赤外線LEDエミッタ LTE-3271T-A データシート - 940nm波長 - 高電流・低順電圧 - ウォータークリアパッケージ - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTE-3271T-Aは、厳しい電気的条件下での堅牢な光出力と信頼性の高い動作を必要とするアプリケーション向けに設計された高性能赤外線（IR）発光ダイオード（LED）です。その中核となる設計思想は、比較的低い順電圧を維持しながら高い放射パワーを提供することにあり、消費電力が懸念されるシステムにおいて効率的です。本デバイスはウォータークリア樹脂でパッケージングされており、発せられる赤外線の吸収を最小限に抑え、外部放射効率を最大化します。近赤外スペクトルにおける各種センシング、通信、照明アプリケーションの柔軟性を提供するため、連続およびパルス駆動モードの両方をサポートするように設計されています。

2. 詳細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。

• 消費電力 (P_D):150 mW。これは、主に熱としてデバイス内で許容される最大電力損失であり、順電流と順電圧の積として計算されます。
• ピーク順電流 (I_FP):2 A。この非常に高い電流定格は、特定のパルス条件下でのみ許容されます：パルス幅10マイクロ秒、パルス繰り返し周波数は毎秒300パルス（pps）以下。これにより、短距離測距や高速データ伝送のために非常に高い瞬時光出力が可能になります。
• 連続順電流 (I_F):100 mA。消費電力または熱限界を超えることなく連続的に印加できる最大DC電流です。
• 逆電圧 (V_R):5 V。逆バイアス方向でこの電圧を超えると、接合部の破壊を引き起こす可能性があります。
• 動作・保管温度:デバイスは、周囲動作温度（T_A）範囲 -40°C から +85°C で定格されており、-55°C から +100°C の環境で保管できます。
• リードはんだ付け温度:パッケージ本体から4.0mmの距離で測定して、3秒間320°C。このガイドラインは、PCB実装時の熱損傷を防ぐために重要です。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータは、周囲温度（T_A）25°Cで規定され、デバイスの代表的な性能を定義します。

• 放射強度 (I_E):主要な光出力指標。順電流（I_F）100 mAにおいて、代表的な放射強度は30 mW/srです。20 mAの低い試験電流では、6 mW/sr（最小）から10.5 mW/sr（代表）の範囲です。放射強度は、単位立体角あたりに放射される光パワーを記述します。
• 開口放射照度 (E_e):I_F=20mA時、0.80 から 1.4 mW/cm²。このパラメータは、放射照度とも呼ばれ、エミッタから特定の距離にある表面に入射する光パワー密度を計算するのに役立ちます。
• ピーク発光波長 (λ_P):940 nm。これは、光出力パワーが最大となる公称波長です。近赤外（NIR）スペクトル内にあり、人間の目には見えませんが、シリコンフォトダイオードや多くのCMOS/CCDセンサーで検出可能です。
• スペクトル半値幅 (Δλ):50 nm（代表）。これは、放射強度がピーク値の少なくとも半分であるスペクトル帯域幅を示します。50 nmの値は、標準的なGaAlAs赤外線LED材料の特徴です。
• 順電圧 (V_F):これは電流によって変化する重要な電気的パラメータです。
  • I_F= 50 mA時: V_F（代表）= 1.25V、（最大）= 1.6V。
  • I_F= 250 mA時: V_F（代表）= 1.65V、（最大）= 2.1V。
  • I_F= 450 mA時: V_F（代表）= 2.0V、（最大）= 2.4V。
  • I_F= 1 A時: V_F（代表）= 2.4V、（最大）= 3.0V。データシートは低順電圧を特徴として強調しており、特に中電流域でのこれらの値から明らかであり、電気-光変換効率の向上に寄与します。
• 逆電流 (I_R):逆電圧（V_R）5V時、100 µA（最大）。これは、デバイスが逆バイアスされたときのリーク電流です。
• 視野角 (2θ_1/2):50°（代表）。これは、放射強度が0°（軸上）での値の半分に低下する全角です。50°の角度は広い放射パターンを提供し、アライメントがそれほど重要でないエリア照明やセンシングに有用です。

3. 性能曲線分析

データシートは、回路設計や非標準条件下での性能理解に不可欠ないくつかの特性グラフを提供します。

3.1 スペクトル分布 (図1)

この曲線は、波長に対してプロットされた相対放射強度を示します。約940 nmにピーク波長があり、広いスペクトル半値幅を持つことを確認します。形状は赤外線LEDに典型的で、ピークの両側で出力が減少します。光学システムの設計者は、このスペクトルを考慮して、意図した検出器（例えば、フィルター付きのフォトトランジスタやシリコンフォトダイオード）のスペクトル感度との互換性を確保する必要があります。

3.2 順電流 vs. 周囲温度 (図2)

このグラフは、周囲温度が上昇するにつれて、許容される最大連続順電流のデレーティングを示しています。25°Cでは、フルの100 mAが許容されます。温度が上昇すると、150 mWの消費電力限界を超えないように、また接合部温度を管理するために、最大電流を直線的に減少させる必要があります。これは、高温環境での長期信頼性を確保するための重要なグラフです。

3.3 順電流 vs. 順電圧 (図3)

これは電流-電圧（I-V）特性曲線です。ダイオードに典型的な指数関数的関係を示しています。この曲線は、電流制限駆動回路を設計するために不可欠です。動作領域での曲線の傾きは、LEDの動的抵抗を決定するのに役立ちます。グラフは、広い電流範囲にわたる低V_F特性を視覚的に確認します。

3.4 相対放射強度 vs. 順電流 (図4)

このプロットは、光出力（20 mAでの値に正規化）が順電流とともにどのように増加するかを示します。関係は、低電流域では一般的に線形ですが、熱効果の増加や内部量子効率の低下により、非常に高い電流域では飽和や効率低下の兆候を示す可能性があります。この曲線は、設計者が出力パワーと効率、デバイス応力のバランスを取る動作点を選択するのに役立ちます。

3.5 相対放射強度 vs. 周囲温度 (図5)

このグラフは、光出力の温度依存性を描いています。一般的に、LEDの放射強度は接合部温度が上昇すると減少します。この曲線はその減少を定量化し、-20°Cから80°Cの温度範囲にわたる20 mAでの値に対する正規化された出力パワーを示します。この情報は、変化する環境条件にわたって安定した光出力を必要とするアプリケーションにとって極めて重要です。

3.6 放射指向性図 (図6)

この極座標プロットは、空間放射パターンの詳細な視覚化を提供します。同心円は相対放射強度レベル（例：1.0、0.9、0.7）を表します。このプロットは広い視野角を確認し、強度が0°から90°の異なる角度にわたってどのように分布するかを示します。この図は光学設計に不可欠であり、エンジニアがターゲット表面上の照明プロファイルをモデル化することを可能にします。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

デバイスは、機械的安定性と放熱のためのフランジ付きの標準LEDパッケージフォーマットを使用しています。データシートからの主要な寸法注記は以下の通りです：

• すべての寸法はミリメートルで提供され、特に指定がない限り公差は通常±0.25mmです。
• フランジ下の樹脂の小さな突出が許容され、最大高さは1.5mmです。
• リード間隔は、リードがパッケージ本体から出る点で測定され、これはPCBフットプリント設計にとって重要です。
• リードははんだ付け性を確保するためにはんだめっきされています。

ウォータークリアパッケージ材料は、赤外線エミッタに特化して選択されており、可視光LEDに使用される着色エポキシパッケージがIR光を遮るのとは異なり、940 nm領域での吸収が最小限です。

5. はんだ付け・実装ガイドライン

PCB実装中のデバイスの完全性を確保するために、以下のガイドラインを遵守する必要があります：

• 手はんだ付け:手はんだ付けが必要な場合は、パッケージ本体ではなくリードに熱を加えて迅速に行うべきです。
• フローはんだ付け:標準的なフローはんだ付けプロファイルを使用できますが、はんだ熱への総暴露時間は最小限に抑えるべきです。
• リフローはんだ付け:デバイスは、規定通り、リード温度320°Cで最大3秒間耐えることができます。この限界以下のピーク温度を持つ標準的な赤外線または対流リフロープロファイルが適しています。4.0mmの距離指定は、リードの熱容量がパッケージ内の敏感な半導体接合部を保護することを保証します。
• 洗浄:はんだ付け後、標準的なPCB洗浄プロセスを使用できますが、クリア樹脂との適合性を確認する必要があります。
• 保管:デバイスは、指定された保管温度範囲（-55°C から +100°C）内で低湿度の環境で、リード酸化を防ぐために、元の防湿バッグに保管するべきです。

6. アプリケーション提案

6.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• 赤外線照明:不可視照明が必要なセキュリティカメラ、暗視システム、マシンビジョン照明用。
• 近接・存在検知:自動蛇口、石鹸ディスペンサー、ハンドドライヤー、非接触スイッチなど。ここでは広い視野角が有益です。
• 光学スイッチ・エンコーダ:IRビームを遮断または反射することによって位置、回転、または動きを検出するため。
• 短距離データ通信:IrDA互換デバイスまたはシンプルなシリアルデータリンク（例：リモコン、デバイス間通信）で。高いパルス電流能力は変調データ伝送をサポートします。
• 産業用センシング:物体カウント、レベル検出、ビームブレークセンサー。

6.2 設計上の考慮点

• 電流駆動:LEDは電流駆動デバイスです。常に直列の電流制限抵抗または定電流駆動回路を使用してください。抵抗値は、R = (V_電源- V_F) / I_Fを使用して計算され、データシートからの最大V_Fを使用して電流が所望の値を超えないようにします。
• 熱管理:高電流（例：100 mA近く）での連続動作の場合、消費電力（P_D= V_F* I_F）を考慮してください。特に高い周囲温度では、接合部温度を安全な限界内に保つために、十分なPCB銅面積または放熱対策を確保してください。
• パルス動作:非常に高いピーク光パワーを達成するには、パルスモード仕様（2A、10µs、300pps）を使用します。これには、パルスジェネレータでスイッチングされるMOSFETなど、高電流パルスを供給できる駆動回路が必要です。
• 光学設計:特定のアプリケーションのためにビームを整形するレンズ、反射器、または開口部を設計する際には、放射指向性図（図6）を考慮してください。ウォータークリアレンズは半球状であり、初期の発散に影響を与えます。
• 検出器マッチング:エミッタを、940 nm付近にピーク感度を持つ光検出器（フォトダイオード、フォトトランジスタ）と組み合わせてください。検出器にIRフィルターを使用すると、周囲の可視光を除去するのに役立ちます。

7. 技術比較・差別化

データシートは特定の競合部品を比較していませんが、LTE-3271T-Aの主要な差別化機能は以下のように推測できます：

• 高電流能力:2Aのパルス定格と100mAの連続定格の組み合わせは、標準LEDパッケージとしては顕著であり、高い出力柔軟性を提供します。
• 低順電圧:50mAで約1.25VのV_Fは、高出力IRエミッタとしては比較的低く、より高いV_F.
• を持つデバイスと比較して、より良い電力効率と発熱の低減につながります。ウォータークリアパッケージ:
• 出力を減衰させる着色パッケージとは異なり、これはIR光の外部量子効率を最大化します。広視野角:

50°の半角は広いカバレッジを提供し、狭いビームの代替品よりもエリア照明において有利です。

8. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

Q1: 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: できません。マイクロコントローラのGPIOピンは通常20-50mA以上を供給できず、5Vまたは3.3V付近の固定電圧です。特に20mAを超える電流では、LEDを駆動するために電流制限抵抗と、おそらくスイッチとしてのトランジスタ（BJTまたはMOSFET）を使用する必要があります。

Q2: 放射強度（mW/sr）と開口放射照度（mW/cm²）の違いは何ですか？A: 放射強度は、光源が単位立体角（ステラジアン）あたりに放射するパワーの尺度です。光源の指向性を記述します。開口放射照度（または放射照度）は、特定の距離にある表面に入射する単位面積

あたりのパワーです。これらは逆二乗法則（点光源の場合）と視野角を通じて関連しています。

Q3: ピーク波長940nmが重要なのはなぜですか？

A: 940nmは、可視スペクトル外（不可視）であり、シリコン系検出器（フォトダイオード、カメラセンサー）がこの波長でまだかなり良い感度を持つため、IRシステムで非常に一般的な波長です。また、暗闇でかすかに赤く光って見える可能性のある850nm波長を避けています。

Q4: 相対放射強度グラフはどのように解釈すればよいですか？A: これらのグラフは、光出力が基準条件（通常I=20mA、T_F=25°C）に対して_Aどのように変化するか

を示しています。絶対出力値は与えられません。異なる電流での絶対出力を見つけるには、図4からの相対係数に、20mAの表で与えられた絶対放射強度値を乗算します。

9. 実践的設計ケーススタディ

1. シナリオ: 非接触スイッチ用近接センサーの設計目標:
2. センサーから10cm以内の手を検出する。
   • 設計選択:_FLTE-3271T-Aを連続モードでI_F= 50mAで動作させ、一貫した照明を確保。データシートより、V
   • ≈ 1.4V（代表）。
   • 電源は5V。直列抵抗 R = (5V - 1.4V) / 0.05A = 72Ω。標準の75Ω抵抗を使用。
   • エミッタの反対側にマッチしたシリコンフォトトランジスタを配置し、間に小さな隙間を設ける（ビームブレーク構成）。手がビームを遮ると、検出器信号が低下する。
   • または、エミッタと検出器の両方を同じ方向に向ける反射構成を使用する。LTE-3271T-Aの広い50°視野角は、より大きな検出エリアをカバーするのに役立つ。手が光を反射すると、検出器上の信号が増加する。
   • オペアンプ回路を使用して、検出器からの小さな光電流を増幅し、周囲光の変動を考慮するためにポテンショメータで設定されたしきい値と比較する。_D熱考慮: 消費電力 P

= 1.4V * 0.05A = 70mW、これは150mWの最大値をはるかに下回る。特別な放熱器は不要。

10. 技術原理紹介

LTE-3271T-Aのような赤外線LEDは、ガリウムアルミニウムヒ素（GaAlAs）などの材料に基づく半導体デバイスです。順電圧が印加されると、電子と正孔が半導体接合部の活性領域で再結合します。この再結合中に放出されるエネルギーは、光子（光）として放射されます。940 nmの特定の波長は、結晶成長プロセス中に設計される半導体材料のバンドギャップエネルギーによって決定されます。ウォータークリアエポキシパッケージはレンズとして機能し、放射される光の指向性パターンを形成し、環境保護を提供します。低順電圧機能は、最適化されたドーピングプロファイルと材料品質によって達成され、所定の電流に対する接合部の電圧降下を減少させ、電気-光変換効率を直接向上させます。

11. 業界動向と発展

• 赤外線オプトエレクトロニクスの分野は進化を続けています。LTE-3271T-Aのようなデバイスに関連する動向には以下が含まれます：高出力密度化:
• 長距離センシングと照明の需要に駆られて、同じまたはより小さなパッケージサイズにより多くの光パワーを詰め込みながら放熱を管理するための継続的な研究が行われています。効率向上:
• 新しい半導体材料と構造（例：多重量子井戸）の開発は、光出力パワーと電気入力パワーの比であるWall-Plug Efficiency（WPE）を向上させることを目指しています。統合化:
• IRエミッタを駆動IC、さらには単一モジュール内で光検出器と統合する傾向があり、エンドユーザーのシステム設計を簡素化します。波長特化:
• 940nmが依然として支配的ですが、アイセーフLiDARや異なるセンサータイプとの互換性などの特定のアプリケーションのために、他のIR波長（例：850nm、1050nm）の使用が増えています。パッケージング革新: