HIR67-21C/L11/TR8 ミニトップ型赤外線LED データシート - 850nm ピーク波長 - 120° ビューアングル - 65mA 順方向電流 - 日本語技術文書

1. 製品概要

HIR67-21C/L11/TR8は、表面実装用途向けに設計された高性能赤外線（IR）発光ダイオードです。レンズとして機能する透明プラスチックで成形されたミニチュアフラットトップSMDパッケージに収められています。このデバイスは、ピーク波長850nmで光を放射するように設計されており、一般的なシリコンフォトダイオードやフォトトランジスタとスペクトル的に整合しています。この整合は、光電システムにおける検出効率を最大化するために極めて重要です。

その中核的な利点には、エネルギー効率に貢献する低順方向電圧、および標準的な赤外線および気相リフローはんだ付けプロセスとの互換性が含まれます。また、この部品は主要な環境および安全基準に準拠しており、鉛フリー、RoHS準拠、EU REACH準拠、ハロゲンフリーであり、臭素および塩素含有量の特定の閾値を満たしています。

このIR LEDのターゲット市場は、信頼性の高い不可視光センシングが必要とされる様々な民生用および産業用電子機器分野に及びます。

2. 技術パラメータ詳細解説

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が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。

• 連続順方向電流 (IF):65 mA。これはLEDに連続的に流すことができる最大の直流電流です。
• 逆電圧 (VR):5 V。この逆バイアス電圧を超えると、接合部の破壊を引き起こす可能性があります。
• 動作・保管温度 (Topr, Tstg):-40°C から +100°C。この広い範囲は、過酷な環境下での信頼性を確保します。
• はんだ付け温度 (Tsol):最大5秒間で260°C。鉛フリーリフロープロファイルと互換性があります。
• 消費電力 (Pd):周囲温度25°C以下で130 mW。高温では電力の減額が必要です。

2.2 電気光学特性 (Ta=25°C)

これらのパラメータは、典型的な動作条件下でのデバイスの性能を定義します。

• 放射強度 (Ie):順方向電流 (IF) 20mAで、典型的に2.0 mW/sr。100mAでのパルス動作（パルス幅100μs、デューティサイクル≤1%）では、10 mW/srに達することができます。
• ピーク波長 (λp):850 nm (典型値)。これは放射される光パワーが最大となる波長です。
• スペクトル帯域幅 (Δλ):45 nm (典型値)。これはピークを中心に放射される波長の範囲を示します。
• 順方向電圧 (VF):20mAで典型的に1.45V、最大1.65V。100mA（パルス）では、1.80Vから2.40Vの範囲です。
• 逆電流 (IR):逆電圧5Vで最大10 μA。
• ビューアングル (2θ1/2):120度 (典型値)。これは放射強度が最大値の半分に低下する全角であり、非常に広いビームパターンを示します。

3. 性能曲線分析

データシートには、回路設計および熱管理に不可欠ないくつかの特性曲線が提供されています。

3.1 消費電力 vs. 周囲温度

このグラフは、周囲温度が上昇するにつれて許容される最大消費電力がどのように減少するかを示しています。設計者は、特に高温アプリケーションにおいて、LEDが安全動作領域内で動作することを保証するためにこの曲線を使用する必要があります。減額は線形で、25°Cで130mWから始まり、最大接合温度でゼロに達します。

3.2 スペクトル分布

スペクトル分布曲線は、相対強度を波長に対してプロットします。これは850nmでのピーク放射と約45nmのスペクトル帯域幅を確認します。この情報は、整合する光検出器や光学フィルターを選択するために極めて重要です。

3.3 順方向電流 vs. 順方向電圧 (IV特性)

この非線形関係は、電流制限回路を設計する上で重要です。この曲線は、典型的なVFを超えるわずかな電源電圧の増加が、大きく、潜在的に破壊的な電流の増加につながることを示しており、適切な電流制御（例えば、直列抵抗または定電流ドライバ）の必要性を強調しています。

3.4 相対放射強度 vs. 角度変位

この極座標プロットは、120度のビューアングルを視覚的に表しています。強度は0度（LED表面に対して垂直）で最も高く、中心から±60度で対称的に最大値の50％に減少します。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ外形寸法

LEDはコンパクトなSMDパッケージで提供されます。主要な寸法には、本体サイズ、リード間隔、全高が含まれます。特に指定がない限り、すべての寸法は標準公差±0.1mmのミリメートル単位です。フラットトップレンズ設計は、広い視野角に貢献しています。

4.2 極性識別

カソードは通常、パッケージ上の刻印（切り欠き、点、またはトリミングされたリードなど）で示されます。逆バイアスによる損傷を防ぐため、組立時には正しい極性を確認する必要があります。

4.3 キャリアテープおよびリール仕様

部品は、自動ピックアンドプレース組立用の標準である、直径7インチのリール上の8mmテープで供給されます。各リールには2000個が含まれています。自動組立装置との互換性を確保するために、キャリアテープの詳細な寸法（ポケットサイズ、ピッチなど）が提供されています。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

5.1 保管および湿気感受性

LEDは湿気感受性（MSL）です。予防措置は以下の通りです：

• 使用準備が整うまで防湿バッグを開封しないでください。
• 未開封のバッグは、温度≤30°C、相対湿度≤90%で保管してください。1年以内に使用してください。
• 開封後、温度≤30°C、相対湿度≤70%で保管した場合、168時間（7日）以内に部品を使用してください。
• 保管時間を超過した場合、または乾燥剤が湿気を示した場合は、使用前に60±5°Cで24時間ベーキングしてください。

5.2 リフローはんだ付け

推奨される鉛フリーリフロー温度プロファイルが提供されています。重要なポイント：

• ピーク温度は260°Cを超えないようにしてください。
• 液相線温度（例：217°C）以上の時間は制御してください。
• リフローは2回以上行わないでください。
• 加熱および冷却中のパッケージへの機械的ストレスを避けてください。

5.3 手はんだ付けおよび修理

手はんだ付けが必要な場合：

• 先端温度<350°Cの半田ごてを使用してください。
• 端子ごとの接触時間を≤3秒に制限してください。
• 定格電力≤25Wの半田ごてを使用してください。
• 各端子をはんだ付けする間には、≥2秒の冷却間隔を設けてください。
• はんだ付け済みのLEDの修理は避けてください。やむを得ない場合は、両方の端子を同時に加熱して熱ストレスを最小限に抑えるために、両頭半田ごてを使用してください。修理試行後は、デバイスの機能を確認してください。

6. アプリケーション提案

6.1 代表的なアプリケーションシナリオ

データシートには、以下のような複数のアプリケーションが記載されています：

• フロッピーディスクドライブおよびVCR：位置検出およびテープ終端検出用。
• 光電スイッチ：IR LEDをフォトトランジスタまたはフォトダイオードと組み合わせて、物体検出、カウント、位置検出に使用されます。
• カメラ：オートフォーカスシステムや、ナイトビジョン用の赤外線照明によく使用されます。
• 煙感知器：LEDとセンサーの間のIRビームを煙粒子が遮る減光式検出器に採用されています。

6.2 設計上の考慮事項

電流制限：これは最も重要な設計側面です。動作電流を設定し、わずかな電圧変動による過電流からLEDを保護するために、外部の直列抵抗は必須です。抵抗値（R）はオームの法則を使用して計算できます：R = (電源電圧 - VF) / IF。ここで、VFは所望の電流IFにおけるデータシートからの順方向電圧です。
熱管理：最大定格電流付近での連続動作や、高い周囲温度での使用では、放熱のためのPCBレイアウトを考慮してください。消費電力（Pd = VF * IF）が消費電力 vs. 温度曲線からの減額された最大値を超えないようにしてください。
光学設計：120°の広いビームは、広範囲のカバレッジを必要とするアプリケーションに適しています。より焦点を絞ったビームが必要な場合は、外部レンズやリフレクターが必要になる場合があります。ハウジング材料が850nmのIR光に対して透明であることを確認してください。

7. 技術比較および差別化

データシートは特定の競合部品を比較していませんが、HIR67-21C/L11/TR8は市場で優位に立つ機能の組み合わせを提供します：

• 広いビューアングル (120°)：多くの標準的なIR LED（ビューアングルは約20-60度）よりも広いカバレッジを提供します。
• 低順方向電圧：より高いVFを持つLEDと比較して、低い電力消費と発熱の低減に貢献します。
• 環境適合性：鉛フリー、RoHS、REACH、ハロゲンフリーのステータスは、厳格な世界的規制要件を満たしており、現代の電子機器製造における重要な差別化要因です。
• 高いパルス出力：パルス動作（100mA）で10 mW/srを供給する能力は、特定のセンシングや通信プロトコルなど、高い瞬時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。

8. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

Q: なぜ電流制限抵抗が絶対に必要なのでしょうか？
A: IV特性は、LEDの指数関数的な電流-電圧関係を示しています。公称VFを超えるわずかな電源電圧の増加は、非常に大きく、潜在的に破壊的な電流の増加を引き起こします。直列抵抗は線形の電圧降下を提供し、電流を安定させ、LEDを保護します。

Q: このLEDを3.3Vまたは5Vのマイクロコントローラーピンから直接駆動できますか？
A: できません。マイクロコントローラーピンの電流供給/吸収能力は限られており（多くの場合20-40mA）、パワーLEDを直接駆動するようには設計されていません。さらに、直列抵抗は依然として必要です。マイクロコントローラーピンを使用して、LEDが必要とするより高い電流をスイッチングするトランジスタまたはMOSFETを制御してください。

Q: シリコンフォトダイオードとスペクトル的に整合とはどういう意味ですか？
A: シリコン光検出器は、近赤外領域（約800-900nm）でピーク感度を持ちます。このLEDの850nmピーク波長は、この高感度ゾーン内に収まり、検出器による放射光の電流への最大変換を保証し、最適なシステムの信号対雑音比をもたらします。

Q: 100mAテストのパルス幅≦100μs、デューティ≦1%という条件はどのように解釈すればよいですか？
A: これは、100mAでのより高い放射強度および順方向電圧値が、LEDがパルス駆動されている場合にのみ有効であり、DC駆動では無効であることを意味します。パルスは100マイクロ秒以下でなければならず、パルス間の時間は平均デューティサイクルが1%以下（例：10msごとに1回の100μsパルス）になるように十分長くする必要があります。これにより過度の加熱を防ぎます。

9. 実践的な設計および使用事例

事例：シンプルな物体検出センサーの設計
目標：物体がIR LEDとフォトトランジスタの間を通過したことを検出する。
部品：HIR67-21C/L11/TR8 IR LED、整合するシリコンフォトトランジスタ、抵抗、コンパレータ/オペアンプ、またはマイクロコントローラー。
手順：

1. LED駆動回路：LEDを5V電源から駆動します。良好な強度と長寿命のために、動作電流（例：20mA）を選択します。直列抵抗を計算します：R = (5V - 1.45V) / 0.020A = 177.5Ω。標準の180Ω抵抗を使用します。抵抗およびLEDでの消費電力が許容範囲内であることを確認します。
2. 検出回路：フォトトランジスタをLEDの反対側に配置し、整列させます。IRビームが遮られていないとき、フォトトランジスタは導通し、負荷抵抗の両端に電圧降下を生じさせます。物体がビームを遮ると、フォトトランジスタは導通を停止し、電圧が変化します。
3. 信号調整：この電圧変化は、クリーンなデジタル信号を作成するためにコンパレータに入力するか、より高度な処理のためにマイクロコントローラーのアナログ-デジタル変換器（ADC）ピンに直接入力することができます。
4. 考慮事項：誤作動を防ぐために、周囲光（IRを含む）からセットアップを遮蔽してください。LEDの120°ビームは整列公差に役立ちますが、センシング経路をより正確に定義するためにチューブやバリアが必要になる場合があります。

10. 原理紹介

赤外線発光ダイオード（IR LED）は、可視光LEDと同じ基本原理、すなわち半導体材料におけるエレクトロルミネッセンスで動作します。p-n接合に順方向電圧が印加されると、n領域からの電子がp領域からの正孔と再結合します。この再結合イベントによりエネルギーが放出されます。IR LEDでは、半導体材料（この場合はガリウムアルミニウムヒ素 - GaAlAs）が、エネルギーバンドギャップが赤外線スペクトル（可視赤色光よりも長い波長、通常700nmから1mm）での光子の放出に対応するように選択されています。850nm波長は近赤外線（NIR）領域にあり、人間の目には見えませんが、シリコンベースのセンサーで容易に検出できます。フラットトップ透明エポキシパッケージは、環境シールとして、また放射光の放射パターンを形成するレンズとしての両方の役割を果たします。

11. 開発動向

赤外線光エレクトロニクスの分野は進化を続けています。HIR67-21C/L11/TR8のような部品に関連する主要な動向は以下の通りです：

• 効率の向上：継続的な材料科学研究は、より高い内部量子効率（電子あたりの光子数）とパッケージからの光取り出し効率を改善した半導体構造を開発し、同じ入力電力でより高い放射強度をもたらすことを目指しています。
• 小型化：より小型で高密度な電子機器への要望は、光学的性能および熱的特性を維持または改善しながら、さらにコンパクトなSMDパッケージへの推進力を与えています。
• 拡張された波長オプション：850nmおよび940nmが一般的ですが、医療機器用の810nmやガスセンシング用の特定バンドなど、特定のアプリケーション向けの他のNIR波長の開発が進んでいます。
• 統合化：IR LEDをドライバICと、さらには単一パッケージ内で光検出器と統合して、完全で較正済みのセンサーモジュールを作成し、エンドユーザーのシステム設計を簡素化する動向があります。
• より厳格な適合性：環境および材料規制（RoHS、REACH、ハロゲンフリー）は、性能や信頼性を損なうことなくこれらの要件を満たす新しいパッケージ材料および製造プロセスの開発を促進し、より厳しくなり続けるでしょう。