Reed Relais bestehen aus einem Reed-Schalter, einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, einer optionalen Diode zur Verarbeitung der von der Spule induzierten Sperrspannung und einem Gehäuse mit Anschlüssen. Bei korrekter Anwendung ist das Reed-Relais in vielerlei Hinsicht ein nahezu perfektes Gerät mit einem niederohmigen metallischen Schaltpfad und einer Isolierung zwischen der Steuerspannung, die die Spule antreibt, und dem zu schaltenden Signal.
Wie ist ein Reed Relais aufgebaut?
Ein Reed-Schalter besteht aus zwei Metallspulen, die aus einem magnetischen Material (ca. 50:50 Nickel-Eisen) geformt sind, und einer Glashülle, die die Metallspulen an ihrem Platz hält und eine luftdichte Abdichtung bildet, die das Eindringen von Verunreinigungen in den kritischen Kontaktbereich innerhalb der Glashülle verhindert. Die meisten Reedschalter haben im Normalbetrieb offene Kontakte.
Wenn ein Magnetfeld entlang der Achse der Saiten angelegt wird, wird das Feld der Saiten aufgrund ihrer ferromagnetischen Natur verstärkt, die offenen Kontakte der Saiten ziehen sich gegenseitig an und die Saiten biegen sich, um den Spalt zu schließen. Wenn das Feld stark genug ist, berühren sich die Lamellen und es entsteht ein elektrischer Kontakt.
Der einzige bewegliche Part eines Reed Relais ist die Biegung. Es gibt keine Drehpunkte oder Materialien, die versuchen, übereinander zu gleiten. Der Kontaktbereich ist in einem luftdichten Gehäuse mit einem Inertgas oder bei Hochspannungsschaltern in einem Vakuum eingeschlossen, um den Schalterbereich gegen Verunreinigungen von außen abzudichten. Dies verleiht dem Reedschalter eine außergewöhnlich lange mechanische Lebensdauer.
Wie groß?
Eine weitere Konstruktionsvariable für Reed-Schalter ist die Größe. Längere Weichen müssen die Zungen nicht so weit biegen wie kurze Weichen, um einen gegebenen Zungenspalt zu schließen. Kurze Zungen werden oft aus dünneren Materialien hergestellt, wodurch sie sich leichter biegen lassen, was jedoch einen erheblichen Einfluss auf ihre Leistung und Kontaktfläche hat. Kleinere Reedschalter ermöglichen den Bau kleinerer Relais, was wichtig ist, wenn der Platz begrenzt ist. Größere Schalter können mechanisch robuster sein und haben eine größere Kontaktfläche, was ihre Signalübertragungsfähigkeit verbessert.
Für die Kontaktflächen der Schalter werden verschiedene Materialien und Beschichtungsverfahren verwendet: am häufigsten Rhodium, Iridium oder Ruthenium, alles seltene Platingruppenmetalle. Alle bieten harte, verschleißfeste Oberflächen mit guter Festigkeitsstabilität und langer Lebensdauer, oft bis zu Milliarden von Schaltzyklen. Bei sehr hohen Spannungen, von 5 kV bis 15 kV, wird Wolfram wegen seines sehr hohen Schmelzpunktes und seiner Beständigkeit gegen das Lichtbogenschweißen in Kontakten bevorzugt eingesetzt. Reedschalterkontakte können elektrolytisch oder durch Vakuumbeschichtung beschichtet werden.
Erzeugung eines Magnetfeldes
Um ein Relais zu betätigen, muss ein Magnetfeld erzeugt werden, um die Kontakte des Reed-Schalters zu schließen. Reed-Schalter können mit Permanentmagneten verwendet werden (z. B. zur Erkennung des Schließens von Türen), aber in Reed-Relais wird das Feld durch eine Spule erzeugt, durch die aufgrund eines Steuersignals Strom fließen kann.
Die Spule umgibt den Reedschalter und erzeugt das axiale Magnetfeld, das zum Schließen der Reedkontakte benötigt wird.
Verschiedene Reed-Schalter benötigen unterschiedliche Magnetfeldstärken zum Schließen der Kontakte, die normalerweise in Ampere-Turns ausgedrückt werden – einfach das Produkt aus dem Strom durch die Spule und der Anzahl der Windungen. Erhöhte Reed-Schalter, die mehr Leistung benötigen, oder Hochspannungsschalter mit einem größeren Kontaktabstand benötigen in der Regel höhere AT-Werte für den Betrieb, sodass die Spulen mehr Leistung benötigen.
Durch Ändern des Durchmessers des Spulendrahtes und der Anzahl der Windungen entstehen Relais mit unterschiedlichem Bedarf an Betriebsspannung und Spulenleistung. Der Widerstand der Drahtspule steuert die Menge des Ruhestroms, der durch die Spule fließt, und damit den Strom, der von der Spule gezogen wird, wenn die Kontakte geschlossen sind. Während die Relais von Pickering Electronics mit dünnen Leitern arbeiten, sind die Spulenleiter aus mehreren Drähten verdrillt, um ihre physikalische Festigkeit zu erhöhen.
Entwicklungen
Oft werden Reed-Relais aus sehr harten Materialien gegossen, die die empfindliche Glas-Metall-Dichtung der Reed-Schalterkapsel belasten und beschädigen können. Manch ein Unternehmen verwendet stattdessen eine weiche interne Verkapselung, die einen Puffer zum Schutz des Switches bereitstellt. Ohne sie können Spannungen leicht die Form des Reed-Schalters verändern, wodurch sich die Kontaktfläche verändert und die Leistung und Stabilität des Übergangswiderstands verschlechtert.