Was ein Relais zu einer Schaltung beiträgt
Ein Relais lässt eine elektrische Domäne eine andere steuern: Ein kleiner Strom schaltet einen größeren, eine Niederspannungs-Logikleitung steuert eine Hochspannungsschiene, und ein Gleichstromsignal kann einen Wechselstromkreis schließen. Der Teil, der Entwicklungsingenieure meist am meisten interessiert, ist die galvanische Barriere zwischen Steuer- und Schaltseite – ohne sie kann sich ein Fehler auf der Lastseite direkt in die Steuerelektronik ausbreiten. Diese Kombination aus Pegelumsetzung und Isolation ist der Grund, warum Relais in automatischer Steuerung, Fernschaltung, Schutz, Instrumentierung und industrieller Automatisierung vorkommen, statt in einer einzigen Nische.
Wo herkömmliche elektromechanische Relais an ihre Grenzen stoßen
Ein klassisches elektromagnetisches Relais zieht mit einer Spule einen Anker gegen einen Kern. Das Prinzip ist nachsichtig und die Bauteile sind robust, aber die Mechanik setzt eine Untergrenze für Größe und Geschwindigkeit, und eine Dreh- und Kontaktbaugruppe, die sich bei jedem Zyklus bewegt, verschleißt. Als die Platinen schrumpften und die Kanalzahlen stiegen, wurde diese Untergrenze immer schwerer hinzunehmen. Das Reed-Relais war eine Antwort auf genau diese Einschränkungen und keine universelle Verbesserung – für das Schalten hoher Ströme am Netz ist ein EMR oder ein Schütz weiterhin die übliche Wahl.
Die Reed-Kapsel, bei der Herstellung versiegelt
Der Reed-Schalter stammt aus den Bell Laboratories der 1940er Jahre. Zwei ferromagnetische Zungen (die Reeds) sind in einer kontrollierten Atmosphäre in einer Glaskapsel versiegelt und schließen sich, wenn ein externes Feld – von einer Spule oder einem Magneten – sie zusammenzieht. Nackt verwendet, arbeitet er als Näherungssensor; mit einer Spule umwickelt, wird er zum Relais. Die Versiegelung ist das entscheidende Merkmal: Die Kontakte sehen nie Umgebungsluft, Feuchtigkeit oder Flussmitteldämpfe, sodass keine Kontaktoxidation auftritt und kein Mechanismus offen für Verunreinigungen ist. Gegenüber Halbleiterschaltern verläuft der Kompromiss umgekehrt – ein versiegelter mechanischer Kontakt toleriert Stoß- und Einschaltströme, die einen Halbleiter belasten würden, auf Kosten beweglicher Teile.
Isolation und Leckstrom am unteren Ende der Skala
Der Isolationswiderstand erreicht bei einem versiegelten Reed-Kontakt 1015 Ω, was die Leckage in die Größenordnung von 10-15 A. Dieser Wert ist dort am wichtigsten, wo ein geschalteter Knoten neben einem menschlichen Körper sitzt: intrakardiale Leitungen, Herzschrittmacher-Pfade und mit dem Patienten verbundene Sonden, wo ein Leckstrom, gemessen in einzelnen Mikroampere, bereits ausreicht, um Herzgewebe zu stören. Er ist auch am anderen Ende der Bank wichtig, in Elektrometer- und Ionisationsschaltungen, wo das Signal selbst nur wenige Femtoampere beträgt.
Signale, die ein luftausgesetzter Kontakt nicht halten kann
Da die Kontakte in inerter, trockener Atmosphäre schließen, schaltet ein Reed-Relais Signale bis hinunter zu Femtoampere (10-15 A) Ströme und Nanovolt (10-9 V)-Pegeln ohne den Kontaktfilm und die Oxidation, die ein Open-Frame-EMR beeinträchtigen. Die Lebensdauer folgt aus derselben Konstruktion. Ein Relais mit Schwenkanker ist typischerweise bei etwa einer Million Schaltvorgängen abgenutzt, wenn sein Scharnier und seine Kontakte degradieren; ein Reed-Kontakt hat kein Scharnier und keine Gleitfläche, und unter Signalpegel-Lasten ist er auf eine Milliarde Schaltvorgänge ausgelegt. Der Vorbehalt ist, dass “Signalpegel” in diesem Satz die Arbeit leistet — die Nennlebensdauer sinkt, wenn Schaltstrom und Lichtbogenbildung steigen, sodass die Milliarden-Schaltvorgänge-Zahl nicht über eine Leistungsschalt-Aufgabe hinweg gelesen werden sollte.
Spezifikationsbereich der SHR AUTOSENSOR Relaislösungen
- Mechanische Lebensdauer gegen 109 Schaltspiele bei Signalpegel
- Bis zu 5 Pole in mehrpoligen Bauformen
- Kontaktformen: A (NO), B (NC), C (SPDT, Unterbrechung vor Schließung), D (SPDT, Schließung vor Unterbrechung) und E (bistabil/verriegelnd)
- Kontaktwiderstand bis hinunter zu etwa 50 mΩ
- Isolationswiderstand bis zu 1015 Ω
- Schalten bis zu 10.000 V, mit Hochstrom-Trageversionen
- Signale bis hinunter zu 10 nV und in den Femtoampere-Bereich
- Signalbandbreite bis zu 6 GHz
- Ansprechzeit im Bereich von 100–300 µs
- Betriebstemperatur -55 °C bis +100 °C
- Versiegelter Betrieb in Luft, Wasser, Vakuum, Öl, Kraftstoff und staubigen Umgebungen
- Schock bis 200 G; Vibration bis 30 G über 50–200 Hz
- Kleine Bauform mit Standard-Pinbelegung
- Wahl von Gehäuse, Kapsel, Spulenwiderstand und optionalem Magnetschirm
Wo diese Bauteile tatsächlich spezifiziert werden
In der Praxis landen die Bauteile in zwei großen Gruppen von Designs. Die eine braucht einen dichten, schnellen, langlebigen Signalschalter: In-Circuit- und Halbleiterprüfungen, multiplexierte Datenerfassung, Telekommunikation und Instrumentierung. Die andere braucht einen kleinen isolierten Kontakt, der Hochspannung hält oder ein feindliches Medium übersteht: HV-Netzteile, medizinische Geräte und sicherheitsrelevante Automobilschaltungen. Die gemeinsame Anforderung ist ein Schalter mit der Isolation eines mechanischen Bauteils und annähernd Halbleiter-Geschwindigkeit, -Größe und -Lebensdauer – der Punkt, an dem Designer eher zu einem Reed-Relais als zu einem EMR oder einem Halbleiterschalter greifen.
Über SHR AUTOSENSOR
SHR AUTOSENSOR TECH LIMITED (SHR AUTOSENSOR) fertigt Hochspannungs-Reed-Relais, quecksilberbenetzte Relais und Hochspannungs-DC-Schütze. Kontakt: [email protected] | +86 13761571029 | www.reed-relay.com