Folha de Dados da Série ELM4XXA de Relés de Estado Sólido - Pacote SOP de 4 Pinos - Tensão de Carga 400V/600V - Corrente de Carga 120mA/50mA - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

A série ELM4XXA representa uma família de relés de estado sólido (SSR) de canal único, normalmente abertos (1 Forma A), embalados num compacto pacote SOP (Small Outline Package) de 4 pinos. Estes dispositivos são projetados para substituir relés eletromecânicos (EMR) em aplicações com restrições de espaço que exigem alta fiabilidade, comutação rápida e baixo consumo de energia. A tecnologia central envolve um LED infravermelho de AlGaAs opticamente acoplado a uma matriz de diodos fotovoltaicos que aciona os MOSFETs de saída, fornecendo isolamento galvânico entre o circuito de controlo de baixa tensão e o circuito de carga de alta tensão.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

As vantagens primárias da série ELM4XXA derivam da sua construção de estado sólido. Os principais benefícios incluem operação silenciosa, ausência de rebote de contacto, longa vida operacional e resistência a choques e vibrações. A baixa corrente de operação do LED minimiza a carga em circuitos de controlo, como microcontroladores ou portas lógicas. A série é particularmente adequada para equipamentos eletrónicos modernos onde a miniaturização, eficiência energética e fiabilidade são primordiais.

Aplicações-Alvo:Esta série de relés é projetada para uso em equipamentos de centrais de telecomunicações, instrumentos de medição e teste, equipamentos de automação industrial (FA) e de escritório (OA), sistemas de controlo industrial e sistemas de segurança.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

O desempenho da série ELM4XXA é definido por um conjunto abrangente de parâmetros elétricos, ópticos e térmicos. Compreender estas especificações é crucial para um projeto de circuito adequado e operação fiável.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. A operação nestas condições não é garantida.

• Entrada (Lado do LED):A corrente direta máxima (I_F) é de 50 mA DC. É permitida uma corrente direta de pico (I_FP) de 1 A em condições pulsadas (ciclo de trabalho de 0,1% a 100 Hz). A tensão reversa máxima (V_R) é de 5 V.
• Saída (Lado do MOSFET):A tensão de ruptura (V_L) diferencia as duas variantes principais: 400 V para o ELM440A e 600 V para o ELM460A. Correspondentemente, a corrente de carga contínua máxima (I_L) é de 120 mA para a versão de 400V e 50 mA para a de 600V. Uma corrente de carga de pulso mais elevada é permitida por curtos períodos (100 ms em disparo único).
• Isolamento:O dispositivo fornece uma alta tensão de isolamento (V_iso) de 3750 V_rmsdurante 1 minuto, garantindo segurança e imunidade a ruído entre a entrada e a saída.
• Térmico:A faixa de temperatura ambiente de operação é de -40°C a +85°C. A dissipação total de potência do dispositivo (P_T) não deve exceder 550 mW.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros, especificados a T_A= 25°C, definem o comportamento operacional do dispositivo em condições normais.

• Características de Entrada:A tensão direta do LED (V_F) é tipicamente 1,18V a I_F= 10 mA, com um máximo de 1,5V. Esta baixa V_Fcontribui para o baixo consumo de energia.
• Características de Saída:Um parâmetro crítico é a resistência no estado ligado (R_d(ON)). Para o ELM440A, é tipicamente 20 Ω (máx. 30 Ω), e para o ELM460A, é tipicamente 40 Ω (máx. 70 Ω). Esta resistência afeta diretamente a queda de tensão e a perda de potência através do relé quando em condução. A corrente de fuga no estado desligado (I_leak) é garantida ser inferior a 1 μA, minimizando a perda de potência quando o relé está aberto.
• Características de Transferência:Estas definem a relação entre entrada e saída. A corrente de ativação do LED (I_F(on)) necessária para ativar totalmente os MOSFETs de saída na carga máxima é muito baixa, tipicamente 1 mA (máx. 5 mA). A corrente de desativação do LED (I_F(off)) é a corrente de entrada máxima na qual a saída é garantidamente desligada (I_L≤ 1 μA), tipicamente 0,6 mA.
• Velocidade de Comutação:O tempo de ligação (T_on) e o tempo de desligamento (T_off) estão na faixa submilissegundo. Sob condições de teste padrão (I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω), T_oné tipicamente 0,1 ms e T_offé tipicamente 0,2 ms. Isto é significativamente mais rápido do que a maioria dos EMRs.

3. Análise de Curvas de Desempenho

A folha de dados fornece vários gráficos que ilustram como os parâmetros-chave variam com as condições de operação, o que é essencial para derating e projeto robusto.

3.1 Derating Térmico

Figura 1: Corrente de Carga vs. Temperatura Ambientemostra o derating necessário da corrente de carga contínua máxima à medida que a temperatura ambiente aumenta. Tanto o ELM440A quanto o ELM460A devem ter sua corrente de carga reduzida linearmente a partir dos valores nominais a 25°C até zero a aproximadamente 100-120°C. Esta curva é crítica para garantir que a dissipação total de potência do dispositivo (I_L²* R_d(ON)) não exceda os limites em altas temperaturas.

3.2 Variação da Resistência de Condução e Tempo de Comutação

Figura 2: Resistência de Condução vs. Temperatura Ambienteindica que R_d(ON)aumenta com a temperatura. Para o ELM460A, R_d(ON)pode aumentar mais de 50% de 25°C para 100°C. Isto deve ser considerado nos cálculos de queda de tensão em temperaturas elevadas.

Figura 3: Tempo de Comutação vs. Temperatura Ambientedemonstra que tanto T_onquanto T_offaumentam moderadamente com a diminuição da temperatura, particularmente abaixo de 0°C. Os projetistas de circuitos que operam em ambientes frios devem considerar uma comutação ligeiramente mais lenta.

3.3 Relação Entrada/Saída

Figuras 4 & 5: Tempo de Comutação vs. Corrente Direta do LEDmostram que aumentar a corrente de acionamento do LED (I_F) reduz significativamente os tempos de ligação e desligamento. Isto permite aos projetistas trocar velocidade de comutação por consumo de energia na entrada. Acionar o LED com 20-30 mA em vez de 10 mA pode reduzir os tempos de comutação para menos da metade.

Figuras 6 & 7: Corrente de Operação do LED Normalizada vs. Temperaturarevelam que a I_F(on)necessária para ligar a saída diminui com o aumento da temperatura, enquanto a I_F(off)(o ponto onde desliga) aumenta. Este estreitamento da janela de operação em altas temperaturas deve ser considerado no projeto de margem.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Configuração dos Pinos e Esquemático

O dispositivo utiliza um footprint padrão de SOP de 4 pinos.

• Pino 1: Ânodo do LED
• Pino 2: Cátodo do LED
• Pinos 3 & 4: Saída MOSFET (ligações de Source e Drain; o circuito interno mostra que estes estão conectados de forma a tornar o dispositivo um interruptor SPST).

O esquemático confirma a arquitetura: um LED infravermelho aciona uma matriz de células fotovoltaicas, que gera uma tensão para polarizar as gates dos MOSFETs de saída, ligando-os.

4.2 Dimensões da Embalagem e Marcação

A embalagem tem um tamanho de corpo de aproximadamente 4,59mm x 3,81mm com uma altura de 1,73mm (máx.). O passo dos terminais é de 2,54mm. É fornecida uma pad layout recomendada para PCB (layout dos terminais) para garantir soldadura fiável e estabilidade mecânica. O dispositivo é marcado no topo com um código indicando o logótipo do fabricante, número de peça (ex: M440A), ano/semana de fabrico e um 'V' opcional para versões aprovadas pela VDE.

5. Diretrizes de Soldadura e Montagem

O dispositivo é projetado para montagem em superfície utilizando processos de soldadura por refluxo. A especificação máxima absoluta para temperatura de soldadura é de 260°C durante 10 segundos. Isto está alinhado com perfis típicos de refluxo sem chumbo (Pb-free). Os projetistas devem seguir o layout de terminais recomendado para evitar tombstoning e garantir a formação adequada da junta de solda. O dispositivo está em conformidade com as diretivas sem halogéneos, sem chumbo e RoHS, tornando-o adequado para fabricação com consciência ambiental.

6. Informações de Encomenda e Embalamento

O número de peça segue a estrutura: ELM4XXA(X)-VG.

• 4XXA:Núcleo do número de peça (440A para 400V, 460A para 600V).
• (X):Opção de fita e bobina. 'TA' ou 'TB' denotam especificações de bobina diferentes. Se omitido, as peças são fornecidas em tubos de 100 unidades.
• -V:Sufixo opcional que denota que a unidade é aprovada pela VDE.
• -G:Indica conformidade sem Halogéneos.

As versões SMD padrão (embalagem em tubo) contêm 100 unidades. As opções de fita e bobina contêm 3000 unidades por bobina.

7. Sugestões de Aplicação e Considerações de Projeto

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

O ELM4XXA é ideal para comutar sinais ou cargas de tensão moderada e baixa corrente. Exemplos incluem:

• Isolar linhas de sinal analógicas ou digitais em equipamentos de teste.
• Comutar elementos de aquecimento ou pequenos solenoides em controlos industriais.
• Fornecer entradas de controlo isoladas em fontes de alimentação ou acionamentos de motores.
• Interface entre lógica de baixa tensão e circuitos periféricos de tensão mais elevada em painéis de segurança.

7.2 Considerações de Projeto Críticas

• Input Drive Circuit:A series resistor must always be used with the LED to limit current. The value is calculated as (Supply Voltage - V_F) / Desired I_F. To ensure reliable turn-off, the control circuit should pull the LED cathode to a voltage very close to the anode voltage, minimizing any leakage current that could inadvertently turn the output on.
• Output Load Considerations:The relay is designed for DC load switching. For AC loads, additional protection (like a snubber network) would be required, and the voltage rating refers to peak voltage, not RMS. The load current must be derated according to Figure 1 based on the maximum expected ambient temperature. The power dissipation in the on-state (I_L²* R_d(ON)) must be calculated at the operating temperature (using R_d(ON)from Figure 2) to ensure it does not exceed P_out.
• Thermal Management:While the package is small, ensuring adequate PCB copper area around the pins (especially pins 3 and 4) helps dissipate heat and improve current handling capability and longevity.
• Voltage Margin:For reliable long-term operation, the steady-state voltage applied across the output (V_L) should have a comfortable margin below the rated breakdown voltage (400V or 600V), especially in environments with voltage transients.

. Technical Comparison and Differentiation

Compared to traditional electromechanical relays (EMRs), the ELM4XXA offers superior life expectancy (billions of cycles vs. millions), faster switching, silent operation, and better resistance to shock/vibration. Compared to other SSRs or optocouplers with transistor outputs, its MOSFET output provides lower on-resistance and can switch both AC and DC loads with minimal offset voltage. The 4-pin SOP package is among the smallest available for SSRs with these voltage and current ratings, offering significant space savings. The inclusion of approvals from major international safety agencies (UL, cUL, VDE, etc.) simplifies end-product certification for global markets.

. Frequently Asked Questions (Based on Technical Parameters)

.1 Can this relay switch AC loads?

The output MOSFETs have a body diode. In the standard configuration, the device is primarily intended for DC load switching. For AC switching, two devices can be connected back-to-back (source-to-source), or an external circuit must manage current flow in both directions. The voltage rating applies to the peak voltage of the AC waveform.

.2 Why is the load current for the 600V version (ELM460A) lower than the 400V version (ELM440A)?

Higher voltage MOSFETs typically have a higher specific on-resistance (R_ds(on)* Area). To fit within the same small package, the 600V-rated MOSFET die will have a higher R_d(ON)(40-70 Ω vs. 20-30 Ω). For a given current, the power dissipation (I²R) is higher in the 600V part. To keep the junction temperature within safe limits and maintain reliability, the maximum continuous current must be reduced.

.3 How do I ensure the relay turns off completely?

Ensure the control circuit reduces the current through the input LED below the maximum I_F(off)specification (0.6 mA typical). In practice, this means driving the LED cathode to a voltage very close to its anode voltage, or using a series resistor large enough to limit any residual voltage difference to a current below this threshold. Avoid floating inputs.

. Practical Design Case Study

Scenario:Designing a low-side switch for a 24V DC, 80mA solenoid valve in an industrial controller with a maximum ambient temperature of 60°C. The control signal is 3.3V from a microcontroller.

Device Selection:The ELM440A (400V rating) is chosen due to its higher current capability. The 24V load is well within its voltage rating.

Thermal Derating:From Figure 1, at 60°C, the ELM440A can handle approximately 90-95% of its 120mA rating. 80mA is ~67% of rating, which is acceptable.

Input Circuit Design:Assuming V_F= 1.2V. To provide a drive current of 10mA for fast switching, the series resistor R = (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 Ω. A standard 200 Ω resistor can be used. A GPIO pin can source this current directly.

Output Analysis:At 60°C, from Figure 2, R_d(ON)is ~22-23 Ω. Power dissipation P = (0.08A)²* 23Ω = 0.147W. This is well below the P_outrating of 500mW. Voltage drop across the relay = 0.08A * 23Ω = 1.84V, leaving 22.16V for the solenoid.

Layout:Follow the recommended pad layout, and connect the drain/source pins (3 & 4) to generous copper pours to aid heat dissipation.

. Operating Principle

The ELM4XXA operates on the principle of optical isolation. When a forward current is applied to the input AlGaAs infrared LED, it emits light. This light is detected by a photovoltaic diode array on the isolated output side. This array generates an open-circuit voltage sufficient to fully enhance the gates of the N-channel power MOSFETs that form the output switch. When the LED current is removed, the photovoltaic voltage decays, and the MOSFET gates discharge through internal paths, turning the output switch off. This mechanism provides several kilovolts of galvanic isolation between the input and output circuits, protecting sensitive control electronics from high-voltage transients on the load side.

. Technology Trends

The solid-state relay market continues to evolve towards higher power density, lower on-resistance, and smaller packages. Advances in semiconductor materials, such as the use of silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) for the output switches, could enable future SSRs in similar packages to handle higher voltages and currents with lower losses. Integration of protection features like over-current detection, thermal shutdown, and state feedback directly into the SSR package is another growing trend, simplifying system design and improving robustness. The demand for miniaturization and high reliability in automotive, industrial IoT, and renewable energy applications will continue to drive innovation in this component category.