Mechanische Tasten und Schalter erfüllen viele wichtige Konstruktionsanforderungen

Touchscreens und Membranschalter eignen sich für optische und flache Schalttafeln. Bei manchen Anwendungen liegt das Hauptgewicht allerdings auf Sicherheit, Bedienerfreundlichkeit, Schalten von hohen Spannungen und Stromstärken, einer festgelegten Konfiguration beim Einschalten oder auf Robustheit. Für solche Situationen eigen sich mechanische Schalter und Tasten hervorragend, aber die Auswahl sollte sorgfältig getroffen werden.

Es gibt viele verschiedene Typen von mechanischen Schaltern, die sich in Form, Ausführung, Funktion, elektrischen Eigenschaften und mechanischem Verhalten unterscheiden. Dieser Artikel führt die Konstrukteure durch die Auswahlparameter und behandelt den optimalen Einsatz einiger der neuesten Modelle.

Welcher Schalter oder welche Taste?

Ehe ein geeigneter Schalter ausgewählt werden kann, müssen die Anforderungen des Systems ermittelt werden. Wenn Sie einen mechanischen Schalter für einen bestimmten Einsatzzweck suchen, ermitteln Sie zuerst die Abmessungen, die die ergonomischen und physischen Voraussetzungen erfüllen, und wählen Sie dann einen Schalter mit den geeigneten elektrischen und umgebungsspezifischen Eigenschaften, der die physischen Voraussetzungen erfüllt.

Notaus

Ein geläufiges Beispiel für Sicherheit ist die Notaus-Taste. Für viele industrielle Anlagen ist eine große rote oder orangefarbene Taste mit der Beschriftung „Notaus“ in großen, gut lesbaren Buchstaben zwingend vorgeschrieben. Diese Taste muss gut sichtbar und leicht erreichbar sein, muss leicht zu drücken sein und es muss eine klare haptische Rückmeldung darüber geben, dass die Funktion des Schalters ausgeführt wurde. Wenn diese Kriterien nicht erfüllt sind, kann es in manchen industriellen Anlagen zu Gefahrensituationen kommen.

Eine ausgezeichnete Lösung für diesen Zweck ist der Notaus-Druckschalter Lumotast 16 von RAFI USA. Dieser Arbeitskontakt (NO, normally open) hat die gewohnte Form eines großen, konischen, pilzförmigen Knopfes (Abbildung 1). Wenn der Bediener diesen Knopf mit der Hand herunterdrückt, berühren sich die beiden versilberten Kontakte, verriegeln sich und halten den Kontakt auch dann, wenn der Bediener den Knopf loslässt. Zum erneuten Öffnen des Kontakts muss der pilzförmige Knopf in eine beliebige Richtung gedreht werden.

Abbildung 1: Der Notaus-Druckschalter Lumotast 16 von RAFI USA ist einfach anzubringen. Er passt in eine Standard-Montagebohrung von 16,2 mm. (Bildquelle: RAFI)

Der Lumotast 16 eignet sich für bis zu 6 A und 250 W und ist für höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit bestimmt. Im Inneren der Schalters befinden sich drei parallele redundante Kontakte, d. h. wenn ein Kontaktsatz versagt, sorgen die restlichen zwei für ein zuverlässiges Stopp-Ereignis. Als visuelle Bestätigung einer Verbindung leuchtet der Schalter bei Aktivierung in hellem Rot. Die Vorderseite entspricht IP67, damit ist der Schalter unter rauesten Bedingungen in der Industrie einsetzbar.

Mit einem Tastendurchmesser von 30 mm ist der Lumotast 16 groß genug für den Einsatz auf industriellen Schalttafeln und klein genug für den Einbau in Handsteuergeräte.

Achten Sie beim Einbau des Lumotast 16 zuerst darauf, dass sich unter dem eingebauten Schalter ein lichter Abstand von 18 mm befindet. Bringen Sie eine 16,2 mm breite Bohrung an. Bringen Sie die gelbe Einfassung der Bohrung mit der schwarzen Aufschrift „Notaus“ oben an der Bohrung an. Führen Sie dann den Lumotast 16 in die Bohrung ein und befestigen Sie ihn mit der beiliegenden Ringmutter. Die Kabelverbindung erfolgt an den zwei männlichen Standard-Kabelschuhen auf der Unterseite.

Widerstandsfähigkeit gegen Vandalismus

Ein wichtiger Einsatzzweck von mechanischen Druckschaltern ist der Schutz vor Vandalismus. Anti-Vandalismus-Schalter müssen Versuchen widerstehen, die Schalterkonstruktion außer Betrieb zu setzen, z. B. durch wiederholte Hammerschläge oder Versuche, den Schalter freizulegen.

Als Vandalismus-Schutz bietet E-Switch den vandalismusbeständigen Wechsel-Druckschalter (SPDT) PVA3H2B0SS3R1 an. Es handelt sich um einen Schalter für 2 A, 36 V nach IP65. Er hat einen Ring mit RGB-Beleuchtung, und durch seine geringe Höhe ist er gegen Vandalismus geschützt (Abbildung 2).

Abbildung 2: PVA3 von E-Switch mit rot beleuchteter Front. Er wird nahezu bündig auf dem Panel angebracht, wodurch er besser als höhere Schalter vor Vandalismus geschützt ist. (Bildquelle: E-Switch)

Dieser Schalter kann mit einer Bohrung von 16 mm nahezu bündig auf dem Panel angebracht werden. Achten Sie bei der Montage auf genug Platz für den Anschluss der Kontakte unter dem Schalter. Es handelt sich um einen Wechselschalter mit vier Kontakten mit zusätzlichen drei LED-Kontakten für die RGB-Beleuchtung mit gemeinsamer Masse. Damit sind acht Verbindungen unter dem Panel erforderlich. Planen Sie das Layout des Panels so, dass sich die Drähte beim Anschließen nicht verklemmen oder verbiegen können.

Das Panel, auf dem der Schalter angebracht wird, sollte 1 bis 8 mm dick sein. Je dicker es ist, desto besser ist es gegen Vandalismus geschützt.

Wählen Sie die für den Einsatzzweck geeignete Konfiguration für den PVA3 aus: vorübergehender oder einrastender Kontakt. Aktivieren Sie den Schalter durch Drücken des Betätigers in das Gehäuse. Ein mit der Gehäuseoberkante bündiger Betätiger zeigt an, dass der Schalter aktiv ist, ein herausragender Betätiger bedeutet, dass er inaktiv ist.

Verwenden Sie zur visuellen Rückmeldung der Schalterstellung Mikrocontroller- oder PLC-Signale zum Einschalten der roten, grünen und blauen LED auf dem Anzeigering. Sie können auch eigene Farben generieren, indem Sie die LEDs an die Ausgänge eines Mikrocontrollers oder eines PLC anschließen.

Weiteren Schutz vor Vandalismus bietet wahlweise die Ausführung von Schaltergehäuse und Betätiger aus rostfreiem Stahl oder Nickel.

Lesen der Konfiguration beim Hochfahren

Manchmal sind keine Schalter für die Steuerung durch Bediener nötig, dagegen aber für die Entwicklung oder Konfiguration hinter den Kulissen. Zwar bieten EEPROM oder Flash nicht flüchtigen Speicher, der beim Hochfahren ausgelesen werden kann, aber manchmal muss die Konfiguration visuell bestätigt werden, bevor das System unter Strom gesetzt wird. Für diese Situationen verlassen sich die Entwickler seit Jahren auf den sehr beliebten DIP-Schalter mit 8 Positionen, z. B. auf den A6FR-8101 von Omron Electronics (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die A6FR-Serie von DIP-Schaltern von Omron mit kurzen Betätigungshebeln, auch als Piano-Schalter bezeichnet, werden per Durchsteckmontage in einem Sockel oder auf einer Platine befestigt. (Bildquelle: Omron)

Diese DIP-Schalter werden verwendet, wenn eine Systemkonfiguration oder Bootparameter vor dem Hochfahren des Systems festgelegt werden müssen. Die DIP-Schalter können zwar mit den Fingern umgeschaltet werden, aber einfacher geht es mit einem spitzen Gegenstand, z. B. mit einem Stift. Die Schalter sind mit kurzen und langen Betätigungshebeln erhältlich. Sie können in einem 16-Pin-DIP-Sockel befestigt oder direkt auf eine Platine gelötet werden. Im Gegensatz zu älteren DIP-Schaltermodellen hat der A6FR Doppelschiebekontakte, mit denen die Verbindungen zuverlässig hergestellt und getrennt werden können. Die DIP-Schalter sind für 25 mA bei 24 V Gleichstrom ausgelegt und damit für digitale Schaltungen geeignet.

Schaltung von hohen Spannungen und Stromstärken

Manchmal ist eine direkte Kontrolle von Spannung und Stromstärke nötig. Wenn ein Weichmembran-Schalter das Schalten von hohen Leistungen übernehmen soll, ist eine Schnittstellenschaltung erforderlich, die aber den Betrieb unnötig komplizierter machen kann, insbesondere dann, wenn die Steuerung nicht von weiteren Systemen abhängt. In diesen Situationen können Wippschalter eine sichere und sehr zuverlässige Steuerung von Spannung und Stromstärke bieten.

E-Switch bietet z. B. den robusten Leistungswippschalter mit Beleuchtung RA811C1121 an (Abbildung 4). Er ist für 16 A bei 125 V Wechselstrom geeignet.

Abbildung 4: Die RA8-Serie von Wippschaltern von E-Switch verfügt über eine Kunststoffeinlage, die einen versehentlichen Kurzschluss an den Klemmen verhindert. Diese Serie gibt es in sehr vielen verschiedenen Ausführungen, z. B. in verschiedenen Farben, mit geraden oder abgewinkelten Anschlüssen und mit verschiedenen ,Schalterkonfigurationen. (Bildquelle: E-Switch)

Die Schalter der RA8-Serie von E-Switch werden in einer rechteckigen 19 x 13 mm großen rechteckigen Öffnung angebracht. Wippschalter sind zwar einfach zu bedienen, aber der schwierigste Teil des Prototyping ist oft die rechteckige Öffnung, in die der Schalter hineinpassen muss. Eine bewährte Technik ist die Verwendung eines Bohreinsatzes, der etwas kleiner als die Breite der Öffnung ist, in diesem Fall 13 mm. Zeichnen Sie zuerst die rechteckige Öffnung mit einem Bleistift an, und bohren Sie dann zwei einander überlappende Löcher in das Panel, wobei Sie darauf achten müssen, den gezeichneten Umriss nicht zu verlassen. Feilen Sie dann die Ecken mit einer Metallfeile aus und entfernen Sie dabei scharfe Kanten.

Der RA8 kann unter widrigsten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Der Betriebstemperaturbereich ist -20 bis +85 °C mit Schutzart IP54 für die PVC-Kappe. Der Kontaktwiderstand von 30 mΩ minimiert die Wärmeentwicklung bei hohen Spannungen.

Sorgen Sie bei der Verwendung von Schaltern für hohe Spannungen dafür, dass die Verbindungen sorgfältig voneinander getrennt sind, um versehentliche Kurzschlüsse zu vermeiden. Der RA8 erleichtert dies durch eine Trennschicht aus Kunststoff, durch die die Anschlüsse physisch voneinander getrennt sind.

Obwohl von der Arbeit an unter Strom stehenden Anschlüssen dringend abzuraten ist, ist dies manchmal in einer Produktionsumgebung unvermeidlich. Zwar kann der RA8 zur Vermeidung von Unfällen während der Arbeit an unter Strom stehenden Anschlüssen beitragen, aber treffen Sie unbedingt alle erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen, tragen Sie insbesondere isolierte Handschuhe.

Fazit

Mechanische Schalter eignen sich für bestimmte Situationen, z. B. wenn es um das Schalten von hohen Spannungen, Sicherheit oder leichte Bedienbarkeit geht. Es gibt viele Modelle von mechanischen Schaltern, und bei der richtigen Wahl können sowohl der Konstrukteur als auch der Endkunde ruhig schlafen.