SMD RGB светодиод со встроенной микросхемой - 5.0x5.0x1.6мм - 4.2-5.5В - 358мВт - Белая рассеивающая линза - Техническая спецификация

1. Обзор продукта

В данном документе подробно описаны характеристики компонента SMD светодиода, который объединяет красный, зеленый и синий (RGB) полупроводниковые кристаллы вместе со специализированной драйверной интегральной схемой (ИС) в одном компактном корпусе. Это интегрированное решение предназначено для упрощения проектирования схем с постоянным током, устраняя необходимость во внешних токоограничивающих резисторах или сложной драйверной схемотехнике для каждого цветового канала. Устройство заключено в корпус с белой рассеивающей линзой, которая способствует смешиванию света от отдельных цветовых кристаллов для создания более равномерного и рассеянного цветового излучения, подходящего для индикаторных и декоративных осветительных применений.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Основным преимуществом данного компонента является его высокая степень интеграции. Благодаря встроенному 8-битному драйверу постоянного тока с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией), он обеспечивает точное цифровое управление яркостью каждого из цветов RGB с 256 дискретными уровнями, что позволяет создавать более 16,7 миллионов цветовых комбинаций. Протокол каскадной передачи данных по одному проводу позволяет соединять несколько устройств последовательно и управлять ими с одного вывода микроконтроллера, что значительно снижает сложность разводки и требования к вводам/выводам контроллера в приложениях с несколькими светодиодами.

Это делает компонент особенно подходящим для применений с ограниченным пространством и чувствительных к стоимости, требующих многоцветных или полноцветных световых эффектов. Его целевые рынки включают, но не ограничиваются, индикаторами состояния в потребительской электронике и сетевом оборудовании, подсветкой передних панелей, декоративными светодиодными лентами, полноцветными модулями и элементами внутренних светодиодных видеоэкранов или вывесок. Корпус совместим с автоматическим оборудованием для монтажа и стандартными процессами пайки оплавлением в инфракрасной печи (IR), что облегчает крупносерийное производство.

2. Технические параметры: Подробная объективная интерпретация

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа на этих пределах или за их пределами не гарантируется.

• Рассеиваемая мощность (P_D)): 358 мВт. Это максимальная общая мощность, которую корпус может рассеивать в виде тепла. Превышение этого предела грозит перегревом внутренней ИС и светодиодных кристаллов.
• Диапазон напряжения питания (V_DD)): от +4,2В до +5,5В. Встроенная ИС рассчитана на номинальное напряжение питания логики 5В. Подача напряжения за пределами этого диапазона может повредить управляющую схему.
• Суммарный прямой ток (I_F)): 65 мА. Это максимальная сумма токов через каналы Красного, Зеленого и Синего цветов вместе взятых.
• Рабочая температура (T_a)): от -40°C до +85°C. Гарантируется функционирование устройства в этом диапазоне температуры окружающей среды.
• Температура хранения: от -40°C до +100°C. Устройство может храниться без подачи питания в этом более широком диапазоне.

2.2 Оптические характеристики

Измерено при температуре окружающей среды (T_a) 25°C и напряжении питания (V_DD) 5В при установке всех цветовых каналов на максимальную яркость (данные = 8'b11111111).

• Сила света (I_V):
  • Красный (AlInGaP): 600 - 1200 мкд (Типичное значение)
  • Зеленый (InGaN): 1100 - 2200 мкд (Типичное значение)
  • Синий (InGaN): 270 - 540 мкд (Типичное значение)
  Зеленый кристалл, как правило, демонстрирует наибольшую светоотдачу, за ним следует красный, затем синий. Этот дисбаланс характерен для RGB светодиодов и должен учитываться в алгоритмах смешения цветов для достижения желаемой белой точки или конкретного оттенка.
• Угол обзора (2θ_1/2): 120 градусов. Этот широкий угол обзора, определяемый как угол, при котором интенсивность падает до половины своего осевого значения, является характеристикой белой рассеивающей линзы, обеспечивая широкую, мягкую диаграмму направленности излучения, подходящую для общего освещения.
• Доминирующая длина волны (λ_d):
  • Красный: 615 - 630 нм
  • Зеленый: 515 - 530 нм
  • Синий: 455 - 470 нм
  Эти диапазоны определяют основной цвет света, излучаемого каждым кристаллом. Конкретный бин (диапазон) в этих пределах для данного экземпляра определяет его точные цветовые координаты.

2.3 Электрические характеристики

Указаны для всего рабочего диапазона температур (от -40°C до +85°C) и диапазона напряжения питания (от 4,2В до 5,5В).

• Выходной ток ИС на канал (I_F): 20 мА (Типичное значение). Встроенный драйвер ИС регулирует ток, подаваемый на каждый отдельный кристалл Красного, Зеленого и Синего светодиода, до этого постоянного значения, обеспечивая стабильную яркость и постоянство цвета независимо от колебаний прямого напряжения.
• Логические уровни входа:
  • Высокий уровень входного напряжения (V_IH): мин. 2,7В до V_DD. Совместимо с выходами микроконтроллеров на 3,3В и 5В.
  • Низкий уровень входного напряжения (V_IL): от 0В до макс. 1,0В.
• Ток покоя ИС (I_DD): 1,5 мА (Типичное значение). Это ток, потребляемый самой встроенной драйверной ИС, когда все выходы светодиодов выключены (все биты данных равны '0').

3. Объяснение системы бинов

3.1 Биннинг по цветовым координатам CIE

В документе представлена таблица цветовых бинов на основе цветовых координат CIE 1931 (x, y). Излучаемый свет каждого светодиода тестируется и классифицируется в определенные бины (например, A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3). Каждый бин определяется четырехугольной областью на цветовой диаграмме, заданной четырьмя точками координат (x, y). Допуск размещения внутри бина составляет +/- 0,01 по обеим координатам x и y. Этот биннинг обеспечивает постоянство цвета между различными производственными партиями. Конструкторы могут указывать код бина при заказе для достижения более точного соответствия цветов в своем приложении, что критически важно для дисплеев или многодиодных установок, где однородность цвета имеет первостепенное значение.

4. Анализ характеристических кривых

4.1 Относительная интенсивность в зависимости от длины волны (Спектральное распределение)

Представленный график (Рис. 1) показывает относительное спектральное распределение мощности для Красного, Зеленого и Синего кристаллов. Каждая кривая отображает отчетливый пик, соответствующий своему диапазону доминирующей длины волны. Красная кривая центрирована около ~625нм, зеленая около ~525нм, а синяя около ~465нм. Ширина этих пиков (полная ширина на половине максимума) влияет на чистоту цвета; более узкие пики, как правило, дают более насыщенные цвета. Перекрытие между спектрами Зеленого и Красного минимально, что полезно для достижения широкого цветового охвата.

4.2 Кривая снижения прямого тока в зависимости от температуры окружающей среды

График (Рис. 2) иллюстрирует зависимость между максимально допустимым суммарным прямым током (I_F) и температурой окружающей среды при эксплуатации (T_A). С ростом температуры максимально допустимый ток линейно уменьшается. Это снижение номинала необходимо для предотвращения превышения безопасных пределов температуры перехода светодиодных кристаллов и драйверной ИС, что ускорило бы деградацию и сократило срок службы. При максимальной рабочей температуре 85°C допустимый суммарный ток значительно ниже абсолютного максимального значения 65мА, указанного для 25°C. Эта кривая должна быть учтена для надежного теплового проектирования.

4.3 Пространственное распределение (Диаграмма направленности силы света)

Полярная диаграмма (Рис. 3) отображает нормированную относительную силу света в зависимости от угла обзора. График подтверждает угол обзора 120 градусов, показывая плавное, приблизительно ламбертовское распределение, типичное для рассеивающей линзы. Интенсивность максимальна при 0 градусов (на оси) и симметрично уменьшается до 50% от пикового значения при +/-60 градусах от оси.

5. Механическая информация и информация о корпусе

5.1 Габариты и конфигурация корпуса

Компонент заключен в корпус для поверхностного монтажа с общими габаритами примерно 5,0мм в длину, 5,0мм в ширину и 1,6мм в высоту (допуск ±0,2мм). Корпус оснащен белой рассеивающей пластиковой линзой. Конфигурация выводов состоит из четырех контактных площадок:

1. VSS: Земля (опорный 0В).
2. DIN: Вход сигнала управляющих данных. Принимает последовательный поток данных для данного конкретного светодиода.
3. DOUT: Выход сигнала управляющих данных. Пересылает полученный поток данных на вход DIN следующего светодиода в каскадной цепочке.
4. VDD: Вход питания постоянного тока (от +4,2В до +5,5В).

5.2 Рекомендуемая конфигурация контактных площадок на печатной плате

Предоставлена схема посадочного места для руководства при проектировании печатной платы (ПП). Соблюдение этих рекомендуемых размеров и расстояний между контактными площадками обеспечивает правильное формирование паяного соединения во время оплавления, надежное электрическое соединение и достаточную механическую прочность. Конструкция обычно включает терморельефные соединения и соответствующие окна паяльной маски.

6. Рекомендации по пайке и сборке

6.1 Профиль пайки оплавлением в ИК-печи

Предоставлен рекомендуемый профиль пайки оплавлением в инфракрасной печи (IR), соответствующий стандарту J-STD-020B для бессвинцовых процессов пайки. График профиля показывает ключевые параметры: предварительный нагрев, выдержка, пиковая температура оплавления и скорости охлаждения. Пиковая температура, как правило, не должна значительно превышать максимальную температуру хранения компонента (100°C) в течение более определенного времени, чтобы избежать повреждения пластикового корпуса или внутренних напряжений. Следование этому профилю критически важно для получения надежных паяных соединений без подвергания светодиода и встроенной ИС тепловому удару.

6.2 Очистка

Если требуется очистка после пайки, компонент можно погрузить 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.

7. Упаковка и информация для заказа

7.1 Спецификации на ленте и катушке

Компоненты поставляются упакованными в тисненую несущую ленту с защитной крышкой, намотанной на катушки диаметром 7 дюймов (178мм). Ширина ленты составляет 12мм. Стандартное количество упаковки - 1000 штук на катушку, с минимальным заказом 500 штук для частичных катушек. Предоставлены подробные размеры карманов ленты и катушки для обеспечения совместимости с питателями автоматического сборочного оборудования.

8. Рекомендации по применению

8.1 Типичные сценарии применения

• Индикация состояния и сигнализация: Многоцветные индикаторы состояния в телекоммуникационном, сетевом и промышленном оборудовании.
• Декоративное и архитектурное освещение: Светодиодные ленты, свет для создания настроения и цветовые акценты в потребительских товарах.
• Подсветка: Подсветка передней панели или логотипа с динамическими цветовыми эффектами.
• Полноцветные дисплеи: В качестве отдельных пикселей в низкоразрешительных внутренних полноцветных светодиодных дисплеях, информационных табло или панелях мягкого света.

8.2 Соображения при проектировании

• Источник питания: Обеспечьте чистый, стабилизированный источник питания 5В с достаточной токовой мощностью для используемого количества светодиодов. Учитывайте пусковой ток при одновременном включении многих светодиодов.
• Целостность сигнала данных: Для длинных каскадных цепочек или высоких скоростей передачи данных рассмотрите возможность буферизации сигнала или сдвига уровня, если микроконтроллер работает на 3,3В, так как минимальное значение V_IH составляет 2,7В.
• Тепловой менеджмент: Соблюдайте кривую снижения тока (Рис. 2). Обеспечьте достаточную площадь меди на печатной плате под и вокруг контактных площадок светодиода для работы в качестве радиатора, особенно в приложениях с высокой яркостью или высокой температурой окружающей среды.
• Смешение цветов: Программное обеспечение или прошивка должны учитывать различную силу света каналов R, G и B (в соответствии с типичными значениями в разделе 2.2) для достижения точного смешения цветов и нейтральной белой точки.

9. Техническое сравнение и дифференциация

Ключевым отличием этого компонента по сравнению со стандартным дискретным RGB светодиодом является интегрированный драйвер постоянного тока с цифровым ШИМ-управлением. Дискретный RGB светодиод требует трех отдельных токоограничивающих резисторов (или более сложного стока постоянного тока) и трех каналов ШИМ микроконтроллера для управления. Это интегрированное решение объединяет драйверную схему, сокращает количество компонентов на печатной плате, упрощает прошивку (используя последовательный протокол вместо нескольких таймеров ШИМ) и позволяет легко создавать каскадные соединения для масштабируемых установок. Компромиссом является несколько более высокая стоимость единицы и фиксированная установка тока (обычно 20мА).

10. Часто задаваемые вопросы (На основе технических параметров)

10.1 Сколько таких светодиодов можно соединить каскадно?

Теоретически, очень большое количество, так как каждый светодиод регенерирует и ретранслирует сигнал данных. Практический предел определяется желаемой частотой обновления и целостностью сигнала данных. Общее время передачи данных для N светодиодов составляет N * 24 бита * (1,2 мкс ± 300нс) плюс импульс сброса. Для частоты обновления 30 кадров в секунду это ограничивает цепочку несколькими сотнями светодиодов. Ухудшение сигнала в длинных цепочках может потребовать периодического усиления сигнала.

10.2 Можно ли управлять этим светодиодом с микроконтроллера на 3,3В?

Да, спецификация высокого уровня входного напряжения (V_IH) минимум 2,7В совместима с высоким логическим уровнем выхода 3,3В (~3,3В). Убедитесь, что вывод GPIO микроконтроллера может выдавать/принимать достаточный ток для входа DIN. Напряжение питания (V_DD) по-прежнему должно быть в диапазоне от 4,2В до 5,5В.

10.3 Почему максимальный суммарный ток составляет 65мА, если каждый канал рассчитан на 20мА?

Ток 20мА на канал - это типичный рабочий ток, установленный внутренним драйвером. Абсолютный максимальный ток 65мА - это предельное значение для всего корпуса, учитывая суммарное тепло, выделяемое всеми тремя светодиодами и драйверной ИС, работающими одновременно на максимальной яркости. Кривая снижения номинала (Рис. 2) показывает, что при повышенных температурах безопасный рабочий ток значительно ниже 65мА.

11. Пример практического применения

Сценарий: Проектирование 16-светодиодного декоративного светового кольца с изменением цвета.Светодиоды будут расположены по кругу и соединены каскадно. Одного источника питания 5В, 1А будет достаточно (16 светодиодов * ~1,5мА ток покоя ИС + 16 светодиодов * 3 канала * 20мА макс. * коэффициент заполнения). Микроконтроллеру (например, Arduino или ESP32) потребуется только один вывод GPIO, подключенный к DIN первого светодиода. Прошивка будет создавать поток данных, содержащий 24-битные цветовые значения (по 8 бит для R, G, B) для всех 16 светодиодов, за которым следует импульс сброса. Этот поток отправляется непрерывно для создания анимаций. Белая рассеивающая линза обеспечивает слияние отдельных светодиодных точек в плавное световое кольцо.

12. Введение в принцип работы

Устройство работает по принципу цифровой последовательной связи. Встроенная ИС содержит сдвиговые регистры и защелки для каждого цветового канала. Последовательный поток данных тактируется в ИС через вывод DIN. Каждый бит данных представлен длительностью высокого импульса в фиксированном периоде 1,2мкс. Бит '0' - это короткий высокий импульс (~300нс), а бит '1' - длинный высокий импульс (~900нс). Первые 24 принятых бита соответствуют 8-битным значениям яркости для Зеленого, Красного и Синего (обычно в таком порядке, GRB). После приема своих 24 битов ИС ретранслирует все последующие биты со своего вывода DOUT, позволяя данным каскадироваться. Низкий сигнал на DIN, длящийся дольше 250мкс (СБРОС), заставляет все ИС в цепочке зафиксировать принятые данные в выходных драйверах, одновременно обновляя яркость светодиодов.

13. Технологические тренды

Интеграция драйверных ИС непосредственно в корпуса светодиодов представляет собой значительный тренд в дизайне светодиодных компонентов, движение в сторону решений "умных светодиодов". Этот тренд снижает сложность системы, повышает надежность за счет минимизации внешних соединений и позволяет осуществлять более сложное управление (например, индивидуальную адресацию). Будущие разработки могут включать более высокую интеграцию (включение микроконтроллеров или беспроводных контроллеров), улучшенную цветовую согласованность за счет калибровки на кристалле, более высокое разрешение ШИМ (10-бит, 12-бит, 16-бит) для более тонкого управления цветом и усовершенствованные протоколы связи с более высокими скоростями передачи данных и коррекцией ошибок для более надежных крупномасштабных установок.