Scheda Tecnica Serie ELM4XXA Relè a Stato Solido - Package SOP 4 Pin - Tensione di Carico 400V/600V - Corrente di Carico 120mA/50mA - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie ELM4XXA rappresenta una famiglia di relè a stato solido (SSR) a canale singolo, normalmente aperti (1 Forma A), confezionati in un compatto package SOP (Small Outline Package) a 4 pin. Questi dispositivi sono progettati per sostituire i relè elettromeccanici (EMR) in applicazioni con vincoli di spazio che richiedono alta affidabilità, commutazione rapida e basso consumo energetico. La tecnologia di base prevede un LED a infrarossi in AlGaAs accoppiato otticamente a un array di diodi fotovoltaici che pilota i MOSFET di uscita, fornendo isolamento galvanico tra il circuito di controllo a bassa tensione e il circuito di carico ad alta tensione.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

I vantaggi primari della serie ELM4XXA derivano dalla sua costruzione a stato solido. I benefici chiave includono il funzionamento silenzioso, l'assenza di rimbalzo dei contatti, la lunga durata operativa e la resistenza a urti e vibrazioni. La bassa corrente di funzionamento del LED minimizza il carico sui circuiti di controllo come microcontrollori o porte logiche. La serie è particolarmente adatta per apparecchiature elettroniche moderne in cui la miniaturizzazione, l'efficienza energetica e l'affidabilità sono fondamentali.

Applicazioni Target:Questa serie di relè è progettata per l'uso in apparecchiature per centrali telefoniche, strumenti di misura e collaudo, apparecchiature per l'automazione industriale (FA) e d'ufficio (OA), sistemi di controllo industriale e sistemi di sicurezza.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Le prestazioni della serie ELM4XXA sono definite da un insieme completo di parametri elettrici, ottici e termici. Comprendere queste specifiche è cruciale per una corretta progettazione del circuito e un funzionamento affidabile.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento in queste condizioni non è garantito.

• Ingresso (Lato LED):La corrente diretta massima (I_F) è 50 mA DC. È consentita una corrente diretta di picco (I_FP) di 1 A in condizioni impulsive (ciclo di lavoro 0.1% a 100 Hz). La tensione inversa massima (V_R) è 5 V.
• Uscita (Lato MOSFET):La tensione di breakdown (V_L) differenzia le due varianti principali: 400 V per l'ELM440A e 600 V per l'ELM460A. Di conseguenza, la corrente di carico continua massima (I_L) è 120 mA per la versione da 400V e 50 mA per quella da 600V. È consentita una corrente di carico impulsiva più elevata per brevi durate (singolo impulso da 100 ms).
• Isolamento:Il dispositivo fornisce un'elevata tensione di isolamento (V_iso) di 3750 V_rmsper 1 minuto, garantendo sicurezza e immunità al rumore tra ingresso e uscita.
• Termico:L'intervallo di temperatura ambiente di funzionamento è da -40°C a +85°C. La dissipazione di potenza totale del dispositivo (P_T) non deve superare 550 mW.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri, specificati a T_A= 25°C, definiscono il comportamento operativo del dispositivo in condizioni normali.

• Caratteristiche di Ingresso:La tensione diretta del LED (V_F) è tipicamente 1.18V a I_F= 10 mA, con un massimo di 1.5V. Questo basso V_Fcontribuisce al basso consumo energetico.
• Caratteristiche di Uscita:Un parametro critico è la resistenza in stato di ON (R_d(ON)). Per l'ELM440A, è tipicamente 20 Ω (max 30 Ω), e per l'ELM460A, è tipicamente 40 Ω (max 70 Ω). Questa resistenza influisce direttamente sulla caduta di tensione e sulla perdita di potenza attraverso il relè quando conduce. La corrente di dispersione in stato di OFF (I_leak) è garantita inferiore a 1 μA, minimizzando la perdita di potenza quando il relè è aperto.
• Caratteristiche di Trasferimento:Queste definiscono la relazione tra ingresso e uscita. La corrente di accensione del LED (I_F(on)) necessaria per attivare completamente i MOSFET di uscita a carico massimo è molto bassa, tipicamente 1 mA (max 5 mA). La corrente di spegnimento del LED (I_F(off)) è la massima corrente di ingresso alla quale è garantito che l'uscita sia spenta (I_L≤ 1 μA), tipicamente 0.6 mA.
• Velocità di Commutazione:Il tempo di accensione (T_on) e il tempo di spegnimento (T_off) sono nell'ordine del sub-millisecondo. In condizioni di test standard (I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω), T_onè tipicamente 0.1 ms e T_offè tipicamente 0.2 ms. Ciò è significativamente più veloce della maggior parte degli EMR.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diversi grafici che illustrano come i parametri chiave variano con le condizioni operative, essenziale per il derating e una progettazione robusta.

3.1 Derating Termico

Figura 1: Corrente di Carico vs. Temperatura Ambientemostra il necessario derating della corrente di carico continua massima all'aumentare della temperatura ambiente. Sia l'ELM440A che l'ELM460A devono avere la loro corrente di carico ridotta linearmente dai valori nominali a 25°C fino a zero a circa 100-120°C. Questa curva è fondamentale per garantire che la dissipazione di potenza totale del dispositivo (I_L²* R_d(ON)) non superi i limiti alle alte temperature.

3.2 Variazione della Resistenza di ON e dei Tempi di Commutazione

Figura 2: Resistenza di ON vs. Temperatura Ambienteindica che R_d(ON)aumenta con la temperatura. Per l'ELM460A, R_d(ON)può aumentare di oltre il 50% da 25°C a 100°C. Questo deve essere considerato nei calcoli della caduta di tensione a temperature elevate.

Figura 3: Tempo di Commutazione vs. Temperatura Ambientedimostra che sia T_onche T_offaumentano moderatamente con la diminuzione della temperatura, in particolare sotto 0°C. I progettisti di circuiti operanti in ambienti freddi devono tenere conto di una commutazione leggermente più lenta.

3.3 Relazione Ingresso/Uscita

Figure 4 & 5: Tempo di Commutazione vs. Corrente Diretta del LEDmostrano che aumentare la corrente di pilotaggio del LED (I_F) riduce significativamente i tempi di accensione e spegnimento. Ciò consente ai progettisti di bilanciare la velocità di commutazione con il consumo di potenza in ingresso. Pilotare il LED con 20-30 mA invece di 10 mA può dimezzare i tempi di commutazione.

Figure 6 & 7: Corrente di Funzionamento del LED Normalizzata vs. Temperaturarivelano che la I_F(on)richiesta per attivare l'uscita diminuisce con l'aumento della temperatura, mentre la I_F(off)(il punto in cui si spegne) aumenta. Questo restringimento della finestra operativa alle alte temperature deve essere considerato nella progettazione dei margini.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Configurazione dei Pin e Schema

Il dispositivo utilizza un footprint SOP standard a 4 pin.

• Pin 1: Anodo LED
• Pin 2: Catodo LED
• Pin 3 & 4: Uscita MOSFET (connessioni Source e Drain; il circuito interno mostra che sono connessi in modo da rendere il dispositivo un interruttore SPST).

Lo schema conferma l'architettura: un LED a infrarossi pilota un array di celle fotovoltaiche, che genera una tensione per polarizzare i gate dei MOSFET di uscita, accendendoli.

4.2 Dimensioni del Package e Marcatura

Il package ha dimensioni del corpo di circa 4.59mm x 3.81mm con un'altezza di 1.73mm (max). Il passo dei terminali è 2.54mm. Viene fornito un land pattern PCB consigliato (layout dei pad) per garantire una saldatura affidabile e stabilità meccanica. Il dispositivo è marcato sulla parte superiore con un codice che indica il logo del produttore, il numero di parte (es. M440A), l'anno/settimana di produzione e un 'V' opzionale per le versioni approvate VDE.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il dispositivo è progettato per il montaggio superficiale utilizzando processi di saldatura a rifusione. Il valore massimo assoluto per la temperatura di saldatura è 260°C per 10 secondi. Ciò è in linea con i tipici profili di rifusione senza piombo (Pb-free). I progettisti dovrebbero seguire il layout dei pad consigliato per prevenire l'effetto "tombstoning" e garantire una corretta formazione del giunto saldato. Il dispositivo è conforme alle direttive alogeni-free, Pb-free e RoHS, rendendolo adatto per una produzione attenta all'ambiente.

6. Informazioni per l'Ordine e Confezionamento

Il numero di parte segue la struttura: ELM4XXA(X)-VG.

• 4XXA:Nucleo del numero di parte (440A per 400V, 460A per 600V).
• (X):Opzione nastro e bobina. 'TA' o 'TB' indicano specifiche di bobina diverse. Se omesso, le parti sono fornite in tubi da 100 unità.
• -V:Suffisso opzionale che denota che l'unità è approvata VDE.
• -G:Indica la conformità Halogen Free.

Le versioni SMD standard (confezione in tubo) contengono 100 unità. Le opzioni nastro e bobina contengono 3000 unità per bobina.

7. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progetto

7.1 Scenari Applicativi Tipici

L'ELM4XXA è ideale per commutare segnali o carichi a tensione moderata e bassa corrente. Esempi includono:

• Isolare linee di segnale analogiche o digitali in apparecchiature di test.
• Commutare elementi riscaldanti o piccoli solenoidi nei controlli industriali.
• Fornire ingressi di controllo isolati in alimentatori o azionamenti di motori.
• Interfaccia tra logica a bassa tensione e circuiti periferici a tensione più elevata nei pannelli di sicurezza.

7.2 Considerazioni di Progetto Critiche

• Circuito di Pilotaggio di Ingresso:Deve essere sempre utilizzato un resistore in serie con il LED per limitare la corrente. Il valore è calcolato come (Tensione di Alimentazione - V_F) / I_Fdesiderata. Per garantire uno spegnimento affidabile, il circuito di controllo dovrebbe portare il catodo del LED a una tensione molto vicina alla tensione dell'anodo, minimizzando qualsiasi corrente di dispersione che potrebbe accendere involontariamente l'uscita.
• Considerazioni sul Carico di Uscita:Il relè è progettato per la commutazione di carichi DC. Per carichi AC, sarebbe necessaria una protezione aggiuntiva (come una rete di soppressione), e la tensione nominale si riferisce alla tensione di picco, non RMS. La corrente di carico deve essere deratata secondo la Figura 1 in base alla massima temperatura ambiente prevista. La dissipazione di potenza in stato di ON (I_L²* R_d(ON)) deve essere calcolata alla temperatura di funzionamento (utilizzando R_d(ON)dalla Figura 2) per garantire che non superi P_out.
• Gestione Termica:Sebbene il package sia piccolo, garantire un'adeguata area di rame sul PCB attorno ai pin (specialmente pin 3 e 4) aiuta a dissipare il calore e migliorare la capacità di gestione della corrente e la longevità.
• Margine di Tensione:Per un funzionamento affidabile a lungo termine, la tensione in stato stazionario applicata attraverso l'uscita (V_L) dovrebbe avere un comodo margine al di sotto della tensione di breakdown nominale (400V o 600V), specialmente in ambienti con transitori di tensione.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto ai tradizionali relè elettromeccanici (EMR), l'ELM4XXA offre una durata superiore (miliardi di cicli contro milioni), commutazione più rapida, funzionamento silenzioso e migliore resistenza a urti/vibrazioni. Rispetto ad altri SSR o optoisolatori con uscite a transistor, la sua uscita MOSFET fornisce una resistenza di ON inferiore e può commutare sia carichi AC che DC con una tensione di offset minima. Il package SOP a 4 pin è tra i più piccoli disponibili per SSR con queste tensioni e correnti nominali, offrendo un notevole risparmio di spazio. L'inclusione di approvazioni da parte delle principali agenzie di sicurezza internazionali (UL, cUL, VDE, ecc.) semplifica la certificazione del prodotto finale per i mercati globali.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

9.1 Questo relè può commutare carichi AC?

I MOSFET di uscita hanno un diodo di corpo. Nella configurazione standard, il dispositivo è principalmente destinato alla commutazione di carichi DC. Per la commutazione AC, due dispositivi possono essere collegati back-to-back (source-to-source), oppure un circuito esterno deve gestire il flusso di corrente in entrambe le direzioni. La tensione nominale si applica alla tensione di picco della forma d'onda AC.

9.2 Perché la corrente di carico della versione da 600V (ELM460A) è inferiore a quella da 400V (ELM440A)?

I MOSFET a tensione più elevata hanno tipicamente una resistenza di ON specifica più alta (R_ds(on)* Area). Per adattarsi allo stesso piccolo package, il die MOSFET da 600V avrà una R_d(ON)più alta (40-70 Ω vs. 20-30 Ω). Per una data corrente, la dissipazione di potenza (I²R) è maggiore nel componente da 600V. Per mantenere la temperatura di giunzione entro limiti sicuri e preservare l'affidabilità, la corrente continua massima deve essere ridotta.

9.3 Come posso assicurarmi che il relè si spenga completamente?

Assicurarsi che il circuito di controllo riduca la corrente attraverso il LED di ingresso al di sotto della specifica massima I_F(off)(0.6 mA tipico). In pratica, ciò significa portare il catodo del LED a una tensione molto vicina alla sua tensione anodica, o utilizzare un resistore in serie abbastanza grande da limitare qualsiasi differenza di tensione residua a una corrente al di sotto di questa soglia. Evitare ingressi flottanti.

10. Caso di Studio Pratico di Progetto

Scenario:Progettare un interruttore low-side per una valvola solenoide DC 24V, 80mA in un controllore industriale con una temperatura ambiente massima di 60°C. Il segnale di controllo è 3.3V da un microcontrollore.

Selezione del Dispositivo:Viene scelto l'ELM440A (tensione nominale 400V) per la sua maggiore capacità di corrente. Il carico a 24V è ben all'interno della sua tensione nominale.

Derating Termico:Dalla Figura 1, a 60°C, l'ELM440A può gestire circa il 90-95% della sua corrente nominale di 120mA. 80mA è ~67% del valore nominale, il che è accettabile.

Progettazione del Circuito di Ingresso:Assumendo V_F= 1.2V. Per fornire una corrente di pilotaggio di 10mA per una commutazione rapida, il resistore in serie R = (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 Ω. Può essere utilizzato un resistore standard da 200 Ω. Un pin GPIO può erogare questa corrente direttamente.

Analisi dell'Uscita:A 60°C, dalla Figura 2, R_d(ON)è ~22-23 Ω. Dissipazione di potenza P = (0.08A)²* 23Ω = 0.147W. Questo è ben al di sotto del valore nominale P_outdi 500mW. Caduta di tensione sul relè = 0.08A * 23Ω = 1.84V, lasciando 22.16V per il solenoide.

Layout:Seguire il layout dei pad consigliato e collegare i pin drain/source (3 & 4) a generose piazzole di rame per favorire la dissipazione del calore.

11. Principio di Funzionamento

L'ELM4XXA funziona sul principio dell'isolamento ottico. Quando una corrente diretta viene applicata al LED a infrarossi in AlGaAs di ingresso, esso emette luce. Questa luce viene rilevata da un array di diodi fotovoltaici sul lato di uscita isolato. Questo array genera una tensione a circuito aperto sufficiente a polarizzare completamente i gate dei MOSFET di potenza a canale N che formano l'interruttore di uscita. Quando la corrente del LED viene rimossa, la tensione fotovoltaica decade e i gate dei MOSFET si scaricano attraverso percorsi interni, spegnendo l'interruttore di uscita. Questo meccanismo fornisce diversi kilovolt di isolamento galvanico tra i circuiti di ingresso e uscita, proteggendo l'elettronica di controllo sensibile dai transitori di alta tensione sul lato del carico.

12. Tendenze Tecnologiche

Il mercato dei relè a stato solido continua a evolversi verso una maggiore densità di potenza, una resistenza di ON inferiore e package più piccoli. I progressi nei materiali semiconduttori, come l'uso di carburo di silicio (SiC) o nitruro di gallio (GaN) per gli interruttori di uscita, potrebbero consentire a futuri SSR in package simili di gestire tensioni e correnti più elevate con perdite inferiori. L'integrazione di funzioni di protezione come il rilevamento di sovracorrente, lo spegnimento termico e il feedback di stato direttamente nel package SSR è un'altra tendenza in crescita, che semplifica la progettazione del sistema e ne migliora la robustezza. La domanda di miniaturizzazione e alta affidabilità nelle applicazioni automotive, Industrial IoT ed energie rinnovabili continuerà a guidare l'innovazione in questa categoria di componenti.