赤外線エミッタ LTE-4208M データシート - 940nm波長 - T-1 3/4パッケージ (5mm) - 順電圧1.6V - 許容損失100mW - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTE-4208Mは、信頼性が高く効率的な不可視光放射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）発光ダイオードです。その中核機能は、電気エネルギーをピーク波長940ナノメートル（nm）の赤外線放射に変換することです。この波長は、人間の目にはほとんど見えず、フォトトランジスタやフォトダイオードなどのシリコンベースの光検出器では高感度に検出できるため、可視光の干渉を最小限に抑える必要があるアプリケーションに最適です。

本デバイスは、透明レンズを備えた標準的なT-1 3/4（直径約5mm）パッケージに収められています。この小型プラスチックパッケージは、コスト効率に優れたソリューションを提供しながら、機械的堅牢性を確保しています。重要な設計特徴は、対応するフォトトランジスタシリーズ（例：LTR-3208）とのスペクトルおよび機械的マッチングであり、エミッタと検出器ペア間の最適な位置合わせと信号結合を保証することで、光学システム設計を簡素化します。

1.1 中核的利点とターゲット市場

LTE-4208Mの主な利点は、高い放射強度出力、厳格なビニングプロセスによる一貫した性能、そしてコンパクトで低コストなフォームファクタです。本デバイスは特定の放射強度範囲（ビン）に事前選別されており、設計者は外部の調整回路やトリミング回路を必要とせずに、システムの感度要件を正確に満たす部品を選択できます。この予測可能性は、製造歩留まりとシステムの信頼性を向上させます。

この部品のターゲット市場は、主に近接検知、物体検出、または光学エンコーディングを必要とする産業用および民生用電子機器です。最も代表的なアプリケーションは煙感知器であり、IRビームを使用して光の散乱または減衰を測定することで煙粒子を検出します。その他の潜在的なアプリケーションには、非接触スイッチ、短距離データ伝送（例：リモコンシステム）、産業用オートメーションセンサー、物体カウンターなどが含まれます。

2. 詳細技術パラメータ分析

電気的および光学的パラメータを理解することは、信頼性の高い回路設計とLEDが安全動作領域（SOA）内で動作することを保証するために極めて重要です。

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のあるストレスの限界を定義します。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。

• 許容損失（Pd）：100 mW。これは、周囲温度（TA）25°Cにおいて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。
• ピーク順電流（I_FP）：3 A。これは、パルス条件下（毎秒300パルス、パルス幅10μs）で許容される最大瞬間電流です。連続電流定格よりも大幅に高く、短時間の高強度バーストに対するデバイスの能力を示しています。
• 連続順電流（I_F）：50 mA。これは、典型的な順電圧を仮定した場合、許容損失定格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。本デバイスは逆バイアスに対する耐性が非常に低いです。5Vを超える逆電圧を印加すると、即座に破壊を引き起こす可能性があります。データシートは、デバイスが逆動作用に設計されていないことを明示しています。
• 動作・保管温度：それぞれ-40°C ～ +85°C および -55°C ～ +100°C。これらの範囲は、信頼性のある動作および非動作時の保管のための環境条件を定義します。
• 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、260°C、5秒間。これは、内部の半導体チップやプラスチックパッケージへの損傷を防ぐために、フローはんだ付けやリフローはんだ付けプロセスにおいて重要です。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータは標準試験条件（TA=25°C、I_F=20mA、特に記載がない限り）で測定され、デバイスの典型的な性能を定義します。

• 放射強度（I_E）：これは中核的な光出力パラメータであり、ミリワット毎ステラジアン（mW/sr）で測定されます。単位立体角あたりに放射される光パワーを示します。本デバイスは、最小値および代表値が3.6/13.2 mW/sr（ビンA）から28.8 mW/sr（ビンG）までの範囲のグループ（ビンAからG）に選別されます。このビニングにより、必要な信号強度に基づいた選択が可能になります。
• ピーク発光波長（λ_Peak）：940 nm。これは、放射される光パワーが最大となる波長です。近赤外スペクトル内に位置します。
• スペクトル半値幅（Δλ）：50 nm。このパラメータは、半値全幅（FWHM）とも呼ばれ、スペクトル帯域幅を定義します。50nmの幅は、放射光がピーク強度の半分の強度で、約915nmから965nmの波長をカバーすることを意味します。
• 順電圧（V_F）：1.2V（最小）、1.6V（代表）。これは、20mAを導通しているときのダイオード両端の電圧降下です。駆動回路の直列抵抗値を計算するために不可欠です：R = (V_supply- V_F) / I_F.
• 逆電流（I_R）：V_R=5Vにおいて100 μA（最大）。これは、ダイオードが最大定格で逆バイアスされたときに流れる小さなリーク電流です。
• 指向角（2θ_1/2）：20度。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°の角度は、比較的狭く集束されたビームを示しており、指向性のあるセンシングアプリケーションに有益です。

3. ビニングシステムの説明

LTE-4208Mは、単一の重要なビニングパラメータである放射強度を採用しています。デバイスは、標準試験電流20mAでの測定出力に基づいてグループ（ビンAからG）に試験・選別されます。このシステムにはいくつかの利点があります：

1. 設計の一貫性：エンジニアは特定のビンを選択することで、生産ロット内のすべてのユニットで一貫した光信号レベルを確保し、製品の均一性を向上させることができます。
2. 性能マッチング：マッチングされた光検出器と併用する場合、エミッタのビンを選択することで、光学センサーシステム全体の感度とダイナミックレンジをより厳密に制御できます。
3. コスト最適化：感度要件がそれほど厳しくないアプリケーションでは、より低いビン（例：ビンA、B）の部品を使用できる可能性があり、コスト効率が良くなる場合があります。

このモデルのデータシートでは、順電圧や波長に関するビニングは示されていません。これは、それらのパラメータに対するプロセス管理が厳密であるか、またはターゲットアプリケーションにとって重要な差別化要因ではない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、デバイスが様々な条件下でどのように動作するかを視覚的に示し、公称25°C点を超えた堅牢なシステム設計に不可欠です。

4.1 スペクトル分布 (図1)

この曲線は、940nmを中心とし、FWHMが約50nmのガウス分布を示しています。これは、LED出力の単色性を確認するものであり、センシングアプリケーションでの環境光干渉を除去するために重要です。曲線の形状は、AlGaAsベースのIR LEDに典型的なものです。

4.2 順電流 vs. 周囲温度 (図2)

このデレーティング曲線は、熱管理に不可欠です。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が減少することを示しています。85°C（最大動作温度）では、許容電流は25°Cでの定格50mAよりも大幅に少なくなります。設計者は、システムの予想される最大周囲温度において、動作電流がこの曲線を超えないようにするために、このグラフを使用する必要があります。

4.3 順電流 vs. 順電圧 (図3)

これはダイオードの標準的なI-V曲線です。電流と電圧の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20mAの試験条件以外の電流におけるV_Fを推定でき、電源設計や効率計算に重要です。

4.4 相対放射強度 vs. 周囲温度 (図4)

このグラフは、光出力の温度依存性を示しています。相対放射強度は、温度が上昇するにつれて減少します。例えば、85°Cでは、出力は25°Cでの値の約60-70%にしかならない可能性があります。この負の温度係数は、広い温度範囲で動作するように設計されたシステムにおいて、高温での信号損失を避けるために考慮されなければなりません。

4.5 相対放射強度 vs. 順電流 (図5)

この曲線は、代表的な動作範囲（例：最大50mAまで）において、光出力が順電流にほぼ比例することを示しています。ただし、関係は完全に線形ではなく、非常に高い電流では、熱効果の増加や半導体内のその他の非理想性により、効率（mAあたりの放射強度）がわずかに低下する可能性があります。

4.6 放射指向特性図 (図6)

この極座標プロットは、指向角を視覚的に定義します。正規化された強度が中心軸（0°）からの角度に対してプロットされています。このプロットは20°の半角を確認し、中心から約±10°を超えると強度が急速に低下することを示しています。このパターンは、単純なドームレンズを備えたLEDに特徴的であり、指向性アプリケーションに適した集束ビームを提供します。

5. 機械的・パッケージ情報

5.1 外形寸法

本デバイスは、標準的なT-1 3/4スルーホールパッケージ寸法に準拠しています。主要な寸法には、本体直径約5mm、パッケージからリードが出る部分の典型的なリード間隔2.54mm（0.1インチ）、および全長が含まれます。フランジ下部の樹脂突出部の最大値は1.0mmと記載されています。リードは通常、はんだめっき銅合金で作られています。パッケージは透明で無色のエポキシレンズを備えています。

5.2 極性識別

T-1 3/4のようなスルーホールパッケージの場合、極性は通常、リードの長さ（長いリードが通常アノード、または正側）および/またはカソード（負側）リード近くのプラスチックフランジ上の平坦部によって示されます。この部品で使用されている特定のマーカーについては、データシートの図面を参照してください。

6. はんだ付け・実装ガイドライン

はんだ付け仕様を遵守することは、熱衝撃や潜在的な故障を防ぐために重要です。

• 手はんだ付け：温度制御されたはんだごてを使用してください。リードごとはんだ付け時間を350°C以下の温度で3-5秒に制限してください。熱をパッケージ本体ではなく、リードに加えてください。
• フロー/リフローはんだ付け：指定条件は、パッケージ本体から4.0mmの距離で260°C、5秒間です。これは、部品が典型的な赤外線または対流リフロープロファイルに耐えられることを意味しますが、パッケージ自体が過熱しないようにするために、リードの熱容量を考慮する必要があります。
• 洗浄：はんだ付け後に洗浄が必要な場合は、エポキシパッケージ材料と互換性のある溶剤を使用してください。部品に対して安全であることが確認されていない限り、超音波洗浄は避けてください。
• 保管：指定された温度範囲（-55°C ～ +100°C）内の乾燥した静電気防止環境で保管してください。湿気に敏感なデバイスは、使用前にベーキングされない場合は、乾燥剤を入れた密閉袋に保管する必要があります。

7. アプリケーション提案と設計上の考慮点

7.1 代表的なアプリケーション：煙感知器

光電式煙感知器では、LTE-4208Mは、クリアエア条件下ではそのビームがペアのフォトトランジスタに直接当たらないようにチャンバー内に配置されます。煙粒子がチャンバーに入ると、IR光が散乱し、その一部がフォトトランジスタ上に偏向されます。これにより生じる検出器電流の増加が警報をトリガーします。このアプリケーションでは：

• 信頼性の高い煙検出に十分な信号を提供しながら、消費電力を最小限に抑える放射強度ビンを選択してください。
• 平均消費電力を削減して電池寿命を延ばし、より良い信号対雑音比を得るために、DCではなくパルス電流（例：10μs間の100mAのような短い高パルス）でLEDを駆動してください。
• 感知器が屋根裏や温度変動の大きい他の環境に設置される可能性があるため、放射強度と最大電流の両方の温度デレーティングを考慮してください。

7.2 一般的な設計上の考慮点

• 電流制限：常に直列抵抗または定電流ドライバを使用して順電流を制限してください。LEDを電圧源に直接接続しないでください。
• 逆電圧保護：逆電圧トランジェントが発生する可能性のある回路（例：誘導性負荷、ホットプラグ）では、逆電圧を0.7V以下にクランプするために、LEDと並列に（カソードからアノードへ）保護ダイオードを追加することを検討してください。
• 放熱：最大電流定格付近での連続動作の場合、PCBレイアウトを考慮してください。リード周囲に十分な銅面積を提供することで、放熱に役立ちます。
• 光学設計：狭い20°の指向角は、コリメーションのための光学設計を簡素化しますが、受信機との注意深い機械的位置合わせが必要です。より広いカバレッジが必要な場合は、拡散板やレンズが必要になる場合があります。

8. 技術比較と差別化

一般的な、ビニングされていないIR LEDと比較して、LTE-4208Mの重要な差別化要因は、保証された放射強度ビンであり、予測可能な性能を提供することです。表面実装デバイス（SMD）IR LEDと比較して、T-1 3/4スルーホールパッケージは、より大きな熱容量とより長いリードにより、より高い可能な放散能力を提供し、より高い連続またはパルス駆動電流を可能にする可能性があります。その透明パッケージは、最大の前方光出力とビーム定義が必要な場合に、着色または拡散パッケージよりも有利ですが、可視光に対する固有の遮蔽は提供しません。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: ピーク定格が3Aなので、このLEDを3Aで連続駆動できますか？

A: いいえ。3A定格は、特定のデューティサイクル下での非常に短いパルス（10μs）用です。最大連続電流は50mAです。これを超えると、過熱によりデバイスはすぐに破壊されます。

Q: なぜ逆電圧定格はわずか5Vなのですか？

A: 赤外線LEDは順方向導通に最適化されています。半導体構造は高い逆バイアスに耐えるように設計されていません。回路が逆電圧の印加を防ぐことを常に確認してください。

Q: 適切なビン（AからG）をどのように選べばよいですか？

A: 受信機でのシステムに必要な信号強度に基づいて選択してください。検出器回路のゲインが高く、電力を最小限に抑える必要がある場合は、より低いビン（A、B）で十分かもしれません。より長い距離、より弱い検出器、または高い信号対雑音比を必要とするシステムの場合は、より高いビン（E、F、G）を選択してください。特定の光路でのテストをお勧めします。

Q: 順電圧は代表値で1.6Vです。5V電源で20mAを得るにはどの抵抗を使用すべきですか？

A: R = (V_supply- V_F) / I_F= (5V - 1.6V) / 0.020A = 170オーム。最も近い標準値（例：180オーム）を使用し、実際の電流を確認してください：I_F= (5V - 1.6V) / 180 = ~18.9mA、これは許容範囲内です。

10. 実践的設計ケーススタディ

シナリオ：産業用コンベヤベルト向けの低電力、電池駆動の物体カウンターを設計中。システムは、LTE-4208Mがベルトを挟んでLTR-3208フォトトランジスタと向かい合う透過型センサーを使用します。

設計ステップ：

1. 目標：すべての物体を確実に検出しながら、電池寿命を最大化する。
2. 駆動方法：パルス動作を使用。マイクロコントローラが100Hz、デューティサイクル10%のパルス（1ms ON、9ms OFF）を生成。
3. 電流計算：平均電力制限内に収めるために、パルス電流を選択。Pd=100mW、V_F~1.6Vの場合、平均I_Fは~62.5mAまで可能。デューティサイクル10%の場合、パルスI_Fは最大625mAまで可能。強い信号のために、控えめなパルス電流100mAを選択。
4. 部品選択：良好な信号強度のために、ビンDまたはEのLTE-4208Mを選択。マッチングするLTR-3208フォトトランジスタを選択。
5. 回路：マイクロコントローラのGPIOピンを使用して、LEDに100mAパルスを流すトランジスタ（例：NPN BJTまたはNチャネルMOSFET）を駆動。直列抵抗が電流を設定：R = (3.3V_GPIO- V_CE(sat)- V_F) / I_F。フォトトランジスタ出力はコンパレータまたはマイクロコントローラのADCに接続。
6. 考慮点：LEDパルスと同期して検出を行う（同期検出）ことで環境光の影響を考慮。出力強度に対する温度影響を考慮。

このアプローチにより、平均電流消費量は連続20-50mAではなく、約10mA（100mA * 10%）に削減され、強い検出可能な光パルスを維持しながら、電池寿命を大幅に延長します。

11. 動作原理

LTE-4208Mは、アルミニウムガリウムヒ素（AlGaAs）などの材料から作製された半導体p-n接合ダイオードです。材料のバンドギャップエネルギーを超える順電圧が印加されると、n領域からの電子とp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。発光ダイオード（LED）では、このエネルギーは主に光子（光）として放出されます。放射される光の波長（色）は、半導体材料のバンドギャップエネルギーによって決まります。940nmに調整されたAlGaAsの場合、バンドギャップエネルギーは約1.32電子ボルト（eV）です。透明なエポキシパッケージはレンズとして機能し、放射パターンを形成し、環境保護を提供します。

12. 技術トレンド

赤外線エミッタ技術は進化を続けています。LTE-4208Mのようなデバイスに関連するトレンドには以下が含まれます：

• 効率向上：材料科学の継続的な研究は、IR LEDの壁効率（出力光パワー／入力電力）を改善し、同じ光出力に対して発熱と消費電力を削減することを目指しています。
• 高速変調：光データ通信（例：IrDA、Li-Fi）や高速センシングのアプリケーション向けに、より高速なスイッチングが可能なLEDの開発。
• 統合化：エミッタ、検出器、および時には駆動回路を単一モジュールに組み合わせた集積光電子アセンブリへの移行。これにより設計が簡素化され、位置合わせと性能の一貫性が向上します。
• 代替波長：アイトラッキング（940nmは可視性が低いため好まれる）や、異なるシリコン検出器感度との互換性など、特定のアプリケーション向けに、他の近赤外波長（例：850nm、880nm）への展開。
• パッケージ小型化：スルーホールパッケージは高電力または高信頼性アプリケーションで人気を保っていますが、自動実装やスペース制約のある設計に向けて、表面実装技術（SMD）への強いトレンドがあります。

LTE-4208Mは、実績のあるT-1 3/4パッケージ、高い放射出力、厳格なビニングにより、特にスルーホール実装が好まれるか必要とされる主要なアプリケーションに適した、成熟した信頼性の高いソリューションを表しています。