赤外線発光ダイオード (IR LED) 5mm クリアパッケージ - 直径5mm - 順方向電圧1.8V - 放射強度4.81mW/sr - 日本語技術データシート

1. 製品概要

本資料は、クリア透明プラスチックパッケージに収められた高出力小型赤外線（IR）発光ダイオード（LED）の仕様を詳細に説明します。このデバイスは、信頼性の高い赤外線照射を必要とする用途向けに設計されたエンドルック型エミッタです。その主な機能は、電流を赤外線放射に変換することであり、一般的に、互換性のある光検出器と対で使用されるセンシング、検出、通信システムで使用されます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

本デバイスは、指定された環境および電気的限界内で確実に動作するように設計されています。これらの定格を超えると、永久破損を引き起こす可能性があります。

• 許容損失：150 mW。これは、いかなる動作条件下でもデバイスが安全に熱として放散できる最大電力です。
• ピーク順方向電流：2 A。これは、1秒あたり300パルス、パルス幅10マイクロ秒の条件下で規定される最大許容パルス電流です。連続定格よりも大幅に高く、短時間の高強度発光を可能にします。
• 連続順方向電流：100 mA。これは、損傷のリスクなくLEDに無期限に印加できる最大DC電流です。
• 逆電圧：5 V。この値を超える逆バイアス電圧を印加すると、半導体接合が破壊される可能性があります。
• 動作温度範囲：-40°C から +85°C。本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 から +100°C。本デバイスは、このより広い温度範囲内で動作せずに保存することができます。
• 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、組立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、通常動作条件下でのデバイスの性能を定義します。ほとんどの光学パラメータの試験条件は、順方向電流（I_F）が20 mAです。

• 開口放射照度（E_e）：0.64 mW/cm²（最小）。これは、エミッタの開口部における単位面積あたりの放射パワーを測定します。エミッタが検出器の近くに配置される用途における重要なパラメータです。
• 放射強度（I_E）：4.81 mW/sr（最小）。これは、単位立体角（ステラジアン）あたりに放射される放射パワーです。赤外線スペクトルにおけるLEDの出力明るさの主要な尺度であり、距離に対する照度を計算する上で重要です。
• ピーク発光波長（λ_ピーク）：880 nm（標準）。本デバイスは、この波長を中心とした赤外線を発光します。これは近赤外線（NIR）領域にあり、人間の目には見えませんが、シリコンフォトダイオードで容易に検出できます。
• スペクトル半値幅（Δλ）：50 nm（最大）。これは、発光光学パワーがピーク値の少なくとも半分である波長範囲を指定します。50 nmの値は、中程度に広いスペクトル出力を示しており、標準的なIR LEDに典型的です。
• 順方向電圧（V_F）：I_F=20mA時、1.3 V（最小）、1.8 V（最大）。これは、動作時のLED両端の電圧降下です。定電流回路の設計に不可欠です。
• 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）：40°（標準）。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。40°の角度は広いビームを提供し、広い範囲のカバレッジを必要とする用途に適しています。

3. 性能曲線分析

データシートは、様々な条件下でのデバイスの動作をグラフで表しています。

3.1 スペクトル分布

スペクトル出力曲線（図1）は、波長の関数としての相対放射強度を示しています。約880 nmにピーク発光を持つ特徴的なベル型曲線であり、両側で徐々に減少することを確認できます。半値幅はこのグラフから視覚的に推定できます。

3.2 順方向電流対順方向電圧

I-V曲線（図3）は、印加された順方向電圧と結果として生じる電流との非線形関係を示しています。ダイオードの典型的な指数関数的なターンオン特性を示しています。20mAでの指定V_F範囲は、この曲線で相互参照できます。

3.3 相対放射強度対順方向電流

この曲線（図5）は、光学出力パワー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。広い範囲で一般的に線形ですが、非常に高い電流では飽和や効率低下を示す可能性があります。このグラフは、所望の出力レベルを達成するために必要な駆動電流を決定する上で重要です。

3.4 相対放射強度対周囲温度

温度依存性曲線（図4）は、LEDの出力パワーが接合温度の上昇とともに減少することを示しています。これは、半導体光源の基本的な特性です。このグラフにより、設計者は高温動作環境での期待出力を減額することができます。

3.5 放射パターン

極座標放射パターン（図6）は、指向角を視覚的に表しています。中心軸からの角度に対する相対強度をプロットしており、強度が50%に低下する40°の半角を明確に示しています。

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、標準的な直径5mmのエンドルック型クリアプラスチックパッケージ（しばしばT-1 3/4パッケージと呼ばれる）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で提供され、インチ換算も記載されています。
• 特に指定がない限り、標準公差±0.25mmが適用されます。
• フランジ下の樹脂の最大突出は1.5mm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。

パッケージは透明であり、赤外線が最小限の吸収で通過できるようになっています。リードは通常、スズメッキ銅合金で作られています。

4.2 極性識別

このスタイルのパッケージでは、通常、長いリードがアノード（正極接続）を示し、短いリードがカソード（負極接続）を示します。さらに、パッケージのリムにはカソードリード付近に平らな部分がある場合があります。デバイスが発光するためには、正しい極性を守らなければなりません。

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、パッケージ本体から1.6mmの位置で測定し、5秒間260°Cです。この定格は、手はんだ付けまたはフローはんだ付けプロセスを想定しています。

• リフローはんだ付け：リフロー用に明示的に指定されていませんが、260°Cの制限は、いくつかのリフロープロファイルに耐えられる可能性を示唆しています。ただし、プラスチックパッケージと内部ワイヤーボンドへの熱ストレスを最小限に抑えるために、より低いピーク温度（例：245°C）と制御されたランプレートを持つプロファイルを強く推奨します。
• 一般的な注意事項：リードに過度の機械的ストレスをかけないでください。パッケージの根本でリードを曲げないでください。必要に応じて、はんだ付け中に適切な放熱対策を行ってください。
• 保存条件：湿気の吸収やその他の劣化を防ぐために、指定された温度範囲（-55°C から +100°C）内の乾燥した静電気防止環境で保存してください。

6. アプリケーション提案

6.1 典型的なアプリケーションシナリオ

このIRエミッタは、以下のような様々な光電子アプリケーションに適しています：

• 物体検出・センシング：近接センサー、物体カウンター、レベル検出システムで使用され、しばしば前述のLTR-3208シリーズのようなフォトトランジスタと対になって、光インタラプタまたは反射型センサーを形成します。
• リモコンシステム：民生電子機器用赤外線リモコンの送信機として機能します。
• 光データリンク：短距離無線シリアルデータ通信を可能にします。
• セキュリティシステム：暗視カメラ用の赤外線照明や、侵入検知ビームの一部として使用されます。

6.2 設計上の考慮事項

• 電流制限：LEDは電流駆動デバイスです。特に順方向電圧には範囲（1.3V-1.8V）があるため、最大連続順方向電流を超えないように、常に直列の電流制限抵抗または定電流駆動回路を使用してください。
• 熱管理：許容損失は低いですが、高い連続電流で動作したり、高い周囲温度で動作したりすると、出力と寿命が低下します。必要に応じて十分な換気を確保してください。
• 光学的マッチング：データシートには、本デバイスが特定のフォトトランジスタと機械的およびスペクトル的にマッチングされていると記載されています。推奨される検出器を使用することで、880nmのピーク波長での最適な感度と、組立モジュール内での物理的な位置合わせが保証されます。
• 回路保護：最大逆電圧がわずか5Vであるため、逆電圧スパイクや静電気放電（ESD）に対する保護を追加することを検討してください。

7. 技術比較・差別化

このIRエミッタを差別化する主な特徴は以下の通りです：

• 選別された強度範囲：デバイスは、特定の放射強度仕様を満たすようにビニングまたは選別されており、生産における一貫性を確保します。
• 高出力：20mA時の最小放射強度4.81 mW/srは、標準的な5mmパッケージとしては競争力があり、良好な信号強度を提供します。
• 広い指向角（40°）：広いカバレッジを提供し、位置合わせがそれほど重要でない近接センシングや反射型センシングに有利です。
• クリアパッケージ：着色や拡散パッケージとは異なり、クリアレンズは前方への光出力を最大化し、発光色に対して中立であり、IRアプリケーションに理想的です。
• 検出器シリーズとのマッチング：これは、対になるフォトトランジスタを使用するシステムの設計と調達を簡素化し、光学的および機械的な互換性を保証します。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

8.1 5V電源で使用する場合、抵抗値はいくつにすべきですか？

オームの法則（R = (V_電源- V_F) / I_F) を使用し、目標I_Fを20mAと仮定すると、抵抗値は実際のV_Fに依存します。電流が20mAを決して超えないことを保証する最悪ケース設計では、最小V_F(1.3V) を使用します。R = (5V - 1.3V) / 0.02A = 185 オーム。最も近い標準値は180オームです。これにより、最大電流は約20.6mAとなり、安全です。定格電力：P = I²R = (0.02)² * 180 = 0.072W なので、1/8Wまたは1/4Wの抵抗で十分です。

8.2 マイクロコントローラのピンで直接駆動できますか？

通常、できません。ほとんどのマイクロコントローラのGPIOピンには20-40mAの電流供給/吸込み制限があり、これはこのLEDの動作点の限界にあります。制限内であっても、ピンの出力電圧は負荷下で低下するため、電流制御が不正確になります。マイクロコントローラのピンで駆動されるスイッチとしてトランジスタ（例：NPN BJTまたはNチャネルMOSFET）を使用して、LED電流を独立して制御することを常にお勧めします。

8.3 温度は性能にどのように影響しますか？

図4に示すように、相対放射強度は周囲温度の上昇とともに減少します。+85°Cでは、出力は25°C時の値のわずか60-80%になる可能性があります。逆に、非常に低い温度では、出力は高くなる可能性があります。これは、特に屋外や高信頼性アプリケーションでは、システムの感度計算に考慮する必要があります。順方向電圧（V_F）も負の温度係数を持ち、温度が上昇するとわずかに減少することを意味します。

8.4 開口放射照度と放射強度の違いは何ですか？

放射強度（I_E, mW/sr）は、パワーの角度測定値であり、特定の方向（ステラジアンあたり）にどれだけのパワーが放射されるかを記述します。距離には依存しません。開口放射照度（E_e, mW/cm²）は、パワー密度の面積測定値であり、光源の開口部で単位面積を通過するパワーを記述します。E_eは、検出器が実質的にエミッタの表面にある非常に近距離のアプリケーションにより関連があり、一方I_Eは、逆二乗の法則とともに使用して、距離に対する照度を計算するために使用されます。

9. 設計・使用事例研究

シナリオ：プリンタ用紙枚数カウンターの設計

プリンタ機構を通過する紙の枚数を数えるために、光インタラプタセンサーが必要です。U字型ブラケットの一方の側にIRエミッタを、もう一方の側に対応するフォトトランジスタを保持します。紙がないときは、エミッタからのIR光が直接検出器に当たり、導通させます。紙が隙間を通過すると、IRビームを遮断し、検出器の導通が低下します。

部品選択の根拠：

• このIRエミッタは、その高い放射強度（最小4.81 mW/sr）のために選択されました。ブラケットの位置合わせが完璧でなくても、またはほこりが蓄積しても、強い信号が検出器に到達できることを保証します。
• その広い40°の指向角は、U字ブラケットの別々のアームに収められたエミッタと検出器間のわずかな機械的な位置ずれに対する許容度を提供するため有益です。
• そのLTR-3208フォトトランジスタとのスペクトルマッチングにより、検出器が発光される880nm波長で最も感度が高くなり、信号対雑音比を最大化することが保証されます。
• そのクリアパッケージは、不必要にIR光を減衰させないため理想的です。

回路実装：エミッタは、一貫した出力のために一定の20mA定電流源で駆動されます。フォトトランジスタは、プルアップ抵抗を備えたコモンエミッタ構成で接続されます。コンパレータまたはマイクロコントローラのADCピンが、フォトトランジスタのコレクタの電圧を監視します。通過する紙は明確な電圧遷移を引き起こし、マイクロコントローラのファームウェアによってカウントされます。

10. 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。接合の内蔵電位を超える順方向電圧が印加されると、n領域からの電子が接合を越えてp領域に注入され、p領域からの正孔がn領域に注入されます。これらの注入された少数キャリア（p領域の電子、n領域の正孔）は、多数キャリアと再結合します。赤外線発光に使用されるガリウムヒ素（GaAs）などの直接遷移型半導体材料では、これらの再結合の大部分は放射的.

です。放射的再結合の間、再結合する電子-正孔対のエネルギーは光子の形で放出されます。この光子の波長（λ）は、半導体材料のバンドギャップエネルギー（E_g）によって決定され、式 λ = hc / E_gに従います。ここで、hはプランク定数、cは光速です。880 nmでの発光ピークの場合、対応するバンドギャップエネルギーは約1.41 eVです。クリアエポキシパッケージは、半導体チップを封止し、機械的保護を提供し、発光の放射パターンを形成するレンズとして機能します。

11. 技術トレンド

IR LEDの基本原理は安定していますが、その開発と応用に影響を与えるいくつかのトレンドがあります：

• 高出力化・高効率化：継続的な材料科学とチップ設計の改善により、より高い放射強度と効率（光出力/電力入力）を持つデバイスが生まれ、より明るい信号またはより低い消費電力が可能になっています。
• 小型化：自動組立のための表面実装デバイス（SMD）パッケージ（例：0805、0603、チップスケール）への強いトレンドがあり、サイズとコストを削減しています。スルーホール5mmパッケージは、プロトタイピング、教育用途、およびより高い単一デバイス出力またはより容易な手動組立を必要とするアプリケーションで人気があります。
• 波長特化：一般的な850-940 nm LEDを超えて、特定の用途向けの特定波長の使用が増えています。例えば、医療用パルスオキシメータ用の810nmや、アイセーフLiDAR用の1450nmなどです。
• 統合化：エミッタは、ドライバー、変調器、時には検出器さえも単一モジュールまたはICに統合されることが増えており、データ通信やセンシングのためのシステム設計を簡素化しています。
• アプリケーションの拡大：モノのインターネット（IoT）、ウェアラブルデバイス、自動車用LiDAR、高度な生体認証センシング（例：顔認識、静脈認証）の普及は、特定の性能特性を持つ信頼性の高い低コストIRエミッタへの需要を引き続き牽引しています。