Designoptimierung mit Reed-Relais Hot Switching versus Cold Switching

Graham Dale, Pickering Electronics

»Beim Cold Switching wirkt Strom oder Spannung erst auf den Schalter ein, nachdem das Relais geschaltet wurde und das Kontaktprellen abgeschlossen ist.«
Graham Dale, Pickering Electronics »Beim Cold Switching wirkt Strom oder Spannung erst auf den Schalter ein, nachdem das Relais geschaltet wurde und das Kontaktprellen abgeschlossen ist.«

Wie Entwickler die Zuverlässigkeit ihres Designs maximieren können, wird anhand von Hot-Switching und Cold-Switching bei Reed-Relais im Detail erläutert.

Reed-Relais können generell einen höheren Strom tragen, als die Spezifikation für das Hot Switching zulässt. Normalerweise erfolgen die Schäden am Kontakt während des Hot Switchings durch den Lichtbogen, der beim Öffnen oder Schließen des Kontakts auftritt. Eine massive Stromüberlast bringt die Kontaktzone sehr schnell zum Schmelzen, sodass die beiden Oberflächen heftig miteinander verschweißen. Weniger starke Einschaltstromstöße verursachen eine sanftere Verschweißung oder bauen im Lauf der Zeit einen „Zacken“ auf einem Kontakt auf und bilden einen „Krater“ am anderen Kontakt – je nach gegebener Stromrichtung. Diese können sich schließlich miteinander verriegeln. Lichtbögen können auftreten, wenn sich die Kontakte öffnen, besonders wenn die Last induktiv ist. Die Gegenspannung induktiver Lasten (Back EMF) sollte auf jeden Fall begrenzt werden, bei DC-Lasten typischerweise durch eine einfache Diode und bei AC-Lasten durch Snubber-Kondensatoren oder Varistoren.

Eine Möglichkeit, diese Probleme zu verringern oder zu eliminieren, ist das stromlose Schalten (Cold Switching). Dies ist ein gängiges Applikationsverfahren, bei dem Strom oder Spannung erst auf den Schalter einwirkt, nachdem das Relais geschaltet wurde und das Kontaktprellen abgeschlossen ist. In gleicher Weise werden Strom und Spannung abgeschaltet, bevor sich der Kontakt öffnet. Auf diese Art gibt es keinen Funkenüberschlag und keine Einschaltstromstöße, sodass die Lebensdauer des Relais maximiert wird – oft werden mehrere Milliarden Schaltspiele erreicht.

Bei der Berechnung der Verzögerungszeit zwischen der Erregung der Relaisspule und dem Aufschalten des Stroms auf den Schalter ist es wichtig, die Auswirkungen hoher Umgebungstemperaturen zu berücksichtigen, falls diese im Betrieb auftreten können. Die im Datenblatt angegebene maximale Einschalt- und Prellzeit wird für eine Umgebungstemperatur von +25 °C angegeben. Bei den höheren Temperaturen erhöht sich der Spulenwiderstand mit einer Rate von 0,4 % pro °C entsprechend dem Temperaturkoeffizienten des Widerstands der Kupferspule. Entsprechend sinkt bei steigenden Temperaturen der Strom durch die Spule und somit auch die magnetische Feldstärke, die die Reed-Schaltzungen antreiben. Dieser niedrigere Antriebslevel erhöht die Anzugszeit geringfügig.

Die Zeitangaben in den Datenblättern von Pickering Electronics sind normalerweise sehr konservativ angegeben, sodass es unwahrscheinlich ist, dass es im Rahmen der normal zulässigen Umgebungstemperatur von +85 °C zu Problemen kommt. Falls jedoch eine zusätzliche Eigenerwärmung des Relais durch hohen Kontaktstrom durch den Schalterwiderstand R (P = I²R) auftritt, ist es erforderlich, diesen Effekt zu berücksichtigen und etwas mehr Einschaltzeit für den Strom durch den Schalter zu kalkulieren.