Reed-Relais als Alternative Hohe Zuverlässigkeit bei langer Lebensdauer

Bei Pickering Electronics dreht sich alles um Reed-Relais, die eine Alternative zu HL-, MEMS- und elektromechanischen Relais sind.
Bei Pickering Electronics dreht sich alles um Reed-Relais, die eine Alternative zu HL-, MEMS- und elektromechanischen Relais sind.

Ein Reed-Relais bietet seinem Anwender, wenn es korrekt eingesetzt wird, höchste Zuverlässigkeit bei langer Lebensdauer. Auf dem Markt befinden sich zwar alternative Lösungen in anderen Technologien auf Basis von Halbleitern, MEMS und Elektromechanik, die einfache Einsetzbarkeit und die erreichten Fortschritte bei Baugröße und Leistungsdaten sind jedoch Garanten dafür, dass Reed-Relais noch viele Jahre im Markt vor sich haben.

Erfunden wurde das Reed-Relais 1936 von den Bell Telephone Laboratories. Seit dieser Zeit hat sich dieser Relais-Typ von ursprünglich sehr großen, relativ simplen Teilen kontinuierlich weiterentwickelt zu den kleinen, hochzuverlässigen Bauelementen, die wir heute kennen. Produktionsverfahren und Qualitätsmanagement-Systeme haben sich seither enorm verbessert, und die Kosten sind drastisch gefallen. Mehr als 30 Jahre nach der Erfindung des Reed-Relais wurde im Jahre 1968 die Firma Pickering Electronics gegründet, und selbst zu dieser Zeit gab es noch Stimmen, die diesen elektromechanischen Bauteilen eine nur sehr begrenzte Lebensdauer im Markt zubilligen wollten. Die Entwicklung verlief anders, und qualitativ hochwertige Reed-Relais haben Märkte erobert, die damals unvorstellbar waren.

Die Technik des Reed-Relais

Ein Reed-Relais besteht im Wesentlichen aus zwei ferromagnetischen Metallzungen (Nickel und Eisen im Verhältnis von ca. 50:50), die von einem Glasgehäuse umschlossen sind, das nicht nur die Position der Metallzungen fixiert, sondern diese Zungen auch hermetisch einschließt und so verhindert, dass der kritische Kontaktbereich im Innern des Gehäuses kontaminiert wird.

Wird ein magnetisches Feld in Richtung der Achse der Metallzungen angelegt, wird das Feld dort wegen des ferromagnetischen Charakters der Zungen verstärkt, und die offenen Kontakte der Metallzungen bewegen sich aufeinander zu, bis die Lücke zwischen ihnen geschlossen ist und der Strom fließt. Die hermetisch dichte Hülle um die Reed-Kontakte ist mit Inertgas gefüllt. Bei Hochspannungsausführungen ist im Glasgehäuse statt der Gasfüllung ein Vakuum. Diese Gas-/Vakuumfüllung verleiht dem Reedschalter seine außergewöhnlich hohe mechanische Lebensdauer.

Erfunden wurde das Reed-Relais 1936 von den Bell Telephone Laboratories. Seit dieser Zeit hat sich dieser Relais-Typ von ursprünglich sehr großen, relativ simplen Teilen kontinuierlich weiterentwickelt zu den kleinen, hochzuverlässigen Bauelementen, die wir heute kennen. Produktionsverfahren und Qualitätsmanagement-Systeme haben sich seither enorm verbessert, und die Kosten sind drastisch gefallen. Mehr als 30 Jahre nach der Erfindung des Reed-Relais wurde im Jahre 1968 die Firma Pickering Electronics gegründet, und selbst zu dieser Zeit gab es noch Stimmen, die diesen elektromechanischen Bauteilen eine nur sehr begrenzte Lebensdauer im Markt zubilligen wollten. Die Entwicklung verlief anders, und qualitativ hochwertige Reed-Relais haben Märkte erobert, die damals unvorstellbar waren.

Die Technik des Reed-Relais

 

Ein Reed-Relais besteht im Wesentlichen aus zwei ferromagnetischen Metallzungen (Nickel und Eisen im Verhältnis von ca. 50:50), die von einem Glasgehäuse umschlossen sind, das nicht nur die Position der Metallzungen fixiert, sondern diese Zungen auch hermetisch einschließt und so verhindert, dass der kritische Kontaktbereich im Innern des Gehäuses kontaminiert wird.

Wird ein magnetisches Feld in Richtung der Achse der Metallzungen angelegt, wird das Feld dort wegen des ferromagnetischen Charakters der Zungen verstärkt, und die offenen Kontakte der Metallzungen bewegen sich aufeinander zu, bis die Lücke zwischen ihnen geschlossen ist und der Strom fließt. Die hermetisch dichte Hülle um die Reed-Kontakte ist mit Inertgas gefüllt. Bei Hochspannungsausführungen ist im Glasgehäuse statt der Gasfüllung ein Vakuum. Diese Gas-/Vakuumfüllung verleiht dem Reedschalter seine außergewöhnlich hohe mechanische Lebensdauer.

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Hohe Zuverlässigkeit bei langer Lebensdauer

Reed-Relais als Alternative

Die Kontaktbereiche der Metallzungen werden nach unterschiedlichen Verfahren mit speziellen Metallen beschichtet. Üblich sind hier Rhodium, Iridium oder Ruthenium, die sich sich durch harte, abriebfeste Oberflächen mit hervorragender Langzeitstabilität des Kontaktwiderstands auszeichnen, der typischerweise Milliarden von Schaltspielen ermöglicht. Bei sehr hohen Schaltspannungen im Bereich von 5 bis 15 kV ist Wolfram das bevozugte Material. Sein extrem hoher Schmelzpunkt und die ausgezeichnete Resistenz gegen Verschweißen durch Lichtbögen über den Kontakten sind hier die Ausschlag gebenden Eigenschaften. Die Kontaktbereiche der Reedschalter lassen sich entweder galvanisch oder durch Vakuumabscheidung (Sputtern) beschichten. Pickering verwendet für seine Relais im Bereich niederpegeliger Signale gesputterte Ruthenium-Kontakte.

Um Reedschalter zu einem Reed-Relais zu formen, muss ein Magnetfeld erzeugt werden, das in der Lage ist, die Reedschalter zu schließen. Dieses Magnetfeld wird durch einen Strom erzeugt, der durch die Betätigungsspule fließt, die den Reedschalter umgibt. Die Illustration zeigt nur wenige Drahtwindungen, in der Realität können dies hingegen hunderte, tausende oder gar zehntausende von Windungen sein.

Die meisten Reed-Relais von Pickering verwenden körperlose Spulen, die auf den herkömmlichen Spulenkörper verzichten. Das schafft mehr Raum für die Spulenwindungen – in bestimmten Fällen bis zu 50 Prozent mehr. So lassen sich die Relais kleiner ausführen oder mit geringerem Strom und höherem Spulenwiderstand betreiben. Reed-Relais sind in einer Vielzahl von Gehäuseformen wie Dual-Inline, Single-Inline, SMT und anderen verfügbar.

Häufig werden Reed-Relais mit Spritzguss-Gehäuse hergestellt, wobei relativ harte Materialien zum Einsatz kommen. Die empfindlichen Glas-Metall-Übergänge der Reedschalter werden dabei stark belastet, was mit einem erhöhten Risiko der Schädigung verbunden ist. Pickering hingegen verwendet eine weiche innere Verkapselung, die einen exzellenten Schutz für den Reedschalter darstellt. Ohne diese Maßnahme können die mechanischen Belastungen den Reedschalter leicht verformen, wodurch sich die Kontaktzone verändert und Leistungsdaten des Relais wie Widerstandsstabilität und Lebensdauer in Mitleidenschaft gezogen werden. Ein innen liegender Magnetschirm aus Mu-Metall sorgt dafür, dass die Relais von Pickering dicht angeordnet werden können, ohne dass das Magnetfeld benachbarte Relais beinflusst. Dieses Merkmal erlaubt also eine höchstmögliche Packungsdichte.

Vergleiche mit anderen Schalt-Technologien

Halbleiter-Relais: Halbleiter-Relais nutzen das Schaltverhalten speziell angesteuerter Transistoren. Sie sind in unterschiedlichsten Ausführungen auf dem Markt. Die gängigsten Typen, die mit Reed-Relais in Konkurrenz stehen, basieren auf FET-Schaltern. Ein FET-basiertes Halbleiter-Relais benutzt zwei MOSFET in Reihenschaltung mit einem isolierten Gate-Treiber, der das Relais ein- oder ausschaltet. Der Vergleich mit einem Reed-Relais zeigt einige wesentliche Unterschiede auf:

• Alle Halbleiter-Relais haben aufgrund ihrer Struktur einen gewissen Leckstrom. Daher kann der Isolationswiderstand nicht so hoch sein wie bei Reed-Relais. Überdies ist der Leckstrom nicht-linear und kann sich bei Temperaturschwankungen stark ändern. Auch der On-Widerstand des geschlossenen Schalters kann nicht-linear sein und sich mit variierendem Laststrom ändern.

• Die Kennwerte Kapazität und Pfadwiderstand stellen einen Kompromiss dar. Halbleiter-Relais mit niedrigem Pfadwiderstand haben stets einen hohen Kapazitätswert (der sich bei hochkapazitiven Schaltern im Nanofarad-Bereich bewegt), was für niedrige Bandbreite und kapazitive Last sorgt. Um die kapazitive Last zu verringern, muss die Fläche des FETs verkleinert werden, wodurch der Pfadwiderstand steigt. Die Kapazität eines Halbleiter-FET-Schalters ist beträchtlich größer als die eines Reed-Relais.

• Im Unterschied zu Reed-Relais, deren Spule prinzipbedingt vom Signalpfad isoliert ist, ist dies bei Halbleiter-Relais nicht der Fall. Hier müssen isolierte Gate-Treiber in das Relais integriert werden, was Baugröße und Kosten in die Höhe treibt.

• Halbleiter-Relais können wesentlich höhere Leistungsdaten aufweisen.

Im Allgemeinen verhalten sich Reed-Relais viel mehr wie ideale Schalter als Halbleiter-Relais, weil sie auf mechanischen Kontakten beruhen.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems): MEMS-Schalter befinden sich bezüglich ihrer allgemeinen Verwendung als Relais noch immer in der Entwicklungsphase, die seit mehr als 20 Jahren anhält. MEMS-Schalter werden auf Silizium-Substraten hergestellt, wobei durch Mikrobearbeitung mit Verfahren der Halbleiterherstellung der Schaltkontakt des Relais gefertigt wird. Dieser Kontakt kann dann durch ein magnetisches oder elektrostatisches Feld betätigt werden. So wie Reed-Relais können auch MEMS hermetisch dicht hergestellt werden, was zu konsistenten Schalt-

Eigenschaften bei kleinen Signalen führt. MEMS-Schalter verfügen jedoch über kleine Kontaktbereiche und geringe Betriebskräfte, sodass es häufig zu Problemen mit Kontaktverschweißen kommt. Das Schalten unter Last ist sehr begrenzt.

Beim aktuellen Stand der Entwicklung ist es unwahrscheinlich, dass MEMS-Relais im allgemeinen Markt mit Reed-Relais konkurrieren werden, weil sich die Entwickler stark auf wertige Nischenmärkte und militärische Anwendungen fokussieren.

Elektromechanische Relais (EMRs): Elektromechanische Relais sind in der Branche für Schaltfunktionen weit verbreitet und stellen für den Anwender häufig die kostengünstigste Relais-Lösung dar. Die Hersteller haben große Summen in die Fertigungstechnologie investiert, um diese Relais in großen Stückzahlen günstig produzieren zu können. Es gibt einige beachtenswerte Unterschiede zwischen Reed-Relais und elektromechanischen Relais, derer sich der Anwender bewusst sein sollte.

• EMRs sind so ausgelegt, dass sich beim Schließen der Kontakte eine Wischbewegung ergibt, die dazu beiträgt, dass kleine Verschweißungen aufgebrochen werden und sich die Kontakte selbst reinigen. Dadurch sind höhere Kontaktbelastbarkeiten möglich – bei gleichzeitig stärkerer Abnutzung der Kontaktbeschichtung.

• Weil EMRs größere Kontakte benutzen als Reed-Relais, können elektromechanische Relais wesentlich größere Leistungsdaten aufweisen. Reed-Relais sind in der Regel limitiert auf eine Stromtragfähigkeit von 2 bis 3 A.  Durch die größeren Kontaktbereiche können EMRs häufig Stoßströmen besser widerstehen.

• EMRs haben typischerweise einen niedrigeren Kontaktwiderstand als Reed-Relais, weil sie größere Kontakte aufweisen und Materialien verwenden können, die einen niedrigeren spezifischen Widerstand haben, als die Nickel-Eisen-Legierung der Kontakte von Reedschaltern.

• Reed-Relais schalten wesentlich schneller also EMRs – typischerweise um den Faktor 5 bis 10. Die höhere Geschwindigkeit ergibt sich aus dem leichteren und einfacheren Aufbau der bewegten Teile.

• Die Kontakte der Reed-Relais sind hermetisch versiegelt, sodass das Schaltverhalten bei kleinen Signalpegeln konsistenter ist und die Isolationswerte bei offenem Kontakt deutlich höher ausfallen. EMRs sind häufig in Kunst-

stoffgehäuse gepackt, was einen gewissen Schutz bietet. Über die Zeit sind die Kontakte jedoch externen Schadstoffen, Emissionen aus dem Kunststoffgehäuse sowie einem Sauerstoffeintrag ausgesetzt.

• Reed-Relais haben (bei kleinen Lasten) eine um den Faktor 10 bis 100 höhere mechanische Lebensdauer als EMRs, weil Reed-Relais im Vergleich mit EMRs weniger bewegte Teile aufweisen.

• Reed-Relais benötigen zum Schalten der Kontakte weniger Leistung als EMRs.

Fazit: Sowohl Reed-Relais als auch elektromechanische Relais sind sehr gute Schalter. Die Großserienverfahren bei der Herstellung von EMRs sorgen meist für geringere Produktionskosten als bei den Reed-Relais. Im Rahmen der erreichbaren Kenndaten bieten Reed-Relais eine bessere Performance und eine höhere Lebensdauer. Bei dem ständigen Streben nach fortgesetzter Miniaturisierung, besseren Materialien und Produktionsverfahren werden uns die Reed-Relais daher noch viele Jahre begleiten.

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