EL4XXA-G Serie 4-Pin DIP Form A SSR Datenblatt - 60-600V Ausgang - 550-50mA Laststrom - Halogenfrei - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL4XXA-G Serie sind einpolige, normalerweise offene (Form A) Halbleiterrelais (SSRs) in einem 4-Pin DIP-Gehäuse. Diese Bauteile nutzen eine AlGaAs-Infrarot-LED, die optisch mit einer Hochspannungs-Ausgangserkennungsschaltung gekoppelt ist, die aus einer photovoltaischen Diodenanordnung und MOSFETs besteht. Dieses Design bietet ein halbleiterbasiertes Äquivalent zu einem 1 Form A elektromechanischen Relais (EMR) mit Vorteilen wie längerer Lebensdauer, geräuschlosem Betrieb und Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischem Stoß und Vibration. Die Serie ist als Oberflächenmontage-Variante (SMD) erhältlich und entspricht den halogenfreien und RoHS-Standards.

1.1 Kernvorteile

• Hohe Isolierung:Bietet 5000 Vrms Isolierung zwischen Eingang und Ausgang, erhöht die Sicherheit und Störfestigkeit in Steuerschaltungen.
• Niedriger Ansteuerstrom:Merkmale eines niedrigen LED-Einschaltstroms (typisch 3-5mA), macht es kompatibel mit Low-Power-Mikrocontroller-Ausgängen.
• Breiter Spannungsbereich:Die Serie deckt Ausgangssperrspannungen von 60V (EL406A) bis 600V (EL460A) ab, geeignet für verschiedene AC/DC-Lastschaltanwendungen.
• Robuste Konformität:Halogenfreie Bauweise und Konformität mit wichtigen internationalen Sicherheitsstandards einschließlich UL 1577, UL 508, VDE und CQC.
• Breiter Temperaturbereich:Arbeitet zuverlässig von -40°C bis +85°C, geeignet für industrielle und raue Umgebungen.

1.2 Zielanwendungen

Diese SSRs sind für Anwendungen konzipiert, die zuverlässiges, isoliertes Schalten erfordern. Typische Anwendungsfälle sind:

• Telekommunikationsgeräte:Signalweiterleitung und Leitungskartenumschaltung.
• Test- und Messgeräte:Automatisierte Testequipment (ATE) Signalumschaltung.
• Fabrikautomation (FA) & Büroautomation (OA):Steuerung von Sensoren, Solenoiden und kleinen Motoren.
• Industrielle Steuerungssysteme:PLC-Ausgangsmodule, Prozesssteuerungsschnittstellen.
• Sicherheitssysteme:Alarmanlagenumschaltung und Zutrittskontrolle.

2. Technische Parameteranalyse

2.1 Absolute Maximalwerte

Die folgende Tabelle fasst die kritischen Grenzwerte zusammen, die nicht überschritten werden dürfen, um dauerhafte Bauteilschäden zu verhindern. Dies sind keine Betriebsbedingungen.

• Eingang (LED-Seite):Maximaler Durchlassstrom (IF) ist 50mA DC, mit einem Spitzendurchlassstrom (IFP) von 1A unter gepulsten Bedingungen (0,1% Tastverhältnis). Die maximale Sperrspannung (VR) beträgt 5V.
• Ausgang (Schalterseite):Die Durchbruchspannung (VL) definiert die maximale Spannung, die die Ausgangs-MOSFETs sperren können. Sie variiert je nach Modell: EL406A (60V), EL425A (250V), EL440A (400V), EL460A (600V). Die Nennlaststromstärke (IL) nimmt mit steigender Spannungsfestigkeit ab, von 550mA für den EL406A bis 50mA für den EL460A, was den Kompromiss zwischen Spannungsfestigkeit und Durchlasswiderstand widerspiegelt.
• Isolierung & Thermisch:Die Isolationsspannung (Viso) beträgt 5000 Vrms. Das Bauteil kann von -40°C bis +125°C gelagert und von -40°C bis +85°C betrieben werden. Die Löttemperatur ist mit 260°C für 10 Sekunden spezifiziert.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter typischen Betriebsbedingungen (TA=25°C).

• Eingangseigenschaften:Die Durchlassspannung (VF) beträgt typisch 1,18V bei IF=10mA, maximal 1,5V. Diese niedrige VF trägt zum geringen Ansteuerleistungsbedarf bei.
• Ausgangseigenschaften (wichtiger Unterscheidungsfaktor):Der Durchlasswiderstand (Rd(ON)) ist ein kritischer Parameter, der die Verlustleistung und den Spannungsabfall über den Schalter beeinflusst. Er variiert innerhalb der Serie erheblich:
  • EL406A: Typ. 0,7Ω, Max. 2,5Ω
  • EL425A: Typ. 6,5Ω, Max. 15Ω
  • EL440A: Typ. 20Ω, Max. 30Ω
  • EL460A: Typ. 40Ω, Max. 70Ω
  Dieser ansteigende Rd(ON) mit höheren Spannungsfestigkeiten ist eine grundlegende Eigenschaft des MOSFET-Designs und beeinflusst die Wärmeentwicklung bei einem gegebenen Laststrom.
• Schaltgeschwindigkeit:Die Einschaltzeit (Ton) ist aufgrund des photovoltaischen Gate-Lademechanismus relativ langsam (typisch 1,4ms max 3ms). Die Ausschaltzeit (Toff) ist sehr schnell (typisch 0,05ms max 0,5ms). Diese Asymmetrie ist für zeitkritische Anwendungen wichtig.
• Übertragungseigenschaften:Der LED-Einschaltstrom (IF(on)) ist der minimale Strom, der benötigt wird, um den Ausgangs-MOSFET vollständig einzuschalten, typisch 3-5mA. Der Ausschaltstrom (IF(off)) ist der maximale Strom, bei dem garantiert ist, dass der Ausgang ausgeschaltet ist, typisch 0,4mA. Dies definiert die Eingangssteuerlogik-Schwellenwerte.

3. Analyse der Kennlinien

Während spezifische grafische Daten im Text nicht bereitgestellt werden, verweist das Datenblatt auf typische elektro-optische Kennlinien. Basierend auf den Parametern können wichtige Zusammenhänge abgeleitet werden:

• Durchlasswiderstand vs. Temperatur:Der Rd(ON) von MOSFETs hat einen positiven Temperaturkoeffizienten. Er steigt mit steigender Sperrschichttemperatur, was zu höheren Leitungsverlusten bei erhöhten Temperaturen führt. Ein ordnungsgemäßes thermisches Design ist essenziell, insbesondere für Modelle mit höheren Stromstärken (EL406A).
• LED-Durchlassspannung vs. Strom:Die VF vs. IF-Kurve ist standardmäßig für eine AlGaAs-LED. Das Ansteuern der LED mit einem Konstantstrom (z.B. 10mA) wird für stabilen Betrieb über Temperaturschwankungen empfohlen.
• Ausgangsleckstrom vs. Spannung:Der Sperrstrom (Ileak) ist mit maximal 1μA bei voller Nennspannung spezifiziert. Dieser Parameter ist entscheidend für Anwendungen, die sehr hohe Sperrzustands-Impedanz erfordern.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen und -typen

Die Serie bietet drei primäre Anschlussausführungen, um unterschiedliche PCB-Montageprozesse zu ermöglichen:

1. Standard DIP Typ:Durchsteckmontage-Gehäuse mit 0,1-Zoll (2,54mm) Reihenabstand für konventionelles Wellen- oder Handlöten.
2. Option M Typ:Durchsteckmontage-Gehäuse mit breiterer Anschlussbiegung, bietet 0,4-Zoll (10,16mm) Reihenabstand für Anwendungen, die größere Kriechstrecken oder spezifische PCB-Layoutanforderungen benötigen.
3. Option S1 Typ:Oberflächenmontage-Anschlussausführung (SMD) mit niedriger Bauhöhe. Diese Option ist essenziell für automatisierte Bestückung und hochdichte PCB-Designs.

4.2 Polaritätskennzeichnung und Markierung

Die Pinbelegung ist klar definiert:

• Pin 1: LED-Anode (+)
• Pin 2: LED-Kathode (-)
• Pin 3 & 4: MOSFET-Drain-Anschlüsse (Ausgangsschalter). Diese werden typischerweise auf der Leiterplatte miteinander verbunden, um den Laststrom zu führen.

Das Bauteil ist oben mit einem Code markiert:EL [Teilenummer] G YWWV.
Beispiel: "EL 460A G YWWV" zeigt einen EL460A, halogenfrei (G), mit Herstellungsjahr (Y) und -woche (WW) und VDE-Option (V).

4.3 Empfohlenes SMD-Lötflächenlayout

Für die S1-Option (Oberflächenmontage) wird ein spezifisches Lötflächenlayout empfohlen, um zuverlässiges Löten und mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Die Abmessungen stellen eine ordnungsgemäße Lötnahtbildung und Wärmeableitung während des Reflow-Lötens sicher.

5. Löt- & Montagerichtlinien

• Reflow-Löten (S1 Option):Das Bauteil ist für eine Spitzenlöttemperatur von 260°C für 10 Sekunden ausgelegt. Standard bleifreie Reflow-Profile (IPC/JEDEC J-STD-020) sind anwendbar. Stellen Sie sicher, dass das Profil die maximale Temperatur oder die Haltezeit bei Spitzentemperatur nicht überschreitet.
• Wellenlöten (DIP & M Optionen):Standard-Wellenlötprozesse können verwendet werden. Vorheizen wird empfohlen, um thermischen Schock zu minimieren.
• Handlöten:Verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötspitze. Begrenzen Sie die Kontaktzeit, um übermäßige Wärmeübertragung auf das Gehäuse zu verhindern.
• Reinigung:Kompatibel mit den meisten gängigen Flussmittelreinigungsprozessen. Überprüfen Sie die Kompatibilität bei Verwendung aggressiver Lösungsmittel.
• Lagerung:Lagern Sie in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs (-40°C bis +125°C). Für längere Lagerung befolgen Sie die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL)-Richtlinien, typischerweise unter Verwendung von Trockenpack-Verpackungen für SMD-Teile.

6. Verpackungs- & Bestellinformationen

6.1 Modellnummernsystem

Die Teilenummer folgt dem Format:EL4XXA(Y)(Z)-VG

• XX:Teilenummer (06, 25, 40, 60), die die Ausgangsspannungs-/Stromfestigkeit definiert.
• Y:Anschlussausführungsoption (S1 für Oberflächenmontage, oder leer für Standard DIP).
• Z:Band- und Rollenoption (TA, TB, TU, TD, oder leer für Tube).
• V:Kennzeichnet die VDE-Sicherheitszulassungsoption.
• G:Kennzeichnet halogenfreie Bauweise.

6.2 Verpackungsspezifikationen

• Tube-Verpackung:Standard DIP und Option M Typen werden in Tubes zu 100 Stück geliefert.
• Band & Rolle (S1 Option):Verfügbar in verschiedenen Rollentypen:
  • TA, TB: 1000 Stück pro Rolle.
  • TU, TD: 1500 Stück pro Rolle.
  Detaillierte Bandabmessungen (Taschengröße A0, B, Teilung P0, P1, etc.) werden für die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsgeräte-Zuführungen bereitgestellt.

7. Anwendungsdesign-Überlegungen

7.1 Eingangsschaltungsdesign

Steuern Sie die Eingangs-LED mit einer Konstantstromquelle oder einer Spannungsquelle mit einem Reihenstrombegrenzungswiderstand an. Berechnen Sie den Widerstandswert mit: R = (Vcc - VF) / IF, wobei VF typisch 1,18V-1,5V ist und IF für optimale Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit zwischen 5mA und 20mA gewählt wird. Stellen Sie sicher, dass die Ansteuerschaltung mindestens den minimalen IF(on) (max. 5mA) liefern kann, um ein vollständiges Einschalten des Ausgangs zu garantieren. Eine Sperrdiodenschutzschaltung parallel zur LED ist aufgrund der eingebauten 5V-Sperrspannungsfestigkeit nicht zwingend erforderlich, kann aber für Robustheit in störungsbehafteten Umgebungen hinzugefügt werden.

7.2 Ausgangsschaltungsdesign

Spannungsauswahl:Wählen Sie das Modell (EL406A, 425A, 440A, 460A) basierend auf der Spitzenspannung (DC oder AC) Ihrer Last, einschließlich aller Transienten oder Überspannungen. Eine Sicherheitsreserve von 20-30% wird empfohlen.
Strom und Verlustleistung:Die zentrale Designbeschränkung ist die Verlustleistung und Wärme. Die im SSR dissipierte Leistung (Pdiss) wird berechnet als: Pdiss = (IL^2 * Rd(ON)) + (IF * VF). Der erste Term dominiert. Beispielsweise erzeugt der Betrieb eines EL406A bei seinem maximalen Laststrom von 550mA mit einem typischen Rd(ON) von 0,7Ω ~212mW Wärme. Stellen Sie sicher, dass die Gesamtverlustleistung (Pout max 500mW) nicht überschritten wird und dass die Leiterplatte ausreichende Wärmeableitung bietet, insbesondere für die Modelle mit höheren Strömen.
Induktive/Kapazitive Lasten:Beim Schalten induktiver Lasten (Relais, Solenoide, Motoren) verwenden Sie einen Löschkreis (RC-Netzwerk) oder eine Freilaufdiode parallel zur Last, um Spannungsspitzen zu unterdrücken, die die VL-Festigkeit des Bauteils überschreiten könnten. Für kapazitive Lasten ist eine Einschaltstrombegrenzung zu erwägen.

7.3 Wärmemanagement

Das SSR hat keinen internen Kühlkörper. Wärme wird über die Anschlüsse abgeführt. Verwenden Sie ausreichend große Kupferflächen auf den PCB-Lötflächen, insbesondere für Pin 3 und 4 (Ausgang), um als Kühlkörper zu dienen. Bei hohen Umgebungstemperaturen oder kontinuierlichem Hochstrombetrieb überwachen Sie die Bauteiltemperatur, um sicherzustellen, dass sie im Betriebsbereich bleibt. Der Durchlasswiderstand steigt mit der Temperatur, was einen selbstbegrenzenden Effekt erzeugt, aber auch die Leistung reduziert.

8. Technischer Vergleich & Auswahlhilfe

Die EL4XXA-G Serie bietet eine klare Kompromissmatrix:

• EL406A (60V, 550mA):Beste Wahl für Niederspannungs-, höherstromige DC-Schaltungen (z.B. 12V/24V Systeme, batteriebetriebene Geräte), bei denen niedriger Spannungsabfall und Leistungsverlust kritisch sind. Hat den niedrigsten Rd(ON).
• EL425A (250V, 150mA) & EL440A (400V, 120mA):Ideal für gängige AC-Netzspannungsanwendungen (120VAC, 240VAC) zum Schalten kleiner Lasten wie Anzeigen, kleine Solenoide oder als Hilfsschütze für größere Kontaktoren. Der EL440A bietet zusätzliche Reserve für 240VAC-Systeme.
• EL460A (600V, 50mA):Konzipiert für Hochspannungs-Industrieanwendungen oder Situationen mit signifikanten Spannungstransienten. Geeignet zum Schalten von Signalen oder sehr niederleistungsstarken Lasten in Hochspannungsumgebungen.

Verglichen mit Elektromechanischen Relais (EMRs):Diese SSRs bieten keine beweglichen Teile, daher kein Kontaktprellen, Lichtbögen oder Verschleißmechanismen im Zusammenhang mit der Schaltzykluszahl. Sie arbeiten geräuschlos und sind unempfindlich gegenüber Vibrationen. Allerdings haben sie einen inhärenten Durchlasswiderstand, der zu Wärmeentwicklung und Spannungsabfall führt, und typischerweise niedrigere Stromfestigkeiten und höhere Kosten pro Ampere als vergleichbare EMRs.

Verglichen mit anderen SSRs:Das photovoltaische MOSFET-Kopplungsschema bietet sehr hohe Isolierung und sauberes Schalten ohne die Notwendigkeit einer externen Vorspannungsversorgung auf der Ausgangsseite (im Gegensatz zu Phototransistor- oder Phototriac-Kopplern). Die Einschaltgeschwindigkeit ist langsamer als bei einigen anderen Opto-MOSFETs, aber für die meisten Steueranwendungen ausreichend.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Kann ich dieses SSR verwenden, um AC-Lasten direkt zu schalten?
A1: Ja, aber mit wichtigen Einschränkungen. Der Ausgang ist ein Paar MOSFETs. Die meisten MOSFETs haben eine inhärente Body-Diode. In einer Standardkonfiguration kann dieses SSR im ausgeschalteten Zustand Spannung beider Polaritäten sperren, kann aber im eingeschalteten Zustand nur Strom in einer Richtung leiten (wie eine Diode). Für echtes AC-Lastschalten müssten zwei Bauteile in antiparalleler Serie (Rücken-an-Rücken) konfiguriert werden. Einige SSRs haben diese Konfiguration intern, aber das EL4XXA-G Datenblatt zeigt einen einzelnen MOSFET-Schaltplan, was darauf hindeutet, dass es für DC- oder unidirektionales Schalten ist. Überprüfen Sie die spezifische Fähigkeit des Modells für Ihre AC-Anwendung.

F2: Warum ist die Einschaltzeit viel langsamer als die Ausschaltzeit?
A2: Die Einschaltzeit ist durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der die photovoltaische Diodenanordnung genügend Strom erzeugen kann, um die Gate-Kapazität des Ausgangs-MOSFET auf seine Schwellenspannung aufzuladen. Dies ist ein relativ langsamer, strombegrenzter Prozess. Das Ausschalten ist schnell, weil es nur das Entladen des Gates durch die interne Schaltung erfordert, was schnell erfolgen kann.

F3: Wie interpretiere ich die "Puls-Laststrom"-Festigkeit?
A3: Der Puls-Laststrom (ILPeak) ist ein höherer Strom, der für eine sehr kurze Dauer (100ms, Einzelpuls) verkraftet werden kann. Dies ist nützlich, um Einschaltströme von Lampen oder Motoren zu bewältigen. Verwenden Sie diese Festigkeit nicht für kontinuierlichen oder wiederholten Pulsbetrieb. Für wiederholte Pulse muss die durchschnittliche Verlustleistung innerhalb des Pout-Limits bleiben.

F4: Ist ein externer Kühlkörper erforderlich?
A4: Typischerweise nicht für das DIP-Gehäuse unter seinen Nennbedingungen. Der primäre Kühlkörper ist das PCB-Kupfer. Für Dauerbetrieb bei maximalem Laststrom, insbesondere für den EL406A, stellen Sie sicher, dass die Leiterplatte ausreichend große Kupferflächen (z.B. mehrere Quadratzentimeter) hat, die mit den Ausgangspins verbunden sind, um Wärme abzuleiten. In beengten Räumen oder bei hohen Umgebungstemperaturen wird eine thermische Analyse empfohlen.

10. Design-in Fallstudienbeispiel

Szenario:Entwurf eines digitalen I/O-Moduls für eine SPS, das 24VDC induktive Lasten (kleine Magnetventile) mit einem stationären Strom von 200mA schalten muss. Die Umgebung ist industriell störbehaftet.

Bauteilauswahl:Der EL406A wird für seine 60V-Festigkeit (deutlich über 24VDC) und seinen niedrigen Durchlasswiderstand gewählt. Bei 200mA beträgt der typische Spannungsabfall nur 200mA * 0,7Ω = 0,14V, und die Verlustleistung beträgt (0,2^2)*0,7 = 0,028W, was vernachlässigbar ist.

Eingangsschaltung:Der digitale Ausgang der SPS ist 24VDC. Ein Reihenwiderstand wird berechnet: R = (24V - 1,3V) / 0,01A = 2270Ω. Ein Standard-2,2kΩ-Widerstand wird gewählt, was IF ≈ 10,3mA liefert, sicher über dem maximalen IF(on) von 5mA.

Ausgangsschaltung:Eine Freilaufdiode (1N4007) wird direkt parallel zur Solenoidspule platziert, um die induktive Rückstromspannung zu begrenzen und den Ausgang des EL406A zu schützen. Die Dioden-Kathode wird mit der positiven Versorgung verbunden, die Anode mit dem SSR-Ausgang/Lastanschluss.

PCB-Layout:Pin 3 und 4 werden mit einer großen Kupferfläche auf der Leiterplatte verbunden, um die Wärmeableitung zu unterstützen, obwohl die erzeugte Wärme in diesem Fall minimal ist. Die Eingangs- und Ausgangsleitungen werden getrennt gehalten, um eine gute Isolierung aufrechtzuerhalten.

Dieses Design bietet im Vergleich zu einem kleinen elektromechanischen Relais eine robuste, langlebige und geräuschlose Schaltlösung.

11. Funktionsprinzip

Die EL4XXA-G Serie arbeitet nach dem Prinzip der optischen Isolierung und photovoltaischen Ansteuerung. Wenn ein Durchlassstrom an die Eingangs-AlGaAs-Infrarot-LED angelegt wird, emittiert sie Licht. Dieses Licht wird von einer photovoltaischen Diodenanordnung auf der Ausgangsseite detektiert. Diese Anordnung erzeugt eine kleine Spannung (photovoltaischer Effekt), wenn sie beleuchtet wird. Diese erzeugte Spannung wird direkt an das Gate eines oder mehrerer Leistungs-MOSFETs angelegt, schaltet sie ein und erzeugt einen niederohmigen Pfad zwischen den Ausgangspins (3 & 4). Wenn der LED-Strom entfernt wird, stoppt das Licht, die photovoltaische Spannung bricht zusammen und das MOSFET-Gate entlädt sich, wodurch der Ausgang ausgeschaltet wird. Dieser Mechanismus bietet vollständige galvanische Trennung zwischen der Niederspannungssteuerschaltung und der Hochspannungslastschaltung, da nur Licht die Isolationsbarriere überquert.

12. Technologietrends

Halbleiterrelais entwickeln sich in mehreren für die EL4XXA-G-Technologie relevanten Schlüsselrichtungen weiter:

• Niedrigerer Durchlasswiderstand (Rd(ON)):Fortschritte in der MOSFET- und Gehäusetechnologie reduzieren stetig den Rd(ON) für eine gegebene Spannungsfestigkeit und Gehäusegröße, ermöglichen höhere Stromschaltungen in kleineren Bauformen und mit geringeren Verlusten.
• Höhere Integration:Trends umfassen die Integration von eingangsseitigen Treibern (Konstantstromquellen, Logikpegelwandler) und ausgangsseitigen Schutzfunktionen (Überspannungsbegrenzer, Übertemperaturabschaltung) in das SSR-Gehäuse, was die externe Schaltung vereinfacht.
• Verbesserte thermische Leistung:Neue Gehäusedesigns mit freiliegenden thermischen Pads (z.B. DIP-Gehäuse mit Bodenpad) ermöglichen eine viel effizientere Wärmeübertragung auf die Leiterplatte und erhöhen signifikant die Dauerstromfestigkeit für denselben Siliziumchip.
• Breitere Spannungsbereiche:Bauteile, die höhere Spannungen (1kV+) sperren können, werden in kompakten Gehäusen immer häufiger, angetrieben durch Anwendungen in erneuerbaren Energien und Elektrofahrzeugen.
• Fokus auf Sicherheit und Konformität:Wie bei der EL4XXA-G Serie liegt ein zunehmender Schwerpunkt auf der Einhaltung der neuesten internationalen Sicherheitsstandards (UL, VDE, CQC), Umweltvorschriften (halogenfrei, RoHS) und automotiven Qualifikationen für Zuverlässigkeit.

Die EL4XXA-G Serie stellt eine ausgereifte und zuverlässige Implementierung der photovoltaischen MOSFET-SSR-Technologie dar, die gut für eine breite Palette von industriellen und kommerziellen Steueranwendungen geeignet ist, die sicheres, isoliertes und zuverlässiges Niedrig- bis Mittelleistungsschalten erfordern.