Schalter und Taster

Der Netzschalter am Verstärker, der kleine Reset-Taster auf dem Mikrocontroller-Board, die DIP-Schalter zur Adresseinstellung, der Endschalter im 3D-Drucker: Schalter und Taster sind die einfachsten Bauteile überhaupt – zwei Metallkontakte, die sich berühren oder nicht. Trotzdem stecken einige Fallen darin. Ein Kontakt für 230 V Wechselspannung schafft bei Gleichspannung oft nur einen Bruchteil davon, ein Netzschalter kann einen schwachen Signalstrom unzuverlässig schalten, und jeder mechanische Kontakt prellt.

Aufbau und Funktionsweise

Ein mechanischer Schalter besteht aus festen und beweglichen Kontakten, einer Feder und einer Betätigung. Wird er betätigt, drückt die Feder die Kontaktflächen aufeinander, und der Strom kann fließen. Der Übergangswiderstand liegt bei guten Kontakten im Milliohmbereich. Die Kontaktflächen bestehen meist aus Silberlegierungen, die auch größere Ströme und Lichtbögen gut vertragen, oder aus Gold für kleinste Signale.

Der Unterschied zwischen Schalter und Taster liegt in der Rückstellung:

• Schalter (rastend): bleibt in der gewählten Stellung, bis du ihn erneut betätigst. Beispiel: Lichtschalter, Kippschalter.
• Taster (tastend): schaltet nur, solange du drückst; danach holt ihn eine Feder zurück. Beispiel: Klingelknopf, Reset-Taster.

Nach der Kontaktart unterscheidet man:

• Schließer: Kontakt in Ruhe offen, bei Betätigung geschlossen. Englisch NO (normally open).
• Öffner: Kontakt in Ruhe geschlossen, bei Betätigung offen. Englisch NC (normally closed). Not-Halt-Taster sind Öffner, damit auch ein Drahtbruch die Maschine anhält.
• Wechsler: ein gemeinsamer Kontakt, der zwischen zwei anderen umschaltet. Englisch SPDT (single pole, double throw).

Die englischen Kürzel beschreiben auch, wie viele Stromkreise ein Schalter gleichzeitig schaltet: SPST ist ein einpoliger Ein-Aus-Schalter, DPDT ein zweipoliger Umschalter. Netzschalter sind oft zweipolig, damit sie Außenleiter und Neutralleiter trennen.

Schaltzeichen

Nach IEC 60617 wird der bewegliche Kontakt als schräger Strich gezeichnet, und zwar immer in Ruhestellung. Eine gestrichelte Linie mit einem Betätigungssymbol zeigt, wie geschaltet wird; beim Taster ist das ein kleiner Druckknopf. Mehr dazu unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Im Datenblatt eines Schalters stehen:

• Schaltspannung und Schaltstrom, getrennt für Wechsel- und Gleichspannung und für ohmsche und induktive Last.
• Mindestlast: der kleinste Strom, der noch zuverlässig geschaltet wird.
• Kontaktwiderstand im Neuzustand und am Ende der Lebensdauer.
• Lebensdauer: mechanisch (ohne Last) und elektrisch (mit Nennlast), angegeben in Schaltspielen.
• Prellzeit: wie lange der Kontakt nach dem Betätigen unruhig ist.
• Isolationsspannung zwischen den Kontakten und zur Betätigung.

Ein typischer 6-mm-Kurzhubtaster wie die Reihe B3F von Omron ist für 1–50 mA bei 5–24 V Gleichspannung angegeben, mit höchstens 5 ms Prellzeit und einer Million Betätigungen. Ein Kippschalter für Netzspannung trägt dagegen Aufdrucke wie „6 A 250 V~“ – und darf bei Gleichspannung oft nur 2 A bei 28 V schalten.

Warum der Unterschied? Beim Öffnen eines Kontakts unter Last entsteht ein Lichtbogen. Bei Wechselspannung erlischt er spätestens im nächsten Nulldurchgang, also nach höchstens 10 ms. Bei Gleichspannung gibt es keinen Nulldurchgang; der Bogen brennt weiter, bis der Kontaktabstand groß genug ist, und brennt dabei die Kontakte ab. Induktive Lasten wie Motoren und Relaisspulen verschärfen das, weil die Induktivität den Strom weitertreiben will (siehe Spule an Gleichspannung).

Umgekehrt brauchen Silberkontakte einen gewissen Mindeststrom, um dünne Oxid- und Sulfidschichten zu durchschlagen. Ein Netzschalter mit Silberkontakten, der nur den Eingang eines Mikrocontrollers mit 0,1 mA schaltet, kann nach einiger Zeit unzuverlässig werden. Für Signale nimmst du vergoldete Kontakte.

Bauformen

• Kurzhubtaster (Tactile Switch): 6 × 6 mm oder kleiner, mit spürbarem Klick, auf jeder Platine. Bedrahtet oder SMD.
• Drucktaster und Drucktaster mit Rastung: für die Frontplatte, oft beleuchtet.
• Kippschalter, Wippschalter: für Netz- und Betriebsschalter.
• Schiebeschalter: klein und billig, etwa für Batteriegeräte.
• DIP-Schalter: mehrere kleine Schiebe- oder Hebelschalter im IC-Gehäuse für Einstellungen.
• Dreh- und Codierschalter: wählen eine von mehreren Stellungen oder geben sie als Binärcode aus.
• Mikroschalter: Schnappschalter mit sehr kleinem Betätigungsweg und hoher Schaltleistung, als Endschalter und Türkontakt.
• Reedkontakte werden durch einen Magneten betätigt, siehe Reedkontakt.

Ohne mechanische Kontakte schalten Transistoren und Halbleiterrelais – ohne Prellen und Verschleiß, aber mit Spannungsfall und Leckstrom.

Taster am Mikrocontroller

Ein Taster am Eingang eines Mikrocontrollers braucht einen definierten Ruhezustand. Üblich ist ein Pull-up-Widerstand von 4,7–47 kΩ zur Versorgung, der Taster schaltet nach Masse. Ungedrückt liest der Eingang High, gedrückt Low. Viele Controller haben den Pull-up schon eingebaut. Ohne ihn hängt der Eingang in der Luft und liest zufällige Werte – der Finger in der Nähe reicht, um ihn umzuschalten. Der Strom durch den Pull-up bei gedrücktem Taster folgt aus dem Ohmschen Gesetz: bei 3,3 V und 10 kΩ sind es 0,33 mA.

Kontaktprellen und Entprellen

Wenn zwei Metallkontakte aufeinandertreffen, federn sie ein paar Mal zurück, bevor sie fest aufliegen. Elektrisch sieht das aus wie ein schnelles Ein-Aus-Ein-Aus von Mikrosekunden bis einigen Millisekunden Dauer. Für eine Lampe ist das egal. Ein Mikrocontroller aber, der Flanken zählt, sieht statt eines Tastendrucks fünf oder zehn.

Es gibt drei bewährte Wege, damit umzugehen:

• In Software: Der Controller liest den Taster alle paar Millisekunden ein und übernimmt einen neuen Zustand erst, wenn er mehrmals hintereinander gleich war – typisch über 10 bis 20 ms. Das kostet kein Bauteil und ist heute der Normalfall.
• Mit RC-Glied und Schmitt-Trigger: Ein Kondensator glättet das Prellen, ein Schmitt-Trigger macht aus der langsam laufenden Spannung wieder eine saubere Flanke. Nötig, wenn der Taster einen Interrupt, einen Zähler oder eine Logikschaltung ohne Software ansteuert.
• Mit Wechsler und Flipflop: Ein Wechsler setzt und löscht ein RS-Flipflop; der erste Kontakt schaltet um, alles Weitere wird ignoriert. Die sauberste Lösung, aber sie braucht einen Wechsler.

Lade- und Entladezeiten für andere Werte rechnest du hier:

Auswahl und Praxistipps

Wähle zuerst die Kontaktart (Schließer, Öffner, Wechsler) und die Zahl der Pole, dann die Belastung: Spannungsart, Strom, Lastart. Für Netzspannung nimmst du Schalter mit entsprechender Zulassung und beachtest die Abstände (siehe Schutzmaßnahmen). Für Signale unter etwa 10 mA vergoldete Kontakte. Für Geräte im Freien oder in feuchter Umgebung achte auf die Schutzart, siehe IP-Schutzarten.

Häufige Fehler:

• Wechselstromangabe bei Gleichspannung genutzt: Ein „10 A 250 V~“-Schalter an 24 V Gleichspannung und einem Motor brennt schnell ab.
• Offener Eingang: Taster ohne Pull-up oder Pull-down – der Eingang liest Zufall.
• Prellen ignoriert: Ein Zähler zählt pro Tastendruck mehrfach.
• Kondensator direkt über dem Taster ohne Strombegrenzung: Jeder Druck schließt den Kondensator kurz und verschleißt die Kontakte.
• Netzschalter für Signale: Silberkontakte bei Mikroampere werden mit der Zeit unzuverlässig.

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