دیتاشیت فنی LED مید-پاور سری 3020 - ابعاد 3.0x2.0 میلی‌متر - ولتاژ معمول 19 ولت - توان 0.6 وات - نور سفید سرد/خنثی/گرم

1. مرور کلی محصول

سری 3020 نماینده‌ای از خانواده LEDهای مید-پاور است که از بسته‌بندی ترکیب قالب‌گیری اپوکسی تقویت‌شده حرارتی (EMC) بهره می‌برد. این طراحی به گونه‌ای مهندسی شده است که تعادل بهینه‌ای بین بازده نوری (لومن بر وات) و مقرون‌به‌صرفه بودن (لومن بر دلار) ارائه دهد و آن را به گزینه‌ای جذاب برای طیف وسیعی از کاربردهای روشنایی عمومی تبدیل می‌کند. این سری با ابعاد فشرده 3.0x2.0 میلی‌متر شناخته می‌شود و برای اتلاف توان معمول 0.6 وات درجه‌بندی شده است، با حداکثر توان مجاز 0.8 وات تحت شرایط مشخص.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزایای اصلی این سری LED از بسته‌بندی EMC و بهینه‌سازی‌های طراحی آن ناشی می‌شود. ماده EMC در مقایسه با پلاستیک‌های سنتی، مقاومت حرارتی و قابلیت اطمینان بلندمدت برتری ارائه می‌دهد و امکان عملکرد پایدار در دمای کاری بالاتر را فراهم می‌کند. ویژگی‌های کلیدی شامل حداکثر جریان مستقیم 40 میلی‌آمپر، حداقل شاخص نمود رنگ (CRI) 80 برای کیفیت رنگ بالا و سازگاری با فرآیندهای لحیم‌کاری بدون سرب رفلو است. این ویژگی‌ها، این سری را برای لامپ‌های تعویضی، روشنایی عمومی داخلی و خارجی، نور پس‌زمینه تابلوها و تجهیزات روشنایی معماری یا تزئینی که ترکیبی از بازده، قابلیت اطمینان و کیفیت رنگ در آن‌ها حیاتی است، ایده‌آل می‌سازد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیر دقیق و عینی‌ای از پارامترهای کلیدی عملکرد مشخص‌شده در دیتاشیت ارائه می‌دهد. درک این مقادیر برای طراحی صحیح مدار و مدیریت حرارتی حیاتی است.

2.1 مشخصات الکترواپتیکال

عملکرد الکترواپتیکال تحت شرایط آزمایش استاندارد I_F= 30mA، T_a= 25°C و رطوبت نسبی 60% اندازه‌گیری می‌شود. شار نوری خروجی برای دو دمای حیاتی ارائه شده است: دمای محیط (T_a=25°C) و دمای نقطه لحیم (T_s=85°C). مورد دوم شاخص واقعی‌تری از عملکرد در کاربرد عملی است که LED روی برد نصب شده است. به عنوان مثال، یک باین معمولی سفید سرد (65R6) در T_a=25°C مقدار 72 لومن و در T_s=85°C مقدار 62 لومن ارائه می‌دهد که اهمیت طراحی حرارتی را برجسته می‌کند. دیتاشیت تلرانس ±7% برای اندازه‌گیری‌های شار نوری و تلرانس ±2 برای اندازه‌گیری‌های CRI (Ra) را ذکر کرده است.

2.2 پارامترهای الکتریکی و حرارتی

ولتاژ مستقیم (V_F) در 30mA مقدار معمول 19 ولت دارد، با تلرانس مشخص‌شده ±0.3V. زاویه دید (2Θ1/2) مقدار وسیع 120 درجه است که به عنوان زاویه خارج از محوری تعریف می‌شود که در آن شدت نور به نصف مقدار اوج خود کاهش می‌یابد. یک پارامتر حرارتی حیاتی، مقاومت حرارتی اتصال به نقطه لحیم (R_{th j-sp}) است که مقدار معمول آن 22 درجه سانتی‌گراد بر وات مشخص شده است. این مقدار چگونگی جریان مؤثر حرارت از اتصال نیمه‌هادی به نقطه لحیم را کمّی می‌کند؛ مقدار پایین‌تر نشان‌دهنده اتلاف حرارت بهتر است. سطح تحمل تخلیه الکترواستاتیک (ESD) 1000 ولت (مدل بدن انسان) است که یک سطح استاندارد برای LEDهای مید-پاور محسوب می‌شود.

2.3 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

این ریتینگ‌ها محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. آن‌ها تحت هیچ شرایط کاری نباید превыص داده شوند. محدودیت‌های کلیدی شامل: جریان مستقیم پیوسته (I_F) 40mA، جریان مستقیم پالسی (I_FP) 60mA (برای پالس‌های ≤ 100µs، چرخه وظیفه ≤ 1/10)، حداکثر اتلاف توان (P_D) 840mW و حداکثر دمای اتصال (T_j) 125°C است. محدوده دمای کاری و ذخیره‌سازی 40- تا 105+ درجه سانتی‌گراد است. پروفیل دمای لحیم‌کاری اجازه اوج 230°C یا 260°C را برای حداکثر 10 ثانیه می‌دهد.

3. توضیح سیستم باینینگ

برای اطمینان از ثبات رنگ و روشنایی در تولید، LEDها در باین‌ها دسته‌بندی می‌شوند. این سری از یک سیستم باینینگ جامع مبتنی بر دستورالعمل‌های Energy Star برای محدوده 2600K تا 7000K استفاده می‌کند.

3.1 دمای رنگ مرتبط (CCT) و باینینگ رنگ‌سنجی

جدول انتخاب محصول شش گروه اصلی CCT را فهرست می‌کند، از سفید گرم (2725K، 3045K) تا سفید سرد (6530K). هر گروه CCT یک کد باین رنگ متناظر دارد (مثلاً 27R5، 65R6). جدول 5 و شکل 9 ساختار باین رنگ‌سنجی را روی نمودار CIE 1931 به تفصیل شرح می‌دهند. هر باین توسط یک ناحیه بیضوی با یک مختصات مرکزی خاص (x, y) در هر دو دمای 25°C و 85°C، به همراه شعاع‌های محور اصلی/فرعی (a, b) و یک زاویه (Φ) تعریف می‌شود. عدم قطعیت اندازه‌گیری برای مختصات رنگ ±0.007 است.

3.2 باینینگ شار نوری

درون هر باین رنگ‌سنجی، LEDها بر اساس شار نوری خروجی خود در 30mA بیشتر دسته‌بندی می‌شوند. جدول 6 رتبه‌های شار را تعریف می‌کند. برای مثال، درون باین رنگ 65R6، LEDها در کدهای شار F1 (حداقل 66-70 لومن)، F2 (حداقل 70-74 لومن) و F3 (حداقل 74-78 لومن) موجود هستند، که همگی در T_a=25°C اندازه‌گیری شده‌اند. این باینینگ دو بعدی (رنگ + شار) به طراحان اجازه می‌دهد LEDهایی را انتخاب کنند که نیازهای دقیق کاربرد را هم از نظر نقطه رنگ و هم از نظر روشنایی برآورده می‌کنند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین نمودار است که رفتار LED را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد و برای مدل‌سازی پیش‌بینانه و طراحی مستحکم ضروری هستند.

4.1 مشخصات IV و شار نوری نسبی

شکل 4 رابطه بین ولتاژ مستقیم (V_F) و جریان مستقیم (I_F) را نشان می‌دهد. منحنی در محدوده کاری نسبتاً خطی است، با افزایش V_F همراه با جریان. شکل 3 شار نوری نسبی را در مقابل I_F ترسیم می‌کند. شار به صورت زیرخطی با جریان افزایش می‌یابد؛ راه‌اندازی LED بالاتر از مقدار توصیه‌شده 30mA بازده کاهش‌یافته‌ای در خروجی نور خواهد داشت در حالی که حرارت بسیار بیشتری تولید می‌کند و ممکن است بازده و طول عمر را کاهش دهد.

4.2 وابستگی دمایی

شکل‌های 6 و 7 برای تحلیل حرارتی حیاتی هستند. شکل 6 نشان می‌دهد که شار نوری نسبی به صورت خطی با افزایش دمای نقطه لحیم (T_s) کاهش می‌یابد. در 125°C، خروجی تقریباً 20% مقدار آن در 25°C است. شکل 7 نشان می‌دهد که V_F نیز با افزایش دما کاهش می‌یابد که یک مشخصه معمول دیودهای نیمه‌هادی است. شکل 5 تغییر مختصات رنگ‌سنجی (CIE x, y) را با دما نشان می‌دهد که برای کاربردهای حساس به رنگ مهم است.

3.3 توزیع طیفی و زاویه دید

شکل 1 یک منحنی توزیع توان طیفی معمولی ارائه می‌دهد که شدت نسبی در طول‌موج‌های مختلف را نشان می‌دهد. شکل این منحنی CCT و CRI را تعیین می‌کند. شکل 2 الگوی تابش فضایی (توزیع زاویه دید) را به تصویر می‌کشد که پروفیل انتشار شبه لامبرتی با زاویه دید مشخص‌شده 120 درجه را تأیید می‌کند.

4.4 کاهش ریتینگ دمای محیط

شکل 8 یک منحنی کاهش ریتینگ برای حداکثر جریان مستقیم مجاز بر اساس دمای محیط (T_a) و مقاومت حرارتی سیستم (R_j-a) است. برای مثال، با مقاومت حرارتی سیستم R_j-a برابر 45°C/W، حداکثر جریان باید از 40mA در T_a=89°C به حدود 22mA در T_a=105°C کاهش یابد تا از تجاوز دمای اتصال از حد 125°C آن جلوگیری شود. این نمودار برای تعیین جریان‌های کاری ایمن در محیط‌های با دمای بالا ضروری است.

5. دستورالعمل‌های کاربرد و ملاحظات طراحی

5.1 سناریوهای کاربرد معمول

به دلیل تعادل آن بین بازده، هزینه و قابلیت اطمینان، این سری LED برای موارد زیر بسیار مناسب است:
- لامپ‌های تعویضی:جایگزین مستقیم لامپ‌های رشته‌ای، هالوژن یا CFL در لامپ‌ها، تیوب‌ها و چراغ‌های توکار.
- روشنایی عمومی:منبع نور اولیه در تجهیزات روشنایی مسکونی، تجاری و صنعتی.
- نور پس‌زمینه تابلوها:تأمین روشنایی یکنواخت برای تابلوهای داخلی و خارجی.
- روشنایی معماری:روشنایی نما، نورپردازی کاو و سایر کاربردهای تزئینی که کیفیت رنگ در آن‌ها مهم است.

5.2 ملاحظات طراحی حیاتی

مدیریت حرارتی:این مهم‌ترین عامل برای عملکرد و طول عمر است. مقاومت حرارتی پایین R_{th j-sp} برابر 22°C/W تنها در صورتی مؤثر است که PCB و هیت‌سینک مسیر حرارتی پایینی به محیط ارائه دهند. استفاده از PCBهای با هسته فلزی (MCPCB) یا بردهایی با ویای‌های حرارتی کافی به شدت توصیه می‌شود. همیشه به منحنی کاهش ریتینگ (شکل 8) برای تنظیم جریان راه‌اندازی مراجعه کنید.
راه‌اندازی جریان:یک درایور جریان ثابت برای خروجی نور و رنگ پایدار الزامی است. جریان کاری توصیه‌شده 30mA است، اگرچه در صورت شرایط حرارتی عالی می‌توان آن را تا 40mA راه‌اندازی کرد. تجاوز از 40mA خطر آسیب فوری را در پی دارد.
اپتیک:زاویه دید 120 درجه برای بسیاری از کاربردهای روشنایی عمومی مناسب است. برای پرتوهای متمرکزتر، اپتیک ثانویه (لنزها) مورد نیاز خواهد بود.
محافظت در برابر ESD:اگرچه برای 1000V HBM درجه‌بندی شده است، اما باید احتیاط‌های استاندارد هنگام مونتاژ و جابجایی برای ESD رعایت شود.

6. تحلیل مقایسه‌ای و تمایز فنی

در بخش LEDهای مید-پاور، تمایزدهنده‌های کلیدی این سری EMC 3020 عبارتند از:
1. قابلیت دمای بالا:بسته‌بندی EMC امکان عملکرد مداوم در دمای نقطه لحیم بالاتر (داده T_s=85°C ارائه شده) را در مقایسه با پلاستیک‌های استاندارد PPA یا PCT که ممکن است زرد شده و تخریب شوند، فراهم می‌کند.
2. چگالی توان:با قابلیت تا 0.8 وات در یک بسته 3.0x2.0 میلی‌متری، چگالی توان بالاتری نسبت به بسیاری از LEDهای مید-پاور سنتی 3528 یا 2835 ارائه می‌دهد و به طور بالقوه تعداد LEDهای مورد نیاز برای یک خروجی لومن مشخص را کاهش می‌دهد.
3. مشخصه ولتاژ:ولتاژ مستقیم معمول 19 ولت در 30mA قابل توجه است. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که درایور LED برای این محدوده ولتاژ بالاتر در مقایسه با LEDهای مید-پاور رایج‌تر 3 ولت یا 6 ولت پیکربندی شده است.
4. باینینگ جامع:پایبندی به باینینگ Energy Star و ارائه باین‌های هم رنگ و هم شار، پیش‌بینی‌پذیری و ثبات را برای محصولات روشنایی با کیفیت فراهم می‌کند.

7. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: چرا شار نوری در T_s=85°C کمتر از T_a=25°C است؟
پ: T_aدمای هوای اطراف LED است. T_sدمای نقطه لحیم است که بسیار نزدیک‌تر به دمای اتصال واقعی در حین کار است. با افزایش دما، بازده نیمه‌هادی کاهش می‌یابد و خروجی نور کم می‌شود. داده T_s=85°C یک متریک عملکرد واقعی‌تر برای طراحی است.

س: آیا می‌توانم این LED را به طور پیوسته در 40mA راه‌اندازی کنم؟
پ: ریتینگ حداکثر مطلق 40mA است، اما این یک حد تنش است. شرایط کاری توصیه‌شده 30mA است. کار در 40mA تنها در صورتی امکان‌پذیر است که مدیریت حرارتی استثنایی باشد (مقاومت حرارتی سیستم R_j-a بسیار پایین) و دمای محیط کم باشد، مطابق با منحنی کاهش ریتینگ در شکل 8. انجام این کار بازده را کاهش می‌دهد و ممکن است بر قابلیت اطمینان بلندمدت تأثیر بگذارد.

س: چگونه کد باین، برای مثال '65R6' را تفسیر کنم؟
پ: کد باین رنگ‌سنجی را تعریف می‌کند. دو رقم اول (65) مربوط به CCT (محدوده 6500K) است. حرف (R) و رقم بعدی (6) بیضی خاص روی نمودار CIE را تعریف می‌کنند که مختصات رنگ LED در آن قرار می‌گیرد و ثبات رنگ فشرده را تضمین می‌کند.

س: اهمیت مقاومت حرارتی 22 درجه سانتی‌گراد بر وات چیست؟
پ: این مقدار (R_{th j-sp}) نشان می‌دهد که به ازای هر وات توان تلف‌شده در اتصال LED، اختلاف دما بین اتصال و نقطه لحیم 22 درجه سانتی‌گراد افزایش خواهد یافت. مقدار پایین‌تر بهتر است. مقاومت حرارتی کل سیستم (اتصال به محیط، R_j-a) شامل این مقدار به علاوه مقاومت PCB، رابط حرارتی و هیت‌سینک می‌شود.

8. مطالعه موردی طراحی و استفاده

سناریو: طراحی یک لامپ تیوب LED 1200 لومنی.
هدف:جایگزینی یک تیوب فلورسنت T8 با معادل LED.
فرآیند طراحی:
1. هدف لومن:1200 لومن.
2. انتخاب LED:انتخاب باین 65R6-F2 (معمولاً 72 لومن در 30mA، T_a=25°C). با در نظر گرفتن کاهش ریتینگ حرارتی (تخمین ~15% اتلاف در دمای کاری)، فرض 61 لومن به ازای هر LED.
3. محاسبه تعداد:1200 لومن / 61 لومن به ازای هر LED ≈ 20 LED.
4. طراحی الکتریکی:20 LED به صورت سری به ولتاژ راه‌اندازی 20 * 19V = 380V نیاز دارد که مقدار بالایی است. یک رویکرد عملی‌تر استفاده از دو رشته 10 تایی LED به صورت سری (190V به ازای هر رشته) است که به صورت موازی به هم وصل شده و توسط یک درایور جریان ثابت تنظیم‌شده روی 60mA کل (30mA به ازای هر رشته) راه‌اندازی می‌شوند.
5. طراحی حرارتی:توان کل: 20 LED * 19V * 0.03A = 11.4W. با استفاده از یک PCB آلومینیومی به عنوان هیت‌سینک، طراح باید محاسبه کند که آیا مقاومت حرارتی سیستم R_j-a به اندازه کافی پایین است تا اتصال را در محیط بسته تیوب زیر 125°C نگه دارد، با استفاده از منحنی کاهش ریتینگ به عنوان راهنما.
این مورد، تعامل بین پیکربندی الکتریکی، مدیریت حرارتی و اهداف نورسنجی را برجسته می‌کند.

9. اصول و روندهای فنی

9.1 اصل عملکرد

این LED بر اساس اصل الکترولومینسانس در یک نیمه‌هادی عمل می‌کند. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم در سراسر پیوند p-n اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها بازترکیب شده و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. مواد خاص (فسفرها) مورد استفاده در بسته، بخشی از نور آبی اولیه را از چیپ به طول‌موج‌های بلندتر تبدیل می‌کنند و در نتیجه نور سفید مورد نظر با CCT و CRI خاصی حاصل می‌شود. بسته EMC برای محافظت از چیپ و اتصالات سیمی، ارائه یک لنز اولیه و مهم‌تر از همه، ارائه یک مسیر هدایت حرارتی برای اتلاف حرارت عمل می‌کند.

9.2 روندهای صنعت

بازار LED مید-پاور به سمت بازده بالاتر (لومن بر وات) و قابلیت اطمینان بهبودیافته با هزینه کمتر ادامه می‌دهد. استفاده از بسته‌های EMC، همانطور که در این سری مشاهده می‌شود، یک روند مهم جایگزین پلاستیک‌های سنتی به دلیل مقاومت برتر در برابر حرارت و رطوبت است که امکان طول عمر بیشتر و جریان راه‌اندازی بالاتر را فراهم می‌کند. علاوه بر این، تلاش مداومی برای باینینگ فشرده‌تر رنگ و شار برای برآوردن نیازهای روشنایی با کیفیت بالا وجود دارد. ادغام این قطعات در ماژول‌ها و موتورهای نور نیز یک روند رو به رشد است که طراحی را برای تولیدکنندگان روشنایی ساده می‌کند. داده‌های ارائه‌شده در این دیتاشیت، استاندارد فعلی صنعت برای مشخص‌سازی و تعیین عملکرد تحت شرایط حرارتی واقعی را منعکس می‌کند.