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Reed-Schalter vs. Hall-Sensor: Ausgabe 15/2019, 25.09.2019

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 Alternative für Anwendungen, in denen z.B. Energieeffizienz und niedriger Stromverbrauch eine zentrale Rolle spielen.

Bilder: Standex Electronics

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 einen Spannungsimpuls 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.» Bei den Sensorik-Herstellern und Kunden steht deshalb die Minimierung des Stromverbrauchs der Applikation, der durch den Einsatz der Reed-Technologie anwendungsgerecht optimiert bzw. reduziert werden kann, im Vordergrund. Fakt ist: «Beide Technologien haben ihre Daseinsberechtigung», sagt Martin 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 der Product Manager 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.

Schalthysterese ist in manchen Anwendungen erwünscht
Physikalisch bedingt verfügt der mechanische Reed-Schalter über eine Schalthysterese. Sie beschreibt die Differenz zwischen dem Ein- und den Ausschaltpunkt eines Reed-Schalters. 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 kennt der Hall Sensor keine Schalthysterese und keine unterschiedlichen Ein- und Ausschaltpunkte. Er würde sich bei der geringsten Wasserbewegung aktivieren bzw. deaktivieren.

Weltweit kleinster Reed-Schalter mit einer Glaslänge von 4 mm
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 kleine Baugrösse des Hall-Sensors herankommt, Standex Electronics stellt mit einer Glaslänge von knapp 4 mm den derzeit, eigenen Angaben nach, weltweit kleinsten Reed-Schalter her und ermöglicht dadurch ein extrem kompaktes Reed-Design, das an Hall-Dimensionen heranreicht. Der Reed-Schalter selbst ist von einer Glashülle umgeben, die mit Schutzgas – in der Regel 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 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 bis +150°C (Hall Sensor –55 bis +125°C) eine reibungslose Funktion.
Der mechanische Charakter des ReedSchalters macht ihn gegen elektronische Störfelder immun. Er benötigt im Gegensatz zum Hall-Sensor keinen Schutz gegen elektrostatische Entladung (ESD, electrostatic 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 hierbei insbesondere beim Auftreten von Leckströmen. Ein spezieller ESD-Schutz ist deshalb unumgänglich.

Reed-Schalter hat viel höhere Isolationswerte als der Hall-Sensor
Die maximale Isolation eines Reed-Schalters liegt bei 1015Ω. 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 und damit in einem Bereich, der sogar in der Medizintechnik toleriert wird. Das mechanische Prinzip des ReedSchalters erlaubt deshalb im Umkehrschluss auch die Messung von kleinsten Strömen. Dafür sorgt auch der geringe Übergangs- widerstand von 50 mΩ. Hall-Sensoren erreichen hier Hunderte von Ω.
Die grundsätzliche Bandbreite der denkbar möglichen Lastfälle, die mit einem ReedSchalter geschaltet werden können, ist enorm: Sie erstreckt sich vom Nanovoltbereich bis in den kV-Bereich, von Femptoampere bis Ampere und ermöglicht Frequenzen bis 10 GHz. Selbst kleinste Reed-Schalter sind in der Lage, Spannungen von bis zu 1000 V zu isolieren. Zu bemerken ist dabei, dass dafür keinerlei ESD-Schutz erforderlich ist.

Anwendungsspezifische Konfigurationen sind beim Reed-Schalter einfacher
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 HallSensor 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 Mio. 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 V zu schalten, wie es beispielsweise in Zähleranwendungen der Fall ist, dann lassen sich mit einem ReedSchalter Schaltzyklen in Milliardenhöhe realisieren.

Quick Link: Firmen-Video www.polyscope.ch/ 2019/standex

Infoservice
StandexMeder Electronics GmbH
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info@standexmeder.com www.standexelectronics.com



Mit der Eurocent-Münze werden die Grössenverhältnisse deutlich. Der laut Anbieter weltweit kleinste Reed-Sensor (rechts) reicht mit 4 mm Grösse (Glaslänge) an die Dimensionen des Hall-Sensors (links) heran


Ein Reed-Schalter besteht aus zwei ferromagnetischen Schaltzungen, die hermetisch dicht verschlossen in ein Glasröhrchen eingeschmolzen werden. Die beiden Schaltzungen überlappen. Wirkt ein entsprechendes Magnetfeld auf den Schalter, bewegen sich die beiden Paddel aufeinander zu – der Schalter schliesst


Hall-Sensoren basieren auf dem sogenannten Hall-Effekt. In einem stromdurchflossenen Leiter, in dem senkrecht zur Stromrichtung ein magnetisches Feld wirkt, wird senkrecht zu den elektrischen und magnetischen Feldlinien eine Spannungsdifferenz aufgebaut