Hoja de Datos de la Serie ELM4XXA de Relés de Estado Sólido - Paquete SOP de 4 Pines - Tensión de Carga 400V/600V - Corriente de Carga 120mA/50mA - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie ELM4XXA representa una familia de relés de estado sólido (SSR) de un solo canal, normalmente abiertos (1 Forma A), encapsulados en un compacto paquete SOP (Small Outline Package) de 4 pines. Estos dispositivos están diseñados para reemplazar relés electromecánicos (EMR) en aplicaciones con espacio limitado que requieren alta fiabilidad, conmutación rápida y bajo consumo de energía. La tecnología central implica un LED infrarrojo de AlGaAs acoplado ópticamente a una matriz de diodos fotovoltaicos que acciona los MOSFETs de salida, proporcionando aislamiento galvánico entre el circuito de control de baja tensión y el circuito de carga de alta tensión.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Las ventajas principales de la serie ELM4XXA derivan de su construcción de estado sólido. Los beneficios clave incluyen operación silenciosa, ausencia de rebote de contactos, larga vida operativa y resistencia a golpes y vibraciones. La baja corriente de operación del LED minimiza la carga en circuitos de control como microcontroladores o puertas lógicas. La serie es especialmente adecuada para equipos electrónicos modernos donde la miniaturización, la eficiencia energética y la fiabilidad son primordiales.

Aplicaciones Objetivo:Esta serie de relés está diseñada para su uso en equipos de centrales telefónicas, instrumentos de medición y prueba, equipos de automatización de fábrica (FA) y automatización de oficinas (OA), sistemas de control industrial y sistemas de seguridad.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

El rendimiento de la serie ELM4XXA está definido por un conjunto completo de parámetros eléctricos, ópticos y térmicos. Comprender estas especificaciones es crucial para un diseño de circuito adecuado y una operación fiable.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los niveles de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente al dispositivo. No se garantiza la operación bajo estas condiciones.

• Entrada (Lado del LED):La corriente directa máxima (I_F) es de 50 mA DC. Se permite una corriente directa de pico (I_FP) de 1 A en condiciones pulsadas (ciclo de trabajo del 0.1% a 100 Hz). La tensión inversa máxima (V_R) es de 5 V.
• Salida (Lado del MOSFET):La tensión de ruptura (V_L) diferencia las dos variantes principales: 400 V para el ELM440A y 600 V para el ELM460A. Correspondientemente, la corriente de carga continua máxima (I_L) es de 120 mA para la versión de 400V y de 50 mA para la de 600V. Se permite una corriente de carga pulsada más alta durante períodos cortos (100 ms en un solo pulso).
• Aislamiento:El dispositivo proporciona una alta tensión de aislamiento (V_iso) de 3750 V_rmsdurante 1 minuto, garantizando seguridad e inmunidad al ruido entre la entrada y la salida.
• Térmico:El rango de temperatura ambiente de operación es de -40°C a +85°C. La disipación de potencia total del dispositivo (P_T) no debe exceder los 550 mW.

d(ON)

Estos parámetros, especificados a T_A= 25°C, definen el comportamiento operativo del dispositivo en condiciones normales.

• Características de Entrada:La tensión directa del LED (V_F) es típicamente de 1.18V a I_F= 10 mA, con un máximo de 1.5V. Esta baja V_Fcontribuye al bajo consumo de energía.
• Características de Salida:Un parámetro crítico es la resistencia en estado de conducción (R_d(ON)). Para el ELM440A, es típicamente de 20 Ω (máx. 30 Ω), y para el ELM460A, es típicamente de 40 Ω (máx. 70 Ω). Esta resistencia afecta directamente a la caída de tensión y la pérdida de potencia a través del relé cuando conduce. La corriente de fuga en estado de apagado (I_leak) está garantizada en menos de 1 μA, minimizando la pérdida de potencia cuando el relé está abierto.
• Características de Transferencia:Estas definen la relación entre entrada y salida. La corriente de encendido del LED (I_F(on)) necesaria para activar completamente los MOSFETs de salida a carga máxima es muy baja, típicamente 1 mA (máx. 5 mA). La corriente de apagado del LED (I_F(off)) es la corriente de entrada máxima a la que se garantiza que la salida esté apagada (I_L≤ 1 μA), típicamente 0.6 mA.
• Velocidad de Conmutación:El tiempo de encendido (T_on) y el tiempo de apagado (T_off) están en el rango submilisegundo. Bajo condiciones de prueba estándar (I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω), T_ones típicamente 0.1 ms y T_offes típicamente 0.2 ms. Esto es significativamente más rápido que la mayoría de los EMRs.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varios gráficos que ilustran cómo varían los parámetros clave con las condiciones de operación, lo cual es esencial para el derating y un diseño robusto.

3.1 Derating Térmico

Figura 1: Corriente de Carga vs. Temperatura Ambientemuestra la reducción necesaria de la corriente de carga continua máxima a medida que aumenta la temperatura ambiente. Tanto el ELM440A como el ELM460A deben tener su corriente de carga reducida linealmente desde sus valores nominales a 25°C hasta cero aproximadamente a 100-120°C. Esta curva es crítica para asegurar que la disipación de potencia total del dispositivo (I_L²* R_d(ON)) no exceda los límites a altas temperaturas.

3.2 Variación de la Resistencia de Encendido y Tiempos de Conmutación

Figura 2: Resistencia de Encendido vs. Temperatura Ambienteindica que R_d(ON)aumenta con la temperatura. Para el ELM460A, R_d(ON)puede aumentar más del 50% desde 25°C hasta 100°C. Esto debe tenerse en cuenta en los cálculos de caída de tensión a temperaturas elevadas.

Figura 3: Tiempo de Conmutación vs. Temperatura Ambientedemuestra que tanto T_oncomo T_offaumentan moderadamente al disminuir la temperatura, particularmente por debajo de 0°C. Los diseñadores de circuitos que operan en ambientes fríos deben considerar una conmutación ligeramente más lenta.

3.3 Relación Entrada/Salida

Figuras 4 y 5: Tiempo de Conmutación vs. Corriente Directa del LEDmuestran que aumentar la corriente de accionamiento del LED (I_F) reduce significativamente los tiempos de encendido y apagado. Esto permite a los diseñadores intercambiar velocidad de conmutación por consumo de potencia de entrada. Accionar el LED con 20-30 mA en lugar de 10 mA puede reducir los tiempos de conmutación a más de la mitad.

Figuras 6 y 7: Corriente de Operación del LED Normalizada vs. Temperaturarevelan que la I_F(on)requerida para encender la salida disminuye al aumentar la temperatura, mientras que la I_F(off)(el punto donde se apaga) aumenta. Este estrechamiento de la ventana de operación a altas temperaturas debe considerarse en el diseño de márgenes.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Configuración de Pines y Esquema

El dispositivo utiliza una huella estándar SOP de 4 pines.

• Pin 1: Ánodo del LED
• Pin 2: Cátodo del LED
• Pines 3 y 4: Salida MOSFET (conexiones de Source y Drain; el circuito interno muestra que están conectados de manera que el dispositivo funciona como un interruptor SPST).

El esquema confirma la arquitectura: un LED infrarrojo acciona una matriz de células fotovoltaicas, que genera una tensión para polarizar las puertas de los MOSFETs de salida, encendiéndolos.

4.2 Dimensiones del Paquete y Marcado

El paquete tiene un tamaño de cuerpo de aproximadamente 4.59mm x 3.81mm con una altura de 1.73mm (máx.). El paso de los terminales es de 2.54mm. Se proporciona un patrón de soldadura recomendado para PCB (layout de pads) para asegurar una soldadura fiable y estabilidad mecánica. El dispositivo está marcado en la parte superior con un código que indica el logotipo del fabricante, número de parte (ej., M440A), año/semana de fabricación y una 'V' opcional para las versiones homologadas por VDE.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

El dispositivo está diseñado para montaje superficial utilizando procesos de soldadura por reflujo. El límite absoluto máximo para la temperatura de soldadura es de 260°C durante 10 segundos. Esto se alinea con perfiles típicos de reflujo sin plomo (Pb-free). Los diseñadores deben seguir el layout de pads recomendado para evitar el efecto "tombstoning" y asegurar la correcta formación de las juntas de soldadura. El dispositivo cumple con las directivas libre de halógenos, sin plomo y RoHS, lo que lo hace adecuado para fabricación respetuosa con el medio ambiente.

6. Información de Pedido y Embalaje

El número de parte sigue la estructura: ELM4XXA(X)-VG.

• 4XXA:Núcleo del número de parte (440A para 400V, 460A para 600V).
• (X):Opción de cinta y carrete. 'TA' o 'TB' denotan diferentes especificaciones de carrete. Si se omite, las piezas se suministran en tubos de 100 unidades.
• -V:Sufijo opcional que denota que la unidad está homologada por VDE.
• -G:Indica cumplimiento Libre de Halógenos.

Las versiones SMD estándar (embalaje en tubo) contienen 100 unidades. Las opciones de cinta y carrete contienen 3000 unidades por carrete.

7. Sugerencias de Aplicación y Consideraciones de Diseño

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

El ELM4XXA es ideal para conmutar señales o cargas de tensión moderada y baja corriente. Ejemplos incluyen:

• Aislamiento de líneas de señal analógicas o digitales en equipos de prueba.
• Conmutación de elementos calefactores o pequeños solenoides en controles industriales.
• Proporcionar entradas de control aisladas en fuentes de alimentación o accionamientos de motores.
• Interfaz entre lógica de baja tensión y circuitos periféricos de mayor tensión en paneles de seguridad.

7.2 Consideraciones de Diseño Críticas

• Circuito de Accionamiento de Entrada:Siempre debe usarse una resistencia en serie con el LED para limitar la corriente. El valor se calcula como (Tensión de Alimentación - V_F) / I_FDeseada. Para asegurar un apagado fiable, el circuito de control debe llevar el cátodo del LED a una tensión muy cercana a la del ánodo, minimizando cualquier corriente de fuga que pueda encender la salida inadvertidamente.
• Consideraciones de la Carga de Salida:El relé está diseñado para conmutación de cargas de CC. Para cargas de CA, se requeriría protección adicional (como una red amortiguadora), y la tensión nominal se refiere a la tensión de pico, no a la RMS. La corriente de carga debe reducirse según la Figura 1 en función de la temperatura ambiente máxima esperada. La disipación de potencia en estado de conducción (I_L²* R_d(ON)) debe calcularse a la temperatura de operación (usando R_d(ON)de la Figura 2) para asegurar que no exceda P_out.
• Gestión Térmica:Aunque el paquete es pequeño, asegurar un área de cobre de PCB adecuada alrededor de los pines (especialmente pines 3 y 4) ayuda a disipar calor y mejora la capacidad de manejo de corriente y la longevidad.
• Margen de Tensión:Para una operación fiable a largo plazo, la tensión en estado estacionario aplicada a través de la salida (V_L) debe tener un margen cómodo por debajo de la tensión de ruptura nominal (400V o 600V), especialmente en entornos con transitorios de tensión.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

Comparado con los relés electromecánicos tradicionales (EMR), el ELM4XXA ofrece una vida útil superior (miles de millones vs. millones de ciclos), conmutación más rápida, operación silenciosa y mejor resistencia a golpes/vibraciones. Comparado con otros SSR u optoacopladores con salidas de transistor, su salida MOSFET proporciona una menor resistencia de encendido y puede conmutar tanto cargas de CA como de CC con un voltaje de offset mínimo. El paquete SOP de 4 pines es uno de los más pequeños disponibles para SSR con estas tensiones y corrientes nominales, ofreciendo un ahorro de espacio significativo. La inclusión de homologaciones de las principales agencias de seguridad internacionales (UL, cUL, VDE, etc.) simplifica la certificación del producto final para mercados globales.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

9.1 ¿Puede este relé conmutar cargas de CA?

Los MOSFETs de salida tienen un diodo de cuerpo. En la configuración estándar, el dispositivo está destinado principalmente a la conmutación de cargas de CC. Para conmutación de CA, se pueden conectar dos dispositivos espalda con espalda (source-to-source), o un circuito externo debe gestionar el flujo de corriente en ambas direcciones. La tensión nominal se aplica a la tensión de pico de la forma de onda de CA.

9.2 ¿Por qué la corriente de carga de la versión de 600V (ELM460A) es menor que la de la versión de 400V (ELM440A)?

Los MOSFETs de mayor tensión típicamente tienen una resistencia de encendido específica más alta (R_ds(on)* Área). Para caber dentro del mismo paquete pequeño, el chip MOSFET de 600V tendrá una R_d(ON)más alta (40-70 Ω vs. 20-30 Ω). Para una corriente dada, la disipación de potencia (I²R) es mayor en la pieza de 600V. Para mantener la temperatura de unión dentro de límites seguros y mantener la fiabilidad, la corriente continua máxima debe reducirse.

9.3 ¿Cómo me aseguro de que el relé se apague completamente?

Asegúrese de que el circuito de control reduzca la corriente a través del LED de entrada por debajo de la especificación máxima de I_F(off)(0.6 mA típico). En la práctica, esto significa llevar el cátodo del LED a una tensión muy cercana a la de su ánodo, o usar una resistencia en serie lo suficientemente grande para limitar cualquier diferencia de tensión residual a una corriente por debajo de este umbral. Evite entradas flotantes.

10. Caso Práctico de Estudio de Diseño

Escenario:Diseñar un interruptor de lado bajo para una válvula solenoide de 24V CC, 80mA en un controlador industrial con una temperatura ambiente máxima de 60°C. La señal de control es de 3.3V desde un microcontrolador.

Selección del Dispositivo:Se elige el ELM440A (tensión nominal 400V) debido a su mayor capacidad de corriente. La carga de 24V está muy dentro de su tensión nominal.

Derating Térmico:De la Figura 1, a 60°C, el ELM440A puede manejar aproximadamente el 90-95% de su corriente nominal de 120mA. 80mA es ~67% de la nominal, lo cual es aceptable.

Diseño del Circuito de Entrada:Suponiendo V_F= 1.2V. Para proporcionar una corriente de accionamiento de 10mA para una conmutación rápida, la resistencia en serie R = (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 Ω. Se puede usar una resistencia estándar de 200 Ω. Un pin GPIO puede suministrar esta corriente directamente.

Análisis de Salida:A 60°C, de la Figura 2, R_d(ON)es ~22-23 Ω. Disipación de potencia P = (0.08A)²* 23Ω = 0.147W. Esto está muy por debajo de la P_outnominal de 500mW. Caída de tensión a través del relé = 0.08A * 23Ω = 1.84V, dejando 22.16V para el solenoide.

Layout:Siga el layout de pads recomendado y conecte los pines de drain/source (3 y 4) a áreas generosas de cobre para ayudar a la disipación de calor.

11. Principio de Funcionamiento

El ELM4XXA opera bajo el principio de aislamiento óptico. Cuando se aplica una corriente directa al LED infrarrojo de AlGaAs de entrada, éste emite luz. Esta luz es detectada por una matriz de diodos fotovoltaicos en el lado de salida aislado. Esta matriz genera una tensión de circuito abierto suficiente para polarizar completamente las puertas de los MOSFETs de potencia de canal N que forman el interruptor de salida. Cuando se elimina la corriente del LED, la tensión fotovoltaica decae y las puertas de los MOSFETs se descargan a través de caminos internos, apagando el interruptor de salida. Este mecanismo proporciona varios kilovoltios de aislamiento galvánico entre los circuitos de entrada y salida, protegiendo la electrónica de control sensible de los transitorios de alta tensión en el lado de la carga.

12. Tendencias Tecnológicas

El mercado de relés de estado sólido continúa evolucionando hacia una mayor densidad de potencia, menor resistencia de encendido y paquetes más pequeños. Los avances en materiales semiconductores, como el uso de carburo de silicio (SiC) o nitruro de galio (GaN) para los interruptores de salida, podrían permitir que futuros SSR en paquetes similares manejen mayores tensiones y corrientes con menores pérdidas. La integración de características de protección como detección de sobrecorriente, apagado térmico y retroalimentación de estado directamente en el paquete SSR es otra tendencia creciente, simplificando el diseño del sistema y mejorando la robustez. La demanda de miniaturización y alta fiabilidad en aplicaciones automotrices, IoT industrial y energías renovables continuará impulsando la innovación en esta categoría de componentes.