Grundlagen des Schalters: Typen, Kontakt und Materialien

Schalter sind grundlegende Bestandteile jedes elektrischen und elektronischen Systems und arbeiten in zwei Zuständen: EIN (geschlossen) oder AUS (offen). Sie steuern Strom, Signale und Sicherheit, von kleinen Drucktasten bis hin zu großen Industrieschaltern. Mit vielen Typen, Kontakten und Nennwerten enthält dieser Artikel klare, detaillierte Informationen über deren Kategorien, Betrieb, Materialien und ordnungsgemäße Installation. C1. Übersicht über Schalter C2. Hauptkategorien von Schaltern C3. Arten von Schaltkontakten: NO vs. NC C4. Konfigurationen C5. Materialien für Schaltkontakte und abgedichtete Typen C6. Nennwerte und elektrische Leistung von Schaltern C7. Kontaktprellen in Schaltern C8. Tipps zur Installation von Schaltern C9. Schlussfolgerung C 1. Schalter-Übersicht Ein Schalter ist eine der grundlegendsten Komponenten in der Elektronik und Elektrik. Es funktioniert als binäres Gerät, was bedeutet, dass es nur zwei Hauptzustände hat: Geschlossen (EIN): Der Stromkreis ist vollständig, sodass Strom fließen kann. Offen (AUS): Der Stromkreis wird unterbrochen und der Stromfluss gestoppt. Diese grundlegende Aktion macht Schalter für die Steuerung von Leistung, Signalen und Sicherheit sowohl in Niederspannungselektronik als auch in Hochleistungsverteilungssystemen unerlässlich. Egal, ob es sich um einen winzigen Druckknopf auf einer Leiterplatte oder einen großen Leistungsschalter in einer Industrieschalttafel handelt, das Prinzip ist dasselbe. 2. Hauptkategorien von Schaltern • Manuelle Schalter - Direkt von einer Person bedient. Wie Lichtschalter, Kippschalter, Drucktasten. • Automatische Schalter - Aktiviert durch äußere Bedingungen wie Bewegung, Druck oder Temperatur. Wie Schwimmerschalter, Endschalter und Thermostate. • Elektronische (Halbleiter-)Schalter - Verwenden Sie Halbleiter, um den Strom ohne bewegliche Teile zu steuern. Wie MOSFETs, Relais und Optokoppler. 2.1 Arten von Handschaltern • Kippschalter Kippschalter sind hebelbetätigte Geräte, die entweder gewartet werden können und bis zum Loslassen in der EIN- oder AUS-Position bleiben, oder kurzzeitig, wo der Hebel nach dem Loslassen zurückspringt. Sie werden in Beleuchtungssystemen, Armaturenbrettern und Maschinenbedienfeldern eingesetzt. Ihr größter Vorteil liegt in ihrer Langlebigkeit und der klaren EIN/AUS-Rückmeldung, die sie bieten, was sie zu einem der bekanntesten und zuverlässigsten Schaltertypen macht. • Drucktastenschalter Drucktastenschalter werden durch Drücken aktiviert und sind sowohl in momentaner als auch in fester Version erhältlich. Eine Türklingel ist ein einfaches Beispiel für einen Momenttasten, während einige elektronische Geräte Dauerdrucktasten verwenden, bei denen ein Druck das Gerät ein- und ein anderer es ausschaltet. In Sicherheitsanwendungen dienen Pilzkopf-Drucktasten als Not-Aus-Schalter. Ihre kompakte Größe, intuitive Bedienung und Eignung für den häufigen Gebrauch machen sie in Aufzügen, Elektronik und Steuerstationen üblich. • Wahlschalter Wahlschalter sind entweder dreh- oder hebelbetätigt und verfügen über mehrere feste Positionen, sodass der Benutzer zwischen verschiedenen Modi oder Vorgängen wählen kann. Sie sind häufig in industriellen Schaltschränken, HLK-Systemen und Maschinen zu sehen, die mehrere Betriebseinstellungen erfordern. Der Hauptvorteil von Wahlschaltern besteht darin, dass sie innerhalb einer Steuereinheit mehrere Auswahlmöglichkeiten bieten und gleichzeitig ein klares visuelles und taktiles Feedback für jede Position geben. • Joystick-Schalter Joystick-Schalter sind mehrachsige Steuergeräte, bei denen durch Bewegung in verschiedene Richtungen separate Kontakte aktiviert werden. Sie werden in Anwendungen wie Kränen, Robotik und Industriemaschinen benötigt, wo eine präzise multidirektionale Steuerung erforderlich ist. Joysticks werden auch in Spielen verwendet und bieten eine intuitive Steuerung für komplexe Bewegungen. Ihr Hauptvorteil ist die Möglichkeit, mehrere Funktionen von einem einzigen Schalter aus zu steuern, was sie sowohl effizient als auch vielseitig macht. 2.2 Arten von bewegungsbetätigten Schaltern • Endschalter Endschalter sind mechanische Geräte, die durch direkten Kontakt mit einem sich bewegenden Maschinenteil ausgelöst werden, z. B. einem Förderband, das seinen Endpunkt erreicht. Sie sind robust, zuverlässig und werden häufig in CNC-Maschinen, Aufzügen und Sicherheitssystemen eingesetzt. •Näherungsschalter Näherungsschalter erfassen Objekte berührungslos. Induktive Typen erkennen Metalle, kapazitive Typen erkennen Kunststoffe oder Flüssigkeiten, und optische Sensoren verwenden Lichtstrahlen. Diese sind grundlegend in der Robotik und in automatisierten Linien, wo die berührungslose Abtastung die Geschwindigkeit und Haltbarkeit erhöht. 2.3 Arten von Prozessschaltern • Drehzahlschalter Drehzahlschalter überwachen die Drehung oder Bewegung von Maschinen. Zentrifugal- oder Drehzahlschalter können Überdrehzahlüberschreitungen erkennen und Abschaltungen auslösen, um Motoren, Turbinen oder Förderbänder vor Schäden zu schützen. • Druckschalter Druckschalter verwenden Membranen, Kolben oder Faltenbälge, um Änderungen des Luft-, Flüssigkeits- oder Gasdrucks zu erkennen. Ein gängiges Beispiel ist ein Luftkompressor, der sich abschaltet, wenn der maximale Druck erreicht ist. Sie sind auch in hydraulischen und pneumatischen Systemen von entscheidender Bedeutung. • Temperaturschalter Temperaturschalter basieren auf Bimetallstreifen, Kolben- und Kapillarmechanismen oder elektronischen Sensoren, um Stromkreise bei bestimmten Temperaturen zu öffnen oder zu schließen. HLK-Thermostate sind das bekannteste Beispiel, werden aber auch in industriellen Heizungen und Kühlsystemen eingesetzt. • Füllstandsschalter Füllstandsschalter erkennen das Vorhandensein oder Fehlen von Flüssigkeiten oder Feststoffen in Tanks und Silos. Zu den Technologien gehören Schwimmer, leitfähige Sonden, Paddel und sogar Nuklearsensoren für extreme Bedingungen. Sie werden in der Wasseraufbereitung, der chemischen Verarbeitung und der Lagerung von Schüttgütern eingesetzt. • Strömungswächter Strömungswächter messen die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohrleitungen. Paddel- oder Flügelradschalter reagieren auf Durchflussunterbrechungen, während Differenzdrucksensoren Änderungen über eine Drossel überwachen. Diese Schalter tragen dazu bei, Pumpen, Kessel und Prozessleitungen vor Schäden zu schützen. 3. Arten von Schaltkontakten: NO vs. NC 3.1 Schließer (NO) Ein Schließer bleibt im unbetätigten Zustand offen, d.h. es fließt kein Strom, bis der Schalter aktiviert wird. Beim Betätigen schließen die Kontakte und lassen den Strom durch. Ein einfaches Beispiel ist eine Türklingeltaste, bei der durch Drücken der Taste der Stromkreis geschlossen und die Glocke ausgelöst wird. NO-Kontakte werden in Starttasten, Tastern und Signalgebern verwendet. 3.2 Normalerweise geschlossen (NC) Ein stromlos geschlossener Kontakt ist das Gegenteil. Er bleibt in seinem unbetätigten Zustand geschlossen, so dass unter normalen Bedingungen Strom fließen kann. Wenn sie betätigt werden, öffnen sich die Kontakte und unterbrechen den Stromkreis. Ein gängiges Beispiel ist ein Sicherheitsverriegelungsschalter an einer Maschinentür. Wenn die Tür geöffnet wird, unterbricht der Öffner den Stromkreis, um die Maschine zur Sicherheit des Bedieners abzuschalten. Öffnerkontakte werden häufig in Not-Aus-Systemen, Alarmen und ausfallsicheren Systemen verwendet. 4. Schalter-Konfigurationen | Laufzeit | Bedeutung | Beispiele & Anwendungen | | ----------------- | ------------------------------------------------------ | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | Pol | Ein unabhängiger Stromkreispfad, den ein Schalter steuern kann. | SP (Single Pole): Steuert einen Stromkreis. DP (Double Pole): Steuert zwei Stromkreise gleichzeitig. | | Wurf | Anzahl der pro Pol verfügbaren Ausgangspfade. | ST (Single Throw): Verbindet oder trennt nur einen Ausgang. DT (Double Throw): Ermöglicht das Umschalten zwischen zwei Ausgängen. | | SPST | Einpolig, Einwurf. | Einfache EIN/AUS-Steuerung, z. B. Wandlichtschalter. | | SPDT | Einpolig, zweipolig. | Wird als Umschalter verwendet, der einen Stromkreis zwischen zwei Pfaden leitet. | | DPDT | Zweipolig, doppelpolig. | Wird häufig verwendet, um die Polarität in Gleichstrommotoren umzupolen. | | Make-Before-Break | Eine neue Verbindung wird hergestellt, bevor die alte unterbrochen wird. | Zu finden in Drehwahlschaltern, die eine kontinuierliche Verbindung gewährleisten. | | Brechen vor dem Herstellen | Die alte Verbindung wird unterbrochen, bevor eine neue hergestellt wird. | Wird in sichereren Designs verwendet, um Kurzschlüsse oder Überlappungen zu vermeiden. | 5. Materialien für Schaltkontakte und abgedichtete Typen 5.1 Silber- und Cadmiumkontakte Stark gegen Oxidation und am besten für Stromkreise. Häufig in Relais, Unterbrechern und Hochleistungsschaltern. 5.2 Gold-Kontakte Beständig gegen Korrosion und sorgen für saubere Signale bei niedrigen Strömen. Wird in der Elektronik und Telekommunikation verwendet, ist aber für hohe Leistungen ungeeignet. 5.3 Quecksilber-Kippschalter Abgedichtetes Design mit flüssigem Quecksilber zum Schließen von Kontakten beim Kippen. Zuverlässig und wartungsarm, aber orientierungsempfindlich und eingeschränkt. 5.4 Reed-Schalter Magnetbetätigte Kontakte, die in Glas versiegelt sind. Langlebig in vibrationsanfälligen Setups, die häufig in Alarmen, Sensoren und Relais verwendet werden. 6. Schaltwerte und elektrische Leistung 6.1 AC- vs. DC-Nennwerte AC-Schalter können höhere Ströme verarbeiten, da der Nulldurchgang Lichtbögen auf natürliche Weise löscht. DC-Lichtbögen halten länger, daher benötigen DC-Schalter stärkere, größere Kontakte. 6.2 Induktive Lasten und Lichtbögen Motoren, Relais und Magnete erzeugen Spannungsspitzen, die Kontaktlichtbögen verursachen. RC-Snubber (Widerstand + Kondensator) über den Kontakten reduzieren den Verschleiß und verlängern die Lebensdauer des Schalters. 6.3 Benetzungsstrom Schalter benötigen einen Mindeststrom, um Kontakte durch Mikrolichtbögen zu reinigen. Für sehr niedrige Signale werden vergoldete Kontakte verwendet, um Oxidation und Widerstandsaufbau zu verhindern. 7. Kontaktprellen in Schaltern | Ausrichtung | Beschreibung | | ------------------ | ----------------------------------------------------------------------------- | | Was es ist | Schnelles Öffnen und Schließen von Kontakten für einige Millisekunden vor dem Absetzen. | | Harmlose Fälle | Schaltkreise mit langsamer Reaktion, bei denen zusätzliche Impulse keine Rolle spielen. | | Problematische Fälle | Digitale oder logische Schaltkreise interpretieren Bounces fälschlicherweise als mehrere Eingänge. | | Hardware-Lösungen | Mechanische Dämpfung, RC-Tiefpassfilter, Schmitt-Triggerschaltungen. | | Software-Lösungen | Software-Deprencing in Mikrocontrollern und eingebetteten Systemen. | 8. Tipps zur Installation von Schaltern • Passen Sie die Nennspannung und den Nennstrom des Schalters genau an den Stromkreis an, um eine Überhitzung oder einen vorzeitigen Ausfall zu vermeiden. • Verwenden Sie abgedichtete oder geschützte Kontakte in feuchten, staubigen oder korrosiven Umgebungen, um die langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. • Wenden Sie RC-Snubber an induktiven Lasten wie Motoren, Relais oder Magneten an, um Lichtbögen zu unterdrücken und die Kontaktlebensdauer zu verlängern. • Wählen Sie vergoldete Kontakte für sehr niedrige Strom- oder Logikpegelsignale, um Oxidation zu vermeiden und ein sauberes Schalten zu gewährleisten. • Fügen Sie Hardwarefilterung oder Software-Entprellung in digitalen Schaltkreisen hinzu, um Fehlauslöser durch Kontaktprellen zu vermeiden. 9. Fazit Schalter mögen einfach aussehen, aber ihr Design und ihre Leistung sind grundlegend. Kontakttyp, Konfiguration, Material und Nennwerte wirken sich auf Sicherheit und Zuverlässigkeit aus. Wenn Sie wissen, wie Lichtbögen vermieden werden, induktive Lasten gehandhabt und Prellen reduziert werden, sorgen Sie für eine längere Lebensdauer und einen stabilen Betrieb. Mit dem richtigen Verständnis bleiben Schalter grundlegende Komponenten, die für einen reibungslosen Betrieb elektrischer und elektronischer Systeme sorgen. 10. Häufig gestellte Fragen 10.1 Frage 1. Wie wirkt sich die Umgebung auf die Schalter aus? Raue Bedingungen verringern die Zuverlässigkeit, daher werden abgedichtete oder geschützte Typen verwendet. 10.2 Frage 2. Was ist der Unterschied zwischen einem rastenden und einem tastenden Schalter? Die Verriegelung bleibt in Position und der tastende Schalter funktioniert nur, wenn er gedrückt wird. 10.3 Frage 3. Warum werden Halbleiterschalter verwendet? Sie schalten schneller, halten länger und verhindern ein Anprellen. 10.4 Frage 4. Welche Sicherheitsnormen gelten für Schalter? Sie folgen IEC, UL, CSA und manchmal ATEX oder IECEx. 10.5 Frage 5. Können Schalter sowohl Strom- als auch Signalstromkreise verarbeiten? Ja, aber Signalschaltungen erfordern Niedrigstromkontakte, z. B. solche mit Vergoldung.