Reed-Relais Warum das Reed-Relais den Unterschied bei der Prüftechnik macht

Autor / Redakteur: Kevin Mallett * / Kristin Rinortner

Reed-Relais minderer Qualität, oft als „Industry Standard“ bezeichnet, bergen Risiken von Einbußen bei Leistung und Zuverlässigkeit. Das kommt besonders in Messtechnik-Anwendungen zum Tragen.

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Reed-Relais: Die Verwendung von Reed-Relais minderer Qualität, die häufig als „Industry Standard“ klassifiziert sind, birgt das Risiko von Fehlern und mangelnder Zuverlässiglkeit.
Reed-Relais: Die Verwendung von Reed-Relais minderer Qualität, die häufig als „Industry Standard“ klassifiziert sind, birgt das Risiko von Fehlern und mangelnder Zuverlässiglkeit.
(Bild: reed switch (aka) / André Karwath aka Aka / CC BY-SA 2.5)

Gibt es bei der Betrachtung scheinbar ‚einfacher‘ Bauelemente und Komponenten wirklich so gravierende Unterschiede zwischen den Produkten verschiedener Anbieter? Lassen Sie uns zum Beispiel das Reed-Relais nehmen. Im Grunde genommen ist das nur ein einfaches Schaltelement – macht da die Wahl eines bestimmten Bauteils irgendeinen Unterschied?

Die Antwort besteht darin – wie könnte es anders sein – dass jedes Bauelement genau betrachtet werden muss, und dabei macht auch das Reed-Relais keine Ausnahme.

Insbesondere dann, wenn es sich auf die Spezifikationen auswirkt. Das folgende Beispiel soll den Sachverhalt noch einmal verdeutlichen.

Ein Hersteller von hochwertigen Flying-Probe-Testern (FPT) hat sich an Pickering Electronics als Hersteller von Reed-Relais in messtechnischer Qualität gewandt, als beträchtliche Probleme mit den bis dahin verwendeten Reed-Relais auftraten.

Der Kunde hatte u. a. folgende Schaltprobleme erkannt:

  • Zeitweiliges Schaltversagen.
  • Nicht stabiler Kontaktwiderstand.
  • Ungleichmäßige Schaltzeiten.

Der FPT-Entwurf sieht eine große Anzahl ‚angereihter‘ Reed-Relais in hoch dichten Schaltmatrizen vor. Leider hatte sich der Kunde für minderwertige Spritzpressteile mit einer Breite von 5,08 mm (0,2‘‘) und ohne interne Magnetschirmung entschieden. Die Spezialisten aus Clacton hatten schnell erkannt, dass die Probleme auf die magnetischen Wechselwirkungen und die mindere Güte der Reed-Schalter zurückzuführen waren.

Bei Reed-Relais werden die Schaltzungen bzw. Kontaktpaddel mithilfe eines Magnetfelds gegenpolig magnetisiert und ziehen sich gegenseitig an, wodurch sich der Kontakt schließt. Bei einem Reed-Relais wird das für die Betätigung des Reed-Schalters erforderliche Magnetfeld durch den durch die Spule fließenden Strom erzeugt.

Problem dichte Packung: Relais-Magnetfeld wirkt auf Nachbar-Relais

Ein oft übersehenes Problem – außer Sie sind ein Fachmann auf diesem Gebiet oder haben es selbst schon erlebt – ist, dass sich bei parallel eng aneinandergereihten Relais das Magnetfeld eines Bauteils auf das benachbarte einwirkt. Tatsächlich können sich die Betätigungspegel angrenzender Bauteile um mehr als 40 Prozent verändern und so dazu führen, dass bei Sollspulenspannung kein Schaltvorgang erfolgt.

Bei dem Beispiel mit den FPTs kam erschwerend hinzu, dass die Spannung an den Erregern um 0,7 V abgefallen ist. Daher waren für die Spule nur noch 4,3 V übrig. Darüber hinaus kamen bei den eingesetzten Relais minderwertige Schaltelemente zum Einsatz, deren Kontaktwiderstandsstabilität sich durch das Spritzgieß-Montageverfahren weiter verschlechterte. Die Stabilität des Kontaktwiderstands wird bei niedrigeren Erregerspannungen zunehmend wichtiger.

Bild 1a und 1b: Anzugs- und Abfallverhalten von Relais minderer Qualität einzeln (1a) und angereiht (1b).
Bild 1a und 1b: Anzugs- und Abfallverhalten von Relais minderer Qualität einzeln (1a) und angereiht (1b).
(Bild: Pickering)

Die Unterschiede werden deutlich, wenn man die typischen Anzugs- und Abfallverläufe (Kontaktwiderstand / Spulenspannung) für die minderwertigeren, vom Kunden eingesetzten Reed-Relais (Bild 1a und b) vergleicht mit dem Verhalten hochwertiger Bauteile mit Reed-Schaltern in messtechnischer Qualität und vollständiger interner Magnetschirmung (Bild 2a + b).

Bild 2a und 2b: Anzugs- und Abfallverhalten von Relais in messtechnischer Qualität (hier Pickering Series 106) einzeln (2a) und angereiht (2b).
Bild 2a und 2b: Anzugs- und Abfallverhalten von Relais in messtechnischer Qualität (hier Pickering Series 106) einzeln (2a) und angereiht (2b).
(Bild: Pickering)

Die Auswirkungen der elektromagnetischen Wechselwirkung auf das Bauteil in minderer Industriestandard-Qualität ohne Schirmung erhöhen die Anzugsspannung um ca. 40 Prozent, während es bei den messtechnischen Reed-Relais von Pickering nur 4 Prozent sind.

Bei genauerem Hinsehen wird das eigentliche Ausmaß des Problems deutlich. Als Industriestandard wird die maximale Anzugsspannung bei 75 Prozent der Nennspannung bei 25 °C spezifiziert. Also kann die maximale Anzugsspannung bei einem 5-V-Bauteil bis zu 3,75 V betragen.

Bei einem Anstieg der Anzugsspannung um 40 Prozent, bedingt durch die Magnetfeldstörungen des benachbarten Relais, kann ein Bauteil mit einer Anzugsspannung > 3,15 V bei einer anliegenden Spannung von 4,3 V (5 V Nennspannung minus 0,7 V Spannungsabfall) also gar nicht anziehen.

So werden bei einer Produktcharge mit einer maximalen Anzugsspannung von 3,75 V offensichtlich einige Bauteile mit einer Anzugsspannung von mehr als 3,1 V dabei sein und es wird zu Fehlern kommen. Bei dem Flying-Probe-Tester des Unternehmens betrug die Ausfallquote ungefähr 30 Prozent.

Bild 3: 
Röntgenaufnahmen eines vollständig geschirmten Relais (links) im Vergleich zu einem Relais eines anderen namhaften Herstellers.
Bild 3: 
Röntgenaufnahmen eines vollständig geschirmten Relais (links) im Vergleich zu einem Relais eines anderen namhaften Herstellers.
(Bild: Pickering)

Die geschirmten Bauteile aus dem englischen Clacton mit einer magnetischen Wechselwirkung von gerade einmal 4 Prozent würden alle funktionieren. Hier ist zu beachten, dass auch einige magnetisch geschirmte Bauteile keine ausreichende Schirmung bieten.

Natürlich sind sie besser als Ausführungen ganz ohne Abschirmung, aber anders als Produkte von Pickering mit einer soliden und sehr effektiven, internen Mu-Metall-Schirmung können Bauteile mit kleineren Abschirmungen minderer Qualität immer noch einen Anstieg bei der Anzugsspannung von 30 Prozent aufweisen (siehe Bild 3), was zum Betriebsversagen führt.

Ein weiterer Faktor bei Bauteilen mangelnder Qualität besteht darin, dass der Kontaktwiderstand bei geringerer Übersteuerung bzw. Übererregung ebenfalls instabil wird und so weitere Probleme verursacht.

Bild 4: Anzugszeit / Übersteuerung [%].
Bild 4: Anzugszeit / Übersteuerung [%].
(Bild: Pickering)

Eine weitere Folge der reduzierten Übersteuerungsspannung ist die längere Anzugszeit, wie in Bild 4 zu sehen. Bei weniger als 15 Prozent Übersteuerung verdoppeln sich die Anzugszeiten im Vergleich zum typischen Wert bei 50 Prozent.

Reed-Relais: Anwendung in der Praxis

In unserem Beispiel aus der Praxis konnten alle Betriebsprobleme des Kunden mit seinem Flying-Probe-Tester einfach durch den Austausch der vorhandenen Reed-Relais minderer Qualität durch ein Standardbauteil aus der Reihe 106 behoben werden. Diese Reed-Relais sind mit einer vollständigen Mu-Metall-Schirmung als Störschutz und zur Gewährleistung eines gleichbleibenden Kontaktwiderstands mit Ruthenium-beschichteten Schaltern (gesputtert) ausgestattet. Die Aufbau- und Verbindungstechnik trägt ebenfalls dazu bei, die Leistungsfähigkeit des Reed-Schalters konstant zu halten.

In diesem Fall hat das Unternehmen nach weiteren Gesprächen und Tests eine kundenspezifische Ausführung der Reihe 106 mit einem empfindlicheren Amperewindungsband entwickelt. Die so verkürzten Anzugszeiten tragen zu höheren Gerätezykluszeiten bei und sorgen für eine weitere Verbesserung des Kundenprodukts, was ihn auf dem Weg zum Branchenführer auf diesem Gebiet unterstützt.

Fazit: Die Verwendung von Reed-Relais minderer Qualität – leider oft als „Industry Standard“ bezeichnet – birgt häufig das Risiko beträchtlicher Einbußen bei Leistung und Zuverlässigkeit. Das macht letztendlich alle Einsparungen bei den Anschaffungskosten zunichte. Da solche Produkte für Messtechnik-Anwendungen ungeeignet sind, müssen Produkte in messtechnischer Qualität eingesetzt werden, da sonst die hochwertige Ausstattung die erwartete Leistung nicht erbringt.

* Kevin Mallett ist technischer Berater bei Pickering Electronics in Clacton, United Kingdom.

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