Fiche technique de la série ELM4XXA - Relais statiques en boîtier SOP 4 broches - Tension de charge 400V/600V - Courant de charge 120mA/50mA - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

La série ELM4XXA représente une famille de relais statiques (SSR) à un canal, normalement ouverts (1 Forme A), conditionnés dans un boîtier SOP (Small Outline Package) compact à 4 broches. Ces dispositifs sont conçus pour remplacer les relais électromécaniques (EMR) dans les applications à encombrement limité nécessitant une haute fiabilité, une commutation rapide et une faible consommation d'énergie. La technologie de base implique une LED infrarouge AlGaAs couplée optiquement à un réseau de diodes photovoltaïques qui pilote les MOSFETs de sortie, assurant une isolation galvanique entre le circuit de commande basse tension et le circuit de charge haute tension.

1.1 Avantages clés et marché cible

Les principaux avantages de la série ELM4XXA découlent de sa construction à l'état solide. Les bénéfices clés incluent un fonctionnement silencieux, l'absence de rebond de contact, une longue durée de vie opérationnelle et une résistance aux chocs et vibrations. Le faible courant de fonctionnement de la LED minimise la charge sur les circuits de commande comme les microcontrôleurs ou les portes logiques. La série est particulièrement adaptée aux équipements électroniques modernes où la miniaturisation, l'efficacité énergétique et la fiabilité sont primordiales.

Applications cibles :Cette série de relais est conçue pour être utilisée dans les équipements de central téléphonique, les instruments de mesure et de test, les équipements d'automatisation industrielle (FA) et de bureau (OA), les systèmes de contrôle industriel et les systèmes de sécurité.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Les performances de la série ELM4XXA sont définies par un ensemble complet de paramètres électriques, optiques et thermiques. Comprendre ces spécifications est crucial pour une conception de circuit appropriée et un fonctionnement fiable.

2.1 Caractéristiques absolues maximales

Ces caractéristiques définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Le fonctionnement dans ces conditions n'est pas garanti.

• Entrée (côté LED) :Le courant direct maximal (I_F) est de 50 mA en continu. Un courant direct de crête (I_FP) de 1 A est autorisé en conditions pulsées (cycle de service de 0,1 % à 100 Hz). La tension inverse maximale (V_R) est de 5 V.
• Sortie (côté MOSFET) :La tension de claquage (V_L) différencie les deux principales variantes : 400 V pour l'ELM440A et 600 V pour l'ELM460A. En conséquence, le courant de charge continu maximal (I_L) est de 120 mA pour la version 400V et de 50 mA pour la version 600V. Un courant de charge pulsé plus élevé est autorisé pour de courtes durées (impulsion unique de 100 ms).
• Isolement :Le dispositif fournit une haute tension d'isolement (V_iso) de 3750 V_effpendant 1 minute, assurant la sécurité et l'immunité au bruit entre l'entrée et la sortie.
• Thermique :La plage de température ambiante de fonctionnement est de -40°C à +85°C. La dissipation de puissance totale du dispositif (P_T) ne doit pas dépasser 550 mW.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres, spécifiés à T_A= 25°C, définissent le comportement opérationnel du dispositif dans des conditions normales.

• Caractéristiques d'entrée :La tension directe de la LED (V_F) est typiquement de 1,18V à I_F= 10 mA, avec un maximum de 1,5V. Cette faible V_Fcontribue à une faible consommation d'énergie.
• Caractéristiques de sortie :Un paramètre critique est la résistance à l'état passant (R_d(ON)). Pour l'ELM440A, elle est typiquement de 20 Ω (max 30 Ω), et pour l'ELM460A, elle est typiquement de 40 Ω (max 70 Ω). Cette résistance affecte directement la chute de tension et la perte de puissance aux bornes du relais lorsqu'il conduit. Le courant de fuite à l'état bloqué (I_leak) est garanti inférieur à 1 μA, minimisant la perte de puissance lorsque le relais est ouvert.
• Caractéristiques de transfert :Elles définissent la relation entre l'entrée et la sortie. Le courant d'allumage de la LED (I_F(on)) requis pour activer complètement les MOSFETs de sortie à charge maximale est très faible, typiquement 1 mA (max 5 mA). Le courant d'extinction de la LED (I_F(off)) est le courant d'entrée maximal auquel la sortie est garantie éteinte (I_L≤ 1 μA), typiquement 0,6 mA.
• Vitesse de commutation :Le temps d'allumage (T_on) et le temps d'extinction (T_off) sont de l'ordre de la sous-milliseconde. Dans des conditions de test standard (I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω), T_onest typiquement de 0,1 ms et T_offest typiquement de 0,2 ms. C'est nettement plus rapide que la plupart des EMR.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs graphiques illustrant comment les paramètres clés varient avec les conditions de fonctionnement, ce qui est essentiel pour la dégradation et une conception robuste.

3.1 Dégradation thermique

Figure 1 : Courant de charge en fonction de la température ambiantemontre la dégradation nécessaire du courant de charge continu maximal à mesure que la température ambiante augmente. L'ELM440A et l'ELM460A doivent tous deux voir leur courant de charge réduit linéairement depuis leurs valeurs nominales à 25°C jusqu'à zéro vers environ 100-120°C. Cette courbe est critique pour garantir que la dissipation de puissance totale du dispositif (I_L²* R_d(ON)) ne dépasse pas les limites à haute température.

3.2 Variation de la résistance à l'état passant et du temps de commutation

Figure 2 : Résistance à l'état passant en fonction de la température ambianteindique que R_d(ON)augmente avec la température. Pour l'ELM460A, R_d(ON)peut augmenter de plus de 50 % de 25°C à 100°C. Ceci doit être pris en compte dans les calculs de chute de tension à températures élevées.

Figure 3 : Temps de commutation en fonction de la température ambiantedémontre que T_onet T_offaugmentent modérément avec la baisse de la température, en particulier en dessous de 0°C. Les concepteurs de circuits fonctionnant en environnement froid doivent tenir compte d'une commutation légèrement plus lente.

3.3 Relation entrée/sortie

Figures 4 & 5 : Temps de commutation en fonction du courant direct de la LEDmontrent qu'augmenter le courant de commande de la LED (I_F) réduit significativement les temps d'allumage et d'extinction. Cela permet aux concepteurs d'arbitrer entre la vitesse de commutation et la consommation d'énergie d'entrée. Piloter la LED avec 20-30 mA au lieu de 10 mA peut réduire les temps de commutation de plus de moitié.

Figures 6 & 7 : Courant de fonctionnement normalisé de la LED en fonction de la températurerévèlent que le I_F(on)requis pour activer la sortie diminue avec l'augmentation de la température, tandis que le I_F(off)(le point où elle s'éteint) augmente. Ce rétrécissement de la fenêtre de fonctionnement à haute température doit être pris en compte dans la conception des marges.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Configuration des broches et schéma

Le dispositif utilise un empreinte SOP standard à 4 broches.

• Broche 1 : Anode de la LED
• Broche 2 : Cathode de la LED
• Broches 3 & 4 : Sortie MOSFET (connexions Source et Drain ; le circuit interne montre qu'elles sont connectées de manière à faire du dispositif un interrupteur SPST).

Le schéma confirme l'architecture : une LED infrarouge pilote un réseau de cellules photovoltaïques, qui génère une tension pour polariser les grilles des MOSFETs de sortie, les activant.

4.2 Dimensions du boîtier et marquage

Le boîtier a une taille d'environ 4,59mm x 3,81mm avec une hauteur de 1,73mm (max). Le pas des broches est de 2,54mm. Un motif de pastilles recommandé (layout des pads) est fourni pour assurer une soudure fiable et une stabilité mécanique. Le dispositif est marqué sur le dessus avec un code indiquant le logo du fabricant, la référence (ex : M440A), l'année/semaine de fabrication, et un 'V' optionnel pour les versions homologuées VDE.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Le dispositif est conçu pour l'assemblage en montage en surface en utilisant des procédés de soudure par refusion. La température de soudure maximale absolue est de 260°C pendant 10 secondes. Ceci correspond aux profils de refusion typiques sans plomb (Pb-free). Les concepteurs doivent suivre le layout de pastilles recommandé pour éviter l'effet "tombstoning" et assurer une bonne formation des joints de soudure. Le dispositif est conforme aux directives sans halogène, sans plomb et RoHS, le rendant adapté à une fabrication respectueuse de l'environnement.

6. Informations de commande et conditionnement

La référence suit la structure : ELM4XXA(X)-VG.

• 4XXA :Cœur de la référence (440A pour 400V, 460A pour 600V).
• (X) :Option bande et bobine. 'TA' ou 'TB' désignent des spécifications de bobine différentes. Si omis, les pièces sont fournies en tubes de 100 unités.
• -V :Suffixe optionnel indiquant que l'unité est homologuée VDE.
• -G :Indique la conformité sans halogène.

Les versions CMS standard (conditionnement en tube) contiennent 100 unités. Les options bande et bobine contiennent 3000 unités par bobine.

7. Suggestions d'application et considérations de conception

7.1 Scénarios d'application typiques

L'ELM4XXA est idéal pour commuter des signaux ou des charges de tension modérée et de faible courant. Exemples :

• Isoler des lignes de signaux analogiques ou numériques dans les équipements de test.
• Commuter des éléments chauffants ou de petits solénoïdes dans les contrôles industriels.
• Fournir des entrées de contrôle isolées dans les alimentations ou les entraînements de moteurs.
• Interface entre la logique basse tension et les circuits périphériques à tension plus élevée dans les panneaux de sécurité.

7.2 Considérations de conception critiques

• Circuit de commande d'entrée :Une résistance série doit toujours être utilisée avec la LED pour limiter le courant. Sa valeur est calculée comme (Tension d'alimentation - V_F) / I_F souhaité. Pour garantir une extinction fiable, le circuit de commande doit ramener la cathode de la LED à une tension très proche de la tension de l'anode, minimisant tout courant de fuite qui pourrait allumer la sortie par inadvertance.
• Considérations sur la charge de sortie :Le relais est conçu pour la commutation de charges CC. Pour les charges CA, une protection supplémentaire (comme un réseau d'antiparasitage) serait nécessaire, et la tension nominale fait référence à la tension de crête, pas à la valeur efficace. Le courant de charge doit être dégradé selon la Figure 1 en fonction de la température ambiante maximale attendue. La dissipation de puissance à l'état passant (I_L²* R_d(ON)) doit être calculée à la température de fonctionnement (en utilisant R_d(ON)de la Figure 2) pour s'assurer qu'elle ne dépasse pas P_out.
• Gestion thermique :Bien que le boîtier soit petit, assurer une surface de cuivre de PCB adéquate autour des broches (en particulier les broches 3 et 4) aide à dissiper la chaleur et améliore la capacité de gestion du courant et la longévité.
• Marge de tension :Pour un fonctionnement fiable à long terme, la tension en régime permanent appliquée aux bornes de la sortie (V_L) doit avoir une marge confortable en dessous de la tension de claquage nominale (400V ou 600V), en particulier dans les environnements avec des transitoires de tension.

8. Comparaison et différenciation techniques

Comparé aux relais électromécaniques traditionnels (EMR), l'ELM4XXA offre une durée de vie supérieure (milliards de cycles contre millions), une commutation plus rapide, un fonctionnement silencieux et une meilleure résistance aux chocs/vibrations. Comparé à d'autres SSR ou optocoupleurs avec sorties à transistor, sa sortie MOSFET offre une résistance à l'état passant plus faible et peut commuter des charges CA et CC avec une tension de décalage minimale. Le boîtier SOP 4 broches est parmi les plus petits disponibles pour les SSR avec ces tensions et courants nominaux, offrant des économies d'espace significatives. L'inclusion d'homologations d'agences de sécurité internationales majeures (UL, cUL, VDE, etc.) simplifie la certification des produits finaux pour les marchés mondiaux.

9. Questions fréquemment posées (basées sur les paramètres techniques)

9.1 Ce relais peut-il commuter des charges CA ?

Les MOSFETs de sortie ont une diode de corps. Dans la configuration standard, le dispositif est principalement destiné à la commutation de charges CC. Pour la commutation CA, deux dispositifs peuvent être connectés dos à dos (source à source), ou un circuit externe doit gérer le flux de courant dans les deux sens. La tension nominale s'applique à la tension de crête de la forme d'onde CA.

9.2 Pourquoi le courant de charge de la version 600V (ELM460A) est-il inférieur à celui de la version 400V (ELM440A) ?

Les MOSFETs à tension plus élevée ont typiquement une résistance spécifique à l'état passant plus élevée (R_ds(on)* Surface). Pour tenir dans le même petit boîtier, la puce MOSFET nominale 600V aura une R_d(ON)plus élevée (40-70 Ω contre 20-30 Ω). Pour un courant donné, la dissipation de puissance (I²R) est plus élevée dans la pièce 600V. Pour maintenir la température de jonction dans des limites sûres et préserver la fiabilité, le courant continu maximal doit être réduit.

9.3 Comment garantir que le relais s'éteint complètement ?

Assurez-vous que le circuit de commande réduit le courant traversant la LED d'entrée en dessous de la spécification I_F(off)maximale (0,6 mA typique). En pratique, cela signifie amener la cathode de la LED à une tension très proche de sa tension d'anode, ou utiliser une résistance série suffisamment grande pour limiter toute différence de tension résiduelle à un courant inférieur à ce seuil. Évitez les entrées flottantes.

10. Étude de cas de conception pratique

Scénario :Conception d'un interrupteur côté bas pour une électrovanne 24V CC, 80mA dans un contrôleur industriel avec une température ambiante maximale de 60°C. Le signal de commande est de 3,3V provenant d'un microcontrôleur.

Sélection du dispositif :L'ELM440A (tension nominale 400V) est choisi en raison de sa capacité de courant plus élevée. La charge de 24V est bien dans sa plage de tension nominale.

Dégradation thermique :D'après la Figure 1, à 60°C, l'ELM440A peut supporter environ 90-95 % de son courant nominal de 120mA. 80mA représente ~67 % du nominal, ce qui est acceptable.

Conception du circuit d'entrée :En supposant V_F= 1,2V. Pour fournir un courant de commande de 10mA pour une commutation rapide, la résistance série R = (3,3V - 1,2V) / 0,01A = 210 Ω. Une résistance standard de 200 Ω peut être utilisée. Une broche GPIO peut fournir ce courant directement.

Analyse de sortie :À 60°C, d'après la Figure 2, R_d(ON)est d'environ 22-23 Ω. La dissipation de puissance P = (0,08A)²* 23Ω = 0,147W. Ceci est bien en dessous de la valeur nominale P_outde 500mW. La chute de tension aux bornes du relais = 0,08A * 23Ω = 1,84V, laissant 22,16V pour l'électrovanne.

Layout :Suivez le layout de pastilles recommandé, et connectez les broches drain/source (3 & 4) à des zones de cuivre généreuses pour aider à la dissipation thermique.

11. Principe de fonctionnement

L'ELM4XXA fonctionne sur le principe de l'isolation optique. 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 de la sortie isolée. Ce réseau génère une tension en circuit ouvert suffisante pour polariser complètement les grilles des MOSFETs de puissance à canal N qui forment l'interrupteur de sortie. Lorsque le courant de la LED est supprimé, la tension photovoltaïque décroît, et les grilles des MOSFETs se déchargent via des chemins internes, éteignant l'interrupteur de sortie. Ce mécanisme fournit plusieurs kilovolts d'isolation galvanique entre les circuits d'entrée et de sortie, protégeant l'électronique de commande sensible des transitoires haute tension du côté charge.

12. Tendances technologiques

Le marché des relais statiques continue d'évoluer vers une densité de puissance plus élevée, une résistance à l'état passant plus faible et des boîtiers plus petits. Les progrès dans les matériaux semi-conducteurs, tels que l'utilisation de carbure de silicium (SiC) ou de nitrure de gallium (GaN) pour les interrupteurs de sortie, pourraient permettre aux futurs SSR dans des boîtiers similaires de gérer des tensions et courants plus élevés avec des pertes plus faibles. L'intégration de fonctions de protection comme la détection de surintensité, l'arrêt thermique et la rétroaction d'état directement dans le boîtier SSR est une autre tendance croissante, simplifiant la conception du système et améliorant la robustesse. La demande de miniaturisation et de haute fiabilité dans les applications automobiles, l'IoT industriel et les énergies renouvelables continuera de stimuler l'innovation dans cette catégorie de composants.