5mm赤外線LED IR323 データシート - 5.0mmパッケージ - 940nm波長 - 1.5V順電圧 - 150mW電力損失 - 技術文書

1. 製品概要

本資料は、高強度5mm赤外線発光ダイオード（LED）の完全な技術仕様を提供します。このデバイスは青色透明プラスチックパッケージに封止され、ピーク波長940ナノメートル（nm）で発光するように設計されており、近赤外線スペクトルに確実に位置付けられます。この波長は、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の分光感度とよく一致するため、センシングおよびリモートコントロールアプリケーションでの最適な性能を実現するために戦略的に選択されています。この部品の主な設計目標は、高信頼性、高放射出力、および低順電圧動作であり、様々な赤外線ベースの電子システムに適しています。

1.1 主要な特徴と利点

このLEDは、その性能と統合の容易さに貢献するいくつかの重要な利点を提供します：

• 高放射強度：標準駆動電流20mAで典型的な放射強度6.4 mW/srを提供し、強力な信号伝送を保証します。
• 低順電圧：20mAで典型的な順電圧（Vf）1.2Vを特徴とし、システム全体の低消費電力に貢献します。
• 標準化されたパッケージ：2.54mm（0.1インチ）のリード間隔を備えた一般的な5mmラジアルリードパッケージを採用しており、標準的なPCBレイアウトおよびブレッドボードと互換性があります。
• 環境規制対応：本製品は鉛フリーで製造され、EU RoHSおよびREACH規制に準拠し、ハロゲンフリー基準（Br<900ppm、Cl<900ppm、Br+Cl<1500ppm）を満たしています。
• 明確な視野角：典型的な半値角（2θ1/2）30度を提供し、指向性アプリケーションに適した集光ビームを実現します。

2. 技術パラメータ分析

このセクションでは、デバイスの電気的、光学的、および熱的限界と特性について、詳細かつ客観的な解釈を提供します。

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（I_F）：100 mA。周囲温度25°Cで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（I_FP）：1.0 A。この高いパルス電流は、パルス幅≤100μs、デューティサイクル≤1%という厳格な条件下でのみ許容されます。これは、短時間の高強度信号伝送に有用です。
• 逆電圧（V_R）：5 V。逆バイアス方向に印加できる最大電圧です。これ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（P_d）：周囲温度25°C以下で150 mW。これはパッケージが熱として放散できる最大電力です。定格は周囲温度の上昇に伴い低下します。
• 温度範囲：動作温度（T_opr）：-40°C ～ +85°C；保存温度（T_stg）：-40°C ～ +100°C。
• はんだ付け温度（T_sol）：最大260°C、持続時間5秒以内。フローまたは手はんだ付けのプロセスウィンドウを定義します。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、Ta=25°Cで測定され、通常の動作条件下でのデバイスの典型的な性能を定義します。

• 放射強度（I_e）：光出力の主要な測定値です。最小4.0 mW/sr、I_F=20mAで典型的に6.4 mW/sr。最大連続電流100mAでは、典型的な強度は30 mW/srに上昇します。
• ピーク波長（λ_p）：940 nm（典型的）。これは、発光光パワーが最大となる波長です。
• スペクトル帯域幅（Δλ）：45 nm（典型的）。これは発光される波長の範囲を定義し、通常はピークパワーの半分（半値全幅 - FWHM）で測定されます。
• 順電圧（V_F）：20mAで1.2V（典型的）、1.5V（最大）。ダイオードの直列抵抗により、100mAでは1.4V（典型的）、1.8V（最大）に増加します。
• 逆電流（I_R）：逆バイアス5V印加時、最大10 μA。
• 視野角（2θ_1/2）：30度（典型的）。放射強度が0度（軸上）の値の半分になる点間の角度広がりです。

3. ビニングシステムの説明

デバイスは、標準試験条件I_F=20mAで測定された放射強度に基づいて選別（ビニング）されます。これにより、設計者は一貫したシステム性能のために保証された最小および最大出力レベルを持つ部品を選択できます。

例えば、ビン"L"とマークされた部品は、放射強度が5.6から8.9 mW/srの間であることが保証されます。より高いビン文字（例：P）は、より高い出力のデバイスに対応します。この特定の製品のデータシートでは、順電圧やピーク波長などの他のパラメータに関するビニングは示されておらず、それらの特性に対する製造管理が厳密であることを示唆しています。

4. 性能曲線分析

提供された特性曲線は、様々な条件下でのデバイスの挙動に関する貴重な洞察を提供します。

4.1 順電流 vs. 周囲温度

このグラフは、周囲温度の上昇に伴う最大許容連続順電流の低下を示しています。25°Cでは、フルの100mAが許容されます。温度が上昇すると、150mWの電力損失限界を超えず、長期信頼性を確保するために、最大電流を低減する必要があります。この曲線は、高温環境で動作するシステムを設計する上で重要です。

4.2 放射強度 vs. 順電流

このプロットは、駆動電流（I_F）と光出力（I_e）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ますが、最終的には飽和します。この曲線は、表に記載された典型的な値（例：20mAで~6.4 mW/sr、100mAで~30 mW/sr）を確認します。

4.3 スペクトル分布

スペクトルグラフは、相対放射強度を波長に対してプロットしています。ピーク波長（λ_p）が940nmであり、スペクトル帯域幅（Δλ）がFWHM点で約45nmであることを視覚的に確認します。この曲線は、GaAlAs（ガリウムアルミニウムヒ素）半導体材料システムの特徴です。

4.4 相対放射強度 vs. 角度変位

この極座標プロットは、LEDの放射パターンを描いています。中心軸（0°）からの角度が増加するにつれて強度がどのように減少するかを示しています。強度が軸上の値の50%に低下する角度が半値角を定義し、ここでは約30度として示されており、適度に集光されたビームを形成します。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

デバイスは標準的な5mmラジアルリードパッケージを使用しています。寸法図は、主要な測定値：全体直径（典型的に5.0mm）、リード線径、レンズ基部からリードの曲げ部までの距離、およびリード間隔（2.54mm）を指定しています。図面には、特に指定がない限り公差は±0.25mmであるという注記が含まれています。長いリードは通常、アノード（正極）接続を示します。

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、デバイスの完全性と性能を維持するために不可欠です。

6.1 リード成形

• 曲げは、エポキシレンズの基部から少なくとも3mm離れた点で行い、シールへの応力を避ける必要があります。
• 成形は、はんだ付け作業の前に完了させる必要があります。
• リードの切断は、熱衝撃を防ぐために室温で行う必要があります。
• PCBの穴は、LEDリードと正確に位置合わせされ、取り付け応力を避ける必要があります。

6.2 保管

• 推奨保管条件は、出荷後3ヶ月まで、温度≤30°C、相対湿度（RH）≤70%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は、結露を防ぐために避けてください。

6.3 はんだ付けプロセス

重要なルール：はんだ接合部からエポキシバルブまでの最小距離を3mm保つこと。

• 手はんだ付け：はんだごて先温度≤300°C（最大30Wのごて）、はんだ付け時間はリードごとに≤3秒。
• フロー/ディップはんだ付け：プリヒート≤100°C、≤60秒。はんだ浴温度≤260°C、浸漬時間≤5秒。
• 高温段階でのリードへの応力を避けてください。
• ディップまたは手はんだ付けは、複数回行わないでください。
• はんだ付け後、LEDを徐々に室温まで冷却してください。急冷は避けてください。

6.4 洗浄

• 必要に応じて、室温のイソプロピルアルコールで1分以内にのみ洗浄してください。
• 超音波洗浄は、絶対に必要な場合にのみ、十分な事前評価試験を行った後に使用してください。機械的損傷を引き起こす可能性があります。

7. 包装および注文情報

7.1 ラベル仕様

包装のラベルには、顧客製品番号（CPN）、メーカー製品番号（P/N）、包装数量（QTY）、および発光強度（CAT）、主波長（HUE）、順電圧（REF）の性能ランクを含むいくつかのコードが含まれています。また、ロット番号と日付コード（月）も含まれます。

7.2 包装仕様

• LEDは静電気防止バッグに包装されています。
• 典型的な包装：バッグあたり200-500個、内箱あたり5袋、外箱あたり10個の内箱。

8. アプリケーション提案および設計上の考慮事項

8.1 典型的なアプリケーションシナリオ

• 赤外線リモコン：テレビ、オーディオシステム、その他の民生用電子機器用。940nm波長は、人間の目には見えませんが、シリコン受信機によって効率的に検出されるため理想的です。
• 近接および物体検出センサー：自動蛇口、ハンドドライヤー、セキュリティシステム、産業用計数装置などで使用されます。IR LEDとフォト検出器を組み合わせることで、ビームの遮断または反射を検知できます。
• 光スイッチおよびエンコーダ：プリンター、モーター制御、ロータリーエンコーダでの動きや位置の検出用。
• ナイトビジョン照明：赤外線センサーを搭載した防犯カメラ用の隠密照明を提供します。
• データ伝送：短距離、見通し線内の光データリンク（例：IrDAレガシーシステム）で使用されます。

8.2 設計上の考慮事項

• 電流制限：電圧源からLEDを駆動する際は、常に直列の電流制限抵抗を使用してください。抵抗値は R = (V_supply- V_F) / I_F を使用して計算してください。電圧源に直接接続しないでください。
• 熱管理：最大電流付近または高い周囲温度で動作する場合は、低下曲線を考慮してください。必要に応じて、特に高密度に配置されたアレイの場合、十分な換気または放熱を確保してください。
• 光学設計：30度の視野角は集光ビームを提供します。より広いカバレッジが必要な場合は、複数のLEDまたはディフューザーのような二次光学素子を使用してください。より長い距離が必要な場合は、レンズを使用してビームをさらに平行にすることができます。
• 電気的ノイズ耐性：センシングアプリケーションでは、IR信号を（例：38kHzキャリアで）変調して、環境赤外線（日光、白熱電球）と区別します。これにより、信号対雑音比が大幅に向上します。
• 受信機のマッチング：選択したフォト検出器または受信モジュール（例：38kHz統合受信機）が、最適な性能のために940nm付近で分光的に感度を持つことを確認してください。

9. 技術比較および差別化

多くの5mm IR LEDが存在しますが、このデバイスのパラメータの組み合わせは特定の利点を提供します：

• より高い波長のIR LED（例：850nm）との比較：940nmの発光はかすかな赤い光として見えにくく、隠密アプリケーションにより適しています。ただし、シリコンフォト検出器の感度は940nmでは850nmよりもわずかに低いですが、このLEDの高い放射強度によって相殺されます。
• 標準輝度IR LEDとの比較：より高い出力ビン（例：ビンN、P）の入手可能性により、同じ信号強度に対してより長い距離またはより低い駆動電流を必要とする設計が可能になり、電力効率が向上します。
• 表面実装型（SMD）IR LEDとの比較：スルーホールパッケージは、試作、ホビー用途、および接続の機械的堅牢性がボードスペースよりも優先されるアプリケーションでより容易です。
• 主要な差別化要因：強度に対して明確に定義され、比較的厳密なビニング構造と、包括的な環境規制対応（RoHS、REACH、ハロゲンフリー）を組み合わせることで、この部品は現代の規制された電子製品に適しています。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

10.1 "放射強度"と"光度"の違いは何ですか？

放射強度（mW/srで測定）は、単位立体角あたりの発光パワーであり、すべての波長に関連します。光度（カンデラ、mcdで測定）は、人間の目の感度（明所視感度曲線）によって光パワーを重み付けします。人間の目は940nmの赤外線光にはほとんど感度がないため、このLEDの光度は本質的にゼロです。放射強度は、電子センサーと共に使用されるIR部品の正しい指標です。

10.2 このLEDを100mAで連続駆動できますか？

はい、ただし絶対最大定格に従い、周囲温度（Ta）が25°C以下の場合に限ります。周囲温度が高い場合は、"順電流 vs. 周囲温度"の低下曲線を参照して、新しい最大許容連続電流を見つける必要があります。例えば、85°Cでは、最大連続電流は100mAよりも大幅に低くなります。

10.3 なぜピーク順電流（1A）は連続電流（100mA）よりもずっと高いのですか？

1A定格は、非常に短いパルス（≤100μs）で低いデューティサイクル（≤1%）の場合です。このような短いパルスの間、半導体接合部は大幅に加熱する時間がありません。100mA連続定格は、パッケージの定常状態の熱放散能力によって制限されます。高いパルス電流により、長距離、短時間バースト信号伝送などのアプリケーションが可能になります。

10.4 アノードとカソードをどのように識別しますか？

標準的なラジアルLEDパッケージでは、長いリードが通常アノード（正極）です。さらに、LEDを下から見ると、プラスチックレンズの縁に平らな部分がある側のリードが通常カソード（負極）です。不明な場合は、必ずマルチメーターのダイオードテストモードで確認してください。

11. 実用的な設計および使用例

11.1 シンプルな近接センサー回路

基本的な反射型センサーは、このIR LEDとフォトトランジスタを並べて同じ方向に向けることで構築できます。LEDは、マイクロコントローラのピンから20-30Ωの抵抗（3.3V電源から~50mAの場合：R = (3.3V - 1.2V)/0.05A ≈ 42Ω）を介して駆動されます。フォトトランジスタのコレクタは、プルアップ抵抗（例：10kΩ）を介して電源に接続され、エミッタはグランドに接続されます。コレクタノードはマイクロコントローラのADCまたはデジタル入力に接続されます。物体が近づくと、IR光がフォトトランジスタに反射され、コレクタ電圧が低下し、マイクロコントローラによって検出されます。

11.2 IR受信モジュールの駆動

リモコンアプリケーションでは、このLEDを3ピンIR受信モジュール（例：38kHzに同調）と組み合わせます。LEDは、電流制限抵抗とNPNトランジスタと直列に接続されます。トランジスタのベースは、マイクロコントローラからの変調信号によって駆動され、NECやRC5のようなプロトコルを使用してリモコンコマンドをエンコードします。38kHzのキャリア周波数は、LEDの立ち上がり/立ち下がり時間の帯域幅内に収まります。受信モジュールはこの信号を復調し、クリーンなデジタルデータストリームをマイクロコントローラに出力します。

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（アノードにカソードに対して正の電圧を印加）がかかると、n型領域からの電子とp型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接合部の活性領域で再結合すると、エネルギーを放出します。この特定のデバイスでは、半導体材料はガリウムアルミニウムヒ素（GaAlAs）です。この材料のエネルギーバンドギャップが、放出される光子の波長を決定します。940nmで発光するように調整されたGaAlAsの場合、再結合エネルギーは電磁スペクトルの近赤外線部分の光子に対応します。青色透明エポキシパッケージはレンズとして機能し、発光を指定された視野角に形成し、赤外線波長に対して透明です。

13. 技術トレンド

この5mm LEDのようなスルーホール部品は、試作、教育、および特定の産業アプリケーションで依然として人気がありますが、業界全体のトレンドは表面実装デバイス（SMD）パッケージ（例：0805、1206、またはチップスケールパッケージ）に向かっています。SMDは、より小さなサイズ、自動ピックアンドプレース組立へのより高い適合性、およびPCBへのより大きな熱パッド接続によるしばしば改善された熱性能を提供します。赤外線LEDに関しては、特に、より高いWall-Plug効率（入力電力あたりのより多くの光出力）、特定のセンシングアプリケーション（ガスセンシングなど）のためのより厳密な波長公差、およびドライバーやセンサーとのマルチチップモジュールへの統合を含むデバイスの開発がトレンドです。GaAlAsおよび類似のIII-V族半導体IRエミッタの背後にある基本的な物理学および材料科学は、性能とコストのために継続的に洗練されています。