Reedschalter

mini|Reedschalter mini|Oben: offener KontaktUnten: mit einem Magneten geschlossener Kontakt mini|Funktionsweise mini|Betrieb der Reed-Schalter

Reedschalter (oder Reedkontakte, historisch auch Herkon) sind im Glasrohr (hermetisch) eingeschmolzene Kontaktzungen aus einer Eisen-Nickellegierung, die durch ein Magnetfeld betätigt werden.

Die Vorsilbe Reed (englisch für Rohrblatt, norddeutsch Reet) bezieht sich entweder auf die Ähnlichkeit des Glaskolbens der Schalter zu den Fruchtständen von Schilfpflanzen (Rohrkolben) oder auf die Ähnlichkeit der flexiblen Schaltzungen zu den Rohrblättern in den Mundstücken von Holzblasinstrumenten, die auch aus Schilfrohr hergestellt und im Englischen als „reed“ bezeichnet werden.

Die ehemalige Marke „Herkon“ (Markeninhaber SEL, Schutzende 1997, gelöscht 1999) steht für hermetisch abgeschlossener Kontakt.

Reedschalter sind in Reedsensoren oder Reed-Relais enthalten. Die ferromagnetischen Schaltzungen bewegen sich bei einem von außen einwirkenden magnetischen Feld zueinander. Diese Technik erlaubt es, zuverlässige, hermetisch dichte Schaltelemente mit geringer Größe für – verglichen mit konventionellen Relais und Kontakten – schnelle Schaltvorgänge herzustellen.

Die Hauptkomponenten eines Reedkontaktes sind die Schaltzungen (Paddel) aus einer Nickel-Eisen-Legierung (Ni ca. 48 %) mit der äußeren Lötoberfläche (ca. 2–6 µm Zinn oder Gold) und inneren Kontaktflächen aus Edelmetall. Ein Glasröhrchen fixiert und schützt sie und enthält die Schutzgasfüllung (Stickstoff/Wasserstoff oder Argon) oder ein Vakuum bei Schaltern für höhere Spannungen.

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.

Ab den 1960er Jahren wurden Reedkontakte in der DDR als GEKO (von geschützter Kontakt) bezeichnet.Friedrich – Tabellenbücher Elektrotechnik. VEB Fachbuchverlag Leipzig, 20. Aufl., 1985, S. 255 Kontakte und Relais wurden vom VEB Statex Ilmenau hergestellt.Erzeugnisprospekt VEB STATEX Ilmenau 1966

Die weltweite Fertigung an Reedschaltern beträgt ca. 1 Milliarde Stück. Einsatzgebiet ist das gesamte Spektrum der Elektrotechnik und Elektronik, u. a.: Automobile, Alarmanlagen, Test- und Messgeräte, Hausgeräte, Medizintechnik, Türschalter, Sensoren.

Merkmale Aufgrund der verwendeten Materialien und hermetisch geschlossenen Bauweise lassen sich Reedschalter in fast allen Umweltbedingungen einsetzen. Dennoch sind einige Punkte zu beachten, die die Zuverlässigkeit beeinflussen. Die für die Dichtheit verantwortliche Glasdurchführung der Anschlussdrähte ist bruchempfindlich bei Biegebelastung und aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten thermoschockempfindlich beim Löten nahe dem Glas. Das Auftragen des Kontaktmaterials (Rhodium oder Ruthenium) erfolgt durch Sputtern oder galvanisch und erfordert hohe Reinheit. Fremde Partikel, auch bereits in kleinster Konzentration, sind die Quelle für Unzuverlässigkeit. Solche Edelmetallkontakte sind nicht für hohe Schaltleistungen geeignet.

Im Laufe der Zeit konnte die Länge von ursprünglich 50 mm auf 5 mm verringert werden. Dadurch konnten neben der Miniaturisierung besonders in der Hochfrequenztechnik und durch höhere Schaltgeschwindigkeiten neue Anwendungen erschlossen werden. Im Folgenden sind einige Kennwerte aufgeführt, die mit Reedkontakten erreichbar sind:

Schalten bis 10 kV Schaltströme bis 5 A Schalten von Spannungen bis herab zu 10 nV und von Strömen bis herab zu 1 fA Einsatz bis 7 GHz Isolationswiderstand über den geöffneten Kontakt bis 1015 Ω Kontaktwiderstand im geschlossenen Zustand typ. 50 mΩ Öffner, Schließer und bistabile Schaltfunktion möglich Schließzeit ca. 100 bis 300 µs Einsatztemperatur zwischen −55 °C und +200 °C Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, Vakuum, Öl, Fett und vielen aggressiven Substanzen Schockresistenz bis 200 g Einsetzbar bei Vibrationen von 50 Hz bis 2 kHz bei 30 g Lange Lebensdauer: bei Schaltspannungen unter 5 V (Lichtbogen-Grenze) sind Schaltspiele weit über 109 hinaus erreichbar

Aufbau und Funktion mini|hochkant=1.5|Aufbau eines Schalters Ein Reedschalter besteht aus zwei ferromagnetischen Schaltzungen (normalerweise Nickel/Eisenlegierung), die hermetisch dicht verschlossen in ein Glasröhrchen eingeschmolzen sind. Bei Wechslern oder Öffnern ist das Ende einer der Schaltzungen unmagnetisch. Die Schaltzungen überlappen sich und haben einen geringen Abstand von einigen Mikrometern bis ca. 1 mm zueinander. Wirkt ein axiales 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, aber auch Wolfram und Iridium. Aufgetragen werden diese entweder galvanisch oder durch Sputtern. Die Kontaktflächen sind für die sehr lange Lebensdauer und die gute Kontaktgabe eines Reedschalters wichtig. Vor dem Einschmelzen wird die vorhandene Luft durch Stickstoff oder eine Inert-Gasmischung mit hohem Stickstoffanteil ersetzt. Für erhöhte Schaltspannungen (kV-Bereich) werden Reedkontakte evakuiert.

Ist das durch Permanentmagnete oder Spulen erzeugte Magnetfeld stärker als die Federwirkung der Paddel, schließen die beiden Kontakte. Das zum Öffnen zu unterschreitende Feld ist wesentlich kleiner. x50px|mini|Form A: Schließer (Normally Open) x50px|mini|Form C: Wechsler bzw. Umschalter Der beschriebene Ablauf gilt für den 1Form A-Schalter (kurz NO für normally open), Schließer oder Einschalter (kurz SPST für single pole single throw). Es gibt auch Mehrfachschalter wie 2Form A (2 Schließer), 3Form A etc.

Ist der Schalter in Ruhestellung geschlossen, spricht man von 1Form B-Funktion, auch bekannt als Öffner (kurz NC für normally closed). Das kann nur mit einem passiven ferromagnetischen Paddel erreicht werden. Die Zunge liegt ohne Feld an einem unmagnetischen Kontakt an.

Zum Umschalten dient der 1Form C-Schalter, auch bekannt als Wechsler (kurz SPDT für single pole double throw). In Ruhestellung und ohne anliegendes Magnetfeld ist der Ruhekontakt mit der Zunge verbunden. Mit Magnetfeld 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 unmagnetischen Plättchen versehen. Dadurch ist der Weg der Feldlinien zum Ruhekontakt länger als zum Arbeitskontakt und die Zunge wandert durch das Feld zum (magnetisch näher gelegenen) Arbeitskontakt. Das ist technologisch nötig, um für alle Glasdurchführungen das gleiche, thermisch angepasste Material (Nickel-Eisen) verwenden zu können.

Form und Stärke des Betätigungs-Magnetfeldes Werden Reedschalter als Lagesensoren (Türkontakt, Füllstand, Endschalter) verwendet, benutzt man für die Betätigung Dauermagnete. Um exaktes Schalten zu gewährleisten, muss das Feld axial, also in Richtung der Schaltzungen, ausgerichtet sein. mini|Funktion eines Reedschalters unter dem Einfluss eines Permanentmagneten mini|Schließen eines Reedschalters durch das Magnetfeld einer Spule

Ist das Feld exakt quer zu den Schaltzungen, öffnet der Kontakt. Das wird zum Beispiel zum Einhalten exakter Schaltpositionen bei Referenzfahrten von Positionierantrieben ausgenutzt: der Kontakt schließt bei Annäherung zunächst, öffnet jedoch, wenn Zungen und Magnet in T-Form zueinander stehen.

Reedkontakte können auch mit bistabiler Funktion („latching“) gefertigt werden. Bei diesen besteht die Möglichkeit, mit einem Magneten oder einer Spule den Schaltzustand zu ändern. Der Sensor verharrt in der vorherigen Position bis zum Umpolen des äußeren Magnetfeldes. Das wird durch eine Vormagnetisierung erreicht, die gerade zum Halten der Kontakte ausreicht, nicht jedoch zum Anziehen. Hebt das äußere Feld die Vormagnetisierung auf, fällt der Kontakt ab. Addieren sich beide Felder, zieht er an.

Reedschalter können zum Beispiel durch folgende Aktionen betätigt werden: Magnet bewegt sich zum Reedschalter hin oder von ihm weg Reedschalter oder Magnet in rotierender Bewegung Ringmagnet wird über den Reedschalter geschoben das Magnetfeld wird durch ein Eisenblech unterbrochen beziehungsweise abgeschirmt

Mit Reedkontakten können Stromsensoren hergestellt werden, indem man sie mit wenigen Windungen dicken Drahtes umgibt. Beispiele sind die Überwachung der Funktion einer Warnlampe oder des Bremslichtes. Kennzeichnend für solche Sensoren und generell für Reedkontakt-Anwendungen ist die ausgeprägte Hysterese-Charakteristik, das heißt in diesem Fall, der Anzugstrom ist wesentlich größer als der Halte- und Abfallstrom.

Störeinflüsse

Ferromagnetische Materialien können das zum Schalten notwendige Magnetfeld stören. Es wird daher empfohlen, zur Montage nicht-magnetische Materialien wie austenitischen Stahl oder Messing zu verwenden. Von magnetisierbaren Bauteilen (etwa aus Eisenwerkstoffen) sollte ein Abstand von zumindest einigen Millimetern eingehalten werden.Empfehlungen zur Montage von Herstellern von Fensterkontaktschaltern wie zum Beispiel dem Honeywell Blockreedkontakt 030002.17 oder Flachreedkontakt 030001.17

Anwendungsbeispiele

Eine im Alltag häufige und gut sichtbare Anwendung ist als Tachometersensor an der Vorderradgabel eines Fahrrades, ausgelöst von einem knapp daran vorbeilaufendem Speichenmagnet. Lässt man in leiser Umgebung das angehobene Vorderrad drehen, kann man mit nahem Ohr den Klick hören, der entsteht, wenn die Kontakte schließen. E-Bikes haben häufig je einen Reedsensor beim Kettenblatt der Kurbel mit mehreren Magneten und beim Hinterrad.Der drahtlose Fahrradtacho b-kainka.de, abgerufen am 12. Februar 2023

Reedschalter, Reedsensoren und Reedrelais werden für viele unterschiedliche Branchen produziert, wie z. B. für Maschinenbau, Automatisierungstechnik, Sicherheitstechnik, Automobilindustrie, Luftfahrt, Landwirtschaft, Test- & Messtechnik, Medizin, Telekommunikation, Haushaltsgeräte und Marine.

Reedschalter, kombiniert mit einem Permanentmagneten an einem Schwimmer, werden als Füllstandssensor (Schwimmerschalter) eingesetzt. Näherungsschalter dienen der Überwachung von Türen, Klappen und Verschlüssen sowie zur Positionsbestimmung. Bewegungs- und Beschleunigungssensoren sind weitere mögliche Anwendungen der Kombination mit Dauermagneten.

In der Marine werden sie für die Ankerposition, das Steuern der Bilgenpumpe, den Kraftstoff-Füllstand, die Ruder-Endposition, Stromüberwachungen, die Toilettenkontrolle oder den Ölstand eingesetzt.

Medizin: In implantierbaren und anderen Geräten ist es oft wichtig, dass Schalter verwendet werden, die hinter Oberflächen verborgen sind. 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.

Für viele Anwendungen hat das hochohmige Schalten von Signalen Bedeutung, zum Beispiel in Datenerfassungssystemen, Oszilloskopen, Leiterplattentestgeräten oder Halbleitertestern.

Sicherheitstechnik: Fenster und Türen, bei denen der Öffnungszustand zur Kontrolle elektronisch überwacht werden soll, z. B. bei Zugangskontrollen, Alarmanlagen u. dgl. Andere Beispiele sind Feuerlöscher, Sicherheitsgurte u. v. m.

Weitere Anwendungen sind koaxiale Hochfrequenzrelais, Stromsensoren und verborgene, nur mit Magnet zu betätigende Kontakte.

Parameter für Reed-Bauelemente

Anzugs- und Abschaltempfindlichkeit