Elektrische Schalter verstehen: Typen, Funktionen und Anwendungen

Obwohl Schalter grundlegend für elektrische Systeme sind, ist ein tiefes Verständnis ihrer Typen essenziell für die folgenden Kapitel, die die mechanisch-schalterbasierte digitale Logik früherer Technologie untersuchen.

Das Studium schaltergetriebener Schaltungen neben Halbleiter-Logikgattern vereinfacht beide Konzepte und legt den Grundstein für das Meistern der Booleschen Algebra, dem mathematischen Rückgrat digitaler Logik.

Was ist ein elektrischer Schalter?

Ein elektrischer Schalter ist ein Bauelement, das den Elektronenfluss in einem Stromkreis unterbricht oder vervollständigt. Er verhält sich als binäres Element – entweder vollständig „geschlossen“ (ein) oder vollständig „offen“ (aus). Dieses Kapitel erkundet die verschiedenen Schalterkategorien, die heute existieren.

Die verschiedenen Schaltertypen kennenlernen

Die einfachsten Schalter bestehen aus zwei Leitern, die durch einen Betätigungsmechanismus zusammengebracht werden. Raffiniertere Schalter beinhalten elektronische Schaltungen, die auf physikalische Reize wie Licht oder Magnetfelder reagieren.

Unabhängig von der Komplexität stellt ein Schalter letztendlich zwei Anschlussklemmen bereit, die entweder durch einen internen Kontakt verbunden oder getrennt sind.

Für manuelle Bedienung vorgesehene Schalter heißen Handschalter und gibt es in mehreren gängigen Varianten:

Kippschalter (Toggle Switches)

Kippschalter werden durch einen Hebel betätigt, der in eine von zwei oder mehr diskreten Positionen gebracht werden kann. Ein typischer Haushaltslichtschalter ist ein klassisches Beispiel.

Die meisten Kippschalter halten ihren Hebel in jeder gewählten Position; andere integrieren eine Feder, die den Hebel in eine Standard-„Normal“-Position zurückführt, was momentanen Betrieb ermöglicht.

Taster (Pushbutton Switches)

Taster sind zwei-Positionen-Geräte, die durch Drücken und Loslassen eines Knopfes betätigt werden. Die meisten enthalten eine Feder, die den Knopf in seine „aus“-Position zurückstellt für momentanen Betrieb.

Einige Taster rasten bei jedem Druck ein oder aus, während andere gedrückt bleiben, bis sie manuell gelöst werden. Letztere haben oft einen pilzförmigen Knopf für ergonomisches Drücken-Ziehen.

Wählschalter (Selector Switches)

Wählschalter nutzen einen Drehknopf oder Hebel, um eine von mehreren Positionen zu wählen. Wie Kippschalter können sie in der gewählten Position verbleiben oder eine Feder-Rückführung für momentanen Einsatz nutzen.

Joystick-Schalter

Ein Joystick-Schalter wird durch einen Hebel betätigt, der sich in mehreren Achsen bewegen kann. Ein oder mehrere interne Kontakte öffnen oder schließen je nach Hebelrichtung – und manchmal auch nach Auslenkungsgrad.

Die Kreis-Punkt-Notation im Schaltersymbol zeigt die erforderliche Hebelbewegung an. Joystick-Handschalter werden häufig für Kran- und Robotersteuerung eingesetzt.

Manche Schalter sind speziell dafür ausgelegt, durch Maschinenbewegung statt durch menschliche Hand betätigt zu werden. Diese heißen Endschalter (Limit Switches), weil sie eine Maschine stoppen, wenn ein Bauteil ein vorgegebenes Limit erreicht.

Endschalter (Limit Switches)

Endschalter ähneln robusten Kippschaltern oder Wählschaltern, aber ihre Hebel werden von einem Maschinenteil angetrieben. Ein kleines Rollenlager an der Hebelspitze schützt vor Verschleiß durch wiederholten Kontakt.

Näherungsschalter (Proximity Switches)

Näherungsschalter detektieren das Herannahen eines Metallteils über magnetische oder hochfrequente elektromagnetische Felder.

Basismodelle nutzen einen Permanentmagneten, um einen gekapselten Schalter zu betätigen, wenn ein Metallstück auf etwa einen Zoll herankommt. Fortgeschrittenere Typen empleen eine Spule, die mit Hochfrequenzstrom beaufschlagt wird; die Anwesenheit von Metall ändert die Stromstärke und löst den Stromkreis aus.

Die elektronische Variante wird durch den diamantförmigen Kasten um das Symbol angezeigt. Ein nicht-elektronischer Näherungsschalter nutzt dasselbe Symbol wie ein hebelbetätigter Endschalter.

Optische Näherungsschalter verwenden eine Lichtquelle und einen Photodetektor. Der Strahl wird vom Maschinenteil unterbrochen oder reflektiert, sodass der Schalter die Position erfassen kann. Diese sind auch in Sicherheitsverriegelungen wertvoll, um Personal in Gefahrenbereichen zu detektieren.

Die verschiedenen Typen von Prozessschaltern

In industriellen Umgebungen sind Schalter, die auf physikalische Prozessgrößen reagieren, unverzichtbar. Sie können Alarme auslösen, wenn Parameter abweichen, oder Geräte abschalten, um Schäden zu verhindern.

Drehzahlschalter (Speed Switches)

Drehzahlschalter messen Wellenrotation mittels Fliehgewichten oder berührungsloser optischer/magnetischer Sensoren.

Druckschalter (Pressure Switches)

Druckschalter betätigen sich über einen Kolben, eine Membran oder einen Balg, der Gas- oder Flüssigkeitsdruck in mechanische Kraft umsetzt.

Temperaturschalter (Temperature Switches)

Ein gängiger Temperatursensor ist der Bimetallstreifen – ein dünnes Blatt aus zwei Metallen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bei Temperaturänderung biegt sich der Streifen und betätigt den Schalter.

Andere Designs nutzen eine Messingglocke, gefüllt mit Flüssigkeit oder Gas, gekoppelt an ein druckempfindliches Element. Erhitzt man die Glocke, dehnt sich der Inhalt aus, erhöht den Druck und löst den Schalter aus.

Flüssigkeitsstandschalter (Liquid Level Switch)

Flüssigkeitsstandschalter können ein Schwimmerelement nutzen, das einen Schalter kontaktiert, wenn die Flüssigkeit auf eine voreingestellte Höhe steigt. Leitet die Flüssigkeit Strom, kann ein Sondenpaar die Lücke überbrücken, und ein Relais wird durch den kleinen Strom ausgelöst.

Füllstandserfassung für Feststoffe – wie Getreide oder Futter – emplet oft ein Schaufelrad oder Gabelstab-Sensor, der das Fehlen von Bewegung detektiert, wenn der Behälter den Sollstand erreicht.

Durchflussschalter (Liquid Flow Switch)

Ein in einer Rohrleitung installierter Durchflussschalter überwacht die Flussrate durch ein Paddel oder Schaufel, das vom Fluid angetrieben wird. Andere Varianten sind Differenzdruckschalter, die den Druckabfall über eine eingebaute Drossel messen.

Nuklearer Füllstandschalter (Nuclear Level Switch)

Ein nuklearer Füllstandschalter besteht aus einer schwachen radioaktiven Quelle und einem Detektor, quer über den Behälterdurchmesser positioniert. Wenn sich Material über der Quelle aufbaut, dämpft die Strahlendämpfung das Detektorsignal, was ein Relais auslöst, um den Füllstand anzuzeigen.

Da Quelle und Detektor extern am Behälter sitzen, ist kein physischer Eingriff nötig, und die verwendete Strahlung ist für Personal sicher.

Alle Schalter haben vielfältige Anwendungen

Es gibt selten einen einzelnen „perfekten“ Schalter für einen Job; jeder Typ bietet Trade-offs in Haltbarkeit, Ansprechzeit und Umgebungeignung. Die Wahl des richtigen Schalters ist der Schlüssel zu zuverlässigem Betrieb.

ZUSAMMENFASSUNG

• Ein Schalter ist eine elektrische Vorrichtung, meist elektromechanisch, zur Steuerung der Leitfähigkeit zwischen zwei Punkten.
• Handschalter werden durch menschliche Berührung betätigt.
• Endschalter werden durch Maschinenbewegung betätigt.
• Prozessschalter werden durch Änderungen physikalischer Prozessgrößen betätigt (Temperatur, Füllstand, Durchfluss usw.).

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER

• Schalter Arbeitsblatt