Reed-Relais-Grundlagen (2024)

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Es kann so einfach sein: Ein Reed-Relais besteht aus wenigen Elementen und ist dennoch, oder vielleicht gerade deswegen, zuverlässig und langlebig. (Bild: Witold Krasowski @ AdobeStock)

Der Reed-Schalter, der dank aktueller 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.

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.

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Edelmetallbeschichtung bestimmen Charakteristik des Reed Relais

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.

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.

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.

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Wie das Magnetfeld der Reed Relais erzeugt wird

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.

Was ist ein Reed-Relais?

Ein Reed-Relais ist ein elektromechanisches Schaltelement, das aus einem hermetisch verschlossenen Glaskolben besteht, in dem sich ein Kontakt befindet. Der Kontakt wird von einem magnetischen Feld beeinflusst, das durch eine Spule erzeugt wird, die sich um den Glaskolben wickelt. Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, wird das Magnetfeld erzeugt, das den Kontakt im Inneren des Glaskolbens schließt oder öffnet.

Wie funktioniert ein Reed-Relais?

Reed-Relais bestehen aus einem ferromagnetischen Schalter und einem Magnetfeld, das durch eine Spule erzeugt wird.Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, erzeugt dies ein Magnetfeld, das den Kontakt im Inneren des Glaskolbens schließt oder öffnet. Wenn der Strom abgeschaltet wird, wird das Magnetfeld abgeschaltet und der ferromagnetische Schalter kehrt in seine ursprüngliche Position zurück, wodurch die Kontakte des Relais geöffnet werden. Der Kontakt im Inneren des Glaskolbens besteht aus zwei Metallstreifen, die bei aktiviertem Magnetfeld miteinander verbunden werden.

Wo werden Reed-Relais verwendet?

Reed-Relais werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Einige der häufigsten Anwendungen sind:

  • Sicherheits- und Alarmsysteme: Reed-Relais werden oft in Sicherheits- und Alarmsystemen verwendet, um einen Schaltkreis zu öffnen oder zu schließen, wenn ein Alarm ausgelöst wird.
  • Automobilindustrie: Reed-Relais werden auch in der Automobilindustrie eingesetzt, z.B. in Scheinwerfern, Bremslichtern und Sicherungsschaltkreisen.
  • Medizinische Geräte: Aufgrund ihrer geringen Stromaufnahme und Zuverlässigkeit werden Reed-Relais in vielen medizinischen Geräten wie Defibrillatoren, EKG-Geräten und Blutdruckmessgeräten eingesetzt.

Welche Vorteile haben Reed-Relais?

Reed-Relais bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Schaltelementen. Einige der wichtigsten Vorteile von Reed-Relais sind:

  • Geringer Stromverbrauch: Reed-Relais benötigen im Vergleich zu anderen Relais nur sehr wenig Strom, um betrieben zu werden.
  • Hohe Zuverlässigkeit: Aufgrund der Tatsache, dass Reed-Relais keine beweglichen Teile haben, sind sie sehr zuverlässig und langlebig.
  • Schnelle Schaltgeschwindigkeit: Reed-Relais können sehr schnell schalten, was in vielen Anwendungen wichtig ist.

Wie wählt man das richtige Reed-Relais aus?

Beim Auswahlprozess für Reed-Relais sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden, wie z.B. die maximale Spannung und Stromstärke, die benötigt wird, die Umgebungstemperatur, in der das Relais betrieben wird, und die Schaltgeschwindigkeit. Hier sind einige wichtige Faktoren, die bei der Auswahl des richtigen Reed-Relais zu berücksichtigen sind:

  • Maximale Spannung und Stromstärke: Es ist wichtig sicherzustellen, dass das ausgewählte Reed-Relais in der Lage ist, die benötigte Spannung und Stromstärke zu handhaben.
  • Umgebungstemperatur: Die Betriebstemperatur des Reed-Relais ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des richtigen Relais. Wenn das Relais in einer Umgebung betrieben wird, die sehr heiß oder sehr kalt ist, muss das ausgewählte Relais in der Lage sein, in dieser Umgebung zu arbeiten.
  • Schaltgeschwindigkeit: Die Schaltgeschwindigkeit ist ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl des richtigen Reed-Relais. Wenn das Relais in einer Anwendung eingesetzt wird, in der schnelle Schaltgeschwindigkeiten erforderlich sind, muss das ausgewählte Relais in der Lage sein, diese Anforderungen zu erfüllen.

Welche Vorteile haben Reed-Relais im Vergleich zu anderen Relaisarten?

Reed-Relais bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Relaisarten wie elektromechanischen oder Halbleiterrelais. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile von Reed-Relais:

  • Geringe Stromaufnahme: Reed-Relais benötigen im Vergleich zu anderen Relaisarten eine sehr geringe Stromaufnahme. Dies ist besonders nützlich in Anwendungen, in denen eine längere Lebensdauer der Batterie oder eine geringere Wärmeentwicklung erwünscht ist.
  • Hohe Schaltgeschwindigkeit: Reed-Relais können sehr schnell schalten, was sie in Anwendungen nützlich macht, in denen eine schnelle Reaktionszeit erforderlich ist.
  • Geringe Größe: Reed-Relais sind in der Regel sehr klein und platzsparend, was sie ideal für Anwendungen macht, in denen Platz eine begrenzte Ressource ist.

Wie lange halten Reed-Relais?

Die Lebensdauer von Reed-Relais hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Betriebsbedingungen, der Anzahl der Schaltzyklen und der Stromstärke, die durch das Relais fließt. In der Regel haben Reed-Relais jedoch eine sehr lange Lebensdauer und sind sehr zuverlässig. Reed-Relais können typischerweise zwischen 10 Millionen und 1 Milliarde Schaltzyklen durchführen, bevor sie ausfallen. Dies hängt jedoch stark von den Betriebsbedingungen ab. Wenn das Relais beispielsweise bei hohen Temperaturen betrieben wird oder hohen Stromstärken ausgesetzt ist, kann die Lebensdauer des Relais reduziert werden.

Welche speziellen Anforderungen stellen diese Anwendungsbereiche an Reed-Relais?

Die speziellen Anforderungen variieren je nach Anwendungsbereich. Beispiele für Anforderungen können sein: Stoß- und vibrationsfestigkeit, hohe Isolationsspannung, geringe Stromaufnahme, hohe Schaltgeschwindigkeit, Temperaturbeständigkeit, EMI-Abschirmung und lange Lebensdauer.

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Relais vor externen Magnetfelder schützen

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.

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Quecksilber-Reed-Relais sorgen für lange Lebensdauer

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.

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Hochspannungs-Reed-Relais maximieren Nennspannung

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.

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Schwierig in der Herstellung: 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.

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Öffnen und Schließen mit einem Changeover-Relais (Umschalt-Relais)

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.

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.

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