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Reed Schalter vs. Hall Sensor

Zwei Sensorik-Lösungen für spezielle Anwendungsbereiche

Die Nachfrage nach Reed Schaltern hat in der jüngsten Vergangenheit stark zugenommen. Das liegt vor allem an deren mechanischem Aufbau, der bei Passivität keinerlei Energieressourcen verbraucht. Im Vergleich zum Hall Sensor ist der Reed Schalter deshalb eine attraktive Alternativlösung für Anwendungen, in denen z. B. Energieeffizienz und niedriger Stromverbrauch eine zentrale Rolle spielen.

Reed- und Hall-Technologie folgen einem jeweils eigenen Konstruktionskonzept. Zwar werden beide durch ein externes Magnetfeld angesteuert bzw. aktiviert, tatsächlich befindet sich im Hall Sensor jedoch ein Stromkreislauf, der auch im passiven Zustand mit Strom versorgt werden will, weil sein Konstruktionsprinzip die Bereitstellung eines Ausgangssignals vorsieht. Beim Reed Sensor handelt es sich dagegen um einen mechanischen Schalter, der erst durch ein magnetisches Feld aktiviert wird, um eine Last zu schalten. Wird er das nicht, verbraucht er keinerlei Strom. Dieser Hauptunterschied hat verschiedene Konsequenzen für den Einsatz der beiden Technologien in konkreten Anwendungen.

„Beide Technologien haben ihre Daseinsberechtigung“
„Im Zuge der Energiewende, die sich bei der Herstellung von Endgeräten an den Maßstäben der Energieeffizienz orientieren muss, ist die Nachfrage nach Sensoren auf Reed Basis in der jüngsten Vergangenheit stark angestiegen“, berichtet Martin Reizner, Product Manager Magnetic Position Sensors EMEA beim Sensorik-Hersteller Standex Electronics. Ein Ende dieser Entwicklung sei nicht abzusehen. „Insbesondere bei Weißer Ware, wie Geschirrspülern oder Kühlschränken bzw. batteriebetriebenen Anwendungen steigen immer mehr Hersteller auf die Reed Technologie um.“ Im Vordergrund steht bei den Sensorik-Herstellern, wie bei den Kunden, deshalb die Minimierung des Stromverbrauchs der Applikation, der durch den Einsatz der Reed Technologie anwendungsgerecht optimiert bzw. reduziert werden kann.

Fakt ist: „Beide Technologien haben ihre Daseinsberechtigung“, sagt Reizner. Er vertritt die Meinung, dass sich Hall Sensoren vor allem für Hochgeschwindigkeitsanwendungen größer 1 kHz besser eignen, weil hier der Reedkontakt an seine physikalischen Grenzen gerät. Für Anwendungen mit Frequenzen kleiner 1 kHz empfiehlt Reizner dagegen den Reed Schalter. Dazu zählt etwa ein Durchflusszähler, der u. a. in Weißer Ware zum Einsatz kommt. Auch wenn für Reed Schalter noch kein normierter Sicherheitsstandard existiert und jede Anwendung über eine gesonderte Autorisierung und Sicherheitsfreigabe verfügen muss, hat er jedoch im Vergleich zum Hall Sensor einen großen Vorteil: die Schalthysterese.

Physikalisch bedingt, verfügt der mechanische Reed Schalter über eine Schalthysterese. Sie beschreibt die Differenz zwischen dem Ein- und den Ausschaltpunkt eines Reed Schalters. D.h.: Erreicht der vorbeifahrende Magnet z. B. einen vordefinierten Einschaltpunkt von 5 mm Entfernung zum Reed Schalter, schlagen dessen Paddel zusammen. Der Reed Schalter ist aktiv. Bewegt sich der Magnet weiter, bis er schließlich die vordefinierte Abschaltposition von 7 mm erreicht, schaltet er sich erst hier wieder ab. Die Schalthysterese beträgt also 2 mm. In bestimmten Anwendungen kann das erwünscht sein, z. B. in einem mit einem Flügelrad ausgestatteten Wasserdurchflussmesser auf Reed Basis. Dieser ist auch dann gegen zufällige Wellenbewegungen des Wassers resistent, wenn das Flügelrad durch sie leicht bewegt wird. Von Herstellerseite ist es in diesem Fall nicht erwünscht, dass hier eine Schaltung stattfindet, folglich also gemessen werden würde. Der Wasserdurchfluss muss also erst eine gewisse Stärke erreichen, bis geschaltet bzw. gezählt wird. Mit anderen Worten: Bewegt sich der Reed Schalter innerhalb der Hysterese, zählt er keine Wassereinheiten. Dagegen würde sich der Hall Sensor bei der geringsten Wasserbewegung aktivieren bzw. deaktivieren.

Weltweit kleinster Reed Schalter
Der mechanische Aufbau wirkt sich auch auf die Kostensituation des Reed Schalters aus. Er ist kostengünstiger herzustellen als der Hall Sensor, der u. a. die zusätzlich erforderliche Außenbeschaltung, die Signalverstärkung, die Temperaturstabilisierung, den Kurzschlussschutz, sowie den Stromverbrauch in der Kalkulation berücksichtigen muss. Auch wenn der Reed Schalter nicht ganz an die kleinste Baugröße des Hall Sensors herankommt, Standex Electronics stellt mit einer Glaslänge von knapp 4 mm derzeit den weltweit kleinsten Reed Schalter her und ermöglicht dadurch ein konkurrenzlos kompaktes Reed-Design, das an Hall-Dimensionen heranreicht.

Der Reed Schalter selbst ist von einer Glashülle umgeben, die mit Schutzgas – i. d. R. Stickstoff – befüllt ist. Dieser Aufbau wird zusätzlich durch ein stabiles Gehäuse geschützt. Glas und Gehäuse riegeln den Reed Schalter hermetisch vor äußeren Umwelteinflüssen wie Staub, Öl, Wasser, chemischen Substanzen ab, die sich negativ auf seine Funktion auswirken könnten, und verhindern Korrosion. Auch unter extremen thermischen Bedingungen wie z. B. Hitze oder Kälte hat der Reed Schalter Vorteile. Während hier Arbeitsleistung und Zuverlässigkeit des Hall Sensors nachlassen, gewährleistet der Reed Schalter im Temperaturbereich von -65 OC bis +150 OC (Hall Sensor -55 OC bis +125 OC) eine reibungslose Funktion.

Der mechanische Charakter des Reed Schalters macht ihn gegen elektronische Störfelder immun. Er benötigt im Gegensatz zum Hall Sensor keinen Schutz gegen elektromagnetische Entladung (ESD, electromagnetic discharge). Das sorgt für eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) in Bezug auf benachbarte, systemrelevante Geräte, über die der Hall Sensor nicht verfügt, weil er von seinem Grundprinzip her ein Ausgangssignal zu liefern hat, das eine fortwährende Stromversorgung erforderlich macht. In diesem Fall sind besondere EMV-Vorkehrungen zu treffen, um den Hall Sensor von Nachbargeräten zu isolieren. Die Schwierigkeit liegt hier insbesondere beim Auftreten von Leckströmen. Ein spezieller ESD-Schutz ist deshalb unumgänglich.

Die maximale Isolation eines Reed Schalters liegt bei 1015 Ohm. Er übertrifft damit die Isolationswerte eines Hall Sensors um ein Vielfaches. Trotzdem treten auch beim Reed Sensor Leckströme auf. Diese liegen jedoch im Femptoampere-Bereich, der sogar in der Medizintechnik toleriert wird. Das mechanische Prinzip des Reed Schalters ermöglicht deshalb im Umkehrschluss auch die Messung von kleinsten Strömen. Dafür sorgt auch der geringe Übergangswiderstand von 50 mOhm. Hall Sensoren erreichen hier Hunderte von Ohm.

Die grundsätzliche Bandbreite der möglichen Lastfälle, die mit einem Reed Schalter geschaltet werden können, ist enorm: Sie erstreckt sich vom Nanovoltbereich bis in den Kilovoltbereich, von Femptoampere bis Ampere und ermöglicht Frequenzen bis 10 GHz. Selbst kleinste Reed Schalter sind in der Lage, Spannungen von bis zu 1.000 Volt zu isolieren. Dafür ist keinerlei ESD-Schutz erforderlich.

Anwendungsspezifische Konfiguration
Es gibt größere und kleinere Reed Schalter mit unterschiedlichen Amperewindungen (AW) und verschiedenen Hysteresen bezüglich der Magnetentfernung oder der Magnetgröße. Aufgrund seines Funktionsprinzips lassen sich diese Reed-Parameter an anwendungsspezifische Anforderungen – z. B. die speziellen Auflagen der Energieeffizienzklassen – anpassen. Diesbezüglich ist der Hall Sensor im Nachteil. Nimmt man einen programmierbaren Hall-Chip, kann er mit Hilfe einer Software diese Schwäche zwar etwas kompensieren, insgesamt bleibt er aber hinter dem Reed Schalter zurück, wenn es um anwendungsgerechte Konfiguration geht.

Dafür eignet sich der Hall Sensor für Applikationen mit Frequenzen größer 1 kHz. Dazu gehören u. a. Hochgeschwindigkeitssensoren zur Drehzahlmessung. Wegen der nicht vorhandenen Schalthysterese bietet der Hall Sensor hier eine deutlich höhere Wiederholgenauigkeit in der Signalmessung. Damit einher geht auch eine deutlich längere Lebensdauer. Mit über 500 Millionen Schaltzyklen übertrifft der Hall Sensor in diesem Einsatzbereich die Reed Technologie um Klassen. Ist es jedoch das Ziel des Reed Schalters, überwiegend kleine Lasten unter 5 Volt zu schalten, wie es u. a. in Zähler-Anwendungen der Fall ist, dann lassen sich mit dem Reed Schalter Schaltzyklen in Milliardenhöhe realisieren.

Besuchen Sie unsere Website für weitere Informationen unter: standexelectronics.com.

Mediaarbeit:

Werner Ludes
Standex Electronics
+49 (0) 7731/8299-64
wludes@standexelectronics.com

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