ELM4XXA Serie Festkörperrelais Datenblatt - 4-Pin SOP Gehäuse - 400V/600V Lastspannung - 120mA/50mA Laststrom - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die ELM4XXA-Serie stellt eine Familie von einkanaligen, im Ruhezustand offenen (1 Form A) Festkörperrelais (SSR) dar, die in einem kompakten 4-Pin Small Outline Package (SOP) untergebracht sind. Diese Bauteile sind dafür ausgelegt, elektromechanische Relais (EMR) in platzbeschränkten Anwendungen zu ersetzen, die hohe Zuverlässigkeit, schnelles Schalten und niedrigen Stromverbrauch erfordern. Die Kerntechnologie umfasst eine AlGaAs-Infrarot-LED, die optisch mit einer Fotodioden-Anordnung gekoppelt ist, welche die Ausgangs-MOSFETs ansteuert und so eine galvanische Trennung zwischen der Niederspannungs-Steuerschaltung und der Hochspannungs-Lastschaltung bereitstellt.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Das Bauteil ist für die Oberflächenmontage mittels Reflow-Lötverfahren ausgelegt. Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur beträgt 260°C für 10 Sekunden. Dies entspricht typischen bleifreien (Pb-free) Reflow-Profilen. Entwickler sollten das empfohlene Pad-Layout einhalten, um Tombstoning zu verhindern und eine ordnungsgemäße Lötstellenbildung sicherzustellen. Das Bauteil entspricht den Richtlinien für halogenfrei, bleifrei und RoHS und eignet sich somit für umweltbewusste Fertigung.

Zielanwendungen:Diese Relais-Serie ist für den Einsatz in Telekommunikationsvermittlungsgeräten, Mess- und Prüfgeräten, Geräten der Fabrikautomation (FA) und Büroautomation (OA), industriellen Steuerungssystemen sowie Sicherheitssystemen konzipiert.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Die Leistung der ELM4XXA-Serie wird durch einen umfassenden Satz elektrischer, optischer und thermischer Parameter definiert. Das Verständnis dieser Spezifikationen ist entscheidend für einen korrekten Schaltungsentwurf und einen zuverlässigen Betrieb.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Eingang (LED-Seite):Der maximale Durchlassstrom (I_F) beträgt 50 mA DC. Ein Spitzendurchlassstrom (I_FP) von 1 A ist unter Impulsbedingungen zulässig (0,1 % Tastverhältnis bei 100 Hz). Die maximale Sperrspannung (V_R) beträgt 5 V.
• Ausgang (MOSFET-Seite):Die Durchbruchspannung (V_L) unterscheidet die beiden Hauptvarianten: 400 V für den ELM440A und 600 V für den ELM460A. Entsprechend beträgt der maximale Dauerlaststrom (I_L) 120 mA für die 400V-Version und 50 mA für die 600V-Version. Ein höherer Impuls-Laststrom ist für kurze Dauer zulässig (100 ms Einzelimpuls).
• Isolation:Das Bauteil bietet eine hohe Isolationsspannung (V_iso) von 3750 V_efffür 1 Minute und gewährleistet so Sicherheit und Störfestigkeit zwischen Eingang und Ausgang.
• Thermisch:Der Betriebsumgebungstemperaturbereich liegt bei -40°C bis +85°C. Die gesamte Bauteilverlustleistung (P_T) darf 550 mW nicht überschreiten.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter, spezifiziert bei T_A= 25°C, definieren das Betriebsverhalten des Bauteils unter Normalbedingungen.

• Eingangseigenschaften:Die LED-Durchlassspannung (V_F) beträgt typischerweise 1,18V bei I_F= 10 mA, maximal 1,5V. Diese niedrige V_Fträgt zum geringen Stromverbrauch bei.
• Ausgangseigenschaften:Ein kritischer Parameter ist der Durchlasswiderstand (R_d(ON)). Für den ELM440A beträgt er typisch 20 Ω (max. 30 Ω), für den ELM460A typisch 40 Ω (max. 70 Ω). Dieser Widerstand beeinflusst direkt den Spannungsabfall und die Verlustleistung am Relais im leitenden Zustand. Der Sperrstrom (I_leak) ist garantiert kleiner als 1 μA, was die Verlustleistung minimiert, wenn das Relais geöffnet ist.
• Übertragungseigenschaften:Diese definieren die Beziehung zwischen Eingang und Ausgang. Der zum vollständigen Einschalten der Ausgangs-MOSFETs bei maximaler Last erforderliche LED-Einschaltstrom (I_F(on)) ist sehr niedrig, typischerweise 1 mA (max. 5 mA). Der LED-Ausschaltstrom (I_F(off)) ist der maximale Eingangsstrom, bei dem garantiert ist, dass der Ausgang ausgeschaltet ist (I_L≤ 1 μA), typischerweise 0,6 mA.
• Schaltgeschwindigkeit:Die Einschaltzeit (T_on) und Ausschaltzeit (T_off) liegen im Sub-Millisekundenbereich. Unter Standardtestbedingungen (I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω) beträgt T_ontypisch 0,1 ms und T_offtypisch 0,2 ms. Dies ist deutlich schneller als bei den meisten EMRs.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die zeigen, wie sich Schlüsselparameter mit den Betriebsbedingungen ändern. Dies ist für die Entlastung und ein robustes Design unerlässlich.

3.1 Thermische Entlastung

Abbildung 1: Laststrom vs. Umgebungstemperaturzeigt die notwendige Reduzierung des maximalen Dauerlaststroms mit steigender Umgebungstemperatur. Sowohl der ELM440A als auch der ELM460A müssen ihren Laststrom linear von ihren Nennwerten bei 25°C auf etwa null bei ca. 100-120°C reduzieren. Diese Kurve ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Gesamtverlustleistung des Bauteils (I_L²* R_d(ON)) bei hohen Temperaturen die Grenzwerte nicht überschreitet.

3.2 Änderung des Durchlasswiderstands und der Schaltzeiten

Abbildung 2: Durchlasswiderstand vs. Umgebungstemperaturzeigt, dass R_d(ON)mit der Temperatur zunimmt. Beim ELM460A kann sich R_d(ON)von 25°C auf 100°C um über 50 % erhöhen. Dies muss bei der Berechnung des Spannungsabfalls bei erhöhten Temperaturen berücksichtigt werden.

Abbildung 3: Schaltzeit vs. Umgebungstemperaturzeigt, dass sowohl T_onals auch T_offmäßig mit sinkender Temperatur zunehmen, insbesondere unter 0°C. Entwickler von Schaltungen, die in kalter Umgebung arbeiten, müssen mit etwas langsameren Schaltzeiten rechnen.

3.3 Eingangs-/Ausgangsbeziehung

Abbildungen 4 & 5: Schaltzeit vs. LED-Durchlassstromzeigen, dass eine Erhöhung des LED-Ansteuerstroms (I_F) die Ein- und Ausschaltzeiten deutlich reduziert. Dies ermöglicht es Entwicklern, Schaltgeschwindigkeit gegen Eingangsleistungsaufnahme abzuwägen. Das Ansteuern der LED mit 20-30 mA anstelle von 10 mA kann die Schaltzeiten mehr als halbieren.

Abbildungen 6 & 7: Normalisierter LED-Betriebsstrom vs. Temperaturzeigen, dass der zum Einschalten des Ausgangs erforderliche I_F(on)mit steigender Temperatur abnimmt, während der I_F(off)(der Punkt, an dem es ausschaltet) zunimmt. Diese Verengung des Betriebsfensters bei hohen Temperaturen muss beim Entwurf der Sicherheitsmarge berücksichtigt werden.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Pinbelegung und Schaltplan

Das Bauteil verwendet einen standardmäßigen 4-Pin-SOP-Fußabdruck.

• Pin 1: LED-Anode
• Pin 2: LED-Kathode
• Pins 3 & 4: MOSFET-Ausgang (Source- und Drain-Anschlüsse; der interne Schaltplan zeigt, dass diese so verbunden sind, dass das Bauteil als SPST-Schalter fungiert).

Der Schaltplan bestätigt die Architektur: Eine Infrarot-LED steuert eine Fotovoltaik-Zellenanordnung an, die eine Spannung erzeugt, um die Gates der Ausgangs-MOSFETs vorzuspannen und sie einzuschalten.

4.2 Gehäuseabmessungen und Beschriftung

Das Gehäuse hat eine Baugröße von ca. 4,59mm x 3,81mm bei einer Höhe von 1,73mm (max.). Der Anschlussabstand beträgt 2,54mm. Ein empfohlenes PCB-Land Pattern (Pad-Layout) wird bereitgestellt, um zuverlässiges Löten und mechanische Stabilität zu gewährleisten. Das Bauteil ist oben mit einem Code gekennzeichnet, der das Herstellerlogo, die Teilenummer (z.B. M440A), das Herstellungsjahr/-woche und optional ein 'V' für VDE-zugelassene Versionen angibt.

5. Löt- und Montagerichtlinien

The device is designed for surface-mount assembly using reflow soldering processes. The absolute maximum rating for soldering temperature is 260°C for 10 seconds. This aligns with typical lead-free (Pb-free) reflow profiles. Designers should follow the recommended pad layout to prevent tombstoning and ensure proper solder joint formation. The device is compliant with halogen-free, Pb-free, and RoHS directives, making it suitable for environmentally conscious manufacturing.

6. Bestellinformationen und Verpackung

Die Teilenummer folgt der Struktur: ELM4XXA(X)-VG.

• 4XXA:Kern der Teilenummer (440A für 400V, 460A für 600V).
• (X):Option für Tape and Reel. 'TA' oder 'TB' bezeichnen unterschiedliche Spulen-Spezifikationen. Bei Weglassen werden die Teile in Tubes zu 100 Stück geliefert.
• -V:Optionales Suffix, das angibt, dass das Bauteil VDE-zugelassen ist.
• -G:Kennzeichnet die Einhaltung der Halogenfrei-Anforderung.

Standard-SMD-Versionen (Tube-Pack) enthalten 100 Stück. Tape-and-Reel-Optionen enthalten 3000 Stück pro Spule.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Der ELM4XXA ist ideal zum Schalten von mittelspannungs- und niedrigstromsignalen oder -lasten. Beispiele sind:

• Isolierung analoger oder digitaler Signalleitungen in Prüfgeräten.
• Schalten von Heizelementen oder kleinen Magnetventilen in industriellen Steuerungen.
• Bereitstellung isolierter Steuereingänge in Netzteilen oder Motorantrieben.
• Schnittstelle zwischen Niederspannungslogik und höherspannigen Peripherieschaltungen in Sicherheitszentralen.

7.2 Kritische Designaspekte

• Eingangs-Ansteuerschaltung:Mit der LED muss stets ein Vorwiderstand verwendet werden, um den Strom zu begrenzen. Der Wert wird berechnet als (Versorgungsspannung - V_F) / Gewünschter I_F. Um ein zuverlässiges Ausschalten zu gewährleisten, sollte die Steuerschaltung die LED-Kathode auf eine Spannung sehr nahe der Anodenspannung ziehen, um jeden Leckstrom zu minimieren, der den Ausgang versehentlich einschalten könnte.
• Ausgangslast-Überlegungen:Das Relais ist für DC-Lastschaltung ausgelegt. Für AC-Lasten wären zusätzliche Schutzmaßnahmen (wie ein Snubber-Netzwerk) erforderlich, und die Spannungsfestigkeit bezieht sich auf die Spitzenspannung, nicht den Effektivwert. Der Laststrom muss gemäß Abbildung 1 basierend auf der maximal erwarteten Umgebungstemperatur entlastet werden. Die Verlustleistung im eingeschalteten Zustand (I_L²* R_d(ON)) muss bei der Betriebstemperatur berechnet werden (unter Verwendung von R_d(ON)aus Abbildung 2), um sicherzustellen, dass sie P_out.
• nicht überschreitet.Thermisches Management:
• Obwohl das Gehäuse klein ist, hilft eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte um die Pins (insbesondere Pin 3 und 4), Wärme abzuführen und die Stromtragfähigkeit sowie Lebensdauer zu verbessern.Spannungsreserve:_LFür einen zuverlässigen Langzeitbetrieb sollte die über den Ausgang angelegte stationäre Spannung (V

) einen komfortablen Abstand unterhalb der Nenndurchbruchspannung (400V oder 600V) aufweisen, insbesondere in Umgebungen mit Spannungstransienten.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu herkömmlichen elektromechanischen Relais (EMR) bietet der ELM4XXA eine überlegene Lebenserwartung (Milliarden vs. Millionen Zyklen), schnelleres Schalten, geräuschlosen Betrieb und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoß/Vibration. Im Vergleich zu anderen SSRs oder Optokopplern mit Transistorausgang bietet sein MOSFET-Ausgang einen niedrigeren Durchlasswiderstand und kann sowohl AC- als auch DC-Lasten mit minimaler Offset-Spannung schalten. Das 4-Pin-SOP-Gehäuse gehört zu den kleinsten verfügbaren für SSRs mit diesen Spannungs- und Stromwerten und bietet erhebliche Platzersparnis. Die Zulassungen von wichtigen internationalen Sicherheitsbehörden (UL, cUL, VDE usw.) vereinfachen die Endproduktzertifizierung für globale Märkte.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

9.1 Kann dieses Relais AC-Lasten schalten?

Die Ausgangs-MOSFETs haben eine Body-Diode. In der Standardkonfiguration ist das Bauteil primär für DC-Lastschaltung vorgesehen. Für AC-Schaltung können zwei Bauteile gegeneinander geschaltet werden (Source an Source), oder eine externe Schaltung muss den Stromfluss in beide Richtungen steuern. Die Spannungsfestigkeit bezieht sich auf die Spitzenspannung der AC-Wellenform.

9.2 Warum ist der Laststrom der 600V-Version (ELM460A) niedriger als bei der 400V-Version (ELM440A)?_{Höherspannungs-MOSFETs haben typischerweise einen höheren spezifischen Durchlasswiderstand (R}ds(on)_{* Fläche). Um in dasselbe kleine Gehäuse zu passen, hat der für 600V ausgelegte MOSFET-Chip einen höheren R}d(ON)²(40-70 Ω vs. 20-30 Ω). Bei einem gegebenen Strom ist die Verlustleistung (I

R) im 600V-Bauteil höher. Um die Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Grenzen zu halten und die Zuverlässigkeit zu wahren, muss der maximale Dauerstrom reduziert werden.

9.3 Wie stelle ich sicher, dass das Relais vollständig abschaltet?_{Stellen Sie sicher, dass die Steuerschaltung den Strom durch die Eingangs-LED unter den maximalen I}F(off)

-Spezifikationswert (typ. 0,6 mA) senkt. In der Praxis bedeutet dies, die LED-Kathode auf eine Spannung sehr nahe ihrer Anodenspannung zu ziehen oder einen Vorwiderstand zu verwenden, der groß genug ist, um jede verbleibende Spannungsdifferenz auf einen Strom unter dieser Schwelle zu begrenzen. Vermeiden Sie offene Eingänge.

10. Praktische Design-FallstudieSzenario:

Entwurf eines Low-Side-Schalters für ein 24V DC, 80mA Magnetventil in einem Industrie-Controller mit einer maximalen Umgebungstemperatur von 60°C. Das Steuersignal ist 3,3V von einem Mikrocontroller.Bauteilauswahl:

Der ELM440A (400V-Festigkeit) wird aufgrund seiner höheren Stromtragfähigkeit gewählt. Die 24V-Last liegt deutlich innerhalb seiner Spannungsfestigkeit.Thermische Entlastung:

Aus Abbildung 1 ergibt sich, dass der ELM440A bei 60°C etwa 90-95 % seines 120mA-Nennwerts handhaben kann. 80mA sind ~67 % des Nennwerts, was akzeptabel ist.Eingangsschaltungsentwurf:_FAngenommen V

= 1,2V. Um einen Ansteuerstrom von 10mA für schnelles Schalten bereitzustellen, beträgt der Vorwiderstand R = (3,3V - 1,2V) / 0,01A = 210 Ω. Ein Standard-200-Ω-Widerstand kann verwendet werden. Ein GPIO-Pin kann diesen Strom direkt liefern.Ausgangsanalyse:_{Bei 60°C beträgt R}d(ON)²aus Abbildung 2 ~22-23 Ω. Verlustleistung P = (0,08A)_{* 23Ω = 0,147W. Dies liegt deutlich unter der P}out

-Nennleistung von 500mW. Spannungsabfall am Relais = 0,08A * 23Ω = 1,84V, verbleiben 22,16V für das Magnetventil.Layout:

Befolgen Sie das empfohlene Pad-Layout und verbinden Sie die Drain-/Source-Pins (3 & 4) mit großzügigen Kupferflächen, um die Wärmeableitung zu unterstützen.

11. Funktionsprinzip

Der ELM4XXA arbeitet nach dem Prinzip der optischen Isolation. Wenn ein Durchlassstrom an die Eingangs-AlGaAs-Infrarot-LED angelegt wird, emittiert sie Licht. Dieses Licht wird von einer Fotodioden-Anordnung auf der isolierten Ausgangsseite detektiert. Diese Anordnung erzeugt eine Leerlaufspannung, die ausreicht, um die Gates der N-Kanal-Leistungs-MOSFETs, die den Ausgangsschalter bilden, vollständig zu öffnen. Wenn der LED-Strom entfernt wird, klingt die Fotovoltaik-Spannung ab, und die MOSFET-Gates entladen sich über interne Pfade, wodurch der Ausgangsschalter ausgeschaltet wird. Dieser Mechanismus bietet mehrere Kilovolt galvanische Trennung zwischen den Eingangs- und Ausgangsschaltungen und schützt so empfindliche Steuerelektronik vor Hochspannungstransienten auf der Lastseite.

12. Technologietrends