Eckdaten

Leider betrachten viele Entwickler Relais häufig als relativ langweiliges Bauteil, dem man keine große Aufmerksamkeit schenken muss. Ein Fehler, der unter Umständen zu Problemen führen kann. Pickering ist davon überzeugt, dass bei Relaisanwendungen mit hoher Bestückungsdichte ein magnetischer Schirm aus Mu-Metall absolut notwendig ist, um die negativen Effekte von gängigen nichtgeschirmten Relais zu eliminieren und die Effizienz zu erhöhen.

Reed-Relais sind nach wie vor attraktiv für Schaltapplikationen. Aufgrund ihres geschalteten metallischen Pfades haben sie nicht die Probleme von Halbleiterrelais wie relativ hoher Kontaktwiderstand und hoher Leckstrom im Aus-Zustand. Durch die hermetisch versiegelten Kontakte ist ihr Kleinsignalverhalten im Vergleich zu herkömmlichen elektromechanischen Relais wesentlich besser, da die Kontakte weder oxidieren, noch Ablagerungen entstehen. Darüber hinaus bieten sie besonders kurze Öffnungs- und Schließzeiten, was insbesondere bei Messgeräten und Testsystemen ein wichtiges Kriterium ist.

Interner magnetischer Schirm aus Mu-Metall

Ein Reed-Relais besteht in seiner elementarsten Form aus einem Paar ferromagnetischer Schaltkontaktzungen, die von einem hermetisch versiegelten und von einer Drahtspule umwickelten Glaszylinder umschlossen sind. Legt man eine elektrische Spannung an, wirkt die Drahtspule als Elektromagnet und schließt die ferromagnetischen Schaltkontakte. Bei einem ungeschirmten Relais ist das Bauteil vollständig vom Magnetfeld umgeben, das andere Relais in der Nähe erzeugen. Dadurch verändert sich dort der Wert der von der Spule benötigten Schaltspannung. Sind viele Relais sehr dicht gepackt, etwa bei einer ATE-Schaltmatrix, kann dies dazu führen, dass die Relais nicht mehr schalten, da die magnetische Beeinflussung ihre Empfindlichkeit herabsetzt.

Die Standardspezifikation, ab welcher Spulenspannung ein Relais schalten muss, beträgt 75 Prozent des Nennwerts; bei einem 5-V-Bauteil entspricht das 3,75 V (bei 25 °C). Der Draht der Kupferspule hat einen positiven Widerstandskoeffizienten von zirka vier Prozent je Grad Celsius. Bei steigender Temperatur erhöht sich der Spulenwiderstand entsprechend, der Strom verringert sich und damit auch das erzeugte Magnetfeld. Insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen ist es wichtig, diesen Effekt zu berücksichtigen.

Im betrachteten Beispiel sind die beiden äußeren von drei nebeneinander angeordneten Relais bestromt. Nun soll das mittlere ebenfalls eingeschaltet werden. Da die Magnetfelder der beiden äußeren Relais abschwächend auf das mittlere Relais wirken, steigt die Schaltspannung, die erforderlich ist, um das Relais zu aktivieren, noch weiter an. Ein Anstieg um 30 bis 40 Prozent mag überraschen, ist aber realistisch für nicht-abgeschirmte Relais im Rastermaß von 3,81 mm. Bei diesem Anstieg, verstärkt um mögliche Temperatureffekte und einen Spannungsabfall im Relaistreiber, kann es passieren, dass das Relais beim Anlegen der 5-V-Versorgungsspannung nicht schaltet.

Vereinfachte Darstellung magnetischer Felder in der Nähe von geschirmten und nichtgeschirmten Reed-Relais (links). Zu sehen ist die Beeinflussung des umgebenden Magnetfeldes bei ungeschirmten Reed-Relais (rechts).

Vereinfachte Darstellung magnetischer Felder in der Nähe von geschirmten und nichtgeschirmten Reed-Relais (links). Zu sehen ist die Beeinflussung des umgebenden Magnetfeldes bei ungeschirmten Reed-Relais (rechts).Pickering Electronics

Aus diesem Grund ist Pickering davon überzeugt, dass bei Relaisanwendungen mit hoher Bestückungsdichte ein magnetischer Schirm aus Mu-Metall absolut notwendig ist, um diese abträglichen Effekte zu eliminieren und die Effizienz zu erhöhen.

Soft-Center-Technologie

Anstelle der weit verbreiteten, spritzgegossenen Hartkunststoff-Gehäuse verwendet Pickering seine eigene Soft-Center-Gehäusetechnologie, bei der ein weiches Innenmaterial die Glas/Metall-Versiegelung der empfindlichen Reedkontakt-Kapsel vor den Auswirkungen nicht-angepasster thermischer Ausdehnung schützt. Diese Konstruktion minimiert mechanischen Stress und stellt die präzise Ausrichtung der Schaltungen sicher, was ein zuverlässiges Schalten bei hoher Lebensdauer zur Folge hat. Selbst untergeordnete Belastungen, wie Druck- und Torsionsspannungen, können den Kontaktbereich der Schaltungen leicht verändern. Dadurch entstehen instabile Widerstandswerte, die sich bei erweiterten Lebensdauer-Prüfungen leicht nachweisen lassen.

Körperlose Spulen

Die Betätigungsspulen in allen Single-in-Line- und SMD-Reed-Relais von Pickering sind körperlos, das heißt sie besitzen keinen Spulenkörper. Häufig bezeichnet man diese Spulen auch als Luftspulen. Sie werden auf vollautomatischen Wickelmaschinen hergestellt, wobei ein spezieller Kupferlackdraht zum Einsatz kommt, der mit einem thermisch härtenden Kleber beschichtet ist. Während die Spule auf dem Werkzeugdorn aufgewickelt wird, ist ein Heißluftstrahl auf sie gerichtet, der den Kleber aufschmilzt, sodass die Spule eine stabile Baugruppe bildet.

Aufgrund der engeren Anbindung des Magnetfelds der Spule und des besseren Wirkungsgrads der inneren Windungen (mehr Windungen pro Ω) verbessert sich die magnetische Effizienz bei körperlosen Spulen deutlich.

Aufgrund der engeren Anbindung des Magnetfelds der Spule und des besseren Wirkungsgrads der inneren Windungen (mehr Windungen pro Ω) verbessert sich die magnetische Effizienz bei körperlosen Spulen deutlich. Pickering Electronics

Kommen besonders dünne Drähte zum Einsatz, legt die Maschine die Anschlussbereiche an beiden Enden der Spule automatisch mehrfach (meist dreifach) und erhöht die Festigkeit dort, wo die Drähte intern mit dem Anschlussrahmen verbunden werden. Ein weiterer Luftstrahl kühlt die Spule ab und anschließend wird sie vom Werkzeugdorn ausgestoßen. Dieser Produktionsprozess generiert wiederholgenaue Spulen hoher Qualität. Anschließend wird die fertige Spule direkt über den Glaskolben der Kontaktzungen geschoben. Wie viel zusätzlicher Platz für die Spule durch den körperlosen Aufbau zur Verfügung steht, zeigt die Illustration. Aufgrund der engeren Anbindung des Magnetfelds der Spule und des besseren Wirkungsgrads der inneren Windungen (mehr Windungen pro Ω) ergibt sich eine deutlich bessere magnetische Effizienz.

Der zusätzliche Platz für die Spulenwindungen ermöglicht es Pickering, je nach Anwendungsfall kleinere Gehäusegrößen und höhere Spulenwiderstände zu realisieren oder weniger empfindliche Kontakte mit größeren Betätigungs- und Rückstellkräften zu verwenden.