دیتاشیت قطعه LED - نسخه ۲ - اطلاعات چرخه عمر - سند فنی انگلیسی

۱. مرور کلی محصول

این سند فنی، مشخصات جامع و راهنمای کاربردی برای یک قطعه دیود نورافشان (LED) را ارائه می‌دهد. عملکرد اصلی این قطعه، تبدیل انرژی الکتریکی به نور مرئی با بازدهی و قابلیت اطمینان بالا است. LEDها بلوک‌های سازنده اصلی در فناوری‌های مدرن روشنایی و نمایش محسوب می‌شوند و مزایایی مانند طول عمر عملیاتی طولانی، مصرف توان پایین و عملکرد مقاوم در شرایط محیطی مختلف را ارائه می‌دهند. این دیتاشیت پارامترهای اساسی مورد نیاز مهندسان و طراحان برای یکپارچه‌سازی موفق این قطعه در سیستم‌هایشان را پوشش می‌دهد.

مزایای اصلی این LED شامل فرم فاکتور استاندارد، خروجی نوری یکنواخت و مشخصات الکتریکی پایدار آن است. این قطعه برای کاربردهای تولید انبوه طراحی شده است که در آن قابلیت اطمینان و مقرون‌به‌صرفه بودن از اهمیت بالایی برخوردار است. بازار هدف طیف وسیعی از صنایع از جمله روشنایی عمومی، روشنایی خودرو، الکترونیک مصرفی، تابلوهای تبلیغاتی و نور پس‌زمینه نمایشگرها را در بر می‌گیرد.

۲. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

درک کامل پارامترهای فنی برای طراحی و عملکرد بهینه امری حیاتی است.

۲.۱ ویژگی‌های نورسنجی و رنگ‌سنجی

خواص نورسنجی، خروجی نور LED را تعریف می‌کنند. پارامترهای کلیدی شامل شار نوری است که توان ادراک شده نور ساطع شده را اندازه‌گیری می‌کند و معمولاً تحت شرایط آزمایش تعریف شده بر حسب لومن (lm) مشخص می‌شود. دمای رنگ مرتبط (CCT) برای LEDهای سفید، نشان‌دهنده فام نور سفید است که از سفید گرم (مثلاً ۲۷۰۰K-۳۰۰۰K) تا سفید سرد (مثلاً ۵۰۰۰K-۶۵۰۰K) متغیر است. برای LEDهای رنگی، طول موج غالب معیار اصلی است که رنگ ادراک شده را تعریف می‌کند. مختصات رنگی (مثلاً CIE x, y) یک نقطه رنگی دقیق روی نمودار استاندارد فضای رنگ ارائه می‌دهند. زاویه دید، یا زاویه پرتو، توزیع زاویه‌ای شدت نور را مشخص می‌کند که معمولاً به عنوان زاویه‌ای تعریف می‌شود که در آن شدت به ۵۰٪ از مقدار اوج خود کاهش می‌یابد.

۲.۲ پارامترهای الکتریکی

مشخصات الکتریکی، شرایط کار LED را کنترل می‌کنند. ولتاژ مستقیم (Vf) افت ولتاژ دو سر LED هنگام اعمال جریان مستقیم مشخص (If) است. این پارامتر یک مقدار معمول و یک حداکثر ریتینگ دارد. ریتینگ‌های حداکثر مطلق، محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی رخ دهد، از جمله حداکثر جریان مستقیم، جریان پالسی پیک و ولتاژ معکوس. اتلاف توان به عنوان حاصلضرب ولتاژ مستقیم و جریان محاسبه می‌شود و باید مدیریت شود تا از گرمای بیش از حد جلوگیری شود.

۲.۳ مشخصات حرارتی

مدیریت حرارتی برای عملکرد و طول عمر LED حیاتی است. دمای اتصال (Tj) دمای خود تراشه نیمه‌هادی است. مقاومت حرارتی از اتصال به نقطه لحیم (Rth j-sp) یا محیط (Rth j-a) میزان انتقال مؤثر گرما از تراشه را کمّی می‌کند. مقاومت حرارتی پایین‌تر نشان‌دهنده دفع حرارت بهتر است. محدوده دمای کار و نگهداری، محدودیت‌های محیطی برای عملکرد قابل اطمینان و نگهداری در حالت غیرفعال را تعریف می‌کنند.

۳. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

به دلیل تغییرات تولید، LEDها بر اساس عملکرد در دسته‌هایی (بین) مرتب می‌شوند تا یکنواختی در محصولات نهایی تضمین شود.

۳.۱ دسته‌بندی طول موج / دمای رنگ

LEDها بر اساس طول موج غالب (برای LEDهای تک‌رنگ) یا دمای رنگ مرتبط و مختصات رنگی (برای LEDهای سفید) گروه‌بندی می‌شوند. دسته‌ها روی نمودار رنگی CIE تعریف می‌شوند که اغلب از استانداردهایی مانند ANSI C78.377 پیروی می‌کنند. این امر یکنواختی رنگ را در یک کاربرد واحد تضمین می‌کند.

۳.۲ دسته‌بندی شار نوری

LEDها بر اساس خروجی نور خود در جریان آزمایش مشخص شده مرتب می‌شوند. دسته‌ها معمولاً در محدوده حداقلی لومن (مثلاً ۲۰-۲۲ لومن، ۲۲-۲۴ لومن) تعریف می‌شوند. این امر به طراحان اجازه می‌دهد قطعاتی را انتخاب کنند که الزامات روشنایی خاص را برآورده می‌کنند.

۳.۳ دسته‌بندی ولتاژ مستقیم

قطعات بر اساس افت ولتاژ مستقیم آنها در یک جریان آزمایش معین دسته‌بندی می‌شوند. دسته‌های رایج ممکن است محدوده‌هایی مانند ۲.۸ ولت - ۳.۰ ولت، ۳.۰ ولت - ۳.۲ ولت داشته باشند. دسته‌های ولتاژ یکنواخت به طراحی مدارهای درایور پایدار و مدیریت توزیع توان در آرایه‌ها کمک می‌کنند.

۴. تحلیل منحنی‌های عملکرد

۴.۱ منحنی مشخصه جریان-ولتاژ (I-V)

منحنی I-V اساسی است و رابطه بین جریان مستقیم عبوری از LED و ولتاژ دو سر آن را نشان می‌دهد. این رابطه غیرخطی است و یک ولتاژ آستانه دارد که زیر آن جریان بسیار کمی جاری می‌شود. شیب منحنی در ناحیه کاری، مقاومت دینامیک را تعیین می‌کند. این نمودار برای انتخاب مدار محدودکننده جریان مناسب ضروری است.

۴.۲ ویژگی‌های وابسته به دما

چندین پارامتر کلیدی با دما تغییر می‌کنند. شار نوری معمولاً با افزایش دمای اتصال کاهش می‌یابد. ولتاژ مستقیم برای اکثر انواع LEDها عموماً با افزایش دما کاهش می‌یابد. این روابط ترسیم می‌شوند تا به طراحان در درک عملکرد تحت شرایط حرارتی واقعی و پیاده‌سازی استراتژی‌های خنک‌سازی یا جبران‌سازی لازم کمک کنند.

۴.۳ توزیع طیفی توان (SPD)

نمودار SPD شدت نسبی نور ساطع شده در سراسر طیف الکترومغناطیسی را رسم می‌کند. برای LEDهای سفید (که اغلب از یک تراشه آبی با پوشش فسفر استفاده می‌کنند)، پیک پمپ آبی و انتشار وسیع‌تر تبدیل شده توسط فسفر را نشان می‌دهد. برای LEDهای رنگی، یک پیک باریک در طول موج غالب نشان می‌دهد. SPD خواص بازتاب رنگ و کیفیت رنگ نور را تعیین می‌کند.

۵. اطلاعات مکانیکی و پکیج

۵.۱ ابعاد کلی و نقشه

یک نقشه مکانیکی دقیق، ابعاد فیزیکی دقیق پکیج LED از جمله طول، عرض، ارتفاع و هرگونه انحنا را ارائه می‌دهد. تلرانس‌های بحرانی مشخص شده‌اند. این اطلاعات برای طراحی جای پای PCB و اطمینان از تناسب مناسب در مونتاژ نهایی حیاتی است.

۵.۲ چیدمان پد و طراحی پد لحیم‌کاری

الگوی لند PCB توصیه شده (جای پای قطعه) ارائه شده است که اندازه، شکل و فاصله پدهای مسی را نشان می‌دهد. این امر تشکیل اتصال لحیم قابل اطمینان در طول فرآیند لحیم‌کاری رفلو را تضمین می‌کند. طراحی اغلب شامل پدهای حرارتی برای هیت‌سینک می‌شود.

۵.۳ شناسایی قطبیت

روش شناسایی ترمینال‌های آند (+) و کاتد (-) به وضوح نشان داده شده است. این کار معمولاً از طریق یک علامت روی پکیج (مانند یک شکاف، نقطه یا گوشه بریده شده)، طول‌های مختلف پایه‌ها یا یک نشانه بصری داخلی انجام می‌شود. قطبیت صحیح برای عملکرد مدار ضروری است.

۶. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

۶.۱ پروفیل لحیم‌کاری رفلو

یک پروفیل دمایی رفلو توصیه شده مشخص شده است که شامل مراحل پیش‌گرم، خیساندن، رفلو (دمای پیک) و خنک‌سازی می‌شود. پارامترهای کلیدی عبارتند از: دمای پیک (معمولاً برای مدت کوتاه از ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد تجاوز نمی‌کند)، زمان بالای نقطه ذوب و حداکثر نرخ افزایش دما. رعایت این پروفیل از آسیب حرارتی به پکیج LED و اتصالات لحیم جلوگیری می‌کند.

۶.۲ ملاحظات حمل و مونتاژ

ملاحظات شامل اجتناب از تنش مکانیکی روی لنز LED، جلوگیری از آلودگی سطح نوری، استفاده از محافظ ESD (تخلیه الکترواستاتیک) در حین جابجایی و اطمینان از عدم باقی ماندن باقیمانده فلاکس لحیم روی لنز است. به طور کلی لحیم‌کاری دستی با هویه توصیه نمی‌شود.

۶.۳ شرایط نگهداری

LEDها باید در یک محیط خشک و خنثی نگهداری شوند. شرایط خاص شامل محدوده دمایی (مثلاً ۵ درجه سانتی‌گراد تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد)، رطوبت نسبی زیر یک آستانه مشخص (مثلاً ۶۰٪ RH) و محافظت در برابر نور مستقیم خورشید و گازهای خورنده است. سطح حساسیت به رطوبت (MSL) نشان می‌دهد که آیا قبل از استفاده پس از قرارگیری در معرض رطوبت محیطی نیاز به پخت (بیکینگ) وجود دارد یا خیر.

۷. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

۷.۱ مشخصات بسته‌بندی

قطعه در بسته‌بندی استاندارد صنعتی عرضه می‌شود. فرمت‌های رایج شامل نوار و قرقره برای مونتاژ خودکار است که مشخصات قطر قرقره، عرض نوار، فاصله جیب‌ها و جهت قطعه را شامل می‌شود. تعداد قطعات در هر قرقره مشخص شده است (مثلاً ۲۰۰۰ قطعه در قرقره ۱۳ اینچی).

۷.۲ برچسب‌گذاری و مارک‌گذاری

برچسب بسته‌بندی شامل اطلاعاتی مانند شماره قطعه، تعداد، کد تاریخ، شماره بچ و کدهای دسته‌بندی برای شار نوری، رنگ و ولتاژ است. پکیج LED به صورت جداگانه با شماره قطعه یا یک کد ساده برای شناسایی مارک‌گذاری شده است.

۷.۳ سیستم شماره قطعه

شماره قطعه یک کد است که ویژگی‌های کلیدی را در بر می‌گیرد. این کد معمولاً شامل فیلدهایی است که نمایانگر سری محصول، اندازه پکیج، رنگ/طول موج، دسته شار نوری، دسته ولتاژ و گاهی ویژگی‌های خاص است. یک جدول رمزگشایی برای ترجمه شماره قطعه به مشخصات تشکیل‌دهنده آن ارائه شده است.

۸. توصیه‌های کاربردی

۸.۱ مدارهای کاربردی متداول

مدارهای کاربردی پایه نشان داده شده‌اند. رایج‌ترین آن، یک مقاومت سری است که برای محدود کردن جریان هنگام تغذیه از یک منبع ولتاژ ثابت (مانند باتری یا منبع تغذیه DC) استفاده می‌شود. برای کنترل دقیق‌تر، مدارهای درایور جریان ثابت (رگولاتورهای خطی یا سوئیچینگ) توصیه می‌شوند، به ویژه برای آرایه‌ها یا زمانی که یکنواختی روشنایی حیاتی است.

۸.۲ ملاحظات طراحی

ملاحظات کلیدی طراحی عبارتند از: مدیریت حرارتی از طریق مساحت کافی مس PCB یا هیت‌سینک؛ اطمینان از اینکه درایور می‌تواند جریان مورد نیاز را در محدوده ولتاژ LED تحویل دهد؛ محافظت در برابر قطبیت معکوس و نوسانات ولتاژ؛ در نظر گرفتن طراحی نوری (لنزها، دیفیوزرها) برای توزیع نور مطلوب؛ و طراحی برای قابلیت ساخت و قابلیت اطمینان.

۹. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای نسل قبلی یا فناوری‌های جایگزین، این قطعه ممکن است بهبودهایی در بازده نوری (لومن بر وات) ارائه دهد و خروجی نور بیشتری برای همان ورودی الکتریکی فراهم کند. ممکن است دارای اندازه پکیج فشرده‌تری باشد که امکان طراحی‌های با چگالی بالاتر را فراهم می‌کند. بهبود یکنواختی رنگ (دسته‌بندی دقیق‌تر)، یکنواختی را در کاربردهای چند LED افزایش می‌دهد. معیارهای قابلیت اطمینان برتر، مانند طول عمر L70 طولانی‌تر (زمان تا ۷۰٪ از خروجی لومن اولیه)، هزینه کل مالکیت را کاهش می‌دهد. همچنین پکیج ممکن است برای عملکرد حرارتی بهبود یافته طراحی شده باشد که امکان جریان درایو بالاتر یا خروجی پایدارتر را فراهم می‌کند.

۱۰. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: حداکثر جریان پیوسته‌ای که می‌توانم با آن این LED را راه‌اندازی کنم چقدر است؟
ج: به جدول ریتینگ‌های حداکثر مطلق مراجعه کنید. تجاوز از حداکثر جریان مستقیم مشخص شده می‌تواند باعث تخریب فوری یا تدریجی LED شود و طول عمر و خروجی نور آن را کاهش دهد.

س: چگونه مقاومت محدودکننده جریان صحیح را انتخاب کنم؟
ج: از قانون اهم استفاده کنید: R = (ولتاژ منبع - Vf_LED) / جریان مطلوب. از مقدار معمول Vf از دیتاشیت برای محاسبه اولیه استفاده کنید، اما محدوده دسته‌بندی و اثرات دما را برای طراحی مقاوم در نظر بگیرید. اطمینان حاصل کنید که ریتینگ توان مقاومت کافی است: P = (جریان مطلوب)^۲ * R.

س: چرا خروجی نور LED من در طول زمان کاهش می‌یابد؟
ج: افت لومن امری طبیعی است. ریتینگ طول عمر Lxx (مثلاً L70) در دیتاشیت، ساعات کارکرد تا زمانی که خروجی به درصدی (مثلاً ۷۰٪) از مقدار اولیه کاهش یابد را پیش‌بینی می‌کند. جریان درایو بیش از حد یا دمای اتصال بالا این افت را تسریع می‌کند.

س: آیا می‌توانم چند LED را به صورت سری یا موازی وصل کنم؟
ج: اتصال سری به طور کلی هنگام استفاده از درایور جریان ثابت ترجیح داده می‌شود، زیرا جریان یکسانی را از هر LED عبور می‌دهد. اتصال موازی نیاز به تطبیق دقیق دسته‌های ولتاژ مستقیم دارد تا از عدم تعادل جریان جلوگیری شود که می‌تواند منجر به روشنایی ناهموار و تنش بیش از حد احتمالی روی تک تک LEDها شود.

۱۱. مثال‌های کاربردی عملی

مثال ۱: چراغ خطی LED.چندین LED روی یک PCB با هسته فلزی (MCPCB) بلند و باریک نصب شده‌اند. آنها در یک ترکیب سری-موازی به هم متصل شده و توسط یک درایور جریان ثابت واحد تغذیه می‌شوند. هسته فلزی هیت‌سینک ضروری را فراهم می‌کند. المان‌های نوری مانند دیفیوزرها یا رفلکتورها روی آرایه قرار می‌گیرند تا روشنایی خطی یکنواختی برای روشنایی دفتر یا فروشگاه ایجاد کنند.

مثال ۲: روشنایی داخلی خودرو.یک خوشه کوچک از LEDها، احتمالاً در رنگ‌های مختلف، برای چراغ‌های سقفی، چراغ‌های مطالعه نقشه یا نورپردازی تزئینی استفاده می‌شود. طراحی باید محدوده ولتاژ ورودی وسیع سیستم الکتریکی خودرو (مثلاً ۹ ولت تا ۱۶ ولت) را با استفاده از یک رگولاتور ولتاژ یا مبدل باک مناسب در نظر بگیرد. همچنین LEDها باید الزامات قابلیت اطمینان و دمای درجه خودرو را برآورده کنند.

۱۲. مقدمه‌ای بر 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 پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی به شکل فوتون (نور) آزاد می‌شود. طول موج (رنگ) نور ساطع شده توسط گاف انرژی ماده نیمه‌هادی مورد استفاده (مثلاً InGaN برای آبی/سبز، AlInGaP برای قرمز/کهربایی) تعیین می‌شود. 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.

۱۳. روندها و توسعه فناوری

صنعت LED با چندین روند مشخص همچنان در حال تکامل است. بازده نوری (لومن بر وات) به طور پیوسته در حال افزایش است که مصرف انرژی را برای یک خروجی نور معین کاهش می‌دهد. معیارهای کیفیت رنگ، مانند شاخص بازتاب رنگ (CRI) و معیارهای جدیدتر مانند TM-30 در حال بهبود هستند، به ویژه برای کاربردهای با CRI بالا مانند روشنایی موزه و فروشگاه. کوچک‌سازی ادامه دارد و امکان فاصله پیکسل‌های کوچک‌تر در نمایشگرهای دید مستقیم را فراهم می‌کند. همچنین توسعه قابل توجهی در حوزه‌های تخصصی مانند LEDهای UV-C برای ضدعفونی، میکرو LEDها برای نمایشگرهای نسل بعدی و LEDهای باغبانی متناسب با طیف رشد گیاه وجود دارد. قابلیت اطمینان و طول عمر تحت شرایط عملیاتی مختلف همچنان یک تمرکز کلیدی برای کاربردهای صنعتی و خودرویی است.