Reedschalter

Reedschalter – auch Reed-Kontakte – sind im Glasrohr eingeschmolzene Kontaktzungen aus einer Eisen-Nickellegierung. Diese hermetisch dichten Schalter werden durch ein Magnetfeld betätigt. Die Bezeichnung „Reed“ stammt aus dem Englischen und bedeutet so viel wie Röhrchen, Schilfhalm. Gemeint ist damit ein dünnwandiges Glasröhrchen, in welchem Kontaktdrähte eingeschmolzen sind.

Reedschalter

Komponenten:

• Kontaktdrähte (Paddel): Basis-Metall NiFe-Legierung (Ni ca. 48 %), Oberfläche (ca. 2–6 µm) SnPb oder Au (wegen Lötbarkeit)
• Glaskörper
• Schutzgasfüllung (Stickstoff/Wasserstoff) oder Vakuum (HV-Schalter)

Ein Reedschalter bildet das Herzstück von Bauteilkomponenten wie Reedsensoren oder Reedrelais. Das Funktionsprinzip dieser Schalter ist sehr einfach: Zwei ferromagnetische Schaltzungen sind in einem Glasröhrchen eingeschmolzen. In der Mitte der Glasampulle überlappen die beiden Zungen mit einem Abstand von wenigen Mikrometern. Im Inneren des Glasröhrchens befindet sich eine aus verschiedenen Gasen bestehende hochreine Schutzatmosphäre. Im Ruhezustand berühren sich die Schaltzungen nicht. Durch ein von außen einwirkendes magnetisches Feld bilden sich an den beiden Zungen jeweils Nord- und Südpol aus, die Folge: Die Zungen ziehen sich gegenseitig an, der Schalter schließt. Diese Technik erlaubt es, Schaltelemente mit geringer Größe für extrem schnelle Schaltvorgänge hermetisch dicht herzustellen.

Geschichte

Der Reedschalter hat seinen Ursprung in den USA und wurde dort von Bell Labs Ende 1930 entwickelt. Ab 1940 gab es bereits erste Industrieanwendungen für Reedsensoren und Reedrelais, hauptsächlich in einfachen magnetisch ausgelösten Schaltfunktionen und ersten Modellen von Testgeräten. Ende der 1940er Jahre war es die Firma Western Electric, die Reedschalter in Telefonsysteme einführte. Selbst heutige Designs nutzen die Vorteile der Reedschalter in derartigen Anwendungen immer noch.

Während dieser Zeit gab es ein Kommen und Gehen von Herstellern. Die meisten haben es geschafft, mit modernen Produktionsmaschinen eine sehr hohe Zuverlässigkeit zu erreichen. Der weltweite Bedarf an Reedschaltern ist inzwischen auf ca. 1 Milliarde Stück pro Jahr gewachsen: Einsatzgebiet ist das gesamte Spektrum der Elektrotechnik und Elektronik wie Automobilmarkt, Alarmanlagen, Test- und Messgerätemarkt, Hausgeräte, Medizintechnik, Industrieanwendungen.

Allgemeine Beschreibung

Aufgrund der verwendeten Materialien und hermetisch geschlossenen Bauweise lassen sich Schaltfunktionen mit Reedschaltern für fast alle denkbaren Umweltbedingungen realisieren. Trotzdem sind einige Punkte zu beachten, die auf die Langzeitstabilität eine gravierende Wirkung haben können. So ist die Glas-Metall-Einschmelzzone aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten für die Dichtheit verantwortlich. Ansonsten besteht die Gefahr von Haarrissen mit all den bekannten Konsequenzen. Beim Auftragen des Kontaktmaterials gilt dasselbe: Rhodium oder Ruthenium wird entweder gesputtert oder galvanisch abgeschieden. Dieser Prozess ist extrem von den äußeren Umweltbedingungen abhängig und sollte am besten in einem Reinraum stattfinden. Genau wie in der Halbleiterindustrie sind fremde Partikel, auch bereits in kleinster Ausprägung, die Quelle für Zuverlässigkeitsprobleme.

Im Laufe der Zeit konnten die Abmessungen von 50 mm Länge auf 5 mm geschrumpft werden. Dadurch wurde eine Vielzahl neuer Anwendungen entwicklungstechnisch erschlossen, besonders im Bereich der Hochfrequenztechnik und Impulsschaltungsanwendungen.

Wichtigste Merkmale

1. Fähigkeit zum Schalten bis 10 kV
2. Schaltströme bis 5 A möglich
3. Minimalspannungen von 10 nV können ohne Verluste geschaltet oder transportiert werden
4. Ströme von 1 fA können ohne Verluste geschaltet oder transportiert werden
5. Fähigkeit, Signale mit Frequenzanteile bis 7 GHz ohne nennenswerte Verluste zu schalten
6. Isolationsspannung über den geöffneten Kontakt bis 10¹⁵ Ω
7. Kontaktwiderstand im geschlossenen Zustand typ. 50 mΩ
8. Verharrt im geöffneten Zustand ohne jegliche externe Leistung
9. Bistabile Schaltfunktion möglich
10. Schließzeit ca. 100 bis 300 µs
11. Fähigkeit, auch in extremen Temperaturschwankungen zwischen −55 °C und +200 °C zu schalten
12. Elemente wie Wasser, Vakuum, Öl, Fett und sonstige aggressive Umwelteinflüssen beeindrucken das Bauteil aus Glas nur in ganz seltenen Fällen
13. Schockresistenz bis 200 g
14. Einsetzbar bei Vibrationen von 50 Hz bis 2 kHz bei 30 g
15. Lange Lebensdauer. Bei Schaltspannungen unter 5 V (Lichtbogen-Grenze) sind Schaltspiele weit über 10⁹ hinaus erreichbar

Die Funktion des Reedschalters

Aufbau eines Schalters

Ein Reedschalter besteht aus zwei ferromagnetischen Schaltzungen (normalerweise Nickel/Eisenlegierung), die hermetisch dicht verschlossen in ein Glasröhrchen eingeschmolzen werden. Die beiden Schaltzungen überlappen mit einem minimalen Abstand von einigen Mikrometern zueinander. Wirkt ein entsprechendes Magnetfeld auf den Schalter, bewegen sich die beiden Paddel aufeinander zu – der Schalter schließt. Der Kontaktbereich der beiden Schaltzungen ist mit einem sehr harten Metall beschichtet, meist Rhodium oder Ruthenium. In Frage kommen aber auch Wolfram, Iridium oder ähnlich strukturierte Metalle. Aufgetragen werden diese entweder galvanisch oder durch einen Sputterprozess (bekannt aus der Halbleiterindustrie). Diese hart beschichteten Kontaktflächen sind der Garant für die sehr lange Lebensdauer eines Reedschalters. Vor dem Einschmelzen wird die vorhandene Luft evakuiert. Dies geschieht mittels Unterdruck. Während des Einschmelzvorganges wird der Schalter mit Stickstoff oder einer Inertgasmischung mit hohem Stickstoffanteil gefüllt. Zur Erhöhung der Schaltspannungsgrenze besteht aber auch die Möglichkeit, den Schalter vor dem Verschließen zu evakuieren. Diese Schalter werden in Hochspannungsanwendungen eingesetzt, wenn im kV-Bereich geschaltet werden soll.

Das durch Permanentmagnet oder Spule erzeugte Magnetfeld ist gegenpolig gerichtet, die Paddel ziehen sich an. Übersteigt die magnetische Kraft die Federwirkung der Paddel, schließen die beiden Kontakte. Beim Öffnen geschieht dasselbe: Ist die Magnetkraft geringer als die Federkraft der Schalter, öffnet der Reedschalter wieder.

Der beschriebene Ablauf gilt für den 1Form A-Schalter, auch bekannt als NO (Normally Open), Schließer oder SPST (Single-Pole-Single-Throw) Reedschalter. Man findet aber auch Mehrfachbelegung wie 2Form A (2 Schließer), 3Form A etc.

Ist der Schalter in Ruhestellung geschlossen, spricht man von 1Form B-Funktion, auch bekannt als Öffner.

Möchte man Strom- oder Signalpfade wechseln, kommt der 1Form C-Schalter in Frage, auch bekannt als Wechsler. Die internationale Bezeichnung ist SPTC (Single-Pole-Double-Throw). In Ruhestellung und ohne anliegendes Magnetfeld wird der so genannte Ruhekontakt hergestellt. Beaufschlagt man den Wechsler mit einem entsprechend starken Feld, so wechselt der Kontakt vom Ruhe- auf den Arbeitskontakt. Ruhe- und Arbeitskontakte sind unbewegte Kontakte. Alle drei Paddel sind ferromagnetisch leitend; lediglich der Kontaktbereich des Ruhekontakts (Öffners) ist mit einem nicht leitenden Plättchen versehen. Wird ein Magnetfeld angelegt, erhalten beide Kontakte (NO und NC) dieselbe Polarität. Anders gepolt ist der gemeinsame Anschluss. Durch die Unterbrechung des Magnetfeldes zur Ruheseite hin kann sich der Magnetfluss in Richtung Schließeranschluss orientieren – exakt dies wird ausgenutzt. Diese magnetische Kraft, richtig dimensioniert, reicht aus, um die mechanische Rückstellkraft zu überwinden und den Commonanschluss von Ruhe- in Arbeitsstellung zu wechseln.

Form A: Schließer (Normally Open)

Form B: Öffner(Normally Closed)

Form C: Wechsler bzw. Umschalter

Wie arbeiten Reedschalter und Magnete zusammen

Werden Reedschalter als Reedsensoren verwendet, benutzt man für die Betätigung des Schalters normalerweise Magnete. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, ist es von unbedingter Notwendigkeit, das Zusammenwirken von Reedschalter und Magnet zu kennen. Sensoren können als Schließer, Öffner oder in bistabiler Funktion eingesetzt werden.

Funktion eines Reedschalters unter dem Einfluss eines Permanentmagneten

Man betrachte einen Reedschalter in geöffneter Position (NO-Schalter): Bewegt man die Magnet/Reedschalter-Anordnung aufeinander zu oder voneinander weg, so schließen sich die Paddel bei entsprechender Magnetstärke. Entfernt man den Magneten, öffnen die Paddel. Umgekehrt beim Öffner (NC): Hier öffnet der Reedschalter bei anliegendem Feld und schließt wieder, wenn das Magnetfeld verschwindet.

Beim bistabilen Sensor besteht die Möglichkeit, mit einem Magneten die Lage von Öffnen zum Schließen und auch umgekehrt durchzuführen. Der Sensor verharrt in der Position bis zum erneuten Anlegen des Magnetfeldes, damit wird die Funktion umgekehrt. Auch in dieser Position bleibt der Sensor bis zum erneuten Anlegen eines adäquaten Magnetfeldes. Bei diesem Funktionsablauf spricht man dann von „bistabil“ oder „latching“.

Schließen eines Reedschalters durch das Magnetfeld einer Kupferspule

Dabei kann der Schalter zum Beispiel durch folgende Aktionen bestätigt werden:

• Magnet bewegt sich zum Reedschalter hin oder vom Reedschalter weg
• Reedschalter und Magnet in rotierender Bewegung
• Ringmagnet wird über den Reedschalter geschoben
• Betätigung des Schalters durch den Magneten wird durch einen Eisenschirm unterbrochen
• Um einen Drehpunkt rotierender Magnet

Es ist von großer Wichtigkeit, bei allen aufgezeigten Möglichkeiten das vorhandene Magnetfeld und die Bewegungsrichtung von Magnet und/oder Reedschalter genauestens zu untersuchen und zu verstehen. Hier gibt es beträchtliche Unterschiede im Zusammenspiel, da die Größe des Reedschalters und des Magneten sowie die magnetische Feldstärke und die magnetische Empfindlichkeit des Schalters eng miteinander kooperieren.

Anwendungsbeispiele

Reedschalter, Reedsensoren und Reedrelais werden für viele unterschiedliche Branchen produziert, wie z. B. für die Automobilindustrie, Luftfahrt, Landwirtschaft, Test- & Messtechnik, Medizin, Telekommunikation, Industrie, Haushalt, Sicherheit und Marine u. v. m.

• Automobil: Der magnetische Schalter/Reedschalter, kombiniert mit einem Permanentmagneten, wird als Schwimmerschalter oder Nährungssensor, bevorzugt in der Automobilindustrie eingesetzt. Weitere Beispiele sind Bewegungssensoren, Geschwindigkeitssensoren, Positionssensoren, Fenstersensoren, Bremspedalposition, Airbagsteuerung u. v. m.
• Haushaltsgeräte: Haushaltsgeräte weisen heutzutage ein hohes Maß an Wirtschaftlichkeit auf und werden oft in Verbindung mit Messeinrichtungen entworfen. Positionserkennung von Türen und Füllstandsüberwachung sind nur einige der Beispiele, wie Reedschalter in Haushaltsgeräte Einzug halten.
• Marine und Boot: Ähnlich wie in Autos werden auch in vielen Boot- und Marineanwendungen Reedsensoren zur Füllstands- und Positionserkennung eingesetzt. Hier einige Beispiele: Ankerposition, Bilgenpumpe, Benzinfüllstand, Ruderposition, Stromüberwachung, Toilettenkontrolle, Ölstand u. v. m.
• Unterhaltungselektronik: Sensoren und Schalter halten Einzug in Unterhaltungselektronik aller Art, überall dort, wo Bewegung eine Rolle spielt oder wo etwas ein- und ausgeschaltet werden kann. In Handys und Digitalkameras wird ein Näherungsschalter in das Gehäuse eingebaut und ein Permanentmagnet in das Bildschirmfenster platziert. Wenn der Bildschirm bewegt wird, nähert sich der Magnet den Schalterkontakten, wodurch das Telefon oder die Kamera aktiviert wird. Weiteren Einsatz finden Reedsensoren in Handys in Verbindung mit einer Dockingstation. Wenn das Handy in die Dockingstation eingelegt wird, aktiviert der Magnet den Schalter, und das Telefon schaltet auf Freisprech- oder Auto-Modus für GPS um.
• Spielzeug & Hobby: Heutzutage wird immer mehr Kinderspielzeug mit beweglichen Teilen entworfen. Diese benötigen einfache, zuverlässige und kostengünstige Lösungen. Magnetische Reedsensoren bieten sich für die meisten dieser Applikationen an. Zum Beispiel: In eine Baby-Puppe, die aus einer Flasche trinkt, wird ein Reedsensor unterhalb des Mundes platziert, und ein Permanentmagnet wird in die Flasche vergossen. Wenn die Flasche zum Mund bewegt wird, macht die Puppe ein Trinkgeräusch und hört auf zu weinen.
• Medizin: In implantierbaren und tragbaren Geräten ist es wichtig, dass ein Schalter verwendet wird, welcher einerseits so klein wie möglich ist und der andererseits so wenig wie möglich Strom verbraucht. Reedschalter und Reedsensoren benötigen in normal geöffnetem Zustand keinen Strom. Dabei sind Geräte wie Hörgeräte, Herzschrittmacher, Operationswerkzeuge u. v. m. gemeint. Reedrelais kommen in vielen unterschiedlichen medizinischen Geräten zum Einsatz, wo hohe Ströme und/oder hohe Spannungen benötigt werden. Geräte wie beispielsweise elektro-chirurgische Generatoren setzen Hochspannungsrelais ein, um die Stromzufuhr für das operative Kauterisieren der Gefäße zu regulieren. Ähnliche Geräte verwenden HF-Energie kombiniert mit Salzlösung, um die Gefäße zu verschließen. Hierfür sind Hochfrequenzrelais eine geeignete Lösung.
• Schutz und Sicherheit:Brandschutz- und Feuertüren in öffentlichen und staatlichen Gebäuden, Krankenhäusern, Hotels und anderen Gebäuden, welche häufig von unterschiedlichen Leuten besucht werden, müssen – ausgenommen in Notfällen – zu jeder Zeit geschlossen sein. Es ist gesetzlich vorgeschrieben, dass die Türen elektronisch kontrolliert werden. Sobald sie geöffnet werden, muss ein Alarmsignal ausgelöst werden. Andere Beispiele sind Feuerlöscher, Hotelkartenlesegeräte, Fenstersensoren, Sicherheitsgurte u. v. m.
• Test- und Messtechnik: Datenerfassungssysteme, Scanner, Multiplexer, Drucker, Mehrfachmessgeräte, Generatoren für Hochfrequenz-Chirurgie, medizinische Testsysteme, Radiofrequenzschaltungen und –übertragungsanforderungen, Leiterplattentestgeräte, Halbleitertester

Parameter für Reed-Bauelemente

Anzugsempfindlichkeit

Anzugsempfindlichkeit (AWan, PI) spezifiziert den Schließpunkt des Schalters. Beim Einsatz von Magneten misst man den Einschaltpunkt bevorzugterweise in mm, mT (Millitesla) oder Gauss. Kommt dagegen eine Messspule zur Verwendung, ist die geeignete Einheit Ampere-Windungen AW. Dazu wird der Strom in einer bekannten Spule bis zum Einschaltpunkt erhöht und mit der Windungszahl multipliziert. Dieser Wert ist normalerweise als Maximalwert definiert. Auch bei bester Glühqualität der Paddel bleibt eine Restremanenz zu berücksichtigen. Um zuverlässige Daten zu ermitteln, beaufschlagt man die Spule mit einem Sättigungsimpuls, um dann AWan und AWab zu bestimmen. Beim Konstruieren von Relais und der magnetischen Dimensionierung geht man von einer Arbeitstemperatur von 20 °C aus. Das genaueste Messergebnis für AWan und AWab erhält man durch einen Vormagnetisierungsimpuls.

Abschaltempfindlichkeit

Abschaltempfindlichkeit (AWab, DO) bestimmt den Ausschaltpunkt des Reedschalters. Die Merkmale der Beschreibung von AW an treffen hier ebenfalls zu und werden entsprechend berücksichtigt.

Hysterese

Eine Hysterese in % stellt das Verhältnis zwischen Anzugs- und Abschaltwert dar und wird angegeben in AWan/AWab. Die Hysterese kann von vielen designspezifischen Einflüssen abhängen: Beschichtungsdicke, Paddelüberlappung, Paddelbeschaffenheit, Paddellänge, Einschmelzzone, Paddelabstand.

Statischer Kontaktwiderstand

Darstellung der verschiedenen Widerstandszonen eines Reedschalters

Der statische Kontaktwiderstand ist der Gleichstromwiderstand, erzeugt durch Paddel und Kontaktfläche. Den meisten Einfluss hat hier das Nickel/Eisenmaterial mit einem Wert zwischen 8–10·10^–8 Ohm/m. Verglichen mit dem Kupferwert von 1,7·10^–8 Ohm/m ist dies relativ hoch. Typisch für einen Reedschalter sind ca. 70 mOhm, der Anteil der Kontaktstelle schlägt dabei mit ca. 10–25 mOhm zu Buche. Bei Reedrelais benutzt man oft Nickel/Eisen als Anschlusspins, diese erhöhen den Magnetfluss und somit die Kontaktkraft. Allerdings können dann zum Widerstand nochmals ca. 25–50 mOhm hinzukommen.

Dynamischer Kontaktwiderstand

Den wahren Zustand eines Reedschalters misst man mit dem Dynamischen Kontaktwiderstand (DCR). Wie oben beschrieben wird der Widerstand hauptsächlich durch die Paddel und Anschlusselemente erzeugt. Beim Messen des DCR bestimmt man den tatsächlichen Zustand des Reedschalters speziell an der Kontaktstelle.

Zum Messen wird der Kontakt mit einer Frequenz zwischen 50 Hz und 200 Hz geschaltet. Eine Messspannung von 0,5 V und der Strom von ca. 50 mA reichen aus, um potentielle Probleme zu orten. Anzeigen kann man das Messergebnis entweder mit einem Oszilloskop oder per Digitalisierung des Signals. Die Spannung von 0,5 V sollte nicht überschritten werden; zu groß wäre das Risiko, eventuell vorhandene Schmutzfilme auf den Paddeln zu „durchschlagen“. Diese können durch unsaubere Schnitte im Herstellungsprozess entstehen. Für kleinste Messsignale wäre dieser Schmutzfilm dann eine Unterbrechung, der lediglich durch die höhere Testspannung durchschlagen wird, nicht aber das Problem als solches visualisiert.

Schaltspannung

Schaltspannung in Volt spezifiziert die maximal zulässige Spannung, die der Kontakt zu schalten in der Lage ist. Schaltspannungen über der Lichtbogengrenze können Materialwanderungen auf der Kontaktoberfläche verursachen. Dies geschieht normalerweise ab 5 Volt. Eben diese Überschläge sind die Ursache für die Verkürzung der Lebenszeit eines Reedschalters. Trotzdem sind gute Reedschalter in der Lage, Spannungen zwischen 5 und 12 Volt viele 10 Millionen Mal zu schalten; natürlich spielt dort auch der Schaltstrom eine entscheidende Rolle.

Schalter mit Druckatmosphäre im Glasrohr können Spannungen bis maximal 500 Volt schalten, da beim Öffnen der entstehende Funken gelöscht wird. Darüber hinausgehende Schaltanforderungen werden durch Vakuumschalter gelöst; hier sind Spannungen bis 10 000 Volt realisierbar.

Unter einer Schaltspannung von 5 Volt entsteht keine Lichtbogenbildung und somit keine Materialwanderung, hier sind Lebensdauererwartungen auch über 10⁹ Schaltspiele keine übertriebene Spezifizierung. Wird ein Reedrelais fachmännisch entwickelt, sind auch nach unten kaum Grenzen gesetzt, Spannung im Bereich von 10 Nanovolt können problemlos geschaltet werden. Dieser große Arbeitsbereich ist ein besonderer Vorteil des Reedschalters.

Schaltstrom

Schaltstrom beschreibt den maximal zulässigen Strom in Ampere (DC oder Peak) im Moment des Schließens des Reedschalters. Je höher der Strom, um so größer der Schaltlichtbogen beim Schließen und Öffnen. Dies bestimmt die Lebensdauer des Schalters.

Transportstrom

Transportstrom wird ebenfalls in Ampere gemessen (DC oder Peak) und spezifiziert den maximal zulässigen Strom über bereits geschlossene Kontakte. Da die Kontakte bereits geschlossen sind, ist ein signifikant höherer Strom als beim Schaltvorgang zulässig, denn ein Schaltlichtbogen entsteht nur beim Schließen und Öffnen. Überraschenderweise kann ein geschlossener Reedschalter sehr hohe Ströme transportieren; wichtig ist dabei jedoch eine geringe Impulslänge, um Überhitzung zu vermeiden. Im Gegenzug lassen sich aber auch, und das ist der riesige Vorteil von Reedrelais gegenüber mechanischen Relais, minimale Ströme im Bereich von Femtoamperes (10^–15 A) transportieren und/oder schalten.

Streukapazität

Streukapazität, gemessen in Mikrofarad oder Pikofarad, ist in einem gewissen Umfang immer präsent; sowohl beim Schalten von Strom als auch von Spannung. Und dabei sind die ersten 50 Nanosekunden von entscheidender Bedeutung. Hier entsteht der eventuell zerstörende Funke. Bei genügend hoher Streukapazität, verbunden mit einem entsprechend hohen Spannungs- und/oder Stromlevel, kann der entstehende Funke den Kontakt langfristig zerstören und die Lebensdauer damit stark reduzieren. Es empfiehlt sich bei relativ hohen Schaltsignalen, den Strom in den ersten 50 Nanosekunden zu begrenzen. Bei 50 Volt und 50 Pikofarad kann ein bleibender Eindruck beim Reedschalter entstehen – dies gilt es zu bestimmen und ihn entsprechend zu schützen.

Spannungsüberlagerungen sind ebenfalls zu berücksichtigen, auch diese haben einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer eines Reedschalters. In Verbindung mit Streukapazitäten, entsprechenden Umwelteinflüssen und sonstigen Strömen haben diese unter Umständen einen verheerenden Effekt, besonders was die Lebensdauer betrifft. Auch hier lohnt es sich, die Höhe dieser Überlagerungen zu bestimmen und den Lastpfad in den ersten 50 Nanosekunden genauestens beim Auslegen der Schaltung zu analysieren. Sind Netzleitungen in der Nähe der Schaltung, ist ebenfalls Vorsicht geboten; eingekoppelt in den Schaltkreis können diese einen nicht kalkulierbaren Einfluss auf die Lebensdauer nehmen. Dies ist normalerweise das Fehlerbild bei derartigen externen und unkontrollierten Einflüssen. Abhilfe lässt sich schaffen, wenn die Bedingungen bekannt sind.

Schaltleistung

Schaltleistung in Watt ist das Produkt aus Strom mal Spannung im Moment des Schließens des Schalters. Bei diesem Parameter ist Vorsicht geboten, denn manchmal ist hier Unsicherheit zu spüren. Beispiel sei ein Schalter mit den Parametern Schaltspannung 200 Volt, 0,5 Ampere und 10 Watt. Hier darf die Leistung von 10 Watt auf keinen Fall überschritten werden. Bei einer Schaltspannung von 200 Volt darf der Schaltstrom 50 Milliampere nicht überschreiten. Werden 0,5 Ampere geschaltet, muss die Schaltspannung auf 20 Volt begrenzt sein.

Isolationsspannung

Isolationsspannung bestimmt den Punkt kurz vor dem spannungsmäßigen Durchschlag eines Reedschalters und ist immer höher als die Schaltspannung. Die Funkenlöschung ist im Öffnungsfall kein Problem und muss nicht spezifiziert werden. Bei größeren evakuierten Reedschaltern bis 50 mm sind Isolationsspannungen bis 15 000 Volt nichts Ungewöhnliches. Kleinere Modelle um die 20 mm widerstehen immer noch 4 000 Volt, während 15-mm-Schalter (mit leichtem Gasdruck) mit Isolationsspannungen von 250 bis 600 Volt aufwarten können.

Isolationswiderstand

Isolationswiderstand ist die Begriffsbestimmung für den Widerstand über den geöffneten Schalter. Vermutlich ist es gerade diese Eigenschaft, die den Reedschalter so einmalig macht und von all den anderen Schaltelementen so stark abhebt. Ein typischer Wert für Reedschalter sind 1·10¹⁴ Ohm über den geöffneten Schalter. Diese Isolation erlaubt den Einsatz selbst bei kleinsten Leckströmen im Bereich von Pikoampere und Femptoampere ohne markante Verfälschung der Messergebnisse. Werden zum Beispiel in einem Halbleitertester mehrere Eingänge zusammengelegt, so können dadurch entstehende Leckströme einen bedeutenden Einfluss auf das Messergebnis haben.

Dielektrische Absorption

Dielektrische Absorption hat einen entscheidenden Einfluss auf die Transportfähigkeit von Strömen kleiner 1 Nanoampere. Meist handelt es sich um Verzögerungseffekte – je nachdem wie klein der Strom ist, auch in der Größenordnung von Sekunden.

Schließzeit

Schließzeit spezifiziert die zum Schließen benötigte Zeit nach dem Prellen. Abgesehen von quecksilberbenetzten Schaltern beobachtet man bei normalen Schaltern einen harmonischen Schwingungseffekt, der durch die schalterspezifischen Dämpfungseffekte bestimmt wird. Ein bis zwei Preller im Zeitfenster von 50 µs bis 100 µs sind normal. Die meisten Reedschalter haben ein Schließzeit von 100 µs bis 500 µs, die Prellzeit bereits mit eingerechnet.

Öffnungszeit

Öffnungszeit ist die Zeit, die benötigt wird, um den Schalter zu öffnen, nachdem das magnetische Feld nicht mehr auf den Schalter einwirkt. Reduziert man die Spannung der Relaisspule unter die Abfall- oder Rückgangsspannung, öffnen die Kontaktpaddel in einer extrem kurzen Zeit von nur 20 µs bis 50 µs. Ist eine Diode parallel zur Spule geschaltet (um deren Abschaltspitzen von 100–200 V zu unterdrücken), so erhöht sich die Zeit auf ca. 300 µs. Muss der Impuls in digitalen Schaltungen unterdrückt werden, bietet sich folgende Lösung an: Parallel zur Spule wird eine 12-V/24-V-Zener-Diode in Serie mit einer normalen Diode geschaltet. Damit wird der Spannungsimpuls auf die Zenerspannung und somit in seiner negativen Wirkung begrenzt. Diese Schaltung ermöglicht außerdem Öffnungszeiten deutlich unter 100 µs.

Resonanzfrequenz

Resonanzfrequenz ist die Frequenz, bei der der Reedschalter durch externe Vibrationen ungewollt schließt. Bei dieser Eigenschwingung kann es zu ungewollten Schaltungen kommen. Außerdem stellen diese Resonanzfrequenzen eine Gefahr für die mechanische Stabilität des Reedschalters dar. Resonanzfrequenzen können die Einschmelzung derart beschädigen, dass ein Totalausfall des Schalters die Folge ist.

Kapazität

Kapazität zwischen den geöffneten Paddeln wird in Pikofarad gemessen, die Werte liegen im Bereich von 0,1 pF bis 0,3 pF. Diese sehr geringe Kapazität muss unbedingt beim Design von Halbleitertestern berücksichtigt werden, speziell wenn es sich im Halbleiterumfeld um Kapazitäten von mehreren 100 pF handelt.

Weblinks

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

• Reedschalter-Infoportal (engl.)