Reedkontakten
De mogelijkheden met reedkontakten en -relais zijn helaas nog onvoldoende uitgebuit. Dit artikel probeert een aanloop te zijn tot een veelvuldiger gebruik.
Mechanische en veelal ook elektromechanische schakelaars vormen in de moderne, op zichzelf uiterst betrouwbare half geleiderschakelingen vaak een zwak element. De kontakten zijn in sterke mate onderhevig aan slijtage en aan de invloeden van vocht, stof, temperatuur e.d. Bovendien is voor de bediening van konventionele schakelaars een relatief groot vermogen vereist. Deze bezwaren kunnen worden ondervangen door toepassing van reedkontakten en reedrelais. Vooral voor professionele - industriële en militaire - toepassingen betekent dit een groot voordeel.
Figuur 1. De tongen in de kapsule van het reedkontakt raken elkaar niet.
Reedkontakten zijn hermetisch gesloten, kleine, zeer gevoelige schakelelementen met een ongekende betrouwbaarheid en geschikt voor een zeer ruim temperatuurgebied. Zij kunnen op talloze manieren met behulp van een magnetisch veld worden bekrachtigd. Dit veld kan o.m. worden opgewekt met behulp van een rond een of meer schakelaars aangebrachte spoel; de bedoelde kombinatie van reedkontakt en spoel heet "reedrelais". Een reedschakelaar bestaat uit een reedkontakt plus een magneet met eksterne (hand)bediening.
Konstructie en werking van het kontakt
Een reedkontakt bestaat uit twee verende kontakttongen van goed magnetiseerbaar materiaal (nikkelijzer), tegenover elkaar opgesteld in een hermetisch afgesloten glazen kapsule.
In het midden van de kapsule overlappen de tongen elkaar enigszins, doch raken elkaar normaal niet, zodat er een opening is tussen de kontakten. Ter voorkoming van oksidatie is de glazen kapsule gevuld met stikstofgas. Wanneer een magnetisch veld in de lengterichting van de kontakten wordt aangebracht, worden de tongen gemagnetiseerd, waarbij de ene tong noordpool wordt en de andere zuidpool. De aantrekkingskracht tussen beide tongen is evenredig met het kwadraat van de magnetische fluks door de kontaktopening. Als Φ groot genoeg is wordt het kontakt gesloten "snap action".
Als de kontakten eenmaal zijn gesloten, kan voor het handhaven van die toestand ("houden") de fluks tot ongeveer de helft van de waarde worden gereduceerd. Bij nog verdere reduktie doet de veerkracht van de tongen het kontakt weer openen.
In principe kan het induceren van een geschikt magnetisch veld op twee manieren plaatsvinden:
- met een permanente magneet,
- met een spoel waar een elektrische stroom doorheen vloeit (elektromagneet).
De eenvoudige mechanische konstruktie, de direkte kontaktbediening en de uiterst geringe kontaktopening maken het mogelijk om met reedkontakten zeer hoge schakelsnelheden te bereiken.
De voordelen van het reedkontakt
Vooral voor toepassing in elektronische circuits bieden reedkontakten een groot aantal voordelen:
- door de hermetische afsluiting is een goede werking gegarandeerd, ook in een stoffige ruimte en in verontreinigde lucht; is bovendien veilig bij toepassing in eksnlosieve atmosferen;
- door de stikstofatmosfeer in de glaskapsule is er geen gevaar voor kontaktoksidatie;
- door de bijzondere grastechniek is toepassing mogelijk bij temperaturen tussen -100 °C en +200 °C; ook plotselinge temperatuursprongen zijn toelaatbaar.
- de betrouwbaarheid is bijzonder groot gedurende de nuttige levensduur; afhankelijk van de belasting kan het aantal schakelingen 5×108 bedragen;
- ook bij veel schakelen veranderen de eigenschappen van het reedkontakt niet en is justeren dus overbodig;
- de kontaktweerstand in gesloten toestand is zeer klein (<200 mΩ) en stabiel;
- de isolatieweerstand in geopende toestand is zeer groot (>1000 MΩ); de parallelkapaciteit is klein (<0,6 pF);
- het schakelen kan bijzonder snel plaatsvinden; schakeltijden van 0,5 ms zijn goed mogelijk;
- de gevoeligheid is groot; voor het sluiten van een reedkontakt met behulp van een spoel zijn slechts 37 ampère-windingen nodig;
- doordat de vorm van het reedkontakt zich uitstekend leent voor automatische fabrikage is de uniformiteit zeer groot.
Kontakten bekrachtigd met permanente magneten
Figuur 2. De krachtlijnen van het veld van een permanente magneet lopen van de noord- naar de zuidpool.
In principe kunnen twee bekrachtingsmetoden worden onderscheiden:
- het bewegen van de magneet t.o.v. het reedkontakt;
- het verplaatsen van een ijzeren afschermplaat tussen reedkontakt en permanente magneet.
Schakelen door het bewegen van een magneet
De krachtlijnen van het veld van een permanente magneet lopen van noord-naar zuidpool. Wil de magneet in de reedtongen tegengestelde polen induceren, dan moet het reedkontakt evenwijdig aan de krachtlijnen worden opgesteld. In de meeste praktische toepassingen zal de magneet parallel aan de lengte-as van de reedschakelaar bewogen worden. Doordat de krachtlijnen in het magnetisch veld bij de polen sterk van richting veranderen, ontstaat op een gegeven moment een situatie waarbij de krachtlijnen loodrecht op de kontakten staan. In de beide tongen wordt nu - afhankelijk van de richting van het veld - of een zuidpool of een noordpool geïnduceerd. Behalve door de veerwerking van de tongen verbreekt het kontakt dus ook ten gevolge van de afstotende kracht van de twee gelijknamige polen; dit heeft een bijzonder betrouwbare en effektieve verbreking tot gevolg.
Het reedkontakt kan ook tussen twee magneten worden geplaatst, die zo zijn opgesteld dat de krachtlijnen elkaar tegenwerken. Tussen beide magneten zal hierdoor een "nul"-punt ontstaan; het reedkontakt kan ten opzichte van dit nulpunt zo worden opgesteld dat de veerkracht van de tongen nog net niet door het magnetisch veld wordt overwonnen. Een kleine verplaatsing van een der magneten is dan reeds voldoende om het reedkontakt te sluiten.
Figuur 3. Het reedkontakt moet evenwijdig aan de krachtlijnen van de permanente magneet worden opgesteld als de magneet in de reedtongen tegengestelde polen wil induceren.
Figuur 4. Doordat de krachtlijnen in het magnetisch veld bij de polen sterk van richting veranderen, ontstaan op een gegeven moment een situatie waarbij de krachtlijnen loodrecht op de kontakten staan.
Figuur 5. Het reedkontakt kan ook tussen twee magneten worden geplaatst, die zo zijn opgesteld dat de krachtlijnen elkaar tegenwerken.
Reedrelais
In principe bestaat een reedrelais uit een of meer reedkontakten in een spoel. Als er een stroom door de windingen van de spoel wordt gestuurd ontstaat een magnetische fluks, waarvan de grootte afhankelijk is van de stroomsterkte en van het aantal windingen, m.a.w. van het aantal "ampère-windingen" of AW. Bij 50 AW sluiten alle kontakten (bij voorbeeld 0,1 A door 500 windingen). Omgekeerd zal een stroomsterkte van ca. 100 A het kontakt reeds doen sluiten wanneer dit naast de geleider wordt geplaatst (½ winding). Van dit laatste kan gebruik worden gemaakt bijvoorbeeld voor het detekteren van een lasstroom.
Voor elektronikatoepassingen, waar de stroomsterkten in het algemeen slechts gering zijn, is een reeks speciale reedrelais ontwikkeld. Deze zijn opgebouwd uit enige reedkontakten, aangebracht op een kunststofdrager en bewikkeld met enkele duizenden windingen van dun draad.
Na het wikkelen wordt een deksel gemonteerd en het geheel dichtgegoten met kunsthars. De aansluitpennen van het relais zijn ten opzichte van elkaar zodanig geplaatst, dat direkte montage op standaardplaten met gedrukte bedrading mogelijk is.
Hoewel reedkontakten en dus ook reedrelais in schakeltechnische zin uitsluitend "maaktontakten" presenteren, vermeldt het programma ook reedrelais met twee "verbreekkontakten". Dit is bereikt door toepassing van een "kunstgreep". Tegen de reedkontakten wordt een permanente magneet bevestigd, die de kontakten normaal gesloten houdt; wordt nu door de spoel een stroom gestuurd, zodanig gericht dat het veld van de permanente magneet wordt opgeheven, dan zullen de reedkontakten openen. Een stroom in tegengestelde richting versterkt het magnetisch veld; de betrokken reedrelais zijn dus gepolariseerd.Toepassing van reedrelais
Reedrelais vinden veelvuldig toepassing in professionele apparatuur die aan zeer hoge eisen moet voldoen ten aanzien van betrouwbaarheid en levensduur. Vooral voor het schakelen van signaal- en meetspanningen biedt dit type relais zeer vele voordelen. In automatiseringssystemen (b.v. dataloggers) worden reedrelais als "scanner" gebruikt. Een scanner tast in een bepaalde - meestal instelbare - periode een groot aantal ingangssignalen af, bijvoorbeeld signalen afkomstig van termokoppels, tachometers, rekstrookjes en andere opnemers. Vaak moeten enkele honderden ingangssignalen in enkele sekonden worden afgetast.
Het schakelen van zeer kleine spanningen kan problemen opleveren ten gevolge van termo-elektrische spanningen. Deze spanningen ontstaan op de overgangen van het nikkelijzer van het reedkontakt en het koperpatroon van bijvoorbeeld de plaat met gedrukte bedrading waarop het reed-relais is gemonteerd. De lassen van nikkelijzer naar koper zijn aangebracht in een isoterme ruimte binnen het relais.
Vergelijking van reedrelais met transistor en konventionele relais
In vergelijking met konventionele relais is vooral de uitzonderlijke betrouwbaarheid vermeldenswaard. Reedrelais kunnen onder ekstreme omstandigheden worden gebruikt; de ideale atmosfeer waarin de kontakten schakelen en de bijzonder grote schok- en trilvastheid garanderen steeds een betrouwbare werking. Bovendien zijn korte schakeltijden mogelijk.
Ten opzichte van transistors bieden reedrelais het voordeel dat zij veel dichter de "ideale" schakelaar benaderen. Een reedrelais schakelt inderdaad van: ,,geen spanning over de kontakten" (aan) naar "geen stroom door de kontakten" (uit). Met andere woorden: in de "aan"-stand is het reedkontakt vrijwel een kortsluiting, in de "uit"-stand een bijna perfekte isolatie.
Aan/ uitverhoudingen (in ohm) van 5×109 zijn normaal! Bovendien is in de "uit"-stand de parallelkapaciteit bijzonder laag (0,6 pF) zodat zonder bezwaar ook zeer hoge frekwenties kunnen worden geschakeld.
Schakelen door het bewegen van een afschermplaat
Met behulp van een weekijzeren afschermplaat, geplaatst tussen de permanente magneet en het reedkontakt, kan het veld worden "kortgesloten". De krachtlijnen die anders door de kontakttongen zouden lopen, vinden in de afschermplaat een veel kortere weg van noord- naar zuidpool. De reedschakelaar is eerst gesloten door het veld van de magneten; na het draaien van de afschermplaat over de magneet verbreekt het kontakt. Wanneer het reedkontakt tussen twee elkaar tegenwerkende magneten wordt opgesteld, in het "nul"-punt van het magnetisch veld, kan door het verplaatsen van een afschermplaat tussen een magneet en het reedkontakt het kontakt worden gesloten.
Figuur 6a en b. Met behulp van een weekijzeren afschermplaat, geplaatst tussen de permanente magneet en het reedkontakt, kan het veld worden "kortgesloten". De krachtlijnen, die anders door de kontakttongen zouden lopen, vinden in de afschermplaat een veel kortere weg van noord- naar zuidpool.
De reedschakelaar is eerst gesloten door het veld van de magneet (a).
Na het draaien van de afschermplaat over de magneet verbreekt het kontakt (b).
Figuur 7. Tegen het reedkontakt is een permanente magneet bevestigd, die de kontakten normaal gesloten houdt. Als men nu door de spoel een stroom stuurt, zodanig gericht dat het veld van de permanente magneet wordt opgeheven, zal het reedkontakt openen.
Technische gegevens
AW-waarden gemeten in een standaardspoel met magnetische retourcircuits
| sluiten | AW = 37 |
| houden | AW = 10 |
| verbreken | AW = 3,5 |
| open | AW = max. 19 |
De kontakten zijn geschikt voor het schakelen van een vermogen van maksimaal 4 W, respektievelijk een spanning van 66 V, respektievelijk een stroom van 100 mA. Maksimumspanning over de geopende kontakten: 900 V.
De kontaktweerstand in gesloten toestand is <200 mΩ, in geopende toestand is de overgangsweerstand >1000 MΩ. De kapaciteit van de geopende kontakten bedraagt 0,6 pF.