Reduzierung der magnetischen Wechselwirkung in Reed-Relais-Anwendungen

Reed-Relais sind anfällig für magnetische Effekte, die unter bestimmten Bedingungen die Leistung beeinträchtigen können. In diesem Bericht wird ein praktischer Ansatz zur Reduzierung magnetischer
Effekte zwischen Reed-Relais und zwischen Reed-Relais. Die Richtlinien können in vielen Fällen angewendet werden.

Mit dem Trend zur Verkleinerung elektronischer Geräte werden Reed-Relais in der Regel in unmittelbarer Nähe zueinander platziert. Magnetische Kopplung zwischen Relais kann
Parameter wie die Anzugs- und Abfallspannung beeinflussen. Unter bestimmten Umständen werden benachbarte Relais durch ihre Nachbarn negativ beeinflusst.

Es werden experimentelle Daten für einige grundlegende Reed-Relais-Arrays unter Worst-Case-Bedingungen bereitgestellt. Eine Analyse der Daten wird mit Gleichungen vorgestellt. Die Daten wurden
Die Daten wurden für Reed-Relais mit Einzelgehäuse (SIL) gesammelt, gelten jedoch für die meisten Reed-Relais-Gehäuse, da die grundlegenden physikalischen Prinzipien die gleichen sind.

Eine Checkliste für den Entwurf einer Relaisanordnung oder -matrix umfasst die Faktoren, die erforderlich sind, um die wahrscheinlichsten elektromagnetischen Effekte zu minimieren. Das systematische Abarbeiten der Checkliste hilft, viele störende Variablen zu reduzieren oder zu eliminieren.

Eine Vielzahl interner und externer Faktoren bestimmt das Verhalten eines Reed-Relais, wenn es in einer Matrixbaugruppe installiert und elektromagnetischen Störungen (EMI) ausgesetzt ist.

Interne Faktoren: Bereits in der Entwurfsphase müssen der Benutzer und der Hersteller die Anwendung besprechen und alle internen Faktoren berücksichtigen:

• Spulendrahtstärke
• Spulenwiderstand
• Amperewindungen der Spule (AT)
• Wicklungsrichtung der Spule
• Wicklungsanschlüsse der Spule
• Typ der Reedschalter-Baugruppe
• Anzahl der Reedschalter im Relais
• Interne magnetische Abschirmung

Externe Faktoren: Die Beherrschung externer Faktoren wird im Allgemeinen dadurch erreicht, dass der Betriebsumgebung des Reed-Relais angemessene Aufmerksamkeit geschenkt wird. Wie viel Aufwand für diese Faktoren betrieben wird, hängt davon ab, wie stark sie die Konstruktionsleistung beeinträchtigen. Diese Faktoren sollten berücksichtigt werden:

• Magnetfelder in der Nähe
• Abstand zwischen den Relais in der Relaismatrix
• Anordnung der magnetischen Polarität
• Externe magnetische Abschirmung

Um die magnetische Kopplung zwischen benachbarten Reed-Relais besser zu verstehen, betrachten wir folgendes Beispiel. Abbildung 1 zeigt einen Teil einer Relaismatrix mit zwei benachbarten Reed-Relais, die auf einer Leiterplatte montiert sind. Die Relais K1 und K2 sind baugleich und die Stromflussrichtung ist in beiden gleich.

Die magnetischen Feldlinien sind dargestellt, wenn beide Relais erregt sind. Wenn K1 und K2 erregt sind, beeinflussen sich ihre entgegengesetzten Magnetfelder gegenseitig. Dies ist dort zu sehen, wo das Feld von K2 in den Körper von K1 hineinragt.

Wenn K2 erregt ist und K1 nicht in Betrieb ist, liegt die Anzugs- und Abfallspannung von K2 innerhalb des vom Hersteller angegebenen Bereichs. Der Versuch, K2 unter Spannung zu setzen, während K1 in Betrieb ist, führt zu einem Anstieg der Anzugs- und Abfallspannung von K2, möglicherweise über die vom Hersteller angegebenen Grenzwerte hinaus.

Wenn K1 mit einem Strom erregt wird, der entgegengesetzt zu dem in K2 fließt, führt der Versuch, K2 zu erregen, zu niedrigeren Anzugs- und Abfallspannungen.

Relaismatrizen können auf verschiedene Weise konfiguriert werden. In dieser Analyse werden Daten zu fünf typischen Konfigurationen vorgestellt. Auch die Polarität wurde nur begrenzt berücksichtigt. Die vorgestellten Konfigurationen und magnetischen Polaritäten zeigen einige Worst-Case-Effekte der Wechselwirkung zwischen Relais und Magneten.

Experimenteller Aufbau

Experimentelle Daten wurden mit 0,20″ breiten, geformten SIP-Relais gesammelt. Die Konfigurationen der Testmatrix sind in Abbildung #2 dargestellt.

Die Daten wurden erfasst, während alle Relais, die das zu prüfende Relais (RUT) umgeben, mit der gleichen magnetischen Polarität erregt waren. Sobald alle Relais erregt waren, wurde der RUT (mit der gleichen magnetischen Polarität wie seine Nachbarn) schrittweise bis zum Anzugspunkt erregt. Die Daten für die Dropout-Spannung wurden auf ähnliche Weise erfasst.

Alle Daten wurden mit einem 5-V-Spulenantrieb erfasst. Bei Spulen mit höherer Spannung, die entsprechende Amperewindungen erzeugen, sind die Ergebnisse ähnlich. Spulen mit höheren Amperewindungen erzeugen etwas stärkere Wechselwirkungen. Bei den Daten, die für magnetisch abgeschirmte Relais vorgelegt wurden, ist die magnetische Abschirmung intern und ein integraler Bestandteil des Relais.

Im Allgemeinen sind die Bedingungen der magnetischen Wechselwirkung für die Anzugsspannung in einer Matrix nahezu optimal, wenn alle Relaisfelder die gleiche Polarität haben und alle Felder von
benachbarten Relais stammen(Abbildung #2). Die Wechselwirkung ist etwas geringer, wenn die Matrizen aus aneinander gereihten Relais bestehen(Abbildung 2d und 2e). Dieser Effekt ist in Abbildung 6b zu sehen.

Unter den erwarteten Worst-Case-Bedingungen ist die Dropout-Spannung nicht wirklich von Belang, da sie ansteigt und der Anzugsspannung folgt, wobei sie ungefähr
die gleiche Spannungsänderung. Die Dropout-Spannung kann zu einem größeren Problem werden, wenn die magnetische Polarität benachbarter Relais der des Prüflings entgegengesetzt ist (Hilfsspannung).

Diese Situation kann vermieden werden, indem den Relais geeignete Spannungspolaritäten zugewiesen werden und Relais von einheitlicher Herstellung verwendet werden. Die Änderung der Anzugsspannung (ÄPI) ist definiert als die Anzugsspannung mit Wechselwirkungseffekten minus der Anzugsspannung ohne Wechselwirkungseffekte. Die prozentualen Erhöhungen für die dargestellten Anzugsspannungen wurden mit der 5-V-Nennspannung der Spule berechnet. Mathematisch ausgedrückt. % ΔPI = ΔPI(100)/5 Volt Gleichung #1

Bei einer gegebenen Matrix bleibt die Änderung der Anzugsspannung für alle Relais mit unterschiedlich hohen Anzugsspannungen im Wesentlichen gleich. Wenn ein Relais ohne Wechselwirkung, zum Beispiel
beispielsweise eine Anzugsspannung von 2,3 V, so verschiebt sie sich mit Wechselwirkung auf 2,7 V (ΔPI von 0,4 V). Betrachten wir nun ein zweites Relais in derselben Matrix unter denselben Bedingungen, das eine anfängliche Anzugsspannung von 2,6 V hat. Durch die Wechselwirkung wird die Anzugsspannung auf 3,0 V ansteigen (auch hier beträgt der ΔPI 0,4 V).

Berechnung der Auswirkungen der magnetischen Wechselwirkung

Um die Auswirkungen der magnetischen Wechselwirkung auf Reed-Relais weiter zu untersuchen, betrachten wir ein Beispiel mit der Drei-Relais-Matrix von 5-V-SIL-Relais in Abbildung 5b auf 0,20″-Zentren (keine magnetische Abschirmung). Alle Tests werden mit dem mittleren Relais durchgeführt, das selbst eine Anzugsspannung von 2,6 V hat. Die beiden äußeren Relais werden durch Anlegen von 5 V an die Spule aktiviert.

Das mittlere Relais wird erregt und die erwartete Anzugsspannungsänderung kann berechnet werden.

Berechnen Sie zunächst die Änderung der Anzugsspannung. Für das Beispiel werden diese Gleichungen verwendet:

ΔPI =(% ΔPI x Vnom)/100
Gleichung Nr. 2

Dabei ist ΔPI = die erwartete Änderung der Anzugsspannung.

% ΔPI = die prozentuale Wechselwirkung, die bei der Nennspannung berechnet und in den Diagrammen der experimentellen Daten dargestellt wird. Vnom = die vom Hersteller angegebene Nennspannung der Spule
Hersteller.

PIwc = Plact + ΔPI
Gleichung Nr. 3

PIwc = die im ungünstigsten Fall erhöhte Anzugsspannung unter interaktiven Bedingungen.

Plact = die tatsächliche Anzugsspannung ohne externe magnetische Störungen.

Gemäß Abbildung 6a beträgt die magnetische Wechselwirkung bei einer Nennspannung der Spule von 5 V 14,2 %. Verwenden Sie Gleichung #2 zur Berechnung von ΔPI:

ΔPI = (14,2 x 5)100 = 0,71 Volt

Das Relais hat eine tatsächliche Anzugsspannung von 2,6 V. Daher kann die Beinahe-Worst-Case-Anzugsspannung mit Gleichung #3 berechnet werden:

PIwc = 2,6 + 0,71 = 3,31 Volt
Gleichung #4

Der für Plwc berechnete Wert ist möglicherweise der ungünstigste Fall für die gegebene Matrix unter allen möglichen Polaritätsbedingungen (magnetisch und elektrisch). Der für ΔPI berechnete Wert
ist ein guter Näherungswert für den gesamten Anzugsspannungsbereich.

Außerdem ist ΔPI ~ ΔDO, d. h. die Änderung der Dropout-Spannung in der Matrix folgt genau der Änderung der Anzugsspannung. Wurde beispielsweise bei der Berechnung von PIwc eine Dropout-Spannung von 1,4 V ohne magnetische Beeinflussung gemessen, so ändert sich dieser Wert unter den beschriebenen Bedingungen auf 2,11 V. Abgesehen von den seltenen Fällen, in denen besondere Abbruchbedingungen erforderlich sind, stellen die beschriebenen Änderungen der Abbruchspannung kein Problem dar.

Möglichkeiten zur Reduzierung magnetischer Effekte

• Spezifizieren Sie Reed-Relais mit interner Abschirmung
• Verwenden Sie eine externe magnetische Abschirmung auf der Matrix
• Größere Abstände zwischen den Relais vorsehen
• Gleichzeitiger Betrieb benachbarter Relais ist zu vermeiden
• Entwerfen Sie eine spezielle Matrixkonfiguration

Besondere Bedingungen

Für die in Abbildung 6 dargestellten Bedingungen wurden die Daten für einzelne nicht erregte Relais, die von erregten Relais umgeben sind, ermittelt. In vielen tatsächlichen Anwendungen werden die Relais
unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Bedingungen aktiviert. In der Regel werden mehrere Relais gemeinsam erregt.

Die in Abbildung 2a erfassten Daten werden beispielsweise um etwa den Faktor zwei reduziert, wenn die Relais in derselben Matrix auf diese Weise erregt werden: alle Relais werden gleichzeitig mit einer Rampenspannung erregt, während das mittlere Relais überwacht wird.

Hier werden die Wechselwirkungseffekte um den Faktor zwei verringert. Derselbe Effekt wird bei immer schnelleren Rampengeschwindigkeiten (etwa eine Sprungfunktion) beobachtet, wenn die Relais weiterhin gleichzeitig erregt werden.

Diese Verringerung der Wechselwirkung ergibt sich aus den geringeren umgebenden Magnetfeldern, die zum Zeitpunkt des Kontaktschlusses vorhanden sind, wo die tatsächlichen Anzugsspannungen typischerweise die Hälfte der Nennspannung betragen.

Unter bestimmten Bedingungen kann die gleichbleibende Richtung, in der die Spulen gewickelt und abgeschlossen werden, insbesondere wenn sie dicht nebeneinander montiert sind, den magnetischen
Einfluss reduzieren.

Die in Abbildung 4 gezeigte Matrix nutzt die gegensätzlichen magnetischen Polaritäten und die einheitliche Herstellung der Spulen, um die Wechselwirkung zu verringern, ohne dass zusätzliche Kosten für die magnetische Abschirmung anfallen. Dieser Effekt(Abb. 2) wird durch eine Verdrahtung der Matrix wie in Abbildung 1 erreicht.

Die in Abbildung 2 dargestellten Daten können mit den in Abbildung 3 dargestellten Daten für eine ähnliche, nicht magnetisch abgeschirmte SIL-Matrix mit 15 Spulen verglichen werden, bei der die Polaritäten in die gleiche Richtung weisen. Die Verbesserung oder verringerte Wechselwirkung
beträgt 2,5 % in Abbildung 5 im Vergleich zu 6 % in Abbildung 3.

• Angewandte Spannung: Die Versorgungsspannung kann bei maximaler Last und bei 50 °C bis zu 4,9 V betragen. Unter bestimmten Umständen kann die Lastspannung in Reihe mit Transistor-/Diodenabfällen von maximal 0,7 V über den Betriebstemperaturbereich liegen. Die Arbeitsspannung des Netzteils wird auf 4,3 V reduziert, die tatsächliche Spannung, die an der Relaisspule anliegt.
• Temperatureinflüsse: Wenn die maximale Betriebstemperatur des Systems 50 °C beträgt und die spezifizierte Pull-in-Spannung des Relais bei 25 °C für eine 5-V-Nennspannung der Spule maximal 3,6 V beträgt, ist ein Spannungsanstieg von 3,6 V auf maximal 3,96 V bei 50 °C zu erwarten.
• Verfügbarer Platz auf der Leiterplatte: Es wird eine 5 x 10-Relais-Matrix (50 Relais) benötigt. Um die Relais auf der Platine unterzubringen, muss eine gedrängte Anordnung verwendet werden (es stehen nur 7,75 in.2 Platinenfläche zur Verfügung). 4. Abstand zwischen benachbarten Relais: Die Relais müssen im Abstand von 0,20″ in fünf Reihen zu je 10 Relais angeordnet werden. 5.
• Erregung der Matrix: Bei dieser Anwendung werden maximal drei Relais gleichzeitig erregt. Abbildung 3a zeigt die für diese Anwendung erforderlichen Interaktionsdaten. Hier tritt der ungünstigste Fall für den nicht magnetisch abgeschirmten 0,20″-Abstand auf und beträgt 7,5 %. Unter Verwendung von Gleichung 2 werden die Wechselwirkungseffekte mit einer Erhöhung der Anzugsspannung im ungünstigsten Fall um 0,38 V berechnet. 6.

• Magnetische Abschirmung: Es wird beschlossen, keine magnetische Abschirmung zu verwenden. 7. Lebensdauereigenschaften. Im Allgemeinen sollte beim Schalten von Lasten mit mittlerem bis hohem Pegel die Übersteuerung der Spulenspannung etwa oder gleich 100 % betragen (etwa oder gleich dem Zweifachen der tatsächlichen Anzugsspannung), um die besten Lebensdauereigenschaften zu erzielen. In diesem Fall ist die Übersteuerung der Relaisspule gering; es wird jedoch nur ein Schalten mit geringem Pegel erwartet. Daher sollten die Lebensdauereigenschaften nicht beeinträchtigt werden.
• Entwurfsanalyse: Wenn die in Punkt 5 gefundenen Ergebnisse zu den Ergebnissen in Punkt 2 addiert werden, steigt die maximale Anzugsspannung unter interaktiven Bedingungen auf 4,34 V. Dies übersteigt die Mindestspannung von 4,3 V. Die beiden einfachsten Ansätze an dieser Stelle sind wahrscheinlich die Erhöhung der Versorgungsspannung oder die Senkung der anfänglichen maximalen Pull-in-Spannung von 3,6 V auf mindestens 3,2 V. Dies würde im schlimmsten Fall eine ausreichende zusätzliche Übersteuerung ermöglichen.

Magnetische Wechselwirkungen bei Reed-Relais können ein erhebliches Problem darstellen, wenn sie ignoriert werden. Es sind viele Lösungen möglich.

In diesem Artikel wird die Grundlage für die Ermittlung von Worst-Case-Szenarien für die grundlegenden Matrixtypen vorgestellt. Ein systematischer Ansatz für den Entwurf einer Relaismatrix kann
kann anhand der Checkliste erfolgen.

Es wird nachdrücklich empfohlen, dass sich der Benutzer bereits zu Beginn des Entwurfsprozesses mit dem Relaishersteller berät. Die Befolgung dieser Methodik wird das Potential für eine unvorhersehbare Leistung der Relaismatrix erheblich verringern.