内蔵IC搭載SMD RGB LED - 5.0x5.0x1.6mm - 電圧4.2-5.5V - 消費電力99mW - 日本語技術仕様書

1. 製品概要

本資料は、赤、緑、青（RGB）の半導体チップと8ビット駆動集積回路（IC）を単一パッケージ内に統合した表面実装デバイス（SMD）LEDの仕様を詳細に説明します。この統合ソリューションは、設計者にとって定電流アプリケーションを簡素化することを目的としており、各色チャネルごとの外部電流制限抵抗や複雑な駆動回路を不要とします。

1.1 中核的利点と製品ポジショニング

この部品の主な利点は、その高度な集積度にあります。制御ロジックとRGB発光素子を組み合わせることで、完全なアドレス可能な画素点を形成します。このアーキテクチャは、LEDストリップ、マトリクスディスプレイ、装飾照明など、複数のLEDを必要とするアプリケーションに特に有益であり、部品点数、基板スペース、システムの複雑さを大幅に削減します。本デバイスは標準的なEIA準拠のフットプリントでパッケージングされており、自動実装機や赤外線リフローはんだ付けプロセスとの互換性があり、大量生産において極めて重要です。

1.2 ターゲットアプリケーションと市場

このLEDは、スペース、効率性、色制御が最も重要となる幅広い電子機器向けに設計されています。主な適用分野は以下の通りです：

• フルカラーモジュールとソフト照明：ランプストリップ、建築アクセント照明、ムード照明システムにおける動的な色変化効果の作成に理想的です。
• 屋内ディスプレイとサイネージ：不規則なビデオディスプレイ、情報表示サイン、個々の画素制御が必要な装飾パネルに適しています。
• コンシューマーエレクトロニクス：ネットワーク機器、家電製品、コンピュータ周辺機器などのデバイスにおける状態表示、フロントパネルバックライト、または美的照明として使用できます。
• 産業・オフィス機器：様々な産業およびオフィスオートメーションの文脈における状態信号表示や操作者インターフェースの照明に適用可能です。

2. 技術パラメータ：詳細な客観的分析

以下のセクションでは、データシートに定義されたデバイスの主要な性能特性について、詳細かつ客観的な分析を提供します。

2.1 絶対最大定格と動作限界

これらのパラメータは、デバイスに永久的な損傷が発生する可能性のあるストレスの限界を定義します。通常動作を意図したものではありません。

• 消費電力（P_D）：99 mW。これはパッケージが熱として放散できる最大総電力です。この限界を超えると過熱や故障のリスクがあります。
• 電源電圧範囲（V_DD）：+4.2V から +5.5V。内蔵ICは、確実な動作のためにこの範囲内の安定化電源を必要とします。この範囲外の電圧を印加すると、制御回路を損傷する可能性があります。
• 総順方向電流（I_F）：18 mA。これは赤、緑、青のチップを同時に流れる電流の最大合計値です。
• 温度範囲：デバイスの動作温度範囲は-40°Cから+85°C、保管温度範囲は-40°Cから+100°Cです。

2.2 光学特性

周囲温度（T_a) of 25°C with a supply voltage (V_DD）5V、全色チャネルを最大輝度（8'b11111111）に設定した状態で測定。

• 光度（I_V）：これは光出力の知覚される明るさです。代表値は以下の通りです：赤：100-200 mcd、緑：250-500 mcd、青：50-120 mcd。通常、緑チップが最も高い光度を示します。
• 指向角（2θ_1/2）：120度。拡散レンズに特徴的なこの広い指向角は、LEDが広い領域に光を放射することを意味し、複数の角度からの視認性が重要なアプリケーションに適しています。
• 主波長（λ_d）：このパラメータは光の知覚される色を定義します。指定範囲は以下の通りです：赤：615-630 nm、緑：520-535 nm、青：460-475 nm。これらの範囲は、赤、緑、青の標準的な可視スペクトル帯域内に色を位置付けます。

2.3 電気的特性

周囲温度範囲-20°Cから+70°C、V_DD4.2Vから5.5V、V_SS0Vで定義。

• IC出力電流（I_F）：5 mA（代表値）。これは内蔵駆動ICが個々の赤、緑、青LEDチップに供給する定電流です。この定電流設計により、安定した色出力が確保され、LEDは電流スパイクから保護されます。
• 入力論理レベル：データ入力（DIN）ピンでは、論理ハイ（V_IH）は最低2.7VからV_DDまで認識されます。論理ロー（V_IL）は最大1.0Vで認識されます。これは3.3Vおよび5Vマイクロコントローラの論理と互換性があります。
• IC静止時電流（I_DD）：0.8 mA（代表値）（全LEDデータが'0'（オフ）に設定されている場合）。これはLEDが点灯していないときに内蔵IC自体が消費する電力です。

3. データ伝送プロトコルと制御

本デバイスは、シングルワイヤ、カスケード接続可能な通信プロトコルを備えており、複数のユニットをデイジーチェーン接続し、単一のマイクロコントローラピンから制御することができます。

3.1 プロトコルの基礎

データは、DINピン上の高低パルスのシーケンスとして伝送されます。各ビット（'0'または'1'）は、公称周期1.2 µs（±300ns）内の特定のタイミングパターンによってエンコードされます。

• '0'ビット：ハイ時間（T_0H）= 300 ns ±150ns、その後ロー時間（T_0L）= 900 ns ±150ns。
• '1'ビット：ハイ時間（T_1H）= 900 ns ±150ns、その後ロー時間（T_1L）= 300 ns ±150ns。

タイミング許容範囲により、マイクロコントローラのクロック速度にある程度の変動が許容されますが、確実な通信のためには正確なソフトウェアまたはハードウェアのタイミングが必要です。

3.2 データフレーム構造

各LEDは、その色を設定するために24ビットのデータを必要とします。データは緑（8ビット）、赤（8ビット）、青（8ビット）の順に送信されます。各8ビット値は、256段階（0-255）で特定の色チャネルの輝度を制御します。これにより、16,777,216（256^3）通りの可能な色の組み合わせを作成できます。

3.3 カスケード接続とリセット

最初のLEDのDINピンに送信されたデータは、その内部レジスタを通過し、24ビット後にそのDOUTピンから出力されます。このDOUTは、チェーン内の次のLEDのDINに接続でき、無制限の数のLEDを直列に制御することが可能です。DINピンの低信号が250 µs（RESET時間）以上続くと、チェーン内の全LEDが現在レジスタにあるデータをラッチして表示し、その後チェーンの最初のLEDから新しいデータの受信準備を開始します。

4. 色ビニングシステム

データシートは、白色拡散LEDの色出力を分類するためのCIE 1931色度図ベースのビニングテーブルを提供します。ビンコード（A, B, C, D）は、（x, y）色座標平面上の四角形を定義し、各々の許容差は±0.01です。このシステムにより、メーカーや設計者は、大規模ディスプレイや照明パネルなど、複数ユニット間での色の均一性が重要なアプリケーションにおいて、一貫した色特性を持つLEDを選択することができます。

5. 性能曲線分析

データシートには、主要な性能関係をグラフで示したものが含まれています。

5.1 相対強度対波長（スペクトル分布）

この曲線は、各色チップ（赤、緑、青）の発光スペクトルを示しています。通常、主波長に対応する明確なピークが表示されます。これらのピークの幅はスペクトル純度を示します。狭いピークはより飽和した色を示唆します。色スペクトル間の重なり、特に緑黄色領域での重なりは、混合色（例：赤と緑から純粋な黄色を作成する）の品質と範囲に影響を与えます。

5.2 順方向電流対周囲温度デレーティング曲線

このグラフは熱管理において極めて重要です。周囲温度の関数として、LEDチップごとの最大許容順方向電流を示しています。温度が上昇すると、最大安全電流は減少します。例えば、25°Cでは最大電流は定格の18mAに近いかもしれませんが、85°Cでは最大許容電流は大幅に低くなります。設計者は、特に3色すべてが最大輝度の状態で動作する場合、最高予想周囲温度でのデレーティング限界を超えないように動作電流を確保し、長期信頼性を確保する必要があります。

5.3 空間分布（指向特性）

この極座標プロットは、LEDの中心軸に対する視野角に応じて光強度がどのように変化するかを示しています。指定された120度の指向角（2θ_1/2）は、強度が軸上値の50%に低下する点です。拡散レンズはランバート的なパターンを作り出し、集光ビームではなく広い領域に均一な照明を提供します。

6. 機械的およびパッケージ情報

6.1 パッケージ寸法と構成

デバイスの公称フットプリントは5.0 mm x 5.0 mm、高さは1.6 mmです。特に指定がない限り、全ての寸法公差は±0.2 mmです。上面図は4つのピン：1（VDD - 電源）、2（DIN - データ入力）、3（VSS - グランド）、4（DOUT - データ出力）を示しています。

6.2 推奨PCB実装パッドレイアウト

PCB設計をガイドするためのランドパターン図が提供されています。リフロー工程中に確実なはんだ接合を実現し、適切な機械的安定性を確保するためには、これらの推奨パッド寸法と間隔を遵守することが不可欠です。

7. 組立および取り扱いガイドライン

7.1 はんだ付けプロセス

本デバイスは、鉛フリーはんだに適した赤外線（IR）リフローはんだ付けプロセスと互換性があります。データシートはJ-STD-020B規格に準拠したプロファイルを参照しています。このようなプロファイルの主要パラメータには、予熱、ソーク、リフロー最高温度（デバイスの最高温度定格を超えてはならない）、冷却速度が含まれます。推奨プロファイルに従うことは、熱衝撃、はんだ接合不良、またはLEDパッケージおよび内部ICへの損傷を防ぐために重要です。

7.2 洗浄

組立後の洗浄が必要な場合は、組立済み基板を室温のエチルアルコールまたはイソプロピルアルコールに1分未満浸漬する方法が推奨されます。指定されていない、または強力な化学洗浄剤の使用は、プラスチックレンズやパッケージ材料を損傷する可能性があるため禁止されています。

8. 包装と発注

LEDは、8mm幅のエンボス加工キャリアテープに巻き取られ、直径7インチ（178mm）のリールで供給されます。標準包装数量はリールあたり4000個です。テープとリールの仕様はANSI/EIA 481規格に準拠しており、自動組立装置との互換性を確保しています。ロジスティクスおよび機械設定の目的で、テープポケットとリールの詳細な寸法図が提供されています。

9. アプリケーション設計上の考慮事項

9.1 電源設計

4.2Vから5.5Vの範囲内の安定した低ノイズの電源が不可欠です。一連のLEDの総電流需要は次のように計算する必要があります：I_total=（LED数）*（I_{DD_quiescent}）+（点灯画素数）*（I_{F_R}+ I_{F_G}+ I_{F_B}）。大規模な設置の場合、電源ラインに沿った電圧降下を考慮し、複数点での電源注入が必要になる場合があります。

9.2 データ信号の完全性

長いデイジーチェーンや電気的にノイズの多い環境では、データライン（DIN/DOUT）上の信号の完全性が低下する可能性があります。これを軽減するための戦略には、データレートの低下（タイミングが許す場合）、リンギングを低減するためのマイクロコントローラ出力に小さな直列抵抗（例：100-470 Ω）の追加、システム全体での確固たる低インピーダンスのグランド接続の確保が含まれます。

9.3 熱管理

定電流ドライバは本質的な保護を提供しますが、熱として放散される電力（各チップについてP = V_f* I_f、プラスIC損失）は管理されなければなりません。LEDが高輝度レベルまたは高周囲温度で動作する場合、特に高密度に配置されたアレイでは、十分な換気または放熱を確保してください。セクション5.2のデレーティング曲線を参照してください。

10. 技術比較と差別化

この部品の主要な差別化要因は、内蔵定電流駆動ICです。3つの外部電流制限抵抗と外部マルチプレクサまたはPWM駆動回路を必要とする標準RGB LEDと比較して、この統合ソリューションは以下のような大きな利点を提供します：

• 設計の簡素化：部品表（BOM）とPCBレイアウトの複雑さを軽減します。
• 一貫性の向上：オンチップ定電流源は、各ユニットの各色に対して同一の駆動条件を提供し、生産ロット全体でより良い色の均一性をもたらします。
• カスケード接続性：シングルワイヤプロトコルにより、1つのマイクロコントローラピンから数百個のLEDを制御でき、大規模な設置における配線と制御ソフトウェアを大幅に簡素化します。
• 高色深度：色チャネルごとの8ビット（256段階）制御により、滑らかなグラデーションと広大なカラーパレットが可能となり、より単純なマルチプレクスまたはアナログ制御ソリューションよりも優れています。

11. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: このLEDを3.3Vのマイクロコントローラ電源から直接給電できますか？

A: できません。絶対最小電源電圧（V_DD）は4.2Vです。3.3V電源は動作範囲以下であり、内蔵ICを正しく動作させることができません。LED用に別個の5V（または4.2-5.5V）電源ラインが必要です。

Q: このLEDを100個使用するプロジェクトに必要な電流はどのように計算しますか？

A: 2つの要素を考慮する必要があります：1）ICの静止時電流：100 LED * 0.8 mA = 80 mA。2）LED電流：これは表示される色に依存します。最悪の場合（全LEDが最大輝度の白色を表示）、各LEDは約15 mA（3色 * 5 mA）を消費します。したがって、100 LED * 15 mA = 1500 mA。最悪の場合の総電流は約1580 mA、または5Vで1.58Aです。電源はこの値に対応する定格が必要です。

Q: データ信号のタイミングが指定された許容範囲をわずかに超えた場合、どうなりますか？

A: デバイスがデータを誤って解釈し、誤った色が表示されたり、チェーン全体の通信が完全に失敗したりする可能性があります。データ信号は、タイミングを可能な限り代表値に近づけ、±150nsの許容範囲内に収まるように生成することが極めて重要です。

Q: ヒートシンクは必要ですか？

A: 動作条件によります。室温および中程度の輝度では、99mWの消費電力定格で十分である可能性が高いです。しかし、高温の筐体内で動作する場合、または連続して最大輝度で動作する場合は、熱解析を行うべきです。セクション5.2のデレーティング曲線は、温度が上昇するにつれて最大電流を減らさなければならないことを示しており、これは熱管理の間接的な形態です。

12. 実用的なアプリケーション例

シナリオ：アートインスタレーション用10x10 RGB LEDマトリクスパネルの設計

設計手順：

1. レイアウト：100個のLEDをグリッド状に配置します。全てのVDDピンを共通の5V電源プレーンに、全てのVSSピンを共通のグランドプレーンに接続します。

2. 電源：ピーク電力の計算：100 LED * (0.015A * 5V) = 7.5W。約20%の余裕を持った5V、8A（40W）の電源を選択します。電圧降下を最小限に抑えるために、パネルの複数側から電源を注入する計画を立てます。

3. データチェーン：各行内の各LEDのDOUTを、同じ行の次のLEDのDINに接続します。各行の終端で、DOUTを次の行の最初のLEDのDINに接続し、100個のLEDの単一の長いチェーンを作成します。

4. 制御：マイクロコントローラ（例：ESP32、Arduino）がデータストリームを生成します。ソフトウェアは2400ビット（100 LED * 24ビット）のカラーデータを送信し、その後250 µs以上のリセットパルスを送ってLEDを更新させる必要があります。このプロトコルを簡素化するライブラリが存在します。

5. 熱：LEDをアルミニウム基板に実装するか、パネルに換気を確保してください。密閉空間での7.5Wの熱は周囲温度を上昇させ、電流のデレーティングが必要になる可能性があります。

13. 動作原理

本デバイスは、シンプルかつ効果的な原理で動作します。内蔵ICにはシフトレジスタと定電流シンクが含まれています。DINピンにクロックインされたシリアルデータは、内部24ビットレジスタを通過します。リセット信号を受信すると、ICはこのデータをラッチします。ラッチされたデータの各8ビットセグメントは、1つの色チャネル（赤、緑、青）用のパルス幅変調（PWM）ジェネレータを制御します。PWM信号は、対応するLEDチップに接続された定電流シンクを駆動します。値255（8'b11111111）は100%のデューティサイクル（完全点灯）をもたらし、値127は約50%のデューティサイクルをもたらし、これにより輝度を制御します。定電流シンクは、チップ間または温度によるわずかな順方向電圧（V_f）の変動に関わらず、LEDが安定した電流を受け取ることを保証します。

14. 技術トレンドと背景

この部品は、LED技術における明確なトレンドを表しています：パッケージレベルでの集積度と知能の向上駆動機能を発光素子と同じ基板上に移動させる（集積回路内蔵LEDまたはスマートLEDと呼ばれることが多い概念）ことは、いくつかの業界課題に対処します。エンドユーザーのシステムコストと複雑さを軽減し、性能の一貫性を向上させ、容易に拡張可能な高解像度アドレス可能ディスプレイなどの新しいアプリケーションを可能にします。このトレンドは、より高速なデータレート（例：ビデオ用）、パターン用の内蔵メモリ、さらには環境光や温度フィードバック用のセンサーを備えたより高度な集積回路を内蔵したLEDへと進化しており、より自律的で適応的な照明システムへの道を開いています。