IR LED 5.0mm IR533C データシート - 5mmパッケージ - 940nmピーク波長 - 100mA順電流 - 日本語技術文書

1. 製品概要

IR533Cは、標準的な5.0mm（T-1 3/4）青色プラスチック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。940nmスペクトルにおいて信頼性の高い強力な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。本デバイスは、一般的なシリコン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、閉ループ光学システムの理想的な光源となります。

この部品の主な位置付けは、一貫した赤外線出力と標準パッケージ互換性が最も重要となる、コスト効率の高い大量生産アプリケーションです。その中核的な利点には、高い信頼性、顕著な放射強度出力、および効率的なシステム電力管理に貢献する低い順方向電圧特性が含まれます。

ターゲット市場は、民生用電子機器、産業用センシング、および安全機器を網羅しています。特に、赤外線リモコン装置、自由空間光データリンク、煙感知システム、およびその他の様々な赤外線ベースのアプリケーションシステムの設計者に適しています。

2. 詳細な技術パラメータ分析

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生じる可能性のある応力限界を定義します。これらの限界以下または限界での動作は保証されません。

• 連続順電流（IF）：100 mA。これは、周囲温度25°CにおいてLEDに無期限に流すことができる最大DC電流です。
• ピーク順電流（IFP）：1.0 A。この高電流は、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。この定格は、短時間の高強度IR光バーストを必要とするアプリケーションにとって重要です。
• 逆電圧（VR）：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。
• 電力損失（Pd）：周囲温度25°C以下で150 mW。このパラメータは、熱抵抗と組み合わさり、連続動作時の最大許容電力を決定します。
• 温度範囲：デバイスの動作温度範囲は-40°Cから+85°C、保管温度範囲は-40°Cから+100°Cです。
• はんだ付け温度（Tsol）：260°C、持続時間は5秒以内。一般的な無鉛リフロープロファイルに準拠しています。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、標準周囲温度25°Cで測定され、指定条件下でのデバイスの性能を定義します。

• 放射強度（Ie）：これは、単位立体角（ステラジアン）あたりの光出力の主要な測定値です。
  • 標準駆動電流20mA DCにおいて、典型的な放射強度は7.8 mW/sr、最小値は4.0 mW/srです。
  • 100mA（≤100μs、≤1%デューティ）でのパルス動作時には、出力が大幅に増加します。
  • 最大パルス電流1Aにおいて、典型的な放射強度は350 mW/srに達し、高出力・短時間発光の能力を示しています。
• ピーク波長（λp）：940 nm（典型値）。この波長は、多くのプラスチックやガラスに対して高い透過率を持つ窓領域にあり、シリコン検出器のピーク感度とよく一致し、かつ人間の目にはほとんど見えないため理想的です。
• スペクトル帯域幅（Δλ）：約45 nm（典型値）。これは、発光強度が最大値の半分になるスペクトル幅（FWHM）を定義します。
• 順電圧（VF）：回路設計における重要なパラメータです。
  • 20mA時、VFは典型的に1.5V、最大1.5Vです。
  • 100mAパルス時、典型的な値は1.4V（最大1.85V）に上昇します。
  • 1Aパルス時、典型的なVFは2.6V（最大4.0V）であり、非常に高い電流での接合部電圧降下の増加を示しています。
• 指向角（2θ1/2）：25度（典型値）。これは、放射強度が0度（軸上）での値の半分に低下する全角です。25度の角度は、適度に集光されたビームを提供します。
• 逆電流（IR）：VR=5V時、最大10 μA。良好な接合部品質を示しています。

3. ビニングシステムの説明

このデータシートには、IF=20mA時の放射強度に関するビニングテーブルが含まれています。ビニングは、製造後に測定された性能パラメータに基づいてLEDを選別（ビニング）する品質管理プロセスです。

放射強度ビニング：LEDは、測定された放射強度に基づいてビン（K、L、M、N、P）に分類されます。例えば、ビン'K'には強度が4.0から6.4 mW/srのLEDが含まれ、ビン'P'には15.0から24.0 mW/srのLEDが含まれます。これにより、設計者はアプリケーションに応じて保証された最小（および最大）出力レベルの部品を選択でき、特に複数LEDアレイや高感度受信システムにおけるシステム性能の一貫性を確保できます。特定のロットのビンは、包装ラベルに表示されます。

4. 性能曲線分析

データシートには、表の単一点データを超えた性能傾向を示すいくつかの特性曲線が提供されています。

• 順電流 vs. 周囲温度（図1）：この曲線は、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低下するかを示しています。過熱を防ぐため、高温では駆動電流を減らす必要があります。
• スペクトル分布（図2）：波長に対する相対強度をプロットしたグラフで、940nmのピークと約45nmの帯域幅を視覚的に確認できます。
• ピーク発光波長 vs. 周囲温度（図3）：接合部温度の変化に伴うピーク波長のシフト（通常はわずかな増加）を示しています。これは、厳密なスペクトルフィルタリングを必要とするアプリケーションで重要です。
• 順電流 vs. 順電圧（IV曲線）（図4）：電流と電圧の非線形関係を示しています。半導体およびパッケージ内の直列抵抗により、高電流では曲線が急峻になります。
• 相対強度 vs. 順電流（図5）：駆動電流と光出力のサブリニアな関係を示しています。効率（単位電流あたりの光出力）は、非常に高い電流では低下することがよくあります。
• 相対放射強度 vs. 角度変位（図6）：これは空間放射パターンであり、25度の指向角をグラフィカルに定義します。中心軸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ています。
• 相対強度 vs. 周囲温度（図7）：周囲温度（したがって接合部温度）が上昇するにつれて光出力が減少する現象（熱消光として知られる）を示しています。
• 順電圧 vs. 周囲温度（図8）：順方向電圧降下が温度の上昇とともにどのように減少するかを示しており、これは半導体接合部の特性です。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

IR533Cは、業界標準の5.0mm（T-1 3/4）ラジアルリードパッケージを使用しています。図面からの主要な寸法仕様は以下の通りです：

• 全体直径：5.0mm（公称）。
• リード間隔：2.54mm（0.1インチ）。標準の穴あき基板およびソケットと互換性があります。
• パッケージ本体は青色のプラスチックで成形されており、これは赤外線LEDの機能を示す典型的なもので、ある程度のフィルタリング効果を提供する場合があります。
• レンズは透明です。
• チップ材料はガリウムアルミニウムヒ素（GaAlAs）です。
• 特に指定がない限り、すべての寸法公差は±0.25mmです。

5.2 極性識別

ほとんどのラジアルLEDと同様に、一方のリードは他方よりも長くなっています。長いリードがアノード（正極、A+）、短いリードがカソード（負極、K-）です。パッケージには、カソードリード近くの縁に平らな部分がある場合もあります。正しい極性は動作に不可欠です。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

• 手はんだ付け：温度制御付きはんだごてを使用してください。プラスチックパッケージおよび内部ワイヤボンドへの熱損傷を防ぐため、リードごとはんだ付け時間を最大3-5秒、温度は350°Cを超えないように制限してください。
• 波はんだ付け：可能ですが、プリヒートおよびはんだ波温度プロファイルを注意深く制御し、最大定格である260°Cで5秒以内に収める必要があります。
• 洗浄：はんだ付け後の洗浄が必要な場合は、青色プラスチックパッケージ材料と適合する適切な溶剤を使用してください。内部ダイ構造を損傷する可能性がある超音波洗浄は避けてください。
• リード曲げ：リード成形が必要な場合は、パッケージ本体から3mm以上離れた位置でリードを曲げ、シールへの応力を避けてください。リードに傷をつけたり損傷したりしないよう、適切な工具を使用してください。
• 保管条件：乾燥した静電気防止環境で、温度-40°Cから+100°Cの間で保管してください。湿気感受性レベル（MSL）は明示されていませんが、このパッケージタイプでは通常、MSL 2A以上（フロアライフ>1年）として扱うのが一般的です。

7. 包装および注文情報

• 包装仕様：LEDは通常、200個から500個入りの袋に包装されます。5袋が1箱に入り、10箱で1つの出荷段ボール箱を構成します。
• ラベル情報：包装ラベルには、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（顧客部品番号）：購入者が割り当てた番号。
  • P/N（製造番号）：メーカーの部品番号（IR533C）。
  • QTY（包装数量）：袋/箱内の個数。
  • CAT（ランク）：性能ビンコード（例：放射強度のM）。
  • HUE：ピーク波長ビン。
  • LOT No：トレーサビリティのための固有の製造ロット番号。

8. アプリケーション推奨事項

8.1 代表的なアプリケーション回路

基本駆動回路：最も単純な回路は、電源に直列に接続された電流制限抵抗を含みます。抵抗値（R）はオームの法則を使用して計算されます：R = (Vcc - VF) / IF。ここで、Vccは供給電圧、VFは所望の電流IFにおけるLEDの順電圧、IFは目標順電流（例：20mA）です。抵抗の電力定格が十分であることを常に確認してください（P = IF² * R）。

高強度のためのパルス動作：長距離リモコンのようなアプリケーションでは、パルス定格を使用してください。トランジスタ（BJTまたはMOSFET）を使用して、コンデンサまたはより高い電圧源から高パルス電流（最大1A）をスイッチングできます。直列抵抗は、パルスVFと所望のパルス電流に基づいて計算する必要があります。パルス幅とデューティサイクルの制約（≤100μs、≤1%）を厳密に遵守してください。

8.2 設計上の考慮事項

• 放熱：パッケージの熱放散能力は限られていますが、最大電流（100mA）近くでの連続動作では、周囲温度を考慮し、十分な通気を確保してください。減額曲線（図1）に従う必要があります。
• 光学設計：25度の指向角は自然な集光を提供します。より狭いビームが必要な場合は、外部レンズまたは反射器を使用できます。より広いカバレッジが必要な場合は、複数のLEDまたは拡散板が必要になる場合があります。
• 受信機の整合：受信機（フォトトランジスタ、フォトダイオード、またはIC）が940nm領域に感度を持つことを確認してください。受信機に整合IRフィルターを使用することで、周囲の可視光を遮断し、信号対雑音比を大幅に改善できます。
• 電気的ノイズ：高感度アナログセンシングアプリケーションでは、より安定した出力を得るために、単純な抵抗ではなく定電流源でLEDを駆動してください。デジタルパルスシステムでは、駆動信号の高速な立ち上がり/立ち下がり時間を確保してください。

9. 技術比較と差別化

IR533Cは、以下の特定の特性により、広範な5mm IR LED市場の中で位置付けられています：

• 高放射強度：20mAでの典型的な7.8 mW/sr、および非常に高いパルス出力（1Aで350 mW/sr）の能力により、標準的な低電力IR LEDと比較して、より長い距離またはより高い信号強度を必要とするアプリケーションに適しています。
• 940nm波長：これは最も一般的で汎用性の高いIR波長です。シリコン検出器の感度、整合フィルターの入手性、およびより短い近赤外波長と比較した目の安全性の間で良好なバランスを提供します。
• 標準パッケージ：ユビキタスな5mmフォームファクタは、既存の設計、プロトタイピング基板、および標準パネル切り抜きへの容易な統合を保証します。
• 低順電圧：20mAでの典型的なVF 1.5Vにより、低電圧ロジック電源（3.3V、5V）からの効率的な動作が可能となり、電流制限抵抗での電圧降下が最小限に抑えられ、安定動作のためのより多くのヘッドルームが残ります。
• 適合性：RoHS（鉛フリー）、EU REACH、およびハロゲンフリー規格への適合が明記されており、電子部品に対する現代の環境および規制要件に対応しています。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q1: このLEDを100mAで連続駆動できますか？

A1: 連続順電流の絶対最大定格は、Ta=25°Cで100mAです。ただし、減額曲線（図1）を参照する必要があります。周囲温度が上昇すると、最大接合部温度および150mWの電力損失限界を超えないようにするため、最大許容連続電流は大幅に減少します。信頼性の高い長期動作のためには、より低い電流（例：50-75mA）で設計することがしばしば推奨されます。

Q2: 放射強度（mW/sr）と放射パワー（mW）の違いは何ですか？

A2: 放射強度は、単位立体角（ステラジアン）あたりに放射される光パワーです。放射パワー（またはフラックス）は、全方向に放射される総光パワーです。総パワーを推定するには、全空間放射パターン（図6）にわたって強度を積分する必要があります。25度指向角のLEDの場合、総パワーは軸上強度値に4πステラジアンを乗じた値よりも大幅に小さくなります。

Q3: 正しい電流制限抵抗をどのように選択しますか？

A3: 公式 R = (Vs - VF) / IF を使用してください。選択したIFに対してデータシートの*最大* VFを使用し、すべての条件下で抵抗に十分な電圧降下があることを確認し、過電流を防いでください。例えば、5V電源と20mA目標の場合：R = (5V - 1.5V) / 0.02A = 175オーム。次の標準値（180オーム）を使用します。抵抗での電力：P = (0.02A)² * 180Ω = 0.072W、したがって1/8Wまたは1/4W抵抗が安全です。

Q4: 表で100mAパルス時の順電圧が20mA DC時よりも低いのはなぜですか？

A4: これは提供されたデータの不一致のように見えます（100mAパルス時Typ. 1.4V vs. 20mA時1.5V）。実際には、直列抵抗によりVFは電流とともに増加するはずです。100mAでのパルス測定は、20mAでのDC測定よりも接合部温度上昇が低い可能性があり、それがVFにわずかに影響するかもしれません。安全のため、動作条件に対する*最大*指定VFを使用して常に設計してください。

11. 実践的な設計および使用例

例1: 長距離赤外線リモコン送信機。

目的：室内条件で30メートルの到達距離を達成する。

設計：最大定格でのパルス動作を使用します。IR533Cを、1/40デューティサイクル（例：50μsオン、1950μsオフ、≤100μs、≤1%仕様を満たす）で50μs幅の1Aパルスで駆動します。簡単な回路では、マイクロコントローラのGPIOピンが小さなベース抵抗を介してNPNトランジスタ（例：2N2222）のベースを駆動します。トランジスタのコレクタはLEDのアノードに接続され、LEDのカソードは1A用に計算された低値の電流設定抵抗を介してグランドに接続されます。LEDのアノードは、高ピーク電流を供給するために、LED近くに充電されたコンデンサ（例：100μF）にも接続されます。このセットアップは、最大到達距離のために高いパルス放射強度（Typ. 350 mW/sr）を活用します。

例2: 近接または物体検出センサー。

目的：10cm以内の物体を検出する。

設計：安定した出力のために適度な電流（例：50mA）での連続動作を使用します。IR533Cを、数センチメートル離れた位置に配置された整合シリコンフォトトランジスタとペアリングします。マイクロコントローラを使用して、特定の周波数（例：38kHz）でLED駆動電流を変調します。受信回路には、38kHzに同調したバンドパスフィルターが含まれます。この技術により、システムは周囲光の変化（日光、室内灯）の影響を受けなくなります。940nm波長は可視光干渉を最小限に抑えます。低いVFにより、システムは3.3Vマイクロコントローラ電源から動作できます。

12. 動作原理

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。順方向バイアス（p側にn側に対して正の電圧を印加）がかかると、n領域からの電子が接合部を越えてp領域に注入され、p領域からの正孔がn領域に注入されます。これらの注入された少数キャリア（p領域の電子、n領域の正孔）は多数キャリアと再結合します。ガリウムアルミニウムヒ素（GaAlAs）のような直接遷移型半導体では、この再結合イベントの大部分が光子（光）の形でエネルギーを放出します。発光の波長（色）は、半導体材料のバンドギャップエネルギー（Eg）によって決定され、式 λ ≈ 1240 / Eg（Egは電子ボルト、λはナノメートル）に従います。940nm発光用に調整されたGaAlAsの場合、バンドギャップは約1.32 eVです。チップの特定のドーピングおよび層構造は、赤外線スペクトル内でのこの放射再結合プロセスの効率を最大化するように設計されています。

13. 技術トレンド

IR533Cのようなデバイスの背後にある基本技術は成熟しています。しかし、広範なIR LED市場のトレンドは、そのアプリケーションと開発の文脈に影響を与えています：

• 高出力化と高効率化：継続的な材料科学研究は、IR LEDのワールプラグ効率（光出力/電気入力）を改善し、より明るい出力またはより低い消費電力を可能にすることを目指しています。これは、飛行時間（ToF）センサー、LiDAR、および顔認識におけるアプリケーションによって推進されています。
• 小型化：5mmはスルーホール設計では依然として人気がありますが、表面実装デバイス（SMD）パッケージ（例：0805、1206、およびチップスケールパッケージ）は、自動組立およびスマートフォンやウェアラブルなどのスペース制約のある設計において主流になりつつあります。
• 統合ソリューション：IR LEDをドライバIC、光検出器、時にはマイクロコントローラさえも単一モジュールに組み合わせる傾向があります。これらのセンサーフュージョンモジュールは、ジェスチャー制御や存在検知などのアプリケーションにおけるエンドユーザーの設計を簡素化します。
• 波長の多様化：940nmは標準ですが、わずかに可視性が許容され、シリコン検出器の感度がわずかに高い場合には、850nm（かすかな赤い光として見えることが多い）などの他の波長が使用されます。より長い波長（1050nm、1300nm、1550nm）は、アイセーフLiDARや光通信などの特殊なアプリケーションに使用されます。
• アプリケーションの拡大：モノのインターネット（IoT）、スマートホームオートメーション、自動車ドライバーモニタリング、生体認証セキュリティの成長は、IR533Cのような信頼性の高い低コスト赤外線エミッターの新たなアプリケーションを継続的に生み出しています。