Beschaltung von Reed-Kontakten (SRK)

Ein Beitrag von Günter König.

Anzeige:

Grundlegendes und auftauchende Probleme

Bei Reed-Kontakten (auch Schutzgas Rohr Kontakt, kurz SRK, genannt) handelt es sich um Schaltelemente, die in der Lage sind, durch ein von außen einwirkendes Magnetfeld elektrische Schaltvorgänge auszulösen.
In der Regel befinden sich die Kontakte in einem Glasgehäuse, welches mit einem Schutzgas befüllt ist oder seltener auch in einem Vakuum. Dies verhindert Korrosionserscheinungen, die aufgrund des Abschaltvorganges sonst unweigerlich zum schnellen Verschleiß bzw. zu erhöhten Übergangswiderständen im EIN-Zustand beitragen.
Beide Kontakte sind mit jeweils einem Anschlussdraht verbunden, der dann die Verbindung zur Außenwelt darstellt.

Ausführungen von SRK's

Handelsüblich sind Schließer-Kontakte, das heißt, wird ein Reedkontakt einem Magnetfeld ausgesetzt, schließt sich der Kontakt. Elektrisch betrachtet bedeutet dies im offenen Fall (= kein Magnetfeld) einen idealerweise unendlichen hohen Widerstand hingegen der geschlossene Kontakt einen Widerstand von 0 Ohm darstellt.
Erhältlich sind auch Kontakte mit einer Umschaltfunktion. Diese Kontakte haben dann drei Anschlüsse.

Schalten mit SRK's

Reed Kontakte selbst können nur kleine Lasten schalten. Aufgrund ihrer Bauart können sie das aber über einen sehr langen Zeitraum und aufgrund ihrer geringen Masse sind sie sehr schnell. Allerdings gilt dies nur, wenn einige elementare Dinge beachtet werden.
Betrachten wir einmal die Daten eines solchen Kontaktes als Beispiel:
Schaltspannung : 220 V
Schaltleistung : 10 W

Daraus folgt ein Strom von ca. 45 mA bei der angegebenen Schaltspannung. Diese Angaben beziehen sich auf das Schalten von rein ohmschen Belastungen. Im MoBa-Bereich haben wir es aber oft mit induktiven Belastungen zu tun (Weichen, Formsignale etc.). Diese Angaben gelten dann nur äußerst bedingt und sind mit größter Vorsicht zu genießen!

Schauen wir uns mal in Abb. 1 die Grundbeschaltung eines Kontaktes in Verbindung mit einem Relais an:



An den Eingängen SRK wird der Reedkontakt mit seinen beiden Anschlüssen angeklemmt. K1 stellt das Relais dar. Mit K1a und K1b sind die Kontaktsätze des Relais bezeichnet. Die Bezeichnungen der Kontakte des Relais bedeuten folgendes:

NO = normal open = im Ruhezustand geöffnet = Schließerkontakt
C = common = Eingangspin ( Bockpol oder Wechslerkontakt)
NC = normal closed = im Ruhezustand geschlossen = Öffnerkontakt

Dies bedeutet: Ist das Relais im Ruhezustand (kein Strom fließt durch die Relaisspule), sind die Anschlüsse C und NC verbunden. Fließt ein Strom, liegt die Verbindung von C nach NO. An PWR wird die Versorgungsspannung angeschlossen.
Für das Relais wurden folgende Werte angenommen:
Betriebsspannung = 12 V
Innenwiderstand = 500 Ohm
Induktivität = 10 mH

Das sind Standardwerte für etliche Relaistypen. Wird nun der Reed-Kontakt einem Magnetfeld ausgesetzt, schaltet das Relais ein. Das Diagramm zeigt folgendes Verhalten:


Diagramm 1

Jetzt deuten wir mal das Diagramm:

Wir sehen in der oberen Hälfte des Diagramms 1 die Schaltspannung (grün). In der Sekunde 0 springt sie auf 12 Volt (der Zug mit dem Magneten hat den Reed-Kontakt erreicht), der SRK schaltet und das Relais erhält nun die Spannung von +12 V und zieht an. Nach 1 Sekunde ist der Zug über den Reed hinweg und der Reed-Kontakt wird aufgrund des nun fehlenden Magnetfeldes wieder geöffnet - das Relais fällt aufgrund der somit fehlenden Spannung wieder ab.

In diesem Moment tritt eine Erscheinung ein, die man in der Elektrophysik als Selbstinduktion bezeichnet (Siehe auch "Verhalten von Spulen und Induktivitäten"). Man sieht dies als eine Spannungsspitze in der unteren Diagrammhälfte (blau gezeichnet) die hier bis zu -7000 Volt betragen kann ( 1KV = 1000 V). Gemessen wird direkt am Relais an den Punkten 1 und 2. Die Höhe dieser Spannung ist abhängig von mehreren Faktoren, u.a. auch von den Daten des Relais, sowie der Abschaltgeschwindigkeit. In der Realität kann diese Spannung durchaus noch höher sein.
Auf jeden Fall wird der Reed Kontakt spannungsmäßig überlastet (in diesem Fall mit ca. 6780 V) was zur Folge hat, das ein Lichtbogen entsteht. Das wiederum bedeutet Kontaktabbrand, ein "kleben" der Kontakte und somit Zerstörung. Strommäßig liegt der Normalbetrieb zwar mit 24 mA im Dauerbetrieb noch im Sollbereich, ist aber für einen solchen Kontakt doch recht hoch. Weiterhin erzeugen diese Spannungsspitzen starke elektromagnetische Störungen, welche eine eventuell vorhandene Elektronik in ihrer Funktionsweise stark beeinträchtigen kann, womit diese einfache Schaltung unbedingt zu vermeiden ist!

Eine Abhilfe kann die Schaltung nach Abb. 2 darstellen:



Der Schaltung aus Abb. 1 wurde der Widerstand von 10 Ohm und der Kondensator mit 47 nF hinzugefügt. Diese Beschaltung liegt parallel zum Reedkontakt und zeigt folgende Wirkung:


Diagramm 2

Man kann deutlich auch hier die Spannungsspitze der Selbstinduktion erkennen, allerdings liegt sie nur noch bei ca. -3 Volt. Dies ist gegenüber der Schaltung aus Abb. 1 aber schon eine heftige Verbesserung. Für den Reed selbst bedeutet das eine Spannungsüberhöhung von 3 Volt - daher liegen im Abschaltmoment an seinen Kontakten 15 Volt bei einer Schaltspannung von 12 Volt an.

Wie funktioniert diese Beschaltung nun?

Ist der Reed eingeschaltet (Kontakt geschlossen) ist die Reihenschaltung aus Widerstand und Kondensator parallel zum Kontakt durch den Reed-Kontakt überbrückt und die Spannung beträgt daher 0 Volt.
Öffnet sich der Reed-Kontakt aufgrund des nun fehlenden Magnetfeldes, schaltet das Relais ab und der Vorgang der Selbstinduktion beginnt. Dadurch, dass der Kondensator in diesem Moment noch entladen ist, liegt sein Widerstand "gesagt" bei 0 Ohm. Dazu kommt der ohmsche Widerstand von 10 Ohm, so das sich ein Gesamtwiderstand von 10 Ohm bildet (der Reed ist in diesem Fall offen, sein Widerstand ist also idealerweise unendlich hoch). Diese 10 Ohm stellen nun, vereinfacht gesagt, die Belastung für die Selbstinduktionsspannung dar und begrenzen die Spannung auf einen verträglichen Wert.

Die dahintersteckenden genauen physikalischen und mathematischen Vorgänge möchte ich hier nun nicht breittreten, aber diese Schaltung hat einen gravierenden Nachteil:
Sie muss entsprechend dem Relais angepasst werden!

Das bedeutet in der Praxis, dass bei Verwendung eines Relais mit kleinerem Spulenwiderstand die Abschaltspannung am Reed steigt. Im ungünstigsten Fall kann das wiederum eine spannungsmäßige Überlastung des Reed's bedeuten.

Ein Beispiel: Der Spulenwiderstand verringert sich auf einen Wert von 50 Ohm, der Rest bleibt gleich. Das Diagramm sieht dann folgendermaßen aus:


Diagramm 3

Auffällig ist zu allererst, das es jetzt positive wie auch negative Spannungsspitzen gibt. Mit der angegebenen Dimensionierung 10 Ohm / 47nF liegen die Spitzen bei ca. +80 V und -100 V. Der verwendete SRK wäre hiermit zwar spannungsmäßig noch nicht überlastet, wird aber in einer Betriebsart betrieben, die auf eine möglicherweise ungewollte fehlerhafte Dimensionierung beruht und somit vermeidbar ist.
So manch einer mag sich nun fragen, was ist zuerst da, die positive Spitze oder die negative Spitze? Lösen wir das Diagramm 3 in der Zeitachse weiter auf und betrachten im Diagramm 4 die Abschaltspannung, sieht man etwas ganz interessantes:


Diagramm 4

Es zeigt sich, dass nach dem Abschalten doch noch etwas mehr passiert. Die Beschaltung Relais -> Widerstand -> Kondensator bildet einen sogenannten Schwingkreis, der in der Lage ist, hochfrequente elektromagnetische Schwingungen zu erzeugen. In diesem Falle handelt es sich um eine gedämpfte Schwingung. Die Frequenz dieser Schwingung liegt hier bei ca. 7,1 KHz. Sie kann aber bei entsprechender Dimensionierung der Relaisspule (Induktivität) und des verwendeten Kondensators (Kapazität) auch wesentlich höher liegen.
Aufgrund der hohen Amplitude (Schwingungshöhe positives Maximum zu negatives Maximum) kann diese Erscheinung durchaus wieder Störungen in benachbarten Elektronikbaugruppen und, bei entsprechend hoher Frequenz, in Rundfunk und TV hervorrufen.
Eine spannungsmäßige Überlastung des SRK´s bei fehlerhafter Dimensionierung ist natürlich auch möglich.
Nun denn, optimal ist diese Lösung jedenfalls auch nicht und sollte nur angewendet werden, wenn keinerlei Elektronik im näheren Umfeld betrieben wird und/oder man Kenntnisse in der exakten Dimensionierung der Bauteile hat.

Eine weitaus bessere Lösung zeigt die Abb. 3 :



Anstelle der RC-Kombination parallel zum Reed-Kontakt liegt hier eine Diode parallel zur Relaisspule.
Wie wirkt sich das aus?


Diagramm 5

Man sieht im Diagramm 5, dass beim Abschalten des Relais durch den Reed-Kontakt zwar nach wie vor eine negative Spannungsspitze vorhanden ist, diese aber mit ca. 1 Volt doch recht niedrig ist. Für den Reed-Kontakt bedeutet dies nur eine Spannungsüberhöhung von 1 Volt, die aber beim Betrieb an 12 Volt problemlos zu verkraften sind. Als Diode ist der Typ 1N4007 sehr zu empfehlen, es gehen aber auch Dioden vom Typ 1N5819 o. ä. Bei dieser Diode handelt es sich um eine Schottky Diode, die mit einer Schwellspannung von ca. 25 0mV sehr gut geeignet ist.


Diagramm 6

Wie im Diagramm 6 zu sehen ist, ist die negative Spannungsspitze am Relais noch geringer als bei einer Standard-Siliziumdiode vom Typ 1N4007, was für den Reed-Kontakt eine noch geringere Spannungsüberhöhung bedeutet. Die in einer solchen Schaltung verwendeten Dioden nennt man "Freilaufdioden".

Abschließend zu diesem Thema sei grundlegend gesagt:
Eine direkte Ansteuerung eines induktiven Verbrauchers mittels eines SRK ist aufgrund der entstehenden hohen Strom- und Spannungsbelastung des Kontaktes nicht zu empfehlen.
Die Zwischenschaltung eines Relais oder anderen Leistungselementen ist daher immer vorzuziehen.
Der Einsatz von Freilaufdioden in Verbindung mit induktiven Lasten ist zwingend erforderlich!

Auf der Seite "Transistors als Schalter" wird grundlegendes zur Funktion sowie dessen Einsatz als Schaltverstärker für einen Reed-Kontakt beschrieben.

Danke an Günter König für den Artikel.

Das sagen User zu diesem Thema (3 Beiträge):