ELM4XXAシリーズ ソリッドステートリレー データシート - 4ピンSOPパッケージ - 400V/600V負荷電圧 - 120mA/50mA負荷電流 - 技術文書

1. 製品概要

ELM4XXAシリーズは、コンパクトな4ピン小型外形パッケージ（SOP）に収められた、単一チャネル、常時開放（1 Form A）のソリッドステートリレー（SSR）ファミリーです。これらのデバイスは、高信頼性、高速スイッチング、低消費電力が要求されるスペース制約のあるアプリケーションにおいて、電磁リレー（EMR）を置き換えるために設計されています。中核技術は、AlGaAs赤外LEDが光学的に結合された光起電力ダイオードアレイを含み、このアレイが出力MOSFETを駆動し、低電圧制御回路と高電圧負荷回路の間の電気的絶縁を提供します。

1.1 中核的利点とターゲット市場

ELM4XXAシリーズの主な利点は、そのソリッドステート構造に由来します。主な利点には、静粛な動作、接点バウンスの不在、長い動作寿命、衝撃や振動に対する耐性が含まれます。低いLED動作電流は、マイクロコントローラや論理ゲートなどの制御回路への負担を最小限に抑えます。本シリーズは、小型化、エネルギー効率、信頼性が最も重要視される現代の電子機器に特に適しています。

ターゲットアプリケーション：このリレーシリーズは、通信交換機、計測・試験機器、ファクトリーオートメーション（FA）およびオフィスオートメーション（OA）機器、産業用制御システム、セキュリティシステムでの使用を想定して設計されています。

2. 詳細技術パラメータ分析

ELM4XXAシリーズの性能は、電気的、光学的、熱的パラメータの包括的なセットによって定義されます。これらの仕様を理解することは、適切な回路設計と信頼性の高い動作にとって極めて重要です。

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生じる可能性のあるストレスの限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• 入力（LED側）：最大順方向電流（I_F）は50 mA DCです。パルス条件下（100 Hz、0.1%デューティサイクル）では、ピーク順方向電流（I_FP）1 Aが許容されます。最大逆電圧（V_R）は5 Vです。
• 出力（MOSFET側）：降伏電圧（V_L）は、2つの主要バリアントを区別します：ELM440Aは400 V、ELM460Aは600 Vです。対応して、最大連続負荷電流（I_L）は、400V版で120 mA、600V版で50 mAです。短時間（100 msシングルショット）では、より高いパルス負荷電流が許容されます。
• 絶縁：デバイスは、入力と出力の間の安全性とノイズ耐性を確保するために、1分間3750 V_isoの高絶縁耐圧（V_rms）を提供します。
• 熱的：動作周囲温度範囲は-40°Cから+85°Cです。デバイス全体の電力損失（P_T）は550 mWを超えてはなりません。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、T_A= 25°Cで規定され、通常条件下でのデバイスの動作特性を定義します。

• 入力特性：LED順方向電圧（V_F）は、I_F= 10 mAで典型的に1.18V、最大1.5Vです。この低いV_Fは低消費電力に貢献します。
• 出力特性：重要なパラメータはオン抵抗（R_d(ON)）です。ELM440Aでは典型的に20 Ω（最大30 Ω）、ELM460Aでは典型的に40 Ω（最大70 Ω）です。この抵抗は、導通時のリレー両端の電圧降下と電力損失に直接影響します。オフ状態漏れ電流（I_leak）は1 μA未満であることが保証されており、リレーが開放時の電力損失を最小限に抑えます。
• 伝達特性：これらは入力と出力の関係を定義します。最大負荷時に出力MOSFETを完全に活性化するために必要なLEDターンオン電流（I_F(on)）は非常に低く、典型的に1 mA（最大5 mA）です。LEDターンオフ電流（I_F(off)）は、出力が確実にオフになる（I_L≤ 1 μA）最大入力電流であり、典型的に0.6 mAです。
• スイッチング速度：ターンオン時間（T_on）とターンオフ時間（T_off）はサブミリ秒の範囲です。標準試験条件下（I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω）では、T_onは典型的に0.1 ms、T_offは典型的に0.2 msです。これはほとんどのEMRよりも大幅に高速です。

3. 性能曲線分析

データシートには、主要パラメータが動作条件とともにどのように変化するかを示すいくつかのグラフが提供されており、デレーティングと堅牢な設計に不可欠です。

3.1 熱的デレーティング

図1：負荷電流 vs. 周囲温度は、周囲温度の上昇に伴う最大連続負荷電流の必要なデレーティングを示しています。ELM440AとELM460Aの両方とも、25°Cでの定格値から約100-120°Cでゼロまで線形的に負荷電流を低減する必要があります。この曲線は、高温時にデバイスの総電力損失（I_L²* R_d(ON)）が限界を超えないことを確保するために重要です。

3.2 オン抵抗とスイッチング時間の変動

図2：オン抵抗 vs. 周囲温度は、R_d(ON)が温度とともに増加することを示しています。ELM460Aでは、R_d(ON)は25°Cから100°Cで50%以上増加する可能性があります。これは、高温時の電圧降下計算に考慮する必要があります。

図3：スイッチング時間 vs. 周囲温度は、T_onとT_offの両方が、特に0°C以下で、温度の低下とともに適度に増加することを示しています。寒冷環境で動作する回路の設計者は、わずかに遅くなるスイッチングを考慮する必要があります。

3.3 入力/出力関係

図4 & 5：スイッチング時間 vs. LED順方向電流は、LED駆動電流（I_F）を増加させると、ターンオン時間とターンオフ時間が大幅に短縮されることを示しています。これにより、設計者はスイッチング速度と入力消費電力のトレードオフを行うことができます。LEDを10 mAではなく20-30 mAで駆動すると、スイッチング時間を半分以上短縮できます。

図6 & 7：正規化LED動作電流 vs. 温度は、出力をオンにするために必要なI_F(on)が温度の上昇とともに減少し、オフになるポイントであるI_F(off)が増加することを明らかにしています。高温でのこの動作ウィンドウの狭まりは、マージン設計で考慮する必要があります。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 ピン配置と回路図

デバイスは標準的な4ピンSOPフットプリントを使用しています。

• ピン1：LEDアノード
• ピン2：LEDカソード
• ピン3 & 4：MOSFET出力（ソースとドレイン接続；内部回路は、これらがSPSTスイッチとなるように接続されていることを示しています）。

回路図はアーキテクチャを確認しています：赤外LEDが光起電力セルアレイを駆動し、このアレイが出力MOSFETのゲートをバイアスするのに十分な電圧を生成して、それらをオンにします。

4.2 パッケージ寸法とマーキング

パッケージの本体サイズは約4.59mm x 3.81mm、高さは1.73mm（最大）です。リードピッチは2.54mmです。信頼性の高いはんだ付けと機械的安定性を確保するために、推奨されるPCBランドパターン（パッドレイアウト）が提供されています。デバイスは上面に、メーカーロゴ、型番（例：M440A）、製造年/週、VDE承認版の場合はオプションのVを示すコードでマーキングされています。

5. はんだ付けと実装ガイドライン

デバイスは、リフローはんだ付けプロセスを使用した表面実装を想定して設計されています。はんだ付け温度の絶対最大定格は、260°Cで10秒間です。これは典型的な鉛フリー（Pbフリー）リフロープロファイルに適合します。設計者は、トゥームストーニングを防止し、適切なはんだ接合部形成を確保するために、推奨されるパッドレイアウトに従うべきです。デバイスはハロゲンフリー、Pbフリー、RoHS指令に準拠しており、環境に配慮した製造に適しています。

6. 型番情報と梱包

型番は次の構造に従います：ELM4XXA(X)-VG。

• 4XXA：型番コア（400Vは440A、600Vは460A）。
• (X)：テープ&リールオプション。TAまたはTBは異なるリール仕様を示します。省略された場合、部品は100個単位のチューブで供給されます。
• -V：デバイスがVDE承認済みであることを示すオプションの接尾辞。
• -G：ハロゲンフリー準拠を示します。

標準SMD版（チューブ梱包）は100個入りです。テープ&リールオプションはリールあたり3000個入りです。

7. アプリケーション提案と設計上の考慮点

7.1 代表的なアプリケーションシナリオ

ELM4XXAは、中電圧、低電流の信号または負荷のスイッチングに理想的です。例としては：

• 試験機器におけるアナログまたはデジタル信号ラインの絶縁。
• 産業用制御におけるヒータ素子または小型ソレノイドのスイッチング。
• 電源またはモータードライブにおける絶縁制御入力の提供。
• セキュリティパネルにおける低電圧ロジックと高電圧周辺回路のインターフェース。

7.2 重要な設計上の考慮点

• 入力駆動回路：LEDには常に直列抵抗を使用して電流を制限する必要があります。抵抗値は（供給電圧 - V_F） / 希望するI_Fとして計算されます。確実なターンオフを確保するために、制御回路はLEDカソードをアノード電圧に非常に近い電圧に引き上げ、出力を誤ってオンにしてしまう可能性のある漏れ電流を最小限に抑えるべきです。
• 出力負荷の考慮点：リレーはDC負荷スイッチング用に設計されています。AC負荷の場合、追加の保護（スナバネットワークなど）が必要であり、電圧定格はRMSではなくピーク電圧を指します。負荷電流は、予想される最大周囲温度に基づいて図1に従ってデレーティングする必要があります。オン状態での電力損失（I_L²* R_d(ON)）は、動作温度（図2からのR_d(ON)を使用）で計算し、P_out.
• を超えないことを確認する必要があります。熱管理：
• パッケージは小さいですが、ピン（特にピン3と4）の周囲に十分なPCB銅面積を確保することで、放熱を助け、電流処理能力と寿命を向上させることができます。電圧マージン：_L信頼性の高い長期的な動作のためには、出力にかかる定常状態電圧（V

）は、定格降伏電圧（400Vまたは600V）に対して十分なマージンを持つべきです。特に電圧トランジェントのある環境では重要です。

8. 技術比較と差別化

従来の電磁リレー（EMR）と比較して、ELM4XXAは優れた寿命（数十億サイクル vs. 数百万サイクル）、高速スイッチング、静粛な動作、衝撃/振動に対する優れた耐性を提供します。トランジスタ出力の他のSSRまたはフォトカプラと比較して、そのMOSFET出力はより低いオン抵抗を提供し、最小のオフセット電圧でACおよびDC負荷の両方をスイッチングできます。4ピンSOPパッケージは、これらの電圧および電流定格を持つSSRの中で最小クラスであり、大幅なスペース節約を提供します。主要な国際安全機関（UL、cUL、VDEなど）からの認証を含むことで、グローバル市場向けの最終製品認証を簡素化します。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

9.1 このリレーはAC負荷をスイッチングできますか？

出力MOSFETにはボディダイオードがあります。標準構成では、デバイスは主にDC負荷スイッチングを意図しています。ACスイッチングの場合、2つのデバイスをバックツーバック（ソース対ソース）で接続するか、外部回路が両方向の電流を管理する必要があります。電圧定格はAC波形のピーク電圧に適用されます。

9.2 600V版（ELM460A）の負荷電流が400V版（ELM440A）よりも低いのはなぜですか？_{より高電圧のMOSFETは、通常、より高い比オン抵抗（R}ds(on)_{* 面積）を持ちます。同じ小さなパッケージ内に収めるために、600V定格のMOSFETダイはより高いR}d(ON)²（40-70 Ω vs. 20-30 Ω）を持ちます。所定の電流に対して、600V部品の電力損失（I

R）は高くなります。接合温度を安全限界内に保ち、信頼性を維持するために、最大連続電流を低減する必要があります。

9.3 リレーを完全にオフにするにはどうすればよいですか？_{制御回路が入力LEDを流れる電流を最大I}F(off)

仕様（典型的に0.6 mA）以下に低減することを確認してください。実際には、これはLEDカソードをそのアノード電圧に非常に近い電圧に駆動するか、または残留電圧差をこの閾値以下の電流に制限するのに十分な大きさの直列抵抗を使用することを意味します。フローティング入力は避けてください。

10. 実践的設計ケーススタディシナリオ：

最大周囲温度60°Cの産業用コントローラで、24V DC、80mAのソレノイドバルブ用のローサイドスイッチを設計します。制御信号はマイクロコントローラからの3.3Vです。デバイス選択：

より高い電流能力のためにELM440A（400V定格）が選択されます。24V負荷はその電圧定格内に十分収まります。熱的デレーティング：

図1から、60°Cでは、ELM440Aはその120mA定格の約90-95%を扱うことができます。80mAは定格の約67%であり、許容範囲内です。入力回路設計：_FV

= 1.2Vと仮定します。高速スイッチングのために10mAの駆動電流を供給するために、直列抵抗R = (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 Ω。標準の200 Ω抵抗を使用できます。GPIOピンはこの電流を直接供給できます。出力分析：_{60°Cでは、図2から、R}d(ON)²は約22-23 Ωです。電力損失P = (0.08A)_{* 23Ω = 0.147W。これはP}out

定格500mWを大幅に下回ります。リレー両端の電圧降下 = 0.08A * 23Ω = 1.84V、ソレノイドには22.16Vが残ります。レイアウト：

推奨されるパッドレイアウトに従い、ドレイン/ソースピン（3 & 4）を十分な銅面積に接続して放熱を助けます。

11. 動作原理

ELM4XXAは光絶縁の原理で動作します。入力AlGaAs赤外LEDに順方向電流が流れると、光を発します。この光は、絶縁された出力側の光起電力ダイオードアレイによって検出されます。このアレイは、出力スイッチを形成するNチャネルパワーMOSFETのゲートを完全にエンハンスするのに十分な開放電圧を生成します。LED電流が除去されると、光起電力電圧は減衰し、MOSFETゲートは内部経路を通って放電し、出力スイッチをオフにします。このメカニズムは、入力回路と出力回路の間に数kVの電気的絶縁を提供し、負荷側の高電圧トランジェントから敏感な制御電子機器を保護します。

12. 技術トレンド