赤外線LED 940nm データシート - 技術文書

1. 製品概要

本資料は、赤外線（IR）発光ダイオード（LED）部品に関する包括的な技術概要を提供します。このデバイスの主な機能は、近赤外線スペクトル、具体的にはピーク波長（λp）940ナノメートル（nm）の光を発することです。この波長は人間の目には見えませんが、様々なセンシングやリモコン用途に極めて有効です。本コンポーネントは、信頼性が高く安定したIR光源を必要とする電子アセンブリへの統合を目的として設計されています。

このIR LEDの中核的な利点は、指定された940nmの発光にあります。これは、テレビのリモコンや近接センサーなどの民生電子機器における一般的な標準です。この波長は、シリコンフォトディテクタの感度と環境光除去の間で良好なバランスを提供します。ターゲット市場には、民生電子機器、産業オートメーション、セキュリティシステム、および信号、検出、データ伝送に不可視光を必要とするあらゆるアプリケーションが含まれます。

2. 詳細技術パラメータ分析

提供されたPDF断片は、単一の重要な測光パラメータであるピーク波長を強調しています。

2.1 測光特性

ピーク波長（λp）：940nm

これはLEDが発する最も卓越した波長であり、放射強度が最大となる点です。940nmのピークは、以下の理由で重要です：

• シリコン検出器との互換性：最も一般的なIR検出器であるシリコンフォトダイオードおよびフォトトランジスタは、通常800nmから950nmの範囲でピーク感度を持ちます。940nm光源はこれとよく一致し、効率的な検出と強い信号強度を保証します。
• 可視光放射の低減：一部の近赤外LEDはかすかな赤色光を発しますが、940nm LEDは事実上不可視であり、隠密用途や可視光漏れが望ましくない用途に理想的です。
• 太陽光耐性：太陽放射スペクトルは940nm付近に局所的な最小値を持ちます。これにより、例えば850nm LEDと比較して、この波長を使用するセンサーは周囲の太陽光からの干渉を受けにくくなります。

PDF抜粋にはピーク波長のみが示されていますが、完全なデータシートには通常、放射強度（ミリワット毎ステラジアン、mW/sr）、指向角（半値角、度単位）、スペクトル帯域幅（半値全幅、FWHM、nm単位）などの追加の測光パラメータが含まれます。

2.2 電気的特性

提供されたテキストに明示的には記載されていませんが、電気的特性を理解することは設計の基本です。

• 順方向電圧（Vf）：LEDが指定電流で動作するときの両端の電圧降下です。一般的なIR LEDでは、これは1.2Vから1.6Vの範囲であることが多いですが、正確な値は半導体材料とチップ設計に依存します。このパラメータは適切な電流制限抵抗または駆動回路を選択する上で重要です。
• 順方向電流（If）：推奨連続動作電流で、標準パッケージでは通常20mAから100mAの間です。最大順方向電流を超えると、急速な劣化や致命的な故障を引き起こす可能性があります。
• 逆方向電圧（Vr）：LEDが逆バイアス時に損傷なく耐えられる最大電圧で、通常5V程度です。これを超えるとPN接合が破壊される可能性があります。
• 消費電力：Vf * If として計算され、これは部品にかかる熱負荷を決定し、放熱の必要性に影響を与えます。

2.3 熱特性

LEDの性能と寿命は、接合温度に大きく依存します。

• 熱抵抗（Rθj-a）：半導体接合から周囲空気への熱流に対する抵抗で、ワットあたりの摂氏度（°C/W）で表されます。値が低いほど放熱能力が優れていることを示します。
• 最大接合温度（Tj max）：半導体接合で許容される最高温度です。この制限を超えて動作すると、LEDの寿命が大幅に短縮されます。Tjを制限内に保つためには、適切なPCBレイアウト（熱ビア、銅面積）が不可欠です。
• デレーティング曲線：周囲温度が上昇するにつれて最大許容順方向電流が減少する様子を示すグラフです。これは、あらゆる動作条件下での信頼性を確保するための重要な設計ツールです。

3. ビニングシステムの説明

製造上のばらつきにより、LEDは完全に同一ではありません。ビニングシステムは、主要なパラメータに基づいて部品を分類し、生産ロット内の一貫性を確保します。

• 波長/ピーク波長ビニング：LEDは、実際のピーク波長（例：935-945nm、940-950nm）に基づいてビンに仕分けされます。これにより、アプリケーションにおける色の一貫性が確保されます。
• 放射強度/光束ビニング：部品は、測定された光出力に基づいてグループ化されます。例えば、特定のテスト電流における最小/標準/最大放射強度値としてビンが定義される場合があります。
• 順方向電圧ビニング：LEDは、テスト電流におけるVfによって仕分けられます。これは、特に複数のLEDが直列に接続されている場合に、より均一な回路設計に役立ちます。

設計者は、アプリケーションに必要な性能を保証するために、発注時に必要なビンを指定しなければなりません。

4. 性能曲線分析

グラフデータは、単一点の仕様よりも深い洞察を提供します。

4.1 電流-電圧（I-V）特性曲線

この曲線は、順方向電圧と順方向電流の関係を示します。非線形であり、IR LEDでは通常約1.2Vの膝電圧を示し、それを超えると電圧のわずかな増加で電流が急速に増加します。これは、LEDを駆動する際に電圧制御ではなく電流制御が重要であることを強調しています。

4.2 温度特性

主要なグラフには以下が含まれます：

• 順方向電圧 vs. 接合温度：Vfは負の温度係数を持ち、温度が上昇すると減少することを意味します。これは温度センシングに利用できます。
• 放射強度 vs. 接合温度：光出力は通常、温度が上昇すると減少します。この曲線の傾きは、出力の熱安定性を示します。
• 相対強度 vs. 順方向電流：光出力が駆動電流にどのように比例するかを示し、通常は熱効果が支配的になるまで線形またはわずかに準線形の関係にあります。

4.3 分光分布

相対強度を波長に対してプロットしたグラフです。940nm LEDの場合、この曲線は940nmを中心とし、典型的なFWHMは40-50nmです。この曲線の形状と幅は、光がフィルターや検出器とどのように相互作用するかに影響を与えます。

5. 機械的仕様とパッケージ情報

PDFでは梱包用語が言及されていますが、寸法図はありません。

• パッケージタイプ：IR LEDの一般的なパッケージには、3mm、5mmラジアルリード、および0805、1206などの表面実装デバイス（SMD）パッケージ、または専用のIRパッケージがあります。
• 寸法：詳細な機械図面には、長さ、幅、高さ、リード径/間隔（スルーホール用）、またはパッド寸法（SMD用）が指定されます。
• パッド設計/ランドパターン：SMD部品の場合、推奨されるPCBフットプリント（パッドサイズ、形状、間隔）は、信頼性の高いはんだ付けと機械的強度にとって重要です。
• 極性識別：LEDはダイオードであり、正しい極性で接続する必要があります。識別は通常、レンズのフラットエッジ、長いアノードリード、またはSMDパッケージ本体に印字されたカソードマークによって行われます。

6. はんだ付けおよび実装ガイドライン

適切な取り扱いが信頼性を確保します。

• リフローはんだ付けプロファイル：SMD部品の場合、プリヒート、ソーク、リフローピーク温度（通常最大260°C、数秒間）、冷却速度を指定した時間-温度プロファイルに従う必要があります。
• 手はんだ付け：該当する場合、エポキシレンズや半導体への熱ダメージを防ぐために、はんだごて温度（<350°C）およびリードあたりの最大はんだ付け時間（例：3秒）に関するガイドラインが提供されます。
• ESD対策：LEDは静電気放電（ESD）に敏感です。取り扱いは、接地された設備を使用したESD保護作業台で行うべきです。PDFでの静電気防止袋の言及は、この要件を強調しています。
• 保管条件：部品は、湿気吸収（リフロー時のポップコーン現象の原因となる）を防ぐために、乾燥した管理された環境（例：<40°C/40% RH）で保管する必要があります。

7. 梱包および発注情報

PDF断片には、いくつかの梱包レベルがリストされています。

• 静電気防止袋：バルク部品またはリールの主要な湿気およびESDバリアです。
• 内箱：複数の静電気防止袋またはリールを含みます。
• 外箱：複数の内箱を含む出荷用マスターカートンです。
• 梱包数量：リールあたり（例：1000個）、袋あたり、またはカートンあたりの標準数量です。
• ラベリング：ラベルには、品番、数量、日付コード、ロット/バッチ番号、ESD/湿気感受性レベル（MSL）を含める必要があります。
• 型番規則：完全な品番には通常、パッケージタイプ、波長ビン、強度ビン、順方向電圧ビンなどの主要属性がコード化されています。

8. アプリケーション推奨事項

8.1 代表的なアプリケーション例

• 赤外線リモコン：テレビ、セットトップボックス、オーディオシステム用。940nm波長は業界標準です。
• 近接・存在センサー：スマートフォン（通話中のタッチスクリーン無効化）、自動水栓、せっけんディスペンサーなどで使用されます。
• 物体検出およびカウント：産業オートメーション、自動販売機、セキュリティビームなどで使用されます。
• 光データ伝送：近距離、低速データリンク用（IrDAは一般的な標準でした）。
• 暗視照明：低照度条件下での監視のために、赤外線感度カメラと組み合わせて使用されます。

8.2 設計上の考慮点

• 駆動回路：常に直列の電流制限抵抗または定電流ドライバを使用してください。抵抗値は R = (電源電圧 - Vf) / If を使用して計算します。
• PCBレイアウト：LEDの放熱パッド（SMDの場合）の下に十分な銅面積または熱ビアを設けて放熱します。
• 光学設計：ビームを形成するためのレンズまたは絞りを検討してください。LEDの指向角は検出器の視野と一致させる必要があります。
• フィルタリング：検出器にIR透過フィルターを使用して可視光を遮断し、信号対雑音比（SN比）を改善します。
• 変調：センシングアプリケーションでは、IR信号を変調し（例：38kHz）、同期検出器を使用することで、環境光干渉を効果的に除去できます。

9. 技術比較

他のIR光源との比較：

• 850nm IR LEDとの比較：850nm LEDはしばしばかすかな赤色光を発し、太陽光干渉を受けやすいですが、材料効率のため同じ駆動電流でわずかに高い放射強度を提供する場合があります。940nmは隠密動作と優れた太陽光除去のために好まれます。
• レーザーダイオードとの比較：レーザーはコヒーレントで狭いビームを提供し、長距離または高精度センシングに理想的ですが、より高価で、より複雑な駆動と安全対策を必要とし、発光スペクトルが狭くなります。
• 白熱IR光源との比較：フィラメントベースの光源は広帯域IRを放射しますが、効率が悪く、応答が遅く、壊れやすく、著しい熱を発生します。

940nm LEDは、主流の民生および産業アプリケーションにおいて、コスト、効率、信頼性、性能の最適なバランスを提供します。

10. よくある質問（FAQ）

Q: 私の940nm LEDが光って見えないのはなぜですか？

A: 人間の目の感度は約750nmを超えると急激に低下します。940nmは赤外線スペクトルの深部にあり、本質的に不可視です。これは多くのアプリケーションにおける重要な特徴です。

Q: このLEDを5Vまたは3.3Vのマイクロコントローラピンから直接駆動できますか？

A: いいえ。常に直列に電流制限抵抗を使用する必要があります。マイクロコントローラのGPIOピンは安定した電流を供給できず、LEDの低い順方向電圧によってほぼ短絡状態が生じ、損傷する可能性があります。

Q: 最適な抵抗値をどのように決定しますか？

A: オームの法則を使用します：R = (Vs - Vf) / If。例えば、Vs=5V、Vf=1.4V（標準）、If=20mAの場合：R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180オーム。次の標準値（例：180Ωまたは220Ω）を使用します。

Q: 言及されている静電気防止袋の目的は何ですか？

A: それは、保管および輸送中にLEDを静電気放電（ESD）から保護します。ESDは、損傷が直ちに目に見えなくても、敏感な半導体接合を損傷する可能性があります。

Q: 周囲温度は性能に影響しますか？

A: はい、大きく影響します。放射強度は温度が上昇すると減少し、順方向電圧は減少します。重要なアプリケーションでは、デレーティング曲線を参照し、それに応じて熱管理を設計してください。

11. 実用例

事例研究1：スマートフォン近接センサー

940nm LEDはイヤーピース近くに配置されます。通話がアクティブなとき、LEDは短いパルスを発します。近くのフォトディテクタが反射光を測定します。物体（ユーザーの耳など）が近い場合、反射信号は強くなり、誤操作を防ぐためにタッチスクリーンが無効になります。940nm波長により、通話中に可視光が漏れることはありません。

事例研究2：産業用コンベヤ物体カウンター

IR LEDと検出器はコンベヤベルトの反対側に取り付けられ、ビームを形成します。物体が通過するとビームが遮断され、カウンターが作動します。変調された940nm信号を使用することで、工場床の高温物体や機械からの一定のIR放射をシステムが無視するのに役立ちます。

12. 動作原理

赤外線LEDは、半導体p-n接合ダイオードです。順方向バイアス（p側、アノードに正電圧を印加）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。これらの少数キャリアは、反対側の領域の多数キャリアと再結合します。IR LEDに一般的に使用されるガリウムヒ素（GaAs）やアルミニウムガリウムヒ素（AlGaAs）などの直接遷移型半導体材料では、この再結合イベントにより光子（光粒子）の形でエネルギーが放出されます。放出される光子の波長（色）は、半導体材料のバンドギャップエネルギー（Eg）によって決定され、式 λ ≈ 1240 / Eg (eV) に従います（λはナノメートル単位）。940nm波長の場合、バンドギャップエネルギーは約1.32 eVです。特定の材料組成（例：AlGaAs）は、この正確なバンドギャップを達成するように設計されています。

13. 技術トレンド

IR LEDの開発は、アプリケーション需要によって駆動されるいくつかの主要なトレンドに従っています：

• 高出力化と高効率化：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ワールプラグ効率（光出力/電気入力）が実現され、より長い距離またはより低い消費電力が可能になります。
• 小型化：パッケージサイズは（チップスケールパッケージなど）縮小を続けており、ウェアラブルや超薄型スマートフォンなどのますます小さな民生デバイスに適合します。
• 統合ソリューション：LED、ドライバ、フォトディテクタ、時にはマイクロコントローラさえも単一パッケージに組み合わせたモジュールへの移行があり、エンドユーザーの設計を簡素化します（例：完全な近接センサーモジュール）。
• 新規スペクトルへの拡張：850nmと940nmが主流ですが、ガスセンシング（特定の吸収線を使用）や生体組織イメージングの強化など、特殊用途向けの他のIR波長への関心が高まっています。
• 熱管理の改善：より低い熱抵抗を持つ新しいパッケージ設計により、過酷な環境下でもより高い駆動電流と持続的な出力が可能になります。

これらのトレンドは、自動車用LiDARや生体認証から高度な環境モニタリングまで、より広範なアプリケーションにおいて、IRセンシングをより信頼性が高く、コンパクトで、エネルギー効率が良く、アクセスしやすいものにすることを目指しています。