‌شوند. این امر به طراحان اجازه می‌دهد قطعاتی را انتخاب کنند که نیاز روشنایی خاصی را برآورده می‌کنند و خروجی نوری کل یک سیستم را به دقت پیش‌بینی نمایند.

3.3 دسته‌بندی ولتاژ مستقیم

ولتاژ مستقیم دسته‌بندی می‌شود تا تطبیق جریان بهتری هنگام اتصال LEDها به صورت موازی یا تغذیه توسط منابع ولتاژ ثابت فراهم شود. استفاده از LEDهای یک دسته Vf به جلوگیری از پدیده "جریان‌دزدی" کمک می‌کند، جایی که یک LED به دلیل Vf پایین‌تر، جریان بیشتری نسبت به سایرین می‌کشد که منجر به روشنایی ناهموار و تنش اضافی بالقوه می‌شود.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

داده‌های گرافیکی بینش عمیق‌تری از رفتار قطعه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهند.

4.1 منحنی مشخصه جریان-ولتاژ (I-V)

منحنی I-V غیرخطی است و افزایش شدید جریان را پس از عبول ولتاژ مستقیم از آستانه دیود نشان می‌دهد. این منحنی برای انتخاب روش درایو مناسب (جریان ثابت در مقابل ولتاژ ثابت) و درک مقاومت دینامیکی LED حیاتی است.

4.2 وابستگی به دما

نمودارها معمولاً نشان می‌دهند که ولتاژ مستقیم با افزایش دمای اتصال چگونه کاهش می‌یابد (ضریب دمایی منفی) و شار نوری با افزایش دما چگونه افت می‌کند. این منحنی‌ها برای طراحی مدارهای جبران‌کننده یا پیش‌بینی عملکرد در محیط‌های با دمای بالا ضروری هستند.

4.3 توزیع طیفی توان (SPD)

نمودار SPD شدت نسبی نور ساطع شده در هر طول موج را ترسیم می‌کند. برای LEDهای سفید، این نمودار قله LED پمپ آبی و طیف وسیع‌تر تبدیل شده توسط فسفر را نشان می‌دهد. SPD معیارهای کیفیت رنگ مانند CRI و گاموت رنگ برای نمایشگرها را تعیین می‌کند.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

بسته‌بندی فیزیکی، اتصال الکتریکی قابل اطمینان و مدیریت حرارتی را تضمین می‌کند.

5.1 نقشه ابعادی

یک نقشه دقیق با ابعاد حیاتی (طول، عرض، ارتفاع، فاصله پایه‌ها) و تلرانس‌ها ارائه شده است. این نقشه برای طراحی جای پایه PCB و اطمینان از قرارگیری صحیح در مونتاژ ضروری است.

5.2 طراحی چیدمان پدهای PCB

الگوی زمین توصیه شده PCB (اندازه، شکل و فاصله پدها) مشخص شده است تا تشکیل اتصال لحیم خوبی در حین رفلو حاصل شود و تخلیه حرارتی کافی برای انتقال گرما به PCB فراهم آید.

5.3 شناسایی قطبیت

آند و کاتد به وضوح روی بسته‌بندی، اغلب با یک شکاف، گوشه بریده یا طول پایه متفاوت مشخص شده‌اند. رعایت قطبیت صحیح برای جلوگیری از آسیب ناشی بایاس معکوس اجباری است.

6. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

کار و مونتاژ صحیح برای قابلیت اطمینان حیاتی است.

6.1 پروفیل لحیم‌کاری رفلو

یک پروفیل زمان-دما مشخص شده است که شامل پیش‌گرم، خیساندن، دمای اوج رفلو و نرخ‌های خنک‌سازی می‌شود. حداکثر دمای بدنه بسته در حین لحیم‌کاری (معمولاً 260 درجه سانتی‌گراد برای چند ثانیه) نباید تجاوز کند تا از آسیب به دای داخلی، اتصالات سیمی یا لنز پلاستیکی جلوگیری شود.

6.2 احتیاط‌ها و نحوه کار

باید احتیاط‌های ESD (تخلیه الکترواستاتیک) رعایت شود زیرا LEDها قطعات نیمه‌هادی حساسی هستند. از اعمال تنش مکانیکی روی لنز خودداری کنید. با حلال‌هایی که ممکن است به مواد پوششی سیلیکون یا اپوکسی آسیب برسانند، تمیز نکنید.

6.3 شرایط نگهداری

LEDها باید در یک محیط خشک، تاریک و با دمای کنترل شده و رطوبت (معمولاً<40°C/90%RH) نگهداری شوند تا از جذب رطوبت (که می‌تواند باعث "پف کردن" در حین رفلو شود) و تخریب مواد جلوگیری شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

اطلاعات مربوط به نحوه عرضه و شناسایی محصول.

7.1 مشخصات بسته‌بندی

قطعه بر روی نوار و قرقره برای مونتاژ خودکار عرضه می‌شود. ابعاد قرقره، عرض نوار، اندازه حفره‌ها و جهت قطعه روی نوار مطابق با استانداردهای EIA تعریف شده است.

7.2 برچسب‌گذاری و شماره قطعه

برچسب قرقره شامل شماره قطعه، تعداد، شماره بچ و کد تاریخ است. خود شماره قطعه یک کد است که ویژگی‌های کلیدی مانند رنگ، دسته شار، دسته ولتاژ و نوع بسته‌بندی را در بر می‌گیرد و امکان سفارش دقیق را فراهم می‌کند.

8. توصیه‌های کاربردی

راهنمایی برای پیاده‌سازی قطعه در طراحی‌های واقعی.

8.1 مدارهای کاربردی متداول

توپولوژی‌های درایو متداول شامل محدودکننده جریان ساده با مقاومت سری برای کاربردهای کم‌توان، رگولاتورهای خطی جریان ثابت و درایورهای سوئیچینگ باک/بوست LED برای سیستم‌های پرقدرت یا باتری‌خور هستند. ممکن است استفاده از المان‌های حفاظتی مانند سرکاب‌گرهای ولتاژ گذرا (TVS) برای محیط‌های خودرویی یا صنعتی توصیه شود.

8.2 ملاحظات طراحی

ملاحظات کلیدی شامل مدیریت حرارتی (مساحت مسی PCB، ویاس به لایه‌های داخلی، هیت‌سینک خارجی)، طراحی نوری (انتخاب لنز برای شکل‌دهی پرتو) و چیدمان الکتریکی (کاهش اندوکتانس رد برای دیمرینگ PWM) می‌شود.

9. مقایسه فنی

این قطعه LED از طریق ترکیب خاصی از بازده (لومن بر وات)، کیفیت نمود رنگ و عملکرد حرارتی خود متمایز می‌شود. در مقایسه با نسل‌های قبلی یا فناوری‌های جایگزین، ممکن است قابلیت جریان درایو حداکثر بالاتری در همان ابعاد بسته ارائه دهد، یا یکنواختی رنگ بهتری در بین بچ‌های تولیدی داشته باشد. داده‌های قابلیت اطمینان آن، که اغلب به صورت طول عمر L70 یا L90 (ساعت‌ها تا زمانی که خروجی نوری به 70% یا 90% مقدار اولیه افت کند) ارائه می‌شود، یک معیار رقابتی کلیدی است.

10. پرسش‌های متداول (FAQ)

پرسش‌های متداول مبتنی بر پارامترهای فنی در اینجا پاسخ داده می‌شوند.

س: آیا می‌توانم این LED را با یک منبع ولتاژ ثابت راه‌اندازی کنم؟

پ: به شدت توصیه نمی‌شود. LEDها قطعات جریان‌خور هستند. یک منبع تغذیه ولتاژ ثابت به همراه یک مقاومت سری، تنظیم جریان ضعیفی در برابر تغییرات ولتاژ مستقیم (ناشی از دسته‌بندی یا دما) ارائه می‌دهد. برای عملکرد پایدار و طول عمر، استفاده از یک درایور جریان ثابت اختصاصی توصیه می‌شود.

س: چگونه هیت‌سینک مورد نیاز را محاسبه کنم؟

پ: با تلفات توان شروع کنید (P_d= Vf * If). از مقاومت حرارتی از اتصال به نقطه لحیم (Rth_j-sp) موجود در دیتاشیت استفاده کنید. حداکثر دمای اتصال هدف خود (T_j) و حداکثر دمای محیط (T_a) را تعیین کنید. مقاومت حرارتی کل مورد نیاز از اتصال به محیط برابر است با Rth_j-a= (T_j- T_a) / P_d. مقاومت حرارتی هیت‌سینک باید کمتر از Rth_j-aمنهای مقاومت حرارتی داخلی بسته (Rth_j-sp) و مقاومت ماده رابط حرارتی باشد.

س: چه چیزی باعث تغییر رنگ در طول زمان می‌شود؟

پ: دلایل اصلی شامل تخریب فسفر (برای LEDهای سفید) و تغییر در خواص ماده نیمه‌هادی در دمای اتصال بالا است. کارکرد LED در محدوده دمایی و جریان مشخص شده آن، این تغییر را به حداقل می‌رساند.

11. موارد کاربردی عملی

مطالعه موردی 1: چراغ خطی LED:برای یک چراغ خطی 4 فوتی، چندین LED روی یک PCB با هسته فلزی (MCPCB) باریک و بلند چیده می‌شوند. چالش طراحی شامل حفظ روشنایی و دمای رنگ یکنواخت در طول کامل است. این چالش با استفاده از LEDهای یک دسته تنگ شار و CCT و پیاده‌سازی یک درایور جریان ثابت قوی با تنظیم خط/بار خوب برطرف می‌شود. MCPCB به یک پروفیل آلومینیومی متصل می‌شود که هم به عنوان عضو سازه‌ای و هم به عنوان هیت‌سینک عمل می‌کند.

مطالعه موردی 2: چراغ روشنایی روز خودرو (DRL):در اینجا الزامات شامل روشنایی بالا برای دید، محدوده دمای کاری وسیع (دمای محیط 40- تا 85+ درجه سانتی‌گراد) و قابلیت اطمینان بالا است. طراحی از یک آرایه سری-موازی از LEDها استفاده می‌کند که توسط یک مبدل باک درجه خودرو راه‌اندازی می‌شود. طراحی نوری از اپتیک ثانویه (لنزهای TIR) برای شکل‌دهی پرتو به الگوی مورد نیاز استفاده می‌کند. آزمایش‌های گسترده برای چرخه حرارتی، رطوبت و ارتعاش انجام می‌شود.

12. اصل عملکرد

یک LED یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه نوع n و حفره‌ها از ناحیه نوع p به ناحیه فعال تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی به شکل فوتون (نور) آزاد می‌شود. طول موج (رنگ) نور ساطع شده توسط انرژی گاف نواری ماده نیمه‌هادی مورد استفاده در ناحیه فعال تعیین می‌شود (به عنوان مثال، InGaN برای آبی/سبز، AlInGaP برای قرمز/کهربایی). LEDهای سفید معمولاً با پوشش دادن یک تراشه LED آبی با فسفر زرد ایجاد می‌شوند؛ بخشی از نور آبی به زرد تبدیل می‌شود و مخلوط نور آبی و زرد به عنوان نور سفید درک می‌شود.

13. روندهای فناوری

صنعت LED همچنان در حال تکامل است. روندهای کلیدی شامل افزایش بازده نوری، فراتر رفتن از 200 لومن بر وات برای محصولات تجاری است. تمرکز قوی بر بهبود کیفیت رنگ، با LEDهای با CRI بالا (CRI>90) و تمام‌طیف که رایج‌تر می‌شوند، وجود دارد. کوچک‌سازی با LEDهای بسته‌بندی در مقیاس تراشه (CSP) که بستر بسته‌بندی سنتی را حذف می‌کنند، ادامه دارد. نورپردازی هوشمند، که حسگرها و ارتباطات (Li-Fi، بلوتوث) را مستقیماً در بسته LED ادغام می‌کند، یک حوزه نوظهور است. علاوه بر این، تحقیق در مورد مواد نوآورانه مانند پروسکایت‌ها برای تبدیل رنگ و میکرو-LEDها برای نمایشگرهای با وضوح فوق‌العاده بالا، مرز بعدی در فناوری روشنایی حالت جامد را نشان می‌دهد.