SMD RGB светодиод со встроенной микросхемой - 5.0x5.0x1.6мм - Напряжение 4.2-5.5В - Мощность 99мВт - Техническая спецификация

1. Обзор продукта

В данном документе подробно описаны характеристики поверхностно-монтируемого (SMD) светодиода, который объединяет красный, зелёный и синий (RGB) полупроводниковые кристаллы со встроенной 8-битной драйверной интегральной схемой (ИС) в одном корпусе. Это интегрированное решение разработано для упрощения применения схем постоянного тока для разработчиков, устраняя необходимость во внешних токоограничивающих резисторах или сложных драйверных схемах для каждого цветового канала.

1.1 Ключевые преимущества и позиционирование продукта

Основное преимущество данного компонента — высокая степень интеграции. Объединяя управляющую логику и RGB-излучатели, он формирует полный адресуемый пиксель. Такая архитектура особенно выгодна для применений, требующих множества светодиодов, таких как светодиодные ленты, матричные дисплеи и декоративная подсветка, поскольку она значительно сокращает количество компонентов, занимаемую площадь на плате и сложность системы. Устройство выполнено в стандартном корпусе, соответствующем стандартам EIA, что обеспечивает совместимость с автоматизированными процессами установки и пайки оплавлением, что критически важно для крупносерийного производства.

1.2 Целевые применения и рынки

Данный светодиод разработан для широкого спектра электронного оборудования, где важны компактность, эффективность и управление цветом. Его ключевые области применения включают:

• Полноцветные модули и мягкое освещение:Идеально подходит для создания динамических цветовых эффектов в световых лентах, архитектурной подсветке и системах освещения для создания настроения.
• Внутренние дисплеи и вывески:Подходит для нестандартных видеодисплеев, информационных знаков и декоративных панелей, где требуется индивидуальное управление пикселями.
• Потребительская электроника:Может использоваться для индикаторов состояния, подсветки передних панелей или эстетической подсветки в устройствах, таких как сетевое оборудование, бытовая техника и компьютерные периферийные устройства.
• Промышленное и офисное оборудование:Применим для сигнализации состояния и подсветки интерфейсов оператора в различных контекстах промышленной и офисной автоматизации.

2. Технические параметры: Подробный объективный анализ

В следующих разделах представлен детальный, объективный анализ ключевых эксплуатационных характеристик устройства, определённых в спецификации.

2.1 Абсолютные максимальные и рабочие предельные значения

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для нормальной работы.

• Рассеиваемая мощность (P_D):99 мВт. Это максимальная общая мощность, которую корпус может рассеивать в виде тепла. Превышение этого предела грозит перегревом и выходом из строя.
• Диапазон напряжения питания (V_DD):от +4.2В до +5.5В. Встроенная ИС требует стабилизированного питания в этом диапазоне для надёжной работы. Подача напряжения вне этого диапазона может повредить управляющую схему.
• Суммарный прямой ток (I_F):18 мА. Это максимальная сумма токов, протекающих через красный, зелёный и синий кристаллы одновременно.
• Температурные диапазоны:Устройство рассчитано на работу в диапазоне от -40°C до +85°C и может храниться в средах от -40°C до +100°C.

2.2 Оптические характеристики

Измерено при температуре окружающей среды (T_a) 25°C, напряжении питания (V_DD) 5В и всех цветовых каналах, установленных на максимальную яркость (8'b11111111).

• Сила света (I_V):Это воспринимаемая яркость светового потока. Типичные значения: Красный: 100-200 мкд, Зелёный: 250-500 мкд, Синий: 50-120 мкд. Зелёный кристалл обычно демонстрирует наибольшую силу света.
• Угол обзора (2θ_1/2):120 градусов. Этот широкий угол обзора, характерный для рассеивающей линзы, означает, что светодиод излучает свет в широкой области, что делает его подходящим для применений, где важна видимость с нескольких углов.
• Доминирующая длина волны (λ_d):Этот параметр определяет воспринимаемый цвет света. Указанные диапазоны: Красный: 615-630 нм, Зелёный: 520-535 нм, Синий: 460-475 нм. Эти диапазоны помещают цвета в стандартные видимые спектральные диапазоны для красного, зелёного и синего.

2.3 Электрические характеристики

Определены для диапазона температуры окружающей среды от -20°C до +70°C, V_DD от 4.2В до 5.5В и V_SS на уровне 0В.

• Выходной ток ИС (I_F):5 мА (тип.). Это постоянный ток, подаваемый встроенным драйвером на каждый отдельный красный, зелёный и синий светодиодный кристалл. Такая конструкция с постоянным током обеспечивает стабильный цветовой выход и защищает светодиоды от скачков тока.
• Логические уровни входа:Для вывода входа данных (DIN) логическая единица (V_IH) распознаётся при минимальном значении 2.7В вплоть до V_DD. Логический ноль (V_IL) распознаётся при максимальном значении 1.0В. Это совместимо с логикой микроконтроллеров на 3.3В и 5В.
• Ток покоя ИС (I_DD):0.8 мА (тип.), когда все данные светодиодов установлены в '0' (выключено). Это мощность, потребляемая самой встроенной ИС, когда светодиоды не светятся.

3. Протокол передачи данных и управление

Устройство использует однопроводной каскадируемый протокол связи, позволяющий соединять множество блоков в цепочку и управлять ими с одного вывода микроконтроллера.

3.1 Основы протокола

Данные передаются в виде последовательности высоких и низких импульсов на выводе DIN. Каждый бит ('0' или '1') кодируется определённой временной диаграммой в номинальном периоде 1.2 мкс (±300нс).

• Бит '0':Время высокого уровня (T_0H) = 300 нс ±150нс, затем время низкого уровня (T_0L) = 900 нс ±150нс.
• Бит '1':Время высокого уровня (T_1H) = 900 нс ±150нс, затем время низкого уровня (T_1L) = 300 нс ±150нс.

Допуск по времени позволяет учитывать некоторые вариации в тактовых частотах микроконтроллера, но требует точного программного или аппаратного тайминга для надёжной связи.

3.2 Структура кадра данных

Каждому светодиоду требуется 24 бита данных для установки его цвета. Данные отправляются в порядке: Зелёный (8 бит), Красный (8 бит), Синий (8 бит). Каждое 8-битное значение управляет яркостью соответствующего цветового канала с 256 уровнями (0-255). Это позволяет создавать 16 777 216 (256^3) возможных цветовых комбинаций.

3.3 Каскадирование и сброс

Данные, отправленные на вывод DIN первого светодиода, сдвигаются через его внутренний регистр и затем выводятся на его вывод DOUT после 24 бит. Этот DOUT может быть подключен к DIN следующего светодиода в цепочке, что позволяет последовательно управлять неограниченным количеством светодиодов. Низкий сигнал на выводе DIN, длящийся более 250 мкс (время RESET), заставляет все светодиоды в цепочке зафиксировать данные, находящиеся в их регистрах, и отобразить их, а затем подготовиться к приёму новых данных, начиная с первого светодиода в цепочке.

4. Система сортировки по цвету

В спецификации представлена таблица сортировки на основе диаграммы цветности CIE 1931 для категоризации цветового выхода белого рассеянного светодиода. Коды групп (A, B, C, D) определяют четырёхугольники на плоскости цветовых координат (x, y), каждый с допуском ±0.01. Эта система позволяет производителям и разработчикам выбирать светодиоды с согласованными цветовыми характеристиками для применений, где критически важна однородность цвета между множеством устройств, например, в больших дисплеях или световых панелях.

5. Анализ характеристических кривых

Спецификация включает графические представления ключевых зависимостей характеристик.

5.1 Относительная интенсивность в зависимости от длины волны (спектральное распределение)

Эта кривая показывает спектр излучения каждого цветового кристалла (Красный, Зелёный, Синий). Обычно на ней отображаются чёткие пики, соответствующие доминирующим длинам волн. Ширина этих пиков указывает на спектральную чистоту; более узкие пики предполагают более насыщенные цвета. Перекрытие между цветовыми спектрами, особенно в зелёно-жёлтой области, будет влиять на качество и диапазон смешанных цветов (например, создание чистого жёлтого из красного и зелёного).

5.2 Кривая снижения прямого тока в зависимости от температуры окружающей среды

Этот график критически важен для управления тепловым режимом. Он показывает максимально допустимый прямой ток для каждого светодиодного кристалла в зависимости от температуры окружающей среды. С ростом температуры максимальный безопасный ток уменьшается. Например, при 25°C максимальный ток может быть близок к номинальному 18мА, но при 85°C максимально допустимый ток значительно ниже. Разработчики должны убедиться, что рабочий ток, особенно когда все три цвета работают на полной яркости, не превышает сниженного предела при максимально ожидаемой температуре окружающей среды, чтобы обеспечить долгосрочную надёжность.

5.3 Пространственное распределение (диаграмма направленности)

Эта полярная диаграмма иллюстрирует, как интенсивность света изменяется в зависимости от угла обзора относительно центральной оси светодиода. Указанный угол обзора 120 градусов (2θ_1/2) — это точка, где интенсивность падает до 50% от осевого значения. Рассеивающая линза создаёт ламебертовскую диаграмму, обеспечивая равномерное освещение на широкой площади, а не сфокусированный луч.

6. Механическая информация и упаковка

6.1 Габариты корпуса и конфигурация

Устройство имеет номинальные размеры 5.0 мм x 5.0 мм и высоту 1.6 мм. Все размерные допуски составляют ±0.2 мм, если не указано иное. Вид сверху идентифицирует четыре вывода: 1 (VDD — Питание), 2 (DIN — Вход данных), 3 (VSS — Земля) и 4 (DOUT — Выход данных).

6.2 Рекомендуемая конфигурация контактных площадок на печатной плате

Предоставлена диаграмма посадочного места для руководства проектированием печатной платы. Соблюдение этих рекомендуемых размеров и расстояний между контактными площадками крайне важно для получения надёжных паяных соединений в процессе оплавления и обеспечения надлежащей механической стабильности.

7. Рекомендации по монтажу и обращению

7.1 Процесс пайки

Устройство совместимо с процессами пайки оплавлением (ИК), подходящими для бессвинцового припоя. В спецификации приводится температурный профиль в соответствии со стандартом J-STD-020B. Ключевые параметры такого профиля включают предварительный нагрев, выдержку, пиковую температуру оплавления (которая не должна превышать максимальную рабочую температуру устройства) и скорость охлаждения. Следование рекомендуемому профилю критически важно для предотвращения теплового удара, дефектов паяных соединений или повреждения корпуса светодиода и внутренней ИС.

7.2 Очистка

Если необходима очистка после сборки, рекомендуемый метод — погружение собранной платы в этиловый или изопропиловый спирт при комнатной температуре на время менее одной минуты. Использование неуказанных или агрессивных химических очистителей запрещено, так как они могут повредить пластиковую линзу или материал корпуса.

8. Упаковка и заказ

Светодиоды поставляются на 8-миллиметровой эмбоссированной несущей ленте, намотанной на катушки диаметром 7 дюймов (178 мм). Стандартное количество упаковки — 4000 штук на катушке. Спецификации ленты и катушки соответствуют стандартам ANSI/EIA 481, обеспечивая совместимость с автоматизированным сборочным оборудованием. Предоставлены подробные чертежи размеров карманов ленты и катушки для целей логистики и настройки оборудования.

9. Соображения по проектированию приложений

9.1 Проектирование источника питания

Необходим стабильный, малошумящий источник питания в диапазоне от 4.2В до 5.5В. Общий ток, потребляемый цепочкой светодиодов, должен быть рассчитан: I_total= (Количество светодиодов) * (I_{DD_quiescent}) + (Количество активных пикселей) * (I_{F_R}+ I_{F_G}+ I_{F_B}). Для крупных установок следует учитывать падение напряжения вдоль силовых линий, что может потребовать подачи питания в нескольких точках.

9.2 Целостность сигнала данных

Для длинных последовательных цепочек или в условиях электрических помех целостность сигнала на линии данных (DIN/DOUT) может ухудшаться. Стратегии для смягчения этого включают использование более низкой скорости передачи данных (если позволяет тайминг), добавление небольшого последовательного резистора (например, 100-470 Ом) на выходе микроконтроллера для уменьшения выбросов и обеспечение надёжного, низкоимпедансного соединения с землёй по всей системе.

9.3 Управление тепловым режимом

Хотя драйвер постоянного тока обеспечивает внутреннюю защиту, мощность, рассеиваемая в виде тепла (P = V_f* I_f для каждого кристалла плюс потери в ИС), должна контролироваться. Обеспечьте адекватную вентиляцию или теплоотвод, если светодиоды работают на высоких уровнях яркости или при высоких температурах окружающей среды, особенно в плотно упакованных массивах. См. кривую снижения в разделе 5.2.

10. Техническое сравнение и дифференциация

Ключевым отличием данного компонента являетсявстроенный драйвер постоянного тока. По сравнению со стандартным RGB светодиодом, который требует трёх внешних токоограничивающих резисторов и внешней схемы мультиплексирования или ШИМ-драйвера, это интегрированное решение предлагает значительные преимущества:

• Упрощённое проектирование:Сокращает перечень компонентов (BOM) и сложность разводки печатной платы.
• Улучшенная согласованность:Встроенный источник постоянного тока обеспечивает идентичные условия управления для каждого цвета в каждом устройстве, что приводит к лучшей однородности цвета в производственной партии.
• Каскадируемость:Однопроводной протокол позволяет управлять сотнями светодиодов с одного вывода микроконтроллера, что значительно упрощает проводку и управляющее ПО для крупных установок.
• Высокая глубина цвета:8-битное (256-уровневое) управление на цветовой канал обеспечивает плавные градиенты и обширную палитру цветов, что превосходит более простые мультиплексированные или аналоговые решения.

11. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Могу ли я питать этот светодиод напрямую от источника питания микроконтроллера на 3.3В?

О: Нет. Абсолютное минимальное напряжение питания (V_DD) составляет 4.2В. Питание 3.3В ниже рабочего диапазона и не будет правильно питать встроенную ИС. Вам нужна отдельная шина питания 5В (или 4.2-5.5В) для светодиодов.

В: Как рассчитать ток, необходимый для моего проекта со 100 такими светодиодами?

О: Вы должны учитывать две составляющие: 1) Ток покоя ИС: 100 светодиодов * 0.8 мА = 80 мА. 2) Ток светодиодов: Это зависит от отображаемых цветов. В худшем случае (все светодиоды показывают белый цвет на полной яркости) каждый светодиод потребляет ~15 мА (3 цвета * 5 мА). Итак, 100 светодиодов * 15 мА = 1500 мА. Общий ток в худшем случае ≈ 1580 мА или 1.58А при 5В. Ваш источник питания должен быть рассчитан на это.

В: Что произойдёт, если тайминг сигнала данных немного выйдет за указанный допуск?

О: Устройство может неправильно интерпретировать данные, что приведёт к отображению неверных цветов или полному сбою связи по цепочке. Критически важно генерировать сигнал данных с таймингом, максимально близким к типичным значениям, оставаясь в пределах допусков ±150нс.

В: Требуется ли радиатор?

О: Это зависит от условий эксплуатации. При комнатной температуре и умеренной яркости номинальная рассеиваемая мощность 99мВт, вероятно, достаточна. Однако, если работа ведётся в закрытом корпусе с высокой температурой окружающей среды или постоянно на максимальной яркости, следует провести тепловой анализ. Кривая снижения в разделе 5.2 показывает, что максимальный ток должен быть уменьшен с ростом температуры, что является косвенной формой управления тепловым режимом.

12. Практический пример применения

Сценарий: Проектирование RGB светодиодной матричной панели 10x10 для арт-инсталляции.

Шаги проектирования:

1. Компоновка:Расположите 100 светодиодов в сетку. Соедините все выводы VDD с общей силовой шиной 5В, а все выводы VSS — с общей шиной земли.

2. Питание:Рассчитайте пиковую мощность: 100 светодиодов * (0.015А * 5В) = 7.5Вт. Выберите источник питания 5В, 8А (40Вт) с запасом около 20%. Планируйте подачу питания с нескольких сторон панели, чтобы минимизировать падение напряжения.

3. Цепочка данных:Соедините DOUT каждого светодиода в строке с DIN следующего светодиода в той же строке. В конце каждой строки DOUT можно подключить к DIN первого светодиода следующей строки, создавая одну длинную цепочку из 100 светодиодов.

4. Управление:Микроконтроллер (например, ESP32, Arduino) генерирует поток данных. Программное обеспечение должно отправлять 2400 бит (100 светодиодов * 24 бита) цветовых данных, за которыми следует импульс сброса >250 мкс, чтобы светодиоды обновились. Существуют библиотеки для упрощения работы с этим протоколом.

5. Тепловой режим:Установите светодиоды на алюминиевую печатную плату или обеспечьте вентиляцию панели, так как 7.5Вт тепла в замкнутом пространстве повысят температуру окружающей среды, что потребует снижения тока.

13. Принцип работы

Устройство работает по простому, но эффективному принципу. Встроенная ИС содержит сдвиговый регистр и стоки постоянного тока. Последовательные данные, тактируемые на вывод DIN, сдвигаются через внутренний 24-битный регистр. Как только принимается сигнал сброса, ИС фиксирует эти данные. Каждый 8-битный сегмент зафиксированных данных управляет генератором широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для одного цветового канала (Красный, Зелёный, Синий). Затем ШИМ-сигнал управляет стоком постоянного тока, подключённым к соответствующему светодиодному кристаллу. Значение 255 (8'b11111111) приводит к 100% скважности (полностью включено), а значение 127 — к скважности около 50%, тем самым управляя яркостью. Сток постоянного тока гарантирует, что светодиод получает стабильный ток независимо от незначительных вариаций прямого напряжения (V_f) между кристаллами или в зависимости от температуры.

14. Технологические тренды и контекст

Данный компонент представляет собой чёткий тренд в технологии светодиодов:повышенная интеграция и интеллектуальность на уровне корпуса.Перенос функциональности драйвера на ту же подложку, что и излучатель (концепция, часто называемая \"светодиоды с интегральными схемами\" или \"умные светодиоды\"), решает несколько отраслевых проблем. Это снижает стоимость и сложность системы для конечных пользователей, улучшает согласованность характеристик и позволяет создавать новые приложения, такие как легко масштабируемые адресуемые дисплеи высокого разрешения. Этот тренд развивается в сторону светодиодов с более продвинутыми интегральными схемами, способными на более высокие скорости передачи данных (например, для видео), со встроенной памятью для паттернов и даже с датчиками для обратной связи по окружающему свету или температуре, прокладывая путь к более автономным и адаптивным системам освещения.