Schalter: Überlegungen zur Temperatur So werden Reed-Relais fit für erweiterte Temperaturbereiche

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Pickering Electronics

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

SCHURTER AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die Serie 104HT wurde entwickelt, um eine zuverlässige Leistungsfähigkeit und lange Haltbarkeit bei Temperaturen von –40 °C bis 125 °C zu bieten. Die gleichen Prinzipien können auf die meisten Reed-Relais-Serien angewendet werden.

In der Regel arbeiten Reed-Relais in einem Betriebstemperaturbereich von –20 bis 85 °C, was für die meisten Anwendungen ausreichend ist. Bei speziellen Anwendungen kann es jedoch erforderlich sein, diesen Wert auf 125 oder 150 °C oder bis auf –40 °C auszuweiten. Mit dem Wissen, wie Temperaturen Reed-Relais beeinflussen, können Sie die optimale Leistungsfähigkeit aufrechterhalten und gleichzeitig den Betriebsbereich erweitern, um raueren Umgebungen gerecht zu werden.

Wichtige Stellschrauben, um den Betriebstemperaturbereich von Reed-Relais zu erweitern sind die verwendeten Werkstoffe sowie der Spulenstrom.

Verwendete Materialien: Die meisten Werkstoffe, die in einem Reed-Relais verwendet werden, sind für Temperaturen über 200 °C ausgelegt, mit Ausnahme der Emaille, die den Spulenwicklungsdraht bedeckt. Diese liegt typischerweise bei 150 °C. Um sicherzustellen, dass dies bei erhöhten Temperaturen nicht problematisch wird, kann ein Kabel mit einer höheren Spezifikation verwendet werden. Dies ist bei SMT-Reed-Relais üblich.

Bei Umgebungstemperaturen von –40 °C sind bei Reed-Relais, die sehr steife Kapselungsmaterialien verwenden, Kontraktionen problematisch, die die Glaskapsel des Reed-Schalters belasten und zu Änderungen der Betriebsparameter oder Schäden an den Anschlüssen führen können. Der Verkapselungsprozess Pickering Softcenter stellt sicher, dass der Schalter geschützt ist.

Spulenstrom: Bei einem Reed-Relais erzeugt der durch die Kupferdrahtwicklung der Spule fließende Strom das Magnetfeld, das den Reed-Schalter betätigt. Bei einer festen Nennspulenspannung bestimmt also der Spulenwiderstand den Antriebsstrom. Da Kupfer einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten von etwa 0,39 % pro °C hat, führen Temperaturänderungen zu Änderungen des Spulenwiderstands und damit der Betriebsspannung.

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Reed-Schalter: Beispiele aus der Praxis

Beispielsweise hat bei 25 °C ein standardmäßiges 5-V-Reed-Relais mit einer Spuleninduktivität von 500 Ωs eine maximale Betriebsspannung von 3,75 V. Das bedeutet, dass mindestens 7,5 mA durch die Spule fließen müssen, um den Reed-Schalter zu betätigen. Bei 85 °C führt eine Erhöhung um 60 °C zu einem Anstieg des Spulenwiderstands um ca. 24 % und um den erforderlichen Strom aufrechtzuerhalten, erhöht sich die Betriebsspannung auf ca. 4,65 V.

Steigt die Temperatur über 85 °C, funktioniert der Reed-Schalter möglicherweise noch, aber der Betrieb ist beeinträchtigt und führt zu instabilem Kontaktwiderstand. Wenn sich die Temperatur weiter erhöht, funktioniert das Relais nicht mehr. Durch die Konstruktion von Spulen mit mehr Windungen wird ein korrekter Betrieb bei 125 °C gewährleistet, bei etwas mehr Windungen sogar bis zu 150 °C.

Hochspannungs-Reed-Relais für Temperaturen bis 125 °C

Für die Hochspannungs-Reed-Relais der Serie 104 hat Pickering eine Baureihe entwickelt, die für den Betrieb bei über 125 °C ausgelegt ist. Das Diagramm im Bild 1 zeigt die gemessene Betriebsspannung von –40 °C bis +150 °C für ein Relais mit einer Betriebsspannung von 3,75 V bei 25 °C im Vergleich mit den Reed-Relais 104-1-A- 5/2D und 104HT-1-A-5/2D, die für höhere Temperaturen ausgelegt sind.

Weitere zu berücksichtigende Faktoren sind Spannungsabfälle am Relaistreiber, die dazu führen, dass weniger als die Nennspannung an die Spule angelegt wird. Bei Reed-Relais anderer Hersteller erhöht sich durch die magnetische Wechselwirkung mit benachbarten Relais die Betriebsspannung im Vergleich dazu um bis zu 40 %.

Eine Reduktion der Nennspannung verringert den Overdrive – die Höhe des Magnetfelds über dem eigentlichen Betriebspunkt – und beeinflusst eine Reihe von Parametern. Bei ausreichender Übersteuerung drückt dieses erhöhte Magnetfeld die Kontaktflächen mit größerer Kraft zusammen, was zu niedrigeren, stabilen Kontaktwiderständen führt und die Lebenserwartung deutlich erhöht. Außerdem werden die Kontaktlamellen schneller zusammengeführt, was zu besseren Betriebszeiten führt.

Die Reed-Relais von Pickering sind so konzipiert, dass sie unterhalb der 3,75-V-Grenze arbeiten. Beim 104-1-A-5/2D beträgt diese typischerweise 2,75 bis 3,25 V, beim 104HT-1-A-5/2D trifft dies bei 125 °C zu.

Materialeigenschaften: Mit zunehmender Temperatur nimmt der Isolationswiderstand bei den meisten Werkstoffen tendenziell ab. Es ist jedoch wichtig, ein Gleichgewicht zwischen den gewünschten mechanischen Eigenschaften, Haftung, Anschlusspin-Sicherung und der Wahl der Verpackungsmaterialien zu berücksichtigen.

Der Isolationswiderstand in Abhängigkeit von der Temperatur

Für die Serie 104 ist dies noch wichtiger, da der Isolationswiderstand den Leckstrom bestimmt, und bei höheren Spannungen kann dieser höher sein als bei Niederspannungs-Reed-Relais.

Bild 2 zeigt die Änderungen des Isolationswiderstandes abhängig von der Temperatur für ein Reed-Relais der Serie 104 1 Form A. Obwohl dies immer noch viel besser ist als andere Schalttechnologien, ist es ein wichtiger Aspekt.

Ein weiterer Faktor, der berücksichtigt werden muss, ist die Änderung des Kontaktwiderstands mit der Temperatur. Alle Metalle haben einen Temperaturkoeffizienten.

Dies betrifft den ganzen Schaltpfad durch das Reed-Relais ebenso wie Leiterbahnen und Anschlüsse auf der Leiterplatte. Je nach Reed-Relais variieren Pfadlängen und Materialquerschnittsfläche. Typisch ist eine Änderung von 3 bis 5 % pro 10 °C Änderung.

Wenn höhere Werte erforderlich sind, können andere Werkstoffe eine Lösung sein. Werden weniger steife Materialien verwendet, kommen andere

Überlegungen hinsichtlich der Mechanik zum Tragen. Dies ist zu beachten, wenn konstante Kontaktwiderstände gefordert sind oder bei Anwendungen mit hohem Dauer- oder Impulstrom, bei denen die Verlustleistung über den Schalter dessen Temperatur erhöhen kann. (kr)

* Kevin Mallett ist Technical Specialist bei Pickering Electronics.

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