Sensor-Anschlussarten: 2-, 3-, 4-Leiter, PNP/NPN

Ein Sensor erledigt zwei Aufgaben gleichzeitig. Er muss selbst mit Energie versorgt werden — die meisten industriellen Sensoren laufen mit 24 V Gleichspannung. Und er muss das, was er erkennt, nach außen melden. Diese zweite Aufgabe nennt man das Schaltsignal: ein elektrisches Signal, das sich ändert, sobald der Sensor etwas erfasst.

Bei einem einfachen mechanischen Taster fällt beides zusammen — der Taster unterbricht einfach den Strom. Bei einem elektronischen Sensor ist das anders. Im Inneren arbeitet eine Auswerteelektronik, die dauerhaft Strom braucht, auch wenn gerade nichts erkannt wird. Versorgung und Signal lassen sich deshalb nicht beliebig mischen. Genau aus dieser Trennung entstehen die verschiedenen Anschlussarten.

Ordnen lässt sich das Ganze entlang zweier Fragen, die voneinander unabhängig sind:

• Wie viele Leitungen? Das ist die Frage nach 2-, 3- oder 4-Leiter-Technik. Sie entscheidet, wie Versorgung und Signal auf die Adern aufgeteilt werden.
• Wie schaltet der Ausgang? Das ist die Frage nach PNP oder NPN — ob der Sensor im aktiven Zustand den Pluspol oder den Minuspol auf seine Signalleitung legt.

Diese beiden Achsen sind getrennt zu denken. Ein 3-Leiter-Sensor kann PNP oder NPN sein. Die Information, welches Signal der Sensor liefert (ein einfaches Ein/Aus oder ein abgestufter Messwert), gehört zu den Signalarten und wird an anderer Stelle behandelt — hier geht es ausschließlich um die elektrische Verdrahtung und die Schaltlogik des Ausgangs.

Die Zahl im Namen sagt, wie viele Adern aus dem Sensor herauskommen. Dahinter steckt jeweils eine andere Aufteilung von Versorgung und Signal.

2-Leiter-Sensor. Hier teilen sich Versorgung und Signal dieselben zwei Adern. Der Sensor wird wie ein Schalter in Reihe zur Last geschaltet — vergleichbar mit einem mechanischen Schalter, der einen Verbraucher ein- und ausschaltet. Das klingt sparsam, hat aber zwei Eigenheiten. Im gesperrten Zustand fließt trotzdem ein kleiner Reststrom (auch Ruhestrom genannt), weil die Elektronik weiterversorgt werden muss. Und im durchgeschalteten Zustand fällt am Sensor selbst eine Restspannung ab, die der Last fehlt. Bei empfindlichen Eingängen kann der Reststrom fälschlich als „Ein“ erkannt werden, der Spannungsabfall als „zu wenig“.

3-Leiter-Sensor. Das ist der Standard in der Industrie. Eine Ader führt den Pluspol der Versorgung (L+), eine den Minuspol (L−), und die dritte ist die reine Schaltleitung — sie trägt nur das Signal. Versorgung und Signal sind damit sauber getrennt. Reststrom und Spannungsabfall der 2-Leiter-Technik fallen weg, weil das Signal eine eigene Ader bekommt.

4-Leiter-Sensor. Hier kommen zur Versorgung (L+, L−) zwei Schaltleitungen. Das wird genutzt, wenn der Sensor zwei Ausgänge gleichzeitig braucht — etwa einen Schließer und einen Öffner parallel, oder zwei getrennte Schaltpunkte. Man bekommt also zwei unabhängige Signale aus einem Gerät.

Damit man die Adern im Feld zuordnen kann, sind die Farben weitgehend einheitlich. Bei 3-Leiter-Sensoren gilt nach dem europäischen Farbcode:

Beim 4-Leiter-Sensor kommt für den zweiten Ausgang üblicherweise Weiß (WH) dazu.

Eine SVG-Übersicht der drei Klemmenbelegungen:

Jetzt zur zweiten Achse. Im Sensor sitzt am Ausgang ein elektronischer Schalter — ein Bipolartransistor, der den Stromfluss freigibt oder sperrt. Welche Polarität dieser Transistor auf die Schaltleitung legt, entscheidet, ob der Sensor PNP- oder NPN-schaltend ist.

Stell dir die Last (zum Beispiel den SPS-Eingang) als Verbraucher vor, der zwischen Schaltausgang und einem festen Bezugspotential liegt. Der Transistor verbindet den Ausgang im aktiven Zustand entweder mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol.

PNP-schaltend. Der Sensor legt im aktiven Zustand den Pluspol (L+) auf die Schaltleitung. Die Last hängt mit ihrer anderen Seite am Minuspol. Wenn der Sensor auslöst, fließt der Strom aus dem Sensor heraus in die Last hinein — der Sensor liefert den Strom. Man spricht hier auch von sourcing (englisch source = Quelle). Im Signal bedeutet das: aktiv = High, der Ausgang führt +24 V.

NPN-schaltend. Genau umgekehrt. Der Sensor legt im aktiven Zustand den Minuspol (L−) auf die Schaltleitung. Die Last hängt mit ihrer anderen Seite am Pluspol. Wenn der Sensor auslöst, fließt der Strom aus der Last heraus in den Sensor hinein — der Sensor nimmt den Strom auf. Das nennt man sinking (englisch sink = Senke). Im Signal: aktiv = der Ausgang wird auf das Minuspotential gezogen.

Der Unterschied ist also keine Frage von „besser“ oder „schlechter“, sondern von der Bezugsseite. PNP schaltet Plus, NPN schaltet Minus. In Europa und damit auch in Österreich hat sich PNP als Standard durchgesetzt — auch aus Sicherheitsgründen, weil ein Erdschluss der Signalleitung bei PNP-Technik in der Regel nicht zu einem ungewollten „Ein“ führt.

Neben der Polarität gibt es die Frage, wann der Ausgang aktiv ist. Hier unterscheidet man zwei Funktionen, die aus der Kontakttechnik stammen.

Ein Schließer (englisch normally open, NO) ist im Ruhezustand inaktiv und wird aktiv, sobald der Sensor etwas erkennt. Das ist das intuitive Verhalten: Objekt da → Signal da.

Ein Öffner (normally closed, NC) ist umgekehrt: im Ruhezustand aktiv, und das Signal verschwindet, sobald der Sensor auslöst. Objekt da → Signal weg.

Diese Funktion ist unabhängig von PNP/NPN. Ein PNP-Schließer legt bei Erkennung Plus auf die Leitung; ein PNP-Öffner führt im Ruhezustand Plus und nimmt es bei Erkennung weg. Genauso bei NPN, nur eben mit Minus.

Bei optischen Sensoren begegnet einem dasselbe Prinzip unter anderem Namen: Hellschaltung bedeutet, der Ausgang schaltet bei empfangenem Licht (entspricht in der jeweiligen Logik dem Schließer- oder Öffnerverhalten je nach Anwendung), Dunkelschaltung bei unterbrochenem Licht. Welche Variante man wählt, hängt davon ab, ob das zu erkennende Objekt den Strahl unterbricht oder reflektiert.

Die Wahl zwischen Schließer und Öffner hat einen sicherheitstechnischen Hintergrund. Ein Öffner führt im Normalbetrieb ein aktives Signal. Bricht eine Leitung oder fällt die Versorgung aus, verschwindet dieses Signal — und das lässt sich als Fehler erkennen. Deshalb werden in sicherheitsgerichteten Stromkreisen, etwa bei Schutztüren, Öffnerkontakte bevorzugt: Ein Drahtbruch wirkt dann wie ein geöffneter Kontakt und führt die Anlage in den sicheren Zustand.

Ein Sensor entfaltet seinen Nutzen erst an der Steuerung. Bei modernen Anlagen ist das meist eine SPS, deren Eingangsbaugruppe das Sensorsignal einliest. Damit das funktioniert, muss die Schaltlogik des Sensors zum Eingang passen.

SPS-Eingänge gibt es in zwei Ausführungen, für die sich in der Praxis in Österreich und im deutschsprachigen Raum eigene Begriffe etabliert haben:

• P-lesender Eingang (auch sinking, masse-bezogen): Der gemeinsame Bezugspunkt der Eingangskarte liegt am Minuspol. Ein solcher Eingang erwartet, dass das Signal mit Plus angesteuert wird — er passt zum PNP-Sensor.
• M-lesender Eingang (auch sourcing, plus-bezogen): Der gemeinsame Bezugspunkt liegt am Pluspol. Dieser Eingang erwartet ein nach Minus gezogenes Signal — er passt zum NPN-Sensor.

Die Zuordnung in einem Satz: Ein PNP-Sensor gehört an einen P-lesenden Eingang, ein NPN-Sensor an einen M-lesenden Eingang. Stimmt das nicht überein, bleibt das Signal aus oder die Karte erkennt dauerhaft einen falschen Zustand. Bei der Auswahl einer SPS-Eingangsbaugruppe — etwa bei den Baureihen von Siemens — ist diese Eigenschaft im Datenblatt angegeben und muss vor der Bestellung mit der Sensortechnik abgeglichen werden.

Entscheidend ist außerdem der Massebezug: Sensor und SPS-Eingang müssen ein gemeinsames Bezugspotential haben. In der Regel heißt das, dass die Minuspole (0 V) von Sensorversorgung und Steuerungsversorgung verbunden sind. Ohne diesen gemeinsamen Bezug „schwebt“ das Signal, und der Eingang kann es nicht zuverlässig auswerten — eine klassische Fehlerquelle bei getrennt versorgten Anlagenteilen.

Verdrahtet werden Sensoren heute überwiegend über genormte Rundsteckverbinder, meist in den Baugrößen M8 oder M12. Beim M12-Steckverbinder mit drei genutzten Kontakten ist die Pinbelegung weitgehend einheitlich. Genau hier passieren beim Verdrahten oft Dreher, weil die Pin-Nummern in der Draufsicht nicht der Reihenfolge entsprechen, die man erwartet: