دیتاشیت SMD LED RGB با IC تعبیه‌شده - بسته‌بندی 5.0x5.0x1.6mm - ولتاژ 4.2-5.5V - توان 358mW - لنز سفید پخش‌کننده نور

1. مرور کلی محصول

این سند مشخصات یک قطعه LED نصب‌سطحی (SMD) را تشریح می‌کند که تراشه‌های نیمه‌هادی قرمز، سبز و آبی (RGB) را به همراه یک مدار مجتمع درایور (IC) اختصاصی در یک بسته‌بندی فشرده و واحد ادغام کرده است. این راه‌حل یکپارچه برای ساده‌سازی کاربردهای جریان ثابت برای طراحان طراحی شده و نیاز به مقاومت‌های محدودکننده جریان خارجی یا مدارات درایور پیچیده برای هر کانال رنگ را از بین می‌برد. قطعه در یک بسته‌بندی با لنز سفید پخش‌کننده نور قرار دارد که به ترکیب نور تراشه‌های رنگی مجزا کمک کرده و خروجی رنگی یکنواخت‌تر و پخش‌شده‌ای ایجاد می‌کند که برای کاربردهای نورپردازی نشانگر و تزئینی مناسب است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزیت اصلی این قطعه، سطح بالای یکپارچگی آن است. با تعبیه یک درایور PWM (مدولاسیون پهنای پالس) جریان ثابت 8 بیتی، کنترل دیجیتال دقیقی بر روی روشنایی هر رنگ RGB با 256 مرحله مجزا فراهم می‌کند که امکان ایجاد بیش از 16.7 میلیون ترکیب رنگ را فراهم می‌آورد. پروتکل انتقال داده سریال تک‌سیمه امکان اتصال زنجیره‌ای چندین واحد و کنترل آنها از طریق تنها یک پین میکروکنترلر را فراهم می‌کند که به طور قابل توجهی پیچیدگی سیم‌کشی و نیازهای I/O کنترلر را در کاربردهای چند ال ای دی کاهش می‌دهد.

این امر، قطعه را به ویژه برای کاربردهای دارای محدودیت فضا و حساس به هزینه که نیازمند افکت‌های نورپردازی چندرنگ یا تمام‌رنگ هستند، مناسب می‌سازد. بازارهای هدف آن شامل، اما نه محدود به، نشانگرهای وضعیت در الکترونیک مصرفی و تجهیزات شبکه‌ای، نور پس‌زمینه پنل جلویی، نوارهای نورپردازی تزئینی، ماژول‌های تمام‌رنگ و المان‌های نمایشگرهای ویدیویی LED یا تابلوهای تبلیغاتی داخلی می‌شود. بسته‌بندی با تجهیزات مونتاژ اتوماتیک Pick-and-Place و فرآیندهای استاندارد لحیم‌کاری رفلو مادون قرمز (IR) سازگار است که تولید انبوه را تسهیل می‌کند.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی عمیق

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آنها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد در این محدودیت‌ها یا نزدیک به آنها تضمین نمی‌شود.

• توان تلف شده (P_D): 358 میلی‌وات. این حداکثر توان کلی است که بسته‌بندی می‌تواند به صورت گرما دفع کند. تجاوز از این حد، خطر گرمای بیش از حد تراشه‌های IC داخلی و LED را به همراه دارد.
• محدوده ولتاژ تغذیه (V_DD): +4.2 ولت تا +5.5 ولت. IC تعبیه‌شده برای منبع تغذیه منطقی اسمی 5 ولت طراحی شده است. اعمال ولتاژ خارج از این محدوده می‌تواند به مدار کنترل آسیب برساند.
• جریان پیشروی کل (I_F): 65 میلی‌آمپر. این حداکثر مجموع جریان‌های عبوری از کانال‌های قرمز، سبز و آبی به صورت ترکیبی است.
• دمای عملیاتی (T_a): -40 درجه سانتی‌گراد تا +85 درجه سانتی‌گراد. عملکرد قطعه در این محدوده دمای محیط تضمین می‌شود.
• دمای نگهداری: -40 درجه سانتی‌گراد تا +100 درجه سانتی‌گراد. قطعه می‌تواند بدون اعمال توان در این محدوده وسیع‌تر نگهداری شود.

2.2 مشخصات نوری

اندازه‌گیری شده در دمای محیط (T_a) 25 درجه سانتی‌گراد و ولتاژ تغذیه (V_DD) 5 ولت با تنظیم تمام کانال‌های رنگی روی حداکثر روشنایی (داده = 8'b11111111).

• شدت نور (I_V):
  • قرمز (AlInGaP): 600 - 1200 میلی‌کندلا (معمولی)
  • سبز (InGaN): 1100 - 2200 میلی‌کندلا (معمولی)
  • آبی (InGaN): 270 - 540 میلی‌کندلا (معمولی)
  تراشه سبز معمولاً بالاترین خروجی را نشان می‌دهد، پس از آن قرمز و سپس آبی قرار دارد. این عدم تعادل در LEDهای RGB رایج است و باید در الگوریتم‌های ترکیب رنگ برای دستیابی به نقطه سفید مورد نظر یا رنگ خاصی در نظر گرفته شود.
• زاویه دید (2θ_1/2): 120 درجه. این زاویه دید گسترده، که به عنوان زاویه‌ای تعریف می‌شود که شدت نور به نصف مقدار محوری خود کاهش می‌یابد، مشخصه لنز سفید پخش‌کننده نور است و الگوی تابش نور گسترده و نرمی را فراهم می‌کند که برای نورپردازی منطقه‌ای مناسب است.
• طول موج غالب (λ_d):
  • قرمز: 615 - 630 نانومتر
  • سبز: 515 - 530 نانومتر
  • آبی: 455 - 470 نانومتر
  این محدوده‌ها رنگ اصلی نور ساطع شده توسط هر تراشه را تعریف می‌کنند. باند خاص درون این محدوده‌ها برای یک واحد مشخص، مختصات رنگ دقیق آن را تعیین می‌کند.

2.3 مشخصات الکتریکی

مشخص شده در کل محدوده دمای عملیاتی (-40°C تا +85°C) و محدوده ولتاژ تغذیه (4.2V تا 5.5V).

• جریان خروجی IC در هر کانال (I_F): 20 میلی‌آمپر (معمولی). درایور تعبیه‌شده IC جریان عرضه شده به هر تراشه LED قرمز، سبز و آبی مجزا را به این مقدار ثابت تنظیم می‌کند و روشنایی پایدار و ثبات رنگ را صرف نظر از تغییرات ولتاژ پیشرو تضمین می‌کند.
• سطوح منطقی ورودی:
  • ولتاژ ورودی سطح بالا (V_IH): حداقل 2.7 ولت تا V_DD. با خروجی‌های میکروکنترلر 3.3 ولت و 5 ولت سازگار است.
  • ولتاژ ورودی سطح پایین (V_IL): 0 ولت تا حداکثر 1.0 ولت.
• جریان ساکن IC (I_DD): 1.5 میلی‌آمپر (معمولی). این جریان مصرفی خود درایور تعبیه‌شده IC است زمانی که تمام خروجی‌های LED خاموش هستند (تمام بیت‌های داده '0' هستند).

3. توضیح سیستم باندینگ

3.1 باندینگ مختصات رنگی CIE

این سند یک جدول باند رنگ بر اساس مختصات رنگی CIE 1931 (x, y) ارائه می‌دهد. نور ساطع شده از هر LED آزمایش و در باندهای خاصی (مانند A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3) دسته‌بندی می‌شود. هر باند توسط یک ناحیه چهارضلعی در نمودار رنگی، مشخص شده با چهار نقطه مختصات (x, y) تعریف می‌شود. تلرانس قرارگیری درون یک باند +/- 0.01 در هر دو مختصات x و y است. این باندینگ ثبات رنگ بین دسته‌های تولید مختلف را تضمین می‌کند. طراحان می‌توانند هنگام سفارش یک کد باند را مشخص کنند تا تطابق رنگ دقیق‌تری در کاربرد خود به دست آورند، که برای نمایشگرها یا نصب‌های چند LED که یکنواختی رنگ در آنها بسیار مهم است، حیاتی می‌باشد.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

4.1 شدت نسبی در مقابل طول موج (توزیع طیفی)

نمودار ارائه شده (شکل 1) توزیع توان طیفی نسبی را برای تراشه‌های قرمز، سبز و آبی نشان می‌دهد. هر منحنی یک قله متمایز مطابق با محدوده طول موج غالب خود نمایش می‌دهد. منحنی قرمز حول ~625 نانومتر، منحنی سبز حول ~525 نانومتر و منحنی آبی حول ~465 نانومتر متمرکز است. عرض این قله‌ها (عرض کامل در نصف بیشینه) بر خلوص رنگ تأثیر می‌گذارد؛ قله‌های باریک‌تر عموماً رنگ‌های اشباع‌شده‌تری ایجاد می‌کنند. همپوشانی بین طیف‌های سبز و قرمز حداقل است که برای دستیابی به گاموت رنگی گسترده مفید است.

4.2 منحنی کاهش جریان پیشرو در مقابل دمای محیط

نمودار (شکل 2) رابطه بین حداکثر جریان پیشروی کل مجاز (I_F) و دمای عملیاتی محیط (T_A) را نشان می‌دهد. با افزایش دما، حداکثر جریان مجاز به صورت خطی کاهش می‌یابد. این کاهش برای جلوگیری از تجاوز دمای اتصال تراشه‌های LED و درایور IC از محدودیت‌های ایمنی، که منجر به تسریع تخریب و کاهش عمر می‌شود، ضروری است. در حداکثر دمای عملیاتی 85 درجه سانتی‌گراد، جریان کل مجاز به طور قابل توجهی کمتر از رتبه حداکثر مطلق 65 میلی‌آمپر مشخص شده در 25 درجه سانتی‌گراد است. برای طراحی حرارتی قابل اطمینان باید به این منحنی مراجعه کرد.

4.3 توزیع فضایی (الگوی شدت نور)

نمودار قطبی (شکل 3) شدت نور نسبی نرمال‌شده را به عنوان تابعی از زاویه دید ترسیم می‌کند. نمودار زاویه دید 120 درجه را تأیید می‌کند و توزیعی صاف و تقریباً شبیه لامبرتین را که مشخصه لنز پخش‌کننده نور است، نشان می‌دهد. شدت نور در 0 درجه (محوری) بیشترین است و به طور متقارن تا 50% از اوج خود در +/-60 درجه از محور کاهش می‌یابد.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد و پیکربندی بسته‌بندی

قطعه در یک بسته‌بندی نصب‌سطحی با ابعاد کلی تقریبی 5.0 میلی‌متر طول، 5.0 میلی‌متر عرض و 1.6 میلی‌متر ارتفاع (تلرانس ±0.2 میلی‌متر) قرار دارد. بسته‌بندی دارای یک لنز پلاستیکی سفید پخش‌کننده نور است. پیکربندی پین شامل چهار پد است:

1. VSS: زمین (مرجع 0 ولت).
2. DIN: ورودی سیگنال داده کنترل. جریان داده سریال را برای این LED خاص دریافت می‌کند.
3. DOUT: خروجی سیگنال داده کنترل. جریان داده دریافتی را به پین DIN LED بعدی در یک زنجیره دایزی‌چین فوروارد می‌کند.
4. VDD: ورودی توان DC (+4.2V تا +5.5V).

5.2 طرح پد اتصال PCB توصیه شده

یک نمودار الگوی لند برای راهنمایی طراحی برد مدار چاپی (PCB) ارائه شده است. رعایت این ابعاد و فاصله‌گذاری پد توصیه شده، تشکیل صحیح اتصال لحیم در حین رفلو، اتصال الکتریکی قابل اطمینان و استحکام مکانیکی کافی را تضمین می‌کند. طراحی معمولاً شامل اتصالات تخلیه حرارتی و بازشدگی‌های مناسب ماسک لحیم است.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

6.1 پروفیل لحیم‌کاری رفلو IR

یک پروفیل رفلو مادون قرمز (IR) پیشنهادی ارائه شده است که با استاندارد J-STD-020B برای فرآیندهای لحیم‌کاری بدون سرب مطابقت دارد. نمودار پروفیل پارامترهای کلیدی را نشان می‌دهد: پیش‌گرم، خیس‌اندن، دمای اوج رفلو و نرخ‌های خنک‌سازی. دمای اوج معمولاً نباید به میزان قابل توجهی بیش از حداکثر دمای نگهداری قطعه (100 درجه سانتی‌گراد) برای مدت زمان مشخص‌شده‌ای باشد تا از آسیب بسته‌بندی پلاستیکی یا تنش داخلی جلوگیری شود. پیروی از این پروفیل برای دستیابی به اتصالات لحیم قابل اطمینان بدون قرار دادن LED و IC تعبیه‌شده در معرض شوک حرارتی حیاتی است.

6.2 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری پس از لحیم‌کاری، قطعه می‌تواند در الکل اتیلیک یا ایزوپروپیل الکل در دمای اتاق به مدت کمتر از یک دقیقه غوطه‌ور شود. استفاده از تمیزکننده‌های شیمیایی نامشخص یا خورنده ممنوع است زیرا ممکن است به لنز پلاستیکی یا مواد بسته‌بندی آسیب برساند.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 مشخصات نوار و قرقره

قطعات در نوار حامل برجسته‌دار با یک نوار پوشش محافظ بسته‌بندی شده و روی قرقره‌هایی به قطر 7 اینچ (178 میلی‌متر) پیچیده می‌شوند. عرض نوار 12 میلی‌متر است. مقدار بسته‌بندی استاندارد 1000 قطعه در هر قرقره است، با حداقل مقدار سفارش 500 قطعه برای قرقره‌های جزئی. ابعاد دقیق جیب‌های نوار و قرقره برای اطمینان از سازگاری با فیدرهای تجهیزات مونتاژ اتوماتیک ارائه شده است.

8. پیشنهادات کاربرد

8.1 سناریوهای کاربرد معمول

• نورپردازی وضعیت و نشانگر: نشانگرهای وضعیت چندرنگ در تجهیزات مخابراتی، شبکه‌ای و صنعتی.
• نورپردازی تزئینی و معماری: نوارهای LED، نورپردازی حال و هوا و تأکیدات تغییر رنگ در محصولات مصرفی.
• نور پس‌زمینه: نور پس‌زمینه پنل جلویی یا لوگو با افکت‌های رنگی پویا.
• نمایشگرهای تمام‌رنگ: به عنوان پیکسل‌های مجزا در نمایشگرهای LED تمام‌رنگ داخلی با وضوح پایین، تابلوهای پیام یا پنل‌های نور نرم.

8.2 ملاحظات طراحی

• منبع تغذیه: اطمینان از یک منبع تغذیه 5 ولت تمیز و تنظیم‌شده با ظرفیت جریان کافی برای تعداد LEDهای استفاده شده. جریان هجومی را زمانی که بسیاری از LEDها به طور همزمان روشن می‌شوند در نظر بگیرید.
• یکپارچگی سیگنال داده: برای زنجیره‌های دایزی‌چین طولانی یا نرخ داده بالا، بافر کردن سیگنال یا تغییر سطح را در نظر بگیرید اگر میکروکنترلر در 3.3 ولت کار می‌کند، زیرا حداقل V_IH 2.7 ولت است.
• مدیریت حرارتی: به منحنی کاهش جریان (شکل 2) پایبند باشید. مساحت کافی مس را روی PCB در زیر و اطراف پدهای LED به عنوان هیت‌سینک فراهم کنید، به ویژه در کاربردهای با روشنایی بالا یا دمای محیط بالا.
• ترکیب رنگ: نرم‌افزار یا فریم‌ور باید شدت‌های نور متفاوت کانال‌های R، G و B (مطابق مقادیر معمولی در بخش 2.2) را برای دستیابی به ترکیب رنگ دقیق و یک نقطه سفید خنثی در نظر بگیرد.

9. مقایسه و تمایز فنی

متمایزکننده کلیدی این قطعه در مقایسه با یک LED RGB گسسته استاندارد، درایور جریان ثابت یکپارچه با کنترل PWM دیجیتال است. یک LED RGB گسسته به سه مقاومت محدودکننده جریان جداگانه (یا یک سینک جریان ثابت پیچیده‌تر) و سه کانال PWM میکروکنترلر برای کنترل نیاز دارد. این راه‌حل یکپارچه، مدار درایور را ادغام می‌کند، تعداد قطعات روی PCB را کاهش می‌دهد، فریم‌ور را ساده می‌کند (با استفاده از یک پروتکل سریال به جای چند تایمر PWM) و امکان اتصال زنجیره‌ای آسان برای نصب‌های مقیاس‌پذیر را فراهم می‌آورد. معاوضه آن، هزینه واحد کمی بالاتر و یک تنظیم جریان ثابت (معمولاً 20 میلی‌آمپر) است.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

10.1 چند عدد از این LEDها را می‌توانم به صورت زنجیره‌ای وصل کنم؟

از نظر تئوری، تعداد بسیار زیادی، زیرا هر LED سیگنال داده را بازتولید و بازپخش می‌کند. محدودیت عملی توسط نرخ رفرش مورد نظر و یکپارچگی سیگنال داده تعیین می‌شود. زمان کل انتقال داده برای N LED برابر است با N * 24 بیت * (1.2 میکروثانیه ± 300 نانوثانیه) به اضافه یک پالس ریست. برای رفرش 30 فریم بر ثانیه، این امر زنجیره را به چند صد LED محدود می‌کند. تخریب سیگنال در زنجیره‌های طولانی ممکن است نیاز به تقویت دوره‌ای سیگنال داشته باشد.

10.2 آیا می‌توانم این LED را با یک میکروکنترلر 3.3 ولتی راه‌اندازی کنم؟

بله، مشخصات ولتاژ ورودی سطح بالا (V_IH) با حداقل 2.7 ولت با خروجی منطقی بالا 3.3 ولتی (~3.3 ولت) سازگار است. اطمینان حاصل کنید که پین GPIO میکروکنترلر می‌تواند جریان کافی برای ورودی DIN تأمین/جذب کند. منبع تغذیه (V_DD) همچنان باید بین 4.2 ولت و 5.5 ولت باشد.

10.3 چرا حداکثر جریان کل 65 میلی‌آمپر است اگر جریان هر کانال 20 میلی‌آمپر است؟

جریان 20 میلی‌آمپر در هر کانال، یک جریان عملیاتی معمولی است که توسط درایور داخلی تنظیم شده است. رتبه حداکثر مطلق 65 میلی‌آمپر یک حد تنش برای کل بسته‌بندی است که گرمای ترکیبی تولید شده توسط هر سه LED و درایور IC که به طور همزمان در حداکثر روشنایی کار می‌کنند را در نظر می‌گیرد. منحنی کاهش (شکل 2) نشان می‌دهد که در دماهای بالا، جریان عملیاتی ایمن بسیار کمتر از 65 میلی‌آمپر است.

11. مثال مورد استفاده عملی

سناریو: طراحی یک حلقه نور تزئینی تغییر رنگ 16 LED.LEDها به صورت دایره‌ای چیده شده و به صورت زنجیره‌ای متصل می‌شوند. یک منبع تغذیه 5 ولت، 1 آمپر کافی خواهد بود (16 LED * ~1.5 میلی‌آمپر جریان ساکن IC + 16 LED * 3 کانال * 20 میلی‌آمپر حداکثر * چرخه وظیفه). یک میکروکنترلر (مانند Arduino یا ESP32) تنها به یک پین GPIO متصل به DIN اولین LED نیاز دارد. فریم‌ور یک جریان داده حاوی مقادیر رنگی 24 بیتی (8 بیت برای هر کدام از R، G، B) برای تمام 16 LED ایجاد می‌کند و به دنبال آن یک پالس ریست ارسال می‌شود. این جریان به طور مداوم ارسال می‌شود تا انیمیشن‌ها ایجاد شوند. لنز سفید پخش‌کننده نور اطمینان می‌دهد که نقاط LED مجزا در یک حلقه نور صاف ترکیب شوند.

12. معرفی اصل عملکرد

قطعه بر اساس اصل ارتباط سریال دیجیتال عمل می‌کند. IC تعبیه‌شده حاوی شیفت رجیسترها و لچ‌ها برای هر کانال رنگ است. یک جریان داده سریال از طریق پین DIN به IC کلاک می‌شود. هر بیت داده توسط زمان‌بندی یک پالس بالا در یک دوره ثابت 1.2 میکروثانیه نشان داده می‌شود. یک بیت '0' یک پالس بالا کوتاه (~300 نانوثانیه) و یک بیت '1' یک پالس بالا طولانی (~900 نانوثانیه) است. 24 بیت اول دریافت شده مربوط به مقادیر روشنایی 8 بیتی برای سبز، قرمز و آبی (معمولاً به آن ترتیب، GRB) است. پس از دریافت 24 بیت خود، IC تمام بیت‌های بعدی را از پین DOUT خود بازپخش می‌کند و اجازه می‌دهد داده‌ها به صورت آبشاری منتقل شوند. یک سیگنال پایین روی DIN که بیش از 250 میکروثانیه (RESET) طول بکشد، باعث می‌شود تمام ICهای موجود در زنجیره داده‌های دریافتی خود را در درایورهای خروجی لچ کنند و روشنایی LEDها را به طور همزمان به‌روزرسانی کنند.

13. روندهای فناوری

ادغام درایورهای IC مستقیماً در بسته‌بندی‌های LED، نشان‌دهنده یک روند مهم در طراحی قطعات LED است که به سمت راه‌حل‌های \"LED هوشمند\" حرکت می‌کند. این روند پیچیدگی سیستم را کاهش می‌دهد، قابلیت اطمینان را با به حداقل رساندن اتصالات خارجی بهبود می‌بخشد و امکان کنترل پیچیده‌تر (مانند آدرس‌پذیری مجزا) را فراهم می‌آورد. توسعه‌های آینده ممکن است شامل یکپارچگی بالاتر (ادغام میکروکنترلرها یا کنترلرهای بی‌سیم)، بهبود ثبات رنگ از طریق کالیبراسیون روی تراشه، وضوح PWM بالاتر (10 بیتی، 12 بیتی، 16 بیتی) برای کنترل رنگ دقیق‌تر و پروتکل‌های ارتباطی پیشرفته‌تر با نرخ داده بالاتر و تصحیح خطا برای نصب‌های بزرگ‌مقیاس مقاوم‌تر باشد.