赤外線発光ダイオード LTE-7377LM1-TA データシート - 高速・高出力・ブルーパッケージ - 技術文書

1. 製品概要

本資料は、高性能赤外線（IR）発光素子の仕様を詳細に説明します。このデバイスは、高速応答時間と大きな光出力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。その中核となる設計思想は、パルス動作環境における信頼性と効率性にあり、様々なセンシングおよび通信システムに適しています。この部品は、特徴的な青色透明パッケージに収められており、組立時の視認性を高めるとともに、発光波長に対して特定のフィルタリングまたは透過特性を提供する可能性があります。

2. 詳細技術パラメータ分析

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発生する可能性のある応力限界を定義します。これらの値は連続動作のためのものではなく、いかなる条件下でも超えてはならない閾値を表します。

• 電力損失 (P_D):200 mW。これはデバイスが熱として放散できる最大電力です。この限界を超えると、熱暴走や故障のリスクがあります。
• ピーク順方向電流 (I_FP):2 A。この定格は、特定のパルス条件（毎秒100パルス、パルス幅10 µs）下で適用されます。これは、高強度の光パルスを生成するために重要な、短時間の非常に高い瞬時電流をデバイスが処理できる能力を示しています。
• 連続順方向電流 (I_F):100 mA。デバイスの性能や寿命を劣化させることなく、連続的に流すことができる最大の直流電流です。
• 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。
• 動作温度範囲 (T_A):-40°C から +85°C。デバイスが公表された仕様を満たすことが保証される周囲温度範囲です。
• 保存温度範囲 (T_stg):-55°C から +100°C。性能劣化なく非動作状態で保存できる温度範囲です。
• リードはんだ付け温度:パッケージ本体から1.6mmの位置で測定し、5秒間260°C。これは、フローはんだ付けや手はんだ付けプロセスにおける熱プロファイル耐性を定義します。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータは、標準周囲温度25°Cで測定され、指定された試験条件下でのデバイスの代表的な性能を定義します。

• 放射強度 (I_E):35 mW/sr (最小)。順方向電流 (I_F) 50mAで測定。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を表し、特定の方向からの光源の明るさを示します。
• ピーク発光波長 (λ_P):880 nm (代表値)。これは光出力が最大となる波長です。880nmは近赤外スペクトルに属し、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センサーで検出可能です。
• スペクトル線半値幅 (Δλ):50 nm (最大)。このパラメータは、半値全幅（FWHM）とも呼ばれ、発光のスペクトル帯域幅を示します。50nmという値は、単色光源ではなく、880nmを中心とする波長範囲にわたって発光することを示しています。
• 順方向電圧 (V_F):1.5V (最小), 1.75V (代表), 2.1V (最大)。高パルス電流350mA (100pps, 10µsパルス) で測定。これは、順方向バイアスがかかり導通しているときのダイオード両端の電圧降下です。駆動回路の設計や電力損失の計算に重要です。
• 逆電流 (I_R):100 µA (最大)。逆バイアス5Vが印加されたときのリーク電流です。低い値が望ましいです。
• 立上り/立下り時間 (T_r/T_f):40 nS (最大)。これはデバイスのスイッチング速度を定義し、光出力が最終値の10%から90%に遷移する時間（立上り）およびその逆（立下り）として測定されます。40nsの仕様は、高速変調およびパルスアプリケーションへの適合性を確認しています。
• 指向角 (2θ_1/2):16 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。16°の角度は比較的狭いビームを示し、特定の経路上での指向性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、詳細な設計分析に不可欠な代表的な特性曲線を参照しています。具体的なグラフは提供されたテキストには再現されていませんが、その典型的な内容と重要性を以下に説明します。

3.1 順方向電流 vs. 順方向電圧 (I-V 曲線)

このグラフは、ダイオードを流れる電流と両端の電圧の関係を示します。非線形であり、ターンオン/閾値電圧（GaAs IR LEDでは約1.2-1.4V）を超えると、電圧のわずかな増加で電流が急速に増加します。設計者はこの曲線を使用して適切な電流制限抵抗を選択したり、定電流ドライバを設計したりします。

3.2 放射強度 vs. 順方向電流

このプロットは、光出力が駆動電流とともにどのように増加するかを示します。広範囲で典型的に線形ですが、熱効果や内部効率低下により非常に高い電流で飽和する可能性があります。この線の傾きは、デバイスの外部量子効率に関連します。

3.3 放射強度 vs. 周囲温度

この曲線は、光出力の温度依存性を示します。LEDの場合、放射強度は一般に接合温度が上昇すると減少します。このデレーティング係数は、全温度範囲（-40°C から +85°C）で動作し一貫した性能を確保するシステムの設計に重要です。

3.4 スペクトル分布

波長の関数として放射される相対的な光パワーを示すグラフです。代表的な880nmでピークを持ち、50nmのFWHM仕様で定義された幅を持ちます。これは、使用する検出器のスペクトル感度にエミッタを適合させるために重要です。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

このデバイスは、機械的安定性および場合によっては放熱のためにフランジを備えた標準的なLEDパッケージ形式を使用しています。データシートからの主要な寸法上の注意点は以下の通りです：

• すべての寸法はミリメートル単位で、括弧内はインチです。
• 特定の特徴に異なる指示がない限り、一般的な公差 ±0.25mm (±0.010") が適用されます。
• フランジ下の樹脂は最大1.5mm (0.059") 突出する可能性があります。
• 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、PCBフットプリント設計に重要です。

具体的な寸法図は、本体の長さ、幅、高さ、リード径、間隔の正確な値を提供します。

4.2 極性識別

赤外線LEDは極性を持つ部品です。パッケージには通常、カソード（負極）リードを示す平らな面またはリムの切り欠きがあります。長いリードはアノード（正極）を示すこともありますが、パッケージのマーキングが確定的な基準です。正しい極性は動作に不可欠です。

5. はんだ付け・組立ガイドライン

機械的または熱的損傷を防ぐため、はんだ付け仕様の遵守が重要です。

• はんだ付け温度:熱がプラスチックパッケージ本体から少なくとも1.6mm (0.063") 離れた位置に加えられる限り、リードは5秒間260°Cに耐えることができます。これにより樹脂が溶けたり熱応力を受けたりするのを防ぎます。
• プロセス推奨:リフローはんだ付けの場合、ピーク温度260°Cを超えない標準的な鉛フリープロファイルが適しています。液相線以上の時間は、総熱入力を最小限に抑えるために制御する必要があります。
• 洗浄:洗浄が必要な場合は、青色透明エポキシ樹脂と適合するプロセスを使用してください。強力な溶剤は避けるべきです。
• 保存条件:指定された保存温度範囲（-55°C から +100°C）内の乾燥した静電気防止環境で保管してください。湿気感受性レベル（MSL）情報は、該当する場合は別の梱包仕様書に記載されています。

6. 梱包・発注情報

データシートの最終ページは梱包の詳細に充てられています。通常、以下が含まれます：

• 梱包形式:デバイスは、自動実装用のテープ&リールで供給される可能性が高く、これは表面実装部品の標準です。リールサイズ、テープ幅、ポケット寸法、向きがここで定義されます。
• リールあたりの数量:リールあたりの標準個数（例：1000、2000、4000）。
• 型番:品番LTE-7377LM1-TAが完全な発注コードです。"-TA"のような接尾辞は、テープ&リール梱包または特定のビニングオプションを示している可能性があります。

7. アプリケーション提案

7.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• 赤外線センシング:近接センサー、物体検出、ライントレースロボット、遮光式光スイッチ（例：プリンターの用紙検知）。狭い指向角と高速性が有利です。
• 光通信:短距離データリンク、リモコン送信機（テレビなど）、EMI耐性が必要な産業用IRデータ伝送。40nsの立上り/立下り時間は、中程度のデータレートをサポートします。
• マシンビジョン・照明:暗視機能を備えた監視カメラや特殊なマシンビジョンシステムのための不可視照明の提供。

7.2 設計上の考慮事項

• 駆動回路:許容される高いパルス電流（2A）のため、専用の駆動トランジスタ（BJTまたはMOSFET）がほぼ常に必要です。単純な直列抵抗では、このような高電流パルスには不十分で、過剰な電力を浪費します。
• 電流制限:DCまたはパルス動作の場合、絶対最大定格を超えないように電流を積極的に制限する必要があります。安定した光出力を得るために定電流ドライバを使用してください。
• 熱管理:パッケージにはフランジがありますが、高電流（100mAに近い）での連続動作では、特に高温環境で動作する場合、PCBレイアウトをヒートシンクとして機能させることを考慮する必要があります。
• 光学設計:16度の指向角は、異なるビームパターンが必要な場合、レンズやディフューザーを必要とする可能性があります。880nmの波長は、その範囲に感度を持つ検出器（例：シリコンフォトダイオード、フォトトランジスタ）を必要とします。
• 電気的保護:5Vの逆電圧定格があるにもかかわらず、特に産業環境では、電圧スパイクから保護するために、小さな直列抵抗または過渡電圧サプレッサ（TVS）を設けることが望ましい場合があります。

8. 技術比較・差別化

その仕様に基づき、このIRエミッタは、主要な属性の組み合わせによって市場で差別化されています：

• 高速・高出力の組み合わせ:40nsのスイッチング速度と高い放射強度（最小35 mW/sr）、非常に高いパルス電流能力（2A）の組み合わせは、明るいパルスと高速データレートまたは精密なタイミングの両方を必要とするアプリケーションで大きな利点です。
• パルス動作に最適化:ピークパルス電流の明示的な定格とパルス条件下で指定された順方向電圧は、このデバイスがこの要求の厳しいモード向けに設計されており、単にDC定格のLEDよりも優れた性能と信頼性を提供することを示しています。
• 狭い指向角:16度のビームは、多くの標準的なIR LED（30-60度の場合がある）よりも狭く、より指向性の高い光と軸上でのより高い強度を提供し、指向性センシングアプリケーションでの信号対雑音比を向上させます。

9. よくある質問 (FAQ)

Q1: 直列抵抗のみを使用して、5VのマイクロコントローラピンでこのLEDを駆動できますか？

A: 低電流（例：20-50mA）での短いパルスの場合、直列抵抗の計算は可能です（R = (V_CC- V_F) / I_F）。ただし、このデバイスが設計されている高電流パルス動作（350mAまたは2A）の場合、マイクロコントローラピンは十分な電流を供給できません。MCUによって制御されるトランジスタスイッチ（MOSFETなど）を使用して、別の電源から必要な電流を供給することが必須です。

Q2: 青色パッケージの目的は何ですか？単なる色のためですか？

A: 青色透明エポキシは、短波長通過フィルターとして機能します。発光する880nmの赤外線には透明ですが、可視光を遮断または減衰させます。これは、検出器での周囲の可視光からの干渉を低減し、IRシステムの信号対雑音比を改善するのに役立ちます。また、視覚的な識別子としても機能します。

Q3: 設計において放射強度の値をどのように解釈すればよいですか？

A: 放射強度（mW/sr）は、特定の立体角に放射される光パワーの量を測定します。光軸上の距離（d）における照度（単位面積あたりのパワー）を推定するには、近似式 E ≈ I_E/ d²（小さい角度の場合）を使用できます。ここで、dがcm単位の場合、EはmW/cm²単位です。これにより、十分な光が検出器に到達するかどうかを判断するのに役立ちます。

Q4: 保存温度の最大は100°Cですが、はんだ付け温度は260°Cです。これは矛盾していませんか？

A: いいえ。保存温度は、パッケージ全体が均一にその温度にある長期的な非動作条件のためのものです。はんだ付け定格は、金属リードのみに適用される非常に短時間の局所的な熱暴露（5秒間）のためのものであり、熱は敏感な半導体接合部やパッケージ本体から離れて伝導されます。

10. 実践的設計ケーススタディ

シナリオ: 高速光学エンコーダの設計

光学式回転エンコーダは、光源がコード化されたディスクを通過してフォトディテクタアレイに当たることを必要とします。エンコーダは高速回転で動作する必要があり、光源の高速スイッチングがぼやけを防ぎ、精密なエッジ検出を可能にします。

• 部品選択の根拠:LTE-7377LM1-TAは、その40nsの立上り/立下り時間により非常に鋭い光パルスが可能であり、システムが高速で微細な位置変化を分解できるため選択されました。狭い16度の指向角は、エンコーダディスクの狭いスリットを通して光を集中させるのに役立ち、コントラストを向上させます。
• 回路設計:高速MOSFETを使用した定電流駆動回路を実装します。MOSFETはタイマーまたはFPGA出力によってスイッチングされます。電流は、データシートの制限内に収まるように、100mA（連続最大）またはより高い強度のパルスのために350mAなどのパルス値に設定されます。この電流での順方向電圧は、ドライバの電力損失の計算に使用されます。
• レイアウト・熱対策:PCBフットプリントはパッケージ図面のリード間隔に一致させます。フランジの下にグランドプレーンに接続された小さなサーマルリリーフパッドを配置し、連続動作時の放熱を助けます。
• 光学アライメント:エミッタとディテクタはエンコーダディスクの反対側に配置されます。狭いビームにより、ディスク上の隣接するトラック間のクロストークを最小限に抑えます。

11. 動作原理

このデバイスは、半導体p-n接合に基づく発光ダイオード（LED）であり、通常、ガリウムヒ素（GaAs）やアルミニウムガリウムヒ素（AlGaAs）などの材料を使用して赤外線を生成します。接合のターンオン電圧を超える順方向電圧が印加されると、電子と正孔が接合部を横切って注入されます。これらの電荷キャリアが再結合する際に、エネルギーが光子の形で放出されます。半導体材料の特定のバンドギャップエネルギーが放出される光子の波長を決定し、この場合は約880ナノメートルを中心としています。青色エポキシパッケージは半導体チップを封止し、機械的保護を提供するとともに、出力ビームを形成し短波長をフィルタリングする一次レンズとして機能します。

12. 技術トレンド

赤外線エミッタ技術は、より広範な光エレクトロニクスのトレンドとともに進化し続けています。電力消費と発熱を低減するために、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）に向けた絶え間ない推進があります。これにより、ポータブルデバイスではより明るい光源またはより長いバッテリー寿命が可能になります。もう一つのトレンドは、エミッタとドライバおよび制御ロジックをスマートモジュールに統合し、システム設計を簡素化することです。さらに、光通信（例：Li-Fi）でのより高いデータレートや、3DイメージングおよびLiDARアプリケーションのためのより精密な飛行時間（ToF）センシングをサポートするため、さらに高速なスイッチング速度に向けた開発が進んでいます。小型化への推進も続いており、性能特性を維持または改善しながら、より小さなパッケージフットプリントにつながっています。