Техническая документация серии твердотельных реле ELM4XXA - Корпус SOP на 4 вывода - Напряжение нагрузки 400В/600В - Ток нагрузки 120мА/50мА

1. Обзор продукта

Серия ELM4XXA представляет собой семейство одноканальных, нормально разомкнутых (1 Form A) твердотельных реле (SSR), выполненных в компактном 4-выводном корпусе SOP (Small Outline Package). Эти устройства предназначены для замены электромеханических реле (EMR) в приложениях с ограниченным пространством, требующих высокой надежности, быстрого переключения и низкого энергопотребления. Основная технология включает инфракрасный светодиод AlGaAs, оптически связанный с массивом фотодиодов, который управляет выходными MOSFET-транзисторами, обеспечивая гальваническую развязку между низковольтной цепью управления и высоковольтной цепью нагрузки.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Основные преимущества серии ELM4XXA обусловлены ее твердотельной конструкцией. Ключевые выгоды включают бесшумную работу, отсутствие дребезга контактов, длительный срок службы и устойчивость к ударам и вибрации. Низкий рабочий ток светодиода минимизирует нагрузку на цепи управления, такие как микроконтроллеры или логические элементы. Серия особенно подходит для современного электронного оборудования, где миниатюризация, энергоэффективность и надежность имеют первостепенное значение.

Целевые области применения:Эта серия реле разработана для использования в оборудовании телефонных станций, измерительных и испытательных приборах, оборудовании для автоматизации производства (FA) и офисной автоматизации (OA), системах промышленной автоматики и системах безопасности.

2. Подробный анализ технических параметров

Рабочие характеристики серии ELM4XXA определяются комплексом электрических, оптических и тепловых параметров. Понимание этих спецификаций имеет решающее значение для правильного проектирования схемы и надежной работы.

2.1 Предельно допустимые рабочие условия

Эти условия определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Вход (сторона светодиода):Максимальный прямой ток (I_F) составляет 50 мА постоянного тока. Пиковый прямой ток (I_FP) 1 А допускается в импульсном режиме (скважность 0.1% на частоте 100 Гц). Максимальное обратное напряжение (V_R) составляет 5 В.
• Выход (сторона MOSFET):Напряжение пробоя (V_L) различает два основных варианта: 400 В для ELM440A и 600 В для ELM460A. Соответственно, максимальный непрерывный ток нагрузки (I_L) составляет 120 мА для версии на 400В и 50 мА для версии на 600В. Более высокий импульсный ток нагрузки допустим в течение коротких промежутков времени (одиночный импульс длительностью 100 мс).
• Изоляция:Устройство обеспечивает высокое напряжение изоляции (V_iso) 3750 В_{ср. кв.}в течение 1 минуты, обеспечивая безопасность и помехозащищенность между входом и выходом.
• Тепловые параметры:Диапазон рабочей температуры окружающей среды составляет от -40°C до +85°C. Общая рассеиваемая мощность устройства (P_T) не должна превышать 550 мВт.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры, указанные при T_A= 25°C, определяют поведение устройства в нормальных условиях.

• Входные характеристики:Прямое напряжение светодиода (V_F) обычно составляет 1.18В при I_F= 10 мА, максимум 1.5В. Это низкое V_Fспособствует низкому энергопотреблению.
• Выходные характеристики:Критически важным параметром является сопротивление во включенном состоянии (R_d(ON)). Для ELM440A оно обычно составляет 20 Ом (макс. 30 Ом), а для ELM460A — обычно 40 Ом (макс. 70 Ом). Это сопротивление напрямую влияет на падение напряжения и потери мощности на реле в проводящем состоянии. Ток утечки в выключенном состоянии (I_leak) гарантированно менее 1 мкА, что минимизирует потери мощности при разомкнутом реле.
• Передаточные характеристики:Они определяют взаимосвязь между входом и выходом. Ток включения светодиода (I_F(on)), необходимый для полной активации выходных MOSFET-транзисторов при максимальной нагрузке, очень низок, обычно 1 мА (макс. 5 мА). Ток выключения светодиода (I_F(off)) — это максимальный входной ток, при котором гарантированно выключен выход (I_L≤ 1 мкА), обычно 0.6 мА.
• Скорость переключения:Время включения (T_on) и время выключения (T_off) находятся в субмиллисекундном диапазоне. При стандартных условиях испытаний (I_F=10мА, I_L=МАКС, R_L=200Ом), T_onобычно составляет 0.1 мс, а T_offобычно составляет 0.2 мс. Это значительно быстрее, чем у большинства электромеханических реле.

3. Анализ характеристических кривых

В технической документации представлены несколько графиков, иллюстрирующих, как ключевые параметры изменяются в зависимости от рабочих условий, что важно для деградации и надежного проектирования.

3.1 Тепловая деградация

Рисунок 1: Ток нагрузки в зависимости от температуры окружающей средыпоказывает необходимую деградацию максимального непрерывного тока нагрузки при повышении температуры окружающей среды. Как для ELM440A, так и для ELM460A ток нагрузки должен линейно снижаться от номинальных значений при 25°C до нуля примерно при 100-120°C. Эта кривая критически важна для обеспечения того, чтобы общая рассеиваемая мощность устройства (I_L²* R_d(ON)) не превышала пределов при высоких температурах.

3.2 Изменение сопротивления во включенном состоянии и времени переключения

Рисунок 2: Сопротивление во включенном состоянии в зависимости от температуры окружающей средыуказывает, что R_d(ON)увеличивается с температурой. Для ELM460A R_d(ON)может увеличиться более чем на 50% при изменении температуры от 25°C до 100°C. Это необходимо учитывать при расчетах падения напряжения при повышенных температурах.

Рисунок 3: Время переключения в зависимости от температуры окружающей средыдемонстрирует, что как T_on, так и T_offумеренно увеличиваются с понижением температуры, особенно ниже 0°C. Разработчикам схем, работающих в холодных условиях, необходимо учитывать несколько более медленное переключение.

3.3 Взаимосвязь входных и выходных параметров

Рисунки 4 и 5: Время переключения в зависимости от прямого тока светодиодапоказывают, что увеличение тока управления светодиодом (I_F) значительно сокращает время включения и выключения. Это позволяет разработчикам выбирать компромисс между скоростью переключения и потребляемой мощностью на входе. Управление светодиодом током 20-30 мА вместо 10 мА может сократить время переключения более чем вдвое.

Рисунки 6 и 7: Нормированный рабочий ток светодиода в зависимости от температурыпоказывают, что требуемый I_F(on)для включения выхода уменьшается с ростом температуры, в то время как I_F(off)(точка выключения) увеличивается. Это сужение рабочего окна при высоких температурах необходимо учитывать при проектировании запаса.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Распиновка и принципиальная схема

Устройство использует стандартную 4-выводную конфигурацию корпуса SOP.

• Вывод 1: Анод светодиода
• Вывод 2: Катод светодиода
• Выводы 3 и 4: Выход MOSFET (подключения истока и стока; внутренняя схема показывает, что они соединены таким образом, что устройство работает как SPST-ключ).

Принципиальная схема подтверждает архитектуру: инфракрасный светодиод управляет массивом фотогальванических элементов, который генерирует напряжение для смещения затворов выходных MOSFET-транзисторов, включая их.

4.2 Габаритные размеры корпуса и маркировка

Корпус имеет размеры примерно 4.59мм x 3.81мм и высоту 1.73мм (макс.). Шаг выводов составляет 2.54мм. Предоставлена рекомендуемая посадочная площадка на печатной плате (расположение контактных площадок) для обеспечения надежной пайки и механической стабильности. Устройство маркируется на верхней стороне кодом, указывающим логотип производителя, номер детали (например, M440A), год/неделю производства и необязательную букву 'V' для версий, одобренных VDE.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Устройство предназначено для поверхностного монтажа с использованием процессов пайки оплавлением. Абсолютно максимальная температура пайки составляет 260°C в течение 10 секунд. Это соответствует типичным профилям бессвинцовой (Pb-free) пайки оплавлением. Разработчикам следует придерживаться рекомендуемой конфигурации контактных площадок, чтобы предотвратить эффект "гробового камня" и обеспечить правильное формирование паяного соединения. Устройство соответствует требованиям по отсутствию галогенов, бессвинцовой пайке и директиве RoHS, что делает его пригодным для экологически ответственного производства.

6. Информация для заказа и упаковка

Номер детали следует структуре: ELM4XXA(X)-VG.

• 4XXA:Основная часть номера детали (440A для 400В, 460A для 600В).
• (X):Опция поставки в ленте и на катушке. 'TA' или 'TB' обозначают различные спецификации катушек. Если опущено, детали поставляются в трубках по 100 штук.
• -V:Необязательный суффикс, обозначающий, что устройство одобрено VDE.
• -G:Обозначает соответствие требованиям по отсутствию галогенов.

Стандартные версии для поверхностного монтажа (в трубках) содержат 100 единиц. Опции поставки в ленте и на катушке содержат 3000 единиц на катушке.

7. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

7.1 Типичные сценарии применения

ELM4XXA идеально подходит для коммутации сигналов или нагрузок среднего напряжения и низкого тока. Примеры включают:

• Изоляция аналоговых или цифровых сигнальных линий в испытательном оборудовании.
• Коммутация нагревательных элементов или небольших соленоидов в промышленных системах управления.
• Обеспечение изолированных управляющих входов в источниках питания или драйверах двигателей.
• Интерфейс между низковольтной логикой и высоковольтными периферийными цепями в панелях безопасности.

7.2 Критически важные соображения при проектировании

• Цепь управления входом:Светодиод всегда должен использоваться с последовательным резистором для ограничения тока. Его значение рассчитывается как (Напряжение питания - V_F) / Желаемый I_F. Чтобы обеспечить надежное выключение, цепь управления должна подтягивать катод светодиода к напряжению, очень близкому к напряжению анода, минимизируя любой ток утечки, который может случайно включить выход.
• Соображения по нагрузке на выходе:Реле предназначено для коммутации нагрузок постоянного тока. Для нагрузок переменного тока потребуется дополнительная защита (например, демпфирующая цепь), и номинальное напряжение относится к пиковому напряжению, а не к среднеквадратичному. Ток нагрузки должен быть снижен в соответствии с Рисунком 1 на основе максимальной ожидаемой температуры окружающей среды. Рассеиваемая мощность во включенном состоянии (I_L²* R_d(ON)) должна быть рассчитана при рабочей температуре (используя R_d(ON)с Рисунка 2), чтобы убедиться, что она не превышает P_out.
• Тепловой менеджмент:Хотя корпус мал, обеспечение достаточной площади медного покрытия вокруг выводов (особенно выводов 3 и 4) на печатной плате помогает рассеивать тепло и улучшает способность пропускать ток и долговечность.
• Запас по напряжению:Для надежной долгосрочной работы установившееся напряжение, приложенное к выходу (V_L), должно иметь комфортный запас ниже номинального напряжения пробоя (400В или 600В), особенно в средах с переходными процессами по напряжению.

8. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению с традиционными электромеханическими реле (EMR), ELM4XXA предлагает превосходный ожидаемый срок службы (миллиарды циклов против миллионов), более быстрое переключение, бесшумную работу и лучшую устойчивость к ударам/вибрации. По сравнению с другими твердотельными реле или оптронами с транзисторным выходом, его MOSFET-выход обеспечивает более низкое сопротивление во включенном состоянии и может коммутировать как нагрузки переменного, так и постоянного тока с минимальным напряжением смещения. 4-выводной корпус SOP является одним из самых маленьких доступных для твердотельных реле с такими номинальными напряжениями и токами, что обеспечивает значительную экономию места. Наличие одобрений от основных международных агентств по безопасности (UL, cUL, VDE и др.) упрощает сертификацию конечного продукта для мировых рынков.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

9.1 Может ли это реле коммутировать нагрузки переменного тока?

Выходные MOSFET-транзисторы имеют внутренний диод. В стандартной конфигурации устройство в первую очередь предназначено для коммутации нагрузок постоянного тока. Для коммутации переменного тока два устройства могут быть соединены встречно-последовательно (исток к истоку), или внешняя цепь должна управлять током в обоих направлениях. Номинальное напряжение относится к пиковому напряжению формы волны переменного тока.

9.2 Почему ток нагрузки для версии на 600В (ELM460A) ниже, чем для версии на 400В (ELM440A)?

MOSFET-транзисторы с более высоким напряжением обычно имеют более высокое удельное сопротивление во включенном состоянии (R_ds(on)* Площадь). Чтобы поместиться в тот же маленький корпус, кристалл MOSFET с номиналом 600В будет иметь более высокое R_d(ON)(40-70 Ом против 20-30 Ом). При заданном токе рассеиваемая мощность (I²R) выше в детали на 600В. Чтобы поддерживать температуру перехода в безопасных пределах и сохранять надежность, максимальный непрерывный ток должен быть снижен.

9.3 Как обеспечить полное выключение реле?

Убедитесь, что цепь управления снижает ток через входной светодиод ниже максимального значения спецификации I_F(off)(обычно 0.6 мА). На практике это означает подтягивание катода светодиода к напряжению, очень близкому к напряжению его анода, или использование последовательного резистора достаточно большого номинала, чтобы ограничить любой остаточный перепад напряжения до тока ниже этого порога. Избегайте плавающих входов.

10. Практический пример проектирования

Сценарий:Проектирование нижнего ключа для соленоидного клапана постоянного тока 24В, 80мА в промышленном контроллере с максимальной температурой окружающей среды 60°C. Управляющий сигнал — 3.3В от микроконтроллера.

Выбор устройства:Выбран ELM440A (номинал 400В) из-за его более высокой способности по току. Нагрузка 24В хорошо вписывается в его номинальное напряжение.

Тепловая деградация:Из Рисунка 1, при 60°C, ELM440A может выдерживать примерно 90-95% от своего номинала 120мА. 80мА — это ~67% от номинала, что приемлемо.

Проектирование входной цепи:Предполагая V_F= 1.2В. Чтобы обеспечить ток управления 10мА для быстрого переключения, последовательный резистор R = (3.3В - 1.2В) / 0.01А = 210 Ом. Можно использовать стандартный резистор 200 Ом. Вывод GPIO может непосредственно обеспечивать этот ток.

Анализ выхода:При 60°C, из Рисунка 2, R_d(ON)составляет ~22-23 Ом. Рассеиваемая мощность P = (0.08А)²* 23Ом = 0.147Вт. Это значительно ниже номинала P_outв 500мВт. Падение напряжения на реле = 0.08А * 23Ом = 1.84В, оставляя 22.16В для соленоида.

Разводка платы:Следуйте рекомендуемой конфигурации контактных площадок и подключите выводы стока/истока (3 и 4) к широким полигонам меди для улучшения теплоотвода.

11. Принцип работы

ELM4XXA работает по принципу оптической развязки. Когда прямой ток подается на входной инфракрасный светодиод AlGaAs, он излучает свет. Этот свет детектируется массивом фотодиодов на изолированной выходной стороне. Этот массив генерирует напряжение холостого хода, достаточное для полного обогащения затворов N-канальных силовых MOSFET-транзисторов, которые образуют выходной ключ. Когда ток светодиода снимается, фотогальваническое напряжение спадает, и затворы MOSFET-транзисторов разряжаются через внутренние пути, выключая выходной ключ. Этот механизм обеспечивает гальваническую развязку в несколько киловольт между входными и выходными цепями, защищая чувствительную управляющую электронику от высоковольтных переходных процессов на стороне нагрузки.

12. Тенденции развития технологий

Рынок твердотельных реле продолжает развиваться в сторону более высокой плотности мощности, более низкого сопротивления во включенном состоянии и меньших корпусов. Достижения в области полупроводниковых материалов, такие как использование карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN) для выходных ключей, могут позволить будущим твердотельным реле в аналогичных корпусах работать с более высокими напряжениями и токами при меньших потерях. Интеграция функций защиты, таких как обнаружение перегрузки по току, тепловое отключение и обратная связь о состоянии, непосредственно в корпус твердотельного реле — еще одна растущая тенденция, упрощающая проектирование системы и повышающая надежность. Спрос на миниатюризацию и высокую надежность в автомобильных приложениях, промышленном IoT и приложениях возобновляемой энергетики будет продолжать стимулировать инновации в этой категории компонентов.