Dokumen Teknikal Siri ELM4XXA Solid State Relay - Pakej SOP 4-Pin - Voltan Beban 400V/600V - Arus Beban 120mA/50mA

1. Gambaran Keseluruhan Produk

Siri ELM4XXA mewakili keluarga saluran tunggal, biasanya terbuka (1 Form A) solid-state relay (SSR) yang dibungkus dalam pakej Small Outline Package (SOP) 4-pin yang padat. Peranti ini direka untuk menggantikan relay elektromekanikal (EMR) dalam aplikasi yang mempunyai ruang terhad yang memerlukan kebolehpercayaan tinggi, pensuisan pantas, dan penggunaan kuasa rendah. Teknologi teras melibatkan LED inframerah AlGaAs yang digandingkan secara optik kepada tatasusunan diod fotovoltaik yang memacu MOSFET output, menyediakan pengasingan galvanik antara litar kawalan voltan rendah dan litar beban voltan tinggi.

1.1 Kelebihan Teras dan Pasaran Sasaran

Kelebihan utama siri ELM4XXA berasal daripada pembinaan keadaan pepejalnya. Faedah utama termasuk operasi senyap, ketiadaan lantunan kenalan, jangka hayat operasi yang panjang, dan rintangan terhadap kejutan dan getaran. Arus operasi LED yang rendah meminimumkan beban pada litar kawalan seperti mikropengawal atau get logik. Siri ini amat sesuai untuk peralatan elektronik moden di mana pengecilan saiz, kecekapan tenaga, dan kebolehpercayaan adalah penting.

Aplikasi Sasaran:Siri relay ini direka untuk digunakan dalam peralatan pertukaran telekomunikasi, instrumen pengukuran dan ujian, peralatan automasi kilang (FA) dan automasi pejabat (OA), sistem kawalan industri, dan sistem keselamatan.

2. Analisis Parameter Teknikal Mendalam

Prestasi siri ELM4XXA ditakrifkan oleh set komprehensif parameter elektrik, optik, dan terma. Memahami spesifikasi ini adalah penting untuk reka bentuk litar yang betul dan operasi yang boleh dipercayai.

2.1 Penarafan Maksimum Mutlak

Penarafan ini mentakrifkan had tekanan di mana kerosakan kekal pada peranti mungkin berlaku. Operasi di bawah keadaan ini tidak dijamin.

• Input (Bahagian LED):Arus hadapan maksimum (I_F) ialah 50 mA DC. Arus hadapan puncak (I_FP) 1 A dibenarkan di bawah keadaan berdenyut (kitar tugas 0.1% pada 100 Hz). Voltan songsang maksimum (V_R) ialah 5 V.
• Output (Bahagian MOSFET):Voltan pecah (V_L) membezakan dua varian utama: 400 V untuk ELM440A dan 600 V untuk ELM460A. Sehubungan itu, arus beban berterusan maksimum (I_L) ialah 120 mA untuk versi 400V dan 50 mA untuk versi 600V. Arus beban denyut yang lebih tinggi dibenarkan untuk tempoh singkat (100 ms tembakan tunggal).
• Pengasingan:Peranti menyediakan voltan pengasingan tinggi (V_iso) 3750 V_rmsselama 1 minit, memastikan keselamatan dan kekebalan bunyi antara input dan output.
• Terma:Julat suhu ambien operasi ialah -40°C hingga +85°C. Jumlah penyebaran kuasa peranti (P_T) tidak boleh melebihi 550 mW.

d(ON)

Parameter ini, ditentukan pada T_A= 25°C, mentakrifkan tingkah laku operasi peranti di bawah keadaan biasa.

• Ciri Input:Voltan hadapan LED (V_F) biasanya 1.18V pada I_F= 10 mA, dengan maksimum 1.5V. V_Frendah ini menyumbang kepada penggunaan kuasa rendah.
• Ciri Output:Parameter kritikal ialah rintangan keadaan hidup (R_d(ON)). Untuk ELM440A, ia biasanya 20 Ω (maks 30 Ω), dan untuk ELM460A, ia biasanya 40 Ω (maks 70 Ω). Rintangan ini secara langsung mempengaruhi kejatuhan voltan dan kehilangan kuasa merentasi relay apabila mengkonduksi. Arus bocor keadaan mati (I_leak) dijamin kurang daripada 1 μA, meminimumkan kehilangan kuasa apabila relay terbuka.
• Ciri Pemindahan:Ini mentakrifkan hubungan antara input dan output. Arus hidup LED (I_F(on)) yang diperlukan untuk mengaktifkan sepenuhnya MOSFET output pada beban maksimum adalah sangat rendah, biasanya 1 mA (maks 5 mA). Arus mati LED (I_F(off)) ialah arus input maksimum di mana output dijamin mati (I_L≤ 1 μA), biasanya 0.6 mA.
• Kelajuan Pensuisan:Masa hidup (T_on) dan masa mati (T_off) berada dalam julat sub-milisaat. Di bawah keadaan ujian piawai (I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω), T_onbiasanya 0.1 ms dan T_offbiasanya 0.2 ms. Ini jauh lebih pantas daripada kebanyakan EMR.

3. Analisis Keluk Prestasi

Dokumen data menyediakan beberapa graf yang menggambarkan bagaimana parameter utama berubah dengan keadaan operasi, yang penting untuk penurunan kuasa dan reka bentuk yang teguh.

3.1 Penurunan Kuasa Terma

Rajah 1: Arus Beban vs. Suhu Ambienmenunjukkan penurunan kuasa yang diperlukan bagi arus beban berterusan maksimum apabila suhu ambien meningkat. Kedua-dua ELM440A dan ELM460A mesti mengurangkan arus beban mereka secara linear daripada nilai dinilai pada 25°C kepada sifar pada kira-kira 100-120°C. Keluk ini adalah kritikal untuk memastikan jumlah penyebaran kuasa peranti (I_L²* R_d(ON)) tidak melebihi had pada suhu tinggi.

3.2 Variasi Rintangan Hidup dan Masa Pensuisan

Rajah 2: Rintangan Hidup vs. Suhu Ambienmenunjukkan bahawa R_d(ON)meningkat dengan suhu. Untuk ELM460A, R_d(ON)boleh meningkat lebih 50% daripada 25°C kepada 100°C. Ini mesti diambil kira dalam pengiraan kejatuhan voltan pada suhu tinggi.

Rajah 3: Masa Pensuisan vs. Suhu Ambienmenunjukkan bahawa kedua-dua T_ondan T_offmeningkat secara sederhana dengan penurunan suhu, terutamanya di bawah 0°C. Pereka litar yang beroperasi dalam persekitaran sejuk mesti mengambil kira pensuisan yang sedikit lebih perlahan.

3.3 Hubungan Input/Output

Rajah 4 & 5: Masa Pensuisan vs. Arus Hadapan LEDmenunjukkan bahawa meningkatkan arus pacuan LED (I_F) mengurangkan masa hidup dan mati dengan ketara. Ini membolehkan pereka membuat pertukaran antara kelajuan pensuisan dan penggunaan kuasa input. Memacu LED dengan 20-30 mA dan bukannya 10 mA boleh mengurangkan masa pensuisan lebih separuh.

Rajah 6 & 7: Arus Operasi LED Dinormalisasi vs. Suhumendedahkan bahawa I_F(on)yang diperlukan untuk menghidupkan output berkurangan dengan peningkatan suhu, manakala I_F(off)(titik di mana ia dimatikan) meningkat. Penyempitan tetingkap operasi pada suhu tinggi ini mesti dipertimbangkan dalam reka bentuk margin.

4. Maklumat Mekanikal dan Pakej

4.1 Konfigurasi Pin dan Gambarajah Skematik

Peranti menggunakan tapak kaki SOP 4-pin piawai.

• Pin 1: Anod LED
• Pin 2: Katod LED
• Pin 3 & 4: Output MOSFET (Sambungan Sumber dan Saliran; litar dalaman menunjukkan ini disambungkan dengan cara yang menjadikan peranti sebagai suis SPST).

Gambarajah skematik mengesahkan seni bina: LED inframerah memacu tatasusunan sel fotovoltaik, yang menjana voltan untuk membekalkan bias get MOSFET output, menghidupkannya.

4.2 Dimensi Pakej dan Penandaan

Pakej mempunyai saiz badan kira-kira 4.59mm x 3.81mm dengan ketinggian 1.73mm (maks). Jarak kaki ialah 2.54mm. Corak tanah PCB (susun atur pad) yang disyorkan disediakan untuk memastikan pateri yang boleh dipercayai dan kestabilan mekanikal. Peranti ditanda di bahagian atas dengan kod yang menunjukkan logo pengeluar, nombor bahagian (cth., M440A), tahun/minggu pembuatan, dan pilihan 'V' untuk versi yang diluluskan VDE.

5. Garis Panduan Pateri dan Pemasangan

Peranti direka untuk pemasangan permukaan menggunakan proses pateri aliran semula. Penarafan maksimum mutlak untuk suhu pateri ialah 260°C selama 10 saat. Ini selaras dengan profil aliran semula bebas plumbum (Pb-free) biasa. Pereka harus mengikut susun atur pad yang disyorkan untuk mengelakkan tombstoning dan memastikan pembentukan sendi pateri yang betul. Peranti mematuhi arahan bebas halogen, bebas Pb, dan RoHS, menjadikannya sesuai untuk pembuatan yang sedar alam sekitar.

6. Maklumat Pesanan dan Pembungkusan

Nombor bahagian mengikut struktur: ELM4XXA(X)-VG.

• 4XXA:Teras nombor bahagian (440A untuk 400V, 460A untuk 600V).
• (X):Pilihan pita dan gegelung. 'TA' atau 'TB' menandakan spesifikasi gegelung yang berbeza. Jika ditinggalkan, bahagian dibekalkan dalam tiub 100 unit.
• -V:Akhiran pilihan yang menandakan unit diluluskan VDE.
• -G:Menunjukkan pematuhan Bebas Halogen.

Versi SMD piawai (pek tiub) mengandungi 100 unit. Pilihan pita dan gegelung mengandungi 3000 unit setiap gegelung.

7. Cadangan Aplikasi dan Pertimbangan Reka Bentuk

7.1 Senario Aplikasi Biasa

ELM4XXA adalah ideal untuk menyuis isyarat atau beban voltan sederhana, arus rendah. Contoh termasuk:

• Mengasingkan talian isyarat analog atau digital dalam peralatan ujian.
• Menyuis elemen pemanas atau solenoid kecil dalam kawalan industri.
• Menyediakan input kawalan terpencil dalam bekalan kuasa atau pemacu motor.
• Antara muka antara logik voltan rendah dan litar persisian voltan lebih tinggi dalam panel keselamatan.

7.2 Pertimbangan Reka Bentuk Kritikal

• Litar Pacuan Input:Perintang siri mesti sentiasa digunakan dengan LED untuk menghadkan arus. Nilainya dikira sebagai (Voltan Bekalan - V_F) / I_Fyang Diingini. Untuk memastikan penutupan yang boleh dipercayai, litar kawalan harus menarik katod LED kepada voltan yang sangat hampir dengan voltan anod, meminimumkan sebarang arus bocor yang boleh secara tidak sengaja menghidupkan output.
• Pertimbangan Beban Output:Relay direka untuk pensuisan beban DC. Untuk beban AC, perlindungan tambahan (seperti rangkaian snubber) akan diperlukan, dan penarafan voltan merujuk kepada voltan puncak, bukan RMS. Arus beban mesti dikurangkan kuasa mengikut Rajah 1 berdasarkan suhu ambien maksimum yang dijangkakan. Penyebaran kuasa dalam keadaan hidup (I_L²* R_d(ON)) mesti dikira pada suhu operasi (menggunakan R_d(ON)daripada Rajah 2) untuk memastikan ia tidak melebihi P_out.
• Pengurusan Terma:Walaupun pakej kecil, memastikan kawasan kuprum PCB yang mencukupi di sekeliling pin (terutamanya pin 3 dan 4) membantu menyebarkan haba dan meningkatkan keupayaan pengendalian arus dan jangka hayat.
• Margin Voltan:Untuk operasi jangka panjang yang boleh dipercayai, voltan keadaan mantap yang dikenakan merentasi output (V_L) harus mempunyai margin yang selesa di bawah voltan pecah dinilai (400V atau 600V), terutamanya dalam persekitaran dengan transien voltan.

8. Perbandingan dan Pembezaan Teknikal

Berbanding relay elektromekanikal tradisional (EMR), ELM4XXA menawarkan jangka hayat yang lebih baik (berbilion kitaran vs. juta), pensuisan lebih pantas, operasi senyap, dan rintangan lebih baik terhadap kejutan/getaran. Berbanding SSR lain atau optocoupler dengan output transistor, output MOSFETnya menyediakan rintangan hidup yang lebih rendah dan boleh menyuis kedua-dua beban AC dan DC dengan voltan ofset minimum. Pakej SOP 4-pin adalah antara yang terkecil yang tersedia untuk SSR dengan penarafan voltan dan arus ini, menawarkan penjimatan ruang yang ketara. Kemasukan kelulusan daripada agensi keselamatan antarabangsa utama (UL, cUL, VDE, dll.) memudahkan pensijilan produk akhir untuk pasaran global.

9. Soalan Lazim (Berdasarkan Parameter Teknikal)

9.1 Bolehkah relay ini menyuis beban AC?

MOSFET output mempunyai diod badan. Dalam konfigurasi piawai, peranti ini terutamanya bertujuan untuk pensuisan beban DC. Untuk pensuisan AC, dua peranti boleh disambungkan belakang-ke-belakang (sumber-ke-sumber), atau litar luaran mesti menguruskan aliran arus dalam kedua-dua arah. Penarafan voltan terpakai kepada voltan puncak bentuk gelombang AC.

9.2 Mengapakah arus beban untuk versi 600V (ELM460A) lebih rendah daripada versi 400V (ELM440A)?

MOSFET voltan lebih tinggi biasanya mempunyai rintangan hidup spesifik yang lebih tinggi (R_ds(on)* Luas). Untuk muat dalam pakej kecil yang sama, die MOSFET berpenarafan 600V akan mempunyai R_d(ON)yang lebih tinggi (40-70 Ω vs. 20-30 Ω). Untuk arus tertentu, penyebaran kuasa (I²R) adalah lebih tinggi dalam bahagian 600V. Untuk mengekalkan suhu simpang dalam had selamat dan mengekalkan kebolehpercayaan, arus berterusan maksimum mesti dikurangkan.

9.3 Bagaimanakah saya memastikan relay dimatikan sepenuhnya?

Pastikan litar kawalan mengurangkan arus melalui input LED di bawah spesifikasi I_F(off)maksimum (0.6 mA biasa). Dalam amalan, ini bermakna memacu katod LED kepada voltan yang sangat hampir dengan voltan anodnya, atau menggunakan perintang siri yang cukup besar untuk menghadkan sebarang perbezaan voltan baki kepada arus di bawah ambang ini. Elakkan input terapung.

10. Kajian Kes Reka Bentuk Praktikal

Senario:Mereka bentuk suis sisi rendah untuk injap solenoid 24V DC, 80mA dalam pengawal industri dengan suhu ambien maksimum 60°C. Isyarat kawalan ialah 3.3V daripada mikropengawal.

Pemilihan Peranti:ELM440A (penarafan 400V) dipilih kerana keupayaan arusnya yang lebih tinggi. Beban 24V berada dalam penarafan voltannya.

Penurunan Kuasa Terma:Daripada Rajah 1, pada 60°C, ELM440A boleh mengendalikan kira-kira 90-95% daripada penarafan 120mA. 80mA adalah ~67% daripada penarafan, yang boleh diterima.

Reka Bentuk Litar Input:Andaikan V_F= 1.2V. Untuk menyediakan arus pacuan 10mA untuk pensuisan pantas, perintang siri R = (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 Ω. Perintang piawai 200 Ω boleh digunakan. Pin GPIO boleh membekalkan arus ini secara langsung.

Analisis Output:Pada 60°C, daripada Rajah 2, R_d(ON)adalah ~22-23 Ω. Penyebaran kuasa P = (0.08A)²* 23Ω = 0.147W. Ini jauh di bawah penarafan P_out500mW. Kejatuhan voltan merentasi relay = 0.08A * 23Ω = 1.84V, meninggalkan 22.16V untuk solenoid.

Susun Atur:Ikut susun atur pad yang disyorkan, dan sambungkan pin saliran/sumber (3 & 4) kepada tuangan kuprum yang luas untuk membantu penyebaran haba.

11. Prinsip Operasi

ELM4XXA beroperasi berdasarkan prinsip pengasingan optik. Apabila arus hadapan dikenakan pada input LED inframerah AlGaAs, ia memancarkan cahaya. Cahaya ini dikesan oleh tatasusunan diod fotovoltaik pada bahagian output terpencil. Tatasusunan ini menjana voltan litar terbuka yang mencukupi untuk meningkatkan sepenuhnya get MOSFET kuasa saluran-N yang membentuk suis output. Apabila arus LED dialihkan, voltan fotovoltaik merosot, dan get MOSFET menyahcas melalui laluan dalaman, mematikan suis output. Mekanisme ini menyediakan beberapa kilovolt pengasingan galvanik antara litar input dan output, melindungi elektronik kawalan sensitif daripada transien voltan tinggi pada bahagian beban.

12. Trend Teknologi

Pasaran solid-state relay terus berkembang ke arah ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, rintangan hidup yang lebih rendah, dan pakej yang lebih kecil. Kemajuan dalam bahan semikonduktor, seperti penggunaan silikon karbida (SiC) atau galium nitrida (GaN) untuk suis output, boleh membolehkan SSR masa depan dalam pakej serupa mengendalikan voltan dan arus yang lebih tinggi dengan kehilangan yang lebih rendah. Integrasi ciri perlindungan seperti pengesanan arus berlebihan, penutupan terma, dan maklum balas keadaan terus ke dalam pakej SSR adalah satu lagi trend yang semakin berkembang, memudahkan reka bentuk sistem dan meningkatkan keteguhan. Permintaan untuk pengecilan saiz dan kebolehpercayaan tinggi dalam aplikasi automotif, IoT industri, dan tenaga boleh diperbaharui akan terus mendorong inovasi dalam kategori komponen ini.