ورقة بيانات سلسلة ELM4XXA من المرحلات الحالة الصلبة - حزمة SOP رباعية الأطراف - جهد حمل 400V/600V - تيار حمل 120mA/50mA - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة ELM4XXA عائلة من المرحلات الحالة الصلبة (SSRs) أحادية القناة، ذات الوضع الطبيعي المفتوح (1 Form A)، والمحزمة في حزمة SOP صغيرة الحجم رباعية الأطراف. تم تصميم هذه الأجهزة لتحل محل المرحلات الكهروميكانيكية (EMRs) في التطبيقات المحدودة المساحة التي تتطلب موثوقية عالية، وتبديل سريع، واستهلاك منخفض للطاقة. تتضمن التكنولوجيا الأساسية ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء من نوع AlGaAs مقترنًا ضوئيًا بمجموعة من الثنائيات الضوئية التي تقود ترانزستورات MOSFET للمخرجات، مما يوفر عزلًا كهربائيًا كاملاً بين دائرة التحكم ذات الجهد المنخفض ودائرة الحمل ذات الجهد العالي.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تنبع المزايا الأساسية لسلسلة ELM4XXA من بنيتها الحالة الصلبة. تشمل الفوائد الرئيسية التشغيل الصامت، وغياب ارتداد التلامس، وعمر تشغيلي طويل، ومقاومة الصدمات والاهتزازات. يقلل تيار تشغيل LED المنخفض من العبء على دوائر التحكم مثل المتحكمات الدقيقة أو البوابات المنطقية. السلسلة مناسبة بشكل خاص للمعدات الإلكترونية الحديثة حيث يكون التصغير، وكفاءة الطاقة، والموثوقية ذات أهمية قصوى.

التطبيقات المستهدفة:تم تصميم سلسلة المرحلات هذه للاستخدام في معدات تبادل الاتصالات السلكية واللاسلكية، وأدوات القياس والاختبار، ومعدات أتمتة المصانع (FA) وأتمتة المكاتب (OA)، وأنظمة التحكم الصناعي، وأنظمة الأمان.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يتم تعريف أداء سلسلة ELM4XXA من خلال مجموعة شاملة من المعايير الكهربائية والضوئية والحرارية. فهم هذه المواصفات أمر بالغ الأهمية لتصميم الدوائر المناسب والتشغيل الموثوق.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف.

• المدخل (جانب LED):الحد الأقصى للتيار الأمامي (I_F) هو 50 مللي أمبير تيار مستمر. يُسمح بتيار أمامي ذروي (I_FP) بقيمة 1 أمبير تحت الظروف النبضية (دورة عمل 0.1% عند 100 هرتز). الحد الأقصى لجهد الانعكاس (V_R) هو 5 فولت.
• المخرج (جانب MOSFET):جهد الانهيار (V_L) يميز المتغيرين الرئيسيين: 400 فولت لـ ELM440A و 600 فولت لـ ELM460A. وبناءً على ذلك، فإن الحد الأقصى لتيار الحمل المستمر (I_L) هو 120 مللي أمبير لإصدار 400V و 50 مللي أمبير لإصدار 600V. يُسمح بتيار حمل نبضي أعلى لفترات قصيرة (100 مللي ثانية لمرة واحدة).
• العزل:يوفر الجهاز جهد عزل مرتفع (V_iso) بقيمة 3750 فولت_rmsلمدة دقيقة واحدة، مما يضمن السلامة ومقاومة الضوضاء بين المدخل والمخرج.
• الحرارية:نطاق درجة حرارة البيئة التشغيلية هو من -40°C إلى +85°C. يجب ألا يتجاوز تبديد الطاقة الكلي للجهاز (P_T) 550 ملي واط.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم تحديد هذه المعايير، المحددة عند T_A= 25°C، سلوك تشغيل الجهاز تحت الظروف العادية.

• خصائص المدخل:جهد LED الأمامي (V_F) هو عادة 1.18 فولت عند I_F= 10 مللي أمبير، بحد أقصى 1.5 فولت. يساهم هذا الجهد المنخفض V_Fفي انخفاض استهلاك الطاقة.
• خصائص المخرج:المعيار الحرج هو مقاومة حالة التشغيل (R_d(ON)). بالنسبة لـ ELM440A، تبلغ عادة 20 أوم (بحد أقصى 30 أوم)، وبالنسبة لـ ELM460A، تبلغ عادة 40 أوم (بحد أقصى 70 أوم). تؤثر هذه المقاومة بشكل مباشر على انخفاض الجهد وفقدان الطاقة عبر المرحل عند التوصيل. يتم ضمان أن يكون تيار التسرب في حالة الإيقاف (I_leak) أقل من 1 ميكرو أمبير، مما يقلل من فقدان الطاقة عندما يكون المرحل مفتوحًا.
• خصائص النقل:تحدد هذه العلاقة بين المدخل والمخرج. تيار تشغيل LED (I_F(on)) المطلوب لتفعيل ترانزستورات MOSFET للمخرجات بالكامل عند أقصى حمل منخفض جدًا، عادة 1 مللي أمبير (بحد أقصى 5 مللي أمبير). تيار إيقاف LED (I_F(off)) هو الحد الأقصى لتيار المدخل الذي يتم ضمان إيقاف المخرج عنده (I_L≤ 1 ميكرو أمبير)، وعادة ما يكون 0.6 مللي أمبير.
• سرعة التبديل:زمن التشغيل (T_on) وزمن الإيقاف (T_off) في نطاق أقل من المللي ثانية. تحت ظروف الاختبار القياسية (I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω)، T_onهو عادة 0.1 مللي ثانية و T_offهو عادة 0.2 مللي ثانية. هذا أسرع بكثير من معظم المرحلات الكهروميكانيكية (EMRs).

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح كيفية تغير المعايير الرئيسية مع ظروف التشغيل، وهو أمر ضروري للتخفيض الحراري والتصميم القوي.

3.1 التخفيض الحراري

الشكل 1: تيار الحمل مقابل درجة حرارة البيئةيظهر التخفيض الضروري لأقصى تيار حمل مستمر مع زيادة درجة حرارة البيئة. يجب تخفيض تيار الحمل لكل من ELM440A و ELM460A خطيًا من قيمه المقدرة عند 25°C إلى الصفر تقريبًا عند 100-120°C. هذا المنحنى حاسم لضمان ألا يتجاوز تبديد الطاقة الكلي للجهاز (I_L²* R_d(ON)) الحدود في درجات الحرارة المرتفعة.

3.2 تباين مقاومة التشغيل وزمن التبديل

الشكل 2: مقاومة التشغيل مقابل درجة حرارة البيئةيشير إلى أن R_d(ON)تزداد مع درجة الحرارة. بالنسبة لـ ELM460A، يمكن أن تزيد R_d(ON)بأكثر من 50% من 25°C إلى 100°C. يجب أخذ هذا في الاعتبار في حسابات انخفاض الجهد في درجات الحرارة المرتفعة.

الشكل 3: زمن التبديل مقابل درجة حرارة البيئةيوضح أن كلًا من T_onو T_offيزدادان بشكل معتدل مع انخفاض درجة الحرارة، خاصة أقل من 0°C. يجب على مصممي الدوائر العاملة في البيئات الباردة أن يأخذوا في الاعتبار التبديل الأبطأ قليلاً.

3.3 العلاقة بين المدخلات والمخرجات

الشكلان 4 و 5: زمن التبديل مقابل تيار LED الأمامييظهران أن زيادة تيار تشغيل LED (I_F) يقلل بشكل كبير من زمني التشغيل والإيقاف. هذا يسمح للمصممين بالمقايضة بين سرعة التبديل واستهلاك طاقة المدخل. تشغيل LED بـ 20-30 مللي أمبير بدلاً من 10 مللي أمبير يمكن أن يقلل أوقات التبديل بأكثر من النصف.

الشكلان 6 و 7: تيار تشغيل LED المعياري مقابل درجة الحرارةيكشفان أن I_F(on)المطلوب لتشغيل المخرج ينخفض مع ارتفاع درجة الحرارة، بينما يزداد I_F(off)(النقطة التي يتم فيها الإيقاف). يجب مراعاة تضييق نافذة التشغيل هذه في درجات الحرارة المرتفعة في تصميم هامش الأمان.

4. معلومات الميكانيكية والحزمة

4.1 تكوين الأطراف والمخطط التخطيطي

يستخدم الجهاز بصمة SOP رباعية الأطراف قياسية.

• الطرف 1: أنود LED
• الطرف 2: كاثود LED
• الطرفان 3 و 4: مخرج MOSFET (وصلات المصدر والمصرف؛ يظهر الدائرة الداخلية أن هذه متصلة بطريقة تجعل الجهاز مفتاح SPST).

يؤكد المخطط التخطيطي على البنية: ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء يقود مجموعة من الخلايا الضوئية، والتي تولد جهدًا لتحيز بوابات ترانزستورات MOSFET للمخرجات، مما يؤدي إلى تشغيلها.

4.2 أبعاد الحزمة والعلامات

يبلغ حجم جسم الحزمة حوالي 4.59 مم × 3.81 مم بارتفاع 1.73 مم (الحد الأقصى). المسافة بين الأطراف هي 2.54 مم. يتم توفير نمط أرضية PCB موصى به (تخطيط الوسادة) لضمان لحام موثوق واستقرار ميكانيكي. يتم وضع علامة على الجهاز من الأعلى برمز يشير إلى شعار الشركة المصنعة، رقم الجزء (مثل M440A)، سنة/أسبوع التصنيع، وحرف اختياري 'V' للإصدارات المعتمدة من VDE.

5. إرشادات اللحام والتجميع

تم تصميم الجهاز لتجميع سطح التثبيت باستخدام عمليات لحام إعادة التدفق. الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة اللحام هو 260°C لمدة 10 ثوانٍ. يتوافق هذا مع ملفات إعادة التدفق النموذجية الخالية من الرصاص. يجب على المصممين اتباع تخطيط الوسادة الموصى به لمنع ظاهرة "شاهد القبر" وضمان تكوين وصلة لحام مناسبة. يتوافق الجهاز مع توجيهات خالية من الهالوجين وخالية من الرصاص وRoHS، مما يجعله مناسبًا للتصنيع الواعي بالبيئة.

6. معلومات الطلب والتعبئة

يتبع رقم الجزء الهيكل: ELM4XXA(X)-VG.

• 4XXA:رقم الجزء الأساسي (440A لـ 400V، 460A لـ 600V).
• (X):خيار الشريط والبكرة. تشير 'TA' أو 'TB' إلى مواصفات بكرة مختلفة. إذا تم حذفها، يتم توريد الأجزاء في أنابيب تحتوي على 100 وحدة.
• -V:لاحقة اختيارية تشير إلى أن الوحدة معتمدة من VDE.
• -G:يشير إلى التوافق مع معايير خالية من الهالوجين.

تحتوي إصدارات SMD القياسية (عبوة أنبوب) على 100 وحدة. تحتوي خيارات الشريط والبكرة على 3000 وحدة لكل بكرة.

7. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

يعتبر ELM4XXA مثاليًا لتبديل إشارات أو أحمال ذات جهد معتدل وتيار منخفض. أمثلة على ذلك:

• عزل خطوط الإشارات التناظرية أو الرقمية في معدات الاختبار.
• تبديل عناصر التسخين أو الملفات اللولبية الصغيرة في ضوابط الصناعية.
• توفير مدخلات تحكم معزولة في مصادر الطاقة أو محركات المحركات.
• الواجهة بين المنطق ذو الجهد المنخفض والدوائر الطرفية ذات الجهد الأعلى في لوحات الأمان.

7.2 اعتبارات التصميم الحرجة

• دائرة تشغيل المدخل:يجب دائمًا استخدام مقاومة متسلسلة مع LED للحد من التيار. يتم حساب القيمة كـ (جهد الإمداد - V_F) / I_Fالمطلوب. لضمان إيقاف موثوق، يجب على دائرة التحكم سحب كاثود LED إلى جهد قريب جدًا من جهد الأنود، مما يقلل من أي تيار تسرب قد يشغل المخرج عن غير قصد.
• اعتبارات حمل المخرج:تم تصميم المرحل لتبديل حمل التيار المستمر. بالنسبة لأحمال التيار المتردد، ستكون هناك حاجة إلى حماية إضافية (مثل شبكة snubber)، ويشير تصنيف الجهد إلى جهد الذروة، وليس RMS. يجب تخفيض تيار الحمل وفقًا للشكل 1 بناءً على أقصى درجة حرارة بيئية متوقعة. يجب حساب تبديد الطاقة في حالة التشغيل (I_L²* R_d(ON)) عند درجة حرارة التشغيل (باستخدام R_d(ON)من الشكل 2) لضمان ألا يتجاوز P_out.
• إدارة الحرارة:على الرغم من أن الحزمة صغيرة، فإن ضمان مساحة كافية من النحاس على PCB حول الأطراف (خاصة الطرفين 3 و 4) يساعد على تبديد الحرارة وتحسين قدرة التعامل مع التيار وطول العمر.
• هامش الجهد:للتشغيل الموثوق على المدى الطويل، يجب أن يكون الجهد المستقر المطبق عبر المخرج (V_L) له هامش مريح أقل من جهد الانهيار المقنن (400V أو 600V)، خاصة في البيئات ذات التغيرات الجهدية العابرة.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بالمرحلات الكهروميكانيكية التقليدية (EMRs)، يقدم ELM4XXA عمرًا افتراضيًا فائقًا (مليارات الدورات مقابل الملايين)، وتبديل أسرع، وتشغيل صامت، ومقاومة أفضل للصدمات/الاهتزازات. مقارنةً بمرحلات الحالة الصلبة الأخرى أو المقومات الضوئية ذات مخرجات الترانزستور، يوفر مخرج MOSFET الخاص بها مقاومة تشغيل أقل ويمكنه تبديل أحمال التيار المتردد والتيار المستمر مع حد أدنى من جهد الإزاحة. تعد حزمة SOP رباعية الأطراف من بين أصغر الحزم المتاحة لمرحلات الحالة الصلبة ذات تصنيفات الجهد والتيار هذه، مما يوفر توفيرًا كبيرًا في المساحة. يبسط تضمين الموافقات من وكالات السلامة الدولية الرئيسية (UL وcUL وVDE وغيرها) شهادة المنتج النهائي للأسواق العالمية.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

9.1 هل يمكن لهذا المرحل تبديل أحمال التيار المتردد؟

تحتوي ترانزستورات MOSFET للمخرجات على ثنائي جسم. في التكوين القياسي، يُقصد بالجهاز بشكل أساسي تبديل حمل التيار المستمر. لتبديل التيار المتردد، يمكن توصيل جهازين ظهرًا لظهر (مصدر إلى مصدر)، أو يجب على دائرة خارجية إدارة تدفق التيار في كلا الاتجاهين. ينطبق تصنيف الجهد على جهد الذروة لشكل موجة التيار المتردد.

9.2 لماذا تيار الحمل لإصدار 600V (ELM460A) أقل من إصدار 400V (ELM440A)؟

عادةً ما يكون لترانزستورات MOSFET ذات الجهد الأعلى مقاومة تشغيل نوعية أعلى (R_ds(on)* المساحة). لتناسب نفس الحزمة الصغيرة، سيكون لرقاقة MOSFET المصنفة بـ 600V مقاومة R_d(ON)أعلى (40-70 أوم مقابل 20-30 أوم). بالنسبة لتيار معين، يكون تبديد الطاقة (I²R) أعلى في الجزء 600V. للحفاظ على درجة حرارة التقاطع ضمن حدود آمنة والحفاظ على الموثوقية، يجب تقليل الحد الأقصى للتيار المستمر.

9.3 كيف أتأكد من إيقاف تشغيل المرحل بالكامل؟

تأكد من أن دائرة التحقل تقلل التيار عبر LED المدخل إلى أقل من الحد الأقصى لمواصفات I_F(off)(0.6 مللي أمبير عادة). عمليًا، هذا يعني دفع كاثود LED إلى جهد قريب جدًا من جهد أنوده، أو استخدام مقاومة متسلسلة كبيرة بما يكفي للحد من أي فرق جهد متبقي إلى تيار أقل من هذا العتبة. تجنب المدخلات العائمة.

10. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو:تصميم مفتاح جانب منخفض لصمام لولبي يعمل بتيار مستمر 24V، 80mA في وحدة تحكم صناعية بأقصى درجة حرارة بيئية 60°C. إشارة التحكم هي 3.3V من متحكم دقيق.

اختيار الجهاز:تم اختيار ELM440A (تصنيف 400V) بسبب قدرته الحالية الأعلى. حمل 24V ضمن نطاق تصنيف جهده بشكل جيد.

التخفيض الحراري:من الشكل 1، عند 60°C، يمكن لـ ELM440A التعامل مع حوالي 90-95% من تصنيفه البالغ 120mA. 80mA يمثل حوالي 67% من التصنيف، وهو مقبول.

تصميم دائرة المدخل:بافتراض V_F= 1.2V. لتوفير تيار تشغيل 10mA للتبديل السريع، المقاومة المتسلسلة R = (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 أوم. يمكن استخدام مقاومة قياسية 200 أوم. يمكن لطرف GPIO توفير هذا التيار مباشرة.

تحليل المخرج:عند 60°C، من الشكل 2، R_d(ON)هو حوالي 22-23 أوم. تبديد الطاقة P = (0.08A)²* 23Ω = 0.147W. هذا أقل بكثير من تصنيف P_outالبالغ 500mW. انخفاض الجهد عبر المرحل = 0.08A * 23Ω = 1.84V، تاركًا 22.16V للصمام اللولبي.

التخطيط:اتبع تخطيط الوسادة الموصى به، وقم بتوصيل أطراف المصرف/المصدر (3 و 4) بمساحات نحاسية كبيرة للمساعدة في تبديد الحرارة.

11. مبدأ التشغيل

يعمل ELM4XXA على مبدأ العزل الضوئي. عندما يتم تطبيق تيار أمامي على LED الأشعة تحت الحمراء من نوع AlGaAs في المدخل، فإنه يبعث ضوءًا. يتم اكتشاف هذا الضوء بواسطة مجموعة من الثنائيات الضوئية على جانب المخرج المعزول. تولد هذه المجموعة جهد دائرة مفتوحة كافيًا لتعزيز بوابات ترانزستورات MOSFET للطاقة من نوع N-channel التي تشكل مفتاح المخرج بالكامل. عند إزالة تيار LED، يتحلل الجهد الضوئي، وتفرغ بوابات MOSFET عبر المسارات الداخلية، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل مفتاح المخرج. توفر هذه الآلية عدة كيلوفولتات من العزل الكهربائي بين دوائر المدخل والمخرج، مما يحمي الإلكترونيات الحساسة للتحكم من التغيرات الجهدية العالية على جانب الحمل.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر سوق المرحلات الحالة الصلبة في التطور نحو كثافة طاقة أعلى، ومقاومة تشغيل أقل، وحزم أصغر. يمكن أن تمكن التطورات في مواد أشباه الموصلات، مثل استخدام كربيد السيليكون (SiC) أو نيتريد الغاليوم (GaN) لمفاتيح المخرجات، مرحلات الحالة الصلبة المستقبلية في حزم مماثلة من التعامل مع جهود وتيارات أعلى مع خسائر أقل. يعد دمج ميزات الحماية مثل اكتشاف التيار الزائد، والإغلاق الحراري، وتغذية راجعة للحالة مباشرة في حزمة SSR اتجاهًا متزايدًا آخر، مما يبسط تصميم النظام ويحسن المتانة. سيستمر الطلب على التصغير والموثوقية العالية في تطبيقات السيارات وإنترنت الأشياء الصناعية والطاقة المتجددة في دفع الابتكار في هذه الفئة من المكونات.