دیتاشیت LED SMD 5050 RGBW - ابعاد 5.0x5.0x1.6 میلی‌متر - ولتاژ قرمز 2.6V/سبز 3.8V/آبی 3.8V/سفید 3.6V - توان 0.2W در هر چیپ - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

این سند مشخصات یک بسته LED کم‌مصرف و نصب سطحی با فاکتور فرم 5050 را به تفصیل شرح می‌دهد. این قطعه چهار چیپ نیمه‌هادی مجزا را در یک بسته رزین سفید یکپارچه کرده است: قرمز (R)، سبز (G)، آبی (B) و سفید (W). این پیکربندی چند-چیپی امکان تولید طیف وسیعی از رنگ‌ها، از جمله نور سفید خالص از دی سفید اختصاصی و رنگ‌های ترکیبی از ترکیب RGB را فراهم می‌کند. بسته با یک فریم سربی 8 پین طراحی شده است که دسترسی الکتریکی مجزا به هر چیپ برای کنترل مستقل را ممکن می‌سازد.

مزایای اصلی این LED شامل بازده نوری بالا، مصرف توان پایین و زاویه دید گسترده 120 درجه است. فاکتور فرم فشرده SMD آن را برای فرآیندهای مونتاژ خودکار مانند لحیم‌کاری ریفلو IR مناسب می‌سازد. محصول مطابق با استانداردهای کلیدی محیط زیستی و ایمنی، از جمله RoHS، EU REACH و الزامات عاری از هالوژن (Br <900 ppm، Cl <900 ppm، Br+Cl < 1500 ppm) است.

کاربردهای هدف متنوع هستند و از قابلیت ترکیب رنگ و ویژگی‌های روشنایی عمومی آن بهره می‌برند. کاربردهای اصلی شامل روشنایی تزئینی و تفریحی عمومی، نشانگرهای وضعیت، نور پس‌زمینه یا روشنایی برای کلیدها و پنل‌ها و سایر کاربردهایی است که به منابع نور چندرنگ و فشرده نیاز دارند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

تمامی مقادیر در دمای نقطه لحیم‌کاری (T_Soldering) برابر 25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند. تجاوز از این محدودیت‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• ولتاژ معکوس (V_R):حداکثر 5 ولت برای تمامی چیپ‌ها (R, G, B, W). اعمال ولتاژ معکوس بالاتر می‌تواند باعث شکست پیوندگاه شود.
• جریان مستقیم پیوسته (I_F):چیپ‌های قرمز و سفید برای 200 میلی‌آمپر درجه‌بندی شده‌اند. چیپ‌های سبز و آبی برای 180 میلی‌آمپر درجه‌بندی شده‌اند. این‌ها محدودیت‌های جریان DC هستند.
• جریان مستقیم پیک (I_FP):برای عملکرد پالسی با چرخه کاری 1/10 و عرض پالس 10 میلی‌ثانیه. قرمز/سفید: 400 میلی‌آمپر. سبز/آبی: 360 میلی‌آمپر.
• توان تلف شده (P_d):حداکثر توان اتلاف مجاز برای هر چیپ. R: 520 میلی‌وات، G/B: 684 میلی‌وات، W: 720 میلی‌وات. این پارامتر برای مدیریت حرارتی حیاتی است.
• محدوده‌های دمایی:عملیاتی: 40- تا 85+ درجه سلسیوس. انبارش: 40- تا 100+ درجه سلسیوس. حداکثر دمای پیوندگاه (T_j): 110 درجه سلسیوس.
• مقاومت حرارتی (R_{th J-S}):پیوندگاه به نقطه لحیم‌کاری. R: 60 درجه سلسیوس بر وات، G: 110 درجه سلسیوس بر وات، B: 75 درجه سلسیوس بر وات، W: 75 درجه سلسیوس بر وات. مقادیر پایین‌تر نشان‌دهنده انتقال حرارت بهتر از چیپ به برد است.
• دمای لحیم‌کاری:ریفلو IR: حداکثر دمای پیک 260 درجه سلسیوس به مدت 10 ثانیه. لحیم‌کاری دستی: حداکثر 350 درجه سلسیوس به مدت 3 ثانیه.

2.2 ویژگی‌های الکترواپتیکی

عملکرد معمول در T_Soldering=25°C و I_F=100mA اندازه‌گیری می‌شود، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

• شدت نور (I_v):بر حسب میلی‌کاندلا (mcd) اندازه‌گیری می‌شود. مقادیر معمول: R: 5000 mcd، G: 11000 mcd، B: 3000 mcd، W: 10000 mcd. مقادیر حداقل نیز مشخص شده‌اند. تلرانس ±11% است.
• ولتاژ مستقیم (V_F):افت ولتاژ دو سر LED در جریان 100mA. معمولی/حداکثر: R: 2.10V/2.60V، G: 3.00V/3.80V، B: 3.10V/3.80V، W: 2.90V/3.60V. تلرانس ±0.1V است. این پارامتر برای طراحی درایور حیاتی است.
• زاویه دید (2θ_1/2):120 درجه. این زاویه کامل‌ای است که در آن شدت نور نصف شدت پیک (روی محور) است.
• طول موج غالب (λ_p):طول موج پیک نور ساطع شده. R: 619-629nm، G: 520-535nm، B: 460-475nm. تلرانس ±1nm است. رنگ LED سفید به عنوان "زردرنگ" توصیف شده است.
• جریان معکوس (I_R):حداکثر جریان نشتی 10µA در V_R= -5V برای تمامی چیپ‌ها.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

برای اطمینان از ثبات رنگ و روشنایی، LEDها بر اساس عملکرد اندازه‌گیری شده در دسته‌هایی (بین) مرتب می‌شوند.

3.1 دسته‌بندی شدت نور

LEDها بر اساس شدت نور اندازه‌گیری شده در I_F=100mA گروه‌بندی می‌شوند. هر دسته یک کد (مانند CB، DA، EA) دارد که محدوده حداقل/حداکثر شدت را بر حسب mcd تعریف می‌کند.

• قرمز (R):دسته‌های CB (3550-4500 mcd)، DA (4500-5600 mcd)، DB (5600-7100 mcd).
• سبز (G):دسته‌های EA (7100-9000 mcd)، EB (9000-11200 mcd)، FA (11200-14000 mcd).
• آبی (B):دسته‌های BA (1800-2240 mcd)، BB (2240-2800 mcd)، CA (2800-3550 mcd)، CB (3550-4500 mcd).
• سفید (W):دسته‌های DB (5600-7100 mcd)، EA (7100-9000 mcd)، EB (9000-11200 mcd)، FA (11200-14000 mcd)، FB (14000-18000 mcd).

3.2 دسته‌بندی طول موج غالب

LEDها همچنین بر اساس طول موج پیک نور ساطع شده برای کنترل فام رنگ دسته‌بندی می‌شوند.

• قرمز (R):دسته‌های RB (619-624 nm)، RC (624-629 nm).
• سبز (G):دسته‌های G7 (520-525 nm)، G8 (525-530 nm)، G9 (530-535 nm).
• آبی (B):دسته‌های B3 (460-465 nm)، B4 (465-470 nm)، B5 (470-475 nm).

3.3 دسته‌بندی مختصات رنگی (LED سفید)

برای LED سفید، رنگ با استفاده از مختصات رنگی (x, y) روی نمودار CIE 1931 به دقت تعریف می‌شود. دیتاشیت جدولی دقیق از کدهای دسته (مانند A11، A12، A21) با نواحی چهارضلعی متناظرشان که توسط چهار مجموعه از مختصات (x,y) تعریف شده‌اند، ارائه می‌دهد. تلرانس این مختصات ±0.01 است. این سیستم کنترل دقیقی بر روی نقطه سفید (مانند سفید سرد، سفید خنثی، سفید گرم) نور ساطع شده تضمین می‌کند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل منحنی‌های مشخصه معمول است که برای درک رفتار قطعه تحت شرایط عملیاتی مختلف ضروری هستند.

4.1 توزیع طیفی

یک منحنی توزیع طیفی معمول نشان داده شده است که شدت نسبی را در مقابل طول موج ترسیم می‌کند. این منحنی به صورت بصری ترکیب خروجی نور را نشان می‌دهد. برای چیپ‌های RGB، قله‌های باریکی در طول موج‌های غالبشان نشان می‌دهد. برای LED سفید (معمولاً یک چیپ آبی با پوشش فسفر)، منحنی یک قله پهن از نور تبدیل شده فسفر، ترکیب شده با یک قله آبی کوچکتر از LED پمپ نشان می‌دهد. منحنی پاسخ استاندارد چشم انسان (V(λ)) نیز برای محاسبات فتومتریک ارجاع داده شده است.

4.2 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I-V)

منحنی‌های جداگانه برای چیپ‌های R، G، B و W رابطه بین جریان مستقیم (I_F) و ولتاژ مستقیم (V_F) در دمای 25°C را نشان می‌دهند. این منحنی‌ها ذاتاً نمایی هستند. آن‌ها برای طراحی مدارهای محدودکننده جریان یا درایورهای جریان ثابت حیاتی هستند. منحنی‌ها تأیید می‌کنند که در جریان عملیاتی معمول 100mA، V_Fبا مقادیر معمول ذکر شده در جدول الکتریکی همخوانی دارد.

4.3 طول موج در مقابل جریان مستقیم

این منحنی‌ها نشان می‌دهند که طول موج غالب (رنگ) هر چیپ با افزایش جریان مستقیم چگونه تغییر می‌کند. به طور کلی، طول موج می‌تواند به دلیل گرمایش پیوندگاه و سایر اثرات، با جریان کمی افزایش یابد. این یک ملاحظه مهم برای کاربردهایی است که نیاز به ثبات رنگ دقیق در طیف وسیعی از سطوح روشنایی دارند.

4.4 شدت نسبی در مقابل جریان مستقیم

این نمودارها نشان می‌دهند که خروجی نور (شدت نوری نسبی برای G/W، شدت رادیومتریک نسبی برای R/B) چگونه با جریان مستقیم افزایش می‌یابد. این رابطه در جریان‌های پایین عموماً خطی است اما می‌تواند در جریان‌های بالاتر به دلیل افت حرارتی و بازدهی اشباع شود. از این داده‌ها برای تعیین جریان درایو بهینه برای سطح روشنایی مورد نظر استفاده می‌شود.

4.5 حداکثر جریان مستقیم مجاز در مقابل دما

این منحنی کاهش رتبه (دری‌تینگ) یکی از مهم‌ترین موارد برای قابلیت اطمینان است. این منحنی نشان می‌دهد که چگونه حداکثر جریان مستقیم پیوسته مجاز باید با افزایش دمای محیط (یا نقطه لحیم‌کاری) کاهش یابد. به عنوان مثال، در دمای 85°C، جریان مجاز به طور قابل توجهی کمتر از رتبه‌بندی 25°C خواهد بود. عملکرد بالاتر از این منحنی خطر تجاوز از حداکثر دمای پیوندگاه را دارد که منجر به افت سریع‌تر لومن و کاهش عمر عملیاتی می‌شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این LED به تخلیه الکترواستاتیک (ESD) حساس است و باید با احتیاط‌های مناسب جابجا شود. روش‌های لحیم‌کاری توصیه شده عبارتند از:

• لحیم‌کاری ریفلو IR:این روش ترجیحی برای مونتاژ SMD است. حداکثر دمای پیک نباید از 260°C تجاوز کند و زمان بالای 260°C باید به 10 ثانیه محدود شود. پروفایل ریفلو استاندارد بدون سرب مناسب است.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت لزوم، لحیم‌کاری دستی می‌تواند با دمای نوک هویه حداکثر 350°C انجام شود. زمان تماس برای هر پایه باید به 3 ثانیه محدود شود تا از آسیب حرارتی به بسته و اتصالات سیمی جلوگیری شود.

باید مراقب بود تا از اعمال تنش مکانیکی بر روی بسته در حین و پس از لحیم‌کاری اجتناب شود. محدوده دمای انبارش 40- تا 100+ درجه سلسیوس است.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 مدارهای کاربردی متداول

هر چیپ (R، G، B، W) به دلیل ویژگی‌های ولتاژ مستقیم متفاوتشان، نیاز به مدار محدودکننده جریان مخصوص به خود دارد. یک درایور جریان ثابت به شدت نسبت به یک مقاومت سری ساده برای ثبات روشنایی و رنگ بهتر، به ویژه هنگام کار از منبع ولتاژ متغیری مانند باتری، توصیه می‌شود. برای ترکیب رنگ RGB، مدولاسیون عرض پالس (PWM) روش استاندارد برای کنترل شدت است، زیرا ولتاژ و جریان مستقیم ثابتی را حفظ می‌کند و در نتیجه خلوص رنگی هر رنگ اصلی را حفظ می‌نماید.

6.2 مدیریت حرارتی

گرم‌گیر مؤثر برای عملکرد و طول عمر حیاتی است. مقادیر مقاومت حرارتی (R_{th J-S}) نشان می‌دهند که حرارت چقدر به راحتی از چیپ به PCB جریان می‌یابد. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که PCB مساحت مسی کافی (پدهای حرارتی یا وایا به لایه‌های داخلی) برای دفع کل حرارت تولید شده (مجموع I_F* V_Fبرای تمامی چیپ‌های فعال) دارد. عملکرد نزدیک یا در حداکثر رتبه‌های جریان بدون خنک‌سازی مناسب منجر به دمای پیوندگاه بالا، افت خروجی نور (افت لومن) و کوتاه شدن قابل توجه عمر عملیاتی LED خواهد شد.

6.3 طراحی نوری

زاویه دید گسترده 120 درجه این LED را برای کاربردهایی که نیاز به روشنایی پخش و وسیع دارند مناسب می‌سازد. برای نور هدایت‌شده‌تر، ممکن است اپتیک ثانویه (لنز) مورد نیاز باشد. هنگام طراحی برای ترکیب رنگ، مجاورت فیزیکی چهار چیپ در داخل بسته 5050، ترکیب رنگی فضایی خوبی در فاصله تضمین می‌کند، اما برای مشاهده از فاصله بسیار نزدیک، ممکن است نقاط رنگی مجزا قابل تشخیص باشند.

7. مقایسه و تمایز فنی

این LED 5050 RGBW با یکپارچه کردن چهار گسیلنده مجزا در یک فوت‌پرینت بسیار فشرده و استاندارد صنعتی 5.0mm x 5.0mm خود را متمایز می‌کند. در مقایسه با استفاده از چهار LED تک‌رنگ 5050 مجزا، این بسته یکپارچه فضای PCB را ذخیره و مونتاژ پیک‌اند‌پلیس را ساده می‌کند. گنجاندن یک دی سفید اختصاصی، علاوه بر دی‌های RGB، یک منبع نور سفید با کیفیت بالا بدون نیاز به ترکیب رنگ فراهم می‌کند، که گاهی می‌تواند منجر به بازدهی پایین‌تر یا مشکلات بازآفرینی رنگ شود. پیکربندی 8 پین مجزا حداکثر انعطاف‌پذیری را برای کنترل ارائه می‌دهد و اجازه می‌دهد هر رنگ به طور مستقل یا در هر ترکیبی درایو شود.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم تمام چهار چیپ (RGBW) را به صورت موازی از یک منبع ولتاژ ثابت با یک مقاومت سری درایو کنم؟

ج: توصیه نمی‌شود. ولتاژهای مستقیم (V_F) به طور قابل توجهی متفاوت هستند (مثلاً قرمز ~2.1V، آبی ~3.1V). اتصال موازی آن‌ها باعث عدم تعادل شدید جریان می‌شود، به طوری که چیپ قرمز بیشتر جریان را می‌کشد و ممکن است از رتبه‌بندی خود تجاوز کند، در حالی که بقیه کم‌نور یا خاموش می‌مانند. هر کانال رنگ نیاز به کنترل جریان جداگانه دارد.

س: تفاوت بین شدت نور (mcd) و توان (mW) در رتبه‌بندی‌ها چیست؟

ج: شدت نور (بر حسب کاندلا یا میلی‌کاندلا) روشنایی درک شده نور توسط چشم انسان است که با منحنی حساسیت چشم وزن‌دهی شده است. اتلاف توان (بر حسب میلی‌وات) توان الکتریکی تبدیل شده به حرارت (I_F*V_F) در پیوندگاه LED است. بخشی از توان ورودی به نور (توان تابشی) تبدیل می‌شود، اما دیتاشیت حداکثر حرارتی را که باید مدیریت شود مشخص می‌کند.

س: چگونه دسته‌های مختصات رنگی برای LED سفید را تفسیر کنم؟

ج: هر دسته (مانند A11) یک ناحیه چهارضلعی کوچک روی نمودار رنگ CIE را تعریف می‌کند. چهار جفت مختصات (x,y) گوشه‌های آن ناحیه هستند. LEDهایی که رنگ اندازه‌گیری شده آن‌ها در داخل این چهارضلعی قرار می‌گیرد، آن کد دسته را دریافت می‌کنند. این تضمین می‌کند که تمام LEDها در یک دسته نقطه سفید تقریباً یکسانی دارند.

س: چرا جریان مستقیم پیک (I_FP) از جریان پیوسته (I_F) بالاتر است؟

ج: پیوندگاه نیمه‌هادی می‌تواند پالس‌های جریان بالاتر را برای مدت زمان بسیار کوتاه (در این مورد 10ms) تحمل کند زیرا حرارت تولید شده فرصتی برای افزایش دمای پیوندگاه به سطح بحرانی ندارد. این برای تاریک‌روشنی PWM یا ایجاد فلاش‌های روشن و کوتاه مفید است.

9. موردکاوی طراحی و استفاده عملی

سناریو: طراحی یک چراغ تغییر رنگ حال‌و‌هوا.

یک طراح این LED را برای یک چراغ رومیزی با تغذیه USB انتخاب می‌کند. آن‌ها از یک میکروکنترلر با چهار کانال PWM برای کنترل مستقل جریان‌های R، G، B و W استفاده می‌کنند. LED سفید حالت نور مطالعه خالص را فراهم می‌کند. LEDهای RGB برای ایجاد میلیون‌ها رنگ برای نورپردازی محیطی ترکیب می‌شوند. طراحی از یک IC درایور LED جریان ثابت استفاده می‌کند که قادر به تأمین حداکثر 200mA در هر کانال است. PCB شامل یک صفحه زمین بزرگ است که از طریق چندین وایا به پد حرارتی LED متصل شده است تا به عنوان گرم‌گیر عمل کند. فریم‌ور الگوریتم‌های محو شدن رنگ را پیاده‌سازی می‌کند و شامل منطق مدیریت حرارتی است که اگر سنسور دمای میکروکنترلر (قرار داده شده نزدیک LED روی PCB) دمای بالای 70°C را بخواند، حداکثر جریان درایو را کاهش می‌دهد و اطمینان حاصل می‌کند که LED در داخل منحنی کاهش رتبه دمایی ایمن خود عمل می‌کند.

10. معرفی اصل عملکرد

گسیل نور بر اساس الکترولومینسانس در مواد نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم در دو سر پیوندگاه p-n LED اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها بازترکیب شده و انرژی را به شکل فوتون (نور) آزاد می‌کنند. رنگ (طول موج) نور توسط انرژی گاف نواری ماده نیمه‌هادی تعیین می‌شود. چیپ قرمز از AlInGaP (آلومینیوم ایندیم گالیم فسفید) استفاده می‌کند. چیپ‌های سبز و آبی از InGaN (ایندیم گالیم نیترید) با نسبت‌های مختلف ایندیم/گالیم برای تنظیم گاف نواری استفاده می‌کنند. LED سفید معمولاً از یک چیپ آبی InGaN پوشیده شده با فسفر زرد (یا چندرنگ) استفاده می‌کند. نور آبی از چیپ، فسفر را برانگیخته می‌کند که سپس طیف وسیعی از طول موج‌های بلندتر (زرد، قرمز) را گسیل می‌کند و با نور آبی باقی‌مانده ترکیب می‌شود تا نور سفید تولید کند. توصیف "زردرنگ" نشان‌دهنده دمای رنگ مرتبط (CCT) در سمت گرم‌تر طیف سفید است.

11. روندها و زمینه فناوری

بسته‌های چند-چیپی یکپارچه مانند این 5050 RGBW نمایانگر روندی به سمت چگالی عملکردی بالاتر و طراحی سیستم ساده‌شده در روشنایی LED هستند. حرکت به سمت زوایای دید گسترده‌تر (مانند 120 درجه) پاسخگوی کاربردهایی است که نیاز به روشنایی یکنواخت و بدون خیرگی به جای نورافکن‌های متمرکز دارند. یک تلاش صنعتی مستمر برای بازده نوری بالاتر (خروجی نور بیشتر در هر وات الکتریکی) و بهبود بازآفرینی رنگ، به ویژه برای جزء سفید وجود دارد. علاوه بر این، تلرانس‌های دسته‌بندی سخت‌گیرانه‌تر، همانطور که توسط جداول دقیق مختصات رنگی مشهود است، بازتاب‌دهنده تقاضای بازار برای ثبات رنگ برتر در کاربردهای LED تک‌رنگ و سفید است که در تجهیزات و نمایشگرهای چند-LED حیاتی است.