LTL-E7939Q3K 赤外線LED データシート - スルーホールパッケージ - 850nm波長 - 20mW/sr放射強度 - 1.6V順方向電圧 - 技術文書

1. 製品概要

LTL-E7939Q3Kは、プリント基板（PCB）やパネルへのスルーホール実装を目的とした高性能赤外線（IR）発光ダイオード（LED）です。近赤外線スペクトルにおいて、信頼性の高い高速光信号伝達または照明を必要とするアプリケーション向けに設計されています。本デバイスは、AlGaAs（アルミニウムガリウムヒ素）半導体材料を採用しており、IR通信、センシング、およびナイトビジョン照明システムで一般的な波長である850ナノメートルでの発光に最適化されています。

その中核的な利点は、高い放射強度、低電流要件による集積回路との互換性、および様々な組み立てプロセスに適した堅牢なスルーホールパッケージの組み合わせにあります。本製品はRoHS指令に準拠しており、鉛（Pb）などの有害物質を使用せずに製造されていることを示しています。主なターゲット市場は、信頼性の高い赤外線光源が不可欠な産業オートメーション、セキュリティシステム（例：CCTVナイトビジョン）、光学エンコーダ、リモコン、近接センサなどが含まれます。

2. 技術パラメータの詳細な客観的解釈

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。これらの限界以下または限界での動作は保証されておらず、信頼性の高い設計では避けるべきです。

• 電力損失（Pd）：最大120 mW。これは、最大接合温度を超えることなくパッケージが熱として放散できる総電力（Vf * If）です。この限界を超えると、熱暴走や故障のリスクがあります。
• ピーク順方向電流（I_FP）：パルス条件下（毎秒300パルス、10μsパルス幅）で1 A。この定格はDC定格よりも大幅に高く、データ伝送に有用な短時間の高強度パルスを可能にします。
• DC順方向電流（I_F）：連続60 mA。これは、信頼性の高い長期動作のための最大定常電流です。
• 逆電圧（V_R）：5 V。これより大きい逆バイアス電圧を印加すると、LEDのPN接合の破壊や致命的な故障を引き起こす可能性があります。
• 動作・保管温度：それぞれ-30°C ～ +85°C および -40°C ～ +100°C。これらは、動作時および非動作時の保管における環境限界を定義します。
• リードはんだ付け温度：LED本体から2.0mmの位置で測定し、5秒間260°C。これは、エポキシレンズや内部ダイボンドへの熱損傷を防ぐための手はんだ付けプロセスをガイドします。

2.2 電気的・光学的特性

これらは、標準試験条件（Ta=25°C）下で測定された代表的なおよび保証された性能パラメータです。

• 放射強度（I_e）：I_F= 20mA時、最小20.0 mW/sr。放射強度は、単位立体角（ステラジアン）あたりに放出される光パワーを測定します。これは、IRシステムにおける有効距離や信号強度を決定するための重要なパラメータです。データシートには、保証値に対して±15%の許容差を適用すべきであると記載されています。
• 指向角（2θ_1/2）：代表値30度。これは、放射強度がピーク（軸上）値の半分に低下する全角です。30°の角度は、中程度に集束されたビームを示し、指向性のあるアプリケーションに適しています。
• ピーク波長（λ_P）：代表値850 nm。これは、LEDが最も多くの光パワーを放出する波長です。850nmは近赤外線領域にあり、人間の目には見えませんが、シリコンフォトダイオードや多くのカメラセンサーで検出可能です。
• スペクトル半値幅（Δλ）：代表値40 nm。これは、発光強度がピーク強度の少なくとも半分である波長帯域幅を指定します。40nmの幅はIR LEDでは一般的です。
• 順方向電圧（V_F）：I_F= 20mA時、代表値1.3V、最大1.6V。これは、電流が流れているときのLED両端の電圧降下です。定電流回路の設計にとって極めて重要です。
• 逆電流（I_R）：V_R= 5V時、最大10 μA。これは、LEDが安全限界内で逆バイアスされているときに流れる小さなリーク電流です。

3. ビニングシステムの説明

データシートは、放射強度（I_e）に対して分類またはビニングシステムの使用を示しています。注記にはIe分類コードは各梱包袋に印字されていますと記載されています。これは、製造されたLEDが測定された放射強度に基づいて試験され、選別（ビニング）されることを意味します。型番LTL-E7939Q3Kは最小放射強度（型番分解表に示されるように18~21.5 mW/sr Min）を指定していますが、出荷ロット内の個々のユニットは特定のサブ範囲（ビン）に分類される可能性があります。設計者は、特定のLEDの実際の強度が保証された最小値とビン範囲内で変動する可能性があることに注意すべきです。データシートは、波長（λ_P）や順方向電圧（V_F）の明示的なビンについては詳細を記載しておらず、代表値および最大/最小値のみをリストしています。

4. 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挙動についてより深い洞察を提供するいくつかの代表的な特性曲線を参照しています。

• スペクトル曲線：相対放射パワーを波長の関数として示し、定義された40nmの半値幅を持つ850nmピークを中心としています。
• 順方向電圧対順方向電流（I-V曲線）：電圧と電流の非線形関係を示します。この曲線にはしきい値電圧（AlGaAsの場合約1.1-1.2V）があり、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。これが、電流制御（電圧制御ではない）が不可欠である理由を強調しています。
• 相対放射パワー対順方向DC電流：光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、通常、動作範囲内ではほぼ線形関係にありますが、非常に高い電流では熱効果により効率が低下します。
• 相対放射パワー対ピーク電流（パルス）：DC曲線と同様ですが、パルス動作用であり、最大1Aまでの電流で達成可能なピーク出力を示します。
• 相対放射パワー対温度：接合温度が上昇するにつれて光出力が減少することを示す重要な曲線です。この熱的デレーティング係数は、周囲温度が高い場合や熱管理が不十分な設計では考慮する必要があります。
• 指向性パターン：放出光の角度分布を示す極座標プロットで、30°の指向角を視覚的に定義します。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

LEDは、標準的なスルーホール、T-1 3/4（5mm）ラウンドパッケージに収められています。図面からの主要寸法は以下の通りです：

• レンズ直径：約5.0mm。
• パッケージ高さ：リードの下端からレンズの上端まで約8.7mm。
• リード直径：公称0.56mm。
• リード間隔：標準2.54mm（0.1"）、リードがパッケージ本体から出る位置で測定。
• フランジ/ベース：フランジはパネル取り付けを補助し、挿入時の機械的ストッパーを提供します。フランジ下の樹脂突出は最大1.0mmです。

5.2 極性識別

カソードは寸法図で識別されます。標準的なLEDの場合、カソードは通常、短いリードおよび/またはパッケージフランジの平らな部分に隣接するリードです。正確な識別マークについては、提供された図面を参照してください。

6. はんだ付けおよび組み立てガイドライン

損傷を防ぐため、適切な取り扱いが重要です。

• リード成形：はんだ付け前に室温で行う必要があります。曲げは、LEDレンズのベースから少なくとも3mm離れた位置で行ってください。リードフレームベースを支点として使用しないでください。
• PCB組み立て：リードへの機械的ストレスを避けるため、最小限のクリンチ力を使用してください。
• はんだ付け：
  • レンズベースからはんだ付け点まで最低2mmのクリアランスを確保してください。
  • レンズをはんだに浸さないでください。
  • LEDが熱いうちにはんだ付け中にリードにストレスをかけないでください。
  • 手はんだ付け：はんだごて温度 ≤ 350°C、時間 ≤ 3秒（1回のみ）。
  • フローはんだ付け：予熱 ≤ 100°C、≤ 60秒、はんだ波 ≤ 260°C、接触時間 ≤ 5秒。
  • IRリフローはんだ付けは、このスルーホールパッケージには適していません。
• 洗浄：必要に応じてイソプロピルアルコールなどのアルコール系溶剤を使用してください。
• 保管：元の梱包から出した場合、3ヶ月以内に使用してください。長期保管の場合は、乾燥剤入りの密閉容器または窒素雰囲気を使用してください。保管は30°C、相対湿度70%を超えないようにしてください。

7. 梱包および注文情報

• ユニット梱包：静電気防止梱包袋あたり1000個。
• 内箱：6梱包袋（合計6,000個）。
• 外箱：8内箱（合計48,000個）。
• 型番：LTL-E7939Q3K。分解すると以下の通りです：LTL（ランプ）、E79（シリーズ/コード）、39（おそらく指向角または強度ビンに関連）、Q3K（特定のバリアントコード）。レンズ色はウォータークリア（透明）です。

8. アプリケーション提案

8.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• 赤外線照明：低照度または夜間のセキュリティアプリケーションにおけるCCTVカメラ用。
• 光学スイッチング・エンコーディング：位置検出、モーター速度制御、ロータリーエンコーダ用のスロット型または反射型光学センサ内。
• データ伝送：赤外線データ協会（IrDA）準拠デバイスまたは単純な短距離シリアルデータリンクにおいて、その高速性能を活用。
• 近接・物体検出：フォトダイオードと組み合わせて、物体の有無を検知。

8.2 設計上の考慮事項

• 駆動回路：LEDは電流駆動デバイスです。均一な輝度を確保するため、特に複数のLEDを並列に接続する場合、各LEDに直列に電流制限抵抗を配置する必要があります（回路モデルA）。単一の抵抗で電圧源から複数のLEDを直接並列駆動すること（回路モデルB）は、個々のLEDの順方向電圧（Vf）のばらつきにより電流分布と輝度が不均一になるため、推奨されません。
• 熱管理：スルーホールパッケージはリードを通じて熱を放散しますが、PCBレイアウトと周囲条件に注意を払い、接合温度が限界を超えないようにする必要があります。接合温度が限界を超えると、出力と寿命が低下します。
• ESD保護：LEDは静電気放電の影響を受けやすいです。取り扱い手順には、接地リストストラップ、静電気防止マット、イオナイザーの使用を含めるべきです。ESD損傷は、高い逆リーク、低い順方向電圧、または低電流での発光不良として現れる可能性があります。

9. 技術比較と差別化

標準的な可視LEDや低出力IR LEDと比較して、LTL-E7939Q3Kは以下のバランスの取れた組み合わせを提供します：高い放射強度（最小20 mW/sr）および中程度で集束された指向角（30°）。これにより、広角で低出力のデバイスよりも、より長距離またはより高い信号強度を必要とするアプリケーションに適しています。そのAlGaAs構造は850nm発光に典型的で、良好な効率を提供します。このクラスにおける主要な差別化要因は、高速動作に対する明示的な仕様であり、単純な照明を超えたパルスアプリケーションの候補となります。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: このLEDを3.3Vまたは5V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。直列の電流制限抵抗を使用する必要があります。例えば、5V電源、Vf=1.3V、希望するI_F=20mAの場合、抵抗値は R = (5V - 1.3V) / 0.02A = 185Ω となります。180Ωまたは220Ωの抵抗が適切です。直接駆動すると、過剰電流によりLEDが破壊される可能性が高いです。

Q: なぜパルス電流定格（1A）はDC定格（60mA）よりもずっと高いのですか？

A: 非常に短いパルス中は、半導体接合で発生した熱がパッケージや周囲環境に拡散する時間がありません。したがって、接合温度は劇的に上昇せず、熱損傷を引き起こすことなくはるかに高い瞬間電流を許容します。デューティサイクル（300pps * 10μs = 0.3%）は非常に低く、平均電力は十分に限界内に収まります。

Q: レンズはウォータークリアです。なぜ目に見えない赤外線を発光するのですか？

A: 透明なエポキシレンズは、可視光線と赤外線の波長の両方に対して透明です。光の不可視性は、半導体材料（AlGaAs）の特性であり、人間の目の感度範囲外の波長である850nmで光子を放出します。透明レンズは、隠密アプリケーションや、可視の赤色発光（660nm LEDで一般的）が望ましくない場合によく好まれます。

11. 実用的な設計と使用事例

事例：ブレークビームセンサを使用した簡易物体カウンタの設計

これらのIR LEDを2つ、対応するフォトトランジスタ2つと組み合わせて、コンベアベルト上の物体をカウントするための2チャネルブレークビームセンサを作成できます。各LEDは、トランジスタ回路または専用LEDドライバICを使用して20mAに設定された定電流源で駆動され、電源電圧の変動に関係なく安定した出力強度を確保します。LEDはコンベアの片側に配置され、フォトトランジスタは反対側に配置されます。物体がビームを遮ると、フォトトランジスタの出力状態が変化します。LEDの30°指向角により、ある程度の位置ずれ許容度を提供しながら、2つの密接に配置されたチャネル間のクロストークを最小限に抑えるのに十分な平行ビームを提供します。高い放射強度により、検出器に強い信号が到達し、周囲のIR光がある環境でも良好な信号対雑音比を提供します。

12. 原理紹介

LEDは半導体ダイオードです。そのP-N接合に順方向電圧が印加されると、N型材料からの電子がP型材料からの正孔と再結合します。この再結合プロセスにより、光子（光）の形でエネルギーが放出されます。放出される光の特定の波長（色）は、半導体材料のエネルギーバンドギャップによって決定されます。LTL-E7939Q3Kの場合、AlGaAs合金は約1.46電子ボルトの光子エネルギーに対応するバンドギャップを持ち、これは赤外線領域の850ナノメートル付近の波長の光に変換されます。エポキシレンズは、半導体ダイを保護し、発光パターンを形成し、チップからの光取り出しを向上させる役割を果たします。

13. 開発動向

赤外線LEDの分野は進化を続けています。動向には、入力電力あたりの光出力を増加させるより高い壁面効率を持つデバイスの開発（消費電力と発熱の低減）が含まれます。また、Li-Fi（Light Fidelity）や高度な光学センサなどのより高速なデータ通信アプリケーションのための変調速度の向上に向けた取り組みも進行中です。パッケージングの革新は、より優れた熱管理を提供し、より小さなフォームファクタからより高い駆動電流とより大きな光パワーを可能にすることを目指しています。さらに、LEDとドライバおよび制御回路をスマートモジュールに統合する傾向が高まっており、エンドユーザーのシステム設計を簡素化しています。半導体におけるエレクトロルミネッセンスの基本原理は変わりませんが、材料科学とパッケージング技術が継続的な性能向上を推進しています。