Reed-Relais

Ein Reed-Relais ist ein Relais zum Schalten eines Stromkreises, welches mit einem Reedschalter arbeitet. Reed-Schaltkontakte sind unter Vakuum oder Schutzgas in einen Glaskolben eingeschmolzene Kontaktzungen, die zugleich die Kontaktfeder und den Magnetanker bilden. Der Name stammt vom Rohrblatt der Holzblasinstrumente, engl. reed, das den schwingenden Kontaktzungen ähnelt. Die Kontaktzungen werden aus edelmetallbeschichtetem ferromagnetischem Material (z. B. Weicheisen) hergestellt. Die Kontaktbetätigung erfolgt durch ein von außen einwirkendes Magnetfeld, das von einem in die Nähe gebrachten Dauermagneten (Reed-Kontakt) oder in einer zugehörigen Magnetspule elektrisch erzeugt wird (Reed-Relais). Durch das Magnetfeld ziehen sich die beiden Kontaktzungen an und schließen somit die Schaltung. Sobald das Magnetfeld abfällt oder eine bestimmte Feldstärke im Relais unterschritten wird öffnet sich der Kontakt aufgrund der Federwirkung wieder.

Reed-Relais

Einführung

Ein Reedrelais besteht aus einer Magnetspule, die meistens aus Kupferdraht gewickelt ist. Der Reedschalter sitzt in der Mitte der Spule.

Reed-Relais benötigen in der Regel eine relativ geringe Steuerleistug und können durch Transistoren, TTL-Logik oder CMOS-Treiber angesteuert werden. Aufgrund der hermetisch dichten Schaltkontakte und einer äußerst sorgfältig aufgebrachten Kontaktschicht eignen sich Reed-Relais ganz besonders zum Schalten von Kleinstsignalen bis zu Femtoampere und Nanovolt.

Eigenschaften von Reedrelais auf einen Blick

• Für Applikationen mit Schaltbandbreiten von 6 GHz und mehr geeignet
• Signalverlust ist weniger als 3 dB
• Einfügungsdämpfung (insertion loss) <0,2 dB
• VSWR 1,2
• Interessante Alternative zu Gallium-Arsenid-Bauteilen
• Kostengünstig
• Besonders zum Schalten von Kleinstsignalen bis zu Femtoampere und Nanovolt
• Hermetisch dichte Schaltkontakte, deshalb sehr robust gegen Wasser, Luft, Vakuum, Öl, Benzin, Staub etc.
• Keine Neigung zu polymeren Kontaktablagerungen
• Keine mechanische Abnutzung an den Bewegungspunkten
• Kann Schaltspiele bis zu mehreren Milliarden Zyklen (10⁹) erreichen
• Für Applikationen mit folgenden Eigenschaften geeignet: niedriger Kontaktwiderstand typ. 50 mOhm, geringe Kapazität und hohe Isolation
• Geringe Baugröße
• Sehr gute HF-Eigenschaften
• Für Hochspannungsschaltungen bis zu 10.000 Volt
• In folgenden Formen verfügbar: Öffner, Schließer und Wechsler, bistabil

Geschichte

Patentiert wurde der Reed-Kontakt 1936 von W. B. Elwood, der zu dieser Zeit in dem Bell Laboratories arbeitete. Allerdings war es damals noch nicht möglich, Reed-Kontakte in größerem Umfang herzustellen, da die Werkstofftechnik noch keine geeigneten Werkstoffe für die Kontaktzungen bereitstellen konnte. Die ersten im größeren Umfang verfügbaren Reed-Kontakte wurden erst ab Ende der 1950er Jahre hergestellt. Haupteinsatzgebiet war vor allem in 1960er bis 1980er Jahren die Fernmeldetechnik in den Vermittlungsstellen.

Bauarten

Verschiedene Reed-Relais, teilweise mit mehreren Reedkontakten bestückt

Die Kontakte von Reed-Relais sind durch ihre Bauart vor Korrosion und Sauerstoff geschützt. Sie sind daher äußerst zuverlässig und sind besonders für kleine Schaltleistungen bei häufiger und ganz seltener (z. B. einmal in 10 Jahren) Betätigung geeignet. Reed-Relais können im Vergleich zu ähnlich dimensionierten normalen elektromagnetischen Relais auch für sehr hohe Schaltspannungen (bis etwa 10 kV) ausgelegt werden, indem man den Innendruck des Füllgases erhöht.

Reed-Relais werden auch in DIL- und SMD-Bauweise ausgeführt, d. h. in Form von in der Mikroelektronik üblichen Gehäusebauformen zur Leiterplattenmontage.

Bei Reed-Kontakten zur Lageerkennung wird der Reed-Kontakt durch einen Dauermagneten betätigt; sobald sich der Magnet nähert, werden die Schaltkontakte zueinander gezogen und schließen einen Stromkreis. Solche Kontakte sind oft robust gekapselt in quaderförmigen oder zylindrischen Gehäusen untergebracht und besitzen angegossene Anschlussleitungen. Die Betätigungsmagnete sind oft dazu passend ausgeführt oder sie werden in Maschinenteile eingelassen.

Ruhekontakt – Reedschalter

Funktionsweise

Bei der Grundfunktion eines Reed-Kontaktes wird dessen Kontakt beim Annähern eines externen Permanentmagnetes geschlossen. Es gibt spezielle Reed-Kontakte, sogenannte umschaltende Reed-Kontakte (Wechselschalter), die ein umgekehrtes Schaltverhalten haben. Bei diesen besteht die öffnende Kontaktzunge aus nicht-ferromagnetischem Material. Die Herstellungskosten dieser Reed-Umschaltkontakte sind relativ hoch. Zudem sind diese Kontakte nicht zum Schalten größerer Ströme geeignet.

Alternativ lässt sich die Funktionsweise eines Reed-Relais auch mit einer zusätzlichen Transistor-Beschaltung invertieren. Der Schaltungsaufwand und die Stromaufnahme werden dadurch jedoch erhöht, da ein permanenter Ruhestrom durch die Transistorschaltung fließt.

Es gibt auch Reedschalter, die die Schaltfunktion invertieren, also der Kontakt geschlossen wird, sobald der externe Dauermagnet entfernt wird. Vorteil gegenüber Reed-Umschaltkontakten sind die möglichen höheren Schaltströme, sowie die geringeren Produktionskosten. Der Aufbau des Reed-Kontakts ist relativ einfach. An den Glaskörper des Reedschalters wird ein kleiner Permanentmagnet angebracht. Die Polung des externen Magnetes muss zu diesem umgekehrt sein. Wird der externe Magnet an den Reed-Schalter geführt, kompensieren sich die Magnetfelder beider Magnete und der Kontakt öffnet sich. Wird der externe Magnet entfernt, wird der Reed-Kontakt durch den integrierten Magneten geschlossen. ^{[1] [2]}

Anwendungen

Reed-Relais werden häufig dort zum Schalten kleiner Spannungen und Ströme eingesetzt, wo es auf Zuverlässigkeit und geringsten Kontakt-Übergangswiderstand ankommt (z. B. zur Signalumschaltung in Messgeräten). Eine weitere Anwendung sind Hochfrequenz-Relais – hier können die Kontakte als Innenleiter einer koaxialen Leitungsanordnung betrieben werden.

Reed-Kontakte werden in Verbindung mit Dauermagneten häufig für Türkontakte oder zur Endlagenerkennung (z. B. an Pneumatikzylindern und allgemein in der Automatisierungstechnik) eingesetzt. Reed-Kontakte können auch durch Wandungen hindurch geschaltet werden, wie etwa bei Taucherlampen oder in Füllstandswächtern.

Durch die gekapselte Bauweise sind Reed-Kontakte auch in explosionsgefährdeten Bereichen zugelassen, wie sie in Bergwerken oder in der Chemischen Industrie zu finden sind. Aus dem gleichen Grund sind sie für den Einsatz in großen Höhen geeignet, wo ansonsten der Kontaktabstand aufgrund der höheren Schlagweite in der dünneren Atmosphäre nicht ausreichen würde.

In Gleichstrommotoren (Reed-Kontakt-Motoren) können sie an Stelle von Kommutatoren verwendet werden. Manche Fahrradcomputer ermitteln die Geschwindigkeit und die Trittfrequenz mittels Reed-Kontakten am Vorderrad beziehungsweise der Tretkurbel – in diesem Anwendungsbereich zur Drehzahlmessung werden aber auch sehr häufig kontaktlose Hall-Sensoren verwendet.

Mit einer im Außenbereich angebrachten dicken Wicklung versehene Reed-Relais werden als Stromsensor verwendet und können z. B. zur Ausfallüberwachung von Glühlampen oder zur Bremslichtkontrolle an Kraftfahrzeugen verwendet werden.

Oft können heute Reed-Relais und Reed-Kontakte durch ebenfalls magnetisch arbeitende Hall-Sensoren ersetzt werden – in Kombination mit elektronischen Schaltern wie Feldeffekttransistoren lassen sich damit funktionell ähnliche Schaltereigenschaften erzielen, welche aber ohne mechanische Kontakte auskommen und daher mechanisch weniger empfindlich sind (keine Bruch- und Schlagempfindlichkeit, keine spezielle Gasfüllung). Des Weiteren können Hall-Sensoren für deutlich höhere Schaltfrequenzen ausgelegt werden als die mechanisch bewegten Reed-Kontaktzungen um damit beispielsweise höhere Drehzahlen direkt erfassen zu können. Der Nachteil von Hallsensoren besteht darin, dass sie eine Hilfsenergie (Betriebsspannung) benötigen. Daher werden auch heute noch häufig Reed-Kontakte eingesetzt.

Quellenangaben

1. ↑ Elektronik Nr. 3, 2008, S. 16. ISSN 0013-5658
2. ↑ Seite von Bruno Gruber

Weblinks

 Commons: Reed-Relais – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Wissenswertes über Reedtechnologie
• Umfangreiche Wissensammlung über Reedschalter (englisch)