Spezifikation von Signalspannung, Strom und Leistung

Wenn mit Heißschalten zu rechnen ist, wird oft der die angegebene  Leistungsspezifikation ignoriert und dabei übersehen, dass ein Relais durchaus 100 V Spannung und 1 A schalten kann, jedoch diese Maximalwerte nicht gleichzeitig auftreten dürfen. Ein mit 10 W spezifiziertes Relais kann daher zum Beispiel bei 100 V Signalspannung einen Strom von nur 100 mA zuverlässig schalten. Ist ein Heißschalten nicht zu erwarten,  kann der Anwender sich darauf verlassen, dass die Relaiskontakte den angegebenen Strom führen können und die spezifizierte Spannungsfestigkeit besitzen.

SMD oder THT

Bei Reed Relais hat der Anwender die Wahl zwischen bedrahteten (THT, Through Hole Technology)  und SMD-Bauteilen. Bei anderen Bauteiltypen wird die Auswahl zum Teil dadurch bestimmt, welche Bauteildichte realisierbar ist. Dies gilt für Reed Relais jedoch nur bedingt. Nach heutigen Gesichtspunkten betrachtet sind Reed Relais nicht besonders klein, es sind jedoch die Wechselwirkungen der erzeugten  Magnetfelder zu berücksichtigen, die in manchen Designs zum echten Problem werden können. Nicht so bei Produkten von Pickering Electronics, bei denen magnetische  Schirmungen derartige Problematiken verhindern.

Ein Fertigungsprozess wird die Verwendung von SMD-Bauteilen da bevorzugen, wo diese Komponenten für die meisten Anwendung verfügbar sind. Bei Relais ist eine Auswahl jedoch schwieriger, speziell  wenn diese für einen Austausch im Servicefall vorzusehen sind.

Relais, die häufigem Heißschalten ausgesetzt sind und dies Kontaktverschleiß  verursacht, oder wo ein Verschalten mit defekten Komponenten oder Fehlprogrammierung auftreten kann und Relais geschädigt werden,  werden diese als Serviceteil gesehen.

Das Auslöten von SMD-Bauteilen ist ein invasiver Bearbeitungsvorgang auf der Leiterplatte. Selbst wenn spezielle Entlötwerkzeuge und Vorrichtungen eingesetzt werden, ist nicht nur das zu wechselnde Bauteil, sondern auch benachbarte Bauteile sind Hitze, Lötmittelfluss und mechanischem Stress ausgesetzt. Das Auslöten von bedrahteten Bauelementen lässt sich viel einfacher bewerkstelligen und erfordert auch keine besonderen Auslötwerkzeuge und spezielle Kenntnisse. Ein Relaistausch vor Ort ist damit eher möglich, verbunden mit geringerem Risiko für weiteren Schaden an der Baugruppe.

In Fällen, in denen ein Relaistausch vorgesehen ist, empfiehlt Pickering Electronics die Verwendung von Bauteilen in Through Hole Technology. Bei Designs die dieser Anforderung nicht unterliegen, wird die Auswah von Anwenderpräferenz  und den Wahlmöglichkeiten hinsichtlich Platzbedarf, Betriebsparameter und Relaishöhe bestimmt werden.

Diode oder keine Diode

Reed Relais sind wahlweise mit eingebauter Schutzdiode (Freilaufdiode) erhältlich. Elektromagnetische Relais (EMR) bieten im Vergleich dazu diese Wahlmöglichkeit nicht.

Die Schutzdioden dienen dazu, den Baustein, der die Relaisspule ansteuert, vor induktiven Spannungsspitzen zu schützen, die dann entstehen, wenn die Stromzufuhr an der Spule unterbrochen wird.

Bei Ansteuerung der Relaisspule über eine Open Collector Konfiguration wird der Strom durch den Spulenwiderstand begrenzt, wenn der Treiber durchgeschaltet ist.  Wenn der Open-Collector abgeschaltet wird, versucht die Spannung am Ausgang zu steigen während der Strom zu sinken versucht. Der Open Collector besitzt jedoch keinen Pfad, der das zulassen könnte. Damit das Magnetfeld in der Spule zusammenbricht, muss der Strom jedoch auf Null abfallen. So steigt die Treiberausgangspannung rapide an, begrenzt nur durch die Kapazität von Spule oder Treiberbaustein. Irgendwann wird dieser Spannungsanstieg dann begrenzt, wenn der Treiberausgang die Durchbruchspannung erreicht. Dieser Vorgang stellt eine hohe Impulslast für den Treiber dar, was zu frühzeitigem Ausfall führen kann.

Die gängige Lösung für dieses Phänomen ist, eine Diode zum Schutz des Treibers einzubauen. Wenn die Treiberausgangsspannung über die Versorgungsspannung ansteigt, wird die Diode leitend und begrenzt damit die Spannung. Da die Durchlassspannung der Diode wesentlich geringer ist als die Durchbruchsspannung, ist die abzuführende Energie wesentlich geringer. Dioden sind generell darauf ausgelegt, diese Art Spannungsspitzen besser zu verarbeiten als ein Transistor.

Nicht alle Relaisansteuerungen nutzen jedoch eine Ope-Collector- oder Open-Drain-Stufe. Wenn der Treiber eine angemessene Rückführung für den Spulenstrom zur Verfügung stellt, zum Beispiel wenn Logikausgänge zur Spulenansteuerung verwendet werden, ist keine Schutzdiode notwendig. Es ist auch möglich, die Schutzschaltung dazu zu verwenden, die Abfallzeit des Relais zu verkürzen. Je schneller das Magnetfeld der Spule abgebaut wird, desto früher wird der Relaiskontakt schalten.

In manchen Anwendungen ist die Zeit für das Öffnen eines Relaiskontaktes von enormer Wichtigkeit für die Funktion eines Schutzmechanismus. Beispiel dafür ist der Schutz eines Gerätes  vor Spannungsspitzen von außen oder speziell der Schutz eines Signalgenerators vor Rückleistung.

In diesem Fall  kann eine modifizierte Schutzschaltung, die Spannungen entweder mit einer Serienschaltung aus Widerstand und Diode unterdrückt oder Spannungen auf Werte höher als die Versorgungsspannung  begrenzt, die Zeit zum Kontaktöffnen  wesentlich verkürzen. Die Auswirkung auf die Abfallzeit variiert zwischen verschiedenen Reed-Schaltern, aber Zeiten im Bereich von 40 µs sind mit bestimmten Reed Relaistypen möglich.

Spulenspannung

Reed Relais sind mit einer großen Auswahl von Spulenspannungen verfügbar. Für Ansteuerung über Logiksignale sind  3,3 und 5 V Spulenspannungen die bevorzugte Wahl, da diese  mit den gängigen Logikfamilien direkt kompatibel sind. Für einen bestimmten Reed-Schalter müssen jedoch alle  Spulen eine bestimmte Anzahl Amperewindungen aufweisen, sodass bei reduzierter  Spulenspannung der benötigte Spulenstrom entsprechend erhöht wird. Für manche Anwendungen sind hohe Spulenströme jedoch nicht erwünscht: sie könnten zu höherem Leistungsverlust an den Spannungsversorgungen und Verlusten auf den Leiterbahnen  führen sowie  das Entstehen von stärkeren elektromagnetischen Impulsspitzen begünstigen.

LED-Treiberbausteine können entweder 5- oder 12-V-Spulen direkt ansteuern, Open-Collector-Treiber können auch höhere Spannungen schalten. Mit höheren Spulenspannungen nimmt jedoch die Drahtstärke der Relaisspulen ab und macht damit den Herstellungsprozess der Spule in Bezug auf Drahtabriss komplexer. Letztendlich definiert dieses Kriterium die Obergrenze der angebotenen  Spulenspannungen.

Für viele Anwendungen stellen 5-V-Spulen einen guten Kompromiss dar. Ein Faktor,  der von Anwendern oft nicht berücksichtigt wird, ist der Einfluss der Temperatur auf den Spulenstrom. Üblicherweise findet man in Datenblättern für Relais Angaben für die Anzugs- und Abfallspannung und diese Werte sind merklich niedriger als die Nennspannung. Für diese Differenz  gibt es im Wesentlichen vier Erklärungen:

• Da der  Spulenwiderstand  mit der Temperatur (um 0,39 % pro °C) steigt, werden die Spannungen bei den eher typischen Temperaturen (von 25 °C) gemessen, sodass zum Zeitpunkt der spezifizierten Relais-Maximaltemperatur der Spulenstrom bereits signifikant gesunken sein kann.
• Die Ausgangswiderstände der Treiberbausteine üben einen erheblichen Einfluss aus.
• Die verwendete Versorgungsspannung kann von Produkt zu Produkt  sowie an verschiedenen Punkten der Leiterplatte variieren.
• Externe Magnetfelder können einen Einfluss auf den Spulenstrom haben, der die benötigte Feldstärke erzeugt.

Reed Relais sollten folglich eine angemessene  Toleranzreserve aufweisen, um eine zuverlässige Funktion unter allen Bedingungen zu gewährleisten. Relais mit Spulen des kleinsten Spannungsbereiches sind für diese Art von Problemen am anfälligsten.

Magnetische Abschirmung

Im Falle von Pickering-Produkten ist diese entweder als interner Mu-Metall-Schirm im Inneren des Plastikgehäuses ausgeführt oder als externes Mu-Metall-Gehäuse. Die magnetische  Abschirmung dient drei Zielen:

• Reduzierung von Einflüssen magnetischer Wechselwirkungen zwischen benachbarten Relais mit geringem Abstand. Ein fehlender Schirm hat wenig Auswirkung, solange das Relais einzeln betrieben wird, ohne benachbarte Relais oder Magnetfelder, die Einfluss auf das Schalten der Kontakte haben könnten.
• Reduzierung von Störsignalen auf den Signalpfad durch externe Magnetfelder.
• Bessere Nutzung des Magnetfeldes, was zu einem geringeren Leistungsbedarf der Spule führt.

Die magnetische Schirmung besteht aus Mu-Metall, das eine hohe magnetische Permeabilität bei niedrigen Frequenzen und bei Gleichspannung besitzt. Es schirmt den Relaiskörper gegen jegliche externe Magnetfelder und besitzt die Eigenschaft, Magnetfelder aufrechtzuhalten, wenn der Spulenstrom unterbrochen wird. Magnetische Schirmungen aus anderem Material sollten grundsätzlich nicht verwendet werden, da Restmagnetismus den Relais-Arbeitspunkt verändern und Schwankungen im Kontaktverhalten verursachen kann. Wenn Relais dicht gepackt bestückt werden sollen, empfiehlt sich die Wahl eines Relaistyps mit magnetischer Schirmung.

Elektrostatisch geschirmte Relais

Ein Reedschalter ist zwar von seiner  Spule umschlossen, kann aber anderweitige Streusignale von benachbarten Bauteilen auffangen. Bei einem geschirmten Relais ist eine Folienschicht zwischen der Spule und dem Glaskörper des Schalters aufgebracht. Diese Folie ist mit der Gehäuseaußenseite verbunden. Wird dieser Schirm geerdet, kann der Umfang des aufgenommenen Streusignals, das entweder von der Spule selbst oder anderen externen Leitungen stammt, reduziert werden. Eine Signaleinkopplung über die Relaisspule kann auch dadurch minimiert werden, indem dafür gesorgt wird, dass die Spule gegenüber dem Bezugspotenzial gut entkoppelt ist.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine elektrostatische Abschirmung keinen Schutz des Signalpfades vor Einkopplung von Streusignalen von einem externen Magnetfeld bietet.

(ah)