„Reedschalter“ – Versionsunterschied

Reedschalter

Funktionsweise

Betrieb der Reed-Schalter

Reedschalter (oder Reedkontakte, historisch auch Herkon) sind im Glasrohr (hermetisch) eingeschmolzene Kontaktzungen aus einer Eisen-Nickellegierung, die durch ein Magnetfeld betätigt werden.

Die Vorsilbe Reed (englisch für Röhrchen, Schilfhalm, norddeutsch Reet) bezieht sich auf das Glasröhrchen, in welchem die Anschlussdrähte eingeschmolzen sind.

Die ehemalige Marke „Herkon“ (Markeninhaber SEL, Schutzende 1997, gelöscht 1999) steht für hermetisch abgeschlossener Kontakt.

Reedschalter sind in Reedsensoren oder Reed-Relais enthalten. Die ferromagnetischen Schaltzungen bewegen sich bei einem von außen einwirkenden magnetischen Feld zueinander. Diese Technik erlaubt es, zuverlässige, hermetisch dichte Schaltelemente mit geringer Größe für – verglichen mit konventionellen Relais und Kontakten – schnelle Schaltvorgänge herzustellen.

Die Hauptkomponenten eines Reedkontaktes sind die Schaltzungen (Paddel) aus einer Nickel-Eisen-Legierung (Ni ca. 48 %) mit der äußeren Lötoberfläche (ca. 2–6 µm Zinn oder Gold) und inneren Kontaktflächen aus Edelmetall. Ein Glasröhrchen fixiert und schützt sie und enthält die Schutzgasfüllung (Stickstoff/Wasserstoff) oder ein Vakuum bei Hochspannungs-Schaltern.

Geschichte

Der Reedschalter hat seinen Ursprung in den USA und wurde dort von Bell Labs Ende 1930 entwickelt. Ab 1940 gab es bereits erste Industrieanwendungen für Reedsensoren und Reedrelais, hauptsächlich in einfachen magnetisch ausgelösten Schaltfunktionen und ersten Modellen von Testgeräten. Ende der 1940er Jahre war es die Firma Western Electric, die Reedschalter in Telefonsysteme einführte. Selbst heutige Designs nutzen die Vorteile der Reedschalter in derartigen Anwendungen immer noch. Während dieser Zeit gab es ein Kommen und Gehen von Herstellern.

In den 1980er Jahren wurden diese Schalter in der DDR als Geko-Kontakt bezeichnet, abgeleitet von Bauelement mit geschütztem Kontakt.

Die meisten Hersteller haben es geschafft, mit modernen Produktionsmaschinen eine sehr hohe Zuverlässigkeit zu erreichen. Der weltweite Bedarf an Reedschaltern ist inzwischen auf ca. 1 Milliarde Stück pro Jahr gewachsen: Einsatzgebiet ist das gesamte Spektrum der Elektrotechnik und Elektronik wie Automobilmarkt, Alarmanlagen, Test- und Messgerätemarkt, Hausgeräte, Medizintechnik, Industrieanwendungen.

Merkmale

Aufgrund der verwendeten Materialien und hermetisch geschlossenen Bauweise lassen sich Reedschalter in fast allen Umweltbedingungen einsetzen. Dennoch sind einige Punkte zu beachten, die die Zuverlässigkeit beeinflussen. Die für die Dichtheit verantwortliche Glasdurchführung der Anschlussdrähte ist bruchempfindlich bei Biegebelastung und aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten thermoschockempfindlich beim Löten nahe dem Glas. Das Auftragen des Kontaktmaterials (Rhodium oder Ruthenium) erfolgt durch Sputtern oder galvanisch und erfordert hohe Reinheit. Fremde Partikel, auch bereits in kleinster Konzentration, sind die Quelle für Unzuverlässigkeit. Solche Edelmetallkontakte sind nicht für hohe Schaltleistungen geeignet.

Im Laufe der Zeit konnte die Länge von ursprünglich 50 mm auf 5 mm verringert werden. Dadurch konnten neben der Miniaturisierung besonders in der Hochfrequenztechnik und durch höhere Schaltgeschwindigkeiten neue Anwendungen erschlossen werden.
Im Folgenden sind einige Kennwerte aufgeführt, die mit Reedkontakten erreichbar sind:

• Schalten bis 10 kV
• Schaltströme bis 5 A
• Schalten von Spannungen bis herab zu 10 nV und von Strömen bis herab zu 1 fA
• Einsatz bis 7 GHz
• Isolationswiderstand über den geöffneten Kontakt bis 10¹⁵ Ω
• Kontaktwiderstand im geschlossenen Zustand typ. 50 mΩ
• Öffner, Schließer und bistabile Schaltfunktion möglich
• Schließzeit ca. 100 bis 300 µs
• Einsatztemperatur zwischen −55 °C und +200 °C
• Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, Vakuum, Öl, Fett und vielen aggressiven Substanzen
• Schockresistenz bis 200 g
• Einsetzbar bei Vibrationen von 50 Hz bis 2 kHz bei 30 g
• Lange Lebensdauer: bei Schaltspannungen unter 5 V (Lichtbogen-Grenze) sind Schaltspiele weit über 10⁹ hinaus erreichbar

Aufbau und Funktion

Aufbau eines Schalters

Ein Reedschalter besteht aus zwei ferromagnetischen Schaltzungen (normalerweise Nickel/Eisenlegierung), die hermetisch dicht verschlossen in ein Glasröhrchen eingeschmolzen sind. Bei Wechslern oder Öffnern ist das Ende einer der Schaltzungen unmagnetisch. Die Schaltzungen überlappen sich und haben einen geringen Abstand von einigen Mikrometern bis ca. 1 mm zueinander. Wirkt ein axiales Magnetfeld auf den Schalter, bewegen sich die beiden Paddel aufeinander zu – der Schalter schließt. Der Kontaktbereich der beiden Schaltzungen ist mit einem sehr harten Metall beschichtet, meist Rhodium oder Ruthenium, aber auch Wolfram und Iridium. Aufgetragen werden diese entweder galvanisch oder durch Sputtern. Die Kontaktflächen sind für die sehr lange Lebensdauer und die gute Kontaktgabe eines Reedschalters wichtig. Vor dem Einschmelzen wird die vorhandene Luft durch Stickstoff oder eine Inert-Gasmischung mit hohem Stickstoffanteil ersetzt. Für erhöhte Schaltspannungen (kV-Bereich) werden Reedkontakte evakuiert.

Ist das durch Permanentmagnete oder Spulen erzeugte Magnetfeld stärker als die Federwirkung der Paddel, schließen die beiden Kontakte. Das zum Öffnen zu unterschreitende Feld ist wesentlich kleiner.

Form A: Schließer (Normally Open)

Form C: Wechsler bzw. Umschalter

Der beschriebene Ablauf gilt für den 1Form A-Schalter (kurz NO für normally open), Schließer oder Einschalter (kurz SPST für single pole single throw). Es gibt auch Mehrfachschalter wie 2Form A (2 Schließer), 3Form A etc.

Ist der Schalter in Ruhestellung geschlossen, spricht man von 1Form B-Funktion, auch bekannt als Öffner (kurz NC für normally closed). Das kann nur mit einem passiven ferromagnetischen Paddel erreicht werden. Die Zunge liegt ohne Feld an einem unmagnetischen Kontakt an.

Zum Umschalten dient der 1Form C-Schalter, auch bekannt als Wechsler (kurz SPDT für single pole double throw). In Ruhestellung und ohne anliegendes Magnetfeld ist der Ruhekontakt mit der Zunge verbunden. Mit Magnetfeld wechselt der Kontakt vom Ruhe- auf den Arbeitskontakt. Ruhe- und Arbeitskontakte sind unbewegte Kontakte. Alle drei Paddel sind ferromagnetisch leitend, lediglich der Kontaktbereich des Ruhekontakts (Öffners) ist mit einem unmagnetischen Plättchen versehen. Dadurch ist der Weg der Feldlinien zum Ruhekontakt länger als zum Arbeitskontakt und die Zunge wandert durch das Feld zum (magnetisch näher gelegenen) Arbeitskontakt. Das ist technologisch nötig, um für alle Glasdurchführungen das gleiche, thermisch angepasste Material (Nickel-Eisen) verwenden zu können.

Form und Stärke des Betätigungs-Magnetfeldes

Werden Reedschalter als Lagesensoren (Türkontakt, Füllstand, Endschalter) verwendet, benutzt man für die Betätigung Dauermagnete. Um exaktes Schalten zu gewährleisten, muss das Feld axial, also in Richtung der Schaltzungen, ausgerichtet sein.

Funktion eines Reedschalters unter dem Einfluss eines Permanentmagneten

Schließen eines Reedschalters durch das Magnetfeld einer Spule

Ist das Feld exakt quer zu den Schaltzungen, öffnet der Kontakt. Das wird zum Beispiel zum Einhalten exakter Schaltpositionen bei Referenzfahrten von Positionierantrieben ausgenutzt: der Kontakt schließt bei Annäherung zunächst, öffnet jedoch, wenn Zungen und Magnet in T-Form zueinander stehen.

Reedkontakte können auch mit bistabiler Funktion („latching“) gefertigt werden. Bei diesen besteht die Möglichkeit, mit einem Magneten oder einer Spule den Schaltzustand zu ändern. Der Sensor verharrt in der vorherigen Position bis zum Umpolen des äußeren Magnetfeldes. Das wird durch eine Vormagnetisierung erreicht, die gerade zum Halten der Kontakte ausreicht, nicht jedoch zum Anziehen. Hebt das äußere Feld die Vormagnetisierung auf, fällt der Kontakt ab. Addieren sich beide Felder, zieht er an.

Reedschalter können zum Beispiel durch folgende Aktionen betätigt werden:

• Magnet bewegt sich zum Reedschalter hin oder von ihm weg
• Reedschalter oder Magnet in rotierender Bewegung
• Ringmagnet wird über den Reedschalter geschoben
• das Magnetfeld wird durch ein Eisenblech unterbrochen beziehungsweise abgeschirmt

Mit Reedkontakten können Stromsensoren hergestellt werden, indem man sie mit wenigen Windungen dicken Drahtes umgibt. Beispiele sind die Überwachung der Funktion einer Warnlampe oder des Bremslichtes.
Kennzeichnend für solche Sensoren und generell für Reedkontakt-Anwendungen ist die ausgeprägte Hysterese-Charakteristik, das heißt in diesem Fall, der Anzugstrom ist wesentlich größer als der Halte- und Abfallstrom.

Störeinflüsse

Ferromagnetische Materialien können das zum Schalten notwendige Magnetfeld stören. Es wird daher empfohlen, zur Montage nicht-magnetische Materialien wie austenitischen Stahl oder Messing zu verwenden. Von magnetisierbaren Bauteilen (etwa aus Eisenwerkstoffen) sollte ein Abstand von zumindest einigen Millimetern eingehalten werden.

Anwendungsbeispiele

Reedschalter, Reedsensoren und Reedrelais werden für viele unterschiedliche Branchen produziert, wie z. B. für Maschinenbau, Automatisierungstechnik, Sicherheitstechnik, Automobilindustrie, Luftfahrt, Landwirtschaft, Test- & Messtechnik, Medizin, Telekommunikation, Haushaltsgeräte und Marine.

Reedschalter, kombiniert mit einem Permanentmagneten an einem Schwimmer, werden als Füllstandssensor (Schwimmerschalter) eingesetzt. Näherungsschalter dienen der Überwachung von Türen, Klappen und Verschlüssen sowie zur Positionsbestimmung. Bewegungs- und Beschleunigungssensoren sind weitere mögliche Anwendungen der Kombination mit Dauermagneten.

In der Marine werden sie für die Ankerposition, das Steuern der Bilgenpumpe, den Kraftstoff-Füllstand, die Ruder-Endposition, Stromüberwachungen, die Toilettenkontrolle oder den Ölstand eingesetzt.

Medizin: In implantierbaren und anderen Geräten ist es oft wichtig, dass Schalter verwendet werden, die hinter Oberflächen verborgen sind. Geräte wie beispielsweise elektro-chirurgische Generatoren setzen Hochspannungsrelais ein, um die Stromzufuhr für das operative Kauterisieren der Gefäße zu regulieren. Ähnliche Geräte verwenden HF-Energie kombiniert mit Salzlösung, um die Gefäße zu verschließen. Hierfür sind Hochfrequenzrelais eine geeignete Lösung.

Für viele Anwendungen hat das hochohmige Schalten von Signalen Bedeutung, zum Beispiel in Datenerfassungssystemen, Oszilloskopen, Leiterplattentestgeräten oder Halbleitertestern.

Sicherheitstechnik: Fenster und Türen, bei denen der Öffnungszustand zur Kontrolle elektronisch überwacht werden soll, z. B. bei Zugangskontrollen, Alarmanlagen u. dgl. Andere Beispiele sind Feuerlöscher, Sicherheitsgurte u. v. m.

Weitere Anwendungen sind koaxiale Hochfrequenzrelais, Stromsensoren und verborgene, nur mit Magnet zu betätigende Kontakte.

Parameter für Reed-Bauelemente

Anzugs- und Abschaltempfindlichkeit

Anzugsempfindlichkeit (AW_an, PI) spezifiziert den Schließpunkt des Schalters. Bei Dauermagneten misst man den Einschaltpunkt als Einschalt-Entfernung in mm oder gibt die magnetische Flussdichte an. Mit einer Messspule kann man die Ampere-Windungen (AW, meist aber als AT bezeichnet, Ampere-turns) bis zum Anzug bestimmen. Dazu wird der Strom in einer um den Kontakt gewickelten Spule bis zum Einschaltpunkt erhöht und mit deren Windungszahl multipliziert. Es wird der Maximalwert angegeben. Auch bei bester Glühqualität der Paddel bleibt eine Restremanenz zu berücksichtigen. Um vor der Messung definierte Verhältnisse zu schaffen, beaufschlagt man die Spule mit einem sogenannten Sättigungsimpuls. Die Angabe gilt in der Regel für 20 °C.

Die Abschaltempfindlichkeit (AW_ab, DO) bestimmt den Ausschaltpunkt des Reedschalters und wird analog wie AW_an bestimmt.

Hysterese

Die Schalt- Hysterese in % ist das Verhältnis zwischen Anzugs- und Abschalt-Magnetfeldstärke in Amperewindungen (kurz AW)

Hysterese = AW_an/AW_ab × 100 %

Die Hysterese hängt von Designmerkmalen wie Beschichtungsdicke, Paddelüberlappung, Paddelbeschaffenheit, Paddellänge, Einschmelzzone, Paddelabstand ab.

Statischer Kontaktwiderstand

Darstellung der verschiedenen Widerstandszonen eines Reedschalters

Der statische Kontaktwiderstand ist der Gleichstromwiderstand, erzeugt durch Paddel und Kontaktfläche. Den meisten Einfluss hat hier das Nickel/Eisenmaterial mit einem spezifischen Widerstand von 8…10·10⁻⁸ Ω·m. Verglichen mit dem für Kupfer von 1,7·10⁻⁸ Ω·m ist dies relativ hoch. Typisch für einen Reedschalter sind ca. 70 mΩ, der Anteil der Kontaktstelle beträgt dagegen nur ca. 10…25 mΩ. Bei Reedrelais benutzt man oft Nickel/Eisen als Anschlusspins, diese führen den Magnetfluss und stellen die Federkraft. Allerdings tragen sie zum Widerstand ca. 25…50 mΩ bei.

Dynamischer Kontaktwiderstand

Beim Messen des Dynamischen Kontaktwiderstand (DCR) bestimmt man das Verhalten des Reedschalters speziell an der Kontaktstelle besonders im Hinblick auf Verschmutzungen.

Zum Test wird der Kontakt mit einer Frequenz zwischen 50 Hz und 200 Hz geschaltet. Eine Messspannung von 0,5 V und der Strom von ca. 50 mA reichen aus, um potentielle Probleme zu orten. Anzeigen kann man das Messergebnis entweder mit einem Oszilloskop oder per Digitalisierung des Signals. Die Spannung von 0,5 V sollte nicht überschritten werden, um eventuell vorhandene Schmutzfilme auf den Paddeln nicht zu „durchschlagen“. Diese können durch unsaubere Schnitte im Herstellungsprozess entstehen. Für kleinste Messsignale wäre dieser Schmutzfilm dann eine Unterbrechung, der lediglich durch die höhere Testspannung durchschlagen wird, nicht aber das Problem als solches visualisiert.

Schaltspannung

Angegeben wird die maximal zulässige Spannung, die der Kontakt zu schalten in der Lage ist. Schaltspannungen über der Lichtbogengrenze können Materialwanderungen auf der Kontaktoberfläche verursachen. Dies geschieht normalerweise ab 5 V. Ebendiese Überschläge sind die Ursache für die Verkürzung der Lebenszeit eines Reedschalters. Trotzdem sind gute Reedschalter in der Lage, Spannungen zwischen 5 und 12 V viele 10 Millionen Mal zu schalten; natürlich spielt dort auch der Schaltstrom eine entscheidende Rolle.

Schalter mit Druckatmosphäre im Glasrohr können Spannungen bis maximal 500 V schalten, da beim Öffnen der entstehende Funken gelöscht wird. Darüber hinausgehende Schaltanforderungen werden durch Vakuumschalter gelöst; hier sind Spannungen bis 10 000 V realisierbar.

Unter einer Schaltspannung von 5 V entsteht keine Lichtbogenbildung und somit keine Materialwanderung, hier sind Lebensdauererwartungen auch über 10⁹ Schaltspiele erreichbar.

Geringste Spannung im Bereich von 10 nV können geschaltet werden, wenn bei der Konstruktion auf geringe Thermospannungen geachtet wird. Dieser große Arbeitsbereich ist ein besonderer Vorteil des Reedschalters.

Schaltstrom

Der Schaltstrom ist der maximal zulässige Strom in Ampere beim Schließens des Reedschalters. Je höher der Strom, umso größer ist der Schaltlichtbogen beim Schließen (Prellen!) und Öffnen. Besonders das Öffnen unter Strom bestimmt die Lebensdauer des Schalters. Schließen bei hohem Strom kann zum Verkleben (Verschweißen) der Kontakte führen. Auch Kapazitäten (die Lastkapazität) der angeschlossenen Schaltung sind wichtig für hohe Lebensdauer. Dabei sind die ersten 50 ns von entscheidender Bedeutung. Hier entsteht der eventuell zerstörende Funke. Bei hoher Kapazität, verbunden mit einem entsprechend hohen Spannungs- und/oder Strompegel, kann der entstehende Funke den Kontakt langfristig zerstören und die Lebensdauer damit stark reduzieren. Es empfiehlt sich bei relativ hohen Schaltsignalen, den Strom in den ersten 50 ns zu begrenzen. Bereits bei 50 V und 50 pF kann ein bleibender Einfluss auf den Reedschalter entstehen.

Transportstrom

Der Transportstrom in Ampere spezifiziert den maximal zulässigen Strom über bereits geschlossene Kontakte. Da die Kontakte bereits geschlossen sind, ist ein signifikant höherer Strom als beim Schaltvorgang zulässig, denn ein Schaltlichtbogen entsteht nur beim Schließen und Öffnen. Ein geschlossener Reedschalter kann sehr hohe Ströme transportieren; wichtig ist dabei jedoch eine geringe Impulslänge, um Überhitzung zu vermeiden.

Reedrelais haben gegenüber anderen Relais den Vorteil sehr geringer Leckströme – minimale Ströme im Bereich von Femtoampere (10⁻¹⁵ A) können daher ebenfalls verarbeitet werden.

Schaltleistung

Die Schaltleistung in Watt ist das Produkt aus Strom und Spannung im Moment des Schließens des Schalters. Ist ein Schalter mit einer Schaltspannung 200 V, 0,5 A und 10 W angegeben, darf die Leistung von 10 W nicht überschritten werden. Bei einer Schaltspannung von 200 V darf der Schaltstrom somit 50 mA nicht überschreiten. Werden 0,5 A geschaltet, muss die Schaltspannung auf 20 V begrenzt sein.

Isolationsspannung

Die Isolationsspannung bestimmt den Punkt kurz vor dem Durchschlag der Trennstrecke eines Reedschalters und ist höher als die Schaltspannung. Bei größeren evakuierten Reedschaltern bis 50 mm sind Isolationsspannungen bis 15 000 V nichts Ungewöhnliches. Kleinere Modelle um die 20 mm widerstehen immer noch 4 000 V, während 15-mm-Schalter (mit leichtem Gasdruck) Isolationsspannungen von 250 bis 600 V aufweisen.

Isolationswiderstand

Der Isolationswiderstand wird über dem geöffneten Schalter gemessen. Ein typischer Wert für Reedschalter ist 1·10¹⁴ Ω. Diese gute Isolation verursacht nur kleinste Leckströme von Femto- bis Pikoampere. Prüfeinrichtungen, bei denen zwischen mehreren Eingängen hochohmig umgeschaltet werden muss, sind damit realisierbar.

Dielektrische Absorption

Die dielektrische Absorption beschreibt die im Isolator verbleibenden Ladungen und hat einen großen Einfluss auf die Handhabbarkeit von Strömen kleiner 1 nA. Es handelt sich um verzögerte Ströme und Spannungen an den offenen Kontakten oder gegen die Oberfläche des Kontaktes, die in der Größenordnung von Sekunden auftreten.

Schließzeit

Schließzeit ist die zum Schließen benötigte Zeit bis nach dem Ende des Prellens. Außer bei quecksilberbenetzten Reed-Schaltern beobachtet man ein Rückprellen, das durch die schalterspezifischen Elastizitäten und Massen bestimmt wird. Ein bis zwei Prellereignisse im Zeitfenster von 50…100 µs sind zu erwarten. Die meisten Reedschalter haben eine Schließzeit von 100…500 µs.

Öffnungszeit

Die Öffnungszeit ist die Zeit, bis der Schalter öffnet, nachdem das magnetische Feld nicht mehr auf den Schalter einwirkt. Reduziert man die Spannung der Relaisspule unter die Abfall- oder Rückgangsspannung, öffnen die Kontaktpaddel in einer Zeit von etwa 20…50 µs.

Unterschieden davon werden muss die Abfallzeit, wenn eine Diode antiparallel zur Spule geschaltet ist (Fangdiode, um ihre Abschalt-Selbstinduktionsspannung zu unterdrücken) – die Zeit erhöht sich auf ca. 300 µs. Wird in Reihe zu dieser Diode eine 12…24 V-Zenerdiode (Kathode an Kathode) geschaltet (der Spannungsimpuls wird so auf die Zenerspannung begrenzt), erreicht man Öffnungszeiten deutlich unter 100 µs.

Resonanzfrequenz

Bei der Resonanzfrequenz (siehe Eigenschwingung) der offenen Zunge kann der Reedschalter durch externe Vibrationen ausreichender Amplitude ungewollt schließen. Ein ca. 15 mm langer Reedkontakt hat z. B. eine Resonanzfrequenz von 5500 Hz. Solche Resonanzschwingungen stellen auch eine Gefahr für die mechanische Stabilität des Reedschalters dar: sie können die Einschmelzung (Glasdurchführung) des Schalters bis zum Totalausfall beschädigen.

Kontaktkapazität

Die Kontaktkapazität ist die Kapazität zwischen den geöffneten Kontakten. Die Werte liegen im Bereich von 0,1…0,3 pF. Die geringe Kontaktkapazität ist ein besonderes Merkmal von Reedkontakten gegenüber anderen Relais und ermöglicht den Einsatz bei hohen Frequenzen und/oder zum Umschalten hochohmiger Wechselspannungssignale bei geringem Übersprechen (hohe Dämpfung bei geöffnetem Kontakt).

Literatur

• Vladimir Gurevich: Electric Relays: Principles and Applications. CRC Press Inc, 2005, ISBN 978-0-8493-4188-5. 

Weblinks

Commons: Reed-Relais – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien