5mm赤外線LED HIR333/H0データシート - 直径5mm - 順電圧1.45V - 波長850nm - 許容損失150mW - 日本語技術文書

1. 製品概要

HIR333/H0は、黄色プラスチックレンズを備えた標準T-1 3/4（5mm）スルーホールパッケージに収められた高強度赤外線発光ダイオードです。本デバイスは、赤外線センシングおよび通信システムにおいて信頼性の高い性能を発揮するように設計されています。その主な機能は、ピーク波長850nmの赤外光を放射することであり、この波長は、フォトトランジスタ、フォトダイオード、統合型赤外線受信モジュールなどの一般的なシリコン系光検出器との互換性を考慮してスペクトル最適化されています。本製品は、高い信頼性と安定した出力に重点を置いて設計されています。

1.1 中核的利点とターゲット市場

この部品の主な利点は、強力な信号伝送を可能にする高い放射強度と、省エネルギー動作に貢献する低順電圧を含みます。鉛フリー材料で構成され、RoHS、EU REACH、ハロゲンフリー規格（Br < 900ppm、Cl < 900ppm、Br+Cl < 1500ppm）を含む主要な環境・安全指令に準拠しています。これらの特徴から、規制遵守と長期信頼性が重要な幅広い商業・産業用赤外線アプリケーションに適しています。ターゲット市場には、セキュリティシステム、リモコン、光スイッチ、物体検知センサー、非可視光源を必要とする各種民生電子機器のメーカーが含まれます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

このセクションでは、LEDの動作限界と性能を定義する電気的、光学的、熱的仕様の詳細な内訳を提供します。

2.1 絶対最大定格

絶対最大定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のあるストレスの限界を定義します。これらの定格は、一瞬たりとも超えてはなりません。信頼性の高い性能を得るには、推奨動作条件内で動作を維持する必要があります。

• 連続順電流 (I_F): 100 mA。これはLEDに連続的に印加できる最大の直流電流です。
• ピーク順電流 (I_FP): 1.0 A。この高電流は、過熱を防ぐために、パルス幅 ≤ 100μs、デューティサイクル ≤ 1%のパルス条件下でのみ許容されます。
• 逆電圧 (V_R): 5 V。この逆バイアス電圧を超えると、接合部の破壊を引き起こす可能性があります。
• 許容損失 (P_d): 周囲温度25°C以下で150 mW。この定格は周囲温度の上昇とともに低下します。
• 温度範囲: 動作: -40°C ～ +85°C; 保管: -40°C ～ +100°C。
• はんだ付け温度 (T_sol): 最大5秒間260°C。これはフローまたはリフローはんだ付けプロセスの限界を定義します。

2.2 電気光学特性

電気光学特性は、周囲温度 (T_a) 25°Cの標準試験条件で規定されています。これらのパラメータは、デバイスの代表的な性能を定義します。

• 放射強度 (I_e): 単位立体角あたりに放射される光パワーであり、ミリワット毎ステラジアン (mW/sr) で測定されます。代表値は、順電流 (I_F) 20mAで15 mW/srです。100mAのパルス電流下では、放射強度は80 mW/srに達することができます。
• ピーク波長 (λ_p): 850 nm (代表値)。これは光出力が最大となる波長です。この波長は人間の目には見えませんが、シリコンセンサーによって効率的に検出されます。
• スペクトル帯域幅 (Δλ): 45 nm (代表値)。これはLEDが放射する波長の範囲を示し、最大強度の半分の値（半値全幅 - FWHM）で測定されます。
• 順電圧 (V_F): I_F=20mAで1.45V (代表値)、最大1.65V。I_F=100mA (パルス) では、代表的なV_Fは1.80Vに上昇し、最大2.40Vです。
• 逆電流 (I_R): V_R=5Vで最大10 μA。これはオフ状態でのリーク電流が非常に低いことを示しています。
• 指向角 (2θ_1/2): 30度 (代表値)。これは放射強度が中心 (0°) での値の半分に低下する全角度です。30°の角度は、適度に集束されたビームを提供します。

3. ビニングシステムの説明

LEDの放射強度は、エンドユーザーに一貫性を確保するために、異なるビンまたはランクに分類されます。ビニングは、I_F= 20mAの標準試験条件下で行われます。利用可能なビンは、対応する最小および最大放射強度値を持つ文字コード (M, N, P, Q, R) によって定義されます。これにより、設計者は特定の感度または距離要件を満たす部品を選択できます。例えば、'P'ビンを選択すると、最小放射強度15.0 mW/sr、最大24.0 mW/srが保証されます。この特定の型番については、波長 (色相) または順電圧 (REF) の別個のビニングはデータシートに示されていませんが、ラベル仕様はこれらのパラメータが製造中に追跡されていることを示唆しています。

4. 性能曲線分析

代表的な性能曲線は、様々な条件下でのデバイスの挙動を視覚的に理解するためのものであり、回路設計と熱管理に不可欠です。

4.1 順電流 vs. 周囲温度

このデレーティング曲線は、周囲温度が25°Cを超えて上昇するにつれて、最大許容連続順電流がどのように減少するかを示しています。接合温度を安全限界内に保ち、長期信頼性を維持するためには、高温環境では動作電流を低減する必要があります。設計者は、LEDを筐体内や高温環境で動作させる際には、この曲線を参照する必要があります。

4.2 スペクトル分布

スペクトル分布グラフは、相対放射強度を波長に対してプロットしたものです。850nmでのピーク波長と約45nmのスペクトル帯域幅を視覚的に確認できます。この曲線はGaAlAs（ガリウムアルミニウムヒ素）半導体材料の特性です。狭く明確なピークにより、可視光との重なりを最小限に抑え、800-900nm付近にピーク感度を持つシリコン検出器との最適な結合を確保します。

4.3 放射強度 vs. 順電流

この曲線は、駆動電流と光出力の関係を示しています。放射強度は、低電流レベルでは電流に対して超線形的に増加し、高電流ではより線形になる傾向があり、最終的には加熱効果による内部効率の低下により飽和します。パルス条件 (100mA) の曲線は、DC条件よりも大幅に高い出力を示しており、熱損傷なしに高いピーク強度を達成するためのパルス動作の利点を強調しています。

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描いています。視野角が中心軸 (0°) から離れるにつれて光強度がどのように減少するかを示しています。このパッケージタイプでは、パターンはほぼランバート型であり、半値角点 (約±15°) での強度は軸上強度の50%であり、これが30°の指向角を定義しています。

5. 機械的仕様とパッケージ情報

本デバイスは、標準的な5mm (T-1 3/4) ラジアルリードパッケージを使用しています。リードは標準的な2.54mm (0.1インチ) 間隔で、一般的な穴あき試作基板やPCBレイアウトと互換性があります。パッケージ寸法図には、全径、レンズ高さ、リード長、リード径などの重要な寸法が記載されています。本体は黄色プラスチックで成形されており、850nmの赤外光に対しては透明ですが、視認性を高め、可視光LEDとの識別を容易にするために着色されています。カソードは通常、レンズリムのフラット部分および/または短いリードによって識別されます。特に指定がない限り、すべての寸法は標準公差±0.25mmです。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

組立中の適切な取り扱いは、LEDへの機械的または熱的損傷を防ぐために不可欠です。

6.1 リード成形

リードを曲げる必要がある場合は、エポキシバルブ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。成形は常にはんだ付け前、室温で行い、エポキシ本体に直接応力を加えないように注意してください。応力を加えるとパッケージが割れたり内部のワイヤーボンディングが損傷したりする可能性があります。PCBの穴はLEDのリードと正確に合うようにし、取り付けストレスを避ける必要があります。

6.2 保管

LEDは、涼しく乾燥した環境 (≤30°C、相対湿度≤70%) で保管する必要があります。出荷後の推奨保管期間は3ヶ月です。長期保管 (最大1年) の場合は、湿気吸収とはんだ付け時の潜在的なポップコーン現象を防ぐために、乾燥剤を入れた密閉防湿バッグに保管し、可能であれば窒素雰囲気中で保管することが望ましいです。

6.3 はんだ付けプロセス

はんだ接合部とエポキシバルブの間には、最低3mmの距離を保つ必要があります。推奨はんだ付けパラメータは以下の通りです:
手はんだ: こて先温度 ≤300°C (最大30Wのこての場合)、はんだ付け時間 リードあたり≤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。
提供されているはんだ付けプロファイルグラフは、急速な温度上昇、プラトー (ソーク) ゾーン、260°Cでの短いピーク、制御された冷却を推奨しています。急冷や熱衝撃は避けるべきです。再はんだ付け (ディップまたは手はんだ付けの複数サイクル) は推奨されません。

6.4 洗浄

はんだ付け後に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。超音波洗浄は、その効果 (出力、周波数、時間) がサンプルアセンブリで十分に事前評価されていない限り使用しないでください。超音波エネルギーは、繊細な内部半導体構造を破損する可能性があります。

5.5 熱管理

効果的な熱管理は重要な設計上の考慮事項です。150mWの許容損失定格は25°Cで規定されています。実際のアプリケーションでは、実際に消費される電力 (V_F* I_F) は、デレーティング曲線に示すように、周囲温度の上昇に伴って低減する必要があります。高電流での連続動作や高周囲温度での動作では、ヒートシンクの使用、気流の増加、または平均接合温度を下げて長期信頼性を確保するためのパルス駆動の実装を検討してください。

7. 梱包および注文情報

LEDは静電気放電 (ESD) から保護するために、静電気防止バッグに梱包されています。これらのバッグは内箱に入れられ、その後、出荷用の大きな外箱に詰められます。典型的な梱包数量は、バッグあたり200-500個、内箱あたり5バッグ、マスター外箱あたり10内箱です。バッグのラベルには、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おり、顧客品番 (CPN)、メーカー品番 (P/N)、梱包数量 (QTY)、発光強度ランク (CAT) などが記載されています。その他のコードには、主波長ランク (HUE)、順電圧ランク (REF)、ロット番号、日付コードが示されている場合があります。

8. アプリケーション提案と設計上の考慮事項

8.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• 赤外線リモコン: TV、オーディオ、セットトップボックスのリモコンの送信機として使用されます。
• 近接および物体検知: フォトトランジスタと組み合わせて、物体の有無や位置を検知します。
• 光スイッチ: スロットセンサー (例: プリンターの用紙検知) や反射型センサーで使用されます。
• セキュリティシステム: CCTVカメラの暗視照明や、赤外線侵入検知ビームの一部として使用されます。
• 産業オートメーション: カウント、位置合わせ、レベル検知アプリケーションにおける非接触センシングに使用されます。

8.2 設計上の考慮事項

• 電流制限: 常に直列抵抗または定電流ドライバを使用して、順電流を所望の値に制限してください。抵抗値は、電源電圧とLEDの順電圧に基づいて計算します。
• パルス動作: 高いピーク強度を必要とするアプリケーション (長距離センシングなど) では、ピーク電流と平均電力定格内に収まる適切なデューティサイクルでパルス駆動を使用してください。
• 光学設計: レンズ、絞り、光路を設計する際には、30°の指向角を考慮してください。より長い距離の場合は、外部レンズを使用してビームを平行光にすることができます。
• 検出器のマッチング: 選択した光検出器 (フォトトランジスタ、フォトダイオード、受信IC) が850nm領域で高い感度を持つことを確認してください。
• 環境光耐性: 強い環境光 (特にIRを含む太陽光) がある環境では、変調 (パルス) IR信号を使用し、受信機で同期検出を行うことで、信号をバックグラウンドノイズから識別します。

9. 技術比較と差別化

標準的な可視光LEDと比較して、このIR LEDは、850nmで高い効率を提供する材料 (GaAlAs) を使用して、赤外線スペクトルでの出力に最適化されています。IR LEDカテゴリ内での主な差別化要因は、比較的高い放射強度 (代表値15 mW/sr) と低順電圧 (代表値1.45V) の組み合わせであり、これはバッテリー駆動デバイスでの低消費電力化につながります。30°の指向角は、ビームの集中と照射範囲の間の良好なバランスを提供します。現代の環境基準 (RoHS、REACH、ハロゲンフリー) への準拠は、世界市場向けの製品にとって重要な利点であり、材料コンプライアンスに関する懸念を解消します。

10. 技術パラメータに基づくよくある質問

Q: このLEDを5V電源から直接駆動できますか？
A: できません。電流制限抵抗を使用する必要があります。例えば、5V電源、目標電流20mA、代表的なV_Fを1.45Vと仮定すると、抵抗値は R = (5V - 1.45V) / 0.02A = 177.5Ω となります。標準の180Ω抵抗が適しています。

Q: DC定格とパルス定格の放射強度の違いは何ですか？
A: DC定格 (20mAで15 mW/sr) は、熱的影響が出力を制限する連続動作用です。パルス定格 (100mAで80 mW/sr) は、短いパルスでは接合部が著しく加熱されることがないため、はるかに高い瞬時電流、したがってより高い光出力が可能になります。

Q: カソードはどのように識別しますか？
A: 標準的な5mmパッケージでは、カソードは通常、2つの特徴によって示されます: 1) 丸いプラスチックレンズリムのフラットなエッジ。 2) カソードリードは通常、アノードリードよりも短いです。はんだ付け前に必ず極性を確認してください。

Q: このLEDはESDに敏感ですか？
A: すべての半導体デバイスと同様に、静電気放電によって損傷する可能性があります。静電気防止包装で供給されており、組立中は適切なESD対策を講じて取り扱う必要があります。

11. 実践的な設計と使用例

例: シンプルな物体検知センサーの設計
一般的なアプリケーションは、ビーム遮断センサーです。HIR333/H0 IR LEDは経路の片側に配置され、フォトトランジスタは真向かいに配置されます。物体がそれらの間を通過すると、赤外線ビームが遮断され、フォトトランジスタの出力が変化します。この設計では:
1. シンプルなトランジスタスイッチまたはマイクロコントローラのGPIOピン (直列抵抗付き) を使用して、LEDを20mAの定電流で駆動します。
2. ノイズ耐性と距離を改善するために、LEDを特定の周波数 (例: 38kHz) でパルス駆動し、内蔵38kHzフィルターを備えたフォトトランジスタモジュールを使用します。
3. 30°の放射コーンを考慮して、LEDと検出器を注意深く位置合わせします。より長い間隔の場合は、LEDの前にチューブまたは平行光レンズを追加してビームを絞ることを検討してください。
4. 誤動作を防ぐために、センサーを直射日光やその他の強い赤外線光源から離して設置します。

12. 動作原理の紹介

赤外線発光ダイオード (IR LED) は、半導体p-n接合ダイオードです。順方向電圧が印加されると、n領域からの電子とp領域からの正孔が接合部を越えて注入されます。これらの電荷キャリアが活性領域で再結合すると、エネルギーは光子 (光) の形で放出されます。放出される光の波長 (色) は、半導体材料のバンドギャップエネルギーによって決まります。HIR333/H0は、ガリウムアルミニウムヒ素 (GaAlAs) を使用しており、そのバンドギャップは近赤外スペクトル、特に約850ナノメートルの光子に対応しています。黄色のプラスチックパッケージは、この波長に対して透明でありながら可視光を遮断するようにドープされており、出力ビームを形成する一次レンズとしても機能します。

13. 技術トレンドと開発動向

赤外線LED技術のトレンドは、より高い効率 (電気ワット入力あたりのより多くの光出力) とより高い電力密度に向かって続いています。これにより、より明るい光源またはよりエネルギー効率の高い設計が可能になります。ピーク波長の多様化も進んでおり、850nmや940nmが一般的ですが、ガスセンシングや医療診断などの特定のアプリケーション向けに他の波長も最適化されています。パッケージは自動組立のための表面実装技術 (SMD) をサポートする方向に進化していますが、5mmのようなスルーホールパッケージは、試作、修理、および特定の高信頼性アプリケーションで依然として人気があります。統合は別のトレンドであり、IR LEDがドライバ、変調器、さらには検出器と組み合わされて単一モジュールになり、エンドユーザーのシステム設計を簡素化しています。