LED RGB SMD com Circuito Integrado Embarcado - 5.0x5.0x1.6mm - Tensão 4.2-5.5V - Potência 99mW - Ficha Técnica em Português

1. Visão Geral do Produto

Este documento detalha as especificações de um LED de montagem em superfície (SMD) que integra chips semicondutores vermelho, verde e azul (RGB) com um circuito integrado (CI) driver de 8 bits embarcado num único encapsulamento. Esta solução integrada foi concebida para simplificar aplicações de corrente constante para os projetistas, eliminando a necessidade de resistências limitadoras de corrente externas ou circuitos driver complexos para cada canal de cor.

1.1 Vantagens Principais e Posicionamento do Produto

A principal vantagem deste componente é o seu elevado nível de integração. Ao combinar a lógica de controlo e os emissores RGB, ele forma um pixel endereçável completo. Esta arquitetura é particularmente benéfica para aplicações que requerem múltiplos LEDs, como fitas de LED, displays matriciais e iluminação decorativa, uma vez que reduz significativamente a contagem de componentes, o espaço na placa e a complexidade do sistema. O dispositivo é encapsulado numa forma padrão compatível com a EIA, tornando-o compatível com processos automatizados de pick-and-place e soldadura por refluxo infravermelho, o que é crucial para fabrico em grande volume.

1.2 Aplicações e Mercados-Alvo

Este LED foi projetado para uma vasta gama de equipamentos eletrónicos onde o espaço, a eficiência e o controlo de cor são primordiais. As suas principais áreas de aplicação incluem:

• Módulos de Cor Completa e Iluminação Suave:Ideal para criar efeitos dinâmicos de mudança de cor em fitas de lâmpadas, iluminação de realce arquitetónico e sistemas de iluminação de ambiente.
• Displays e Sinalização de Interior:Adequado para displays de vídeo irregulares, sinais informativos e painéis decorativos onde é necessário controlo individual de píxeis.
• Eletrónica de Consumo:Pode ser utilizado para indicadores de estado, retroiluminação de painéis frontais ou iluminação estética em dispositivos como equipamentos de rede, eletrodomésticos e periféricos de computador.
• Equipamento Industrial e de Escritório:Aplicável para sinalização de estado e iluminação de interfaces de operador em vários contextos de automação industrial e de escritório.

2. Parâmetros Técnicos: Análise Objetiva Aprofundada

As secções seguintes fornecem uma análise objetiva e detalhada das principais características de desempenho do dispositivo, conforme definido na ficha técnica.

2.1 Valores Máximos Absolutos e Limites de Funcionamento

Estes parâmetros definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Não se destinam a funcionamento normal.

• Dissipação de Potência (P_D):99 mW. Esta é a potência total máxima que o encapsulamento pode dissipar sob a forma de calor. Exceder este limite arrisca sobreaquecimento e falha.
• Gama de Tensão de Alimentação (V_DD):+4.2V a +5.5V. O CI embarcado requer uma alimentação regulada dentro desta gama para um funcionamento fiável. Aplicar tensão fora desta gama pode danificar o circuito de controlo.
• Corrente Direta Total (I_F):18 mA. Este é o máximo da soma das correntes que fluem simultaneamente através dos chips Vermelho, Verde e Azul.
• Gamas de Temperatura:O dispositivo está classificado para funcionar de -40°C a +85°C e pode ser armazenado em ambientes de -40°C a +100°C.

2.2 Características Óticas

Medidas a uma temperatura ambiente (T_a) de 25°C com uma tensão de alimentação (V_DD) de 5V e todos os canais de cor definidos para brilho máximo (8'b11111111).

• Intensidade Luminosa (I_V):Esta é o brilho percebido da luz emitida. Os valores típicos são: Vermelho: 100-200 mcd, Verde: 250-500 mcd, Azul: 50-120 mcd. O chip verde apresenta tipicamente a intensidade luminosa mais elevada.
• Ângulo de Visão (2θ_1/2):120 graus. Este amplo ângulo de visão, característico de uma lente difusa, significa que o LED emite luz sobre uma área ampla, tornando-o adequado para aplicações onde a visibilidade a partir de múltiplos ângulos é importante.
• Comprimento de Onda Dominante (λ_d):Este parâmetro define a cor percebida da luz. As gamas especificadas são: Vermelho: 615-630 nm, Verde: 520-535 nm, Azul: 460-475 nm. Estas gamas situam as cores dentro das bandas espectrais visíveis padrão para vermelho, verde e azul.

2.3 Características Elétricas

Definidas para uma gama de temperatura ambiente de -20°C a +70°C, V_DDde 4.2V a 5.5V, e V_SSa 0V.

• Corrente de Saída do CI (I_F):5 mA (típico). Esta é a corrente constante fornecida pelo driver embarcado a cada chip LED individual Vermelho, Verde e Azul. Este design de corrente constante garante uma saída de cor estável e protege os LEDs de picos de corrente.
• Níveis Lógicos de Entrada:Para o pino de entrada de dados (DIN), um nível lógico alto (V_IH) é reconhecido no mínimo de 2.7V até V_DD. Um nível lógico baixo (V_IL) é reconhecido no máximo de 1.0V. Isto é compatível com a lógica de microcontroladores de 3.3V e 5V.
• Corrente de Repouso do CI (I_DD):0.8 mA (típico) quando todos os dados dos LEDs estão definidos como '0' (desligado). Esta é a potência consumida pelo próprio CI embarcado quando os LEDs não estão iluminados.

3. Protocolo de Transmissão de Dados e Controlo

O dispositivo possui um protocolo de comunicação cascatável por fio único, permitindo que múltiplas unidades sejam ligadas em cadeia e controladas a partir de um único pino de microcontrolador.

3.1 Fundamentos do Protocolo

Os dados são transmitidos como uma sequência de pulsos altos e baixos no pino DIN. Cada bit ('0' ou '1') é codificado por um padrão de temporização específico dentro de um período nominal de 1.2 µs (±300ns).

• Bit '0':Tempo alto (T_0H) = 300 ns ±150ns, seguido de Tempo baixo (T_0L) = 900 ns ±150ns.
• Bit '1':Tempo alto (T_1H) = 900 ns ±150ns, seguido de Tempo baixo (T_1L) = 300 ns ±150ns.

A tolerância de temporização permite alguma variação nas velocidades de relógio do microcontrolador, mas requer temporização precisa de software ou hardware para uma comunicação fiável.

3.2 Estrutura do Quadro de Dados

Cada LED requer 24 bits de dados para definir a sua cor. Os dados são enviados na ordem: Verde (8 bits), Vermelho (8 bits), Azul (8 bits). Cada valor de 8 bits controla o brilho desse canal de cor específico com 256 níveis (0-255). Isto permite a criação de 16.777.216 (256^3) combinações de cores possíveis.

3.3 Cascata e Reset

Os dados enviados para o pino DIN do primeiro LED são deslocados através do seu registo interno e depois enviados para o seu pino DOUT após 24 bits. Este DOUT pode ser ligado ao DIN do LED seguinte na cadeia, permitindo que um número ilimitado de LEDs seja controlado em série. Um sinal baixo no pino DIN com duração superior a 250 µs (tempo RESET) faz com que todos os LEDs na cadeia fixem os dados atualmente nos seus registos e os exibam, preparando-se depois para receber novos dados começando pelo primeiro LED da cadeia.

4. Sistema de Binning de Cor

A ficha técnica fornece uma tabela de binning baseada no diagrama de cromaticidade CIE 1931 para categorizar a saída de cor do LED de difusão branca. Os códigos de bin (A, B, C, D) definem quadriláteros no plano de coordenadas de cor (x, y), cada um com uma tolerância de ±0.01. Este sistema permite aos fabricantes e projetistas selecionar LEDs com características de cor consistentes para aplicações onde a uniformidade de cor entre múltiplas unidades é crítica, como em grandes displays ou painéis de iluminação.

5. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica inclui representações gráficas das principais relações de desempenho.

5.1 Intensidade Relativa vs. Comprimento de Onda (Distribuição Espectral)

Esta curva mostra o espectro de emissão de cada chip de cor (Vermelho, Verde, Azul). Tipicamente exibe picos distintos correspondentes aos comprimentos de onda dominantes. A largura destes picos indica a pureza espectral; picos mais estreitos sugerem cores mais saturadas. A sobreposição entre os espectros de cor, particularmente na região verde-amarela, influenciará a qualidade e a gama de cores mistas (ex.: criar um amarelo puro a partir de vermelho e verde).

5.2 Corrente Direta vs. Curva de Derating por Temperatura Ambiente

Este gráfico é crucial para a gestão térmica. Mostra a corrente direta máxima permitida por chip LED em função da temperatura ambiente. À medida que a temperatura aumenta, a corrente segura máxima diminui. Por exemplo, a 25°C, a corrente máxima pode estar perto dos 18mA nominais, mas a 85°C, a corrente máxima permitida é significativamente menor. Os projetistas devem garantir que a corrente de funcionamento, especialmente quando todas as três cores estão a brilho máximo, não excede o limite de derating na temperatura ambiente máxima esperada para garantir fiabilidade a longo prazo.

5.3 Distribuição Espacial (Padrão de Radiação)

Este gráfico polar ilustra como a intensidade da luz varia com o ângulo de visão em relação ao eixo central do LED. O ângulo de visão de 120 graus fornecido (2θ_1/2) é o ponto onde a intensidade cai para 50% do valor no eixo. A lente difusa cria um padrão tipo Lambertiano, fornecendo iluminação uniforme sobre uma área ampla em vez de um feixe focalizado.

6. Informação Mecânica e de Embalagem

6.1 Dimensões e Configuração do Encapsulamento

O dispositivo tem uma forma nominal de 5.0 mm x 5.0 mm com uma altura de 1.6 mm. Todas as tolerâncias dimensionais são de ±0.2 mm salvo indicação em contrário. Um diagrama de vista superior identifica os quatro pinos: 1 (VDD - Alimentação), 2 (DIN - Entrada de Dados), 3 (VSS - Terra), e 4 (DOUT - Saída de Dados).

6.2 Layout Recomendado das Pistas de Montagem na PCB

É fornecido um diagrama do padrão de pistas para orientar o desenho da PCB. Seguir estas dimensões e espaçamentos recomendados para as pistas é essencial para obter soldaduras fiáveis durante o processo de refluxo e garantir estabilidade mecânica adequada.

7. Diretrizes de Montagem e Manuseamento

7.1 Processo de Soldadura

O dispositivo é compatível com processos de soldadura por refluxo infravermelho (IR) adequados para solda sem chumbo (Pb-free). A ficha técnica referencia um perfil de acordo com a norma J-STD-020B. Parâmetros-chave num tal perfil incluem pré-aquecimento, imersão, temperatura de pico de refluxo (que não deve exceder a temperatura máxima nominal do dispositivo) e taxa de arrefecimento. Seguir o perfil recomendado é crítico para evitar choque térmico, defeitos nas soldaduras ou danos no encapsulamento do LED e no CI interno.

7.2 Limpeza

Se for necessária limpeza pós-montagem, o método recomendado é imergir a placa montada em álcool etílico ou isopropílico à temperatura ambiente durante menos de um minuto. O uso de produtos de limpeza químicos não especificados ou agressivos é proibido, pois podem danificar a lente de plástico ou o material do encapsulamento.

8. Embalagem e Encomenda

Os LEDs são fornecidos em fita transportadora relevada com 8mm de largura, enrolada em bobinas com diâmetro de 7 polegadas (178mm). A quantidade de embalagem padrão é de 4000 peças por bobina. As especificações da fita e bobina estão em conformidade com as normas ANSI/EIA 481, garantindo compatibilidade com equipamentos de montagem automatizada. São fornecidos desenhos dimensionais detalhados para os bolsos da fita e para a bobina para fins logísticos e de configuração de máquina.

9. Considerações de Projeto de Aplicação

9.1 Projeto da Fonte de Alimentação

Uma fonte de alimentação estável e com baixo ruído dentro da gama de 4.2V a 5.5V é essencial. A procura total de corrente para uma cadeia de LEDs deve ser calculada: I_total= (Número de LEDs) * (I_{DD_quiescente}) + (Número de Píxeis Acesos) * (I_{F_R}+ I_{F_G}+ I_{F_B}). Para instalações grandes, considere a queda de tensão ao longo das linhas de alimentação, o que pode exigir injeção de energia em múltiplos pontos.

9.2 Integridade do Sinal de Dados

Para cadeias longas ou em ambientes eletricamente ruidosos, a integridade do sinal na linha de dados (DIN/DOUT) pode degradar-se. Estratégias para mitigar isto incluem usar uma taxa de dados mais baixa (se a temporização permitir), adicionar uma pequena resistência em série (ex.: 100-470 Ω) na saída do microcontrolador para reduzir ringing, e garantir uma ligação de terra sólida e de baixa impedância em todo o sistema.

9.3 Gestão Térmica

Embora o driver de corrente constante forneça proteção inerente, a potência dissipada como calor (P = V_f* I_fpara cada chip, mais a perda do CI) deve ser gerida. Garanta ventilação adequada ou dissipação de calor se os LEDs funcionarem a níveis de brilho elevados ou em temperaturas ambientes altas, especialmente em matrizes densamente compactadas. Consulte a curva de derating na secção 5.2.

10. Comparação e Diferenciação Técnica

O principal diferenciador deste componente é odriver de corrente constante embarcado. Comparado com um LED RGB padrão que requer três resistências limitadoras de corrente externas e um circuito driver externo de multiplexagem ou PWM, esta solução integrada oferece vantagens significativas:

• Design Simplificado:Reduz a Lista de Materiais (BOM) e a complexidade do layout da PCB.
• Consistência Melhorada:A fonte de corrente constante no chip fornece condições de acionamento idênticas para cada cor em cada unidade, levando a uma melhor uniformidade de cor numa produção.
• Cascatabilidade:O protocolo de fio único permite controlar centenas de LEDs a partir de um único pino de microcontrolador, simplificando vastamente a fiação e o software de controlo para grandes instalações.
• Profundidade de Cor Elevada:Controlo de 8 bits (256 níveis) por canal de cor permite gradientes suaves e uma vasta paleta de cores, o que é superior a soluções multiplexadas ou controladas analogicamente mais simples.

11. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Posso alimentar este LED diretamente a partir de uma fonte de 3.3V de um microcontrolador?

R: Não. A tensão de alimentação mínima absoluta (V_DD) é 4.2V. Uma alimentação de 3.3V está abaixo da gama de funcionamento e não alimentará o CI embarcado corretamente. Precisa de um barramento de alimentação separado de 5V (ou 4.2-5.5V) para os LEDs.

P: Como calculo a corrente necessária para o meu projeto com 100 destes LEDs?

R: Deve considerar dois componentes: 1) Corrente de repouso para os CIs: 100 LEDs * 0.8 mA = 80 mA. 2) Corrente dos LEDs: Isto depende das cores exibidas. No pior cenário (todos os LEDs a mostrar branco a brilho máximo), cada LED consome ~15 mA (3 cores * 5 mA). Assim, 100 LEDs * 15 mA = 1500 mA. Corrente total no pior cenário ≈ 1580 mA ou 1.58A a 5V. A sua fonte de alimentação deve estar dimensionada para isto.

P: O que acontece se a temporização do sinal de dados estiver ligeiramente fora da tolerância especificada?

R: O dispositivo pode interpretar mal os dados, levando a cores incorretas sendo exibidas ou a uma falha completa da comunicação ao longo da cadeia. É crítico gerar o sinal de dados com temporização o mais próxima possível dos valores típicos, mantendo-se dentro das tolerâncias de ±150ns.

P: É necessário um dissipador de calor?

R: Depende das condições de funcionamento. À temperatura ambiente e com brilho moderado, a classificação de dissipação de potência de 99mW é provavelmente suficiente. No entanto, se funcionar num invólucro com temperatura ambiente elevada ou a brilho máximo continuamente, deve ser realizada uma análise térmica. A curva de derating na secção 5.2 mostra que a corrente máxima deve ser reduzida à medida que a temperatura sobe, o que é uma forma indireta de gestão térmica.

12. Exemplo de Aplicação Prática

Cenário: Projetar um Painel Matricial de LED RGB 10x10 para uma Instalação Artística.

Passos do Projeto:

1. Layout:Disponha 100 LEDs numa grelha. Ligue todos os pinos VDD a um plano de alimentação comum de 5V e todos os pinos VSS a um plano de terra comum.

2. Alimentação:Calcule a potência de pico: 100 LEDs * (0.015A * 5V) = 7.5W. Selecione uma fonte de alimentação de 5V, 8A (40W) com uma margem de ~20%. Planeie a injeção de energia a partir de múltiplos lados do painel para minimizar a queda de tensão.

3. Cadeia de Dados:Ligue o DOUT de cada LED numa linha ao DIN do LED seguinte na mesma linha. No final de cada linha, o DOUT pode ser ligado ao DIN do primeiro LED na linha seguinte, criando uma única cadeia longa de 100 LEDs.

4. Controlo:Um microcontrolador (ex.: ESP32, Arduino) gera o fluxo de dados. O software deve enviar 2400 bits (100 LEDs * 24 bits) de dados de cor, seguidos de um pulso de reset >250 µs para fazer os LEDs atualizarem. Existem bibliotecas para simplificar este protocolo.

5. Térmica:Monte os LEDs numa PCB de alumínio ou garanta que o painel tem ventilação, pois 7.5W de calor num espaço confinado elevará a temperatura ambiente, desencadeando a necessidade de derating de corrente.

13. Princípio de Funcionamento

O dispositivo funciona com um princípio simples mas eficaz. O CI embarcado contém um registo de deslocamento e sumidouros de corrente constante. Os dados seriais introduzidos no pino DIN são deslocados através do registo interno de 24 bits. Assim que um sinal de reset é recebido, o CI fixa estes dados. Cada segmento de 8 bits dos dados fixados controla um gerador de Modulação por Largura de Pulso (PWM) para um canal de cor (Vermelho, Verde, Azul). O sinal PWM aciona então um sumidouro de corrente constante ligado ao chip LED correspondente. Um valor de 255 (8'b11111111) resulta num ciclo de trabalho de 100% (totalmente ligado), enquanto um valor de 127 resulta num ciclo de trabalho de ~50%, controlando assim o brilho. O sumidouro de corrente constante garante que o LED recebe uma corrente estável independentemente de pequenas variações na tensão direta (V_f) entre chips ou com a temperatura.

14. Tendências e Contexto Tecnológico

Este componente representa uma tendência clara na tecnologia LED:integração e inteligência aumentadas ao nível do encapsulamento.Mover a funcionalidade do driver para o mesmo substrato que o emissor (um conceito frequentemente chamado "LEDs com circuitos integrados" ou "LEDs inteligentes") aborda vários desafios da indústria. Reduz o custo e a complexidade do sistema para os utilizadores finais, melhora a consistência do desempenho e permite novas aplicações como displays endereçáveis de alta resolução e facilmente escaláveis. Esta tendência está a evoluir para LEDs com circuitos integrados mais avançados capazes de taxas de dados mais elevadas (ex.: para vídeo), memória incorporada para padrões, e até sensores para feedback de luz ambiente ou temperatura, abrindo caminho para sistemas de iluminação mais autónomos e adaptativos.