Mechanische Endschalter und Reedkontakte

Stell dir eine Hubsäule vor, die eine Last nach oben fährt. Irgendwann muss sie stoppen, sonst fährt sie auf Anschlag und beschädigt sich. Die Steuerung muss also erfahren: „Obere Endlage erreicht.“ Diese Information ist denkbar einfach — sie kennt nur zwei Zustände: erreicht oder nicht erreicht.

Ein Signal mit genau zwei möglichen Zuständen heißt binäres Signal. Es ist die einfachste Form der Sensorinformation: Strom fließt oder fließt nicht, der Eingang der Steuerung sieht eine „1″ oder eine „0″. Für Endlagen, Anwesenheitsabfragen und Stellungsmeldungen ist das völlig ausreichend. Man braucht keinen Messwert, sondern nur eine Entscheidung.

Solche binären Positionsmeldungen lassen sich auf zwei grundsätzlich verschiedene Arten gewinnen. Berührend arbeitet der mechanische Endschalter: Ein Maschinenteil läuft gegen einen Betätiger und drückt ihn ein. Berührungslos arbeiten Magnetfeld- und Feldsensoren — der Reedkontakt gehört dazu, ebenso die Näherungsschalter.

Induktive, kapazitive und optische Näherungsschalter erfassen Objekte ebenfalls berührungslos, nutzen dafür aber andere physikalische Effekte und sind jeweils eigene Themen. Hier genügt die Einordnung: Sie kommen ins Spiel, wo Verschleiß durch Berührung vermieden werden soll oder sehr hohe Schalthäufigkeiten gefragt sind. Der mechanische Endschalter und der Reedkontakt sind die beiden einfachsten Vertreter — und genau darum geht es im Folgenden.

Ein mechanische Endschalter besteht aus vier Baugruppen, die zusammenspielen. Der Betätiger ist das Teil, das vom Maschinenteil berührt wird. Über ein Schaltglied überträgt er die Bewegung auf das Kontaktsystem, das den Stromkreis öffnet oder schließt. Das Gehäuse schützt alles vor Staub, Spritzwasser und mechanischer Beschädigung.

Der folgende Schnitt zeigt diesen Aufbau:

Drückt das Maschinenteil den Stößel ein, bewegt sich das Schaltglied nach unten und betätigt das Kontaktsystem. Lässt der Druck nach, schiebt eine Rückstellfeder den Betätiger wieder in die Ausgangslage zurück, und der Kontakt geht in seine Ruhestellung.

Betätigerarten

Welcher Betätiger sinnvoll ist, hängt davon ab, wie das Maschinenteil ankommt — frontal, seitlich, schräg oder aus wechselnder Richtung. Gängige Bauformen:

Schleichschaltung und Sprungschaltung

Wie der Kontakt schaltet, ist mindestens so wichtig wie der Betätiger. Bei der Schleichschaltung folgt das Kontaktsystem direkt der Betätigerbewegung. Geht der Stößel langsam, trennt sich auch der Kontakt langsam — und genau das ist das Problem: Bei kleinen Betätigungsgeschwindigkeiten verweilt der Kontakt lange in einer Zwischenstellung mit kleinem Abstand. Es kann zu Lichtbögen, Prellen und Kontaktabbrand kommen.

Die Sprungschaltung löst das mit einem Schnappmechanismus. Eine vorgespannte Feder hält den Kontakt fest, bis ein Auslösepunkt überschritten wird — dann springt der Kontakt schlagartig in die andere Stellung, unabhängig davon, wie langsam der Betätiger bewegt wird. Das ergibt definierte Schaltpunkte und schont die Kontakte. Für die meisten industriellen Anwendungen ist die Sprungschaltung Standard.

Schutzart

Endschalter sitzen oft dort, wo es schmutzig oder feucht ist. Die Schutzart (IP-Code nach ÖNORM EN 60529) gibt an, wie gut das Gehäuse gegen Fremdkörper und Wasser geschützt ist. Die erste Ziffer steht für den Berührungs- und Fremdkörperschutz, die zweite für den Wasserschutz. Ein Schalter mit IP67 ist staubdicht und übersteht zeitweiliges Untertauchen — sinnvoll an Waschanlagen oder im Außenbereich. In einer trockenen Schaltschrankumgebung genügt oft eine niedrigere Schutzart.

Ein Kontakt kann auf zwei Arten auf eine Betätigung reagieren: Er kann einen Stromkreis schließen oder ihn öffnen. Daraus ergeben sich drei Grundtypen.

Ein Schließer (englisch normally open, NO) ist im Ruhezustand offen und schließt erst bei Betätigung. Ein Öffner (normally closed, NC) ist im Ruhezustand geschlossen und öffnet bei Betätigung. Ein Wechsler (change-over, CO) vereint beides: Er besitzt einen gemeinsamen Anschluss und schaltet bei Betätigung von einem Kontakt auf den anderen um.

Die Schaltsymbole nach IEC 60617 — in Österreich verbindlich — sehen so aus:

Ruhestrom- oder Arbeitsstromprinzip

Welchen Kontakttyp man wählt, ist keine Geschmacksfrage, sondern eine Sicherheitsentscheidung. Beim Arbeitsstromprinzip wird ein Schließer verwendet: Strom fließt nur, wenn der Schalter betätigt ist. Reißt die Leitung oder fällt eine Klemme ab, bleibt das Signal aus — die Steuerung „sieht“ denselben Zustand wie bei einem nicht betätigten Schalter und merkt den Fehler nicht.

Beim Ruhestromprinzip nutzt man einen Öffner: Im normalen Betrieb fließt ständig Strom, erst die Betätigung unterbricht ihn. Ein Drahtbruch unterbricht den Strom ebenfalls — und löst damit dieselbe Reaktion aus wie eine echte Betätigung. Der Fehler führt also in den sicheren Zustand. Genau deshalb werden sicherheitsrelevante Endlagen und Schutzeinrichtungen nach dem Ruhestromprinzip mit Öffnern verdrahtet.

Zwangsöffnende Kontakte

Ein normaler Öffner verlässt sich darauf, dass eine Feder den Kontakt öffnet. Verschweißt der Kontakt durch einen Lichtbogen, kann diese Feder ihn unter Umständen nicht mehr trennen — der Öffner meldet fälschlich „offen“. Ein zwangsöffnender Kontakt verhindert das: Hier drückt der Betätiger den Kontakt über ein starres Bauteil zwangsweise auf, ohne sich auf eine Feder zu verlassen. Selbst verschweißte Kontakte werden so mechanisch aufgerissen. Solche Kontakte sind in Schutztürschaltern und Not-Halt-Kreisen vorgeschrieben — die Details dazu gehören in die Maschinensicherheit und werden dort behandelt.

Der Reedkontakt geht einen anderen weg: Er braucht keinen Stößel und keine Berührung, sondern ein Magnetfeld. Im Inneren sitzen zwei dünne, federnde Schaltzungen aus ferromagnetischem Material, eingeschmolzen in ein hermetisch verschlossenes Glasröhrchen. Das Röhrchen ist mit Schutzgas gefüllt, damit die Kontakte nicht oxidieren.

Nähert sich ein Permanentmagnet, durchsetzt sein Feld die beiden Zungen. Sie werden magnetisiert, ziehen einander an und berühren sich — der Kontakt schließt. Entfernt sich der Magnet, lässt die Anziehung nach, und die Eigenfederung der Zungen trennt sie wieder.

Ein Reedkontakt lässt sich ebenfalls als Schließer, Öffner oder Wechsler bauen, wobei der Schließer mit Abstand am häufigsten ist. Weil im Glasröhrchen kein Verschleiß durch Reibung auftritt und die Kontakte im Schutzgas sauber bleiben, erreichen Reedkontakte sehr hohe Schaltzahlen bei kleinen Lasten.

Typische Anwendung: Zylinderschalter

Die wohl häufigste Anwendung sitzt am Pneumatikzylinder. Im Kolben steckt ein Ringmagnet. Außen auf dem Zylinderrohr sitzt ein Reedkontakt in einer Nut — ein solcher Zylinderschalter erfasst die Kolbenstellung berührungslos. Fährt der Kolben an die Position des Schalters, schließt der Magnet den Reedkontakt — die Steuerung erhält die Endlagenmeldung, ohne dass irgendein Teil in den Druckraum eingreift. So lässt sich die Kolbenstellung berührungslos durch die nichtmagnetische Zylinderwand hindurch abfragen.

Vor- und Nachteile gegenüber dem mechanischen Endschalter

Reedkontakte prellen beim Schließen, weil die federnden Zungen nachschwingen. Bei der Auswertung in schnellen Zählanwendungen muss man das berücksichtigen — sonst zählt die Steuerung ein einzelnes Schaltereignis mehrfach. Außerdem sind die Glasröhrchen mechanisch empfindlich; harte Stöße können sie beschädigen.

Ob mechanischer Endschalter oder Reedkontakt — die richtige Auswahl entscheidet über Funktion und Lebensdauer. Wichtige Kriterien:

• Betätigungsart: Kommt das Maschinenteil berührend an (Endschalter) oder trägt es einen Magneten bzw. ist eine berührungslose Erfassung gefragt (Reed)?
• Schaltstrom und Schaltspannung: Die geschaltete Last muss innerhalb der Kontaktgrenzwerte liegen. Reedkontakte vertragen deutlich weniger als mechanische Kontakte.
• Schalthäufigkeit: Bei sehr vielen Schaltspielen punktet der verschleißarme Reedkontakt — sofern die Last klein bleibt.
• Umgebung und IP-Schutzart: Schmutz, Feuchte, Temperatur und Schwingungen bestimmen die nötige Robustheit.
• Mechanische und elektrische Lebensdauer: Die mechanische Lebensdauer beschreibt den Verschleiß der Bewegungsteile, die elektrische den Kontaktabbrand durch die geschaltete Last. Die elektrische ist bei größeren Lasten meist die kürzere von beiden.

Kontaktbelastung und Funkenlöschung

Der mit Abstand häufigste Grund für vorzeitigen Kontaktausfall ist eine falsch beschaltete induktive Last — etwa eine Schütz- oder Relaisspule. Beim Abschalten will der Strom in der Induktivität weiterfließen und erzeugt eine hohe Spannungsspitze. Diese Spitze zündet einen Lichtbogen über die sich öffnenden Kontakte und brennt sie nach und nach ab.

Bei Gleichspannung hilft eine Freilaufdiode parallel zur Spule, die den Strom nach dem Abschalten weiterleitet. Bei Wechselspannung — wo eine Diode nicht funktioniert — verwendet man ein RC-Glied (Widerstand und Kondensator in Reihe) parallel zum Kontakt oder zur Last. Der Kondensator nimmt die Energie der Spannungsspitze auf, der Widerstand begrenzt den Lade- und Entladestrom.

Eine bewährte Faustformel für die grobe Dimensionierung eines RC-Glieds zur Kontaktentstörung:

Diese Werte sind Richtwerte für eine erste Auslegung. Es handelt sich um Zahlenwertgleichungen: Der Strom I wird in Ampere, die Spannung U in Volt eingesetzt, dann ergibt sich C in Mikrofarad und R in Ohm. Der Widerstand begrenzt den Entladestrom beim Schließen des Kontakts, der Kondensator dämpft die Abschaltspitze. Für die endgültige Auslegung sind die konkreten Lastdaten und gegebenenfalls Herstellerangaben heranzuziehen.

Anschluss an die Steuerung

Wie ein Schalter angeschlossen wird, hängt von der Steuerungsart ab. An einer Schützsteuerung liegt der Kontakt direkt im Steuerstromkreis und schaltet zum Beispiel eine Schützspule — hier ist die Funkenlöschung bei induktiver Last besonders wichtig. An einer SPS führt der Kontakt das Signal auf einen hochohmigen digitalen Eingang. Der Eingangsstrom ist klein, die Kontaktbelastung damit gering — ideal auch für Reedkontakte.

Soll ein lastschwacher Reedkontakt dennoch eine kräftige Last schalten, schaltet man ein Koppelrelais dazwischen: Der Reedkontakt steuert nur die kleine Relaisspule, das Relais schaltet die eigentliche Last. So bleibt der empfindliche Reedkontakt geschützt.

Wann was?

Für robuste, laststarke Endlagenabfragen mit überschaubarer Schalthäufigkeit ist der mechanische Endschalter erste Wahl. Wo berührungslos und sehr oft geschaltet werden soll und die Last klein ist — typischerweise am Pneumatikzylinder — passt der Reedkontakt. Wird hohe Schalthäufigkeit bei völliger Verschleißfreiheit und gegen elektrisch leitende oder beliebige Objekte gefordert, kommen induktive oder kapazitive Näherungsschalter ins Spiel, die jeweils eigenständig behandelt werden.