Fiche technique de la série EL4XXA-G - Relais statique (SSR) Forme A 4 broches DIP - Sortie 60-600V - Courant de charge 550-50mA - Sans halogène

1. Vue d'ensemble du produit

La série EL4XXA-G est constituée de relais statiques (SSR) unipolaires, normalement ouverts (Forme A), dans un boîtier DIP 4 broches. Ces dispositifs utilisent une LED infrarouge AlGaAs couplée optiquement à un circuit détecteur de sortie haute tension composé d'un réseau de diodes photovoltaïques et de MOSFETs. Cette conception fournit un équivalent à l'état solide d'un relais électromécanique (EMR) 1 Forme A, offrant des avantages tels qu'une durée de vie plus longue, un fonctionnement silencieux et une résistance aux chocs et vibrations mécaniques. La série est disponible en options pour montage en surface (CMS) et est conforme aux normes sans halogène et RoHS.

1.1 Avantages principaux

• Isolation élevée :Fournit une isolation de 5000 Vrms entre l'entrée et la sortie, améliorant la sécurité et l'immunité au bruit dans les circuits de commande.
• Courant de commande faible :Caractérisé par un faible courant d'allumage de la LED (typiquement 3-5mA), le rendant compatible avec les sorties de microcontrôleurs basse consommation.
• Large plage de tension :La série couvre des tensions de tenue de sortie de 60V (EL406A) à 600V (EL460A), adaptée à diverses applications de commutation de charges AC/DC.
• Conformité robuste :Construction sans halogène et conformité aux principales normes de sécurité internationales incluant UL 1577, UL 508, VDE et CQC.
• Large plage de température :Fonctionne de manière fiable de -40°C à +85°C, adapté aux environnements industriels et sévères.

1.2 Applications cibles

Ces SSR sont conçus pour des applications nécessitant une commutation isolée et fiable. Les cas d'utilisation typiques incluent :

• Équipements de télécommunication :Aiguillage de signaux et commutation de cartes de ligne.
• Instruments de test et de mesure :Commutation de signaux dans les équipements de test automatisés (ATE).
• Automatisation industrielle (FA) & de bureau (OA) :Commande de capteurs, électroaimants et petits moteurs.
• Systèmes de contrôle industriel :Modules de sortie de PLC, interfaces de contrôle de processus.
• Systèmes de sécurité :Commutation de panneaux d'alarme et contrôle d'accès.

2. Analyse des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques absolues maximales

Le tableau suivant résume les limites critiques à ne pas dépasser pour éviter une détérioration permanente du dispositif. Ce ne sont pas des conditions de fonctionnement.

• Entrée (côté LED) :Le courant direct maximal (IF) est de 50mA DC, avec un courant direct de crête (IFP) de 1A en conditions pulsées (cycle de service 0.1%). La tension inverse maximale (VR) est de 5V.
• Sortie (côté commutateur) :La tension de claquage (VL) définit la tension maximale que les MOSFETs de sortie peuvent bloquer. Elle varie selon le modèle : EL406A (60V), EL425A (250V), EL440A (400V), EL460A (600V). Le courant de charge continu (IL) nominal diminue à mesure que la tension nominale augmente, passant de 550mA pour l'EL406A à 50mA pour l'EL460A, reflétant le compromis entre tenue en tension et résistance à l'état passant.
• Isolation & Thermique :La tension d'isolation (Viso) est de 5000 Vrms. Le dispositif peut être stocké de -40°C à +125°C et fonctionner de -40°C à +85°C. La température de soudure est de 260°C pendant 10 secondes.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres définissent la performance du dispositif dans des conditions de fonctionnement typiques (TA=25°C).

• Caractéristiques d'entrée :La tension directe (VF) est typiquement de 1.18V à IF=10mA, avec un maximum de 1.5V. Cette faible VF contribue à l'exigence de faible puissance de commande.
• Caractéristiques de sortie (Différenciateur clé) :La résistance à l'état passant (Rd(ON)) est un paramètre critique affectant la dissipation de puissance et la chute de tension aux bornes du commutateur. Elle varie significativement au sein de la série :
  • EL406A : Typ. 0.7Ω, Max. 2.5Ω
  • EL425A : Typ. 6.5Ω, Max. 15Ω
  • EL440A : Typ. 20Ω, Max. 30Ω
  • EL460A : Typ. 40Ω, Max. 70Ω
  Cette augmentation de Rd(ON) avec des tensions nominales plus élevées est une caractéristique fondamentale de la conception MOSFET, impactant la génération de chaleur pour un courant de charge donné.
• Vitesse de commutation :Le temps d'allumage (Ton) est relativement lent (typiquement 1.4ms max 3ms) en raison du mécanisme de charge de grille photovoltaïque. Le temps d'extinction (Toff) est très rapide (typiquement 0.05ms max 0.5ms). Cette asymétrie est importante pour les applications sensibles au timing.
• Caractéristiques de transfert :Le courant d'allumage de la LED (IF(on)) est le courant minimum requis pour allumer complètement le MOSFET de sortie, typiquement 3-5mA. Le courant d'extinction (IF(off)) est le courant maximum auquel la sortie est garantie éteinte, typiquement 0.4mA. Ceci définit les seuils de logique de commande d'entrée.

3. Analyse des courbes de performance

Bien que des données graphiques spécifiques ne soient pas fournies dans le texte, la fiche technique fait référence aux courbes de caractéristiques électro-optiques typiques. Sur la base des paramètres, les relations clés peuvent être déduites :

• Résistance à l'état passant vs Température :Le Rd(ON) des MOSFETs a un coefficient de température positif. Il augmentera avec la hausse de la température de jonction, entraînant des pertes par conduction plus élevées à température élevée. Une conception thermique appropriée est essentielle, en particulier pour les modèles avec des courants nominaux plus élevés (EL406A).
• Tension directe de la LED vs Courant :La courbe VF vs IF est standard pour une LED AlGaAs. Il est recommandé d'alimenter la LED avec un courant constant (par ex. 10mA) pour un fonctionnement stable malgré les variations de température.
• Courant de fuite de sortie vs Tension :Le courant de fuite à l'état bloqué (Ileak) est spécifié à un maximum de 1μA à la tension nominale complète. Ce paramètre est crucial pour les applications nécessitant une très haute impédance à l'état bloqué.

4. Informations mécaniques et de boîtier

4.1 Dimensions et types de boîtier

La série propose trois options principales de forme de broches pour s'adapter aux différents processus d'assemblage de PCB :

1. Type DIP standard :Boîtier traversant avec un espacement entre rangées de 0.1 pouce (2.54mm) pour une soudure à la vague ou manuelle conventionnelle.
2. Type Option M :Boîtier traversant avec une courbure de broche plus large, offrant un espacement entre rangées de 0.4 pouce (10.16mm) pour des applications nécessitant une plus grande distance de fuite ou des besoins spécifiques de placement sur PCB.
3. Type Option S1 :Forme de broche pour dispositif monté en surface (CMS) avec un profil bas. Cette option est essentielle pour l'assemblage automatisé pick-and-place et les conceptions de PCB haute densité.

4.2 Identification de polarité et marquage

La configuration des broches est clairement définie :

• Broche 1 : Anode de la LED (+)
• Broche 2 : Cathode de la LED (-)
• Broches 3 & 4 : Bornes Drain des MOSFETs (commutateur de sortie). Celles-ci sont typiquement connectées ensemble sur le PCB pour gérer le courant de charge.

Le dispositif est marqué sur le dessus avec un code :EL [Numéro de pièce] G YWWV.
Exemple : "EL 460A G YWWV" indique un EL460A, sans halogène (G), avec l'année (Y) et la semaine (WW) de fabrication, et l'option VDE (V).

4.3 Configuration recommandée des pastilles CMS

Pour l'option S1 (montage en surface), une configuration spécifique des pastilles est recommandée pour assurer une soudure fiable et une résistance mécanique. Les dimensions assurent une formation correcte du ménisque de soudure et un dégagement thermique pendant le refusion.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

• Soudure par refusion (Option S1) :Le dispositif est conçu pour une température de soudure de pointe de 260°C pendant 10 secondes. Les profils de refusion standard sans plomb (IPC/JEDEC J-STD-020) sont applicables. Assurez-vous que le profil ne dépasse pas la température maximale ou le temps à la température de pointe.
• Soudure à la vague (Options DIP & M) :Les processus de soudure à la vague standard peuvent être utilisés. Un préchauffage est recommandé pour minimiser le choc thermique.
• Soudure manuelle :Utilisez un fer à souder à température contrôlée. Limitez le temps de contact pour éviter un transfert de chaleur excessif vers le boîtier.
• Nettoyage :Compatible avec la plupart des processus de nettoyage de flux courants. Vérifiez la compatibilité si vous utilisez des solvants agressifs.
• Stockage :Stockez dans un environnement sec et antistatique dans la plage de température spécifiée (-40°C à +125°C). Pour un stockage prolongé, suivez les directives du niveau de sensibilité à l'humidité (MSL), en utilisant généralement un emballage sec pour les pièces CMS.

6. Informations d'emballage et de commande

6.1 Système de numérotation des modèles

Le numéro de pièce suit le format :EL4XXA(Y)(Z)-VG

• XX :Numéro de pièce (06, 25, 40, 60) définissant la tension/courant de sortie nominal.
• Y :Option de forme de broche (S1 pour montage en surface, ou vide pour DIP standard).
• Z :Option bande et bobine (TA, TB, TU, TD, ou vide pour tube).
• V :Indique l'option d'homologation de sécurité VDE.
• G :Désigne une construction sans halogène.

6.2 Spécifications d'emballage

• Emballage en tube :Les types DIP standard et Option M sont fournis en tubes de 100 unités.
• Bande et bobine (Option S1) :Disponible en différents types de bobines :
  • TA, TB : 1000 unités par bobine.
  • TU, TD : 1500 unités par bobine.
  Les dimensions détaillées de la bande (taille de poche A0, B, pas P0, P1, etc.) sont fournies pour la compatibilité avec les chargeurs des équipements d'assemblage automatisés.

7. Considérations de conception d'application

7.1 Conception du circuit d'entrée

Alimentez la LED d'entrée avec une source de courant constant ou une source de tension avec une résistance de limitation de courant en série. Calculez la valeur de la résistance en utilisant : R = (Vcc - VF) / IF, où VF est typiquement 1.18V-1.5V et IF est choisi entre 5mA et 20mA pour une vitesse et une fiabilité optimales. Assurez-vous que le circuit de commande peut fournir au moins le minimum IF(on) (5mA max) pour garantir un allumage complet de la sortie. Une diode de protection inverse en parallèle avec la LED n'est pas strictement nécessaire en raison de la tension inverse intégrée de 5V, mais peut être ajoutée pour une robustesse accrue dans des environnements bruyants.

7.2 Conception du circuit de sortie

Sélection de la tension :Choisissez le modèle (EL406A, 425A, 440A, 460A) en fonction de la tension de crête (DC ou AC) de votre charge, y compris toute surtension ou transitoire. Une déclassement de sécurité de 20-30% est recommandé.
Courant et dissipation de puissance :La contrainte de conception clé est la dissipation de puissance et la chaleur. La puissance dissipée dans le SSR (Pdiss) est calculée comme suit : Pdiss = (IL^2 * Rd(ON)) + (IF * VF). Le premier terme est dominant. Par exemple, faire fonctionner un EL406A à son courant de charge maximal de 550mA avec un Rd(ON) typique de 0.7Ω génère ~212mW de chaleur. Assurez-vous que la dissipation de puissance totale (Pout max 500mW) n'est pas dépassée et que le PCB fournit un dégagement thermique adéquat, en particulier pour les modèles à courant plus élevé.
Charges inductives/capacitives :Lors de la commutation de charges inductives (relais, électroaimants, moteurs), utilisez un circuit d'amortissement (réseau RC) ou une diode de roue libre en parallèle avec la charge pour supprimer les pointes de tension qui pourraient dépasser la tension VL du dispositif. Pour les charges capacitives, envisagez une limitation du courant d'appel.

7.3 Gestion thermique

Le SSR n'a pas de dissipateur thermique interne. La chaleur est évacuée par les broches. Utilisez une surface de cuivre suffisante sur les pastilles du PCB, en particulier pour les broches 3 et 4 (sortie), pour servir de dissipateur thermique. Pour des températures ambiantes élevées ou un fonctionnement continu à courant élevé, surveillez la température du dispositif pour vous assurer qu'elle reste dans la plage de fonctionnement. La résistance à l'état passant augmentera avec la température, créant un effet d'auto-limitation mais réduisant également les performances.

8. Guide de comparaison et de sélection technique

La série EL4XXA-G offre une matrice de compromis claire :

• EL406A (60V, 550mA) :Meilleur choix pour la commutation DC basse tension, courant plus élevé (par ex. systèmes 12V/24V, appareils sur batterie) où la faible chute de tension et les pertes de puissance sont critiques. A le Rd(ON) le plus bas.
• EL425A (250V, 150mA) & EL440A (400V, 120mA) :Idéal pour les applications principales de tension secteur AC (120VAC, 240VAC) commutant de petites charges comme des indicateurs, de petits électroaimants, ou comme dispositifs pilotes pour des contacteurs plus grands. L'EL440A offre une marge supplémentaire pour les systèmes 240VAC.
• EL460A (600V, 50mA) :Conçu pour les applications industrielles haute tension ou les situations avec des transitoires de tension significatifs. Adapté pour la commutation de signaux ou de charges de très faible puissance dans des environnements haute tension.

Comparaison avec les Relais Électromécaniques (EMR) :Ces SSR n'ont pas de pièces mobiles, donc pas de rebond de contact, d'arc électrique ou de mécanismes d'usure liés au nombre de cycles. Ils fonctionnent silencieusement et sont insensibles aux vibrations. Cependant, ils ont une résistance à l'état passant inhérente entraînant une génération de chaleur et une chute de tension, et ont généralement des courants nominaux plus faibles et un coût par ampère plus élevé que les EMR comparables.

Comparaison avec d'autres SSR :Le schéma de couplage MOSFET photovoltaïque fournit une isolation très élevée et une commutation propre sans nécessiter d'alimentation de polarisation externe du côté sortie (contrairement aux coupleurs phototransistor ou phototriac). La vitesse d'allumage est plus lente que certains autres opto-MOSFETs mais est suffisante pour la plupart des applications de contrôle.

9. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q1 : Puis-je utiliser ce SSR pour commuter directement des charges AC ?
R1 : Oui, mais avec des mises en garde importantes. La sortie est une paire de MOSFETs. La plupart des MOSFETs ont une diode de corps intrinsèque. Dans une configuration standard, ce SSR peut bloquer une tension de polarité quelconque lorsqu'il est éteint, mais ne peut conduire le courant que dans une seule direction lorsqu'il est allumé (comme une diode). Pour une véritable commutation de charge AC, deux dispositifs devraient être configurés en série inverse (dos à dos). Certains SSR ont cette configuration en interne, mais la fiche technique EL4XXA-G montre un schéma à MOSFET unique, indiquant qu'il est destiné à la commutation DC ou unidirectionnelle. Vérifiez la capacité du modèle spécifique pour votre application AC.

Q2 : Pourquoi le temps d'allumage est-il beaucoup plus lent que le temps d'extinction ?
R2 : Le temps d'allumage est limité par la vitesse à laquelle le réseau de diodes photovoltaïques peut générer suffisamment de courant pour charger la capacité de grille du MOSFET de sortie jusqu'à sa tension de seuil. C'est un processus relativement lent, limité en courant. L'extinction est rapide car elle nécessite seulement de décharger la grille via le circuit interne, ce qui peut être fait rapidement.

Q3 : Comment interpréter la spécification "Courant de charge en impulsion" ?
R3 : Le courant de charge en impulsion (ILPeak) est un courant plus élevé qui peut être supporté pendant une très courte durée (100ms, impulsion unique). Ceci est utile pour gérer les courants d'appel des lampes ou moteurs. N'utilisez pas cette spécification pour un fonctionnement continu ou à impulsions répétitives. Pour des impulsions répétitives, la dissipation de puissance moyenne doit rester dans la limite Pout.

Q4 : Un dissipateur thermique externe est-il requis ?
R4 : Typiquement non pour le boîtier DIP dans ses conditions nominales. Le dissipateur thermique principal est le cuivre du PCB. Pour un fonctionnement continu au courant de charge maximal, en particulier pour l'EL406A, assurez-vous que le PCB a une surface de cuivre adéquate (par ex. plusieurs centimètres carrés) connectée aux broches de sortie pour dissiper la chaleur. Dans des espaces confinés ou à températures ambiantes élevées, une analyse thermique est recommandée.

10. Exemple d'étude de cas d'intégration

Scénario :Conception d'un module d'E/S numérique pour un PLC qui doit commuter des charges inductives 24VDC (petites électrovannes) avec un courant en régime permanent de 200mA. L'environnement est industriellement bruyant.

Sélection du composant :L'EL406A est choisi pour sa tension nominale de 60V (bien au-dessus de 24VDC) et sa faible résistance à l'état passant. À 200mA, la chute de tension typique est seulement de 200mA * 0.7Ω = 0.14V, et la dissipation de puissance est (0.2^2)*0.7 = 0.028W, ce qui est négligeable.

Circuit d'entrée :La sortie numérique du PLC est 24VDC. Une résistance série est calculée : R = (24V - 1.3V) / 0.01A = 2270Ω. Une résistance standard de 2.2kΩ est sélectionnée, fournissant IF ≈ 10.3mA, bien au-dessus du maximum IF(on) de 5mA.

Circuit de sortie :Une diode de roue libre (1N4007) est placée directement en parallèle avec la bobine de l'électrovanne pour limiter la tension de contre-EMF inductive et protéger la sortie de l'EL406A. La cathode de la diode est connectée à l'alimentation positive, l'anode à la connexion sortie SSR/charge.

Placement sur PCB :Les broches 3 et 4 sont connectées à une grande zone de cuivre sur le PCB pour aider à la dissipation thermique, bien que la chaleur générée soit minime dans ce cas. Les pistes d'entrée et de sortie sont maintenues séparées pour conserver une bonne isolation.

Cette conception fournit une solution de commutation robuste, à longue durée de vie et silencieuse comparée à un petit relais électromécanique.

11. Principe de fonctionnement

L'EL4XXA-G fonctionne sur le principe de l'isolation optique et de la commande photovoltaïque. Lorsqu'un courant direct est appliqué à la LED infrarouge AlGaAs d'entrée, elle émet de la lumière. Cette lumière est détectée par un réseau de diodes photovoltaïques du côté sortie. Ce réseau génère une petite tension (effet photovoltaïque) lorsqu'il est éclairé. Cette tension générée est appliquée directement à la grille d'un ou plusieurs MOSFETs de puissance, les allumant et créant un chemin à faible résistance entre les broches de sortie (3 & 4). Lorsque le courant de la LED est supprimé, la lumière s'arrête, la tension photovoltaïque s'effondre et la grille du MOSFET se décharge, éteignant la sortie. Ce mécanisme fournit une isolation galvanique complète entre le circuit de commande basse tension et le circuit de charge haute tension, car seule la lumière traverse la barrière d'isolation.

12. Tendances technologiques

Les relais statiques continuent d'évoluer dans plusieurs directions clés pertinentes pour la technologie de l'EL4XXA-G :

• Résistance à l'état passant plus faible (Rd(ON)) :Les avancées dans la technologie MOSFET et des boîtiers réduisent régulièrement le Rd(ON) pour une tension nominale et une taille de boîtier données, permettant une commutation à courant plus élevé dans des empreintes plus petites et avec des pertes plus faibles.
• Intégration plus élevée :Les tendances incluent l'intégration de drivers côté entrée (sources de courant constant, traducteurs de niveau logique) et de fonctions de protection côté sortie (limiteurs de surtension, arrêt en surtempérature) dans le boîtier SSR, simplifiant le circuit externe.
• Performance thermique améliorée :Les nouvelles conceptions de boîtiers avec pastilles thermiques exposées (par ex. boîtiers DIP avec une pastille inférieure) permettent un transfert de chaleur beaucoup plus efficace vers le PCB, augmentant significativement le courant continu nominal pour le même silicium.
• Plages de tension plus larges :Les dispositifs capables de bloquer des tensions plus élevées (1kV+) deviennent plus courants dans des boîtiers compacts, poussés par les applications dans les énergies renouvelables et les véhicules électriques.
• Accent sur la sécurité et la conformité :Comme pour l'EL4XXA-G, l'accent est de plus en plus mis sur le respect des dernières normes de sécurité internationales (UL, VDE, CQC), des réglementations environnementales (sans halogène, RoHS) et des qualifications de qualité automobile pour la fiabilité.

La série EL4XXA-G représente une implémentation mature et fiable de la technologie SSR MOSFET photovoltaïque, bien adaptée à un large éventail d'applications de contrôle industrielles et commerciales nécessitant une commutation de puissance faible à moyenne sûre, isolée et fiable.