LTE-3273L 赤外線エミッタ・ディテクタ データシート - 940nm波長 - 高出力 - 広視野角 - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTE-3273Lは、信頼性の高い赤外線発光と検出を必要とするアプリケーション向けに設計された、個別の赤外線(IR)部品です。これは、赤外線信号伝達が重要な環境での性能のために設計された光電子デバイスファミリーに属します。このデバイスのコア機能は、電気的に駆動されたときに特定の波長で赤外線を発光し、および/または入射する赤外線放射を検出して電気信号に変換することです。

本製品は、高い光出力、効率的な電気的特性、広い放射/検出パターンのバランスを要求するシステム向けのソリューションとして位置付けられています。その設計は、パルス動作下で効果的に動作できる部品の必要性に対応しており、これは電力節約と信号の明瞭さ向上のためにデジタル通信プロトコルで一般的です。

コアアドバンテージ:LTE-3273Lは、いくつかの主要な特徴によって差別化されています。比較的低い順方向電圧を維持しながら高電流動作のために設計されており、これにより全体的な電気効率が向上し、熱ストレスが低減されます。このデバイスは高い放射強度を提供し、距離を隔てた伝送や障害物を介した強力な信号伝送を可能にします。広い視野角により広いカバレッジエリアを確保し、システム設計においてエミッタとディテクタの位置合わせがそれほど厳密でなくても済むようにしています。最後に、透明なパッケージにより、内部吸収や散乱を最小限に抑えつつ最大限の光透過を実現します。

ターゲット市場とアプリケーション:この部品は主に、民生電子機器、産業オートメーション、セキュリティ分野をターゲットとしています。その典型的なアプリケーションには、テレビやオーディオ機器用の赤外線リモコン、近距離無線データ伝送リンク、近接センサー、物体カウンター、ビーム遮断を検出するセキュリティ警報システムなどが含まれますが、これらに限定されません。高速性能は、基本的なIRデータ通信プロトコルにも適しています。

2. 詳細技術パラメータ分析

このセクションでは、データシートに記載されている主要なパラメータについて、設計とアプリケーションにおける重要性を説明しながら、詳細かつ客観的な解釈を提供します。

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発生する可能性のあるストレスの限界を定義します。信頼性の高い長期的な性能のためには、これらの限界値付近または限界値での動作は推奨されません。

• 電力損失 (Pd): 150 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、半導体接合部の過熱リスクがあり、加速劣化や致命的な故障につながる可能性があります。設計者は、動作条件(順方向電流と電圧)が安全マージンを考慮してこの値以下の電力損失(IF * VF)となるようにしなければなりません。
• ピーク順方向電流 (I_FP): 2 A- これはパルス動作時の最大許容電流で、毎秒300パルス(pps)、パルス幅10µsの条件下で規定されています。この高い定格により、デバイスは短いバーストで非常に高い瞬間的な光出力を提供でき、長距離リモコンやノイズの多い環境での強力な信号パルスに理想的です。
• 連続順方向電流 (I_F): 100 mA- これは連続的に印加できる最大DC電流です。ほとんどの常時点灯アプリケーションでは、動作電流はこのレベル以下に保たなければなりません。寿命を確保し、熱を管理するために、典型的な動作電流ははるかに低い値(例: 20-50 mA)であることが多いです。
• 逆方向電圧 (V_R): 5 V- LEDにかけることができる逆方向の最大電圧です。これを超えると、降伏を引き起こしデバイスを破壊する可能性があります。直列抵抗や並列保護ダイオードなどの回路保護は、逆方向電圧スパイクを防ぐためによく使用されます。
• 動作・保管温度範囲:デバイスは-40°Cから+85°Cでの動作、-55°Cから+100°Cでの保管に対して定格付けられています。これらの広い範囲は、極端な温度に遭遇する自動車、産業、屋外アプリケーションに適しています。
• リードはんだ付け温度: 260°C、5秒間- これはリフローはんだ付けプロファイルの許容範囲を定義します。ボディから1.6mmの距離指定は重要です。プラスチックパッケージに近い場所に熱を加えると、変形や内部損傷を引き起こす可能性があります。

2.2 電気的・光学的特性

これらは、指定された試験条件(TA=25°C)下で測定された典型的な性能パラメータです。これらは、デバイスが回路内でどのように動作するかを定義します。

• 放射強度 (I_E):
  • 5.6 - 8.0 mW/sr @ I_F= 20mA- これは単位立体角(ステラジアン)あたりに放射される光パワーです。正面からのIR光源の明るさを直接測定するものです。範囲は、典型的なユニット間のばらつきを示しています。
  • 28.0 - 40.0 mW/sr @ I_F= 100mA- 電流と出力の非線形関係を示しています。電流を5倍に増やすと放射強度は約5倍に増加し、より高い電流でも良好な効率を示しています。
• ピーク発光波長 (λ_Peak): 940 nm- デバイスが最も多くの光パワーを放射する波長です。940nmは近赤外スペクトルにあり、人間の目には見えません。これは可視の赤色の発光を避け、シリコンフォトディテクタの感度とよく一致するため、リモコンで一般的な波長です。
• 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、発光のスペクトル純度を示します。50 nmの値は、発光が940nmピークを中心に約50nm幅の波長帯域にわたることを意味します。これは標準的なGaAs IREDでは典型的です。
• 順方向電圧 (V_F):
  • 1.25 - 1.6 V @ I_F= 50mA- デバイスが50mAを導通しているときの両端の電圧降下です。この低いV_Fは、電力損失と発熱を低減する重要な特徴です。
  • 1.85 - 2.3 V @ I_F= 500mA- V_Fは、ダイオードの内部抵抗により電流とともに増加します。この値は、高電流パルスドライバを設計する上で重要です。
• 逆方向電流 (I_R): 100 µA 最大 @ V_R= 5V- 最大逆方向電圧が印加されたときに流れる小さなリーク電流です。低い値が望ましいです。
• 視野角 (2θ_1/2): 40°- 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°の角度はかなり広いビームを提供し、精密な位置合わせが困難なアプリケーションに有用です。

2.3 熱特性

別の表に明示的にリストされていませんが、熱的挙動はいくつかのパラメータから推測されます。電力損失定格(150mW)は本質的に熱的限界です。性能曲線(後述)は、出力と順方向電圧が周囲温度とともにどのように変化するかを示しています。PCBの銅面積やヒートシンクによる効果的な熱管理は、特に最大連続電流付近で動作する場合に、性能と信頼性を維持するために不可欠です。

3. 性能曲線分析

代表的な曲線は、さまざまな条件下でのデバイスの挙動について視覚的かつ定量的な洞察を提供し、堅牢な回路設計に不可欠です。

3.1 順方向電流 vs. 順方向電圧 (図3)

このIV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。低電流では電圧は低くなります。電流が増加すると、電圧が上昇します。この曲線により、設計者は所定の電源電圧に対して適切な電流制限抵抗を選択できます。例えば、5V電源からLEDを100mAで駆動する場合、抵抗値 R = (V_supply- V_F) / I_Fとなります。100mAでの典型的なV_Fを~1.6V(外挿)とすると、Rは(5 - 1.6) / 0.1 = 34オームとなります。抵抗での電力はI²R = 0.34Wです。

3.2 相対放射強度 vs. 順方向電流 (図5)

このグラフは、光出力の駆動電流への依存性を示しています。低電流では一般的に線形ですが、熱的および内部量子効率の影響により、非常に高い電流では飽和や効率低下の兆候を示す可能性があります。この曲線は、絶対最大定格の2Aでのパルス動作が、連続100mA動作よりも大幅に高い瞬間出力をもたらすことを確認しており、長距離信号伝送での使用を正当化します。

3.3 相対放射強度 vs. 周囲温度 (図4)

これは環境影響を理解するための重要な曲線です。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。これはLEDの特性です。接合温度が高くなると内部量子効率が低下します。例えば、+85°Cでの出力は+25°Cでの出力のわずか60-70%かもしれません。設計者は、全温度範囲で確実に動作しなければならないシステムにおいて、このデレーティングを考慮に入れなければなりません。電力損失限界を超えない限り、出力低下を補償するために高温でLEDをわずかに高い電流で駆動する必要があるかもしれません。

3.4 スペクトル分布 (図1)

このプロットは、940nmを中心としFWHMが50nmの発光スペクトルを視覚化します。デバイスが近赤外線で発光していることを確認し、互換性のある光学フィルタの選択や、周囲光源(広いスペクトルを持つ太陽光や白熱電球など)からの潜在的な干渉の評価に役立ちます。

3.5 放射パターン (図6)

この極座標プロットは、発光の角度分布の詳細なビューを提供します。これは40°の視野角(2θ_1/2)をグラフィカルに表しています。曲線の形状は、特定のアプリケーションのためにビームを平行光線化またはさらに広げるためのレンズや反射器を設計する上で重要です。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 外形寸法と公差

デバイスは、機械的安定性と潜在的なヒートシンク用のフランジを備えた標準的なスルーホールパッケージを特徴としています。主要な寸法には、ボディ直径、リード間隔、全長が含まれます。すべての寸法はミリメートルで指定されています。特定の特徴に異なる指示がない限り、標準公差は±0.25mmです。リード間隔は、リードがパッケージボディから出る点で測定され、これはPCBの穴配置の標準的な基準です。フランジ下の樹脂の最大突出量が1.5mmと記載されており、これはPCBのスタンドオフと洗浄にとって重要です。

4.2 極性識別

IRエミッタ(LED)の場合、長いリードは通常アノード(正極)、短いリードはカソード(負極)です。データシートの外形図は、パッケージの平らな側面やカソードリード近くの切り欠きなどでこれを明確に示すべきです。正しい極性は必須です。5Vを超える逆バイアスはデバイスを損傷する可能性があります。

5. はんだ付け・実装ガイドライン

リフローはんだ付け:指定されたパラメータは、パッケージボディから1.6mmの点で測定して、最大5秒間260°Cです。これは一般的な無鉛リフロープロファイル(ピーク温度240-260°C)に適合します。1.6mmの距離は、プラスチックパッケージがガラス転移温度を超えて変形するのを防ぐために重要です。

手はんだ付け:手はんだ付けが必要な場合は、温度制御されたはんだごてを使用する必要があります。リードごとの接触時間は最小限に抑え、理想的には3秒未満とし、はんだごてとパッケージボディの間のリードにヒートシンククリップを使用します。

洗浄:はんだ付け後、標準的なPCB洗浄プロセスを使用できますが、透明樹脂パッケージとの適合性は洗浄剤メーカーで確認する必要があります。

保管条件:湿気吸収(リフロー中のポップコーン現象の原因となる)を防ぐために、デバイスは乾燥した環境、通常は室温で相対湿度40%以下、または保存期間が延長される場合は乾燥剤入りの密閉防湿バッグで保管する必要があります。

6. アプリケーション提案と設計上の考慮点

6.1 代表的なアプリケーション回路

エミッタ駆動回路:最も単純な回路は直列電流制限抵抗です。パルス動作では、トランジスタ(BJTまたはMOSFET)を使用して高電流をオン/オフします。ドライバは、LEDにかかる電圧を最大化するために低い飽和電圧でピーク電流(最大2A)を供給できる必要があります。データ伝送には高速な立ち上がり/立ち下がり時間が望ましいです。

ディテクタ回路:フォトダイオードとして使用する場合(バリアントによる)、通常は逆バイアスまたは光起電力(ゼロバイアス)モードで動作し、小さな光電流を使用可能な電圧に変換するトランスインピーダンスアンプに接続されます。

6.2 主要な設計上の考慮点

• 電流制限:常に直列抵抗またはアクティブな定電流ドライバを使用してください。電圧源に直接接続しないでください。
• パルス動作:パルス駆動の場合、パルス幅とデューティサイクルが平均電力損失を限界内に保つようにしてください。平均電流 = ピーク電流 * デューティサイクル。300pps、10µs幅の2Aパルスの場合、デューティサイクル = (10e-6 * 300) = 0.003 (0.3%)。平均電流 = 2A * 0.003 = 6mAで、連続定格内に十分収まります。
• 光路:40°の視野角を考慮してください。集光ビームの場合はレンズが必要になるかもしれません。広域検出の場合は、この角度で十分かもしれません。光路を障害物から解放し、清潔に保ってください。
• 外来光耐性:ディテクタアプリケーションでは、周囲のIR光(太陽、ランプからの)が主要なノイズ源です。変調IR信号(例: 38kHz)と対応する同調受信回路を使用することが、このDCおよび低周波ノイズを除去する標準的な方法です。
• PCBレイアウト:エミッタの場合、過度の電圧降下なしにピークパルス電流を扱える十分なトレース幅を確保してください。熱管理のために、フランジ(電気的に絶縁されているか、リードに接続されている場合)をPCB上の銅面に接続してヒートシンクとして機能させてください。

7. 技術比較と差別化

特定の競合部品の名前は挙げませんが、LTE-3273Lのパラメータの組み合わせがそのニッチを定義しています:

• 標準的な940nm IREDとの比較:その高いピーク電流定格(2A)と100mAでの高い放射強度は、単純なリモコンで使用される低電力バリアントと差別化されます。これにより、より長距離またはより高いノイズ耐性を必要とするアプリケーションに適しています。
• 高速850nm IREDとの比較:LTE-3273Lは940nmでGaAsを使用しますが、高速バリアントはしばしば850nmでAlGaAsを使用します。850nmデバイスは通常、高速データ伝送のためにより速い立ち上がり/立ち下がり時間を持ちますが、かすかな赤色の発光があるかもしれません。940nmデバイスは完全に見えず、目立たないアプリケーションに好ましく、その50nm FWHMは標準的です。
• 同じパッケージのフォトトランジスタ/フォトダイオードとの比較:データシートのタイトルは、エミッタとディテクタの両方をカバーするファミリーを示唆しています。専用の光検出器バージョンは異なる特性(応答度、暗電流、速度)を持ちます。同じファミリーからのマッチングペアの主な利点は、最適化されたスペクトルマッチングです。

8. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

Q1: このLEDを500mAで連続駆動できますか？

A: できません。連続順方向電流の絶対最大定格は100mAです。電気的特性表に記載されている500mAの条件は、高電流下でのV_Fを測定するための試験条件であり、おそらくそのパルス動作定格に関連しています。連続動作は100mAを超えてはなりません。

Q2: なぜ暑い車内ではIRリモコンの到達距離が短くなるのですか？

A: 図4(相対放射強度 vs. 周囲温度)を参照してください。LEDの出力は温度が上昇すると減少します。+85°Cでは、出力は室温よりも30-40%低くなる可能性があり、有効到達距離が直接減少します。

Q3: 典型的な出力を得るために3.3V電源でどの抵抗を使用すべきですか？

A: 目標I_Fを20mA(5.6-8.0 mW/srを与える)とし、50mAでの典型的なV_Fを1.6V(20mAでは~1.5Vと推定)とすると、R = (3.3V - 1.5V) / 0.02A = 90オームです。最も近い標準値は91オームです。抵抗での電力: (0.02^2)*91 = 0.0364Wなので、1/8Wまたは1/10Wの抵抗で十分です。

Q4: 発光と検出で視野角は同じですか？

A: IRエミッタ(LED)の場合、40°の角度は放射パターンを指定します。フォトダイオードまたはフォトトランジスタディテクタの場合、視野角または感度角と呼ばれる類似したが別個のパラメータがその角度受容を定義します。これらはしばしば類似していますが、必ずしも同一ではありません。特定のディテクタのデータシートを確認してください。

9. 実践的設計・使用事例

事例: 長距離ガレージドアオープナー送信機の設計

設計目標は、日中条件下で信頼性の高い50メートルの到達距離を達成することです。LTE-3273Lは、その高いパルス出力能力のために選択されました。

設計ステップ:

1. 駆動回路:マイクロコントローラによってスイッチングされるMOSFETを使用してLEDをパルス駆動します。直列抵抗は、電池電圧(例: 12V)と希望のピーク電流に基づいて計算されます。到達距離を最大化するために、ピーク定格近くで駆動します: I_FP= 1.5A(2A最大内)を選択します。1.5AでのV_F(曲線外挿から) ~2.5V。抵抗 R = (12V - 2.5V) / 1.5A = 6.33オーム。パルス電力を扱うために6.2オーム、5Wの抵抗を使用します(P = I²R = 1.5^2 * 6.2 ≈ 14Wピーク、ただし平均電力は低い)。

2. パルス化:データビットで変調された38kHzキャリアを使用してコマンドをエンコードします。各38kHzバーストのパルス幅は定格内に収まるように10µs以下に保ちます。デューティサイクルは非常に低いです。

3. 光学系:LEDの前に単純なプラスチックレンズを追加して、自然な40°ビームをより狭く、より焦点を絞ったビームに平行光線化し、より長い到達距離を実現します。

4. 熱対策:低いデューティサイクルのため、平均電力と発熱は最小限です。フランジに接続されたPCB銅面を超える特別なヒートシンクは必要ありません。

この設計は、LTE-3273Lの主要な特徴である高いピーク電流、高い放射強度、パルス動作への適合性を活用しています。

10. 動作原理の紹介

赤外線エミッタ(IRED):LTE-3273Lは、エミッタとして機能するとき、ヒ化ガリウム(GaAs)半導体材料に基づく発光ダイオード(LED)です。順方向電圧が印加されると、電子と正孔が半導体接合の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、光子(光)の形でエネルギーを放出します。GaAs材料の特定のバンドギャップエネルギーがこれらの光子の波長を決定し、それは940ナノメートルの赤外線領域です。透明なパッケージにより、この光は最小限の損失で外部に放出されます。

赤外線ディテクタ(フォトダイオード):ディテクタとして構成されている場合、デバイスには半導体PIN接合が含まれています。半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光子(すなわち赤外線)が空乏層に衝突すると、電子-正孔対を生成します。これらの電荷キャリアは、内蔵電界(または印加された逆バイアス)によって引き離され、入射光の強度に比例する光電流を生成します。この小さな電流は外部回路によって増幅および処理できます。

11. 技術トレンドと背景

LTE-3273Lのような個別赤外線部品は、成熟した安定した技術を代表しています。コア材料(GaAs、AlGaAs)とパッケージタイプは、信頼性とコスト効率のために数十年にわたって最適化されてきました。この分野の進行中のトレンドは、個別デバイス自体の革命的な変化ではなく、それらの統合とアプリケーションコンテキストにあります:

• 統合:エミッタ、ディテクタ、ドライバ、アンプ、デジタルロジック(特定のプロトコルのデコーダなど)を単一の表面実装パッケージに組み合わせた統合モジュールへの移行があります。これらは設計を簡素化しますが、特殊なアプリケーション向けの個別部品と同じレベルのカスタマイズや性能最適化を提供しないかもしれません。
• 小型化:スルーホールパッケージは堅牢性のために依然として人気がありますが、現代のPCBでスペースを節約するために、より小さな表面実装デバイス(SMD)バージョンの需要が高まっています。
• 性能向上:民生電子機器向けLiDARや高度なジェスチャ認識などの新しいアプリケーションでは、より高速で効率的なIRエミッタ(例: VCSEL技術を使用)や、より高い感度と低ノイズのディテクタの研究が進められています。しかし、リモコン、近接センシング、基本的なデータリンクなどの古典的なアプリケーションでは、LTE-3273Lのような従来の部品が性能、信頼性、コストの最適なバランスを提供します。
• アプリケーション拡大:基本的な原理は、無線周波数(RF)システムの複雑さなしに、シンプルで低電力の無線通信またはセンシングが必要とされる新興のモノのインターネット(IoT)デバイスに関連しています。

要約すると、LTE-3273Lは、実績のある技術に基づいた、仕様が明確で堅牢な部品です。その価値は、エンジニアがその挙動を正確に予測し、制御、センシング、または基本的な通信のために信頼性の高い赤外線機能を必要とするシステムに効果的に設計できる、明確で詳細なデータシートにあります。