Standex-Meder Sicher getrennt durch Reed-Relais

Hohe, konstante und verlässliche Isolationseigenschaften sind entscheidend für die Funktion und Betriebssicherheit von Elektrofahrzeugen, Fotovoltaik-Systemen, medizinischen Anwendungen, Test- und Messeinrichtungen sowie anderen Anwendungen. Warum eignen sich Reed-Relais dafür sehr gut?

Vor allem die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen treibt die Anforderungen an die eingesetzten Akkumulatoren nach oben. Im Blickpunkt stehen dabei Speicherkapazität, Leistung, Lebensdauer und Sicherheit. In diesem Bereich geht der Trend hin zu Anordnungen aus Einzelbatterien mit Spannungen von jeweils 6 V bis 24 V, die in der Summe eine Nennspannung zwischen 200 V bis 500 V oder sogar höher haben sowie ausreichend Kapazität und Leistung bereitstellen. Solch hohe Spannungen und Ströme muss die BMS-Einheit (Battery Management System) sorgfältig überwachen – nicht nur um die Effizienz des Akkus zu maximieren, sondern hauptsächlich um die Sicherheit des Nutzers und die Zuverlässigkeit des Systems zu garantieren. Um Kurzschlüsse zwischen Akkupack und anderen verbauten Schaltkreisen sowie dem Fahrgestell zu vermeiden, sind Parameter wie Spannung, Strom, Temperatur, Isolationsspannung und Kriechstrom regelmäßig zu prüfen.

Aber auch andere Anwendungen, die mit hohen Spannungen arbeiten, benötigen eine hohe Isolation, wie zum Beispiel Solaranlagen. In den meisten Fällen werden für die Einspeisung in das Stromnetz Wechselrichter ohne Transformatoren genutzt, um Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln. Diese DC- und AC-Schaltkreise sind durch den Stromrichter verbunden und müssen verlässlich mit angelegten Gleichspannungen von bis zu 1500 V arbeiten. Durch den fehlenden Transformator sind die Schaltkreise nicht galvanisch getrennt, sodass eine regelmäßige Isolationsmessung ähnlich der beim Batteriesystem im Elektroauto notwendig ist. Eine ungenügende Isolation würde nicht nur zu Strom- und Energieverlust führen, sondern auch eine ernst zu nehmende Gefährdung für Mensch und Umwelt darstellen.

Im Vergleich zu elektromechanischen Relais ähnlicher Baugröße und gleichem Anwendungsbereich können Reed-Relais ohne Probleme Spannungen im Bereich von Nanovolt bis 800 V und in bestimmten Fällen sogar bis zu 1000 V schalten. Zugleich garantieren sie eine hohe Isolationsspannung zwischen Spule und Kontakt und eine hohe Durchbruchspannung über den offenen Kontakt. Diese außergewöhnlich hohe Isolationsspannung und der sehr hohe Isolationswiderstand garantieren geringe Kriechströme im Bereich von Picoampere.

Aufbau eines Reed-Relais

Die oben genannten Eigenschaften verdankt das Relais der Beschaffenheit des Reed-Kontaktes sowie seinem Design und der Materialzusammensetzung. Üblicherweise besteht der Reed-Kontakt aus zwei sogenannten Blades (Schaltzungen) aus einer weichmagnetischen Metalllegierung, die sich in einem hermetisch dichten Glaskörper befinden und leicht überlappend angeordnet sind (Bild 1). Im Inneren des Glaskörpers befindet sich ein Schutzgas oder Vakuum, das die Kontakte vor Korrosion oder anderen externen Verunreinigungen wie Feuchtigkeit, Öl oder Fett schützt. Je nach Bauform weist der geöffnete Reed-Schalter nicht nur eine Isolierspannung von 500 V bis 15 kV auf, sondern auch einen Durchgangswiderstand von 1 TΩ bis 100 TΩ. Deshalb erfüllt das Relais auch die hohen Kriechstromanforderungen des IEC-Standards. Dies ist ein entscheidender Vorteil im Vergleich mit halbleiterbasierten Schaltern wie Solid-State-Relais oder Photo-MOS-Schaltern. Im geschlossenen Zustand liegt der Widerstand eines Reed-Kontakts im Milliohmbereich.

Um nun von einem Reed-Schalter zu einem Reed-Relais zu gelangen, wird der Reed-Kontakt in eine Spule eingeführt, die ein magnetisches Feld erzeugt, sobald ein Strom fließt (Bild 2). Durch ihre zylindrische Form konzentriert sich der Magnetfluss in der Mitte der Spule auf die Schaltzungen, sodass diese ohne zusätzliche Mechanik schließen. Diese Art der Anordnung hat sich als die effektivste im Hinblick auf den Energieverbrauch bewährt. Je nach Spulenabmessung kann dieser zwischen 10 mW und einigen hundert Milliwatt betragen. Ein inaktives Normally-Open-Reed-Relais benötigt keine Spulenspannung.

Mechanische Stabilität und Schockbeständigkeit sind wichtige Anforderungen an das Relais, daher wird die Baugruppe bestehend aus Spule und Reed-Kontakt von einem Gehäuse umschlossen. Unter anderem garantiert dies auch eine bessere Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen und andere externe Einflüsse. Abhängig von den geforderten Parametern wird hierfür entweder eine Vergusstechnik mit Kunstharz wie Polyurethane oder eine Spritzgusstechnik mit Epoxid genutzt. Die Variante des Vergießens eignet sich für kompliziertere innere Anordnungen mit mehreren Schaltern oder für große Hochspannungsrelais, die viel schützendes Vergussmaterial benötigen. Spritzgegossene Relais hingegen überzeugen mit einem robusten und kompakten Gehäusedesign, das sich gerade in extremen Umgebungen oder in Produktionsprozessen wie Reflow-Löten bewährt.

Die endgültigen Eigenschaften und Parameter des Relais bestimmen dessen Gesamtform, dessen Außenmaße und die Anordnung der Pins. Durch die Vergrößerung der Pin-Abstände lassen sich die der Luft- und Kriechstrecken und damit die Isolationseigenschaften verbessern. Der anhaltende Trend zu immer kleineren Bauteilen steht im Kontrast zu der Größe und langen Luftstrecken, die für eine gute Isolation und Hochspannung bis zu einigen tausend Volt benötigt wird. Das Know-how der Fertigung guter Relais liegt in der Balance zwischen den erwähnten, teils sehr widersprüchlichen, Anforderungen wie geringe Größe, geringes Gewicht, Schockresistenz hohe Isolations- und Schaltspannung, geringer Verbrauch und andere Parameter, die für Anwendungen wie das Batterie-Management und medizinische Applikationen benötigt werden.