Was Sie über Schalter wissen müssen

Schalter sind ein fester Bestandteil unseres täglichen Lebens und bieten sowohl Vielfalt als auch Allgegenwärtigkeit. Es gibt sie in zahllosen Formen, von winzigen Knöpfen bis zu riesigen Bedienelementen, und sie umfassen ein breites Spektrum an Funktionen. Diese Vielfalt, die von Faktoren wie mechanischem oder elektrischem Betrieb und manueller oder elektronischer Steuerung beeinflusst wird, läuft oft auf persönliche Vorlieben in Bezug auf Ästhetik und Benutzerschnittstellen hinaus.

Während elektronische Schalter, die auf Technologien wie BJTs, MOSFETs, IGBTs und anderen Halbleiterdesigns basieren, aufgrund sinkender Kosten und erweiterter Funktionen immer mehr Beachtung finden, sind mechanisch betätigte Schalter immer noch die bevorzugte Schalterlösung. Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen von Schaltern, insbesondere mit physikalisch betätigten Modellen, um zu verstehen, wie sie die Brücke zwischen Form und Funktion schlagen.

Schaltergrundlagen

Der Ausgangspunkt für die Auswahl eines Schalters ist die Kenntnis der Begriffe Pol (Englisch: „Pole“) und Kontaktweg (Englisch: „Throw“). Einfach ausgedrückt, bezeichnen die Pole die Anzahl der Stromkreise, die ein einzelner Schalter steuern kann, während die Kontaktwege angeben, aus wie vielen Kontakten der Schalter wählen kann. Dieser Gedanke lässt sich am besten durch einfache visuelle Darstellungen erfassen.

Abbildung 1: Schema eines SPST-Schalters. (Bildquelle: Same Sky)

Bei einem Schalter mit nur einem Pol und einem Kontaktweg, dem so genannten SPST-Schalter (SPST steht hier für die englische Bezeichnung „Single Pole, Single Throw“), lässt sich ein einzelner Stromkreis steuern, wobei der Schalter lediglich einen einzigen Kontakt öffnen und schließen kann. Vergleichen wir dies nun mit einem Schalter, der einen einzigen Pol besitzt, aber zwei Kontaktwege bietet, bekannt als SPDT (SPDT steht für die englische Bezeichnung „Single Pole, Double Throw“).

Abbildung 2: Schema eines SPDT-Schalters. (Bildquelle: Same Sky)

Beim SPDT-Schalter bleibt ein einziger Schaltkreis unter Kontrolle, der Schalter kann jedoch zwischen zwei verschiedenen Kontaktwegen wechseln. Bei SPDT beschränkt sich der Schalter nicht auf das bloße Öffnen und Schließen eines Stromkreises, sondern auf die Umlenkung des Stromkreises selbst.

Abbildung 3: Schema eines DPDT-Schalters. (Bildquelle: Same Sky)

Bei einem DPDT-Schalter (zwei Pole, zwei Kontaktwege) übernimmt ein einziger Schalter die Kontrolle über zwei Stromkreise, wobei jeder Schalter zwischen zwei Kontakten navigiert. Obwohl SPST, SPDT, DPST und DPDT die am weitesten verbreiteten Schalterkonfigurationen sind, gibt es keine theoretische Beschränkung für die Anzahl der Pole und Kontaktwege, die ein Schalter haben kann. Bei mehr als zwei Polen oder Kontaktwegen wird das „S“ oder „D“ durch eine numerische Kennzeichnung ersetzt. Ein Schalter, der vier Pole und fünf Kontaktwege bietet, kann beispielsweise vom Hersteller als 4P5T-Schalter bezeichnet werden. In ähnlicher Weise könnte ein Schalter mit zwei Polen und sechs Kontaktwegen als DP6T dargestellt werden.

Überlegungen zur Schalterauswahl

Abgesehen von den Polen und Kontaktwegen gibt es noch weitere Spezifikationen, die bei der Auswahl des Schalters zu berücksichtigen sind. Die folgende Liste enthält einige der gängigsten Merkmale, ist aber keineswegs vollständig.

• Größe: Wie bereits angedeutet, gibt es Schalter in vielen Formen und Größen. Von Schaltern, die kleiner als ein Reiskorn sind, bis hin zu solchen, die zu groß sind, um sie von Hand zu bewegen, hängt die Größe in der Regel von der geplanten Anwendung ab. In industriellen Umgebungen werden häufig größere Schalter eingesetzt, wenn Handschuhe ins Spiel kommen oder feine Bewegungen schwierig sind, während bei kompakten, eingebetteten Geräten in der Regel der kleinstmögliche Schalter gesucht wird.
• Standardzustand: Die meisten Schalter haben keinen vordefinierten Zustand, aber es gibt Momentanschalter, die in der Regel einen voreingestellten Zustand aufweisen, entweder normal offen (NO, ein solcher Schalter wird auch als „Schließer“ bezeichnet) oder normal geschlossen (NC, ein solcher Schalter wird auch als „Öffner“ bezeichnet).
• Positionen: Dieser Parameter bestimmt die Anzahl der Schalter, die in einer einzelnen Einheit eingebaut sind. Es mag Fälle geben, in denen dieses Konzept fälschlicherweise mit „Kontaktwegen“ verwechselt wird, aber es ist wichtig zu erkennen, dass Positionen diskrete Schalter innerhalb derselben Einheit bezeichnen, die jeweils unabhängig voneinander betätigt werden können.
• Montage: Wie bei allen elektronischen Bauteilen gibt es auch bei Schaltern eine Vielzahl von Montagekonfigurationen. Schalter für die Oberflächenmontage und für die Durchkontaktierung werden in der Regel mit kleineren Schaltern auf Leiterplatten assoziiert, während Schalter für die Schalttafel- und Hutschienenmontage in der Regel größer sind. Ein entscheidender Faktor sowohl bei der Oberflächenmontage als auch bei der Durchkontaktierung ist der Parameter „Rastermaß“, der den Abstand zwischen den Anschlusspins angibt. Im Zusammenhang mit der Durchkontaktierung ist das Rastermaß von besonderer Bedeutung, da das passende Rastermaß die Verwendung mit Steckplatinen ermöglicht.

Abbildung 4: Verwendung eines Schalters für die Durchkontaktierung auf einer Steckplatine. (Bildquelle: Same Sky)

• Betätigung: Neben der Unterscheidung zwischen manueller und elektronischer Betätigung bieten die Schalter verschiedene Betätigungsmethoden. Dies kann die Betätigung von Hand oder mit kleinen Schraubendrehern oder Werkzeugen sein. Die häufigste Option ist jedoch die Wahl zwischen einer erhöhten und einer flachen Betätigungsebene.
• Strom- und Spannungsnennwerte: Schalter weisen ein breites Spektrum an Spannungs- und Stromnennwerten von wenigen Volt und Ampere bis hin zu Hunderten oder sogar Tausenden auf. Es ist unbedingt darauf zu achten, dass ein Schalter sowohl die erwarteten Strom- als auch Spannungswerte der vorgesehenen Anwendung aufnehmen kann.
• Umweltfaktoren: Dies bezieht sich in der Regel auf den Schutz gegen Eindringen von Staub und Flüssigkeiten oder die IP-Schutzart. Einige Schalter können jedoch eine erhöhte Vibrationsempfindlichkeit oder Schutzeigenschaften gegen Vandalismus aufweisen.

Arten von mechanischen Schaltern

Die unten aufgeführten Schaltertypen werden mechanisch betätigt und sind häufig, wenn auch nicht ausschließlich, in kleineren, tragbaren oder eingebetteten Systemen zu finden.

• DIP-Schalter: DIP-Schalter sind in Gehäusen zur Durchkontaktierung oder für die Oberflächenmontage erhältlich und bestehen in der Regel aus einer Reihe von SPST-Schaltern. Sie passen gut auf Steckplatinen und in fertige Produkte und ermöglichen semipermanente Einstellungen. Es gibt sie in Klavier-, Schiebe- und Drehschalterform, die für Optionseinstellungen in Geräten, insbesondere in industriellen Anwendungen und Entwicklungskits, verwendet werden. DIP-Schalter bieten mehr Möglichkeiten als Steckbrücken und sind benutzerfreundlich, aber nicht für häufige Einstellungen geeignet.

Abbildung 5: Beispiel eines DIP-Schalters. (Bildquelle: Same Sky)

• Drehbare DIP-Schalter: Als Untergruppe der DIP-Schalter haben diese ein Drehschalterformat zur Auswahl diskreter Optionen (in der Regel 4 bis 16 Positionen) und verfügen entweder über einen flachen oder erhöhten Knopf. Wie lineare DIP-Schalter sind sie für die Durchkontaktierung oder Oberflächenmontage erhältlich. Im Gegensatz zu linearen DIP-Schaltern können sie jedoch in BCD oder Hex ausgeben. Sie sind zwar kompakt und benutzerfreundlich, bieten aber nur einen einzigen Ausgang und sind nicht für den Dauerbetrieb geeignet.

Abbildung 6: Beispiel eines DIP-Drehschalters. (Bildquelle: Same Sky)

• Schiebeschalter: Schiebeschalter werden im Allgemeinen als Leistungsschalter bezeichnet und durch Verschieben eines Betätigers betätigt. Sie sind in der Regel als SPST-Schalter ausgelegt und können häufig verwendet werden. Während manche mehrere Pole oder Kontaktwege bieten, kann dies eine präzise Positionierung schwierig machen. Obwohl sie eine höhere leistungsfähigkeit als DIP-Schalter aufweisen, sind sie sehr stromsparend und werden in der Regel per Oberflächenmontage oder Durchkontaktierung auf Leiterplatten montiert. Gelegentlich dienen sie als leichter zugängliche DIP-Schalter in der Unterhaltungselektronik, obwohl es eine Herausforderung sein kann, die Benutzerfreundlichkeit mit der Vermeidung einer versehentlichen Betätigung in Einklang zu bringen.

Abbildung 7: Beispiel eines Schiebeschalters. (Bildquelle: Same Sky)

• Tastschalter: Tastschalter sind für ihr auffälliges Klicken bekannt und sind kleine Taster, die für Signale mit niedriger Spannung und niedrigem Strom ausgelegt sind. Ihre bescheidenen elektronischen Fähigkeiten kompensieren sie durch ihre Robustheit und ihre lange Lebensdauer, die in die Hunderttausende oder sogar in die Zehnmillionen geht. Sie sind in der Regel einpolig, können aber auch mehrpolig sein und hohe IP-Schutzarten aufweisen. Ihr weitverbreiteter Einsatz in der Unterhaltungselektronik, z. B. in Game-Controllern, Fernbedienungen, Garagentoren und verschiedenen industriellen Anwendungen, unterstreicht ihre Beliebtheit aufgrund ihrer geringen Größe und Haltbarkeit.

Abbildung 8: Beispiel eines Tastschalters. (Bildquelle: Same Sky)

• Wippschalter: Wippschalter sind in der Mitte drehbar, um zwischen zwei Optionen umzuschalten - sie sind in der Regel nicht als Momentanschalter ausgelegt. Sie dienen in der Regel als Leistungsschalter für Hochspannungsstromkreise und sind teilweise mit LED- oder Glühbirnenbeleuchtung ausgestattet, um den Schaltzustand anzuzeigen. Sie können für raue Umgebungen IP-zertifiziert sein. Aufgrund ihrer einfachen Schnittstelle und Betätigung sind sie in der Unterhaltungselektronik beliebt, obwohl sie aufgrund ihrer Größe und Funktionen etwas teurer sind. In industriellen Umgebungen ergänzen sie Kippschalter und können mit Abdeckungen versehen sein, um eine versehentliche Betätigung zu verhindern.

Abbildung 9: Beispiel eines Wippschalters. (Bildquelle: Same Sky)

• Druckschalter: Druckschalter, oft auch als Druckknöpfe bezeichnet, sind einfache Ein/Aus-Schalter. Es gibt sie in verschiedenen Formen und oft sind LEDs zur Beleuchtung oder zur Anzeige des Schalterzustands integriert. Sie können auch als Momentanschalter erhältlich sein. Sie sind für eine Vielzahl von Spannungen und Strömen geeignet und werden in der Regel auf Leiterplatten oder Schalttafeln montiert. Ihre Benutzerfreundlichkeit eignet sich für öffentliche Bereiche mit ständigen Nutzern. Druckschalter können sehr robust konstruiert werden, gegen Vandalismus geschützt sein und hohe IP-Schutzarten aufweisen, ideal für raue Umgebungen wie Aufzüge oder U-Bahnen. Ihre Größe, LED-Optionen und Materialien können jedoch zu höheren Kosten im Vergleich zu einfacheren, kleineren Druckschaltermodellen führen.

Abbildung 10: Beispiel eines Druckschalters. (Bildquelle: Same Sky)

• Kippschalter: Kippschalter zeichnen sich durch einen verlängerten Hebel aus, der sich für das Tragen von Handschuhen oder für Situationen mit eingeschränkter Feinmotorik eignet. Der markante Hebel bietet ein klares visuelles Feedback, so dass keine zusätzlichen LEDs erforderlich sind, und die großen Bewegungen sorgen für ein unmissverständliches Umschalten. Es gibt sie mit verschiedenen Polzahlen und Kontaktwegen, wobei sie seltener als momentan schaltende Taster ausgelegt sind. Kippschalter werden für ihre einfache Betätigung, schnelle Rückmeldung und Sicherheitsintegration geschätzt und eignen sich daher gut für industrielle oder wissenschaftliche Anwendungen. Aufgrund ihrer missionskritischen Verwendung in Flugzeugen, Kontrollinstrumenten und medizinischen Geräten sind sie in der Regel teurer.

Abbildung 11: Beispiel eines Kippschalters. (Bildquelle: Same Sky)

Zusammenfassung

Schalter sind grundlegende Komponenten, die in elektronischen und elektrischen Systemen eine zentrale Rolle spielen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Aspekte von Schaltern, einschließlich ihrer Typen, Funktionsweise, Anwendungen und Merkmale. Ganz gleich, ob Sie ein elektronisches Gerät für den Endverbraucher entwerfen oder an einem komplexen Industrieprojekt arbeiten, die Wahl des richtigen Schalters kann die Funktionalität und Zuverlässigkeit eines Systems erheblich beeinflussen. Same Sky hält eine Reihe von Schalterlösungen bereit, die eine Vielzahl von Schaltanforderungen erfüllen.