LTE-4206 赤外線発光ダイオード (IR LED) データシート - 940nm波長 - 20mA順電流 - 1.6V順電圧 - 20°指向角 - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTE-4206は、光電センシングおよび通信アプリケーションでの使用を目的とした、低コストの小型赤外線(IR)発光素子です。その中核機能は、ピーク波長940ナノメートル(nm)の赤外光を放射することです。本デバイスは、効率的な光放射を可能にする、透明なプラスチック製のエンドルッキングパッケージに収められています。主要な特徴は、対応するフォトトランジスタシリーズとの機械的およびスペクトルマッチングであり、物理寸法と分光感度特性の互換性を保証することで、受信回路の設計を簡素化します。

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を定義します。周囲温度(T_A) 25°Cで規定されています。

• 許容損失 (P_D):90 mW。これはデバイスが熱として放散できる最大許容電力です。
• ピーク順電流 (I_FP):1 A。これは最大許容パルス電流であり、パルス幅10μs、毎秒300パルス(pps)の条件下で規定されています。
• 連続順電流 (I_F):60 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、LED接合部が損傷する可能性があります。
• 動作温度範囲:-40°C ～ +85°C。デバイスはこの周囲温度範囲内で動作することが保証されています。
• 保存温度範囲:-55°C ～ +100°C。
• 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、260°Cで最大5秒間。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータはT_A=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。光学パラメータ試験用の順電流(I_F)は、通常20mAです。

• 開口放射照度 (E_e):mW/cm²で測定され、単位面積あたりの表面に入射する放射パワーです。値はビンによって異なります(セクション3参照)。
• 放射強度 (I_E):mW/srで測定され、単位立体角あたりに放射される放射パワーです。IR光源の明るさを特徴付ける重要なパラメータです。値はビニングされています。
• ピーク発光波長 (λ_ピーク):940 nm (標準)。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 (標準)。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示します。50 nmの値は、放射光がピークを中心に約50 nm幅の波長範囲をカバーすることを意味します。
• 順電圧 (V_F):I_F=20mA時、1.2 V (最小)、1.6 V (標準)。これは指定電流が流れるときのLED両端の電圧降下です。
• 逆電流 (I_R):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に流れるわずかなリーク電流です。
• 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、比較的絞られたビームであることを示します。

3. ビニングシステムの説明

LTE-4206は、主要な光学出力パラメータである開口放射照度(E_e)と放射強度(I_E)に対してビニングシステムを採用しています。ビニングは、コンポーネントを性能グループに分類して、定義された範囲内での一貫性を確保する製造プロセスです。本デバイスは、A、B、C、Dの4つのビンに分類されます。

• ビン A: E_e= 0.184 - 0.54 mW/cm²; I_E= 1.383 - 4.06 mW/sr。
• ビン B: E_e= 0.36 - 0.78 mW/cm²; I_E= 2.71 - 5.87 mW/sr。
• ビン C: E_e= 0.52 - 1.02 mW/cm²; I_E= 3.91 - 7.67 mW/sr。
• ビン D: E_e= 0.68 mW/cm² (最小); I_E= 5.11 mW/sr (最小)。このビンは最高出力グループを表します。

このシステムにより、設計者は特定のアプリケーションに対して、必要な感度や範囲要件を満たすビンを選択することができます。

4. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下でのデバイスの挙動を示すいくつかの特性曲線が提供されています。

4.1 スペクトル分布 (図1)

この曲線は、波長の関数としての相対放射強度を示しています。940 nmでのピーク発光と約50 nmのスペクトル半値幅を確認できます。曲線形状はGaAlAs赤外線LEDに典型的なものです。

4.2 順電流 vs. 順電圧 (IV特性曲線) (図3)

このグラフはI_FとV_Fの関係をプロットしています。ダイオードに特徴的な指数関数的関係を示しています。この曲線は、定電流駆動回路を設計する上で不可欠です。20mA時の標準V_F1.6Vはここで確認できます。

4.3 相対放射強度 vs. 順電流 (図5)

このプロットは、光学出力(放射強度)が、広い範囲で順電流に対してほぼ線形であることを示しています。この線形性により制御が簡素化されます。駆動電流を増加させると、直接的かつ予測可能に光出力が増加します。

4.4 相対放射強度 vs. 周囲温度 (図4)

この重要な曲線は、LED出力の温度依存性を示しています。放射強度は周囲温度の上昇とともに減少します。この特性は、全温度範囲(-40°C～+85°C)で動作することを意図した設計において、高温時にも十分な信号強度を確保するために考慮する必要があります。

4.5 放射パターン図 (図6)

これは放射光の空間分布を描いた極座標プロットです。20°の指向角を視覚的に確認でき、中心軸(0°)から離れた角度で強度がどのように低下するかを示しています。

5. 機械的・パッケージ情報

本デバイスは小型プラスチック製エンドルッキングパッケージを使用しています。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:

• 全ての寸法はミリメートル単位です(括弧内はインチ)。
• 特に指定がない限り、一般公差は±0.25mm (±0.010")です。
• フランジ下の樹脂の最大突出は1.0mm (0.039")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ます。
• パッケージはクリアで透明です。

(注: 抜粋されたテキストには図面からの具体的な数値寸法は記載されていませんが、通常はボディ径、長さ、リード径、間隔などが含まれます)。

6. はんだ付け・実装ガイドライン

提供されている主なガイドラインは手はんだ用です: リードは260°Cで最大5秒間はんだ付け可能で、熱はプラスチックパッケージ本体から少なくとも1.6mm (0.063")離れた位置から加えます。これはエポキシ樹脂への熱損傷を防ぐためです。フローまたはリフローはんだ付けの場合は、標準的な赤外線LEDのプロファイルに従い、ピーク温度および液相線以上の時間に注意して、パッケージの熱的限界内に収めるようにしてください。

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

• 物体検知・近接センシング:対応するフォトトランジスタ(例: LTR-4206シリーズ)と対にして、反射型または遮光型構成で使用されます。プリンター、コピー機、自動販売機、産業オートメーションなどで使用されます。
• 赤外線データ伝送:短距離、低データレートのシリアル通信リンク、リモコン、または光学エンコーダに適しています。
• 煙感知:光学式煙感知器で使用されます。

7.2 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I_Fを所望の値(例: 仕様性能を得るための20mA)に制限し、電圧源に直接接続しないでください。
• 熱管理:温度による出力低下(図4)を考慮してください。周囲条件を考慮し、消費電力(I_F* V_F)が90mWを超えないようにしてください。
• 光学的アライメント:20°の指向角では、最適な信号結合のために、特に遮光型セットアップでは、対になる検出器との注意深いアライメントが必要です。
• 電気的ノイズ:センシングアプリケーションでは、LED駆動電流を変調し、受信回路で同期検波を使用して、940nmのIR成分を含む可能性のある環境光(例: 太陽光、白熱電球)を除去してください。

8. 技術比較・差別化

LTE-4206の主な差別化要因は、特定のフォトトランジスタシリーズとの機械的およびスペクトルマッチングです。これにより、受信器の有効面積と分光感度曲線がエミッタの出力パターンと波長に最適に整合され、システム効率が最大化され、機械設計が簡素化されます。クリアパッケージは、着色または拡散パッケージと比較して、より高い外部効率を提供します。ビニングシステムは、必要な出力レベルを選択する柔軟性を提供します。その低コストと小型サイズは、大量生産、スペース制約のある民生用および産業用アプリケーションに適しています。

9. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

Q: 940nm波長の目的は何ですか？

A: 940nmは近赤外線範囲にあり、人間の目には見えません。可視光干渉を回避し、多くのシリコンフォト検出器(フォトトランジスタなど)がここで良好な感度を持ち、850nm LEDと比較して環境の白熱光(ピークは約1000nm範囲)からの干渉を受けにくいため、一般的な波長です。

Q: このLEDを5V電源で駆動できますか？

A: はい、ただし電流制限抵抗を必ず使用してください。例えば、標準V_F1.6V、5V電源でI_F=20mAを達成するには: R = (5V - 1.6V) / 0.02A = 170Ω。最も近い標準値(例: 180Ω)を使用し、実際の電流を確認してください。

Q: エミッタの指向角とはどういう意味ですか？

A: ビーム幅を定義します。20°の全角は、放射光が比較的狭い円錐内に集中していることを意味します。ピーク強度の半分は、中心軸から±10°の位置にあります。より小さい角度は、より長い距離や精密なアライメントのためにより絞られたビームを提供します。

Q: なぜ出力はビニングされているのですか？

A: 製造上のばらつきにより、出力パワーにわずかな差が生じます。ビニングは、保証された最小および最大出力を持つグループにLEDを分類します。これにより、設計者は部品の正確な性能範囲を知り、システムが確実に動作することを保証するビンを選択できます。

10. 実践設計事例

事例: プリンター用紙検知センサーの設計

紙の存在を検知するための遮光型センサーが必要です。LTE-4206(ビンC)を紙通路の片側に配置し、対応するLTR-4206フォトトランジスタを真向かいに配置します。

1. 駆動回路:LEDはマイクロコントローラのGPIOピンから180Ωの抵抗を介して駆動され、ピンがハイ(3.3Vまたは5Vロジック)のときにI_Fを約20mAに設定します。
2. 変調:マイクロコントローラはLEDを1kHz(デューティ比50%)でパルス駆動し、環境光と信号を区別します。
3. 受信回路:フォトトランジスタのコレクタはプルアップ抵抗に接続されています。コレクタの電圧はマイクロコントローラのADCまたはコンパレータによって読み取られます。
4. 検知ロジック:紙がない場合、IR光がフォトトランジスタに到達し、導通してコレクタ電圧をローに引き下げます。紙がビームを遮ると、フォトトランジスタはオフになり、コレクタ電圧はハイになります。マイクロコントローラは、LEDパルス中にこの信号を同期的にサンプリングして状態変化を検出します。
5. 考慮点:20°の指向角により、ビームは紙の端で確実に遮断されるのに十分な狭さが確保されます。ビンCの選択は、時間の経過とともにほこりが蓄積した場合でも、受信側で強い信号を生成するのに十分な放射強度を提供します。

11. 動作原理の紹介

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。オン閾値(このデバイスでは約1.2V)を超える順電圧が印加されると、電子と正孔が接合部を横断して注入されます。これらの電荷キャリアが再結合し、この特定の材料組成(通常はガリウムアルミニウムヒ素 - GaAlAs)では、再結合時に放出されるエネルギーは940 nmを中心とする波長の光子の形となり、これが赤外光です。発光強度は再結合速度に直接比例し、それは順電流(I_F)によって制御されます。透明なエポキシパッケージはレンズとして機能し、出力ビームを指定された20°の指向角に形成します。

12. 技術トレンド

赤外線エミッタ技術のトレンドには以下が含まれます:

• 効率向上:同じ駆動電流でより高い放射強度(mW/sr)を達成するための材料と構造(例: 多重量子井戸)の開発により、消費電力を削減。
• 小型化:パッケージサイズの継続的な縮小(例: チップスケールパッケージ)により、ウェアラブルや超小型センサーなどのより小さなデバイスへの統合を可能に。
• 信頼性向上・高温動作:パッケージ材料とダイ取り付け技術の改善により、寿命を延長し、より過酷な環境(例: 自動車、産業)での動作を可能に。
• 統合ソリューション:IRエミッタ、ドライバ、時には検出器やロジックを単一モジュールまたはICに組み合わせ、システム設計を簡素化し占有面積を削減。
• 多波長・VCSEL:垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)の使用。高度な近接センシング、3Dイメージング(ToF)、顔認識など、非常に精密で高速、または構造化された光パターンを必要とするアプリケーション向け。

LTE-4206は、標準的な赤外線センシングニーズに対する成熟したコスト効率の高いソリューションを表しており、一方で新しい技術は、より高性能、高集積、特殊用途への要求に対応しています。