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Passive Komponenten

Reedschalter

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeiner Aufbau

Ein Reedschalter (reed = engl. Schilfrohr) ist ein elektrischer Schalter, der mittels eines außen angelegten Magnetfeldes betätigt wird. Der Schalter besteht aus zwei Zungen ("Paddel") aus einem ferromagnetischen Metall, z.B. einer Eisen-Nickellegierung. Die Kontaktzungen sind in den gegenüberliegenden Enden eines Glasröhrchens gasdicht eingeschmolzen. Das Glasröhrchen ist mit einem inerten Edelgas oder mit einem Vakuum gefüllt.

Abb. 1.01: Aufbau eines Reedschalters

Die hermetische Versiegelung der Schaltkontakte im Glas und das Schutzgas (meist Stickstoff) verhindern die Korrosion der Schaltkontakte durch den Sauerstoff oder andere Gase in der Atmosphäre. Reedschalter mit erhöhtem Druck des Schutzgases haben eine erhöhte zulässige Schaltspannung (> 5V), da der Abreißfunke gelöscht wird. Bei Hochspannungsschaltern verhindert ein Vakuum den Abreißfunken beim Öffnen der Kontakte.
Die Kontaktflächen sind zumeist mit einem sehr harten Metall wie Wolfram, Iridium oder Rhodium beschichtet, was eine hohe Kontaktsicherheit und lange Lebensdauer gewährleisten soll.

2. Funktionsweise

Es lassen sich drei Typen von Reedschaltern unterscheiden:

  • Schließer (NO = Normally Open), auch als Form A oder SPST (Single Pole Single Throw) bezeichnet. In Ruhestellung ist der Kontakt geöffnet.
  • Öffner (NC = Normally Closed), auch als Form B oder SPST (Single Pole Single Throw) bezeichnet. In Ruhestellung ist der Kontakt geschlossen.
  • Wechsler (SPDT = Single Pole Double Throw), auch als Form C bezeichnet. In Ruhestellung ist ein Kontakt geöffnet und einer geschlossen.
Abb. 2.01: Typen von Reedschaltern (v.l.n.r.): Schließer, Öffner, Wechsler
Schließer
Abb. 2.02: Bei Schließern bewegen sich beide Zungen aufeinander zu.

Schließer bestehen aus zwei flexiblen, magnetisierbaren Zungen. Die Kontaktflächen auf den Zungen haben einen Abstand von einigen Mikrometern bis zu einem Millimeter zueinander. Unter dem Einfluss eines axial ausgerichteten Magnetfelds, das von einer Spule oder einem Permanentmagneten stammt, wird die Federkraft der Zungen überwunden und die Kontaktflächen nähern sich einander bis zur Berührung. Der Kontakt ist geschlossen und ein Strom kann durch den Schalter fließen. Die am meisten verwendeten Reedschalter sind Schließer.

Abb. 2.03: Ein Reedschalter löst nur in einem axial, also parallel zu den Zungen, ausgerichtetem Magnetfeld mit einer Mindestfeldstärke, aus.
Öffner

Öffner haben nur eine aktive ferromagnetische Zunge. Die zweite, passive Zunge ist steif und ist amagnetisch. Im Ruhezustand berühren sich die Kontaktflächen beider Zungen. Im Magnetfeld hebt die aktive Zunge ab und der Kontakt ist geöffnet.

Wechsler

Wechsler haben einen Ruhekontakt und einen Arbeitskontakt. Wie bei Öffnern sind die Zungen beider Kontakte feststehend (also passiv) und amagnetisch. In Ruhestellung (= ohne Magnetfeld) berührt die aktive Zunge den Ruhekontakt.

3. Bauformen und Anwendungen

Abbildung 3.01 zeigt verschiedene Bauformen von Reedschaltern:

Ab. 3.01: Verschiedene Bauformen von Reed-Schaltern


Obere Reihe:
Links und Mitte: Reedrelais mit im Gehäuse integrierter Spule
Rechts: Reedschalter für gedruckte Schaltungen

Mittlere Reihen:
Reedschalter im Glasrohr, verschiedene Baugrößen

Untere Reihe:
Reedschalter und Magnet im Schraubgehäuse (z.B. als Türkontakt für Alarmanlagen)

Reedschalter sind in vielfältiger Weise einsetzbar und werden in verschiedensten Bauformen in praktisch allen industriellen Bereichen verwendet.

3.1 Reed-Relais

Eine der ersten Anwendungen waren sogenannte Reed-Relais. Reed-Relais sind eine Kombination aus einem Reedschalter und einer Spule. Der Reedschalter befindet sich dabei innerhalb der Spule. Beide sind eine fest miteinander verbundene Einheit, oft sogar in einem Gehäuse (siehe Abb. 3.01 oben Links und Mitte, Abb. 3.02). Reed-Relais werden aufgrund des geringen Übergangswiderstandes bevorzugt, wenn es darum geht kleine und sehr kleine Spannungen (bis zu nV = 10-9 V) und Ströme (bis zu fA = 10-15 A) sicher und störungsfrei zu schalten. 

Abb. 3.02: Schematischer Aufbau eines Reed-Relais

Durch die galvanische Trennung erreicht man ein berührungsloses Schalten, sodass das Schaltsignal nicht das geschaltete Signal beeinflussen kann. Reed-Relais wurden bis in die 1980er in hoher Stückzahl in Telefonvermittlungen (Analoge Elektronische Wählsysteme) eingesetzt.

Auch heute noch werden Reed-Relais z.B. in medizinischen Geräten, physikalischen Messeinrichtungen und sogar in High-End Audioanlagen zum Schalten (und Routen) der empfindlichen Signale verwendet.

Weitere Anwendungsgebiete finden sich überall dort, wo sich der Einsatz von offenen Schaltern aufgrund von Explosionsgefahr oder aggressiver Atmosphäre verbietet.

3.2 Reed-Sensoren

Wann ein Reedschalter schaltet, ist abhängig vom Vorhandensein bzw. Stärke des Magnetfeldes. Dieses macht ihn zu einem hervorragenden Näherungssensor.

Abb. 3.03: Wasserstandsfühler in einer Kaffeemaschine. Ist kein Wasser im Wassertank befindet sich der im Tank befindliche Schwimmer ganz unten. Ein im Schwimmer befindlicher Permanentmagnet schaltet dann über einen Reedkontakt die Kaffeemaschine aus.

Mit einem Permanentmagneten in einem Schwimmer und einem feststehenden Reedschalter können die Füllstände von Tanks oder Becken überwacht werden um Pumpen ein- oder auszuschalten.

In (elektro-) mechanischen Systemen werden Reedschalter als Endschalter von Aktuatoren, wie z.B. an den Tischen oder Brücken von Fräsmaschinen eingesetzt.
An Tür und Rahmen befestigt kann der Zugang zu Räumen überwacht und ggf. Alarm ausgelöst werden (siehe Abbildung 3.01, untere Reihe).
Mit einem am Rotor befestigten Ringmagneten und einem am Stator befindlichen Reedschalter kann direkt die Drehzahl und die Phasenlage eines Motors gemessen werden. Servoschaltungen können dann über entsprechende Steuersignale ggf. Korrekturen ausführen.

Reedschalter als Magnetsensoren sind heute weitgehend von Hall-Sensoren verdrängt worden.

4. Parameter

4.1 Reedschalter

Anzugserregung

Die Anzugserregung ist die magnetische Flussdichte, die benötigt wird um einen Reedkontakt zu schließen. Die Maßeinheit ist AW (Ampere-Windungen) oder AT (Ampere-Turns). Gemessen wird mit einer Referenzspule, in der sich der Reedschalter befindet. Der Strom durch die Spule wird schrittweise erhöht bis der Schalter anzieht. Die gemessene Stromstärke wird mit der Windungszahl der Spule multipliziert. Das Produkt bildet den AW- bzw. AT-Wert.

Abschaltempfindlichkeit

Die Abschaltempfindlichkeit ist die magnetische Flussdichte, bei der ein geschlossener Reed-Kontakt wieder öffnet. Sie wird wie die Anzugserregung bestimmt und wird ebenfalls in AW oder AT angegeben.

Schaltspannung

Die Schaltspannung ist die maximale Spannung, die ein Kontakt schalten darf. Eine Schaltspannung oberhalb der Lichtbogengrenze (> 5V) kann zu einem Schaltlichtbogen führen, der die Kontakte schädigen kann. Die Schaltspannung eines Reedschalters kann durch Überdruck des Schutzgases im Glasröhrchen erhöht werden.

Beim Schalten von induktiven Lasten mit Gleichstrom ist die Selbstinduktion der Induktivität zu berücksichtigen. Beim Abschalten kann die Induktivität Spannungsspitzen generieren, die die maximale Schaltspannung eines Reedschalter weit überschreiten können. In solchen Fällen muss eine Freilaufdiode parallel zur Last geschaltet werden.

Schaltstrom

Der Schaltstrom ist der maximale Strom, der beim Schließen des Kontakts fließen darf. Ein zu hoher Schaltstrom kann zu einem Schaltlichtbogen führen, der die Kontakte schädigen oder sogar verkleben lassen kann.

Besonders beim Schalten von kapazitiven Lasten können sehr hohe Einschaltströme fließen, die mit berücksichtigt werden müssen. Gleiches gilt auch für das Schalten von Lampen, deren Glühfaden im Augenblick des Einschaltens sehr niederohmig ist.

Schaltleistung

Die Schaltleistung des Reed-Kontakts (in Watt) ist das Produkt aus Spannung über dem offenen Kontakt und dem Momentanstrom im Moment des Schaltens.

Transportstrom

Der Transportstrom ist der maximale Dauerstrom, der fließen darf, wenn der Reed-Kontakt bereits geschlossen ist und die Prellzeit vorüber ist. Der Transportstrom kann wesentlich höher sein als der Schaltstrom.

Kontaktwiderstand statisch

Der statische Kontaktwiderstand ist der Gleichstromwiderstand eines Reedkontaktes von einem Anschlusspin über die Paddel und Kontaktflächen zum anderen Anschlusspin. Da der spezifische Widerstand der Nickel-Eisenlegierung (8 bis 10·10−8 Ω·m) gut viermal höher ist als von Kupfer, sind Reedschalter nicht ganz verlustlos. Typische Werte für den statischen Kontaktwiderstand liegen zwischen 70 und 120 mΩ. Davon entfallen gut 10 - 25 mΩ auf die Kontaktflächen [1].

Kontaktwiderstand dynamisch

Der dynamische Kontaktwiderstand spiegelt den Zustand der Kontaktstellen wider. Die Erregung des Reedschalters erfolgt mit einer Wechselspannung von 50 - 200 Hz. Gemessen wird mit niedrigen Prüfspannungen und -strömen, die die eventuell vorhandenen Verschmutzungen der Kontaktflächen nicht durchschlagen können.

Isolationswiderstand

Der Isolationswiderstand ist der Widerstand des geöffneten Schalters. Typischer Wert: ca. 1000 GΩ.

Isolationsspannung / Durchbruchspannung

Die Isolationsspannung / Durchbruchspannung ist die Spannung, bei der, bei geöffneten Schalter, gerade eben kein /ein Durchschlag erfolgt.

Schaltzeit (mit Prellen)

Die Schalt- oder Anzugszeit ist die Zeit, die ein Reed-Kontakt benötigt um endgültig  zu schließen. Wenn ein Reed-Kontakt schließt, folgt eine Zeit, in der die Kontaktflächen einige Male prellen ehe sie zur Ruhe kommen.
Typischer Wert für Prellzeit: ca. 10 - 50 μs.
Typischer Wert für Schaltzeit: ca. 100 - 700 μs

Abfallzeit

Die Abfall- oder Öffnungszeit ist die Zeit, die der Schalter braucht um nach dem Abschalten/Entfernen des Magnetfelds zu öffnen.
Typischer Wert ohne Spulenerregung: < 50 μs
Verzögerung durch Selbstinduktion der Spule: ca. 300 μs
Verzögerung durch Selbstinduktion, aber mit Freilaufdiode parallel zur Spule: < 100 μs

Kontaktkapazität

Die Kontaktkapazität ist die Kapazität zwischen den Kontakten bei geöffnetem Schalter. Sie ist ein sehr wichtiger Parameter bei der Verwendung von Reedschaltern mit hohen Frequenzen oder hochohmigen Wechselspannungssignalen.
Typischer Wert: 0,1 - 0,3 pF.

 

4.2 Spule

Spulenwiderstand

Der Spulenwiderstand ist der ohmsche Widerstand der Spule bei einer spezifischen Temperatur (z.B. 20°C).

Spulenspannung

Die Spulenspannung ist die Nennspannung mit der die Spule des Reedrelais betrieben werden sollte. Damit immer ein sicheres Schalten des Relais gewährleistet ist, sollte die angelegte Spulenspannung mindestens 25% höher als die Anzugspannung sein (sog. Übererregung).

Anzugspannung

Die Anzugsspannung ist die Minimalspannung bei der das Relais anzieht. Damit das Relais über den gesamten Temperaturbereich sicher anzieht, sollte Betriebsspannung (Spulenspannung) rund 30% höher sein als die Anzugsspannung (sog. Übererregung).

Abfallspannung

Beim Unterschreiten der Abfallspannung öffnen sich bei einem geschlossenen Reedschalter die Kontakte.

Referenzen

 

 

Zuletzt bearbeitet am 9. Mai 2018

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