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Zwei Sensorik-Lösungen

Reed-Schalter versus Hall-Sensor

11. September 2019, 15:22 Uhr   |  Martin Reizner

Reed-Schalter versus Hall-Sensor
© Standex Meder

Die Nachfrage nach Reed-Schaltern hat zugenommen. Vor allem liegt das an der Konstruktion: Bei Passivität wird keine Energie verbraucht. Im Vergleich zum Hall-Sensor ist er also eine Alternative für Anwendungen, in denen Energieeffizienz und niedriger Stromverbrauch eine Rolle spielen.

Reed- und auch Hall-Technologie (Bild 1) folgen einem jeweils eigenen Konstruktionskonzept. Zwar werden beide Sensortypen durch ein externes Magnetfeld aktiviert, tatsächlich befindet sich im Hall-Sensor (Bild 2) jedoch eine Elektronik, die auch im passiven Zustand mit Energie versorgt werden will, weil das Konstruktionsprinzip die Bereitstellung eines Ausgangssignals vorsieht. Beim ReedSensor handelt es sich dagegen um einen mechanischen Schalter (Bild 3), der erst durch ein Magnetfeld aktiviert wird, um eine Last zu schalten. Wird er das nicht, verbraucht er keinerlei Strom. Dieser Hauptunterschied hat natürlich auch verschiedene Konsequenzen für den Einsatz der beiden Technologien in den unterschiedlichen Anwendungen.

Mit der Eurocent-Münze werden die Größenverhältnisse deutlich. Der Reed-Sensor (links) von Standex Electronics reicht mit 4 mm Größe (Glaslänge) an die Dimensionen des Hall-Sensors (rechts) heran.
© Standex Electronics

Mit der Eurocent-Münze werden die Größenverhältnisse deutlich. Der Reed-Sensor (rechts) von Standex Electronics reicht mit 4 mm Größe (Glaslänge) an die Dimensionen des Hall-Sensors (links) heran.

»Beide Technologien haben ihre Daseinsberechtigung«

»Im Zuge der Energiewende, die sich bei der Herstellung von Endgeräten an den Maßstäben der Energieeffizienz orientieren muss, ist die Nachfrage nach Sensoren auf Reed-Basis in der jüngsten Vergangenheit stark angestiegen«, berichtet Martin Reizner, Product Manager Magnetic Position Sensors EMEA beim Sensorik-Hersteller Standex Electronics. Ein Ende dieser Entwicklung sei nicht abzusehen. »Insbesondere bei sogenannter weißer Ware, wie Geschirrspülern oder Kühlschränken beziehungsweise batteriebetriebenen Anwendungen steigen immer mehr Hersteller auf die Reed-Technologie um.« Im Vordergrund stünden bei den Sensorik-Herstellern, wie bei den Kunden, deshalb die Minimierung des Stromverbrauchs der Applikation, der durch den Einsatz der Reed-Technologie anwendungsgerecht reduziert werden könnte.

»Beide Technologien haben ihre Daseinsberechtigung«, sagt Reizner. Er vertritt die Meinung, dass sich Hall-Sensoren vor allem für Hochgeschwindigkeitsanwendungen größer 1 kHz besser eignen, weil hier der Reedkontakt an seine physikalischen Grenzen gerät. Für Anwendungen mit Frequenzen kleiner 1 kHz empfiehlt Reizner dagegen den Reed-Schalter. Dazu zählt etwa ein Durchflusszähler, der unter anderem in weißer Ware zum Einsatz kommt. Auch wenn für Reed-Schalter noch kein normierter Sicherheitsstandard existiert und jede Anwendung über eine gesonderte Autorisierung und Sicherheitsfreigabe verfügen muss, hat er jedoch im Vergleich zum Hall-Sensor einen großen Vorteil: die Schalthysterese.

Bild 2. Hall-Sensoren basieren auf dem sogenannten Hall-Effekt. In einem stromdurchflossenen Leiter, in dem senkrecht zur Stromrichtung ein magnetisches Feld wirkt, wird senkrecht zu den elektrischen und magnetischen Feldlinien eine Spannungsdifferen
© Standex Electronics

Bild 2. Hall-Sensoren basieren auf dem sogenannten Hall-Effekt. In einem stromdurchflossenen Leiter, in dem senkrecht zur Stromrichtung ein magnetisches Feld wirkt, wird senkrecht zu den elektrischen und magnetischen Feldlinien eine Spannungsdifferenz aufgebaut.

Physikalisch bedingt verfügt der mechanische Reed-Schalter über eine Schalthysterese. Sie beschreibt die Differenz zwischen dem Ein- und den Ausschaltpunkt eines Reed-Schalters. Erreicht der vorbeifahrende Magnet zum Beispiel einen vordefinierten Einschaltpunkt von 5 mm Entfernung zum Reed-Schalter, schlagen dessen Paddel zusammen. Der Reed-Schalter ist aktiv. Bewegt sich der Magnet weiter, bis er schließlich die vordefinierte Abschaltposition von 7 mm erreicht, schaltet er sich erst hier wieder ab. Die Schalthysterese beträgt also 2 mm. In bestimmten Anwendungen kann das erwünscht sein, zum Beispiel in einem mit einem Flügelrad ausgestatteten Wasserdurchflussmesser auf Reed-Basis. Dieser ist auch dann gegen zufällige Wellenbewegungen des Wassers resistent, wenn das Flügelrad durch sie leicht bewegt wird. Von Herstellerseite ist es in diesem Fall nicht erwünscht, dass hier ein Schaltvorgang stattfindet, folglich also gemessen werden würde. Bis geschaltet beziehungsweise gezählt wird, muss der Wasserdurchfluss erst eine gewisse Stärke erreichen. Bewegt sich der Reed-Schalter innerhalb der Hysterese, zählt er keine Wassereinheiten. Dagegen würde sich der Hall-Sensor bei der geringsten Wasserbewegung aktivieren beziehungsweise deaktivieren.

Bild 3. Ein Reed-Schalter besteht aus zwei ferromagnetischen Schaltzungen, die hermetisch dicht verschlossen in ein Glasröhrchen eingeschmolzen werden. Die beiden Schaltzungen überlappen. Wirkt ein entsprechendes Magnetfeld auf den Schalter, bewegen
© Standex Electronics

Bild 3. Ein Reed-Schalter besteht aus zwei ferromagnetischen Schaltzungen, die hermetisch dicht verschlossen in ein Glasröhrchen eingeschmolzen werden. Die beiden Schaltzungen überlappen. Wirkt ein entsprechendes Magnetfeld auf den Schalter, bewegen sich die beiden Paddel aufeinander zu – der Schalter schließt.

Auf die Kostensituation des Reed-Schalters wirkt sich auch der mechanische Aufbau aus. Er ist kostengünstiger herzustellen als der Hall-Sensor, der die zusätzlich erforderliche Außenbeschaltung, die Signalverstärkung, die Temperaturstabilisierung, den Kurzschlussschutz sowie den Stromverbrauch in der Kalkulation berücksichtigen muss. Standex Electronics beispielsweise stellt einen Reed-Schalter mit einer Glaslänge von knapp 4 mm her.

Korrosion verhindern

Der Reed-Schalter selbst ist von einer Glashülle umgeben, die mit Schutzgas meist Stickstoff – befüllt ist. Ein stabiles Gehäuse schützt den Aufbau zusätzlich. Glas und Gehäuse riegeln den Reed-Schalter hermetisch vor äußeren Umwelteinflüssen wie Staub, Öl, Wasser und chemischen Substanzen ab, die sich negativ auf seine Funktion auswirken könnten und verhindern Korrosion. Auch unter extremen thermischen Bedingungen wie Hitze oder Kälte hat der Reed-Schalter Vorteile. Während hier Arbeitsleistung und Zuverlässigkeit des Hall-Sensors durchaus nachlassen, ermöglicht der Reed-Schalter im Temperaturbereich von -65 °C bis 150 °C (Hall-Sensor -55 °C bis 125 °C) eine einwandfreie Funktion.

Gegen elektronische Störfelder macht der mechanische Charakter des Reed-Schalters ihn immun. Er benötigt im Gegensatz zum Hall-Sensor keinen Schutz gegen elektromagnetische Entladung (ESD, electromagnetic discharge). Das sorgt für eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) in Bezug auf benachbarte, systemrelevante Geräte, über die der Hall-Sensor nicht verfügt, weil er von seinem Grundprinzip her ein Ausgangssignal zu liefern hat, das eine fortwährende Stromversorgung erforderlich macht. In diesem Fall sind besondere EMV-Vorkehrungen zu treffen, um den Hall-Sensor von Nachbargeräten zu isolieren. Die Schwierigkeit liegt hier insbesondere beim Auftreten von Leckströmen. Ein spezieller ESD-Schutz ist deshalb unumgänglich.

Die maximale Isolation eines Reed-Schalters liegt bei 1015 Ω. Er übertrifft damit die Isolationswerte eines Hall-Sensors um ein Vielfaches. Trotzdem treten auch beim Reed Sensor Leckströme auf. Diese liegen jedoch im Femtoampere-Bereich, was sogar in der Medizintechnik toleriert wird. Auch die Messung von kleinsten Strömen ermöglicht das mechanische Prinzip des Schalters. Dafür sorgt vor allem der geringe Übergangswiderstand von 50 mΩ. Hall-Sensoren erreichen hier Hunderte von Ohm.

Die grundsätzliche Bandbreite der möglichen Lastfälle, die mit einem Reed-Schalter geschaltet werden können, ist enorm: Sie erstreckt sich vom Nanovoltbereich bis in den Kilovolt-Bereich, von Femtoampere bis Ampere und ermöglicht Frequenzen bis 10 GHz. Selbst kleinste Reed-Schalter sind in der Lage, Spannungen von bis zu 1000 Volt zu isolieren. Kein ESD-Schutz ist dafür erforderlich.

Anwendungsspezifische Konfiguration

Es gibt größere und kleinere Reed-Schalter mit unterschiedlichen Empfindlichkeitswerten, verschiedenen Hysteresekurven-Charakteristika, so dass man eine Lösung bezüglich der Magnetentfernung oder der Magnetgröße auf jeden Fall finden kann.

Aufgrund des Funktionsprinzips lassen sich diese Reed-Parameter an anwendungsspezifische Anforderungen – zum Beispiel die speziellen Auflagen der Energieeffizienzklassen – anpassen. Diesbezüglich ist der Hall-Sensor im Nachteil. Nimmt man einen programmierbaren Hall-Chip, kann er mit Hilfe einer Software diese Schwäche zwar etwas kompensieren, insgesamt bleibt er aber hinter dem Reed-Schalter zurück, wenn es um anwendungsgerechte Konfiguration geht.

Schaltzyklen in Milliardenhöhe

Martin Reizner arbeitet seit über vier Jahren für den Sensorik-Hersteller Standex Electronics in Singen als Product Manager Magnetic Position Sensors und ist dort für die Betreuung und Beratung von Kunden verantwortlich. Zuvor sammelte er bereits übe
© Standex Electronics

Martin Reizner arbeitet seit über vier Jahren für den Sensorik-Hersteller Standex Electronics in Singen als Product Manager Magnetic Position Sensors und ist dort für die Betreuung und Beratung von Kunden verantwortlich. Zuvor sammelte er bereits über 10 Jahre Erfahrung in der Magnetventiltechnik und Automobilindustrie.

Für Applikationen mit Frequenzen größer 1 kHz eignet sich wiederum der Hall-Sensor. Dazu gehören Hochgeschwindigkeitssensoren zur Drehzahlmessung. Wegen der nicht vorhandenen Schalthysterese bietet der Hall-Sensor hier eine deutlich höhere Wiederholgenauigkeit in der Signalmessung. Eine längere Lebensdauer geht damit auch einher. Mit über 500 Millionen Schaltzyklen übertrifft der Hall-Sensor in diesem Einsatzbereich die Reed-Technologie um Klassen. Ist es jedoch das Ziel des Reed-Schalters, überwiegend kleine Lasten unter 5 Volt zu schalten, wie es beispielsweise in Zähler-Anwendungen der Fall ist, dann lassen sich mit dem Reed-Schalter Schaltzyklen-Zahlen in Milliardenhöhe realisieren.    sd

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