| von Kevin Mallett

Der Reed-Schalter, der dank moderner Produktionstechnologie relativ kostengünstig herzustellen ist, besteht aus zwei geformten Metallblättern aus ferromagnetischem Material (meist im Verhältnis 50:50 von Nickel und Eisen) und einer Glasumhüllung, die die Metallzungen richtig positioniert und durch eine hermetische Abdichtung die Kontaktflächen vor externen  Kontaminationen schützt.

Reed-Relais bestehen aus einem Reed-Schalter, einer Spule, einer optionalen Diode, einem Gehäuse sowie den Kontakt- und Spulenanschlüssen.

Reed-Relais bestehen aus einem Reed-Schalter, einer Spule, einer optionalen Diode, einem Gehäuse sowie den Kontakt- und Spulenanschlüssen. Pickering

Die meisten – wenn auch nicht alle – Reed-Schalter haben im Ruhezustand offene Kontakte. Wird nun ein Magnetfeld entlang der Achse der Zungen angelegt, dann verstärkt sich dieses durch das ferromagnetische Material und die Metallzungen ziehen sich gegenseitig an, der offene Kontakt beginnt, sich zu schließen. Bei einem ausreichend starken Feld berühren sich die Zungen und stellen den elektrischen Kontakt her.

Das einzige bewegliche Teil im Reed-Schalter ist die Kontaktfeder. Es gibt keine Gelenke oder Materialien, die aneinander reiben. Ein Reed-Schalter hat somit praktisch gesehen keine beweglichen Teile, sodass auch keine mechanische Abnutzung stattfinden kann.

Auf einen Blick

Ein Reed-Relais arbeitet mit einem Reed-Schalter; dieser zeigt sich zuverlässig und langlebig bedingt durch die hermetische Abdichtung, die die mit Edelmetall beschichteten Kontakte schützt. Es gibt verschiedene Typen an Relais, mit offenen und geschlossenen Kontakten, speziellen Ausführungen für Hochspannungsanwendungen, besonderen Beschichtungsmaterialien oder als zweipolige Variante.

Ein hermetisch versiegelter, gasgefüllter Glaskolben oder ein Vakuum im Fall von Hochspannungsschaltern umschließt den Kontakt. Damit ist die Kontaktfläche gegen Verschmutzung von außen geschützt. Daher erreicht ein Reed-Schalter ein außergewöhnlich langes, mechanisches Leben.

Ganz schön edel

Das ferromagnetische Material ist kein besonders guter Leiter und bildet auch keinen guten Schaltkontakt. Deshalb erhalten die Kontaktblättchen im Berührungsbereich eine Edelmetallbeschichtung. Da das Edelmetall aber nicht gut auf den Blättchen haftet, muss man darunter eine weitere Metallschicht aufbringen. Es gibt auch Reed-Relais mit Quecksilber benetzten Kontakten. Die Reed-Relais mit beschichteten Kontakten sind auch als trockene Reed-Relais (dry) bekannt. Die Metalle lassen sich durch eine selektive Beschichtung oder durch die sogenannten Sputterprozesse aufbringen. An den Stellen, an denen der Reed-Schalter die Glashülle durchdringt, muss man sicherstellen, dass die Beschichtung – in vielen Fällen fehlt diese hier – nicht die hermetische Versiegelung stört. Außerhalb der Glasumhüllung müssen die Kontaktblättchen dann so beschichtet sein, dass ein Löten oder Verschmelzen bei der Gehäusemontage möglich ist.

Bei den hermetisch dichten Reed-Schalter erfolgt die Betätigung über ein Magnetfeld.

Bei den hermetisch dichten Reed-Schalter erfolgt die Betätigung über ein Magnetfeld. Pickering

Die für die Edelmetall-Kontaktflächen innerhalb der Glasumhüllung verwendeten Materialien haben einen entscheidenden Einfluss auf die Charakteristik des Reed-Relais. Einige Materialien besitzen eine ausgezeichnete Stabilität des Kontaktwiderstands, andere haben eine hohe Beständigkeit gegen mechanische Erosion, die bei heißem Schalten auftritt. Häufig verwendete Materialien sind da Ruthenium, Rhodium und Iridium; sie gehören alle in die relativ seltenen Platin-Edelmetall-Gruppe. Wolfram verwendet man wegen seines hohen Schmelzpunkts häufig bei Reed-Schaltern für hohe Leistungen oder Hochspannung. Die Kontaktmaterialauswahl erfolgt immer in Hinblick auf die vorgesehene Anwendung – dabei ist zu beachten, dass das gewählte Material auch einen großen Einfluss auf die Produktionskosten haben kann.

Die magnetische Abschirmung der Reed-Relaisgehäuse eröffnet dem Anwender eine höhere Flexibilität beim Layout.

Die magnetische Abschirmung der Reed-Relaisgehäuse eröffnet dem Anwender eine höhere Flexibilität beim Layout. Pickering

Ein weiterer Designaspekt bei einem Reed-Schalter ist die Größe, die bei den meisten Bauteilen eine Rolle spielt. Bei längeren Kontaktblättchen muss man um eine vorgegebene Lücke zu schließen weniger auslenken als bei kurzen Blättchen. Für kurze Reed-Herstellung eignet sich typischerweise dünneres Kontaktmaterial, damit sie sich leichter ablenken lassen. Das beeinflußt allerdings den Nennwert und die Kontaktfläche. Es gilt: Kleinere Reeds erlauben kleinere Relais – eine wichtige Überlegung, wenn der Platzbedarf kritisch ist. Größere Schalter hingegen können mechanisch robuster sein und über größere Kontaktflächen verfügen, was wiederum die Signalübertragung verbessert.

Durch diese Designkompromisse bei Reed-Schaltern gibt es inzwischen ein unüberschaubares Angebot an Reed-Relais, die aber oft nur kleine Unterschiede hinsichtlich ihrer Leistung aufweisen.

Die Spule, die den Reed-Schalter umgibt erzeugt ein axiales Magnetfeld, das die Kontakte schließt.

Die Spule, die den Reed-Schalter umgibt erzeugt ein axiales Magnetfeld, das die Kontakte schließt. Pickering

Erzeugung des Magnetfeldes

Damit die Reed-Kontakte des Relais schließen, benötigt es ein Magnetfeld. Dies lässt sich auch mit einem Permanentmagneten realisieren, zum Beispiel um das Schließen einer Tür zu erkennen. Bei den hier beschriebenen Reed-Relais erzeugt jedoch ein Spulenstrom das Feld. Die Spule, die den Reed-Schalter umgibt erzeugt ein ausreichend starkes axiales Magnetfeld, das die Kontakte schließt.

Unterschiedliche Reed-Schalter erfordern verschieden starke Magnetfelder zur Betätigung der Kontakte, die man als Amperewindungen (AT, Ampere Turns) angibt. Amperewindungen sind das Produkt des durch die Spule fließenden Stroms multipliziert mit der Anzahl der Windungen. Auch hier gibt es gewisse Schwankungen in der Reed-Relais-Charakteristik. Steifere Reed-Schalter für das Schalten höherer Leistungen oder Hochspannungsschalter mit größerem Kontaktabstand erfordern einen höheren AT-Wert; allerdings brauchen die Spulen aber mehr Leistung.

Durch die Verwendung unterschiedlicher Drahtstärken und einer entsprechenden Anzahl von Windungen lassen sich Relais für unterschiedliche Spulenspannungen und Spulenleistungen herstellen. Aus dem Widerstand des Spulendrahts ergibt sich der Dauerstrom durch die Spule und damit die benötigte Leistung, für das Schließen der Kontakte. Bei Verwendung sehr dünner Drähte verdrillt Pickering die Enden der aus mehreren Litzen bestehenden Leitungen, um diesen Stabilität zu verleihen.

Durch größere Spulen lässt sich zwar der Stromverbrauch reduzieren, damit wird aber die Bauform des Relais größer. Ein wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit zur Ansteuerung der Reed-Relais direkt mit CMOS-Standardlogik. Das erfordert einen Betrieb der Spule mit 5 V oder 3,3 V und einem minimalen Strom.

Sind mehrere Relais sehr eng nebeneinander positioniert, können die externen Felder die Relais beeinflussen und deren Magnetfeld verstärken oder aufheben.

Sind mehrere Relais sehr eng nebeneinander positioniert, können die externen Felder die Relais beeinflussen und deren Magnetfeld verstärken oder aufheben. Pickering

Schutz gegen Magnetfelder

Die Tatsache, dass die Steuerung der Reed-Relais über ein Magnetfeld geschieht, kann dann zu Problemen führen, wenn die Leiterplatte sehr eng bestückt ist. Der magnetische Fluss zum Schließen des Kontaktes durchläuft die Reed-Kontaktblättchen aus einer Kombination von Nickel und Eisen und kehrt auf Feldlinien außerhalb des Relaiskörpers in eine geschlossenen Bahn zurück.

Wenn mehrere Relais sehr eng nebeneinander positioniert sind, können die externen Felder die benachbarten Relais beeinflussen und entweder deren Magnetfeld verstärken oder es sogar aufheben. Dadurch verändert sich der für das Schließen oder Öffnen benötigte Strom. Je nach magnetischer Polarität und den jeweiligen Bedingungen kann dies dazu führen, dass das Relais entweder nicht mehr schließt oder nicht mehr öffnet. Einige Hersteller schlagen vor, die Relais dann in verschiedenen Polaritätsmustern anzuordnen, um diesen Effekt zu reduzieren. Dies kann sich aber bei vielen Relais auf engem Raum komplex gestalten.

Ein sinnvoller Ansatz ist die magnetische Abschirmung im Reed-Relaisgehäuse, wie sie Pickering nutzt. Der Anwender kann das Layout dann völlig frei wählen. Dieser Ansatz besitzt den zusätzlichen Vorteil, dass sich der Spulenwirkungsgrad verbessert, da die Magnetfeldlinien näher am Körper des Reed-Schalters konzentriert sind. Zudem verkürzt sich die Länge des Magnetfelds außerhalb der Reeds und es wird ein stärkeres Feld bei gleicher Ampere-Windungszahl in der Spule erzeugt. Ein geringerer Nennstrom der Spule vereinfacht die Ansteuerung und verbessert andere Parameter wie die Erzeugung von Thermospannungen.

Quecksilber-Reed-Relais

Es gibt Reed-Relais, bei denen die Kontakte mit Quecksilber benetzt sind. Das Quecksilber dient dazu den elektrischen Kontakt zwischen den Blättchen herzustellen. Das Quecksilber lagert in einem kleinen Reservoir; es gelangt durch die Kontaktbetätigung in einer geringen Menge über die geriffelte Oberfläche der Reed-Blättchen. Dabei lässt sich auch die hohe Oberflächenspannung von Quecksilber ausnutzen. Die Glasumhüllung der Quecksilberrelais steht unter Druck (normalerweise sind es 12 bis 14 bar), um die Schaltkontakte und Funktion sowie die elektrischen Parameter zu verbessern.

Quecksilber-Relais finden bevorzugt Einsatz, wenn man eine lange Lebensdauer und ein Kontaktschluss ohne Prellen sicherstellen will – Merkmale, die sich besonders bei heißem Schalten bewähren. Die Stabilität des Durchgangswiderstands ist während der Lebensdauer deutlich besser als bei trockenen Reed-Relais. Die meisten Quecksilber-Reed-Relais sind lageempfindlich, das heißt, dass man sie nur vertikal eingebauen kann; nur lageunempfindliche Versionen funktionieren in jeder Position. Quecksilberbenetzte Relais sind grundsätzlich nicht RoHS-konform und nationale Vorschriften beschränken den Einsatz.

Hochspannungs-Reed-Relais

Hochspannungs-Reed-Relais muss man neben entsprechend großem Abstand zwischen den Kontakten sorgfältig auf die jeweilige Einsatzumgebung anpassen. Durch die richtige Auswahl der Materialien lässt sich die Kontakterosion beim Schalten der Signale reduzieren. Hochspannungs-Reed-Relais verwenden typsicherweise Wolfram- oder Rhodium-Kontakte.

Die Glasumhüllung der Hochspannungs-Reeds steht unter einem starkem Vakuum, um die für einen vorgegebenen Kontaktabstand geltende Nennspannung zu maximieren und die Dauer des Lichtbogens beim Öffnen und Schließen der Kontakte zu verkürzen. Wenn der Glaskolbens undicht ist, verkürzt es die Lebensdauer der Schaltkontakte, somit ist ein extrem sorgfältiger Einbau des Reed-Kontaktes in den Glaskolben notwendig.

Bei den Reed-Relais (Normally Closed) sind im Ruhezustand die Kontakte geschlossen.

Bei den Reed-Relais (Normally Closed) sind im Ruhezustand die Kontakte geschlossen. Pickering

Normally Closed-Relais – Öffner

Die bei weitem häufigste Konfiguration sind Reed-Relais mit im Ruhezustand offenen Kontakten (Normally Open). Jedoch gibt es auch Relais, bei denen im Ruhezustand die Kontakte geschlossen sind (Normally Closed). Die Kontaktblättchen haben hier eine mechanische Vorspannung, sodass sie sich beim Anlegen eines Magnetfeldes öffnen.

Die Kontaktvorspannung wird durch einen zusätzlichen internen Permanentmagneten erreicht, der den Reed-Schalter geschlossen hält. Wird die Relaisspule aktiviert, dann kompensiert diese das vorhandene Magnetfeld und die Kontakte öffnen sich. Wird allerdings die Spulenspannung deutlich über die Nennspannung erhöht (meist mehr als das 1,5-fache), dann besteht das Risiko, dass der Kontakt erneut schließt. Diese Relais sind schwierig herzustellen und benötigen aufgrund des internen Magnets ein stärkeres magnetisches Feld.

Während des Umschaltens der Reed-Kontakte ist über eine kurze Zeit kein Kontakt geschlossen.

Während des Umschaltens der Reed-Kontakte ist über eine kurze Zeit kein Kontakt geschlossen. Pickering

Changover-Relais – Umschalter

Reed-Relais sind auch als Umschalter erhältlich – der Reed-Schalter besitzt hier einen geschlossenen Kontakt (wenn kein Magnetfeld angelegt wird) und einen offenen Kontakt (der schließt, wenn das Feld angelegt wird). Der geschlossene Kontakt des Reed-Schalters nutzt das Kontaktblättchen als eine Art Vorspannungsfeder und hat einen nicht magnetischen Abstandshalter, um ein Schließen des magnetischen Felds zu vermeiden. Das Spulenfeld bewegt das Kontaktblättchen zum Schließer, der keinen Abstandshalter hat. Während des Umschaltens der Reed-Kontakte ist über eine kurze Zeit kein Kontakt geschlossen – ein wichtiger Aspekt in einigen Anwendungen.

Die beiden Kontakte (Öffner und Schließer) haben unterschiedliche Charakteristika. Die Erfahrung zeigt, dass sie einen weniger stabilen Durchgangswiderstand haben als einfache Relais. Trotzdem sind sie für viele Anwendungen unerlässlich, da ansonsten für diese Umschaltfunktion zwei Reed-Relais mit Schließern notwendig sind.

Die beiden Reed-Schalter sind im Glaskolben untergebracht.

Die beiden Reed-Schalter sind im Glaskolben untergebracht. Pickering

Zweipolige Relais

Reed-Relais gibt es auch in Zweipolausführung. Darin sind zwei Reed-Schalter in einem Glaskolben untergebracht und eine gemeinsame Spule betätigt beide. Dabei ist zu beachten, dass die Kontakte nicht zur selben Zeit schalten; sie arbeiten prinzipiell unabhängig mit einem möglichen Zeitunterschied von etwa 50 bis 250 Mikrosekunden zwischen den jeweiligen Schaltzeitpunkten. Ein Defekt in einem Relais (beispielsweise das Verschweißen eines Kontakts) hindert den anderen Kontakt nicht am Schalten.

Kevin Mallett

ist Produktmanager für Reed-Relais bei Pickering Electronics Ltd. in Clacton-On-Sea, UK.

(rao)

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