3mm 赤外線LED HIR204C/H0 データシート - 外形寸法 3.0mm - ピーク波長 850nm - 順方向電圧 1.45V - 日本語技術文書

1. 製品概要

HIR204C/H0は、3.0mmのウォータークリア透明プラスチックパッケージに収められた高輝度赤外線発光ダイオードです。特定のスペクトル特性を持つ信頼性の高い赤外線放射を必要とするアプリケーション向けに設計されています。

1.1 主要な特徴と利点

本デバイスは、赤外線システム設計において以下の主要な利点を提供します：

• 高信頼性：一貫した性能と長い動作寿命のために設計されています。
• 高放射強度：強力な赤外線出力を提供し、中距離アプリケーションに適しています。
• ピーク波長：放射は、典型的な波長（λp）850ナノメートルを中心としており、これは多くのIR受信機やセンサーにとって一般的な標準です。
• 低順方向電圧：20mA時で典型的に1.45Vであり、駆動回路での低消費電力に貢献します。
• 環境適合性：本製品は鉛フリーであり、EU REACH規制に準拠し、ハロゲンフリー要件（Br < 900ppm、Cl < 900ppm、Br+Cl < 1500ppm）を満たしています。製品自体はRoHS準拠仕様の範囲内です。
• 標準リード間隔：2.54mm（0.1インチ）のリードピッチを特徴とし、標準的なプロトタイピング基板やPCBレイアウトと互換性があります。

1.2 対象アプリケーション

この赤外線LEDは、一般的なフォトトランジスタ、フォトダイオード、および赤外線受信モジュールとスペクトル的に整合しており、以下のような様々なシステムに適しています：

• データまたは信号通信のための自由空間伝送システム。
• 長距離や障害物越しの通信のために高出力出力を必要とする赤外線リモコン装置。
• 粒子検出にIRビームを使用する煙感知器。
• 物体検知、近接検知、産業オートメーションなどのその他の一般的な赤外線応用システム。

2. 技術仕様の詳細

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が発生する可能性がある限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• 連続順方向電流（IF）：100 mA
• ピーク順方向電流（IFP）：1.0 A。この定格は、パルス幅 ≤ 100μs、デューティサイクル ≤ 1%のパルス条件下で適用されます。
• 逆電圧（VR）：5 V
• 動作温度（Topr）：-40°C ～ +85°C
• 保存温度（Tstg）：-40°C ～ +85°C
• はんだ付け温度（Tsol）：最大260°C、持続時間は5秒を超えないこと。
• 電力損失（Pd）：周囲温度25°C以下の自由空気中で150 mW。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは周囲温度（Ta）25°Cで測定され、デバイスの典型的な性能を定義します。

• 放射強度（Ie）：単位立体角あたりに放射される赤外線パワーの尺度です。
  • 順方向電流（IF）20mAで駆動した場合の典型的な値は20 mW/srです。
  • パルス条件下（IF=100mA、パルス幅 ≤100μs、デューティ ≤1%）では、典型的な放射強度は40 mW/srです。
• ピーク波長（λp）：IF=20mA時で850 nm（典型値）。これは放射強度が最も高くなる波長です。
• スペクトル帯域幅（Δλ）：IF=20mA時で45 nm（典型値）。これはピークを中心とした放射波長の範囲を定義します。
• 順方向電圧（VF）：
  • IF=20mA時で1.45V（典型値）、1.65V（最大値）。
  • パルス条件下IF=100mA時で1.80V（典型値）、2.40V（最大値）。
• 逆電流（IR）：逆電圧（VR）5Vを印加した場合、最大10 μA。
• 指向角（2θ1/2）：IF=20mA時で40度（典型値）。これは放射強度が最大値（軸上）の半分に低下する全角です。

測定許容差：順方向電圧：±0.1V；放射強度：±10%；ピーク波長：±1.0nm。

3. ビニングシステムの説明

HIR204C/H0は、主に放射強度に基づいて異なる性能グレード、またはビンで提供されています。これにより、設計者はアプリケーションの特定の出力要件を満たすデバイスを選択できます。

3.1 放射強度ビニング

ビニングは、IF = 20mAの標準テスト条件で定義されます。放射強度の単位はmW/srです。

• ビン N：最小 11.0、最大 17.6
• ビン P：最小 15.0、最大 24.0
• ビン Q：最小 21.0、最大 34.0
• ビン R：最小 30.0、最大 48.0

より高いビン（例：R対N）を選択することで、より高い最小保証放射出力が確保され、アプリケーションにおいてより長い距離やより強い信号強度につながります。

4. 性能曲線分析

データシートは、様々な条件下でのデバイスの動作を示すいくつかの特性曲線を提供します。これらを理解することは、堅牢な回路設計にとって重要です。

4.1 順方向電流 vs. 周囲温度

この曲線は、周囲温度の上昇に伴う最大許容連続順方向電流のデレーティングを示します。25°Cでは最大100mAです。温度が上昇すると、デバイスの電力損失限界を超えて熱損傷を引き起こさないように、この最大電流を低減する必要があります。曲線は通常、25°Cでの100mAから85°Cでのより低い値への線形減少を示します。

4.2 スペクトル分布

このグラフは、波長に対する相対放射強度をプロットしています。850nmのピーク波長（λp）と約45nmのスペクトル帯域幅（Δλ）を視覚的に確認できます。曲線は通常、850nmを中心としたガウス形状です。

4.3 放射強度 vs. 順方向電流

これは重要な設計曲線です。放射強度（Ie）は順方向電流（IF）とともに増加しますが、特に高電流では完全に線形ではありません。電流を増やしても追加の光出力が少なくなり、大幅に多くの熱を発生する収穫逓減のポイントがあります。設計者は、この曲線と熱的考慮に基づいて、LEDを推奨連続電流（20mAまたは100mAパルス）以下で動作させることが多いです。

4.4 相対放射強度 vs. 角度変位

この極座標プロットは、LEDの空間放射パターンを図示します。中心軸（0°）から離れるにつれて強度がどのように低下するかを示します。40°の指向角は、強度が軸上値の50%に低下する点で定義されます。この情報は、光学設計、ビームカバレッジの決定、および受信機とのLEDの位置合わせにとって極めて重要です。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

LEDは標準的な3.0mmラウンドパッケージに収められています。データシートの詳細な機械図面には、以下のすべての重要な寸法が記載されています：

• エポキシレンズの全径と高さ。
• リード線径と長さ。
• レンズ基部からリードの曲げ部までの距離。
• シーティングプレーン。

一般公差：特に指定がない限り、寸法の公差は±0.25mmです。PCBの穴位置と機械的適合性については、正確な図面を参照することが不可欠です。

5.2 極性識別

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

適切な取り扱いは、デバイスの信頼性と性能を維持するために重要です。

6.1 リード線成形

• 曲げ加工は、エポキシボールの基部から少なくとも3mm離れた位置で行う必要があります。
• 常にリード線成形は部品をはんだ付けする前に行ってください。
• 成形中にLEDパッケージやその基部に応力を加えないでください。内部接続の損傷やエポキシのクラックを引き起こす可能性があります。
• リード線の切断は室温で行ってください。高温での切断は故障を誘発する可能性があります。
• PCBの穴がLEDリード線と完全に一致するようにして、取り付け応力を避けてください。

6.2 保管条件

• 受領後の推奨保管条件：温度 ≤ 30°C、相対湿度 ≤ 70%。
• これらの条件下での保管寿命は3ヶ月です。
• 長期保管（最大1年）の場合は、窒素雰囲気と乾燥剤を入れた密閉容器に保管してください。
• 元の包装を開封したら、24時間以内に部品を使用してください。
• 湿気の多い環境での急激な温度変化を避け、結露を防止してください。

6.3 はんだ付け推奨事項

はんだ接合部は、エポキシボールから少なくとも3mm離す必要があります。

• 手はんだ：はんだごて先温度 ≤ 300°C（最大30Wのごての場合）。はんだ付け時間はリード線あたり ≤ 3秒。
• フロー/ディップはんだ付け：予熱温度 ≤ 100°C、時間 ≤ 60秒。はんだ浴温度 ≤ 260°C、時間 ≤ 5秒。
• 一般的なルール：
  • はんだ付け中および直後、デバイスが熱いうちはリード線に応力を加えないでください。
  • ディップ/手はんだ付けを複数回行わないでください。
  • はんだ付け後、LEDが室温に冷却するまで機械的衝撃/振動から保護してください。
  • 急冷プロセスは避けてください。
  • 常に最低限の効果的なはんだ付け温度と時間を使用してください。

6.4 洗浄

• 洗浄が必要な場合は、室温のイソプロピルアルコールを1分以内で使用してください。室温で空気乾燥させてください。
• 超音波洗浄は避けてください。どうしても必要な場合は、特定の超音波出力と組立条件がLEDダイやワイヤーボンディングを損傷しないことを確認するために、広範な事前評価が必要です。

6.5 熱管理

このデータシートでは特定の熱抵抗値は詳細に記載されていませんが、熱管理は強調されています。電力損失（Pd）定格150mWは、25°Cの自由空気中での値です。実際のアプリケーション、特に高電流で駆動する場合や密閉空間では、LEDの接合温度が上昇します。これは発光効率と寿命を低下させる可能性があります。設計者は、アプリケーション設計段階で放熱、PCBの銅面積、および周囲条件を考慮し、LEDが安全な温度限界内で動作するようにする必要があります。

7. 包装および発注情報

7.1 ラベル仕様

包装のラベルには、トレーサビリティと識別のための重要な情報が含まれています：

• CPN：顧客製品番号
• P/N：製品番号（例：HIR204C/H0）
• QTY：包装内の数量
• CAT：発光強度ランク（ビンコード、例：N、P、Q、R）
• HUE：主波長ランク
• REF：順方向電圧ランク
• LOT No：製造ロット番号
• X：製造月
• REF：ラベル参照番号

7.2 包装仕様

• 一次包装：静電気防止バッグ。
• 二次包装：内箱。
• 三次包装：外装箱。
• 標準包装数量：
  • 静電気防止バッグあたり200～1000個。
  • 5袋が1つの内箱に梱包されます。
  • 10個の内箱が1つの外装箱に梱包されます。

8. アプリケーション設計上の考慮事項

8.1 駆動回路設計

LEDを動作させるには、電流制限回路が必須です。基本的なアプリケーションでは、単純な直列抵抗で十分なことが多いです。抵抗値（R）はオームの法則を使用して計算できます：R = (電源電圧 - Vf) / If。例えば、電源5V、Vf 1.45V、希望If 20mAの場合：R = (5 - 1.45) / 0.02 = 177.5Ω。標準の180Ω抵抗が適しています。より高い電流（例：100mA）でのパルス動作の場合は、必要な電流パルスを提供するためにトランジスタまたは専用LEDドライバICの使用が推奨されます。

8.2 光学設計と位置合わせ

40度の指向角は、適度に広いビームを提供します。長距離または集光アプリケーションの場合は、LEDの前にレンズを追加することができます。逆に、非常に広いカバレッジが必要な場合は、複数のLEDが必要になる場合があります。受信センサー（フォトトランジスタ、IR受信モジュール）との正確な機械的位置合わせは、最適なシステム性能にとって重要です。軸外れ角度での信号強度を理解するには、空間放射パターン曲線を参照する必要があります。

8.3 干渉とノイズ耐性

赤外線システムは、特にIR成分を含む太陽光や白熱灯からの環境光ノイズの影響を受けやすい場合があります。これを軽減するための戦略には以下が含まれます：

• 変調されたIR信号（例：38kHzキャリア）と、同じ周波数に同調した受信機を使用する。
• 受信側に可視光を遮断し850nm IRを通す光学フィルターを追加する。
• LEDと受信機のペアを直接の環境光源から物理的に遮蔽する。

9. 技術比較とポジショニング

HIR204C/H0は、赤外線LED市場において特定の位置を占めています。より小型のSMD IR LEDと比較して、より大きなダイサイズとパッケージにより高い潜在的な放射出力を提供し、より多くの電力を必要とするアプリケーションに適しています。より大型の専用高出力IRエミッターと比較して、よりコンパクトで単純な回路で駆動しやすいです。その850nm波長は最も一般的であり、受信機との幅広い互換性を保証します。主な差別化要因には、クリアパッケージ（着色なし）、プロトタイピングが容易な標準2.54mmリード間隔、および出力の一貫性のための明確に定義されたビニング構造が含まれます。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

10.1 連続電流（IF）とピーク電流（IFP）の違いは何ですか？

連続順方向電流（IF=100mA）は、熱的限界が守られていることを前提に、損傷を引き起こすことなくLEDに無期限に流すことができる最大DC電流です。ピーク順方向電流（IFP=1.0A）は、非常に短いパルス条件下（パルス幅 ≤100μs、デューティサイクル ≤1%）でのみ許容される最大電流です。これにより、長距離リモコンのようなアプリケーションで、短時間の高強度の光バーストが可能になりますが、平均電力はデバイスの損失限界内に留まる必要があります。

10.2 正しいビン（N、P、Q、R）をどのように選択しますか？

動作距離および最悪条件下（例：バッテリー電圧低下、高温）でアプリケーションが必要とする最小放射強度に基づいて選択してください。設計計算で少なくとも18 mW/srが必要であることが示された場合、ビンQ（最小21.0）またはビンR（最小30.0）を選択する必要があります。ビンN（最小11.0）では動作が保証されません。より高いビンを選択することで、より多くの設計マージンが得られます。

10.3 はんだ付け距離（ボールから3mm）がなぜそんなに重要なのですか？

レンズを形成するエポキシ樹脂は、金属リード線とは異なる熱膨張係数を持っています。エポキシに近すぎる位置で高いはんだ付け熱を加えると、熱応力が発生し、エポキシに微細なクラックが生じたり、内部のダイアタッチが損傷したりする可能性があります。これらのクラックは後で湿気の侵入を許し、早期故障につながる可能性があります。3mmの距離により、熱が敏感なパッケージに到達する前にリード線に沿って放散されます。

11. 設計および使用事例研究

11.1 事例：民生用IRリモコンの距離改善

シナリオ：設計者は、典型的なリビングルームで、最大10メートル離れた場所から、わずかな角度があっても確実に動作するユニバーサルリモコンを作成しています。

HIR204C/H0を使用した設計選択：

1. 駆動電流：典型的な20mA連続駆動の代わりに、設計者はパルス駆動回路を使用します。IFP定格を活用して、LEDを100mAで非常に短いデューティサイクル（例：0.5%）でパルス駆動し、高強度のバーストを生成します。これにより、ピーク光出力、ひいては有効距離が大幅に向上します。
2. ビン選択：すべての製造ユニットで一貫した性能を確保し、バッテリー電圧降下を考慮するために、設計者はビンRのLEDを指定します。これにより、バッテリー寿命の終わりでも高い最小出力が保証されます。
3. 配置とレンズ：2つのLEDを少し離して配置し、互いに数度角度を付けることで、より広い有効ビームパターンを作成し、様々な角度から受信機に当たる確率を高めます。LEDの上にシンプルで低コストのプラスチックレンズキャップを使用して、ビームをわずかに平行化し、指向性を向上させます。
4. 熱的考慮：デューティサイクルが非常に低い（0.5%）ため、平均電力は小さく（100mA * 1.65V * 0.005 = 0.825mW）、150mWのPd定格をはるかに下回ります。PCB上に特別な放熱対策は必要ありません。

このアプローチは、データシートのパルス定格、ビニング、および熱パラメータを理解することが、要求の厳しいアプリケーションに対して最適化されたコスト効率の高い設計を可能にすることを示しています。

12. 動作原理

赤外線発光ダイオード（IR LED）は、標準的な可視LEDと同じ基本原理で動作しますが、赤外線スペクトルで光を生成するために異なる半導体材料を使用します。HIR204C/H0は、ガリウムアルミニウムヒ素（GaAlAs）チップを使用しています。LEDのP-N接合に順方向電圧が印加されると、電子と正孔が半導体の活性領域で再結合します。この再結合プロセスにより、光子の形でエネルギーが放出されます。GaAlAs材料の特定のバンドギャップエネルギーがこれらの光子の波長を決定し、この場合は約850ナノメートルを中心としており、近赤外領域に位置し、人間の目には見えません。ウォータークリアのエポキシパッケージは光をフィルタリングまたは着色しないため、生成された赤外線放射の最大量が外部に放出されます。

13. 技術トレンド

赤外線エミッターの分野は進化を続けています。業界で観察可能な一般的なトレンドには以下が含まれます：

• 効率向上：同じ入力電流（mA）でより高い放射強度（mW/sr）を達成するための新しい半導体エピタキシャル構造の開発により、システム全体の電力効率が向上します。
• 小型化：3mmのようなスルーホールパッケージは堅牢性と使いやすさから依然として人気がありますが、スマートフォン（近接センサー用）や小さなIoTデバイスのような自動組立およびスペース制約のある設計に向けて、表面実装デバイス（SMD）パッケージ（例：0805、0603）への強いトレンドがあります。
• 波長多様化：850nmと940nmが主流ですが、医療機器用の810nmやガス検知用の特定の狭帯域など、特定のアプリケーション向けに他の波長の使用が増えています。
• 統合：IR LEDを駆動回路、変調器、または光検出器と単一パッケージに組み合わせて、よりスマートで使いやすいセンサーモジュールを作成します。
• 信頼性データの強化：現代のデータシートでは、長期性能が重要な自動車、産業、医療アプリケーション向けの設計をサポートするために、より詳細な寿命と信頼性データ（例：様々なストレス条件下でのL70、L50値）を提供することが増えています。

HIR204C/H0は、成熟した、信頼性が高く、よく理解されたコンポーネントであり、進行中の材料および製造技術の進歩の恩恵を受けており、幅広い電子設計においてその関連性を維持し続けています。