Spis treści:
Schalter des Typen tact switch gehören zu den vielleicht am häufigsten verwendeten Kontaktelementen in der modernen Elektronik. Erfahren Sie mehr über ihre Konstruktion und Anwendung.
Tact switch Schalter - "was gehört dazu"?
Taktschalter, auch Mikroschalter genannt, sind kleine Kontaktelemente, die als einfache Momentanschalter (monostabil) funktionieren. Sie unterscheiden sich von ihren um ein Vielfaches größeren Gegenstücken (z.B. Lochdrucktasten in einer Gehäusewand) vor allem durch die Kraft, die zum Drücken der Taste erforderlich ist, und durch die elektrischen Parameter (Spannung und maximaler Strom), aber ihr Funktionsprinzip ist identisch mit dem aller klassischen Schalter mit Schließerkontakten (NO). Im Ruhezustand bleiben die Kontakte des Schalters offen, es fließt also kein Strom im Stromkreis, und zwischen den Leitungen des Tasters und der Gegenelektronik liegt die volle Versorgungsspannung (z. B. 5 V) an.
Wenn ein kleiner Schalter (Taste) gedrückt wird, werden die Kontakte kurzgeschlossen, so dass der Strom mit fast minimalem Widerstand fließt – der Widerstand eines ordnungsgemäß angebrachten Druckknopfes bleibt, zumindest für eine lange Zeit nach seiner Installation, minimal und liegt in der Regel bei etwa hundert Milliohm (oder 0,1 Ω).
Aufbau des Taktschalters
Entgegen dem Anschein haben Mikroschalter eine recht komplexe innere Struktur und sind selbst ein hervorragendes Beispiel für die Raffinesse der modernen Feinmechanik. Selbst die kleinsten Taktschalter (auch Mikroschalter genannt) bestehen aus den folgenden Komponenten:
- Gehäuse – Das äußere Gehäuse eines Taktschalters besteht in der Regel aus hartem, lötfestem Kunststoff, der in der Regel von einer Klammer oder einer Platte aus dünnem Blech “getragen” wird. Das Gehäuse bietet ausreichenden Schutz für die Kontakte im Inneren und ermöglicht oft eine verbesserte mechanische Stabilität der Verbindung des Bauteils mit der Leiterplatte – insbesondere bei oberflächenmontierten (SMD) Versionen.
- Schalter (Taste) – das ist ein kleiner, vorstehender Teil oberhalb des Gehäuses, den der Benutzer direkt drückt (was aber vor allem bei Evaluierungsboards und Entwicklungsmodulen, z.B. Arduino, vorkommt) oder über eine Taste, die im Gehäuse des Gerätes angebracht ist (eine solche Lösung findet sich u.a. bei Mobiltelefonen). Ein Stößel kann je nach Modell in verschiedenen Formen und Größen vorliegen. Bei einigen Tastschaltern befindet sich der Druckknopf außerhalb des Gehäuses, bei anderen ist ein zusätzliches Element (Overlay) vorhanden, das an die spezifischen Anforderungen des Projekts angepasst werden kann (Farbe, Form, Größe usw.).
- Feder – dieses Element in Form eines federnden Blattes mit einer konvexen Form spielt eine Schlüsselrolle im Tastschalter: Es sorgt nicht nur für das richtige taktile (und akustische) Gefühl beim Drücken der Taste, sondern fungiert vor allem als Kontakt, der die beiden Leitungen oder Leitungspaare des Mikroschalters kurzschließt. Wenn der Taster losgelassen wird, bringt die Feder den Taster in seine ursprüngliche Position zurück und öffnet gleichzeitig den Stromkreis.
- Kontakte – bei hochwertigen Schaltern sind die Kontakte in der Regel mit einem hochleitfähigen Metall wie Silber oder Gold beschichtet – Marken-Mikroschalter können bis zu einer Million Schaltzyklen (Betätigungen) überstehen, was eine ziemliche Herausforderung für diese kleinen elektromechanischen Bauteile darstellt.
- Die Lötpunkte sind nichts anderes als Drahtösen (bei der THT-Version) oder flache, kleine Blechstücke (bei der SMD-Version), mit denen die Taste auf der Platine befestigt wird. Sie sorgen sowohl für die mechanische Stabilisierung des Bauteils als auch für die elektrische Verbindung der Kontakte mit dem Rest des Stromkreises.
Wichtige Parameter der Mikroschalter
Die Kenntnis der Katalogparameter von Taktschaltern ist entscheidend für den korrekten Einsatz dieser Bauteile in Ihren eigenen Konstruktionen. Die beiden wichtigsten Parameter sind natürlich die maximale Betriebsspannung (normalerweise nicht mehr als 12…24 V) und die Stromstärke (in vielen Katalogen finden wir Werte in der Größenordnung von 50 mA). Im Zusammenhang mit der elektrischen Belastung der Kontakte gibt es einen weiteren sehr wichtigen Parameter – die Anzahl der Betriebszyklen, die die Fähigkeit des Bauteils bestimmt, eine bestimmte Anzahl von Pressungen zu “überleben”. Diese Werte können Millionen von Zyklen erreichen – es ist wichtig zu wissen, dass dieser Parameter in der Regel durch elektrischen Verschleiß begrenzt wird, obwohl ein Versagen aufgrund sehr intensiver Nutzung auch durch mechanische Ermüdung des Federwerkstoffs auftreten kann.
Die Hersteller von Mikroschaltern geben auch an, wie viel Kraft auf den Schalter ausgeübt werden muss, um die Kontakte kurzzuschließen. Diese Werte liegen in der Regel zwischen einigen zehn und einigen hundert Gramm und hängen vom Schaltermodell und seinen Konstruktionsdetails ab. Der Hub einer Taste hingegen ist der Weg, den die Taste bei einem Druck zurücklegt. In der Praxis übersteigen diese Werte bei Taktschaltern selten 1 mm.
Bei Industrieanlagen oder tragbaren Geräten ist ein wichtiger Parameter der Temperaturbereich, in dem der Schalter ordnungsgemäß funktionieren kann. Bei den meisten Modellen liegt der Bereich bei -25 bis +70 Grad Celsius, obwohl hochwertige Industrieschalter einer viel größeren Temperaturspanne standhalten können.
Zu beachten ist auch der bereits erwähnte Übergangswiderstand Während klassische Mikroschalter ohnehin keine Ströme leiten können, die einige zehn Milliampere überschreiten, ist ein niedriger Widerstand für (analoge) Signalschaltungen sehr wichtig – wenn der Taster in einer Schaltung arbeiten soll, die beispielsweise empfindliche Verstärker enthält, kann schon ein Bruchteil eines Ohm in manchen Situationen zu spürbaren Messfehlern oder anderen Störungen führen – das sollte man bedenken, wenn man Taktschalter zum direkten Schalten von schwachen Signalen verwendet.
Anwendungen von Mikroschaltern in Prototypsystemen (und darüber hinaus)
Mikroschalter sind im Marktsegment der Prototypen-Elektronik äußerst beliebt – man findet sie mittlerweile auf unzähligen Arduino-Motherboards und Overlays, Kommunikationsmodulen (z.B. ESP32), Evaluation Kits für Mikrocontroller und FPGAs, Raspberry Pi Hat Overlays und vielen anderen. Für Schaltungen, die auf Kontaktplatinen montiert werden, werden am häufigsten Mikroschalter in Durchgangslochgehäusen in der Größe 6×6 mm verwendet, obwohl dies keine Ausnahme ist – auch viel größere Mikroschalter passen in der Regel den Anschlussabstand an die Kontaktfelder in Prototypenplatinen an. Die Mikroschalter können auch sehr einfach mit dem Arduino betrieben werden, da es ausreicht, einen der Pins des Tasters mit der Masse der Schaltung zu verbinden und den anderen – mit einem Pull-up-Widerstand mit einem Wert im Bereich von 1..100 kΩ – mit der positiven Stromversorgungsschiene (normalerweise +5 V, in einigen speziellen Versionen +3,3 V). Der gemeinsame Knoten, der den Taster und die Widerstandsanschlüsse enthält, sollte dagegen an eine beliebige digitale oder analoge Leitung des Arduino angeschlossen werden – das Ablesen des Status ist möglich, sobald die betreffende E/A-Leitung als Eingang konfiguriert wurde (Funktion pinMode()) und dann der aktuelle logische Pegel mit der Funktion digitalRead() überprüft wird.
Taktschalter sind auch in Verbrauchergeräten weit verbreitet – von Smartphones und Smartwatches über Unterhaltungselektronik und Haushaltsgeräte bis hin zu Bedienfeldern für Alarmanlagen, HLK-Steuerungen oder Computergeräten (Drucker, Scanner, Multifunktionsgeräte, Router, Netzwerk-Switches usw.). Kurz gesagt, sie sind überall dort zu finden, wo sich eine oder mehrere kleine Tasten im Gehäuse des Geräts befinden, die mit einem spürbaren Hub arbeiten (ein “Klick”-Effekt beim Drücken der Taste).
