Серия EL4XXA-G: 4-выводные DIP твердотельные реле (SSR) типа A - Выход 60-600В - Ток нагрузки 550-50мА - Безгалогенные - Техническая документация

1. Обзор продукта

Серия EL4XXA-G представляет собой однополюсные, нормально разомкнутые (тип A) твердотельные реле (SSR) в 4-выводном DIP корпусе. Эти устройства используют инфракрасный светодиод AlGaAs, оптически связанный с высоковольтной выходной детекторной схемой, состоящей из фотогальванической диодной матрицы и МОП-транзисторов. Данная конструкция обеспечивает твердотельный аналог электромеханического реле (EMR) типа 1 Form A, предлагая такие преимущества, как больший срок службы, бесшумная работа и устойчивость к механическим ударам и вибрации. Серия доступна в вариантах для поверхностного монтажа (SMD) и соответствует стандартам безгалогенности и RoHS.

1.1 Ключевые преимущества

• Высокая изоляция:Обеспечивает изоляцию 5000 В RMS между входом и выходом, повышая безопасность и помехоустойчивость в цепях управления.
• Низкий ток управления:Характеризуется низким током включения светодиода (типично 3-5 мА), что делает его совместимым с выходами маломощных микроконтроллеров.
• Широкий диапазон напряжений:Серия охватывает выходные пробивные напряжения от 60В (EL406A) до 600В (EL460A), подходя для различных применений коммутации нагрузок переменного и постоянного тока.
• Надежное соответствие стандартам:Безгалогенная конструкция и соответствие основным международным стандартам безопасности, включая UL 1577, UL 508, VDE и CQC.
• Широкий температурный диапазон:Надежная работа от -40°C до +85°C, подходит для промышленных и жестких условий эксплуатации.

1.2 Целевые области применения

Эти SSR предназначены для применений, требующих надежной, изолированной коммутации. Типичные варианты использования включают:

• Телекоммуникационное оборудование:Маршрутизация сигналов и коммутация линейных карт.
• Контрольно-измерительные приборы:Коммутация сигналов в автоматизированном испытательном оборудовании (ATE).
• Автоматизация производства (FA) и офисная автоматизация (OA):Управление датчиками, соленоидами и малыми двигателями.
• Промышленные системы управления:Выходные модули ПЛК, интерфейсы систем управления процессами.
• Системы безопасности:Коммутация в панелях сигнализации и системах контроля доступа.

2. Анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

В следующей таблице приведены критические пределы, которые не должны быть превышены во избежание необратимого повреждения устройства. Это не рабочие условия.

• Вход (сторона светодиода):Максимальный прямой ток (IF) составляет 50 мА постоянного тока, с пиковым прямым током (IFP) 1 А в импульсных условиях (скважность 0.1%). Максимальное обратное напряжение (VR) составляет 5 В.
• Выход (сторона ключа):Напряжение пробоя (VL) определяет максимальное напряжение, которое могут блокировать выходные МОП-транзисторы. Оно варьируется в зависимости от модели: EL406A (60 В), EL425A (250 В), EL440A (400 В), EL460A (600 В). Номинальный непрерывный ток нагрузки (IL) уменьшается с увеличением номинального напряжения: от 550 мА для EL406A до 50 мА для EL460A, что отражает компромисс между способностью выдерживать напряжение и сопротивлением в открытом состоянии.
• Изоляция и температурный режим:Напряжение изоляции (Viso) составляет 5000 В RMS. Устройство может храниться при температуре от -40°C до +125°C и работать от -40°C до +85°C. Температура пайки составляет 260°C в течение 10 секунд.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры определяют производительность устройства в типичных рабочих условиях (TA=25°C).

• Входные характеристики:Прямое напряжение (VF) обычно составляет 1.18 В при IF=10 мА, максимум 1.5 В. Это низкое VF способствует низкому требованию к мощности управления.
• Выходные характеристики (ключевое отличие):Сопротивление в открытом состоянии (Rd(ON)) является критическим параметром, влияющим на рассеиваемую мощность и падение напряжения на ключе. Оно значительно варьируется в серии:
  • EL406A: Тип. 0.7 Ом, Макс. 2.5 Ом
  • EL425A: Тип. 6.5 Ом, Макс. 15 Ом
  • EL440A: Тип. 20 Ом, Макс. 30 Ом
  • EL460A: Тип. 40 Ом, Макс. 70 Ом
  Это увеличение Rd(ON) с более высокими номинальными напряжениями является фундаментальной характеристикой конструкции МОП-транзистора, влияющей на выделение тепла при заданном токе нагрузки.
• Скорость переключения:Время включения (Ton) относительно медленное (типично 1.4 мс, макс. 3 мс) из-за механизма зарядки затвора фотогальваническим способом. Время выключения (Toff) очень быстрое (типично 0.05 мс, макс. 0.5 мс). Эта асимметрия важна для приложений, чувствительных к временным параметрам.
• Передаточные характеристики:Ток включения светодиода (IF(on)) — это минимальный ток, необходимый для полного включения выходного МОП-транзистора, обычно 3-5 мА. Ток выключения (IF(off)) — это максимальный ток, при котором гарантированно выключен выход, обычно 0.4 мА. Это определяет пороги входной управляющей логики.

3. Анализ характеристических кривых

Хотя конкретные графические данные не предоставлены в тексте, в даташите приведены типичные электрооптические характеристические кривые. На основе параметров можно вывести ключевые зависимости:

• Сопротивление в открытом состоянии в зависимости от температуры:Rd(ON) МОП-транзисторов имеет положительный температурный коэффициент. Оно будет увеличиваться с ростом температуры перехода, что приводит к более высоким потерям проводимости при повышенных температурах. Правильное тепловое проектирование является обязательным, особенно для моделей с более высокими номинальными токами (EL406A).
• Прямое напряжение светодиода в зависимости от тока:Кривая VF от IF является стандартной для светодиода AlGaAs. Для стабильной работы при изменении температуры рекомендуется управлять светодиодом с постоянным током (например, 10 мА).
• Ток утечки на выходе в зависимости от напряжения:Ток утечки в закрытом состоянии (Ileak) указан как максимальный 1 мкА при полном номинальном напряжении. Этот параметр критически важен для приложений, требующих очень высокого импеданса в закрытом состоянии.

4. Механическая информация и данные по корпусу

4.1 Габариты и типы корпусов

Серия предлагает три основных варианта формы выводов для различных процессов сборки печатных плат:

1. Стандартный DIP тип:Корпус для монтажа в отверстия с расстоянием между рядами 0.1 дюйма (2.54 мм) для традиционной волновой или ручной пайки.
2. Тип M (опция):Корпус для монтажа в отверстия с более широким изгибом выводов, обеспечивающий расстояние между рядами 0.4 дюйма (10.16 мм) для применений, требующих большего расстояния утечки или специфических требований к разводке печатной платы.
3. Тип S1 (опция):Форма выводов для поверхностного монтажа (SMD) с низким профилем. Этот вариант необходим для автоматизированной сборки методом "pick-and-place" и проектов печатных плат с высокой плотностью.

4.2 Идентификация полярности и маркировка

Конфигурация выводов четко определена:

• Вывод 1: Анод светодиода (+)
• Вывод 2: Катод светодиода (-)
• Выводы 3 и 4: Стоки МОП-транзисторов (выходной ключ). Обычно они соединяются вместе на печатной плате для пропускания тока нагрузки.

Устройство маркируется кодом на верхней части:EL [Номер детали] G YWWV.
Пример: "EL 460A G YWWV" указывает на EL460A, безгалогенный (G), с годом (Y) и неделей (WW) производства, и опцией VDE (V).

4.3 Рекомендуемая контактная площадка для SMD монтажа

Для опции S1 (поверхностный монтаж) рекомендуется определенная конфигурация контактных площадок для обеспечения надежной пайки и механической прочности. Размеры обеспечивают правильное формирование паяльного валика и тепловой рельеф во время оплавления.

5. Рекомендации по пайке и сборке

• Пайка оплавлением (опция S1):Устройство рассчитано на пиковую температуру пайки 260°C в течение 10 секунд. Применимы стандартные профили бессвинцовой пайки оплавлением (IPC/JEDEC J-STD-020). Убедитесь, что профиль не превышает максимальную температуру или время при пиковой температуре.
• Волновая пайка (опции DIP и M):Можно использовать стандартные процессы волновой пайки. Рекомендуется предварительный нагрев для минимизации термического удара.
• Ручная пайка:Используйте паяльник с регулировкой температуры. Ограничьте время контакта, чтобы предотвратить чрезмерную теплопередачу на корпус.
• Очистка:Совместимо с большинством распространенных процессов очистки от флюса. Проверьте совместимость при использовании агрессивных растворителей.
• Хранение:Храните в сухой, антистатической среде в указанном температурном диапазоне (-40°C до +125°C). Для длительного хранения следуйте рекомендациям по уровню чувствительности к влаге (MSL), обычно используя сухую упаковку для SMD компонентов.

6. Упаковка и информация для заказа

6.1 Система нумерации моделей

Номер детали следует формату:EL4XXA(Y)(Z)-VG

• XX:Номер детали (06, 25, 40, 60), определяющий номинальное выходное напряжение/ток.
• Y:Опция формы выводов (S1 для поверхностного монтажа, или пусто для стандартного DIP).
• Z:Опция ленты и катушки (TA, TB, TU, TD, или пусто для тубы).
• V:Указывает на опцию сертификации безопасности VDE.
• G:Обозначает безгалогенную конструкцию.

6.2 Спецификации упаковки

• Упаковка в тубе:Стандартные типы DIP и опция M поставляются в тубах по 100 штук.
• Лента и катушка (опция S1):Доступны различные типы катушек:
  • TA, TB: 1000 штук на катушке.
  • TU, TD: 1500 штук на катушке.
  Подробные размеры ленты (размер кармана A0, B, шаг P0, P1 и т.д.) предоставляются для совместимости с питателями автоматизированного сборочного оборудования.

7. Рекомендации по проектированию приложений

7.1 Проектирование входной цепи

Управляйте входным светодиодом с помощью источника постоянного тока или источника напряжения с последовательным токоограничивающим резистором. Рассчитайте значение резистора по формуле: R = (Vcc - VF) / IF, где VF обычно составляет 1.18В-1.5В, а IF выбирается между 5 мА и 20 мА для оптимальной скорости и надежности. Убедитесь, что управляющая схема может обеспечить как минимум минимальный IF(on) (макс. 5 мА), чтобы гарантировать полное включение выхода. Защитный диод, включенный параллельно светодиоду, не является строго необходимым из-за встроенного номинального обратного напряжения 5 В, но может быть добавлен для повышения надежности в зашумленных средах.

7.2 Проектирование выходной цепи

Выбор напряжения:Выбирайте модель (EL406A, 425A, 440A, 460A) на основе пикового напряжения (постоянного или переменного тока) вашей нагрузки, включая любые переходные процессы или всплески. Рекомендуется запас прочности 20-30%.
Ток и рассеиваемая мощность:Ключевым ограничением при проектировании является рассеиваемая мощность и тепло. Мощность, рассеиваемая в SSR (Pdiss), рассчитывается как: Pdiss = (IL^2 * Rd(ON)) + (IF * VF). Первый член является доминирующим. Например, работа EL406A при максимальном токе нагрузки 550 мА с типичным Rd(ON) 0.7 Ом генерирует ~212 мВт тепла. Убедитесь, что общая рассеиваемая мощность (Pout макс. 500 мВт) не превышена и что печатная плата обеспечивает адекватный тепловой рельеф, особенно для моделей с более высоким током.
Индуктивные/емкостные нагрузки:При коммутации индуктивных нагрузок (реле, соленоиды, двигатели) используйте демпфирующую цепь (RC-цепь) или обратный диод, включенный параллельно нагрузке, для подавления всплесков напряжения, которые могут превысить номинальное VL устройства. Для емкостных нагрузок рассмотрите ограничение пускового тока.

7.3 Тепловой режим

SSR не имеет внутреннего радиатора. Тепло отводится через выводы. Используйте достаточную площадь меди на контактных площадках печатной платы, особенно для выводов 3 и 4 (выход), чтобы они действовали как радиатор. При высоких температурах окружающей среды или непрерывной работе с высоким током контролируйте температуру устройства, чтобы убедиться, что она остается в рабочем диапазоне. Сопротивление в открытом состоянии будет увеличиваться с температурой, создавая эффект самоограничения, но также снижая производительность.

8. Техническое сравнение и руководство по выбору

Серия EL4XXA-G предлагает четкую матрицу компромиссов:

• EL406A (60В, 550мА):Лучший выбор для коммутации низкого напряжения, более высокого постоянного тока (например, системы 12В/24В, устройства с батарейным питанием), где критически важны низкое падение напряжения и потери мощности. Имеет самое низкое Rd(ON).
• EL425A (250В, 150мА) и EL440A (400В, 120мА):Идеальны для основных применений с сетевым напряжением переменного тока (120 В перем. тока, 240 В перем. тока) для коммутации небольших нагрузок, таких как индикаторы, малые соленоиды, или в качестве управляющих устройств для более крупных контакторов. EL440A обеспечивает дополнительный запас для систем 240 В перем. тока.
• EL460A (600В, 50мА):Предназначены для высоковольтных промышленных применений или ситуаций со значительными переходными процессами напряжения. Подходят для коммутации сигналов или очень маломощных нагрузок в высоковольтных средах.

По сравнению с электромеханическими реле (EMR):Эти SSR не имеют движущихся частей, следовательно, отсутствуют дребезг контактов, дугообразование или механизмы износа, связанные с количеством циклов. Они работают бесшумно и невосприимчивы к вибрации. Однако они имеют присущее сопротивление в открытом состоянии, приводящее к выделению тепла и падению напряжения, и, как правило, имеют более низкие номинальные токи и более высокую стоимость за ампер по сравнению с аналогичными EMR.

По сравнению с другими SSR:Схема связи фотогальванического МОП-транзистора обеспечивает очень высокую изоляцию и чистую коммутацию без необходимости внешнего источника смещения на выходной стороне (в отличие от оптотранзисторов или оптосимисторов). Скорость включения медленнее, чем у некоторых других опто-МОП-транзисторов, но достаточна для большинства управляющих приложений.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Могу ли я использовать это SSR для непосредственной коммутации нагрузок переменного тока?
О1: Да, но с важными оговорками. Выход представляет собой пару МОП-транзисторов. Большинство МОП-транзисторов имеют встроенный защитный диод. В стандартной конфигурации это SSR может блокировать напряжение любой полярности в выключенном состоянии, но может проводить ток только в одном направлении во включенном состоянии (как диод). Для истинной коммутации нагрузки переменного тока два устройства должны быть настроены в обратной последовательности (встречно-параллельно). Некоторые SSR имеют такую конфигурацию внутри, но в даташите EL4XXA-G показана схема с одним МОП-транзистором, что указывает на предназначение для постоянного или однонаправленного переключения. Проверьте возможности конкретной модели для вашего применения с переменным током.

В2: Почему время включения намного медленнее, чем время выключения?
О2: Время включения ограничено скоростью, с которой фотогальваническая диодная матрица может генерировать достаточный ток для зарядки емкости затвора выходного МОП-транзистора до его порогового напряжения. Это относительно медленный, ограниченный током процесс. Выключение происходит быстро, потому что оно требует только разрядки затвора через внутреннюю схему, что может быть сделано быстро.

В3: Как интерпретировать номинальный "импульсный ток нагрузки"?
О3: Импульсный ток нагрузки (ILPeak) — это более высокий ток, который может выдерживаться в течение очень короткого времени (100 мс, одиночный импульс). Это полезно для обработки пусковых токов от ламп или двигателей. Не используйте этот номинал для непрерывной или повторяющейся импульсной работы. Для повторяющихся импульсов средняя рассеиваемая мощность должна оставаться в пределах предела Pout.

В4: Требуется ли внешний радиатор?
О4: Обычно не требуется для DIP корпуса в номинальных условиях. Основным радиатором является медь печатной платы. Для непрерывной работы при максимальном токе нагрузки, особенно для EL406A, убедитесь, что печатная плата имеет достаточную площадь меди (например, несколько квадратных сантиметров), подключенную к выходным выводам для рассеивания тепла. В ограниченных пространствах или при высоких температурах окружающей среды рекомендуется тепловой анализ.

10. Пример практического применения

Сценарий:Проектирование цифрового модуля ввода/вывода для ПЛК, который должен коммутировать индуктивные нагрузки 24 В постоянного тока (малые соленоидные клапаны) с установившимся током 200 мА. Среда промышленно зашумленная.

Выбор компонента:Выбран EL406A из-за его номинального напряжения 60 В (значительно выше 24 В постоянного тока) и низкого сопротивления в открытом состоянии. При 200 мА типичное падение напряжения составляет всего 200 мА * 0.7 Ом = 0.14 В, а рассеиваемая мощность (0.2^2)*0.7 = 0.028 Вт, что пренебрежимо мало.

Входная цепь:Цифровой выход ПЛК составляет 24 В постоянного тока. Рассчитывается последовательный резистор: R = (24В - 1.3В) / 0.01А = 2270 Ом. Выбран стандартный резистор 2.2 кОм, обеспечивающий IF ≈ 10.3 мА, что безопасно выше максимального IF(on) 5 мА.

Выходная цепь:Обратный диод (1N4007) размещается непосредственно параллельно катушке соленоида для ограничения напряжения обратной ЭДС и защиты выхода EL406A. Катод диода подключается к положительному источнику питания, анод — к выходу SSR/соединению нагрузки.

Разводка печатной платы:Выводы 3 и 4 подключены к большой медной области на печатной плате для улучшения теплоотвода, хотя в данном случае выделяемое тепло минимально. Входные и выходные дорожки разделены для поддержания хорошей изоляции.

Этот проект обеспечивает надежное, долговечное и бесшумное решение для коммутации по сравнению с малым электромеханическим реле.

11. Принцип работы

EL4XXA-G работает по принципу оптической изоляции и фотогальванического управления. Когда прямой ток подается на входной инфракрасный светодиод AlGaAs, он излучает свет. Этот свет детектируется фотогальванической диодной матрицей на выходной стороне. Эта матрица генерирует небольшое напряжение (фотогальванический эффект) при освещении. Это сгенерированное напряжение подается непосредственно на затвор одного или нескольких силовых МОП-транзисторов, включая их и создавая низкоомный путь между выходными выводами (3 и 4). Когда ток светодиода прекращается, свет гаснет, фотогальваническое напряжение падает, и затвор МОП-транзистора разряжается, выключая выход. Этот механизм обеспечивает полную гальваническую развязку между низковольтной управляющей цепью и высоковольтной цепью нагрузки, так как только свет пересекает барьер изоляции.

12. Технологические тренды

Твердотельные реле продолжают развиваться в нескольких ключевых направлениях, актуальных для технологии EL4XXA-G:

• Более низкое сопротивление в открытом состоянии (Rd(ON)):Достижения в технологии МОП-транзисторов и корпусов постоянно снижают Rd(ON) для заданного номинального напряжения и размера корпуса, позволяя коммутировать более высокие токи в меньших габаритах и с меньшими потерями.
• Более высокая интеграция:Тренды включают интеграцию драйверов на входной стороне (источники постоянного тока, преобразователи логических уровней) и защитных функций на выходной стороне (ограничители перенапряжения, отключение при перегреве) в корпус SSR, упрощая внешние схемы.
• Улучшенные тепловые характеристики:Новые конструкции корпусов с открытыми тепловыми площадками (например, DIP корпуса с нижней площадкой) позволяют значительно более эффективно передавать тепло на печатную плату, существенно увеличивая номинальный непрерывный ток для того же кристалла.
• Более широкие диапазоны напряжений:Устройства, способные блокировать более высокие напряжения (1 кВ+), становятся более распространенными в компактных корпусах, что обусловлено применениями в возобновляемой энергетике и электромобилях.
• Фокус на безопасности и соответствии:Как и в случае с EL4XXA-G, все больше внимания уделяется соответствию последним международным стандартам безопасности (UL, VDE, CQC), экологическим нормам (безгалогенные, RoHS) и автомобильным квалификациям для надежности.

Серия EL4XXA-G представляет собой зрелую и надежную реализацию технологии фотогальванических МОП-транзисторных SSR, хорошо подходящую для широкого спектра промышленных и коммерческих управляющих приложений, требующих безопасной, изолированной и надежной коммутации малой и средней мощности.