Caractéristiques de fonctionnement du commutateur Reed

Introduction

Le Reed switch a été inventé pour la première fois par Bell Labs à la fin des années 1930. Cependant, ce n’est qu’au cours des années 1940 qu’il a commencé à trouver une application plus large en tant que capteur et relais Reed. Il a alors été utilisé dans un ensemble d’applications de pas-à-pas/commutation, dans des équipements électroniques des débuts ainsi que dans du matériel de test. À la fin des années 1940, Western Electric a commencé à utiliser des relais Reed dans ses centraux téléphoniques de commutation, où ils sont encore utilisés dans certaines zones aujourd’hui. Le Reed switch a grandement contribué au développement des technologies de télécommunications. Au fil des années, plusieurs fabricants sont apparus puis ont disparu, certains restant plus longtemps qu’ils n’auraient dû, ternissant le marché avec une mauvaise qualité et une faible fiabilité. Cependant, la plupart des fabricants de Reed switches aujourd’hui produisent des interrupteurs de très haute qualité et très fiables. Cela a entraîné une croissance sans précédent.

Aujourd’hui, la technologie du Reed switch est utilisée dans tous les segments de marché, notamment les équipements de test et de mesure, l’électronique médicale, les télécommunications, l’automobile, la sécurité, l’électroménager, les applications généralistes, etc. Son taux de croissance est plus fort que jamais, au point que la production mondiale ne peut pas suivre la demande. En tant que technologie, le Reed switch est unique. Hermétiquement scellé, il peut exister ou être utilisé dans presque n’importe quel environnement. Très simple dans sa structure, sa fabrication fait appel à de nombreuses technologies. La clé de sa qualité et de sa fiabilité réside dans son joint hermétique verre-métal, pour lequel le verre et le métal utilisés doivent avoir des coefficients de dilatation thermique linéaire strictement identiques. Sinon, des fissures et une mauvaise étanchéité en résulteront. Qu’il soit déposé par pulvérisation (sputtering) ou par placage, le procédé d’application du matériau de contact, généralement le Rhodium ou le Ruthénium, doit être réalisé avec précision dans des environnements ultra-propres similaires à ceux de la technologie des semi-conducteurs. Comme pour les semi-conducteurs, toute particule étrangère présente lors de la fabrication entraînera des pertes ainsi que des problèmes de qualité et de fiabilité.

Pour répondre aux besoins de nos clients, Standex Detect a décidé de mettre en place sa propre ligne d’assemblage. Les Reed switches sont produits depuis 1968 en Angleterre et depuis 2001 en
Allemagne.

Au fil des années, le Reed switch a diminué en taille, passant d’environ 50 mm (2 pouces) à 3,9 mm (0,15 pouce). Ces dimensions plus petites ont ouvert de nombreuses applications supplémentaires, en particulier pour les exigences RF et les contraintes de temps de réponse rapides.

Caractéristiques des Reed switches

• Capacité à commuter jusqu’à 10 000 Volts
• Capacité à commuter des courants jusqu’à 5 Ampères
• Capacité à commuter ou à transporter jusqu’à 10 nano-Volts sans perte de signal
• Capacité à commuter ou à transporter jusqu’à 1 femtoAmp sans perte de signal
• Capacité à commuter ou à transporter jusqu’à 7 GigaHz avec une perte de signal minimale
• Isolation entre les contacts jusqu’à 10¹⁵ W
• Résistance de contact (résistance à l’état passant) typique : 50 milliOhms (mW)
• À l’état ouvert, ne nécessite ni alimentation ni circuit
• Capacité à offrir une fonction de verrouillage (latching)
• Temps de fonctionnement compris entre 100 ms et 300 ms
• Capacité à fonctionner sur des plages de température extrêmes, de –55 °C à +200 °C
• Capacité à fonctionner dans tous types d’environnements, notamment l’air, l’eau, le vide, l’huile, les carburants et les atmosphères chargées de poussière
• Capacité à résister à des chocs jusqu’à 200 G
• Capacité à résister à des environnements vibratoires de 50 Hz à 2000 Hz jusqu’à 30 g
• Longue durée de vie. Sans pièces d’usure, en commutation de charge sous 5 Volts à 10 mA, fonctionnera jusqu’à plusieurs milliards d’opérations
• Aucune consommation d’énergie, idéal pour les appareils portables et alimentés par batterie
• Aucun bruit de commutation

Le Reed switch de base

Un Reed switch se compose de deux lames ferromagnétiques (généralement composées de fer et de nickel) scellées hermétiquement dans une capsule en verre (Figure #1). Les lames se chevauchent à l’intérieur de la capsule en verre avec un espace entre elles et entrent en contact l’une avec l’autre en présence d’un champ magnétique approprié. La zone de contact des deux lames est plaquée ou déposée par pulvérisation avec un métal très dur, généralement du Rhodium ou du Ruthénium. Ces métaux très durs offrent la possibilité de durées de vie très longues si les contacts ne sont pas commutés sous fortes charges. Le gaz dans la capsule est généralement de l’Azote ou un gaz inerte équivalent.

Certains Reed switches, afin d’augmenter leur capacité de commutation (jusqu’à 10 kV) et leur tenue aux hautes tensions, possèdent un vide interne. Les lames Reed agissent comme des conducteurs de flux magnétique
lorsqu’elles sont exposées à un champ magnétique externe provenant soit d’un aimant permanent, soit d’une bobine électromagnétique. Des pôles de polarité opposée sont créés et les contacts se ferment
lorsque la force magnétique dépasse la force de rappel élastique des lames Reed. À mesure que le champ magnétique externe diminue et que la force entre les lames devient inférieure à la force de rappel
des lames Reed, les contacts s’ouvrent.

Le Reed switch décrit ci-dessus est un Reed switch 1 Form A (normalement ouvert (N.O.) ou Single Pole Single Throw (SPST)). L’utilisation de plusieurs interrupteurs dans une configuration donnée est décrite comme 2 Form A (deux interrupteurs normalement ouverts ou Double Pole Single Throw (DPST)), 3 Form A (trois interrupteurs normalement ouverts), etc. Un interrupteur normalement fermé (N.C.) est décrit comme un 1 Form B. Un interrupteur avec une lame commune, une lame normalement ouverte et une lame normalement fermée (Figure #2) est décrit comme un 1 Form C (single pole double throw (SPDT).

Les trois lames Reed sont ferromagnétiques ; cependant, la zone de contact du contact normalement fermé est un métal non magnétique qui a été soudé à la lame ferromagnétique. Lorsqu’elles sont exposées à un champ magnétique, les deux lames fixes prennent la même polarité, opposée à celle de l’armature. La palette se déplace alors vers la lame normalement
ouverte.

La Figure 3 montre le fonctionnement général d’un Reed switch avec l’utilisation d’un aimant permanent.

L’utilisation d’une bobine enroulée avec un fil de cuivre isolé. Voir Figure 4.

Lorsqu’un aimant permanent, comme montré, est amené à proximité d’un Reed switch, les lames individuelles deviennent aimantées avec la polarité magnétique attractive comme indiqué. Lorsque le champ magnétique externe devient suffisamment fort, la force magnétique d’attraction ferme les lames. Les lames Reed sont recuites et traitées afin d’éliminer toute rémanence magnétique. Lorsque le champ magnétique est retiré, le champ magnétique sur les lames Reed se dissipe également. S’il restait un quelconque magnétisme résiduel sur les lames Reed, cela affecterait le comportement d’ouverture et de fermeture. Un traitement approprié et un recuit approprié sont clairement des étapes importantes de leur fabrication.