Reedsensor

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Reedsensoren sind magnetisch betätigte Näherungsschalter in unterschiedlichen Bauformen. Die Schaltfunktion wird ausgelöst durch das Annähern beziehungsweise Entfernen eines Magneten.

Datei:Abb.3 Die Funktion eines Reedschalters unter dem Einfluß eines Permanentmagneten.jpg
Funktion eines Reedschalters unter dem Einfluss eines Permanentmagneten

Wirkungsweise[Bearbeiten]

Ein Reedschalter ist der Hauptbestandteil jedes Reedsensors. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Reedschalter in einen Sensor zu integrieren. Die Verpackung in ein passendes Gehäuse ist dabei die beste und sicherste Lösung. Plastikgehäuse sind einfach und kostengünstig in der Herstellung. Wird ein sehr stabiles Gehäuse benötigt, bietet sich ein nichtmagnetischer Metallwerkstoff an. Dabei ist zu beachten, dass die Legierung weder Nickel, Eisen noch Kobalt enthält. Alle haben eine abschirmende Wirkung auf magnetische Felder.

Sorgfältig verarbeitet wird ein fehlerfreies Arbeiten des Sensors gewährleistet. Um Frühausfälle zu vermeiden, sind die möglichen Bearbeitungsschritte wie Biegen, Schneiden, Löten, Umpressen oder Vergießen fachmännisch durchzuführen.

Da der Reedsensor ein Magnetsensor ist, können sich in der Nähe befindliche ferromagnetische Materialien (wie Stahl) die Wirkung des Sensors und damit seine Anzugsempfindlichkeit beeinflussen. Schaltwege in Sensoren sind eine der wichtigsten Parameter. Diese werden durch die Empfindlichkeitsklassen der Reedschalter entscheidend mitbestimmt. Die Anzugsempfindlichkeit spezifiziert den Schließpunkt des Schalters. Beim Einsatz von Magneten misst man den Einschaltpunkt in mm, beim Einsatz einer Messspule hingegen in Ampere-Windungen. Dazu wird der Strom in einer bekannten Spule bis zum Einschaltzeitpunkt erhöht und mit der Windungszahl multipliziert. Die Messung erfolgt bei einer Temperatur von 20°C. Für zuverlässige Werte beaufschlagt man die Spule mit einem Sättigungsimpuls, um dann AWan (Anzugsempfindlichkeit) und AWab (Abschaltempfindlichkeit) zu bestimmen. Das Verhältnis zwischen AWan und AWab stellt die Reedschalter [%] dar.

Diese hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Störfaktoren (wie Motoren, Transformatoren etc.) die sich in unmittelbarer Nähe befinden
  • Temperatur (niedrige Temperaturen leiten besser und erhöhen somit die magnetische Anziehung)
  • Ferromagnetische Materialien (beispielsweise Stahl) in unmittelbarer Nähe
  • Beschichtungsdicke
  • Paddelüberlappung
  • Paddelbeschaffenheit
  • Paddellänge
  • Einschmelzzone
  • Paddelabstand

Die Stärke der Beeinflussung hängt von der Art der Benutzung ab. Die Wahl des richtigen Schalters ist sehr entscheidend. Wenn der Sensor nur einen Transistor oder sonstige Logiksignale schaltet, kann fast jeder Reedschalter eingesetzt werden. Dort limitieren dann lediglich Abmessungen und Preis die Auswahl. Beim Schalten von Verbraucher mit höheren Lasten, muss unbedingt auf die ausreichende Spezifizierung bezüglich Schaltspannung, Schaltstrom und Schaltleistung geachtet werden. Ganz besonders gilt dies für den Fall hoher Schaltzyklen (10x106 oder mehr). Schaltspannungen unter 5 V sind nicht kritisch, da kein Abrissfunke beim Öffnen entstehen kann. Sensoren sind mit Kabel und/oder Stecker verfügbar.

Reedsensor im Vergleich zu Halleffektsensor[Bearbeiten]

Seit einigen Jahren sind als magnetische Sensoren auch Halleffektsensoren auf dem Markt. Auf Halbleitertechnologie aufgebaut, deshalb im ersten Moment vielleicht etwas unanfälliger, haben diese sicherlich auch das Interesse von Entwicklungsingenieuren mehr geweckt als herkömmliche mechanische Bauelemente. Wie auch immer, es gibt trotzdem eine ganze Menge bemerkenswerter Vorteile, vergleicht man die Reedsensortechnologie mit der Halleffektwelt. Betrachten wir zuerst die Reedtechnologie. Herzstück eines jeden Reedsensors ist der Reedschalter, entwickelt Ende der 40er Jahre durch ein Labor der Bell Industries in den USA. Der andere wichtige Part ist der Magnet oder ein Magnetfeld; dies wird zum Öffnen und Schließen des Reedschalters benötigt.

Während der letzten 60 Jahre wurden viele neue Technologien in den Fertigungsprozess eines Reedschalters übernommen, ohne Zweifel haben sich Qualität, Zuverlässigkeit und Preis/ Leistungsverhältnis positiv entwickelt. Vergleicht man den Reedsensor mit dem Halleffektsensor stellen sich folgende Vorteile heraus:

  1. Der Halleffektsensor selbst mag zwar den Preis eines Reedschalters unterlaufen. Rechnet man aber die meist notwendige Außenbeschaltung, Signalverstärkung und eventuell sonst nicht notwendige Stromversorgung dazu, sieht die Welt anders aus.
  2. Der Isolationswiderstand über einen geöffneten Reedschalter ist mit 1015Ohm absolut unschlagbar. Dies reduziert den Leckstrom auf Werte im Bereich von Femptoamperes. Die Leckströme sind beim Halleffektsensor um Klassen höher. Gerade die Medizintechnik erwartet die Reduzierung des Leckstroms auf geringste Werte, bei Implantaten in der Nähe des Herzens können höhere Ströme zur Beeinflussung natürlicher körpereigener Regeleinrichtungen führen.
  3. Der Reedschalter ist hermetisch komplett dicht und kann so in fast jeder denkbaren Umgebung eingesetzt werden.
  4. Der Reedschalter hat mit 50 mOhm einen sehr geringen Übergangswiderstand im geschlossenen Zustand. Halleffektsensoren erreichen hier zum Teil Hunderte von Ohm.
  5. Große Bandbreite der möglichen Lastfälle, die mit einem Reedschalter geschaltet werden können: von Nanovolt bis Kilovolt, Femptoampere bis Ampere, DC bis 10 GHz. Der Halleffektsensor hat hier einen relativ eingegrenzten Bereich.
  6. Der Reed lässt sich in einer großen magnetischen Empfindlichkeitsbandbreite herstellen (AW an von 5 bis 200 AW entspricht 0,5 mT bis 20 mT je nach Type).
  7. Reedschalter sind absolut ESD - unempfindlich. Halleffektsensoren, je nach Technologie, sind gegen jede Spannungsentladung zu schützen.
  8. Selbst kleinste Reedschalter sind in der Lage, Spannung bis 1000 Volt zu isolieren. Beim Halleffektsensor ist in diesen Größenordnungen eine Schutzbeschaltung notwendig.
  9. Reedschalter sind in der Lage, große Ströme über den geschlossenen Schalter zu transportieren, dieser Wert kann um den Faktor 3 über dem Schaltstrom liegen.
  10. In das richtige Gehäuse verpackt lässt sich der Reedschalter auch mit dem Halleffektsensor bei Schock und Vibration vergleichen.
  11. Da der Reedschalter bei Lasten unter 5 Volt keiner Abnutzung unterliegt, lassen sich Schaltspiele in Milliardenhöhe erreichen. Diese Werte sind mit MTBF- Zahlen von Halbleitern zu vergleichen.
  12. Selbst bei Temperaturen von -55 °C und 200 °C arbeitet der Reedschalter ohne Zusatzbeschaltung und somit ohne Zusatzkosten noch mehr als zuverlässig. Dies ist vielleicht einer der größten Vorteile.

Applikationen[Bearbeiten]

Es steht außer Frage, dass der Reedschalter wie kein anderes Schaltelement in unzähligen Applikationen Einsatz finden kann. Speziell dort, wo ein hermetisch dichter Schalter gefordert wird. Es würde den Umfang sprengen, alle Anwendungsfälle für Reedschalter hier aufzählen zu wollen. Trotzdem wird versucht, einige Beispiele aus den unterschiedlichen Marktsegmenten aufzuführen und einen guten Überblick zu verschaffen. Für Reedsensor-Applikationen wird keine elektrische Energie benötigt. Der Reedschalter, geschlossen, kann bei richtiger Auslegerung durch einen Magneten die erforderliche Last schalten.

Telekommunikation[Bearbeiten]

Gabelumschalter bei Telefonen Normalerweise wird beim Einhängen eines Telefons ein mechanischer Gabelumschalter verwendet. Ein Reedschalter oder Reedsensor kann diese Aufgabe jedoch genauso ausführen. Der Reedschalter und der Magnet können sich an vielen Stellen befinden, die Position hängt von den genauen Anforderungen ab. In einigen Fällen ist es möglich, dass die Lautsprecher-Magnete im Handhörer oder in der Freisprecheinrichtung genügend Feldstärke haben, um den Reedschalter bei eingehängtem Hörer zu schließen. Bei dieser Methode wird kein separater Magnet benötigt. Weitere Beispiele: Schaltfunktionen in Mobiltelefonen mit Abdeckschutz, RX-TX Umschaltung, Verriegelung, Positionserkennung von Mobiltelefonen, Schaltkontakt in Kfz-Halterungen, u. v. m.

Kfz- Industrie[Bearbeiten]

Niveauschalter
Niveauschaler

Mehr und mehr Niveauschalter von Bremsflüssigkeit, Scheibenwischwasser und Kühlwasser werden mit Hilfe von Reedsensoren realisiert. Hierbei wird üblicherweise ein Schwimmer, versehen mit einem Magneten, in den Behälter platziert. Der Reedschalter zur Schwimmerabfrage sitzt außerhalb.

Früher wurden Reedschalter in der Automobilbranche für Bremsflüssigkeits-Applikationen auf folgende Weise verwendet: war das Behältnis voll, öffnete der Schwimmer den Reedschalter: fiel der Flüssigkeitspegel, sank der Schwimmer und aktivierte den Reedschalter. Dies betätigte eine Lampe auf dem Armaturenbrett. Heutzutage setzen Automobilhersteller den Reedschalter in umgekehrter Funktion ein. Ist das Behältnis voll, wird der Reedschalter durch den Schwimmer mit dem Magnet aktiviert und geschlossen. Fällt der Schwimmerpegel, wird der Reedschalter geöffnet. Die Änderung hat den Vorteil der gleichzeitigen Verkabelungsüberwachung. Falls der Bordcomputer des Fahrzeugs elektrisch in der Lage ist, Widerstände zu unterscheiden, kann auch ein anspruchsvoller Levelsensor eingesetzt werden. Dieser Sensor ist mit zwei Widerständen versehen. Ein Widerstand schützt den Reedschalter, ein zweiter wird parallel montiert. So erkennt der Computer, dass der Sensor ordnungsgemäß elektrisch kontaktiert ist. Weitere Anwendungsbeispiele: Bremsflüssigkeit (ABS), Scheibenwaschanlage, Motoröl, Getriebeflüssigkeit, Kühlmittel, Benzinstand, u. v. m.

Positionssensoren

Endlagenschalter für Hydraulikzylinder (Lastwagen, Kleintransporter) Um die Hydraulik zu optimieren muss in Fahrzeugen wie Müllautos, Gabelstaplern, Radlagern etc. die Endpositionierung von Kolben kontrolliert werden.

Dies wird durch das Montieren von Reedsensoren und Magneten in der Kolbenwelle erreicht. Aufgrund der Tatsache, dass der Druck in diesen Systemen bis zu 400 bar betragen kann, sind die Kolben meist aus Stahl gefertigt. Dies bedeutet, dass die Magnetflusslinien beträchtlich beeinflusst werden. Die Sensorfunktion kann jedoch mit starken Magneten erfolgen, gekoppelt mit einem hermetisch abgeschlossenen Reedschalter. So werden rostfreie Stahlgehäuse für den Reedschalter (keine magnetische Beeinflussung der Flusslinien) in die Kolbenwand eingebaut. Hierdurch entsteht eine Fläche, in der sich die Flusslinien ohne magnetischen Widerstand bewegen können, um die Reedschalter auszulösen. In diesen Systemen werden Sensoren benötigt, die von der Oberseite aus aktiviert werden können, etwa wie unsere MK3 Serie. Da es sich hierbei um eine sehr spezifische Anwendung handelt, werden meistens Sondergehäuse eingesetzt. Ein direkt am Sensor angebrachter Anschluss erleichtert die Montage. Weitere Beispiele: Motorhaubenverschluss, Schiebedachstellung, Gangauswahl, Geöffneter, Tankdeckel, elektrischer Fensterheber, Blinklichtschalter, Alarmanlagenkontrolle, Sicherheitsgurt u.v.m.

Andere Sensoren

Die Kontrolle in PKWs und LKWs erfolgt mehr und mehr elektronisch, wodurch traditionelle mechanische, leicht abnutzbare Systeme ersetzt werden. Zur Verbesserung der Funktionalität und zur leichteren Kontrolle wird die Bewegung des Schalthebels in LKWs elektronisch mit Hilfe von Reedsensoren überwacht. Da der Reedsensor magnetisch aktiviert wird, wird kein externer Strom benötigt, und die Batterie wird nicht entleert, wenn das Fahrzeug abgeschaltet ist.

Weitere Anwendungen: ABS, Geschwindigkeitssensoren, Kickdownschalter, Lampenüberwachung, Tachometersensoren, Temperaturkontrolle, Reifendrucküberwachung, Innenbeleuchtung, u. v. m.

Marine- und Bootsensoren[Bearbeiten]

Ähnlich wie in Autos werden auch in vielen Boot- und Marineanwendungen Reedsensoren zur Füllstands- und Positionserkennung eingesetzt. Eine Bilgenpumpe ist in der Lage, Wasseransammlungen auf dem Boden des Bootes zu erkennen, und das Wasser daraufhin abzupumpen. Derzeit verwenden die meisten Hersteller einen Schwimmer in Verbindung mit einem mechanischen Schaltsystem. Diese Lösung ist jedoch nicht sehr zuverlässig, was ein hohes Sicherheitsrisiko für die Passagiere darstellen kann. Innovative Hersteller haben eine Komplettlösung entwickelt, welche nicht nur die Kapazität, sondern auch die Qualität und Zuverlässigkeit erhöht.

Weiter Beispiele: Ankerposition, Batterieüberwachung, Bilgenpumpe, Wasserversorgung, Benzinfüllstand, Schalthebelposition, Position Lukentür, Not-Aus Schalter, Wasserfluß in Lebend-Fisch-Kisten, Ölstand, Z-Antriebsposition, Warnsignale, Radarantennen, Umkehrosmose, Ruderpositionssensor, Stromüberwachung, Geschwindigkeitskontrolle, Toilettenkontrolle, Trimmklappen Position, Abwasserfüllstand, Windenposition, Windgeschwindigkeits und –richtungserkennung u.v.m.

Hausgeräte[Bearbeiten]

Sicherheitsüberwachung der Türe bei Hausgeräten

Die Haushaltsgeräteindustrie (Kühlschränke, Gefriertruhen, Mikrowellen, Herde etc.) benötigt Sicherheitselemente, die den Status (offen/geschlossen) ihrer Türen erkennt.

Diese Türsensoren gibt es in vielen Größen und Formen, je nach der spezifischen Applikation. Viele von ihnen sind produktspezifisch entwickelt. Üblicherweise werden sowohl ein Reedschalter als auch ein Magnet verwendet, und in vielen Fällen wird zur einfachen Abfrage ein zusätzlicher Schaltkreis in die Platine eingesetzt. Wenn der Sensor nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne nicht aktiviert wird, ertönt ein Alarm. Der Reedsensor wird gewöhnlich im Gehäuse des betreffenden Geräts montiert, der Dauermagnet im Türrahmen platziert. Wenn die Tür geschlossen ist, befindet sich der Magnet also über oder parallel zum Sensor. Wird die Tür geöffnet, unterbricht der Magnetkreis den Stromkreis.

Weitere Beispiele: Wasserstandssensor in Waschmaschinen, Waschmittel Levelsensor, Geschirrspülmittel Levelsensor, Türsensoren für Hausgeräte, Niveauschalter in Kaffeemaschinen, Schaltfunktionen in elektrischen Herden u. v. m.

Computer und Peripheriegeräte[Bearbeiten]

Anwendungsbeispiele: Deckelüberwachung bei Laptops, Verriegelung, Tastatur, Druckersensoren, Position des Kopierpapiers u. v. m.

Sicherheit[Bearbeiten]

Die Überwachung von Brandschutz- und Sicherheitstüren Brandschutz- und Sicherheitstüren in öffentlichen Gebäuden, Krankenhäusern, Regierungsgebäuden, Hotels und anderen Einrichtungen müssen, außer bei einem Notfall, immer geschlossen sein. Die elektronische Überwachung ist gesetzlich vorgeschrieben und muss einen Alarm auslösen, sobald eine dieser Türen geöffnet wird.

Mit Reedelektronik war dies bisher nicht einfach, da man zur Überwachung von Türen und zur Erkennung der Türposition eine separaten Magneten und einen separaten Sensor einsetzen musste. Aufgrund der Tatsache, dass diese Türen feuerfest sein müssen, werde sie gewöhnlich aus Stahlblechen gefertigt. Der Magnet und das zugehörige Feld wurden durch das Metall von der Tür kurzgeschlossen und waren somit nutzlos. Unter normalen Umständen ist es durch diese Tatsache für den Sensor unmöglich, das Magnetfeld zu erkenne. Um dem entgegenzuwirken wurde ein Teildes ferromagnetischen Metalls entfernt und ein Magnet wurde in ein Stück Aluminium oder ein anders nicht-ferromagnetisches Material eingeschlossen. Das Aluminium musste groß genug sein, um das magnetische Feld von dem Nebenschlusseffekt der ferromagnetischen Tür zu schützen. Diese Methode ist der kostenintensiv. Moderne Hersteller verwenden deshalb Reedsensoren die diese Probleme umgehen. Dieser Sensor kann die Metalltür auch ohne die Hilfe eines Magneten erkennen. Der Sensor stellt eine Einheit aus Reedkontakt und Magnet dar, während konventionelle Sensoren aus zwei Komponenten bestehen und sowohl einen Magnet als auch einen Sensor benötigen. Der Sensor wird auf den Türrahmen montiert. Wenn die Tür geschlossen ist, befindet sich der Sensor im geschlossenen Status. Sobald die MEtalltpr geöffnet wird, öffnet sich der Schalter (Schließer) des Sensors, wodurch ein Impuls erzeugt wird, der von einem einfachen elektronischen Schaltkreis erkannt werden kann. Hierdurch wird ein entsprechender Alarm ausgelöst.

Weitere Anwendungen: Fenstersensoren, Notfallsensor an Eisentüren, Positionsfühlung u. v. m.

Medizin[Bearbeiten]

Elektrische Gehhilfen

Erkennung von Bewegung und Endposition Massagestühle, Badewannenlifte, Krankenhausbetten usw. haben elektronische Reguliereinheiten, die durch Reedsensoren kontrolliert werden können. Bei dieser Lösung ist keine Versorgungsspannung notwendig. Deshalb ist die Gefahr von Stromschlägen nicht vorhanden.

Die Reedsensoren werden dabei meistens als Endpositionssensoren eingesetzt. Der Magnet ist am beweglichen Teil der Einheit platziert. Wenn sich der Magnet dem Reedsensor nähert, wird der notwendige Regelkreis aktiviert und die Bewegung gestoppt.

Zusätzlich zur Erkennung der Endposition können auch die unterschiedlichen Positionen bei Bewegung überwacht werden. Hierfür werden mehrere Reedsensoren an die zu erkennenden Positionen montiert. Wenn der Magnet diese Stellen passiert, findet die Signalisierung statt. Eine andere Möglichkeit stellt die Verwendung mehrerer Magnete zusammen mit einem Reedsensor dar. Bei komplexeren Positionen und Bewegungen kann auch eine Kombination aus beiden Methoden eingesetzt werden. Anwendungsbeispiele: Krankenhausbett, Position Hebeeinrichtungen, Elektro-Rollator, Patientenlift, Elektrische Rollstühle, Position Treppenlifter, Position Rollstuhlrampen

Implementierbare und tragbare Geräte

In implementierbaren und tragbaren Geräten wird ein möglichst kleiner Schalter verwendet, der so wenig wie möglich Strom verbraucht. Reedschalter und –sensoren benötigen in normal geöffnetem Zustand keinen Strom

Beispiele: Kamerapillen Glukose Überwachung, Operationswerkzeug, Hörgeräte, Herzschrittmacher, Orthopädische Instrumente, Tragbare Defibrillatoren, Wirbelsäulenstimulatorimplantate, Kapselendoskopie

Andere medizinische Geräte

Reedrelais kommen in vielen unterschiedlichen medizinischen Geräten zum Einsatz, wo hohe Ströme und/oder hohe Spannungen benötigt werden. Geräte wie beispielsweise elektro-chirurgische Generatoren setzen Hochspannungsrelais ein, um die Stromzufuhr für das operative Kauterisieren der Gefäße zu regulieren. Ähnliche Geräte verwenden RF Energie kombiniert mit Salzlösung, um die Gefäße zu verschließen. Hierfür sind Hochfrequenzrelais eine geeignete Lösung

Weitere Beispiele: Reinigungsgeräte, Defibrillatoren, Medikamentenspender, Elektro-chirurgische Generatoren, EKG Geräte , Insulinpumpen, Tropfinfusionen

Quellen[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Reed-Relais – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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