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Der 'Reed-SchalterVorlage:Efn-lr ist ein elektromechanischer Schalter, der durch ein angelegtes Magnetfeld betätigt wird. Es wurde 1922 von Professor Valentin Kovalenkov an der Petrograder Elektrotechnischen Universität [1] erfunden und später 1936 in den Bell Telephone Laboratories von Walter B. Ellwood zum Reed-Relais weiterentwickelt. In seiner einfachsten und gebräuchlichsten Form besteht es aus einem Paar ferromagnetischer flexibler Metall-Kontakte in einer hermetisch versiegelten Glas-Hülle. Die Kontakte sind normalerweise normalerweise offen und schließen, wenn ein Magnetfeld vorhanden ist, oder sie können normalerweise geschlossen und geöffnet sein, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Der Schalter kann durch eine elektromagnetische Spule betätigt werden, wodurch ein Reed-Relais entsteht,[2] oder indem ein permanenter Magnet in die Nähe gebracht wird. Wenn das Magnetfeld entfernt wird, kehren die Kontakte im Reed-Schalter in ihre ursprüngliche Position zurück. Das „Reed“ ist das Metallteil im Inneren des Reed-Schaltergehäuses, das relativ dünn und breit ist, um es flexibel zu machen. Es ähnelt ein wenig einem Teil einiger Schilfpflanzen. Der Begriff „Reed“ kann sowohl die äußere Drahtleitung als auch den inneren Teil umfassen.Vorlage:Efn-lr
Ein häufiges Beispiel für eine Reed-Schalter-Anwendung ist die Erkennung des Öffnens einer Tür oder eines Fensters für einen Sicherheitsalarm.[3]
Beschreibung
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Abb. 1 – Gerät im Ruhezustand dargestellt
Abb. 2 – Gerät in Betriebsstellung dargestellt
Abb. 3 – Querschnitt
1 – Glashülle
2 – Anschluss
3 – elastisches magnetisches Element
4 – nichtmagnetisches Element
5 – leitend Element
6 – magnetisches Element
7 – isolierendes Teil
Der gebräuchlichste Typ von Reedschaltern enthält ein Paar magnetisierbarer, flexibler Metallzungen, deren Endabschnitte durch einen kleinen Spalt getrennt sind, wenn der Schalter geöffnet ist . Die Rohrblätter sind hermetisch in einer röhrenförmigen Glashülle eingeschlossen. Eine andere Art von Reed-Schaltern enthält ein flexibles Reed, das sich zwischen einem festen Schließerkontakt und einem festen Öffnerkontakt bewegt. Der normalerweise geschlossene Kontakt ist nicht ferromagnetisch und wird durch die Federkraft des flexiblen Reeds geschlossen. Obwohl Reed-Schalter mit mehreren Polen möglich sind, wird für mehrpolige Anwendungen häufiger eine Baugruppe aus einpoligen Reed-Schaltern verwendet.
Ein Magnetfeld von einem Elektromagneten oder einem Permanentmagneten bewirkt, dass sich die Blätter gegenseitig anziehen und so ein [[elektrisches Netzwerk|Stromkreis]“ geschlossen wird. Die Federkraft der Zungen bewirkt, dass sie sich trennen und den Stromkreis öffnen, wenn das Magnetfeld aufhört. Eine andere Konfiguration enthält einen nicht ferromagnetischen Öffnerkontakt, der sich öffnet, wenn der ferromagnetische Schließerkontakt schließt. Auf den Kontaktbereich des Reed-Schalters wird eine dünne Schicht aus nichtferromagnetischem Material aufgetragen, die als elektrischer Kontakt Schaltfläche (Verschleißfläche) und bei Schließerkontakten als magnetischer Abstandshalter dient, dessen Dicke wichtig ist bei der Steuerung des Magnetfeldniveaus, bei dem der Kontakt öffnet (der Abfall). Reed-Schalterkontakte bestehen typischerweise aus Rhodium, Ruthenium, Iridium oder Wolfram. Es gibt auch Versionen von Reed-Schaltern mit Quecksilber-benetzten Kontakten. Solche Schalter müssen in einer bestimmten Ausrichtung montiert werden, damit keine Quecksilbertropfen die Kontakte überbrücken, auch wenn sie nicht aktiviert sind.
Da die Kontakte des Reed-Schalters gegenüber der Atmosphäre abgedichtet sind, sind sie vor atmosphärischer Korrosion geschützt. Die hermetische Abdichtung eines Reed-Schalters macht ihn für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet, in denen winzige Funken herkömmlicher Schalter eine Gefahr darstellen würden.
Eine wichtige Eigenschaft des Schalters ist seine Empfindlichkeit, also die Menge an Magnetfeld, die zu seiner Betätigung erforderlich ist. Die Empfindlichkeit wird in Einheiten von Amperewindungens (AT) gemessen, was dem Strom in einer Testspule multipliziert mit der Anzahl der Windungen in der Testspule entspricht. Typische Einzugsempfindlichkeiten für kommerzielle Geräte liegen im Bereich von 10 bis 60 AT. Je niedriger der AT, desto empfindlicher ist der Reed-Schalter. Kleinere Reed-Schalter, die aus kleineren Teilen bestehen, reagieren im Allgemeinen empfindlicher auf Magnetfelder.
Bei der Herstellung wird ein Metallrohr in jedes Ende eines Glasrohrs eingeführt und die Enden des Rohrs werden erhitzt, so dass sie einen Schaftabschnitt des Rohrs abdichten. Häufig wird grün gefärbtes Infrarot-absorbierendes Glas verwendet, sodass eine Infrarot-Wärmequelle die Wärme in der kleinen Dichtungszone des Glasrohrs konzentrieren kann. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Glasmaterials und der Metallteile muss ähnlich sein, um ein Brechen der Glas-Metall-Dichtung zu verhindern. Das verwendete Glas muss einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen und darf keine flüchtigen Bestandteile wie Bleioxid und Fluoride enthalten, die kontaminieren können die Kontakte während des Versiegelungsvorgangs. Die Leitungen des Schalters müssen sorgfältig gehandhabt werden, um ein Zerbrechen der Glashülle zu verhindern. Bei mechanischer Beanspruchung des Reedschalters kann der Glaskolben beschädigt werden.
Die meisten Reedschalter sind mit Stickstoff bei atmosphärischem Druck gefüllt. Nach der endgültigen Abdichtung kühlt der Schalter ab und der Innendruck beträgt weniger als eine Atmosphäre. Mit einer unter Druck stehenden Stickstoffatmosphäre abgedichtete Reed-Schalter haben eine höhere Durchbruchspannung und eignen sich zum Schalten von 220–240 VAC Strom. Reed-Schalter mit einem Vakuum im Inneren der Glashülle können Tausende von Volt schalten.
Reed-Schalter können verwendet werden, um eine Vielzahl von Lasten von Nanovolt bis Kilovolt, Femtoampere bis Ampere und Gleichstrom bis Hochfrequenz direkt zu schalten. Andere magnetisch aktivierte Schaltgeräte haben einen begrenzten Bereich an Ausgangsspannungen und -strömen und steuern im Allgemeinen kein Endgerät wie eine Lampe, ein Magnetventil oder einen Motor direkt.
Reed-Schalter weisen im Vergleich zu Halbleiterbauelementen geringe Leckströme auf; Dies kann beispielsweise bei medizinischen Geräten nützlich sein, bei denen der Schutz eines Patienten vor winzigen Leckströmen erforderlich ist. Das Reed ist hermetisch abgedichtet und kann daher in fast jeder Umgebung eingesetzt werden, beispielsweise dort, wo brennbares Gas vorhanden ist oder wo Korrosion offene Schaltkontakte beeinträchtigen würde. Ein Reed-Schalter hat im geschlossenen Zustand einen sehr geringen Widerstand, typischerweise nur 50 Milliohm, während Hall-Effekt-Geräte im Bereich von Hunderten von Ohm liegen können. Ein Reed-Schalter benötigt nur zwei Drähte, während die meisten Halbleitergeräte drei Drähte benötigen. Man kann sagen, dass ein Reed-Schalter zum Betrieb keinen Strom benötigt.
Verwendung
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Reed-Relais
BearbeitenEin oder mehrere Reed-Schalter in einer elektromagnetischen Spule bilden ein Reed-Relais. Reed-Relais werden bei relativ niedrigen Betriebsströmen eingesetzt und bieten eine hohe Betriebsgeschwindigkeit, gute Leistung bei sehr kleinen Strömen, die von herkömmlichen Kontakten nicht zuverlässig geschaltet werden können, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer. In den 1970er und 1980er Jahren wurden Millionen von Reed-Relais in Telefonzentralen eingesetzt. Insbesondere wurden sie zur Vermittlung in der britischen Telefonvermittlungsfamilie TXE verwendet. Die inerte Atmosphäre um die Reed-Kontakte sorgt dafür, dass Oxidation den Kontaktwiderstand nicht beeinträchtigt. Manchmal werden mit Quecksilber benetzte Reed-Relais verwendet, insbesondere in Hochgeschwindigkeits-Zählschaltungen.
Magnetische Sensoren
BearbeitenDurch Magnete betätigte Reed-Schalter werden in mechanischen Systemen häufig als Näherungssensoren verwendet. Beispiele sind Tür- und Fenstersensoren in Einbruchmeldeanlagen-Systemen und Manipulationssicherung-Methoden. In Laptops werden Reed-Schalter verwendet, um den Laptop in den Schlaf-/Ruhezustand zu versetzen, wenn der Deckel geschlossen wird. Geschwindigkeitssensoren an Fahrrad-Rädern verwenden häufig einen Reed-Schalter, der jedes Mal kurz aktiviert wird, wenn ein Magnet am Rad den Sensor passiert. Reed-Schalter wurden früher in Tastaturen für Computerterminals verwendet, wobei jede Taste über einen Magneten und einen Reed-Schalter verfügte, der durch Drücken der Taste aktiviert wurde. Elektrische und elektronische Pedaltastaturen, die von Pfeifenorgel- und Hammondorgelspielern verwendet werden, verwenden häufig Reedschalter, bei denen die Glasummantelung der Kontakte sie vor Schmutz, Staub und anderen Partikeln schützt. Sie können auch zur Steuerung von Tauchausrüstung wie Taschenlampen oder Kameras verwendet werden, die abgedichtet sein müssen, um das Eindringen von Wasser unter hohem Druck zu verhindern.
Früher verwendeten bürstenlose Gleichstrommotoren Reed-Schalter, um die Position des Rotors relativ zu den Feldpolen zu erfassen.[5] Dadurch konnten Schalttransistoren als Kommutator fungieren, jedoch ohne Kontaktprobleme , Verschleiß und elektrisches Rauschen eines herkömmlichen Gleichstromkommutators. Das Motordesign könnte auch „umgekehrt“ sein, indem Permanentmagnete auf dem Rotor angebracht werden und das Feld durch die externen, festen Spulen geschaltet wird. Dadurch war kein Reibkontakt mehr erforderlich, um den Rotor mit Strom zu versorgen. Solche Motoren wurden in Geräten mit geringer Leistung und langer Lebensdauer verwendet, beispielsweise in Computerlüftern und Festplattenlaufwerken. Als billige Hall-Effekt Hall-Effekt-Sensoren verfügbar wurden, ersetzten sie die Reed-Schalter und sorgten für eine noch längere Lebensdauer.
Reed-Schalter werden in mindestens einer Marke von endoskopischen Kapseln verwendet, um die Stromquelle nur dann einzuschalten, wenn das Gerät aus der sterilen Verpackung entnommen wird.
Reed-Schalter können für eine bestimmte Sensoranwendung ausgewählt werden, wenn ein Halbleitergerät Anforderungen wie Stromverbrauch oder elektrische Schnittstellenkompatibilität nicht erfüllt.
Lebensdauer
BearbeitenDie mechanische Bewegung der Stimmzungen liegt unterhalb der Ermüdungsgrenze der Materialien, sodass die Stimmzungen nicht aufgrund von Ermüdung brechen. Verschleiß und Lebensdauer hängen fast vollständig von der Auswirkung der elektrischen Last auf die Kontakte sowie von den Eigenschaften des jeweils verwendeten Reed-Schalters ab. Kontaktflächenverschleiß tritt nur auf, wenn sich die Schaltkontakte öffnen oder schließen. Aus diesem Grund bewerten Hersteller die Lebensdauer anhand der Anzahl der Betätigungen und nicht anhand von Stunden oder Jahren. Im Allgemeinen führen höhere Spannungen und höhere Ströme zu einem schnelleren Verschleiß und einer kürzeren Lebensdauer. Abhängig von der elektrischen Belastung kann die Lebensdauer im Bereich von Tausenden oder Milliarden von Betätigungen liegen.
Siehe auch
BearbeitenNotizen
BearbeitenHistorisch gesehen wurde „Herkon-Schalter“ gelegentlich als Synonym für „Reed-Schalter“ oder „Reed-Kontakt“ verwendet. „Herkon“ war eine Marke von SEL/ITT und stand für „hermetisch versiegelt Kontakt“.Referenzfehler: Es fehlt ein schließendes </ref>.
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Weiterführende Literatur
Bearbeiten- Entwicklung von Reed-Schaltern und -Relais. In: Bell System Technical Zeitschrift. 34. Jahrgang, Nr. 2, 2. März 1955, ISSN 0005-8580, S. 309–332, doi:10.1002/j.1538-7305.1955.tb01474.x.
External links
Bearbeiten- Glossary of Commonly Used Terms Relating to Reed Switch Products
- FAQ about Reed Switches
- Reed Switch Cross Reference
[[Category:Switches]] [[Category:Electromagnetic components]] [[Category:Soviet inventions]]
- ↑ Referenzfehler: Ungültiges
<ref>-Tag; kein Text angegeben für Einzelnachweis mit dem Namen IEEE_Reed_relay_history. - ↑ a b Dictionary of Electronics. Radio Shack, Fort Worth, Texas, USA 1975, reed relay ( [1974]).
- ↑ Charles Platt: Enzyklopädie elektronischer Komponenten. Sebastopol, CA, ISBN 978-1-4493-3389-8, S. 17 (https:// worldcat.org/oclc/855977865).
- ↑ a b Vorlage:US patent
- ↑ a b Collins Technical Dictionary. 1968, Brushless DC Motor: „A type of direct current motor where the commutator is replaced by an alternative switching system. This usually employs magnetic based sensors such reed switches“
- ↑ Herkon-Relais 80, eine Relaisreihe mit hermetisch abgeschlossenen Kontakten für gedruckte Schaltungen. (deutsch: Herkon Relay 80, a series of relays with hermetically sealed contacts for printed circuits). In: SEL-Nachrichten. 7. Jahrgang, Nr. 1. Standard Elektrik Lorenz, 1959, S. 6–8.
- ↑ Karl W. Steinbuch (Hrsg.): Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung. 1. Auflage. Springer-Verlag OHG, Karlsruhe, Germany 1962, 2.4.4 Magnetisch-elektrische Wandler / 3.1.1. Das Relais als Verknüpfer binärer Informationen, S. 307, 431, 435–436.
- ↑ Quasi-Electronic Telephone Switching System HE-60. In: Electrical Communication. 39. Jahrgang, Nr. 2. International Telephone and Telegraph Corporation (ITT), Standard Elektrik Lorenz AG, Stuttgart, Germany 1964, S. 171, 244–259 [245–246, 251, 254–257] (worldradiohistory.com [PDF; abgerufen am 21. Juni 2020]).
- ↑ Actual Problems Of Telephone Switching - Quasi-Electronic Solutions For Switching Systems. In: The Telecommunication Journal of Australia. 14. Jahrgang, Nr. 5/6. Telecommunication Society of Austria, Oktober 1964, S. 342–355 [350, 355] (coxhill.com [PDF; abgerufen am 21. Juni 2020]): „The dry reed switch manufactured by SEL is sold under the registered name "Herkon" (hermetically sealed contact).“
- ↑ Karl W. Steinbuch, Siegfried W. Wagner (Hrsg.): Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung. 2. Auflage. Springer-Verlag OHG, Berlin, Germany 1967, Title No. 1036, S. 379, 1477 ( [1962]).