5.0mm 赤外線LED IR333-A データシート - T-1 3/4 パッケージ - ピーク波長 940nm - 順方向電圧 1.5V - 技術文書

1. 製品概要

IR333-A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輝度赤外線（IR）発光ダイオードです。このデバイスは、ピーク波長（λp）940ナノメートルで光を放射するように設計されており、フォトトランジスタ、フォトダイオード、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に最適に適合します。その主な機能は、様々なセンシングおよび伝送システムにおいて、信頼性の高い赤外線光源として機能することです。

1.1 中核的利点とターゲット市場

IR333-Aは、産業用および民生用アプリケーションに適したいくつかの重要な利点を提供します。高放射強度を特徴とし、強力な信号伝送を保証します。低い順方向電圧で動作し、エネルギー効率に貢献します。このデバイスは環境適合性を考慮して設計されており、鉛フリー、EU REACH規制準拠、ハロゲンフリー基準（Br < 900ppm、Cl < 900ppm、Br+Cl < 1500ppm）を満たしています。2.54mmのリード間隔は、標準的なブレッドボードやPCBとの互換性を確保します。ターゲット市場には、信頼性の高い赤外線信号伝送が必要とされる産業オートメーション、民生用電子機器、安全システム、データ通信インターフェースなどが含まれます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

このセクションでは、データシートに規定されている電気的、光学的、熱的特性について、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生じる可能性がある限界を定義します。通常動作を意図したものではありません。

• 連続順方向電流（IF）：100 mA。これは、LEDの性能や寿命を劣化させることなく連続的に印加できる最大の直流電流です。
• ピーク順方向電流（IFP）：1.0 A。この高い電流は、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。これにより、特定のセンシングや通信プロトコルに有用な、非常に短い高強度の光バーストが可能になります。
• 逆電圧（VR）：5 V。LEDに逆方向に印加できる最大電圧です。これを超えると破壊を引き起こす可能性があります。
• 動作温度（Topr）：-40°C から +85°C。デバイスが仕様通りに動作することが保証される周囲温度範囲です。
• 保存温度（Tstg）：-40°C から +100°C。動作していない状態でデバイスを保管する温度範囲です。
• はんだ付け温度（Tsol）：最大10秒間、260°C。これは、パッケージ損傷を防ぐためのリフローはんだ付けプロファイルの限界を定義します。
• 電力損失（Pd）：周囲温度25°C以下の自由空気中で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。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、標準試験条件Ta=25°Cで測定され、通常動作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）あたりに放射される光パワーです。標準駆動電流20mAでは、代表値は20 mW/sr、最小値は7.8 mW/sr、最大値は48 mW/srです。パルス条件下（100mA、デューティ ≤1%）では、代表的な強度は85 mW/srに上昇し、ピークパルス電流1Aでは750 mW/srに達することができます。これは、パルス駆動時の高出力アプリケーションに対するデバイスの能力を示しています。
• ピーク波長（λp）：940 nm（代表値）。これはLEDが最も多くの光パワーを放射する波長です。近赤外領域で良好な感度を持つシリコン検出器との使用に適しています。
• スペクトル帯域幅（Δλ）：45 nm（代表値）。これはピークを中心に放射される波長の範囲を示します。狭い帯域幅は、周囲光ノイズを除去するのに有益です。
• 順方向電圧（VF）：20mA時、代表的な順方向電圧は1.5V（最小1.2V、表では20mAでの最大値は明記されていないが、他の条件から暗示される）です。この比較的低い電圧は、低消費電力に貢献します。電圧は電流とともに増加し、100mAパルス時1.4V（代表値）、1Aパルス時2.6V（代表値）に示されています。
• 逆電流（IR）：VR=5V時、最大10 μA。これはデバイスが逆バイアスされたときに流れる小さなリーク電流です。
• 視野角（2θ1/2）：20度（代表値）。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。20度の角度は中程度に集束されたビームを示し、指向性センシングアプリケーションに有用です。

3. ビニングシステムの説明

データシートには放射強度のビニングテーブルが含まれており、これは測定された性能に基づいてLEDを分類する一般的な慣行です。

3.1 放射強度ビニング

LEDは、IF=20mAで測定された放射強度に基づいて、異なるビンまたはランク（M、N、P、Q、R）に分類されます。これにより、設計者はアプリケーションに必要な保証された最小性能レベルを持つ部品を選択できます。例えば、Qビンの部品を選択すると、放射強度が21.0から34.0 mW/srの間であることが保証されます。このシステムは生産ロットの一貫性を確保します。この特定の型番では、ピーク波長や順方向電圧のビニングは示されていないため、それらのパラメータについては厳密な管理または単一仕様であることを示唆しています。

4. 性能曲線分析

代表的な特性曲線は、LEDが様々な条件下でどのように振る舞うかについて貴重な洞察を提供します。具体的なグラフィカルデータポイントは本文では提供されていませんが、参照される曲線から以下の分析が可能です。

4.1 順方向電流 vs. 周囲温度（図1）

この曲線は通常、周囲温度の上昇に伴う最大許容順方向電流のデレーティングを示します。過熱を防ぎ信頼性を確保するため、25°C以上で動作する場合、連続順方向電流を低減する必要があります。絶対最大電力損失150mWが制限要因です。

4.2 スペクトル分布（図2）

このプロットは、波長の関数としての相対的な光パワー出力を視覚化します。940 nmを中心とし、45 nmのスペクトル帯域幅を持つベル型の曲線を示すでしょう。これは赤外線光の純度と、検出器のスペクトル応答との適合性を理解するのに役立ちます。

4.3 ピーク発光波長 vs. 温度（図3）

LEDのピーク波長には温度係数があり、接合温度が上昇すると通常、より長い波長（赤方偏移）にシフトします。この曲線はIR333-Aのそのシフトを定量化し、正確な波長マッチングを必要とするアプリケーションにとって重要です。

4.4 順方向電流 vs. 順方向電圧（IV曲線）（図4）

この基本的な曲線は、LEDに印加される電圧と結果として生じる電流との間の指数関数的関係を示します。電流制限駆動回路を設計する上で極めて重要です。この曲線は代表的なニー電圧（約1.2-1.5V）と、電流の増加に伴って電圧がどのように上昇するかを示します。

4.5 放射強度 vs. 順方向電流（図5）

この曲線は、駆動電流と光出力との間のサブリニアな関係を示します。強度は電流とともに増加しますが、効率（単位電気入力あたりの光出力）は、発熱の増加により非常に高い電流では通常低下します。表のデータ（20mA -> 20 mW/sr 代表値、100mA パルス -> 85 mW/sr 代表値）はこの関係を示唆しています。

4.6 相対放射強度 vs. 角度変位（図6）

これはLEDの空間放射パターンです。中心軸からの角度の関数として正規化された強度をプロットします。ドームレンズを備えた5mm LEDの場合、このパターンは通常ランバートまたはニアランバートです。指定された20度の視野角（2θ1/2）はこの曲線からの重要なデータポイントであり、ビームの幅を定義します。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

IR333-Aは業界標準のT-1 3/4（直径5.0mm）パッケージを使用しています。リード間隔は2.54mm（0.1インチ）で、プリント回路基板上のスルーホール部品の標準ピッチです。パッケージ材料は青色プラスチックで、ある程度可視光フィルターとして機能し、周囲の可視光がパッケージ内に入り込みチップに到達するのを防ぎ、検出回路での干渉を低減するのに役立ちます。カソードは通常、パッケージリムのフラットスポットおよび/または短いリードで識別されます。設計者は正確な寸法と公差（特に指定がない限り±0.25mm）については、詳細なパッケージ図面（パッケージ寸法セクションで暗示される）を参照する必要があります。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

はんだ付け温度の絶対最大定格は、10秒を超えない期間で260°Cです。これは鉛フリーリフローはんだ付けプロセスの代表的な定格です。手はんだ付けの場合は温度制御されたはんだごてを使用し、プラスチックパッケージや内部ワイヤーボンドへの熱損傷を防ぐために接触時間を最小限に抑える必要があります。LEDは敏感な半導体デバイスであるため、取り扱いおよび組立中は標準的なESD（静電気放電）対策を遵守する必要があります。保管は、乾燥した環境で指定された温度範囲-40°Cから+100°C内で行ってください。

7. 梱包および注文情報

標準梱包仕様は以下の通りです：200から500個が1袋に梱包されます。次に5袋が1箱に入れられます。最後に、10箱が1マスターカートンに梱包されます。梱包のラベルには、トレーサビリティと識別のための重要な情報が含まれます：顧客生産番号（CPN）、生産番号（P/N）、梱包数量（QTY）、ランク（CAT、強度ビンを指す）、ピーク波長（HUE）、参照コード、および製造月のコードを含むロット番号（LOT No）。

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シナリオ

• 自由空間伝送システム：リモコン、短距離データリンク、または赤外線信号が空中を伝送される近接センサーで使用されます。
• 光電スイッチおよび物体検出：フォトトランジスタまたはフォトダイオードと組み合わせて、カウント、位置検出、またはリミットスイッチ用の遮光型センサーを作成します。
• フロッピーディスクドライブ：過去には、ライトプロテクトタブやディスクの存在を検出するために使用されていました。
• 煙感知器：減光式煙感知器で使用され、煙粒子がLEDと検出器の間の赤外線ビームを散乱させます。
• 一般的な赤外線応用システム：信頼性の高い、変調された、または連続的なIR光源を必要とするあらゆる組み込みシステム。

8.2 設計上の考慮事項

• 電流制限：LEDは電流駆動デバイスです。順方向電流を安全な値（例えば、連続動作の場合は20mA）に制限するために、直列抵抗または定電流駆動回路が必須です。抵抗値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。
• 熱管理：電力損失は低いですが、高い周囲温度または最大電流付近で動作すると熱が発生します。十分な換気を確保するか、デレーティング曲線に示されているように動作電流をデレートしてください。
• 光学的アライメント：ペアのエミッタ-検出器システムで最大の信号強度を得るためには、特に20度の視野角では、精密な機械的アライメントが重要です。
• 周囲光除去：強い周囲IR（例えば、太陽光）がある環境では、LED駆動信号を変調し、その変調周波数に同調した検出器回路を使用することで、信号対雑音比を劇的に改善できます。
• 逆電圧保護：デバイスは最大5Vまでの逆電圧に耐えられますが、逆バイアスを避けることが良い習慣です。ACまたはバイポーラ回路では、並列（カソードからアノードへ）の保護ダイオードが必要になる場合があります。

9. 技術比較と差別化

一般的な5mm IR LEDと比較して、IR333-Aの主な差別化要因は、明確に規定された高放射強度（Rビンで最大48 mW/sr min）と包括的な環境適合性（RoHS、REACH、ハロゲンフリー）です。詳細なビニングシステムは保証された性能レベルを提供し、量産における設計の一貫性に不可欠です。940nm波長は最も一般的で汎用性の高いものの一つであり、検出器感度と長波長と比較した大気中の低吸収との間の良好なバランスを提供します。低い順方向電圧は、より高いVfを持つLEDと比較して、バッテリー駆動デバイスでのわずかに低い消費電力につながる可能性があります。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

1. Q: このLEDを5Vマイクロコントローラのピンから直接駆動できますか？A: いいえ。マイクロコントローラのピンは通常20mAを安全に供給できず、さらに重要なことに、電流制限がありません。トランジスタをスイッチとして使用し、直列抵抗を使用して電流を所望の値（例えば、20mA）に制限する必要があります。抵抗は R = (5V - 1.5V) / 0.02A = 175Ω として計算します。最も近い標準値（例えば、180Ω）を使用してください。
2. Q: 連続動作とパルス動作の違いは何ですか？A: 連続動作（DC）は一定の熱を発生させます。パルス動作（低デューティサイクル）では、LEDがパルス間で冷却する時間があるため、はるかに高い瞬間電流（最大1A）が可能になり、熱過負荷を防ぎます。これにより、はるかに高いピーク光出力が得られます。
3. Q: カソードをどのように識別しますか？A: このパッケージの場合、LEDのプラスチックリムのフラットスポットを探してください。このフラットに最も近いリードがカソードです。さらに、カソードリードはアノードリードよりも短いことがよくあります。
4. Q: ヒートシンクは必要ですか？A: 20mAでの連続動作（約30mWの電力損失）の場合、ヒートシンクは通常必要ありません。最大電流（100mA DC）付近または高い周囲温度で動作する場合は、熱デレーティングを考慮し、ボードレベルの冷却を提供する可能性があります。
5. Q: なぜパッケージは青色なのですか？A: 青色プラスチックは、一部の可視光を遮断するフィルターとして機能し、パッケージを暗く見せます。これにより、パッケージ内に入り込みIR発光チップに到達する周囲の可視光の量を減らし、検出回路での干渉を低減するのに役立ちます。

11. 実用的な使用例

シンプルな物体検出センサーの設計：一般的なアプリケーションは遮光型センサーです。IR333-Aを片側に、フォトトランジスタ（例えば、940nmに同調）を反対側に、同じ軸上に配置します。5V電源から180Ωの抵抗でLEDを駆動し、約20mAの電流を得ます。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ます。フォトトランジスタのコレクタ-エミッタ抵抗は劇的に変化します。この変化はプルアップ抵抗を使用して電圧信号に変換し、コンパレータまたはマイクロコントローラのADCピンに送って物体の存在を検出できます。周囲光に対抗するために、特定の周波数（例えば、1kHz）でLEDをパルス駆動し、受信回路でバンドパスフィルターまたは同期検波を使用することができます。

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（アノードにカソードに対して正の電圧を印加）されると、n型領域からの電子とp型領域からの正孔が接合領域に注入されます。これらの電荷キャリアが再結合すると、エネルギーを放出します。IR LEDでは、このエネルギーは主に赤外線スペクトルの光子（光粒子）の形で放出されます。特定の波長（この場合は940nm）は、使用される半導体材料（デバイス選択ガイドに示されているガリウムアルミニウム砒素 - GaAlAs）のバンドギャップエネルギーによって決定されます。プラスチックパッケージはチップを封止し、機械的保護を提供し、放射光を指定された視野角パターンに形成するレンズを組み込んでいます。

13. 技術トレンド

赤外線LED技術は進化を続けています。業界の一般的なトレンドには、さらに高い放射強度と壁面効率（光出力 / 電気入力）を持つデバイスの開発が含まれます。また、小型化への推進もあり、スペースに制約のあるアプリケーションでは、T-1 3/4のようなスルーホールパッケージよりも表面実装デバイス（SMD）パッケージがより一般的になっています。ガスセンシングや生体医療モニタリングなどの特殊なアプリケーション向けに、特定の狭い波長帯域の需要が高まっています。さらに、統合が重要なトレンドであり、単一パッケージ内の組み合わせエミッタ-検出器ペアや、内蔵ドライバーを備えたLEDが利用可能になり、回路設計を簡素化し占有面積を削減しています。