Gas- und Wasserzähler mit automatischen Datenfernauslese-Systemen erfordern Sensoren mit äußerst geringem Strombedarf. Die Messung des Wasser- und Gasverbrauchs erfolgt häufig durch einen auf einer Drehachse angebrachten Magneten. Dabei wird jede Umdrehung in ein elektrisches Signal umgewandelt und an das integrierte, elektrische Zählwerk übertragen. Da die erwartete Lebensdauer solcher Zähler in der Regel bei 20 Jahren ohne Batterie-Austausch liegt, ist ein geringer Stromverbrauch essenziell für eine möglichst lange Lebensdauer der Batterie.

Häufig werden Halbleiter-Sensoriktechnologien wie Magnetoresistive(MR)- und Hall-Sensoren für Messanwendungen mit niedrigem Stromverbrauch verwendet. MR-Sensoren sind monolithische, integrierte Schaltkreis-Vorrichtungen mit eingebauten Widerstands-elementen in Kombination mit einem komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Schaltsystem (CMOS-Schaltsystem). Wird ein solcher Sensor einem Magnetfeld ausgesetzt, verändert sich der elektrische Widerstand der MR-Vorrichtung im Verhältnis zur Richtung des Magnetfelds. Diese Veränderung des Widerstands lässt sich nutzen, um die Veränderung in einem angelegten Magnetfeld festzustellen. So kann ein MR-Sensor als berührungsloser Schalter mit einem äußerst niedrigen Stromverbrauch sowie hoher Ansprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit fungieren. Aber: Herkömmliche MR-Sensoren ziehen in der Regel kontinuierlich eine geringe Menge Strom.

Hall-Sensoren sind Halbleiter-basierte Wandler, die die Ausgangsspannung als Reaktion auf die Veränderungen im entsprechenden Magnetfeld modifizieren. Diese Sensoren kombinieren ein Hall-Sensorelement mit Schaltungstechnik, um eine digitale An-/Aus-Funktion zu erzeugen, die sich nach der Veränderung eines Magnetfelds richtet und dabei keinerlei bewegliche Teile enthält. Wie die MR-Sensoren ziehen auch Hall-Sensoren stetig eine geringe Menge Strom.

Veraltete oder bewährte Technik?

Obwohl Reed-Schalter als veraltete Technik gelten, sind sie wegen ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit für leistungsarme Anwendungen weiterhin beliebt. Bei einem Reed-Schalter handelt es sich um einen elektrischen Schalter, der durch das Anlegen eines Magnetfelds betätigt wird. Der Schalter besteht aus zwei oder drei dünnen Metallzungen mit beschichteten Kontakten an ihren Enden, die mit minimalem Abstand zueinander liegen.

Diese metallischen Schaltzungen befinden sich in der Regel in einem dichten Glasröhrchen mit Inert-Gas. Durch das Anlegen eines magnetischen oder elektromagnetischen Felds schlagen die Metallzungen aus und verbinden oder unterbrechen dabei die Schaltkontakte.

Vorteile der Reed-Schalter

Reed-Schalter benötigen deutlich weniger Strom als MR- und Hall-Sensoren. Diese Mikroleistungs-Sensoriktechnologien haben dank eines kurzen, aktiven Abtastzyklus zwar einen niedrigen Stromverbrauch; die Systeme ziehen jedoch kontinuierlich Strom, um einen internen Oszillator anzutreiben. Im Gegensatz dazu sind Reed-Schalter passive Bauteile, die für ihren Betrieb überhaupt keinen Strom benötigen. Eine leistungsarme Reed-Schalter-Konfiguration besteht aus zwei Reed-Schaltern in Ver­bindung mit Feldeffekt-Transistoren (FET-Schaltern). Die Reed-Schalter können so ausgelegt werden, dass sie Drehbewegungen ohne Strombedarf wahrnehmen, es sei denn, einer der Schalter hat eine Veränderung erkannt.

Die unterschiedlichen Bauteile eines Reed-Schalters.

© Littelfuse

Alternativ kann ein bereits im System vorhandener Mikrocontroller ­einen Reed-Schalter-Kontakt mit ­minimaler Leistungsaufnahme mittels Polling abrufen. Reed-Schalter haben einen deutlich niedrigeren Strombedarf als alle vergleich­baren Technologien und sind kostengünstiger, da sie kleinere Batterien benötigen.

Halbleitervorrichtungen besitzen einen typischen Betriebsstrom und einen maximalen Betriebsstrom. In einer optimalen Konstruktionsplanung werden Worst-Case-Werte berücksichtigt. Der höhere Maximalstrom bei Halbleitersensoren kann zu Problemen führen, wenn diese von den Batterien mehr Strom benötigen und damit die Lebensdauer des Produkts reduzieren. Die Stromaufnahme eines Reed-Schalters hingegen ist durch einen Widerstand und die Versorgungsspannung festgelegt. Die typischen ­Stromversorgungs- und Widerstands­toleranzen sind bei Reed-Schaltern ­erheblich enger gefasst als in den ­Spezifikationen zum Betriebsstrom von Halbleitervorrichtungen.

Beispielsweise verfügt ein Micro­power-Hall-Sensor über einen durchschnittlichen typischen Betriebsstrom von 5 µA, aber über einen durchschnittlichen Worst-Case-Betriebsstrom von 10 µA. Ein Nanopower-MR-Sensor besitzt einen typischen durchschnittlichen Betriebsstrom von 0,31 µA, aber einen durchschnittlichen Worst-Case-Betriebsstrom von 6,35 µA. Ein sich kontinuierlich in Betrieb befindlicher Reed-Schalter-Kreislauf, der die Hälfte der Zeit geschlossen ist und mit einem 1 MΩ starken Pull-up-Widerstand und einer Spannungsversorgung von 3 V arbeitet, hat im Vergleich hierzu einen typischen Betriebsstrom von 1,5 µA. Der durchschnittliche Worst-Case-Betriebsstrom liegt bei 1,66 µA. Diese Angaben gehen von einer 5-%igen Toleranz bei der Stromver­sorgung und dem Widerstand aus. In diesem Beispiel besitzt der Reed-Schalter den niedrigsten Worst-Case-Stromverbrauch.

Ein wichtiges Merkmal des Reed-Schalters ist seine Ansprechempfindlichkeit, also die erforderliche Magnetfeldstärke, um ihn auszulösen. Die Ansprechempfindlichkeit von Reed-Schaltern wird durch die Ampere-Windungszahl (AW) beschrieben und entspricht dem Strom in einer Spule, multipliziert mit der Anzahl der Windungen. Eine typische Pull-in- beziehungsweise Betätigungsempfindlichkeit liegt zwischen 8 und 40 AW. Zwar wird die magnetische Ansprechempfindlichkeit von Reed-Schaltern in der Einheit AW angegeben, näherungsweise kann jedoch ein Verhältnis von 1 AW = 1 Gauß (entspricht 0,1 mT) angenommen werden.

Die magnetischen Ansprechschaltpunkte von Reed-Schaltern sind präziser als digitale Halbleiterschalter. Eine hohe Genauigkeit ist insbesondere wichtig, wenn Systeme unter allen Betriebsbedingungen funktionieren sollen.