Näherungsschalter vs. Endschalter - Unterschiede und Einsatzgebiete

In der industriellen Automatisierung und Steuerungstechnik sind präzise und zuverlässige Schaltvorgänge unerlässlich. Doch welche Technologie ist die richtige für Ihre Anwendung? Mechanische Endschalter überzeugen durch ihre Robustheit und einfache Handhabung, während berührungslose Näherungsschalter mit hoher Präzision und Langlebigkeit punkten. Dieser Blog bietet Ihnen einen detaillierten Vergleich beider Systeme, erklärt Funktionsweise, Unterschiede sowie Einsatzbereiche, und gibt wertvolle Einblicke in wichtige Parameter wie Erfassungsbereich, Schalt-Hysterese und Erkennungsabstand.

Schalter vs. Sensor

Ein mechanischer Schalter ist ein Schaltelement, das durch physischen Kontakt zweier leitfähiger Komponenten den elektrischen Stromfluss steuert. Die Betätigung erfolgt mechanisch, beispielsweise durch Drücken, Ziehen, Drehen oder das Bewegen eines Objekts gegen den Schalter. Die Funktionsweise basiert auf dem direkten Kontakt zwischen Metallkomponenten, die durch eine mechanische Bewegung geschlossen oder geöffnet werden. Ein physischer Impuls, wie das Betätigen eines Hebels oder das Aufprallen eines Objekts, löst den Schaltvorgang aus. Mechanische Schalter zeichnen sich durch ihre Robustheit und einfache Konstruktion aus und sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Allerdings unterliegen sie aufgrund mechanischer Reibung und Abnutzung einer begrenzten Lebensdauer. Typische Einsatzgebiete finden sich in der Industrie- und Automatisierungstechnik. So werden sie beispielsweise als Endschalter zur Positionsbegrenzung von Maschinenkomponenten oder als Türkontaktschalter in industriellen Umgebungen eingesetzt.

Ein Sensor ist ein elektronisches Bauelement, das Objekte, Bewegungen oder physikalische Veränderungen erkennt und daraufhin ein elektrisches Signal ausgibt. Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern arbeitet ein Sensor berührungslos und nutzt je nach Bauart unterschiedliche physikalische Prinzipien wie magnetische, kapazitive oder optische Erfassung. Die Funktionsweise basiert auf der Analyse von Umweltveränderungen. Der Sensor reagiert auf die Annäherung oder das Vorhandensein eines Objekts, verarbeitet das Signal und gibt einen Schaltimpuls aus, welcher nachgelagerte Prozesse steuern kann. Da keine mechanischen Kontakte betätigt werden, erfolgt die Erkennung verschleißfrei. Sensoren bieten eine hohe Präzision und sind besonders für schnelle oder empfindliche Anwendungen geeignet. Typische Einsatzgebiete umfassen die Automatisierungstechnik, wie zum Beispiel induktive Sensoren zur berührungslosen Objekterkennung. In unserem Blog über Sensorik finden Sie weiterführende Erläuterungen zur Auswahl und Funktion verschiedener Sensortechnologien.

Im folgenden Beispiel wird der Einsatz eines Näherungssensors PSAM18 mit einer automatisierten Tür dargestellt. Weitere Beispiele finden Sie in unser inCad-Library.

Arten von Schaltern

Schalter gibt es in verschiedenen Bauformen, die je nach Anwendung unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Alle Schalter arbeiten nach demselben grundlegenden Prinzip - dem Schalten eines Stromkreises durch mechanischen Druck. Druckschalter bzw. Positionierschalter erkennen die Position eines Objekts zuverlässig, unabhängig von Werkstoff, Form, Farbe, Magnetismus oder Oberflächenbeschaffenheit des erkannten Gegenstands. Durch den direkten physischen Kontakt ermöglichen diese Schalter eine präzise und wiederholgenaue Positionsüberwachung - ideal für Anwendungen, bei denen es auf absolute Zuverlässigkeit ankommt.

Endschalter

Ein Endschalter dient zur Positionsüberwachung und wird mechanisch durch ein bewegliches Objekt betätigt. Sobald das Objekt eine bestimmte Position erreicht, betätigt es den Schalter, wodurch sich die internen Kontakte schließen oder öffnen und ein elektrisches Signal auslösen. Der Schalter besteht aus einem robusten Gehäuse, einer Federmechanik und einem Schaltkontakt, der durch einen Hebel, eine Rolle oder einen Stößel betätigt wird.

Endschalter werden häufig in Maschinen und Förderanlagen zur Begrenzung von Bewegungen und zur Sicherheitsabschaltung eingesetzt.

Druckkontaktschalter

Ein Druckkontaktschalter reagiert auf mechanischen Druck oder eine Kraft. Sobald eine bestimmte Druckschwelle überschritten wird, schließen oder öffnen sich die Kontakte, um den Stromfluss zu ermöglichen oder zu unterbrechen. Der Schalter besteht meist aus einem Gehäuse mit Federmechanismus und einem einfachen Kontaktsystem und wird durch das Aufbringen von Druck (manuell oder mechanisch) aktiviert. Druckkontaktschalter werden oft als Sicherheitsschalter an Maschinen oder als Taster in Steuerungen verwendet.

Präzisionsdruckkontaktschalter

Ein Präzisionsdruckkontaktschalter ist eine weiterentwickelte Form des herkömmlichen Druckkontaktschalters. Er ist so konstruiert, dass er bei einem sehr genau definierten Druckpunkt schaltet. Dies wird durch hochwertige Materialien, präzise Fertigung und spezielle Feder- sowie Kontaktsysteme erreicht. Präzisionsdruckschalter verfügen über eine hohe Empfindlichkeit und reagieren auf kleine Druckänderungen mit hoher Wiederholgenauigkeit. Der definierte Schaltpunkt bleibt auch bei häufigem Betätigen und unter wechselnden Umgebungsbedingungen stabil. Typische Anwendungen sind die Präzisionsmesstechnik und die Automatisierungstechnik.

Mechanische Einflussgrößen und Schaltverhalten von Kontaktschaltern

Das Schaltverhalten von Kontaktschaltern wird nicht nur durch die elektrische Auslegung, sondern maßgeblich durch mechanische Einflussgrößen bestimmt. Parameter wie Druckwinkel, Kontaktgeschwindigkeit, Hub oder Aufprallenergie entscheiden darüber, ob ein Schalter zuverlässig, präzise und langlebig arbeitet. Besonders in industriellen Anwendungen, in denen hohe Taktraten, wechselnde Belastungen oder anspruchsvolle Umgebungen vorherrschen, ist das Verständnis dieser mechanischen Kennwerte entscheidend für die sichere Integration und den störungsfreien Betrieb.

Druckwinkel

Der Druckwinkel beschreibt, unter welchem Winkel die Betätigungskraft auf den Schalter einwirkt - idealerweise axial, also geradlinig entlang der Betätigungsachse. Eine seitliche oder schräge Krafteinwirkung (Falschbelastung) kann den Schaltmechanismus verkanten, die Schaltgenauigkeit beeinträchtigen oder im schlimmsten Fall zum mechanischen Totalausfall des Schalters führen. Die zulässige Richtung der Krafteinwirkung ist individuell für jeden Schalter vom Hersteller festgelegt und muss bei der Auslegung der Anwendung unbedingt berücksichtigt werden, um Fehlfunktionen und vorzeitigen Verschleiß zu vermeiden.

Kontaktgeschwindigkeit

Die Kontaktgeschwindigkeit gibt an, mit welcher Geschwindigkeit das Objekt auf den Schalter trifft und ihn betätigt. Eine zu hohe Geschwindigkeit kann den Kontaktmechanismus überlasten, während zu langsame Bewegungen den Schaltvorgang instabil machen. Bei der Auswahl ist daher sicherzustellen, dass der Schalter für die geplante Bewegungsgeschwindigkeit des Prozesses geeignet ist.

Gesamthub

Der Gesamthub bezeichnet den maximalen Bewegungsweg des Betätigers - vom Ausgangspunkt bis zum mechanischen Anschlag. Er definiert den gesamten Spielraum, den der Schalter aufnehmen kann, bevor er mechanisch blockiert wird. Wichtig ist, dass die erkannten Gegenstände beim Betätigen nicht mit dem Schaltergehäuse kollidieren, es sei denn, es handelt sich um spezielle Schalter mit integrierten Anschlägen. Besteht das Risiko einer Kollision, sollte ein separater mechanischer Anschlag im System vorgesehen werden, um den Schalter zu entlasten. Dabei ist es essenziell, die Stoßfestigkeit solcher Schalter mit Anschlägen zu überprüfen, um eine mechanische Überlastung und damit verbundene Schäden zu vermeiden.

Schaltweg und Arbeitspunkt

Der Schaltweg ist der Teil des Hubs, in dem der elektrische Schaltvorgang tatsächlich erfolgt. Der Arbeitspunkt liegt innerhalb dieses Weges und markiert den exakten Moment, an dem der Schalter umschaltet. Diese beiden Parameter sind wichtig, um die exakte Position des Schaltimpulses im Bewegungsablauf zu kennen und den Schalter korrekt in den Prozess einzubinden.

Kontaktkraft

Die Kontaktkraft ist die Kraft, die notwendig ist, um die elektrischen Kontakte sicher zu schließen. Sie sorgt für einen stabilen Kontakt ohne Prellen, was für einen zuverlässigen Signalfluss entscheidend ist. Die Auswahl des Schalters muss die richtige Kontaktkraft berücksichtigen, um sowohl sichere Schaltvorgänge als auch eine angemessene Betätigungskraft im Prozess sicherzustellen.

Aufprallenergie

Die maximale Schlagenergie bzw. Aufprallenergie gibt an, wie viel kinetische Energie beim Aufprall auf den Schalter aufgenommen werden kann, ohne diesen zu beschädigen. Besonders bei schnell bewegten Maschinenkomponenten ist es wichtig, dass diese Energie unterhalb der Belastungsgrenze des Schalters liegt, um mechanische Schäden und Ausfallzeiten zu vermeiden.

• E_kin = kinetische Energie (J) • m = Gewicht (kg) • v - Geschwindigkeit (m/s) • h - Fallhöhe (m)
• Erdbeschleunigung (9,8 m/s²)

Maximale statische Last

Die maximale statische Last beschreibt die höchste Kraft, die auf den Betätiger im eingedrückten Zustand dauerhaft wirken darf. Überschreitet die Last diesen Wert, kann es zu Verformungen oder Schäden am Schalter kommen. Dieser Parameter ist wichtig, wenn nach der Betätigung eine Dauerbelastung auf den Schalter ausgeübt wird, wie z.B. bei fixierten Positionen in Maschinen.

Kontaktlogik

Die Kontaktlogik eines Schalters legt fest, wie dieser im Stromkreis arbeitet und unterscheidet sich in zwei Grundtypen: NC (Normally Closed) und NO (Normally Open).

Ein NC-Kontakt (auch Öffner genannt) sorgt dafür, dass der Stromkreis im Ruhezustand geschlossen ist. Erst wenn der Schalter betätigt wird, öffnet sich der Kontakt und unterbricht den Stromfluss. Dieses Prinzip wird häufig für Sicherheitsfunktionen eingesetzt, da bei einem Schalterausfall oder einem Kabelbruch der Stromkreis automatisch geöffnet bleibt.

Ein NO-Kontakt (auch Schließer genannt) verhält sich umgekehrt: Im Ruhezustand bleibt der Stromkreis offen. Erst durch die Betätigung des Schalters schließen sich die Kontakte, und der Stromfluss wird ermöglicht. Diese Logik wird typischerweise für normale Steueraufgaben verwendet, bei denen der Stromfluss nur bei Bedarf aktiviert wird.

Sicherheitsvorkehrungen bei der Montage und Verwendung von Schaltern

Beim Einsatz von Schaltern in industriellen Anwendungen ist auf eine sachgemäße Auslegung, Verdrahtung und Montage zu achten, um Unfälle, Schäden an Maschinen oder Gefährdungen von Personen zu vermeiden.

Ein wesentliches Risiko besteht darin, dass der Stromkreis durch übermäßige Wärmeentwicklung, Rauch oder sogar Feuer beschädigt werden kann. Dies kann auftreten, wenn Schalter außerhalb ihrer Nennwerte betrieben werden, z.B. bei Überschreiten der zulässigen Ströme, Lebenszyklen oder Umgebungsbedingungen. Ebenso besteht Gefahr, wenn Kabel und Steckverbinder über ihre maximale Strombelastbarkeit hinaus genutzt oder in der Nähe wärmeproduzierender Bauteile verlegt werden. Insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen, bei denen ein Schalterausfall zu schweren Verletzungen oder Maschinenschäden führen könnte, sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu zählen beispielsweise redundante Schaltkreise oder Sicherheitsvorrichtungen wie Not-Halt-Schaltungen, um im Fehlerfall zuverlässig eingreifen zu können.

Auch bei der Montage sind bestimmte Vorkehrungen einzuhalten, um mechanische Schäden am Schalter oder den Anschlussleitungen zu vermeiden. Dazu gehört, Kabel korrekt zu verlegen, Beschädigungen durch scharfkantige Bauteile zu verhindern und den Schalter mechanisch so zu fixieren, dass keine ungewollte Bewegung oder Lockerung möglich ist.

Bei der elektrischen Verdrahtung sind die richtige Anschlussweise an die Stromversorgung, die sachgemäße Erdung sowie der korrekte Umgang mit induktiven Lasten zu beachten. Auch bei Schaltern mit integrierter LED-Anzeige müssen die Schaltkreise entsprechend den Herstellerangaben verdrahtet werden, um Fehlfunktionen oder Überlastungen zu vermeiden.

Arten von Sensoren

Auch bei den Sensoren gibt es verschiedene Typen, die je nach Anwendung und Anforderung eingesetzt werden. Zwei häufig verwendete Sensoren sind der Näherungssensor und der Abstandssensor. Obwohl beide Sensoren Objekte erkennen können, unterscheiden sie sich deutlich in ihrer Funktionsweise, Reichweite und den Messmöglichkeiten.

Näherungsschalter

Ein Näherungssensor oder auch Näherungsschalter erkennt die Anwesenheit eines Objekts in seiner unmittelbaren Nähe, ohne dass physischer Kontakt erforderlich ist. Der Sensor schaltet ein Signal, sobald ein Objekt innerhalb eines definierten Erfassungsbereichs detektiert wird. Er misst jedoch nicht den genauen Abstand, sondern nur, ob sich ein Objekt in Reichweite befindet oder nicht. Näherungssensoren erkennen Objekte berührungslos, d.h. sie reagieren auf physikalische Veränderungen wie elektromagnetische Felder (induktiv), kapazitive Felddifferenzen oder Lichtreflexionen (optisch). In der Regel geben sie ein einfaches Ja-Nein-Signal für die Erkennung bzw. Nichterkennung von Objekten aus.

Abstandssensoren

Ein Abstandssensor misst den genauen Abstand zwischen dem Sensor und einem Objekt. Im Gegensatz zum Näherungssensor gibt er ein kontinuierliches Messsignal aus, das den tatsächlichen Wert des Abstands angibt. Dies ermöglicht eine präzisere Erfassung von Distanzen in einem definierten Messbereich. Abstandssensoren messen also kontinuierlich, indem sie Technologien wie zB. Ultraschall oder Laser verwenden. Sie geben entweder ein analoges Signal (proportional zum Abstand) oder ein digitales Signal mit Messwerten aus. Als Alternative für gelegentlich erforderliche präzise Abstandsmessungen eignen sich auch Messuhren, welche im Beitrag Messuhren - Arten und Eigenschaften ausführlich behandelt werden.

Funktionsprinzipien von Näherungsschaltern

Näherungsschalter bzw. Näherungssensoren werden in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt. Je nach Messprinzip und Einsatzgebiet gibt es verschiedene Sensortypen, die auf unterschiedliche physikalische Effekte reagieren. Im Folgenden werden vier gängige Arten vorgestellt.

Induktive Sensoren

Ein induktiver Sensor erkennt metallische Objekte durch die Veränderung eines elektromagnetischen Feldes. Im Sensor wird ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt. Sobald sich ein leitfähiges (metallisches) Objekt diesem Feld nähert, entsteht ein sogenannter Wirbelstrom, der das Magnetfeld verändert. Diese Veränderung wird vom Sensor erkannt und löst ein Schaltsignal aus.

Kapazitive Sensoren

Kapazitive Sensoren arbeiten auf Basis von elektrischen Feldern. Sie erkennen Objekte durch die Veränderung der elektrischen Kapazität zwischen zwei Elektroden. Nähert sich ein Objekt dem Sensor, verändert es das elektrische Feld, was zu einer messbaren Kapazitätsänderung führt. Dies löst ein Schaltsignal aus. Kapazitive Sensoren eignen sich sowohl für die Erkennung von metallischen als auch nicht-metallischen Materialien. Kapazitive Näherungsschalter sind ideal zur Füllstandskontrolle von Flüssigkeiten oder Schüttgütern.

Optische Sensoren

Optische Sensoren, insbesondere Lasersensoren, arbeiten mit Lichtstrahlen. Ein Sender (Laser oder LED) emittiert einen Lichtstrahl, der von einem Objekt reflektiert wird. Ein Empfänger detektiert das reflektierte Licht und wertet die Änderung der Lichtintensität oder den Zeitunterschied aus, um ein Schaltsignal zu generieren. Optische Sensoren arbeiten sehr präzise, sie können Objekte, Abstände und selbst kleinste Details exakt erkennen. Optische Näherungsschalter kommen häufig in der automatisierten Fertigung und Verpackungstechnik zum Einsatz, etwa bei der Überwachung bewegter Komponenten.

Akustische Sensoren

Akustische Sensoren, meist Ultraschallsensoren, senden hochfrequente Schallwellen (oberhalb des menschlichen Hörbereichs) aus. Diese Wellen werden von Objekten reflektiert und vom Sensor wieder empfangen. Der Sensor berechnet den Abstand anhand der Laufzeit des Schalls (Time-of-Flight-Prinzip) zwischen Aussenden und Empfang des Signals. Akustische Sensoren funktionieren materialunabhängig, d.h. sie können feste, flüssige und sogar transparente Objekte erkennen.

Aufbau und Funktion von Näherungsschaltern

Näherungsschalter bestehen aus mehreren elektronischen Komponenten, die eine berührungslose Erfassung von Objekten oder physikalischen Veränderungen ermöglichen. Ihr Aufbau variiert je nach Sensortyp, folgt jedoch einem ähnlichen Grundprinzip.

Ein Sensorelement erkennt eine physikalische Größe, ein Signalverarbeitungssystem wertet diese aus und ein Schaltausgang gibt das Signal an nachgelagerte Steuerungen weiter. Je nach Technologie kommen unterschiedliche Erfassungsmechanismen zum Einsatz, die maßgeblich die Leistungsfähigkeit und Anwendungsbereiche des Sensors bestimmen.

Ein zentraler Punkt bei der Auswahl und Integration eines Näherungsschalters ist die räumliche Erfassung von Objekten, die durch drei wesentliche Parameter definiert wird:

• Erfassungsbereich
• Blindbereich
• Erkennungsabstand

Erfassungsbereich, Blindbereich und Erkennungsabstand

Der Erfassungsbereich eines Näherungsschalters beschreibt den maximalen Bereich, in dem ein Objekt zuverlässig erkannt werden kann. Dieser Wert variiert je nach Sensortyp und Technologie und gibt an, bis zu welcher Entfernung eine Objektdetektion möglich ist.

Der Blindbereich ist der unmittelbare Bereich vor bzw. neben dem Sensor, in dem keine zuverlässige Erfassung stattfindet. Besonders bei Ultraschall- und optischen Sensoren entsteht dieser Bereich durch die notwendige Signalverarbeitung, wodurch Objekte, die sich zu nah am Sensor befinden, nicht registriert werden können.

Der Erkennungsabstand definiert die konkrete Distanz, bei der der Sensor ein Objekt sicher erkennt und ein Schaltsignal ausgibt.

Hysterese und Schaltpunkte bei Näherungsschaltern

Bei Näherungsschaltern bestimmen die Schaltpunkte, wann und wie der Sensor ein Signal ausgibt, wenn sich ein Objekt in den Erfassungsbereich hinein- oder hinausbewegt.

Der Schaltpunkt Ein definiert den exakten Moment oder Abstand, bei dem der Sensor ein Objekt erkennt und in den Erkennungszustand schaltet. Überschreitet das Objekt diese Schwelle, gibt der Sensor ein Schaltsignal aus.

Der Schaltpunkt Aus dagegen markiert den Abstand, bei dem der Sensor das Objekt nicht mehr erkennt und in den Nicht-Erkennungszustand zurückkehrt. Dieser Punkt liegt in der Regel weiter entfernt als der Schaltpunkt Ein.

Der Abstand zwischen diesen beiden Punkten - also zwischen Schaltpunkt Ein und Schaltpunkt Aus - wird als Schalt-Hysterese bezeichnet. Diese Hysterese ist bewusst vorgesehen, um zu verhindern, dass der Sensor bei kleinen Bewegungen des Objekts oder bei Störungen wie Vibrationen oder Rauschen ständig zwischen den Zuständen Ein und Aus hin- und herschaltet. Die Hysterese sorgt somit für einen stabilen und zuverlässigen Schaltvorgang, indem sie einen definierten Bereich schafft, in dem der Sensor keine Statusänderung vornimmt, obwohl sich das Objekt in der Nähe der Schaltschwelle befindet.

Zubehör für Näherungsschalter

Für den effektiven Einsatz von Näherungsschaltern stehen zahlreiche Hilfsmittel und Zubehörteile zur Verfügung, die die Montage, Ausrichtung und Leistungsfähigkeit der Sensoren verbessern. Dazu gehören unter anderem Werkstück-Erkennungsvorrichtungen, die speziell dafür entwickelt wurden, Objekte präzise zu positionieren und zuverlässig zu erfassen. Sie tragen maßgeblich dazu bei, die Genauigkeit der Objekterkennung in automatisierten Fertigungsprozessen zu erhöhen. Ein weiteres zentrales Zubehör sind Sensorhalterungen, die eine stabile Befestigung und flexible Ausrichtung von Näherungsschaltern ermöglichen. Mithilfe von Winkelplatten, Winkelkonsolen oder speziellen Montagesystemen, wie im Beitrag Winkelplatten und Winkelkonsolen - Übersicht und Einsatzgebiete vorgestellt, lassen sich Sensoren passgenau auf das jeweilige Objekt oder den Prozess ausrichten und fixieren. Darüber hinaus kommen in der Praxis auch Sensorschienen, Schaltnocken oder Sensorplatten zum Einsatz, die die Integration von Näherungsschaltern in komplexe Anlagen noch weiter vereinfachen. Diese Elemente erleichtern die exakte Positionierung, das Feintuning der Sensorik und erhöhen die Flexibilität bei wechselnden Anforderungen.