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Ratgeber

Sensorschalter » Funktion durch bloßes Berühren

Man kennt sie überwiegend aus Aufzügen: Schaltknöpfe, die durch bloßes Berühren mit dem Finger funktionieren. Die dahinter steckende Technik ist die der kapazitiven Sensoren. Damit ausgestattete Schalter besitzen keinerlei bewegliche Teile und sind deshalb nahezu verschleißfrei.

In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie Sensorschalter funktionieren und welche Ausstattungsmerkmale bei der Beschaffung eine Rolle spielen.



Was sind Sensorschalter?

Funktional gesehen arbeiten Sensorschalter wie andere Schalter auch: Beim Aktivieren schließen beziehungsweise öffnen sie einen Stromkreis. Lichtschalter beispielsweise besitzen eine Wippe oder einen Knebel, der rein mechanisch die stromführende Leitung mit der Leitung zur Lampe verbindet oder trennt. Sensorschalter – oft auch Berührungsschalter oder Touch-Schalter genannt – funktionieren dagegen elektronisch und bieten dennoch denselben Funktionsumfang. Bei ihnen genügt aber schon das Berühren mit dem Finger oder mit einem in der Hand gehaltenen metallischen Gegenstand, um den Schaltvorgang auszulösen.

Da Berührungsschalter keine beweglichen Teile enthalten, lassen sie sich sehr kompakt und weitgehend unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Schmutz und Vibrationen produzieren. Ihren Schaltzustand signalisieren Sensorschalter über eine eingebaute LED, die jeweils von Grün nach Rot wechselt oder einfach nur Rot oder Grün leuchtet, wenn eine Stromverbindung besteht.

Touch-Schalter arbeiten rein elektronisch, daher liegen die maximalen Spannungs- und Strombelastungen weit unter denen konventioneller mechanischer Schalter. Üblicherweise arbeiten diese Schalter mit 12 oder 24 Volt Gleichspannung bei Strömen unterhalb von 1 Ampere. Berührungsschalter sind somit in vielen Fällen auf ein externes Relais angewiesen, das mit den vom Schalter kommenden Signalen größere Lasten schalten kann.



Technisches Prinzip von Sensorschaltern

Prinzipiell bestehen Berührungsschalter aus drei Komponenten: dem Sensorfeld, der Mikroelektronik und der Beleuchtung.

Das Sensorfeld ist Teil eines offenen Kondensators, es besitzt somit eine Kapazität. Beim Berühren mit dem Finger oder mit einem in der Hand gehaltenen metallischen Gegenstand überträgt sich das elektrische Feld des menschlichen Körpers auf den Kondensator und verändert damit dessen Kapazität. Die Übertragung gelingt auch, wenn der Sensor mit einem dünnen Schutzglas oder einer Acrylschicht versiegelt ist. Auch OP-Handschuhe sind für die Bedienung kein Hindernis.

Die Mikroelektronik besteht häufig aus einem NAND-Gatter, das mit einem Widerstand und einem Kondensator einen einfachen Oszillator bildet. Als Auslöser für das Berührungssignal wirkt eine bistabile Kippstufe, ein sogenannter Flip-Flop. Bei Berührung des Sensorfelds verschiebt sich aufgrund der damit verbundenen Kapazitätsänderung die Phase des Oszillators, der Flip-Flop reagiert und liefert am Ausgang der Schaltung das Einschaltsignal. Beim nochmaligen Berühren des Sensorfeldes schaltet der Flip-Flop in umgekehrter Richtung, es fließt kein Strom mehr nach außen.

Das Einschaltsignal ist wahlweise positiv- (PNP) oder negativschaltend (NPN), das heißt, Lasten wie Relais oder SPS-Steuerungen sind bei PNP direkt mit dem Minuspol verbunden, während der Pluspol dem Sensor als Signalquelle für das Ein- und Ausschalten dient. In der NPN-Konfiguration ist es genau umgekehrt. 

Die Beleuchtung des Schalters ist im Allgemeinen als Ringleuchte auf LED-Basis ausgeführt und umschließt das Sensorfeld. Die meisten Sensoren sind mit einer roten oder einer grünen LED ausgestattet, es gibt aber auch Typen, deren Ring je nach Schaltzustand rot oder grün leuchtet. Da Berührungsschalter normalerweise rastend funktionieren, bleibt der Schaltzustand bis zur nächsten Berührung erhalten, entsprechend reagiert die Beleuchtung: Sensorschalter mit einer einfarbigen LED signalisieren Rot oder Grün beim ersten Kontakt und schalten beim zweiten Kontakt die LED aus. Ist eine zweifarbige LED verbaut, erscheint abwechselnd Grün und Rot.



Bauformen und Einsatzbereiche der Sensorschalter

Berührungsschalter sind sowohl in runder als auch in eckiger Form verfügbar. Das Gehäuse und das Sensorfeld bestehen aus Metall, zum Beispiel aus eloxiertem Aluminium oder Edelstahl. Bei hohen IP-Schutzklassen wie IP68 und IP69K erfolgt der Einbau mit einem Dichtungsring, der äußere Einflüsse auf die Elektronik nahezu komplett ausschließt. 

Die Bedrahtung besteht bei einfarbigen LEDs in der Regel aus drei Kabeln mit offenen Enden, verfügbar sind auch Bauformen mit Steckern für Anwendungen wie SPS-Steuerungen. Sensoren mit zweifarbiger Beleuchtung besitzen vier Drähte. Je nach Typ stehen 12 oder 24 Volt als Schaltspannung zur Verfügung, der maximale Schaltstrom liegt meist bei 0,5 Ampere.

Da Touch-Schalter über keinerlei bewegliche Teile verfügen, ist die Standzeit enorm hoch. Sie liegt durchschnittlich bei rund 50 Millionen Zyklen. Selbst bei 1000 Schaltvorgängen pro Tag würde ein solcher Sensor 50.000 Tage oder fast 137 Jahre einwandfrei funktionieren.

Hinsichtlich der Einsatzbereiche sind Schalter mit Sensoroberfläche besonders für Umgebungen geeignet, die hohe Anforderungen an Sauberkeit und Hygiene stellen, Krankenhäuser und Pflegeheime beispielsweise. Sensoren dieses Typs sind einfach zu reinigen und zu desinfizieren, außerdem funktionieren sie auch mit üblichen OP-Handschuhen.



FAQ – häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen einem Sensor-Schalter und einem berührungslos arbeitenden Sensor?

Berührungslose Sensoren arbeiten – wie der Name schon vermuten lässt – zwar auch nach dem kapazitiven Prinzip, erfordern aber keine direkte Berührung mit dem Finger. Sie finden sich beispielsweise in Desinfektionsgeräten, die schon bei der Annäherung einer Hand automatisch das Desinfektionsmittel ausgeben. In industriellen Umgebungen dienen sie sehr häufig zur berührungslosen Erfassung von flüssigen und festen Objekten oder für Schüttgüter.
 

Lassen sich Sensorschalter auch im Freien verwenden?

Durchaus, die IP-Schutzklasse sollte aber wenigstens IP64 betragen, die Sensoren wären damit gegen allseitiges Spritzwasser geschützt. IP65 steht für Strahlwasser aus beliebiger Richtung, IP68 für den Schutz gegen dauerndes Untertauchen bis maximal 1,5 Meter Wassertiefe für höchstens 30 Minuten. Die Schutzklasse IP69K, die bei Sensorschaltern oft vorzufinden ist, wurde 1993 eingeführt und spielt besonders bei Straßenfahrzeugen und landwirtschaftlichen Maschinen eine wichtige Rolle.
 

Müssen auch Sensorschalter kalibriert werden?

Hochwertige Schalter verfügen über eine Autokalibrierung, die selbstständig die Umgebungsbedingungen erfasst und die Parameter des Sensorfelds entsprechend korrigiert. Unbedingt notwendig ist eine Kalibrierung allerdings nicht. Sensorschalter müssen lediglich sicherstellen, dass sie auf menschliche Berührung reagieren. Korrekte Werte wie zum Beispiel bei Temperatur- oder Feuchtesensoren spielen hier keine Rolle.

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