赤外線エミッタ LTE-3276 データシート - 850nm波長 - 50mA順電流 - 1.8V順電圧 - 高出力・高速 - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTE-3276は、高速応答と高い放射出力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)エミッタです。その中核的な利点は、高速性と高出力能力を兼ね備えている点にあり、過酷な環境下でのパルス動作に適しています。本デバイスは、赤外線エミッタに典型的な透明クリアパッケージに収められており、赤外光の透過を最大化する設計となっています。ターゲット市場は、信頼性の高い高強度の赤外線信号伝送を必要とする産業オートメーション、通信システム(IrDAなど)、リモコン、光スイッチ、センサーシステムなどが含まれます。

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発生する可能性のある限界値を定義します。これらの限界値付近での長時間の動作は推奨されません。

• 消費電力 (P_D):200 mW。これは、いかなる動作条件下でもデバイスが熱として放散できる最大総電力です。
• ピーク順電流 (I_FP):1 A。この高電流は、パルス条件下(毎秒300パルス、パルス幅10μs)でのみ許容されます。これは、デバイスの短時間・高強度の光バースト能力を示しています。
• 連続順電流 (I_F):100 mA。これは、連続的に印加できる最大DC電流です。
• 逆電圧 (V_R):5 V。逆バイアスでこの電圧を超えると、半導体接合が破壊される可能性があります。
• 動作・保管温度範囲:-40°C ～ +85°C。この広い範囲は、過酷な環境条件下での信頼性を保証します。
• リードはんだ付け温度:本体から1.6mmの位置で、260°Cで6秒間。これは、ウェーブはんだ付けやリフローはんだ付けプロセスにおいて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):単位立体角あたりの光出力の主要な指標です。I_F=20mAでは、12.75 mW/sr (代表値)です。I_F=50mAでは、32 mW/sr (代表値)に大幅に増加し、電流に対する非線形で効率的な増加を示しています。
• ピーク発光波長 (λ_P):850 nm (代表値)。これ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IR感度を持つカメラで容易に検出できます。
• スペクトル半値幅 (Δλ):40 nm (代表値)。これはスペクトル帯域幅を示します。幅が狭いほど、より単色性の高い光源であることを示します。
• 順電圧 (V_F):I_F=50mAでは、V_Fは1.49V (代表値)、最大1.80Vです。I_F=200mAでは、V_Fは1.83V (代表値)、最大2.3Vに上昇します。この正の温度係数はドライバ設計で考慮する必要があります。
• 指向角 (2θ_1/2):50度 (代表値)。これは放射強度がピーク値の半分に低下する全角です。50°の角度は、ビームの集中とカバレッジの良いバランスを提供します。

3. 性能曲線分析

データシートには、回路設計や様々な条件下でのデバイス挙動を理解するために不可欠な、いくつかの代表的な特性曲線が提供されています。

3.1 スペクトル分布 (図1)

この曲線は、波長に対する相対放射強度をプロットしています。ピーク波長が約850nmであることを確認し、発光スペクトルの形状と幅(半値幅40nm)を示します。これは、エミッタと検出器のスペクトル感度を一致させるために重要です。

3.2 順電流 vs. 順電圧 (図3)

このIV特性曲線は、ダイオードに典型的な指数関数的関係を示しています。この曲線により、設計者は所望の動作電流に必要な駆動電圧を決定でき、定電流ドライバの設計に不可欠です。

3.3 相対放射強度 vs. 順電流 (図5)

このグラフは、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ています。低電流では一般的に線形ですが、熱的および効率の制限により非常に高い電流では飽和効果を示す場合があります。このデータは、必要な光出力を得るために動作点を設定するために極めて重要です。

3.4 相対放射強度 vs. 周囲温度 (図4)

この曲線は、LED出力の負の温度係数を示しています。周囲温度が上昇すると、放射強度は減少します。この熱的デレーティングは、高温環境向けの設計において、十分な信号マージンを確保するために考慮する必要があります。

3.5 放射パターン (図6)

この極座標プロットは、発光の空間分布を視覚的に表し、50度の指向角を明確に示しています。IRビームを集光または平行光にするための光学システム設計に役立ちます。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

本デバイスは、赤外線エミッタに一般的な標準スルーホールパッケージ(おそらくT-1 3/4 (5mm)タイプ)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:

• 全ての寸法はミリメートル(インチ)です。
• 特に記載がない限り、公差は±0.25mm(.010")です。
• フランジ下の樹脂突出は最大1.5mm(.059")です。
• リード間隔は、リードがパッケージから出る位置で測定されます。

透明クリアパッケージ材料は通常エポキシ樹脂で、850nmでの高透過率に最適化されています。

4.2 極性識別

標準的なLEDパッケージでは、長いリードが通常アノード(陽極)、短いリードがカソード(陰極)です。パッケージにはカソード付近に平らな面がある場合もあります。逆バイアス損傷を防ぐため、正しい極性の確認は必須です。

5. はんだ付け・組立ガイドライン

リードはんだ付けの絶対最大定格は明確に規定されています:本体から1.6mm (.063")の位置で測定し、260°Cで6秒間。これは組立における重要なパラメータです。

• ウェーブ/手はんだ付け:260°C/6秒の制限を厳守してください。熱衝撃を最小限に抑えるために、予熱が推奨されます。
• リフローはんだ付け:SMD用に明示的には記載されていませんが、温度プロファイルは、パッケージ本体温度が長時間にわたって保管最大温度85°Cを超えないこと、および指定点でのリード温度が260°Cを超えないことを保証する必要があります。
• 保管条件:湿気吸収と劣化を防ぐため、指定された温度範囲(-40°C ～ +85°C)内の乾燥した静電気防止環境で保管してください。

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

• 赤外線データ伝送 (IrDA):高速性により、シリアルデータリンクに適しています。
• リモコン:高出力により、長距離かつ信頼性の高い動作を保証します。
• 光スイッチ・物体検出:フォト検出器と組み合わせて、存在、位置、または計数検知に使用されます。
• 産業用安全カーテン:機械警備のための不可視ビームバリアを作成します。
• 暗視照明:IR感度を持つCCTVカメラ用です。

6.2 設計上の考慮点

• ドライバ回路:常に直列電流制限抵抗または定電流ドライバを使用してください。所望の動作電流(I_F)における順電圧(V_F)に基づいて計算します。
• 熱管理:最大電流付近での連続動作の場合、消費電力(P_D= V_F* I_F)を考慮し、必要に応じて接合温度を限界内に保つための十分な放熱対策を確保してください。
• パルス動作:1Aのピークパルス電流の場合、高速能力を活用するために、必要な高電流パルスを高速な立上り/立下り時間で供給できるドライバを確保してください。
• 光学設計:アプリケーションの必要に応じて(例: 長距離用は狭く、広範囲カバレッジ用は広く)、レンズまたは反射鏡を使用して50°ビームを整形します。
• 検出器マッチング:最適な性能を得るために、ピークスペクトル感度が約850nmのフォト検出器(例: フォトトランジスタ、フォトダイオード)と組み合わせます。

7. 技術比較・差別化

LTE-3276は、以下のパラメータの特定の組み合わせにより市場で差別化されています:

• 適度な電流での高出力:50mAで32 mW/srは強力な出力であり、良好な信号対雑音比を必要とするアプリケーションに有益です。
• 高速能力:パルス動作の仕様は、高速の固有応答時間を意味し、変調信号に適しています。
• 堅牢な構造:広い動作温度範囲と透明パッケージは、信頼性を考慮した設計を示しています。
• 標準的な低出力IR LEDと比較して、本デバイスは大幅に高い放射強度を提供します。レーザーダイオードと比較して、より安全(この出力クラスでは目に安全)、ビームが広く、一般的により堅牢で駆動が容易です。

8. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

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。電流制限抵抗を使用する必要があります。例えば、5V電源からV_Fが約1.5VでI_F=50mAで駆動する場合: R = (5V - 1.5V) / 0.05A = 70オーム。68または75オームの抵抗を使用し、定格電力(P = I²R = 0.175W、したがって1/4W抵抗で十分)を確認してください。

Q: 放射強度(mW/sr)と開口放射照度(mW/cm²)の違いは何ですか？

A: 放射強度は単位立体角(ステラジアン)あたりの放射パワーであり、光源の指向性の強さを表します。開口放射照度は、指定された距離と位置合わせで検出器表面に到達するパワー密度(cm²あたりのmW)です。後者は前者と距離/逆二乗の法則に依存します。

Q: パルスモードで使用するにはどうすればよいですか？

A: ロジック信号で制御されるトランジスタ(BJTまたはMOSFET)スイッチを使用してLEDをパルス駆動します。ドライバが高速スイッチングで高いピーク電流(最大1A)を供給できることを確認してください。平均電流は、デューティ比を考慮しても連続電流定格(100mA)を遵守する必要があります。

Q: なぜ出力は温度とともに減少するのですか？

A: これは半導体LEDの基本的な特性です。温度が上昇すると、半導体材料内の非放射再結合プロセスが増加し、内部量子効率が低下し、結果として光出力が減少します。

9. 実践設計事例

事例: 長距離赤外線物体検知センサーの設計

目標: 5メートル先の物体を検知する。

設計ステップ:

1. エミッタ駆動:LTE-3276をI_F=50mA(1kHz、デューティ比50%でパルス駆動)で動作させ、高いピーク強度(32 mW/sr)を達成しながら平均電力を管理可能に保ちます。

2. 光学系:エミッタの前に単純な平行光レンズを追加し、50°ビームをより焦点の合った約10°ビームに絞り、距離における強度を大幅に増加させます。

3. 検出器:850nmでピーク応答を持つマッチングされたシリコンフォトトランジスタを使用します。その前に狭帯域通過光学フィルター(中心波長850nm)を配置し、環境光を除去します。

4. 回路:受信回路は小さなフォト電流を増幅します。同期検波(エミッタを変調し、受信機を同じ周波数に同調させる)を使用して、DC環境光と低周波ノイズを除去し、範囲と信頼性を大幅に向上させます。

このセットアップは、LTE-3276の高出力と高速性を活用して、堅牢で干渉に強い検知システムを実現します。

10. 動作原理紹介

LTE-3276のような赤外線エミッタは、半導体物理学に基づく発光ダイオード(LED)です。p-n接合に順方向電圧が印加されると、電子と正孔が活性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、エネルギーが放出されます。この特定のデバイスでは、半導体材料(通常はアルミニウムガリウムヒ素 - AlGaAsベース)が設計されており、このエネルギーが赤外スペクトル(ピーク波長850ナノメートル)の光子として放出されます。"透明クリア"エポキシパッケージはこの波長に対して透明になるようにドープされており、光子が効率的に放出されます。"高速"特性は、この再結合プロセスの高速なオン/オフ時間を指し、LEDをデータ伝送のために高周波で変調できるようにします。

11. 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。主な開発動向は以下の通りです:

電力効率の向上:内部量子効率(電子あたりの光子数)とパッケージからの光取り出し効率の改善に焦点を当てた研究が進められており、同じ電気入力電力に対してより高い放射強度が実現されています。

小型化:小型化への動きにより、従来のスルーホールタイプと同等またはそれ以上の性能を持つ表面実装デバイス(SMD)パッケージが求められています。

高速性の向上:通信アプリケーション向けに、より高速な変調帯域幅をサポートし、より高いデータレートを実現するデバイスが開発されています。

波長の多様化:850nmと940nmが一般的ですが、他の波長も、目に安全なより長い波長やガス検知のための特定の吸収線など、特定のアプリケーション向けに最適化されています。

統合化:エミッタをドライバICと、さらには検出器と単一モジュールに統合するトレンドがあり、エンドユーザーのシステム設計を簡素化しています。