赤外線発光ダイオード LTE-4206C データシート - パッケージ寸法 - 順方向電圧 1.6V - 放射強度 7.67mW/sr - ピーク波長 940nm - 技術文書

1. 製品概要

LTE-4206C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、小型・低コストの赤外線（IR）発光素子です。その主な機能は、人間の目には見えないが対応する光検出器で検出可能な、ピーク波長940ナノメートルの赤外光を放射することです。本デバイスは、透明色のコンパクトなエンドルッキングプラスチックパッケージに収められており、スペースに制約のある設計に適しています。

この部品の主な利点は、LTR-4206シリーズのフォトトランジスタとの機械的およびスペクトル的な整合性です。この事前に整合されたペアリングにより、設計導入が簡素化され、発光素子と検出器のペアにおける最適な性能が保証され、物体検知、近接センシング、光スイッチなどのアプリケーションの開発時間が短縮されます。選択された強度範囲によりビニングが可能で、設計者に一貫した性能パラメータを提供します。

2. 詳細な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限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• 許容損失 (Pd):90 mW。これは、周囲温度25°Cでの連続動作時にデバイスが熱として放散できる最大許容電力です。
• 連続順方向電流 (IF):60 mA。LEDに無期限に流すことができる最大直流電流です。
• ピーク順方向電流:1 A。この高い電流は、パルス条件下（毎秒300パルス、パルス幅10μs）でのみ許容され、これを超えてはなりません。
• 逆方向電圧 (VR):5 V。逆バイアス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。
• 動作温度範囲:-40°C から +85°C。信頼性のある動作のための周囲温度範囲です。
• 保存温度範囲:-55°C から +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、5秒間260°C。これは、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周囲温度（TA）25°Cで測定され、デバイスの代表的な性能を定義します。

• 順方向電圧 (VF):テスト電流（IF）20mAにおいて、標準値1.6V、最大1.2V。これは、動作時のLED両端の電圧降下です。
• 逆方向電流 (IR):逆方向電圧（VR）5Vにおいて、最大100 μA。これは、デバイスが逆バイアスされたときのリーク電流を示します。
• ピーク発光波長 (λPeak):940 nm。これは、IR発光素子が最大放射強度を出力する波長です。
• スペクトル半値幅 (Δλ):50 nm。このパラメータは、発光される光の帯域幅を表し、ピーク波長の周りに波長がどの程度狭くまたは広く分布しているかを示します。
• 指向角 (2θ1/2):20度。これは、強度がピーク値の半分になる放射の角度広がり（半値全幅）を定義します。

3. ビニングシステムの説明

LTE-4206Cは、その放射強度と開口放射照度に基づいて、異なる性能ビンに分類されます。これにより、設計者はアプリケーションの特定の感度要件を満たす部品を選択できます。

• BIN A:開口放射照度 (Ee): 0.184 - 0.54 mW/cm²; 放射強度 (Ie): 1.383 - 4.06 mW/sr。
• BIN B:開口放射照度 (Ee): 0.36 - 0.78 mW/cm²; 放射強度 (Ie): 2.71 - 5.87 mW/sr。
• BIN C:開口放射照度 (Ee): 0.52 - 1.02 mW/cm²; 放射強度 (Ie): 3.91 - 7.67 mW/sr。
• BIN D:開口放射照度 (Ee): 0.68 mW/cm² (最小); 放射強度 (Ie): 5.11 mW/sr (最小)。

すべての測定は、順方向電流（IF）20mAで行われます。ビン文字が高いもの（C、D）は、一般に出力電力が高いデバイスを示します。

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ます。940nmでのピーク発光と50nmのスペクトル半値幅を確認し、放射される赤外光の帯域を示しています。

4.2 順方向電流 vs. 順方向電圧 (図3)

これはダイオードの標準的なIV（電流-電圧）曲線です。電流と電圧の間の指数関数的な関係を示しています。20mAにおける標準順方向電圧1.6Vは、このグラフから確認できます。この曲線は、LEDの電流制限回路を設計する上で不可欠です。

4.3 相対放射強度 vs. 順方向電流 (図5)

このグラフは、光出力（放射強度）が、広い範囲で順方向電流とほぼ線形関係にあることを示しています。これは、設計者が所望の光出力を得るために必要な駆動電流を決定するのに役立ちます。

4.4 相対放射強度 vs. 周囲温度 (図4)

この曲線は、熱的影響を理解する上で重要です。周囲温度が上昇すると放射強度が低下することを示しています。この減衰率は、高温で動作するアプリケーションにおいて、検出器で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)

この極座標プロットは、指向角（2θ1/2 = 20°）を視覚的に表しています。放射される赤外光の空間分布を示しており、発光素子を対応する検出器と位置合わせする際に重要です。

5. 機械的・パッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

デバイスは、小型のエンドルッキングプラスチックパッケージを使用しています。主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す（括弧内はインチ）。
• 特に指定がない限り、標準公差は±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。

パッケージはスモーキング透明色と表現されており、通常、赤外光を通しつつ半導体チップにいくらかの拡散と物理的保護を提供する、色付きの半透明プラスチックを意味します。

5.2 極性識別

提供されたテキストでは明示的に詳細は記述されていませんが、このような標準的なIR LEDパッケージでは通常、平らな面や長いリードがカソードを示します。データシートの図にこのマーキングが表示されます。逆バイアス損傷を防ぐため、正しい極性は必須です。

6. はんだ付け・組立ガイドライン

組立における重要な仕様は、リードはんだ付け温度です：パッケージ本体から1.6mm（0.063"）の位置で測定し、最大5秒間260°C。この定格は、フローはんだ付けやリフロー工程中の熱損傷を防ぐために重要です。

設計上の考慮事項:

• 放熱対策:低電力LEDでは通常必要ありませんが、特に最大定格近くで動作する場合、PCBレイアウトが部品周囲に過剰な熱を閉じ込めないようにすることは良い習慣です。
• ESD保護:すべての半導体デバイスと同様に、IR発光素子は静電気放電（ESD）に敏感です。組立時には標準的なESD取り扱い予防策を遵守する必要があります。

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

• 物体検知・近接センシング:LTR-4206フォトトランジスタとペアリングすることで、IRビームを遮断することで物体の有無を検出できます。
• 光スイッチ・エンコーダ:回転式または直線式エンコーダで、パターン化されたディスクやストリップを通じて位置や動きを検知するために使用されます。
• IRデータ伝送:変調をかけることで、短距離・低データレートの無線通信（例：リモコン信号、センサー遠隔測定）に使用できます。
• 煙感知:一部の光学式煙感知器の設計では、IR LEDと検出器のペアが煙粒子からの散乱光を検知できます。

7.2 設計上の考慮事項

• 電流制限:LEDは電流駆動デバイスです。動作電流を設定し、熱暴走を防ぐために、直列抵抗または定電流ドライバが必須です。抵抗値は R = (電源電圧 - VF) / IF を使用して計算します。
• 光学的な位置合わせ:狭い20°の指向角は、最適な結合効率を得るために、発光素子と検出器の間の精密な機械的位置合わせを必要とします。
• 環境光耐性:940nmで発光するため、可視環境光からの干渉を受けにくいです。ただし、太陽光や他の強いIR光源（白熱電球など）には940nmで大きなエネルギーが含まれる可能性があり、干渉を引き起こす場合があります。検出器側の光学フィルタリングや発光素子信号の変調により、これを軽減できます。
• 熱的減衰率の考慮:温度上昇に伴う出力電力の低下（図4に示す通り）を、十分な駆動電流マージンを設けるか、より高いビンの部品を選択することで考慮に入れてください。

8. 技術比較・差別化

LTE-4206Cの主な差別化機能は、LTR-4206フォトトランジスタシリーズとの明示的な機械的およびスペクトル的な整合性です。これは、発光素子と検出器部品を個別に選択する場合に比べていくつかの利点を提供します:

• 保証された性能:ペアとして特性評価されており、検出器のスペクトル応答がLEDの発光スペクトルとよく一致し、最大感度が確保されます。
• 機械的互換性:パッケージは標準的な実装構成で組み合わさるように設計されており、機械設計を簡素化します。
• コスト効率の高いソリューション:小型プラスチックパッケージと大量生産により、信頼性が高く事前検証済みの光カプラビルディングブロックを低コストで提供します。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 放射強度（Ie）と開口放射照度（Ee）の違いは何ですか？

A: 放射強度（mW/sr）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測定し、光の指向的な集中度を表します。開口放射照度（mW/cm²）は、指定された距離にある表面（検出器など）に入射するパワー密度であり、強度と距離/幾何学形状の両方に依存します。

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、電源5V、VF 1.6V、希望IF 20mAの場合：R = (5V - 1.6V) / 0.02A = 170オーム。標準の180オーム抵抗が適しています。

Q: なぜ指向角は20度しかないのですか？

A: 狭い指向角は、放射光をより絞られたビームに集中させます。これにより軸上の強度が増加し、より長い検知距離やより低い駆動電流が可能になり、散乱光を減らすことで信号対雑音比を改善します。位置合わせされた発光素子-検出器ペアに理想的です。

Q: 適切なビン（A, B, C, D）をどのように選べばよいですか？

A: 選択は、システムの感度要件と動作マージンに依存します。検出器が強い信号を必要とする場合、またはシステムが広い温度範囲（出力が低下する）で動作する場合は、より高い出力パワーのために上位のビン（CまたはD）を選択してください。重要度が低い、または短距離アプリケーションでは、下位のビンで十分かつコスト効率的な場合があります。

10. 実践的な設計事例

シナリオ: プリンタ内の用紙有無センサの設計

一般的な用途は、トレイに用紙があるかどうかを検知することです。LTE-4206C IR発光素子とそれに対応するLTR-4206フォトトランジスタが、用紙経路の反対側に配置されます。用紙がない場合、IR光は検出器に到達し、検出器を導通状態にします。用紙が両者の間を通過すると、IRビームが遮断され、検出器の導通が停止し、マイクロコントローラがこの変化を感知して用紙の存在を記録します。

設計ステップ:

1. 回路設計:MCUで制御されるトランジスタスイッチと直列抵抗（電流制限用）を使用してLEDを20mAで駆動します。フォトトランジスタは、受光に基づいて切り替わるデジタル出力信号を作成するために、プルアップ抵抗を備えたコモンエミッタ構成で接続します。
2. 機械設計:パッケージ寸法を使用して発光素子と検出器を精密に位置合わせし、20°のビームが検出器の有効領域に向けられるようにします。クリーンな光路を確保します。
3. 部品選定:時間の経過とともにレンズにほこりが蓄積した場合でも、検出器に強い信号が届くように、BIN CまたはDの発光素子を選択します。
4. ソフトウェア:振動やほこりと実際の用紙端を区別するためのデバウンスロジックを実装します。

11. 動作原理

赤外線発光ダイオード（IR LED）は、半導体p-n接合におけるエレクトロルミネセンスの原理に基づいて動作します。順方向電圧が印加されると、n型領域からの電子とp型領域からの正孔が接合部を越えて注入されます。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。IR LEDでは、この放出されるエネルギーが赤外線スペクトル（約940nm）の光子に対応するように、半導体材料（通常はガリウムヒ素 - GaAsベース）が選択されています。発光の強度は、キャリア再結合の速度に直接比例し、これは順方向電流（IF）によって制御されます。透明パッケージは、半導体チップを封入・保護しつつ、赤外線光子が逃げることを可能にします。

12. 技術トレンド

赤外線発光素子技術は、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。より高い効率を目指した絶え間ない推進があり、より低い駆動電流でより大きな光出力パワーを可能にし、システムの電力消費と発熱を低減します。パッケージの小型化はもう一つの主要なトレンドであり、ますます小型化する民生電子機器やIoTデバイスへの統合を可能にしています。さらに、ガスセンシングや高環境光ノイズ環境など、特定のスペクトルフィルタリングを必要とするアプリケーション向けに、より正確な波長制御と狭いスペクトル帯域幅に向けた開発が進んでいます。発光素子と検出器を、内蔵信号処理を備えた単一のスマートセンサーモジュールに統合することも、エンドユーザーのシステム設計を簡素化する成長分野です。