مستندات فنی سری رله‌های حالت جامد ELM4XXA - بسته‌بندی 4 پایه SOP - ولتاژ بار 400V/600V - جریان بار 120mA/50mA

1. مرور کلی محصول

سری ELM4XXA خانواده‌ای از رله‌های حالت جامد تک کاناله، معمولاً باز (1 Form A) است که در یک بسته‌بندی کوچک 4 پایه SOP جمع‌آوری شده‌اند. این دستگاه‌ها برای جایگزینی رله‌های الکترومکانیکی (EMR) در کاربردهایی با محدودیت فضا که نیازمند قابلیت اطمینان بالا، سوئیچینگ سریع و مصرف توان پایین هستند، طراحی شده‌اند. فناوری اصلی شامل یک LED مادون قرمز AlGaAs است که به صورت نوری به یک آرایه دیود فوتوولتائیک کوپل شده و گیت‌های ماسفت‌های خروجی را بایاس می‌کند، در نتیجه ایزولاسیون گالوانیکی بین مدار کنترل کم‌ولتاژ و مدار بار پرولتاژ فراهم می‌شود.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزایای اصلی سری ELM4XXA ناشی از ساختار حالت جامد آن است. مزایای کلیدی شامل عملکرد بی‌صدا، عدم وجود نویز تماس، طول عمر عملیاتی طولانی و مقاومت در برابر ضربه و لرزش است. جریان عملیاتی پایین LED بار روی مدارهای کنترلی مانند میکروکنترلرها یا گیت‌های منطقی را به حداقل می‌رساند. این سری به ویژه برای تجهیزات الکترونیکی مدرن که کوچک‌سازی، بهره‌وری انرژی و قابلیت اطمینان در آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است، مناسب می‌باشد.

کاربردهای هدف:این سری رله برای استفاده در تجهیزات تلفن مرکزی، ابزارهای اندازه‌گیری و آزمایش، تجهیزات اتوماسیون صنعتی (FA) و اتوماسیون اداری (OA)، سیستم‌های کنترل صنعتی و سیستم‌های امنیتی طراحی شده است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

عملکرد سری ELM4XXA توسط مجموعه جامعی از پارامترهای الکتریکی، نوری و حرارتی تعریف می‌شود. درک این مشخصات برای طراحی صحیح مدار و عملکرد قابل اطمینان بسیار مهم است.

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

این محدوده‌ها، حد تنش‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود.

• ورودی (سمت LED):حداکثر جریان مستقیم (I_F) برابر با 50 میلی‌آمپر DC است. یک جریان مستقیم پیک (I_FP) معادل 1 آمپر تحت شرایط پالسی (چرخه وظیفه 0.1% در 100 هرتز) مجاز است. حداکثر ولتاژ معکوس (V_R) برابر با 5 ولت است.
• خروجی (سمت ماسفت):ولتاژ شکست (V_L) دو نوع اصلی را متمایز می‌کند: 400 ولت برای ELM440A و 600 ولت برای ELM460A. بر این اساس، حداکثر جریان بار پیوسته (I_L) برای نسخه 400 ولت 120 میلی‌آمپر و برای نسخه 600 ولت 50 میلی‌آمپر است. یک جریان بار پالسی بالاتر برای مدت زمان کوتاه (100 میلی‌ثانیه تک پالس) مجاز است.
• ایزولاسیون:دستگاه یک ولتاژ ایزولاسیون بالا (V_iso) معادل 3750 ولت_rmsبه مدت 1 دقیقه فراهم می‌کند که ایمنی و مصونیت در برابر نویز بین ورودی و خروجی را تضمین می‌کند.
• حرارتی:محدوده دمای محیط عملیاتی از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد است. تلفات توان کل دستگاه (P_T) نباید از 550 میلی‌وات تجاوز کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکال

این پارامترها که در دمای T_A= 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده‌اند، رفتار عملیاتی دستگاه تحت شرایط عادی را تعریف می‌کنند.

• مشخصات ورودی:ولتاژ مستقیم LED (V_F) معمولاً در جریان I_F= 10 میلی‌آمپر برابر با 1.18 ولت است، با حداکثر 1.5 ولت. این V_F پایین به مصرف توان کم کمک می‌کند.
• مشخصات خروجی:یک پارامتر حیاتی مقاومت حالت روشن (R_d(ON)) است. برای ELM440A، این مقدار معمولاً 20 اهم (حداکثر 30 اهم) و برای ELM460A معمولاً 40 اهم (حداکثر 70 اهم) است. این مقاومت مستقیماً بر افت ولتاژ و تلفات توان در سراسر رله هنگام هدایت تأثیر می‌گذارد. جریان نشتی حالت خاموش (I_leak) تضمین شده است که کمتر از 1 میکروآمپر باشد، که تلفات توان هنگام باز بودن رله را به حداقل می‌رساند.
• مشخصات انتقال:این مشخصات رابطه بین ورودی و خروجی را تعریف می‌کنند. جریان روشن‌کننده LED (I_F(on)) مورد نیاز برای فعال‌سازی کامل ماسفت‌های خروجی در حداکثر بار بسیار پایین است، معمولاً 1 میلی‌آمپر (حداکثر 5 میلی‌آمپر). جریان خاموش‌کننده LED (I_F(off)) حداکثر جریان ورودی است که در آن خروجی تضمین می‌شود خاموش باشد (I_L≤ 1 میکروآمپر)، که معمولاً 0.6 میلی‌آمپر است.
• سرعت سوئیچینگ:زمان روشن شدن (T_on) و زمان خاموش شدن (T_off) در محدوده زیر میلی‌ثانیه هستند. تحت شرایط آزمایش استاندارد (I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω)، T_onمعمولاً 0.1 میلی‌ثانیه و T_offمعمولاً 0.2 میلی‌ثانیه است. این مقدار به طور قابل توجهی سریع‌تر از اکثر EMRها است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد پارامترهای کلیدی چگونه با شرایط عملیاتی تغییر می‌کنند، که برای کاهش حرارتی و طراحی مقاوم ضروری است.

3.1 کاهش حرارتی

شکل 1: جریان بار در مقابل دمای محیطکاهش ضروری حداکثر جریان بار پیوسته را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. هر دو مدل ELM440A و ELM460A باید جریان بار خود را به صورت خطی از مقادیر نامی در 25 درجه سانتی‌گراد تا تقریباً صفر در حدود 100-120 درجه سانتی‌گراد کاهش دهند. این منحنی برای اطمینان از اینکه تلفات توان کل دستگاه (I_L²* R_d(ON)) در دماهای بالا از محدودیت‌ها تجاوز نکند، حیاتی است.

3.2 تغییرات مقاومت روشن و زمان سوئیچینگ

شکل 2: مقاومت روشن در مقابل دمای محیطنشان می‌دهد که R_d(ON)با افزایش دما افزایش می‌یابد. برای ELM460A، R_d(ON)می‌تواند از 25 درجه سانتی‌گراد تا 100 درجه سانتی‌گراد بیش از 50% افزایش یابد. این باید در محاسبات افت ولتاژ در دماهای بالا در نظر گرفته شود.

شکل 3: زمان سوئیچینگ در مقابل دمای محیطنشان می‌دهد که هر دو T_onو T_offبا کاهش دما، به ویژه زیر 0 درجه سانتی‌گراد، به میزان متوسطی افزایش می‌یابند. طراحان مدارهایی که در محیط‌های سرد کار می‌کنند باید سوئیچینگ کمی کندتر را در نظر بگیرند.

3.3 رابطه ورودی/خروجی

شکل‌های 4 و 5: زمان سوئیچینگ در مقابل جریان مستقیم LEDنشان می‌دهند که افزایش جریان راه‌اندازی LED (I_F) به طور قابل توجهی زمان‌های روشن و خاموش شدن را کاهش می‌دهد. این به طراحان اجازه می‌دهد تا بین سرعت سوئیچینگ و مصرف توان ورودی مبادله کنند. راه‌اندازی LED با 20-30 میلی‌آمپر به جای 10 میلی‌آمپر می‌تواند زمان‌های سوئیچینگ را بیش از نصف کاهش دهد.

شکل‌های 6 و 7: جریان عملیاتی نرمال‌شده LED در مقابل دمانشان می‌دهد که I_F(on)مورد نیاز برای روشن کردن خروجی با افزایش دما کاهش می‌یابد، در حالی که I_F(off)(نقطه‌ای که خاموش می‌شود) افزایش می‌یابد. این باریک شدن پنجره عملیاتی در دماهای بالا باید در طراحی حاشیه ایمنی در نظر گرفته شود.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 پیکربندی پایه‌ها و شماتیک

دستگاه از یک فوت‌پرینت استاندارد 4 پایه SOP استفاده می‌کند.

• پایه 1: آند LED
• پایه 2: کاتد LED
• پایه‌های 3 و 4: خروجی ماسفت (اتصالات سورس و درین؛ مدار داخلی نشان می‌دهد که این‌ها به گونه‌ای متصل شده‌اند که دستگاه را به یک سوئیچ SPST تبدیل می‌کنند).

شماتیک معماری را تأیید می‌کند: یک LED مادون قرمز یک آرایه سلول فوتوولتائیک را راه‌اندازی می‌کند، که یک ولتاژ برای بایاس کردن گیت‌های ماسفت‌های خروجی تولید می‌کند و آن‌ها را روشن می‌کند.

4.2 ابعاد بسته‌بندی و نشانه‌گذاری

ابعاد بدنه بسته‌بندی تقریباً 4.59 میلی‌متر در 3.81 میلی‌متر با ارتفاع 1.73 میلی‌متر (حداکثر) است. فاصله پایه‌ها 2.54 میلی‌متر است. یک الگوی لند PCB توصیه شده (طرح پد) ارائه شده است تا لحیم‌کاری قابل اطمینان و پایداری مکانیکی تضمین شود. دستگاه در قسمت بالا با کدی نشانه‌گذاری شده است که نشان‌دهنده لوگوی سازنده، شماره قطعه (مثلاً M440A)، سال/هفته تولید و یک 'V' اختیاری برای نسخه‌های تأیید شده VDE است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این دستگاه برای مونتاژ سطحی با استفاده از فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو طراحی شده است. حداکثر دمای مجاز برای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه است. این با پروفایل‌های ریفلو معمولی بدون سرب (Pb-free) هماهنگ است. طراحان باید طرح پد توصیه شده را دنبال کنند تا از بروز پدیده "تومب‌استونینگ" جلوگیری کرده و تشکیل صحیح اتصال لحیم را تضمین کنند. این دستگاه با دستورالعمل‌های بدون هالوژن، بدون سرب و RoHS سازگار است و آن را برای تولیدات دوستدار محیط زیست مناسب می‌سازد.

6. اطلاعات سفارش و بسته‌بندی

شماره قطعه از ساختار زیر پیروی می‌کند: ELM4XXA(X)-VG.

• 4XXA:هسته شماره قطعه (440A برای 400 ولت، 460A برای 600 ولت).
• (X):گزینه نوار و قرقره. 'TA' یا 'TB' مشخصات قرقره متفاوت را نشان می‌دهند. در صورت حذف، قطعات در لوله‌های 100 تایی عرضه می‌شوند.
• -V:پسوند اختیاری که نشان می‌دهد واحد تأییدیه VDE دارد.
• -G:نشان‌دهنده سازگاری با استاندارد بدون هالوژن است.

نسخه‌های استاندارد SMD (بسته لوله‌ای) حاوی 100 واحد هستند. گزینه‌های نوار و قرقره حاوی 3000 واحد در هر قرقره هستند.

7. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

ELM4XXA برای سوئیچینگ سیگنال‌ها یا بارهای با ولتاژ متوسط و جریان کم ایده‌آل است. مثال‌ها شامل:

• ایزوله کردن خطوط سیگنال آنالوگ یا دیجیتال در تجهیزات آزمایشگاهی.
• سوئیچینگ المنت‌های گرمایشی یا سلونوئیدهای کوچک در کنترل‌های صنعتی.
• فراهم کردن ورودی‌های کنترل ایزوله در منبع تغذیه یا درایوهای موتور.
• رابط بین منطق کم‌ولتاژ و مدارهای جانبی با ولتاژ بالاتر در پنل‌های امنیتی.

7.2 ملاحظات طراحی حیاتی

• مدار راه‌انداز ورودی:همیشه باید از یک مقاومت سری با LED برای محدود کردن جریان استفاده شود. مقدار آن به صورت (ولتاژ تغذیه - V_F) / I_F مورد نظر محاسبه می‌شود. برای اطمینان از خاموش شدن قابل اطمینان، مدار کنترل باید کاتد LED را به ولتاژی بسیار نزدیک به ولتاژ آند بکشد تا هرگونه جریان نشتی که ممکن است به طور ناخواسته خروجی را روشن کند، به حداقل برسد.
• ملاحظات بار خروجی:رله برای سوئیچینگ بار DC طراحی شده است. برای بارهای AC، محافظت اضافی (مانند شبکه اسنابر) مورد نیاز خواهد بود و رتبه ولتاژ به ولتاژ پیک، نه RMS، اشاره دارد. جریان بار باید بر اساس شکل 1 و با توجه به حداکثر دمای محیط مورد انتظار کاهش یابد. تلفات توان در حالت روشن (I_L²* R_d(ON)) باید در دمای عملیاتی (با استفاده از R_d(ON)از شکل 2) محاسبه شود تا اطمینان حاصل شود که از P_out.
• تجاوز نمی‌کند.مدیریت حرارتی:
• اگرچه بسته‌بندی کوچک است، اما اطمینان از مساحت کافی مس در اطراف پایه‌ها (به ویژه پایه‌های 3 و 4) به دفع حرارت و بهبود قابلیت تحمل جریان و طول عمر کمک می‌کند.حاشیه ولتاژ:_Lبرای عملکرد قابل اطمینان بلندمدت، ولتاژ حالت پایدار اعمال شده در سراسر خروجی (V

) باید حاشیه راحتی زیر ولتاژ شکست نامی (400 ولت یا 600 ولت) داشته باشد، به ویژه در محیط‌هایی با نوسانات ولتاژ.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با رله‌های الکترومکانیکی سنتی (EMR)، ELM4XXA طول عمر برتری (میلیاردها چرخه در مقابل میلیون‌ها)، سوئیچینگ سریع‌تر، عملکرد بی‌صدا و مقاومت بهتر در برابر ضربه/لرزش ارائه می‌دهد. در مقایسه با سایر SSRها یا اپتوکوپلرها با خروجی ترانزیستوری، خروجی ماسفت آن مقاومت روشن پایین‌تری ارائه می‌دهد و می‌تواند هر دو بار AC و DC را با حداقل ولتاژ افست سوئیچ کند. بسته‌بندی 4 پایه SOP یکی از کوچک‌ترین بسته‌بندی‌های موجود برای SSRها با این رتبه‌های ولتاژ و جریان است که صرفه‌جویی قابل توجهی در فضا ارائه می‌دهد. گنجاندن تأییدیه‌های از آژانس‌های ایمنی بین‌المللی اصلی (UL، cUL، VDE و غیره) صدور گواهینامه محصول نهایی برای بازارهای جهانی را ساده می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

9.1 آیا این رله می‌تواند بارهای AC را سوئیچ کند؟

ماسفت‌های خروجی دارای یک دیود بدنه هستند. در پیکربندی استاندارد، دستگاه عمدتاً برای سوئیچینگ بار DC در نظر گرفته شده است. برای سوئیچینگ AC، دو دستگاه می‌توانند به صورت پشت به پشت (سورس به سورس) متصل شوند، یا یک مدار خارجی باید جریان را در هر دو جهت مدیریت کند. رتبه ولتاژ به ولتاژ پیک شکل موج AC اعمال می‌شود.

9.2 چرا جریان بار برای نسخه 600 ولت (ELM460A) کمتر از نسخه 400 ولت (ELM440A) است؟_{ماسفت‌های با ولتاژ بالاتر معمولاً مقاومت روشن ویژه بالاتری دارند (R}ds(on)_{* مساحت). برای قرار گرفتن در همان بسته کوچک، تراشه ماسفت با رتبه 600 ولت مقاومت R}d(ON)²بالاتری خواهد داشت (40-70 اهم در مقابل 20-30 اهم). برای یک جریان معین، تلفات توان (I

R) در قطعه 600 ولتی بالاتر است. برای نگه داشتن دمای اتصال در محدوده ایمن و حفظ قابلیت اطمینان، حداکثر جریان پیوسته باید کاهش یابد.

9.3 چگونه اطمینان حاصل کنم که رله به طور کامل خاموش می‌شود؟_{اطمینان حاصل کنید که مدار کنترل جریان از طریق LED ورودی را به زیر حداکثر مشخصات I}F(off)

(معمولاً 0.6 میلی‌آمپر) کاهش می‌دهد. در عمل، این به معنای هدایت کاتد LED به ولتاژی بسیار نزدیک به ولتاژ آند آن، یا استفاده از یک مقاومت سری به اندازه کافی بزرگ برای محدود کردن هرگونه اختلاف ولتاژ باقیمانده به جریانی زیر این آستانه است. از ورودی‌های شناور خودداری کنید.

10. مطالعه موردی طراحی عملیسناریو:

طراحی یک سوئیچ سمت پایین برای یک شیر سلونوئیدی 24 ولت DC، 80 میلی‌آمپر در یک کنترلر صنعتی با حداکثر دمای محیط 60 درجه سانتی‌گراد. سیگنال کنترل 3.3 ولت از یک میکروکنترلر است.انتخاب دستگاه:

ELM440A (رتبه 400 ولت) به دلیل قابلیت جریان بالاتر انتخاب می‌شود. بار 24 ولت به خوبی در محدوده رتبه ولتاژ آن قرار دارد.کاهش حرارتی:

از شکل 1، در دمای 60 درجه سانتی‌گراد، ELM440A می‌تواند تقریباً 90-95% از رتبه 120 میلی‌آمپر خود را تحمل کند. 80 میلی‌آمپر حدود 67% از رتبه است که قابل قبول است.طراحی مدار ورودی:_Fبا فرض V

= 1.2 ولت. برای تأمین جریان راه‌اندازی 10 میلی‌آمپر برای سوئیچینگ سریع، مقاومت سری R = (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 اهم. می‌توان از یک مقاومت استاندارد 200 اهم استفاده کرد. یک پین GPIO می‌تواند این جریان را مستقیماً تأمین کند.تحلیل خروجی:_{در دمای 60 درجه سانتی‌گراد، از شکل 2، R}d(ON)²حدود 22-23 اهم است. تلفات توان P = (0.08A)_{* 23Ω = 0.147W. این مقدار به طور قابل توجهی کمتر از رتبه P}out

معادل 500mW است. افت ولتاژ در سراسر رله = 0.08A * 23Ω = 1.84V، که 22.16V برای سلونوئید باقی می‌گذارد.لایه‌بندی:

طرح پد توصیه شده را دنبال کنید و پایه‌های درین/سورس (3 و 4) را به مساحت‌های مسی گسترده‌ای متصل کنید تا به دفع حرارت کمک کند.

11. اصل عملکرد

ELM4XXA بر اساس اصل ایزولاسیون نوری عمل می‌کند. هنگامی که یک جریان مستقیم به LED مادون قرمز AlGaAs ورودی اعمال می‌شود، نور ساطع می‌کند. این نور توسط یک آرایه دیود فوتوولتائیک در سمت خروجی ایزوله شده تشخیص داده می‌شود. این آرایه یک ولتاژ مدار باز تولید می‌کند که برای تقویت کامل گیت‌های ماسفت‌های قدرت N کانال که سوئیچ خروجی را تشکیل می‌دهند، کافی است. هنگامی که جریان LED حذف می‌شود، ولتاژ فوتوولتائیک کاهش می‌یابد و گیت‌های ماسفت از طریق مسیرهای داخلی تخلیه می‌شوند و سوئیچ خروجی خاموش می‌شود. این مکانیسم چندین کیلوولت ایزولاسیون گالوانیکی بین مدارهای ورودی و خروجی فراهم می‌کند و الکترونیک کنترل حساس را از نوسانات ولتاژ بالا در سمت بار محافظت می‌کند.

12. روندهای فناوری