LED SMD RGB con IC Integrato - 5.0x5.0x1.6mm - Tensione 4.2-5.5V - Potenza 99mW - Scheda Tecnica in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Questo documento dettaglia le specifiche di un LED a montaggio superficiale (SMD) che integra in un unico package chip semiconduttori rosso, verde e blu (RGB) con un circuito integrato (IC) driver 8-bit incorporato. Questa soluzione integrata è progettata per semplificare le applicazioni a corrente costante per i progettisti, eliminando la necessità di resistori di limitazione esterni o circuiti driver complessi per ogni canale colore.

1.1 Vantaggi Principali e Posizionamento del Prodotto

Il vantaggio principale di questo componente è il suo elevato livello di integrazione. Combinando la logica di controllo e gli emettitori RGB, forma un pixel indirizzabile completo. Questa architettura è particolarmente vantaggiosa per applicazioni che richiedono più LED, come strisce LED, display a matrice e illuminazione decorativa, poiché riduce significativamente il numero di componenti, lo spazio su scheda e la complessità del sistema. Il dispositivo è confezionato in un footprint standard conforme EIA, rendendolo compatibile con i processi di prelievo e posizionamento automatico e di saldatura a rifusione a infrarossi, cruciali per la produzione di grandi volumi.

1.2 Applicazioni e Mercati Target

Questo LED è progettato per un'ampia gamma di apparecchiature elettroniche dove spazio, efficienza e controllo del colore sono fondamentali. Le sue principali aree di applicazione includono:

• Moduli a Colori Pieni e Illuminazione Soft:Ideale per creare effetti dinamici di cambio colore in strisce luminose, illuminazione architettonica d'accento e sistemi di illuminazione d'atmosfera.
• Display e Insegne per Interni:Adatto per display video irregolari, segnaletica informativa e pannelli decorativi dove è richiesto il controllo individuale dei pixel.
• Elettronica di Consumo:Può essere utilizzato per indicatori di stato, retroilluminazione del pannello frontale o illuminazione estetica in dispositivi come apparecchiature di rete, elettrodomestici e periferiche per computer.
• Apparecchiature Industriali e per Ufficio:Applicabile per segnalazione di stato e illuminazione dell'interfaccia operatore in vari contesti di automazione industriale e d'ufficio.

2. Parametri Tecnici: Analisi Oggettiva Approfondita

Le sezioni seguenti forniscono una scomposizione dettagliata e oggettiva delle principali caratteristiche prestazionali del dispositivo come definite nella scheda tecnica.

2.1 Valori Massimi Assoluti e Limiti Operativi

Questi parametri definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non sono destinati al funzionamento normale.

• Dissipazione di Potenza (P_D):99 mW. Questa è la potenza totale massima che il package può dissipare come calore. Superare questo limite rischia surriscaldamento e guasto.
• Intervallo di Tensione di Alimentazione (V_DD):+4.2V a +5.5V. L'IC integrato richiede un'alimentazione regolata entro questo intervallo per un funzionamento affidabile. Applicare una tensione al di fuori di questo intervallo può danneggiare il circuito di controllo.
• Corrente Diretta Totale (I_F):18 mA. Questa è la somma massima delle correnti che fluiscono simultaneamente attraverso i chip Rosso, Verde e Blu.
• Intervalli di Temperatura:Il dispositivo è classificato per funzionare da -40°C a +85°C e può essere conservato in ambienti da -40°C a +100°C.

2.2 Caratteristiche Ottiche

Misurate a una temperatura ambiente (T_a) di 25°C con una tensione di alimentazione (V_DD) di 5V e tutti i canali colore impostati alla massima luminosità (8'b11111111).

• Intensità Luminosa (I_V):Questa è la luminosità percepita dell'emissione luminosa. I valori tipici sono: Rosso: 100-200 mcd, Verde: 250-500 mcd, Blu: 50-120 mcd. Il chip verde tipicamente presenta l'intensità luminosa più alta.
• Angolo di Visione (2θ_1/2):120 gradi. Questo ampio angolo di visione, caratteristico di una lente diffusa, significa che il LED emette luce su un'ampia area, rendendolo adatto per applicazioni dove la visibilità da più angoli è importante.
• Lunghezza d'Onda Dominante (λ_d):Questo parametro definisce il colore percepito della luce. Gli intervalli specificati sono: Rosso: 615-630 nm, Verde: 520-535 nm, Blu: 460-475 nm. Questi intervalli collocano i colori all'interno delle bande spettrali visibili standard per rosso, verde e blu.

2.3 Caratteristiche Elettriche

Definite per un intervallo di temperatura ambiente da -20°C a +70°C, V_DDda 4.2V a 5.5V, e V_SSa 0V.

• Corrente di Uscita IC (I_F):5 mA (tipico). Questa è la corrente costante fornita dal driver IC integrato a ciascun singolo chip LED Rosso, Verde e Blu. Questo design a corrente costante garantisce un'uscita colore stabile e protegge i LED da picchi di corrente.
• Livelli Logici di Ingresso:Per il pin di ingresso dati (DIN), un livello logico alto (V_IH) è riconosciuto a un minimo di 2.7V fino a V_DD. Un livello logico basso (V_IL) è riconosciuto a un massimo di 1.0V. Questo è compatibile con la logica dei microcontrollori a 3.3V e 5V.
• Corrente di Riposo IC (I_DD):0.8 mA (tipico) quando tutti i dati LED sono impostati a '0' (spento). Questa è la potenza consumata dall'IC integrato stesso quando i LED non sono illuminati.

3. Protocollo di Trasmissione Dati e Controllo

Il dispositivo dispone di un protocollo di comunicazione a singolo filo e concatenabile, che consente a più unità di essere collegate in cascata e controllate da un singolo pin di un microcontrollore.

3.1 Fondamenti del Protocollo

I dati sono trasmessi come una sequenza di impulsi alti e bassi sul pin DIN. Ogni bit ('0' o '1') è codificato da uno specifico schema di temporizzazione all'interno di un periodo nominale di 1.2 µs (±300ns).

• Bit '0':Tempo alto (T_0H) = 300 ns ±150ns, seguito da Tempo basso (T_0L) = 900 ns ±150ns.
• Bit '1':Tempo alto (T_1H) = 900 ns ±150ns, seguito da Tempo basso (T_1L) = 300 ns ±150ns.

La tolleranza di temporizzazione consente una certa variazione nelle velocità di clock del microcontrollore ma richiede una temporizzazione software o hardware precisa per una comunicazione affidabile.

3.2 Struttura del Frame di Dati

Ogni LED richiede 24 bit di dati per impostare il suo colore. I dati sono inviati nell'ordine: Verde (8 bit), Rosso (8 bit), Blu (8 bit). Ogni valore a 8 bit controlla la luminosità di quel specifico canale colore con 256 livelli (0-255). Ciò consente la creazione di 16.777.216 (256^3) possibili combinazioni di colori.

3.3 Concatenamento e Reset

I dati inviati nel pin DIN del primo LED vengono spostati attraverso il suo registro interno e poi emessi sul suo pin DOUT dopo 24 bit. Questo DOUT può essere collegato al DIN del LED successivo nella catena, consentendo a un numero illimitato di LED di essere controllati in serie. Un segnale basso sul pin DIN che dura più di 250 µs (tempo di RESET) fa sì che tutti i LED nella catena blocchino i dati attualmente nei loro registri e li visualizzino, quindi si preparino a ricevere nuovi dati a partire dal primo LED della catena.

4. Sistema di Binning del Colore

La scheda tecnica fornisce una tabella di binning basata sul diagramma di cromaticità CIE 1931 per categorizzare l'uscita colore del LED a diffusione bianca. I codici bin (A, B, C, D) definiscono quadrilateri sul piano delle coordinate colore (x, y), ciascuno con una tolleranza di ±0.01. Questo sistema consente ai produttori e ai progettisti di selezionare LED con caratteristiche di colore coerenti per applicazioni dove l'uniformità del colore tra più unità è critica, come in grandi display o pannelli luminosi.

5. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica include rappresentazioni grafiche delle principali relazioni prestazionali.

5.1 Intensità Relativa vs. Lunghezza d'Onda (Distribuzione Spettrale)

Questa curva mostra lo spettro di emissione di ciascun chip colore (Rosso, Verde, Blu). Tipicamente mostra picchi distinti corrispondenti alle lunghezze d'onda dominanti. La larghezza di questi picchi indica la purezza spettrale; picchi più stretti suggeriscono colori più saturi. La sovrapposizione tra gli spettri dei colori, in particolare nella regione giallo-verde, influenzerà la qualità e la gamma dei colori miscelati (ad esempio, creare un giallo puro da rosso e verde).

5.2 Corrente Diretta vs. Curva di Derating per Temperatura Ambiente

Questo grafico è cruciale per la gestione termica. Mostra la massima corrente diretta ammissibile per chip LED in funzione della temperatura ambiente. All'aumentare della temperatura, la corrente massima sicura diminuisce. Ad esempio, a 25°C, la corrente massima potrebbe essere vicina ai 18mA nominali, ma a 85°C, la corrente massima ammissibile è significativamente inferiore. I progettisti devono garantire che la corrente operativa, specialmente quando tutti e tre i colori sono alla massima luminosità, non superi il limite derating alla massima temperatura ambiente prevista per garantire l'affidabilità a lungo termine.

5.3 Distribuzione Spaziale (Diagramma di Radiazione)

Questo diagramma polare illustra come l'intensità luminosa varia con l'angolo di visione rispetto all'asse centrale del LED. L'angolo di visione di 120 gradi fornito (2θ_1/2) è il punto in cui l'intensità scende al 50% del valore sull'asse. La lente diffusa crea un pattern simile a Lambertiano, fornendo un'illuminazione uniforme su un'ampia area piuttosto che un fascio focalizzato.

6. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

6.1 Dimensioni e Configurazione del Package

Il dispositivo ha un footprint nominale di 5.0 mm x 5.0 mm con un'altezza di 1.6 mm. Tutte le tolleranze dimensionali sono ±0.2 mm salvo diversa specifica. Un diagramma dall'alto identifica i quattro pin: 1 (VDD - Alimentazione), 2 (DIN - Ingresso Dati), 3 (VSS - Massa), e 4 (DOUT - Uscita Dati).

6.2 Layout Consigliato dei Pad di Attacco PCB

Viene fornito un diagramma del land pattern per guidare la progettazione del PCB. Rispettare queste dimensioni e spaziatura consigliate dei pad è essenziale per ottenere giunzioni saldate affidabili durante il processo di rifusione e garantire una corretta stabilità meccanica.

7. Linee Guida per il Montaggio e la Manipolazione

7.1 Processo di Saldatura

Il dispositivo è compatibile con i processi di saldatura a rifusione a infrarossi (IR) adatti per saldatura senza piombo (Pb-free). La scheda tecnica fa riferimento a un profilo secondo lo standard J-STD-020B. I parametri chiave in un tale profilo includono pre-riscaldamento, stabilizzazione, temperatura di picco di rifusione (che non deve superare la temperatura massima nominale del dispositivo) e velocità di raffreddamento. Seguire il profilo consigliato è fondamentale per prevenire shock termici, difetti delle giunzioni saldate o danni al package LED e all'IC interno.

7.2 Pulizia

Se è necessaria una pulizia post-montaggio, il metodo consigliato è immergere la scheda assemblata in alcol etilico o isopropilico a temperatura ambiente per meno di un minuto. L'uso di detergenti chimici non specificati o aggressivi è vietato in quanto potrebbero danneggiare la lente in plastica o il materiale del package.

8. Confezionamento e Ordinazione

I LED sono forniti su nastro portatore goffrato da 8 mm di larghezza avvolto su bobine da 7 pollici (178mm) di diametro. La quantità di imballaggio standard è di 4000 pezzi per bobina. Le specifiche del nastro e della bobina sono conformi agli standard ANSI/EIA 481, garantendo la compatibilità con le apparecchiature di assemblaggio automatico. Vengono forniti disegni dimensionali dettagliati per le tasche del nastro e la bobina per scopi logistici e di setup macchina.

9. Considerazioni di Progettazione per l'Applicazione

9.1 Progettazione dell'Alimentazione

È essenziale un'alimentazione stabile e a basso rumore nell'intervallo da 4.2V a 5.5V. La domanda di corrente totale per una stringa di LED deve essere calcolata: I_totale= (Numero di LED) * (I_{DD_quiescente}) + (Numero di Pixel Accesi) * (I_{F_R}+ I_{F_G}+ I_{F_B}). Per installazioni di grandi dimensioni, considerare la caduta di tensione lungo le linee di alimentazione, che potrebbe richiedere l'iniezione di potenza in più punti.

9.2 Integrità del Segnale Dati

Per lunghe catene a cascata o in ambienti elettricamente rumorosi, l'integrità del segnale sulla linea dati (DIN/DOUT) può degradarsi. Le strategie per mitigare ciò includono l'uso di una velocità dati inferiore (se i tempi lo consentono), l'aggiunta di una piccola resistenza in serie (es. 100-470 Ω) all'uscita del microcontrollore per ridurre i ringing, e garantire una connessione di massa solida e a bassa impedenza in tutto il sistema.

9.3 Gestione Termica

Sebbene il driver a corrente costante fornisca una protezione intrinseca, la potenza dissipata come calore (P = V_f* I_fper ciascun chip, più la perdita dell'IC) deve essere gestita. Garantire un'adeguata ventilazione o dissipazione se i LED operano ad alti livelli di luminosità o ad alte temperature ambiente, specialmente in array densamente impacchettati. Fare riferimento alla curva di derating nella sezione 5.2.

10. Confronto e Differenziazione Tecnica

Il differenziatore chiave di questo componente è ildriver IC a corrente costante integrato. Rispetto a un LED RGB standard che richiede tre resistori di limitazione esterni e un circuito driver esterno di multiplexing o PWM, questa soluzione integrata offre vantaggi significativi:

• Design Semplificato:Riduce la Distinta Base (BOM) e la complessità del layout PCB.
• Consistenza Migliorata:La sorgente di corrente costante on-chip fornisce condizioni di pilotaggio identiche per ogni colore in ogni unità, portando a una migliore uniformità del colore in una produzione.
• Concatenabilità:Il protocollo a singolo filo consente il controllo di centinaia di LED da un singolo pin di un microcontrollore, semplificando notevolmente il cablaggio e il software di controllo per grandi installazioni.
• Alta Profondità di Colore:Il controllo a 8 bit (256 livelli) per canale colore consente gradienti fluidi e una vasta palette di colori, superiore a soluzioni multiplexate o controllate analogicamente più semplici.

11. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Posso alimentare questo LED direttamente da un'alimentazione a 3.3V di un microcontrollore?

R: No. La tensione di alimentazione minima assoluta (V_DD) è 4.2V. Un'alimentazione a 3.3V è al di sotto dell'intervallo operativo e non alimenterà correttamente l'IC integrato. Hai bisogno di un rail di alimentazione separato a 5V (o 4.2-5.5V) per i LED.

D: Come calcolo la corrente richiesta per il mio progetto con 100 di questi LED?

R: Devi considerare due componenti: 1) Corrente di riposo per gli IC: 100 LED * 0.8 mA = 80 mA. 2) Corrente dei LED: Dipende dai colori visualizzati. Nello scenario peggiore (tutti i LED mostrano bianco a massima luminosità), ogni LED assorbe ~15 mA (3 colori * 5 mA). Quindi, 100 LED * 15 mA = 1500 mA. Corrente totale scenario peggiore ≈ 1580 mA o 1.58A a 5V. La tua alimentazione deve essere dimensionata per questo.

D: Cosa succede se la temporizzazione del segnale dati è leggermente al di fuori della tolleranza specificata?

R: Il dispositivo potrebbe interpretare erroneamente i dati, portando alla visualizzazione di colori errati o a un completo fallimento della comunicazione lungo la catena. È fondamentale generare il segnale dati con una temporizzazione il più vicina possibile ai valori tipici, rimanendo entro le tolleranze di ±150ns.

D: È necessario un dissipatore di calore?

R: Dipende dalle condizioni operative. A temperatura ambiente e luminosità moderata, la dissipazione nominale di 99mW è probabilmente sufficiente. Tuttavia, se si opera in un involucro ad alta temperatura ambiente o a massima luminosità in modo continuativo, dovrebbe essere eseguita un'analisi termica. La curva di derating nella sezione 5.2 mostra che la corrente massima deve essere ridotta all'aumentare della temperatura, che è una forma indiretta di gestione termica.

12. Esempio di Applicazione Pratica

Scenario: Progettazione di un Pannello a Matrice LED RGB 10x10 per un'Installazione Artistica.

Passaggi di Progettazione:

1. Layout:Disporre 100 LED in una griglia. Collegare tutti i pin VDD a un piano di alimentazione comune a 5V e tutti i pin VSS a un piano di massa comune.

2. Alimentazione:Calcolare la potenza di picco: 100 LED * (0.015A * 5V) = 7.5W. Selezionare un'alimentazione da 5V, 8A (40W) con un margine di circa il 20%. Pianificare l'iniezione di potenza da più lati del pannello per minimizzare la caduta di tensione.

3. Catena Dati:Collegare il DOUT di ciascun LED in una riga al DIN del LED successivo nella stessa riga. Alla fine di ogni riga, il DOUT può essere collegato al DIN del primo LED nella riga successiva, creando una singola lunga catena di 100 LED.

4. Controllo:Un microcontrollore (es. ESP32, Arduino) genera il flusso di dati. Il software deve inviare 2400 bit (100 LED * 24 bit) di dati colore, seguiti da un impulso di reset >250 µs per far aggiornare i LED. Esistono librerie per semplificare questo protocollo.

5. Termica:Montare i LED su un PCB in alluminio o assicurarsi che il pannello abbia ventilazione, poiché 7.5W di calore in uno spazio confinato aumenteranno la temperatura ambiente, innescando la necessità di derating della corrente.

13. Principio Operativo

Il dispositivo opera su un principio semplice ma efficace. L'IC integrato contiene un registro a scorrimento e dissipatori di corrente costante. I dati seriali inseriti nel pin DIN vengono spostati attraverso il registro interno a 24 bit. Una volta ricevuto un segnale di reset, l'IC blocca questi dati. Ogni segmento a 8 bit dei dati bloccati controlla un generatore di Modulazione di Larghezza di Impulso (PWM) per un canale colore (Rosso, Verde, Blu). Il segnale PWM guida quindi un dissipatore di corrente costante collegato al corrispondente chip LED. Un valore di 255 (8'b11111111) risulta in un ciclo di lavoro del 100% (completamente acceso), mentre un valore di 127 risulta in un ciclo di lavoro di ~50%, controllando così la luminosità. Il dissipatore di corrente costante garantisce che il LED riceva una corrente stabile indipendentemente dalle minori variazioni di tensione diretta (V_f) tra chip o con la temperatura.

14. Tendenze Tecnologiche e Contesto

Questo componente rappresenta una chiara tendenza nella tecnologia LED:maggiore integrazione e intelligenza a livello di package.Spostare la funzionalità del driver sullo stesso substrato dell'emettitore (un concetto spesso chiamato "LED con circuiti integrati" o "LED intelligenti") affronta diverse sfide del settore. Riduce il costo e la complessità del sistema per gli utenti finali, migliora la consistenza delle prestazioni e abilita nuove applicazioni come display indirizzabili facilmente scalabili e ad alta risoluzione. Questa tendenza si sta evolvendo verso LED con circuiti integrati più avanzati in grado di velocità dati più elevate (es. per video), memoria integrata per pattern e persino sensori per feedback della luce ambiente o della temperatura, aprendo la strada a sistemi di illuminazione più autonomi e adattivi.