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1    Schalter, Tasten

Einstieg Bei der Bedienung von Geräten und Anlagen mit oder ohne eingebaute Rechnerunterstützung werden viele Einstellungen mit Schaltern in verschiedensten Bauforman vorgenommen.

In Computertastaturen sind Tasten die Grundelemente, von deren Eigenschaften Gebrauchsfähigkeit und Lebensdauer wesentlich abhängen.
Summary For controlling technical equipment and systems, with or without embedded processors, many kinds of settings are done using switches of various types.

Usability and life span of computer keyboards strongly depend on the properties of their buttons. They are the basic components for inputting discrete values.

1.1   Schaltfunktion

In der einfachsten Ausführung hat ein Schalter zwei Schaltstellungen. Er kann einen Stromweg öffnen (Ausschaltstellung) und schließen (Einschaltstellung).
Ist eine Stellung hervorgehoben (z.B. dadurch, dass bei einem Tastschalter nach Ende der Betätigung diese Stellung selbsttätig wieder eingenommen wird), spricht man von einer Ruhestellung (unbetätigt) und einer Arbeitsstellung (betätigt).
Ist die Arbeitsstellung gleichzeitig die Einschaltstellung, handelt es sich um einen Schließer (Einschalter, Arbeitskontakt), im umgekehrten Fall (Arbeitsstellung = Ausschaltstellung) um einen Öffner (Ausschalter, Ruhekontakt).
Kombiniert man einen Öffner und einen Schließer zu einer Stromweiche, erhält man einen Wechsler (Umschalter, Umschaltkontakt). Die konstruktive Auslegung bestimmt, ob in einem Übergangsbereich des Schaltweges beide Stromwege geöffnet (unterbrechende Schaltweise) oder beide geschlossen sind (überbrückende Schaltweise) (Abb. 1-2).
Durch Kombination und Erweiterung dieser Grundelemente kommt man zu komplexeren Schaltfunktionen (Abb. 1-1): Einen Schalter, bei dem durch eine Betätigung zwei oder mehr unabhängige Stromwege ein-, aus- oder umgeschaltet werden, bezeichnet man als mehrpolig, einen Schalter mit mehr als zwei Schaltstellungen als mehrstufig.

    Spezialtypen:

Ein Folgeschalter ist ein mehrpoliger, zweistufiger Umschalter, bei dessen Umschaltvorgang die Stromwege der einzelnen Ebenen in einer konstruktiv festgelegten Reihenfolge geöffnet und geschlossen werden.
Codierschalter sind mehrstufige und mehrpolige Umschalter, bei denen die Schaltfunktionen der verschiedenen Ebenen so ausgelegt sind, dass sie bei jeder Schaltstellung eine für diese Stellung charakteristische Kombination bilden. 2n Stellungen werden zu einem n-bit-Wort codiert, das auf n Leitungen zur Auswerteschaltung übertragen wird, während bei einpoligen (Standard-) Umschaltern dafür 2n Stufen und 2n Leitungen benötigt würden.

1.2   Bauformen

Eine grobe Einteilung der Schalterbauformen in Familien orientiert sich an der Betätigungsart (Abb. 1-3). Man kann unterscheiden:
  • Drehschalter
  • Tastenstreifen (nicht abgebildet)
  • Schlüsselschalter
  • Schiebeschalter
  • Kippschalter
  • Druckschalter

1.2.1 Drehschalter

Drehschalter werden üblicherweise zur Umschaltung mehrerer Einstellwerte verwendet. Sie haben meistens rastende Funktion und sind in mehrstufigen und ein- oder mehrpoligen Ausführungen erhältlich.

1.2.2 Tastenstreifen

Tastenstreifen (oder Tastenaggregate) bestehen aus mehreren Druckschaltern, die auf einem Chassis aneinandergereiht sind. Sie können sich mechanisch gegenseitig beeinflussen, z.B. dadurch, dass die gleichzeitige Betätigung bestimmter Tasten verhindert oder dass durch die Betätigung einer Taste eine andere entrastet wird. Der Vorteil gegenüber Drehschaltern besteht darin, dass durch Kombination weniger Grundelemente beinahe beliebige Schaltfunktionen erzeugt werden können.

1.2.3 Schlüsselschalter

Schlüsselschalter (oder Schlossschalter) können nur mit Hilfe eines passenden Schlüssels bedient werden. Sie dienen vor allem in Tastaturen und Bedienfeldern zum Schutz gegen unbefugte Benutzung. Bei manchen Schlüsselschaltern kann man den Schlüssel nur im ausgeschalteten Zustand abziehen. Schlüsselschalter mit mehreren Schaltstellungen (und verschiedenen Schlüsseln) ermöglichen abgestufte Zugangsberechtigungen.

1.2.4 Schiebeschalter

Für Schiebeschalter gibt es zwei Haupteinsatzgebiete: Als einpolige Ein-Aus-Schalter werden sie auf Leiterplatten als preiswerter und platzsparender Ersatz für Kippschalter verwendet, wenn nur seltene Betätigung erforderlich ist. Werden mehrere in einem IC-ähnlichen Gehäuse zusammengefasst, nennt man sie Mehrfachschiebeschalter oder DIL-Schalter.
Mehrstufige, aber meist einpolige Ausführungen werden ähnlich wie Drehschalter eingesetzt, wenn diese aus Preis- oder Designgründen nicht in Frage kommen.

1.2.5 Kippschalter

Kippschalter werden als Bedienelemente häufig eingesetzt, wenn zwischen zwei Werten ausgewählt werden soll. Sie werden deshalb in ein- oder zweipoliger Ausführung mit Einschalt- oder Umschaltfunktion geliefert. Üblicherweise haben sie zwei rastende Schaltstellungen. Sonderausführungen sind auch mit drei Schaltstellungen oder nichtrastender Funktion erhältlich. Nach der Form des Bedienelements unterscheidet man Knebelschalter (oder Kipphebelschalter) Griffschalter (oder Paddelschalter) und Wippenschalter.

1.2.6 Druckschalter, Drucktaster

Schalter, die durch Drücken betätigt werden, gibt es in rastender und in nichtrastender Ausführung
Rastende Druckschalter (nach DIN als Stellschalter bezeichnet), behalten die erreichte Schaltstellung bei, wenn die Betätigungskraft nicht mehr einwirkt. Sie können Kippschalter in den meisten Anwendungsfällen ersetzen; entscheidend sind Design und Wirtschaftlichkeit.
Nicht rastende Drucktaster (nach DIN als Tastschalter bezeichnet) nehmen nach Ende der Betätigung ihre ursprüngliche Schaltstellung selbsttätig wieder ein. Sie bilden auch heute noch die Grundelemente der meisten Tastaturen und sollen deshalb im folgenden ausführlicher behandelt werden.

1.3   Funktionsprinzipien

1.3.1 Kontaktlose Tasten

Als kontaktlose Ausführungen sind fünf Typen bekannt und gebräuchlich:
Bei der Halltaste wird ein Permanentmagnet vor einen Hallsensor bewegt. Dieser reagiert auf die Änderung des Magnetfeldes und erzeugt daraus eine elektrische Spannung an seinen beiden Anschlüssen.
Optoelektrische Tasten bestehen aus einem Lichtsender, einem Fotoempfänger sowie einem lichtundurchlässigen Schieber, der bei Betätigung der Taste in den Strahlengang oder aus ihm heraus bewegt wird. Bei Bestrahlung kann der Fotoempfänger einen Stromfluss über die Anschlüsse der Taste erzeugen.
Piezoelektrische Tasten enthalten ein Piezoelement (Piezoscheibe), das bei Einwirken einer mechanischen Kraft eine elektrische Spannung an seinen Anschlüssen erzeugt. Da hier die mechanische Kraft direkt, ohne Bewegung, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, lassen sich mit diesem Prinzip hublose Tasten realisieren.
Bei einer induktiven Taste wird die Verstimmung eines Resonanzkreises ausgewertet, wenn bei Betätigung Ferritmaterial in eine Spulenanordnung bewegt und damit die Induktivität der Spule erhöht wird.
Ebenso wird bei kapazitiven Tasten die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises oder die Ladezeitkonstante eines Kondensator-Widerstands-Netzwerkes ausgewertet. Bei kapazitiven Tasten mit Hub wird bei Betätigung der Abstand von Kondensatorplatten verändert, bei hublosen Tasten bewirkt die zusätzliche Kapazität des menschlichen Körpers die Verstimmung.
Für die Informationseingabe verwendet werden Halltasten, kapazitive Hubtasten und für Spezialzwecke Piezotasten, während induktive und optoelektrische kaum eine Rolle spielen.

1.3.2 Kontaktbehaftete Tasten

Während kontaktlose Tasten hauptsächlich für Spezialzwecke eingesetzt werden, spielen kontaktbehaftete Tasten eine wesentlich größere Rolle für die Informationseingabe.
Flache Folientasten bestehen aus mindestens drei miteinander verklebten Folien, nämlich aus den zwei Schaltfolien und einer Distanzfolie. Folientasten spielen als Einzelelemente kaum eine Rolle. Sie werden deshalb erst in Abschnitt 3.4.2: Folientastaturen ausführlicher behandelt.
Durch eine metallische Schnappscheibe zwischen den Schaltfolien erhält man Folientasten mit deutlicher taktiler Rückmeldung.
Die größte Bedeutung als hochwertige Eingabeelemente haben nach wie vor Tasten mit mechanischem Federkontakt. Sie sollen deshalb hier möglichst ausführlich behandelt werden.

1.4   Mechanische Drucktasten

1.4.1 Prinzip

Mechanische Drucktasten verwenden als Schaltsystem ein Kontaktpaar aus einer Kontaktfeder, die bei Betätigung bewegt wird, und einem meist feststehenden Gegenkontakt. Der Stromfluss über den geschlossenen Kontakt dient zur Auswertung des Schaltzustands.

1.4.2 Schaltleistung

Beim Betätigen darf eine spezifizierte maximale Spannung an den Kontakten anliegen, nach Betätigung darf ein spezifizierter maximaler Strom fließen. Da zur Informationseingabe sowieso Stromkreise mit niedrigen Spannungen und Strömen betrieben werden, ist hier die maximal zulässige Leistung meist unkritisch.

1.4.3 Zuverlässigkeit, Funktionssicherheit

Gerade bei geringen Spannungen ist der Einfluss der Umgebung von Bedeutung. Besonders bei seltener Betätigung können sich auf den Kontakten isolierende Schichten aus Oxid, Sulfid oder organischen Materialien bilden. Kann die anliegende Spannung die Schichten nicht mehr durchschlagen, entstehen hohe Kontaktwiderstände, die zu Funktionsstörungen führen können. Zur Erhöhung der Funktionssicherheit gibt es mehrere Ansatzpunkte:
Höhere Kontaktkraft und reibende Kontaktgabe wirken sich allerdings negativ aus auf die Lebensdauer der Taste.
  • Erhöhung der Kontaktkraft durch konstruktive Auslegung der bewegten Kontaktfeder bewirkt niedrigere und gleichbleibendere Kontaktwiderstände.

  • Kontaktoberflächen aus Edelmetallen wie Gold oder Palladium bzw. aus Graphit oder auch leitfähigen Polymeren vermeiden Oxid- und Sulfidbildung.

  • Gibt man dem "feststehenden" Kontakt einen gewissen Spielraum, wird er vom bewegten Kontakt mitgenommen. Die dadurch hervorgerufene gleitende Kontaktgabe erzeugt eine Selbstreinigung der Kontaktflächen.

  • Elektrisch verbundene, aber mechanisch unabhängige Mehrfachkontakte, die mit nur einer Schieberbetätigung geschlossen werden. Die Gesamtfehlerrate z.B. eines Zwillingskontaktes ergibt sich theoretisch als Produkt der Einzelfehlerraten.

1.4.4 Lebensdauer

Die Lebensdauer mechanischer Tasten hängt ab von Materialauswahl und Dimensionierung ihrer Einzelteile, aber auch von der Betätigungsart, der geschalteten Leistung und von den Einbauverhältnissen. Für quantitative Angaben wird der Begriff MCBF (mean cycles between failure) verwendet.

1.4.5 Betätigungskraft

Um die Ermüdung bei längerem Schreiben gering zu halten, sollte die Betätigungskraft möglichst niedrig sein. Grenzen sind hier allerdings gesetzt einerseits durch die Mindestkontaktkräfte, die erforderlich sind, um die gewünschte Kontaktsicherheit zu erreichen, andererseits dadurch, dass keine versehentliche Betätigung ausgelöst wird durch Erschütterungen oder zufällige leichte Berührungen.

1.4.6 Prellen

Für eine hohe Lebensdauer bestehen die Kontaktfedern aus elastischem Material. Der bewegte Kontakt wird deshalb vom feststehenden mehrfach zurückgestoßen, bis das System schließlich zur Ruhe kommt und der Kontakt geschlossen bleibt. Diesen Vorgang nennt man Prellen. Durch Minimierung der Federmasse, Materialauswahl und durch Verwendung eines mitgenommenen Kontakts erreicht man Prellzeiten < 2 ms. Diese Zeit ist auch bei schneller Eingabe ausreichend kurz, um einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung die Unterscheidung zwischen gewolltem und prellenden Kontaktöffnen zu ermöglichen.

1.4.7 Kraft-Weg-Diagramm

Manchmal ist es erforderlich, die Bedieneigenschaften einer Taste aufgrund schriftlicher Unterlagen zu beurteilen, ohne Funktionsmuster heranziehen zu können. Datenblattwerte sind dabei nur von geringer Aussagekraft, besser geeignet ist eine graphische Darstellung, das sogenannte Kraft-Weg-Diagramm (Abb. 1-4). An ihm lassen sich alle für die Bedienung wichtigen Parameter und ihre gegenseitigen Abhängigkeiten ablesen:
Der Schaltpunkt ist definiert als die Stelle des Betätigungsweges, an der der Kontakt geschlossen wird, oder genauer, wo der Übergangswiderstand einen bestimmten Wert unterschreitet. Der Schaltpunkt unterteilt den Betätigungsweg in den Vorlaufweg (Schaltweg) und in den Nachlaufweg.
Ist der Schaltweg beim Einschalten länger als beim Ausschalten (Schalthysterese), erhält man ein sicheres Schaltverhalten im Übergangsbereich.
Die meisten Bediener bevorzugen eine deutliche taktile Rückmeldung, auch wenn dafür eine etwas höhere Betätigungskraft erforderlich ist. Man erreicht sie, indem man eine Kennlinie mit einem lokalen Kraftmaximum und einem anschließenden abfallenden Ast erzeugt. Die Stelle der maximalen Kraft nennt man Druckpunkt. Der (Ein-)Schaltpunkt sollte im negativen Kennlinienbereich kurz nach dem Druckpunkt liegen. Als ergonomisch günstig gilt ein Hub zwischen 3 und 5 mm sowie eine Betätigungskraft zwischen 0.5 und 1.0 N.
Geübte Schnellschreiber erreichen jedoch bei Tasten ohne Druckpunkt und mit kürzerem Hub eine größere Schreibgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Schonung der Handgelenke.

1.4.8 Befestigung

Druckschalter gibt es (wie auch Kippschalter) alternativ für Frontplatten- oder Leiterplattenmontage (Abb. 1-5). Um mechanische Verspannungen zu vermeiden, sollten die beiden Befestigungsarten nicht kombiniert werden.
Bei frontplattenmontierten Typen unterscheidet man noch Zentralgewinde-, Flansch- und Einschnappbefestigung. Der elektrische Anschluss erfolgt in freier Verdrahtungstechnik über Lötfahnen, Löthaken oder Steckzungen.
Leiterplattenmontierte Typen gibt es mit Lötstiften für Durchstecktechnik oder mit Anschlüssen für SMD-Technik. Leiterplattenmontage ist einfacher, jedoch muss die Platine mechanisch gut abgestützt werden, um bei höheren Betätigungskräften eine Beschädigung der Lötverbindungen zu vermeiden.