دیتاشیت LED RGB SMD مدل 5515-RGB020AH-AM - ابعاد 5.5x1.5mm - قرمز/سبز/آبی - 20mA - درجه خودرویی

1. مرور کلی محصول

ال ای دی 5515-RGB020AH-AM یک قطعه LED SMD با عملکرد بالا است که سه دیود نورانی قرمز، سبز و آبی (RGB) را در یک پکیج واحد با ابعاد 5.5x1.5 میلی‌متر ادغام کرده است. این قطعه به‌طور خاص برای محیط‌های الکترونیکی سختگیرانه خودرو طراحی و تأیید شده است. مزایای اصلی آن شامل خروجی نوری بالا، زاویه دید گسترده 120 درجه و ساختار مستحکم مطابق با استانداردهای سختگیرانه قابلیت اطمینان خودرو مانند AEC-Q102 است. بازار هدف اصلی آن، سیستم‌های روشنایی داخلی خودرو از جمله روشنایی محیطی، نور پس زمینه کلیدها و سایر کاربردهای روشنایی تزئینی یا عملکردی است که در آن‌ها ترکیب رنگ و قابلیت اطمینان حیاتی می‌باشد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مشخصات فوتومتریک و نوری

عملکرد این LED در جریان تست استاندارد 20 میلی‌آمپر و دمای پد حرارتی 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده است. مقادیر معمول شدت نور برای تراشه قرمز 1120 میلی‌کاندلا (mcd)، برای تراشه سبز 2800 mcd و برای تراشه آبی 450 mcd است. این مقادیر نشان‌دهنده حداکثر روشنایی قابل دستیابی در شرایط استاندارد هستند. طول موج غالب که رنگ درک شده را تعریف می‌کند، به‌طور معمول برای قرمز 621 نانومتر، برای سبز 527 نانومتر و برای آبی 467 نانومتر است. هر سه رنگ دارای یک زاویه دید (2φ) یکسان و گسترده 120 درجه هستند که توزیع نور یکنواختی را تضمین می‌کند. تلرانس اندازه‌گیری برای شدت نور ±8% و برای طول موج غالب ±1 نانومتر است.

2.2 پارامترهای الکتریکی و حرارتی

ولتاژ مستقیم (V_F) در 20 میلی‌آمپر به‌طور معمول برای قرمز 2.00 ولت، برای سبز 2.75 ولت و برای آبی 3.00 ولت است. رتبه‌بندی حداکثر جریان مستقیم پیوسته (I_F) متفاوت است: برای قرمز 50 میلی‌آمپر و برای سبز و آبی هر کدام 30 میلی‌آمپر. این تفاوت عمدتاً به دلیل بازده و ویژگی‌های حرارتی متفاوت مواد نیمه‌هادی مختلف است. رتبه‌بندی حداکثر مطلق اتلاف توان به ترتیب 137.5 میلی‌وات (قرمز)، 105 میلی‌وات (سبز) و 112.5 میلی‌وات (آبی) است. مدیریت حرارتی بسیار مهم است؛ مقاومت حرارتی اتصال به نقطه لحیم (R_thJS) با مقادیر واقعی (اندازه‌گیری شده) و الکتریکی (محاسبه شده) مشخص شده است. به عنوان مثال، مقاومت حرارتی واقعی برای قرمز تا 52 کلوین بر وات و برای سبز/آبی تا 85 کلوین بر وات است که نشان‌دهنده نیاز به طراحی حرارتی مناسب PCB برای حفظ عملکرد و طول عمر است.

2.3 مقادیر حداکثر مطلق و قابلیت اطمینان

این قطعه برای محدوده دمای کاری 40- درجه سانتی‌گراد تا 110+ درجه سانتی‌گراد درجه‌بندی شده است که برای محیط سخت داخل خودرو مناسب است. حداکثر دمای مجاز اتصال 125 درجه سانتی‌گراد است. این قطعه دارای محافظت در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD) با رتبه 2 کیلوولت (مدل بدن انسان) است که برای جابجایی در حین تولید ضروری می‌باشد. محصول با مقررات RoHS، REACH و عاری از هالوژن (Br/Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm) مطابقت دارد. همچنین کلاس استحکام خوردگی B1 را دارد که نشان‌دهنده درجه‌ای از مقاومت در برابر جوهای خورنده است و دارای سطح حساسیت به رطوبت (MSL) 3 می‌باشد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار کلیدی را ارائه می‌دهد که برای طراحی مدار و پیش‌بینی عملکرد حیاتی هستند.

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

منحنی I-V رابطه بین جریان عبوری از LED و ولتاژ دو سر آن را نشان می‌دهد. هر رنگ به دلیل گاف انرژی متفاوت نیمه‌هادی، منحنی متمایزی دارد. LED قرمز کمترین ولتاژ مستقیم را دارد، سپس سبز و پس از آن آبی قرار دارد. طراحان از این نمودار برای انتخاب مقاومت‌های محدودکننده جریان مناسب یا تنظیمات درایور جریان ثابت استفاده می‌کنند تا اطمینان حاصل شود LED در محدوده ولتاژ مشخص شده خود برای جریان مورد نظر کار می‌کند.

3.2 شدت نور نسبی در مقابل جریان مستقیم

این نمودار نشان می‌دهد که چگونه خروجی نور با جریان درایو تغییر می‌کند. به طور معمول، شدت نور با افزایش جریان افزایش می‌یابد اما همیشه به صورت خطی نیست، به ویژه در جریان‌های بالاتر که ممکن است بازده به دلیل گرمایش کاهش یابد. این اطلاعات برای طراحی مدارهای دیمر یا دستیابی به سطوح روشنایی خاص حیاتی است.

3.3 نمودارهای وابستگی به دما

سه نمودار کلیدی تغییرات عملکرد را با دمای اتصال (T_j) نشان می‌دهند:

1. شدت نور نسبی در مقابل دمای اتصال:خروجی نور عموماً با افزایش دما کاهش می‌یابد. نرخ کاهش بسته به رنگ متفاوت است و اگر دما کنترل نشود، بر تعادل رنگ در کاربردهای RGB تأثیر می‌گذارد.

2. ولتاژ مستقیم نسبی در مقابل دمای اتصال:ولتاژ مستقیم معمولاً با افزایش دما کاهش می‌یابد. این ویژگی می‌تواند برای حس‌گری دما استفاده شود اما باید در طرح‌های درایو با ولتاژ ثابت در نظر گرفته شود.

3. جابجایی طول موج غالب در مقابل دمای اتصال:طول موج رنگ ساطع شده با دما کمی جابجا می‌شود. اگرچه این جابجایی معمولاً کوچک است (چند نانومتر در محدوده کاری)، اما می‌تواند برای کاربردهای حساس به رنگ مهم باشد.

3.4 منحنی‌های کاهش جریان مستقیم

منحنی‌های جداگانه برای قرمز و برای سبز/آبی، حداکثر جریان مستقیم پیوسته مجاز را به عنوان تابعی از دمای پد لحیم (T_S) نشان می‌دهند. با افزایش دمای PCB، حداکثر جریان ایمن کاهش می‌یابد تا از تجاوز دمای اتصال از 125 درجه سانتی‌گراد جلوگیری شود. به عنوان مثال، حداکثر جریان LED قرمز از 50 میلی‌آمپر در دمای نقطه لحیم 103 درجه سانتی‌گراد به 35 میلی‌آمپر در دمای 110 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. این منحنی‌ها برای اطمینان از عملکرد قابل اطمینان در کاربردهای واقعی با دمای محیط متغیر ضروری هستند.

3.5 توزیع طیفی و الگوی تابش

نمودار توزیع طیفی نسبی، شدت نور ساطع شده در سراسر طیف طول موج را برای هر رنگ نشان می‌دهد. این نمودار ماهیت باند باریک LEDها را با قله‌هایی در طول موج‌های غالب مربوطه تأیید می‌کند. نمودار تابش معمولی (که در متن به طور کامل جزئیات آن نیامده) به صورت بصری زاویه دید 120 درجه را نشان می‌دهد و نحوه کاهش شدت در زوایای دور از مرکز (عمود بر سطح LED) را نمایش می‌دهد.

4. اطلاعات دسته‌بندی (بینینگ)

دیتاشیت شامل بخشی اختصاصی برای اطلاعات دسته‌بندی (بینینگ) است. در تولید LED، "بینینگ" فرآیند مرتب‌سازی LEDها بر اساس پارامترهای اندازه‌گیری شده مانند شدت نور (روشنایی)، ولتاژ مستقیم (V_F) و طول موج غالب (رنگ) است. این امر به دلیل تغییرات ذاتی جزئی در فرآیند تولید نیمه‌هادی ضروری است. جداول بینینگ (که در فهرست مطالب به آن‌ها ارجاع داده شده) محدوده‌ها یا کدهای خاص هر دسته پارامتر را تعریف می‌کنند. برای طراحان، درک مفهوم بینینگ برای اطمینان از ثبات رنگ و تطابق عملکرد الکتریکی هنگام استفاده از چندین LED در یک مجموعه واحد، مانند یک نوار نور محیطی، بسیار مهم است. مقادیر معمول ذکر شده در جدول مشخصات، مرکز توزیع مورد انتظار را نشان می‌دهند، اما قطعات خریداری شده واقعی مطابق با کد سفارش در دسته‌های خاصی قرار خواهند گرفت.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد مکانیکی

این قطعه از فوت‌پرینت پکیج 5515 استفاده می‌کند که نشان‌دهنده اندازه بدنه تقریباً 5.5 میلی‌متر طول و 1.5 میلی‌متر عرض است. نقشه مکانیکی دقیق (بخش 7) تمام ابعاد حیاتی از جمله ارتفاع کلی، فاصله پایه‌ها، اندازه پدها و تلرانس‌ها را مشخص می‌کند. این نقشه برای طراحان چیدمان PCB جهت ایجاد فوت‌پرینت صحیح در نرم‌افزار CAD آن‌ها ضروری است.

5.2 طرح‌پد لحیم کاری توصیه شده و قطبیت

بخش 8 یک الگوی لند (طرح پد لحیم) توصیه شده برای PCB ارائه می‌دهد. استفاده از هندسه پد توصیه شده، تشکیل صحیح اتصال لحیم در حین ریفلو، استحکام مکانیکی خوب و انتقال حرارت بهینه از پد حرارتی LED به PCB را تضمین می‌کند. نمودار همچنین به وضوح قطبیت یا علامت‌گذاری پین 1 را نشان می‌دهد که برای اتصال الکتریکی صحیح آندهای قرمز، سبز و آبی و کاتد مشترک (با فرض پیکربندی کاتد مشترک که برای LEDهای RGB معمول است) حیاتی است.

5.3 اطلاعات بسته‌بندی

LEDها بر روی نوار و قرقره برای مونتاژ خودکار Pick-and-Place عرضه می‌شوند. بخش 10 مشخصات بسته‌بندی از جمله ابعاد قرقره، عرض نوار، فاصله جیب‌ها و جهت‌گیری را به تفصیل شرح می‌دهد. این اطلاعات برای برنامه‌ریزی صحیح تجهیزات مونتاژ ضروری است.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

6.1 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو

بخش 9 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو توصیه شده را مشخص می‌کند. این یک نمودار زمان-دما است که نحوه گرم کردن مجموعه PCB برای ذوب خمیر لحیم و تشکیل اتصالات قابل اطمینان بدون آسیب رساندن به LED را تعریف می‌کند. پارامترهای کلیدی شامل شیب پیش‌گرم، زمان و دمای خیساندن، دمای اوج (که طبق مقادیر حداکثر مطلق نباید از 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 30 ثانیه تجاوز کند) و نرخ خنک‌سازی است. رعایت این پروفیل برای بازده و قابلیت اطمینان بلندمدت حیاتی است.

6.2 احتیاط‌های کاربردی

بخش 11 احتیاط‌های مهم جابجایی و استفاده را فهرست می‌کند. این موارد احتمالاً شامل هشدارهایی در مورد موارد زیر است:

- اجتناب از اعمال تنش مکانیکی بر روی لنز LED.

- محافظت از قطعه در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD) بیش از حد در حین جابجایی، علیرغم رتبه 2 کیلوولتی آن.

- اطمینان از تمیزی PCB و فرآیند مونتاژ برای جلوگیری از آلودگی.

- رعایت دستورالعمل‌های کاهش جریان بر اساس دمای کاری.

- استفاده از روش‌های محدودکننده جریان مناسب (مقاومت‌ها یا درایورها) برای جلوگیری از جریان بیش از حد.

6.3 معیارهای تست مقاومت در برابر گوگرد

بخش 12 به معیارهای تست گوگرد اشاره می‌کند. برخی محیط‌ها، به ویژه برخی فضای داخلی خودروها یا محیط‌های صنعتی، ممکن است حاوی گازهای گوگردی باشند که می‌توانند اجزای LED مبتنی بر نقره را خورده کنند. این تست استحکام LED را در برابر چنین جوهای خورنده تأیید می‌کند که بخشی از تأییدیه درجه خودرویی آن است.

7. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

کاربرد اصلی:روشنایی محیطی داخلی خودرو برای پانل درها، کف پا، تزئینات داشبورد و کنسول مرکزی.

کاربردهای ثانویه:نور پس زمینه دکمه‌ها، کلیدها و پنل‌های کنترل؛ روشنایی تزئینی در الکترونیک مصرفی که قابلیت اطمینان درجه خودرویی مورد نیاز است.

7.2 ملاحظات طراحی حیاتی

1. مدار درایو:برای ثبات رنگ و کنترل روشنایی بهینه، به ویژه برای دیمر PWM، از درایورهای جریان ثابت استفاده کنید. اگر از محدودکننده جریان ساده با مقاومت استفاده می‌کنید، به دلیل ولتاژهای مستقیم متفاوت، مقاومت‌ها را برای هر کانال رنگ به طور جداگانه محاسبه کنید.

2. مدیریت حرارتی:مقادیر مقاومت حرارتی، طراحی PCB با تخلیه حرارتی کافی را ضروری می‌سازد. از وایاهای حرارتی در زیر پد حرارتی LED که به یک صفحه زمین یا یک ناحیه مسی اختصاصی متصل شده‌اند، برای دفع حرارت استفاده کنید.

3. ترکیب رنگ و کنترل:برای دستیابی به گاموت وسیعی از رنگ‌ها (از جمله سفید)، کنترل مدولاسیون عرض پالس (PWM) مستقل هر کانال رنگ به شدت توصیه می‌شود. شدت‌های نوری متفاوت (قرمز: 1120 mcd، سبز: 2800 mcd، آبی: 450 mcd) به این معنی است که جریان درایو یا چرخه کاری PWM هر کانال باید برای دستیابی به نقطه سفید یا تعادل رنگ مورد نظر کالیبره شود.

4. طراحی نوری:زاویه دید 120 درجه برای روشنایی منتشر و ناحیه گسترده مناسب است. برای نور متمرکزتر، اپتیک ثانویه (لنزها یا راهنماهای نور) مورد نیاز خواهد بود. فرم فاکتور نمای جانبی به گونه‌ای طراحی شده است که نور را موازی با سطح PCB ساطع کند که برای راهنماهای نور لبه‌ای ایده‌آل است.

8. مقایسه و تمایز فنی

اگرچه PDF به طور مستقیم با قطعات دیگر مقایسه نمی‌کند، اما تمایزهای کلیدی این قطعه را می‌توان استنباط کرد:

- تأییدیه خودرویی (AEC-Q102):این یک تمایز مهم نسبت به LEDهای درجه تجاری است که شامل تست‌های سختگیرانه برای چرخه دمایی، رطوبت، کارکرد در دمای بالا و سایر عوامل استرس‌زای خاص محیط خودرو می‌شود.

- شدت نور بالا:خروجی سبز و قرمز به ویژه برای جریان درایو 20 میلی‌آمپر بالا است که به طور بالقوه تعداد LEDهای مورد نیاز برای سطح روشنایی معین را کاهش می‌دهد.

- RGB یکپارچه در پکیج نمای جانبی:سه رنگ را در یک پکیج فشرده و کم‌پروفیل مناسب برای کاربردهای نور پس زمینه با محدودیت فضا ترکیب می‌کند و نیاز به قرار دادن سه LED جداگانه را از بین می‌برد.

- مقاومت در برابر خوردگی و گوگرد:با استانداردهای خاص برای محیط‌های سخت مطابقت دارد که بسیاری از LEDهای استاندارد فاقد آن هستند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم این LED را با منبع تغذیه 5 ولت راه‌اندازی کنم؟

ج: بله، اما باید از مقاومت‌های محدودکننده جریان استفاده کنید. به عنوان مثال، برای LED آبی (V_Fمعمولاً 3.0 ولت در 20mA)، مقدار مقاومت R = (5V - 3.0V) / 0.020A = 100 اهم خواهد بود. همیشه برای طراحی مستحکم، از حداکثر V_Fاز دیتاشیت استفاده کنید.

س: چرا حداکثر جریان‌ها برای قرمز در مقابل سبز/آبی متفاوت است؟

ج: این به دلیل تفاوت در بازده مواد نیمه‌هادی و ویژگی‌های حرارتی آن‌ها است. تراشه قرمز (احتمالاً AlInGaP) به طور معمول می‌تواند چگالی جریان بالاتری را نسبت به تراشه‌های سبز/آبی (احتمالاً InGaN) در محدودیت‌های حرارتی یکسان پکیج تحمل کند.

س: چگونه با این LED RGB نور سفید ایجاد کنم؟

ج: نور سفید با ترکیب سه رنگ اصلی ایجاد می‌شود. به دلیل شدت‌های نوری متفاوت، نمی‌توانید به سادگی هر سه را با جریان یکسان راه‌اندازی کنید. باید شدت نسبی هر کانال (از طریق مقادیر مقاومت متفاوت یا چرخه کاری PWM) را برای ترکیب به یک نقطه سفید خاص (مانند D65) تنظیم کنید. این امر نیاز به کالیبراسیون دارد.

س: MSL 3 به چه معناست؟

ج: سطح حساسیت به رطوبت 3 به این معنی است که LEDهای بسته‌بندی شده می‌توانند تا 168 ساعت (7 روز) قبل از لحیم‌کاری در شرایط محیط کارخانه (≤30°C/60% RH) قرار گیرند. در صورت تجاوز از این زمان، نیاز به پخت (بیکینگ) برای حذف رطوبت جذب شده دارند که می‌تواند در حین لحیم‌کاری ریفلو باعث "ترکیدن" (ترک خوردگی پکیج) شود.

10. مطالعه موردی طراحی عملی

سناریو:طراحی یک نوار نور محیطی پانل درب خودرو با استفاده از ده عدد LED مدل 5515-RGB020AH-AM.

مراحل:

1. چیدمان PCB:LEDها را با طرح پد توصیه شده قرار دهید. پد حرارتی را به یک ناحیه مسی بزرگ با چندین وایای حرارتی متصل به یک صفحه زمین داخلی برای دفع حرارت متصل کنید. اطمینان حاصل کنید که ترک‌های سه آند و کاتد مشترک به اندازه کافی بزرگ هستند.

2. مدار درایو:یک درایور IC LED جریان ثابت 3 کاناله طراحی شده برای مصارف خودرویی انتخاب کنید. حد جریان درایور را برای هر کانال به ازای هر LED روی 20 میلی‌آمپر تنظیم کنید. از آنجایی که ده LED به صورت موازی در هر کانال قرار دارند، درایور باید 200 میلی‌آمپر به ازای هر کانال رنگ تأمین کند. به عنوان جایگزین، LEDها را به صورت سری سیم‌کشی کنید تا تطابق جریان بهتری داشته باشید، اما این امر نیاز به ولتاژ تغذیه بالاتری دارد.

3. تحلیل حرارتی:بدترین حالت اتلاف توان را محاسبه کنید: (10 LED * (2.0V*0.02A برای قرمز)) + (10*(2.75V*0.02A برای سبز)) + (10*(3.0V*0.02A برای آبی)) = 0.4W + 0.55W + 0.6W = مجموعاً 1.55W. با استفاده از مقاومت حرارتی، افزایش دما را تخمین بزنید و اطمینان حاصل کنید که در محدوده منحنی کاهش جریان برای دمای محیط کابین مورد انتظار (مثلاً 85 درجه سانتی‌گراد) باقی می‌ماند.

4. کنترل رنگ:از یک میکروکنترلر برای تولید سیگنال‌های PWM برای ورودی‌های دیمر درایور IC استفاده کنید. جداول جستجو را برای تولید رنگ‌های مورد نظر (مانند رنگ‌های محیطی خاص برند) برنامه‌ریزی کنید. نسبت‌های PWM برای قرمز، سبز و آبی را در مجموعه نهایی برای جبران تغییرات بینینگ و دستیابی به نور سفید یکنواخت در تمام درها کالیبره کنید.

11. معرفی اصل عملکرد

یک LED (دیود نور‌افشان) یک قطعه نیمه‌هادی است که وقتی جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند نور ساطع می‌کند. این پدیده الکترولومینسانس نامیده می‌شود. ال ای دی 5515-RGB020AH-AM حاوی سه تراشه نیمه‌هادی جداگانه (دای) در یک پکیج است:

- تراشهقرمزمعمولاً از ماده فسفید آلومینیوم ایندیم گالیم (AlInGaP) ساخته شده است.

- تراشه‌هایسبزوآبیمعمولاً از ماده نیترید گالیم ایندیم (InGaN) ساخته شده‌اند.

هر تراشه یک پیوند p-n دارد. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم بیشتر از آستانه مشخصه تراشه اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها در پیوند بازترکیب می‌شوند و انرژی را به شکل فوتون (نور) آزاد می‌کنند. طول موج خاص (رنگ) نور توسط انرژی گاف ماده نیمه‌هادی تعیین می‌شود. سپس نور از طریق یک لنز اپوکسی قالب‌گیری شده ساطع می‌شود که همچنین محافظت مکانیکی را فراهم کرده و پرتو نور را شکل می‌دهد (زاویه 120 درجه). سه تراشه یک اتصال کاتد مشترک دارند تا مدار خارجی ساده‌تر شود.

12. روندهای فناوری

توسعه LEDهایی مانند 5515-RGB020AH-AM توسط چندین روند واضح در صنعت هدایت می‌شود:

1. افزایش یکپارچگی و کوچک‌سازی:ترکیب چندین رنگ (RGB، RGBW) در پکیج‌های هرچه کوچک‌تر در حالی که خروجی نور حفظ یا افزایش می‌یابد.

2. بازده بالاتر (لومن بر وات):بهبودهای مستمر در اپی‌تکسی نیمه‌هادی و طراحی تراشه منجر به خروجی نور بیشتر برای همان ورودی الکتریکی می‌شود که مصرف برق و بار حرارتی را کاهش می‌دهد.

3. قابلیت اطمینان و استحکام بهبود یافته:استانداردهای سخت‌گیرانه‌تر برای کاربردهای خودرویی، صنعتی و فضای باز، بهبود در مواد (مانند لنزهای مستحکم‌تر، پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی) و بسته‌بندی را برای تحمل دما، رطوبت و چرخه حرارتی بالاتر به پیش می‌رانند.

4. کیفیت و ثبات رنگ بهبود یافته:تلرانس‌های سخت‌گیرانه‌تر بینینگ و توسعه LEDهایی با ویژگی‌های طیفی خاص برای برآورده کردن الزامات شاخص بازده رنگ (CRI) بالا برای روشنایی لوکس.

5. روشنایی هوشمند و متصل:LEDها به طور فزاینده‌ای طراحی می‌شوند تا با درایورهای یکپارچه و رابط‌های ارتباطی (مانند I2C یا LIN در خودرو) برای کنترل رنگ پویا و آدرس‌پذیر جفت شوند و از دیمرینگ آنالوگ ساده فراتر روند.