Trotz der fortschreitenden Automatisierung vieler monotoner Aufgaben arbeiten einige Werkzeuge und Maschinen nur ordnungsgemäß, wenn ein Mensch interagiert. Und dies wird auch so bleiben. Für diese Interaktion stehen unterschiedlichste Geräte zur Verfügung. Nur wenige liefern dem Benutzer aber taktile Rückmeldungen. Dieser Artikel von CUI Devices informiert Sie über Tastschalter, deren Konstruktion, Designspezifikationen, Verkabelung usw.
Die ersten Tastschalter kamen in den frühen 1980er Jahren als Membran- oder Dickfilmschalter auf den Markt und wurden hauptsächlich in Tastaturen und Tastenfeldern eingesetzt. Das unzureichende Feedback und die suboptimale Funktion traf auf deutliche Ablehnung seitens der Benutzer. Dies weckte den Wunsch nach Verbesserungen und führte Ende der 1980er Jahre zur Einführung von Metallmembranschaltern.
Die Metallmembranen verbesserten die taktile Rückmeldung signifikant, sodass die Benutzer den Betätigungspunkt deutlich spüren konnten. Außerdem wurde die Schalteraktivierung dadurch robuster und die Schalter wurden langlebiger. Auch die früheren Haltbarkeitsprobleme wurden behoben.
Aufgrund dieser Fortschritte sind moderne Tastschalter mittlerweile als Eingabevorrichtungen in kommerziellen Produkten und in Verbraucherprodukten allgegenwärtig. Die große Verbreitung zeugt von der Bedeutung und vom Wert, den dieser Schaltertyp für eine Vielzahl elektronischer Geräte und Schnittstellen hat.
Grundlagen der Tastschalter
Wenn ein Benutzer Druck auf einen Tastschalter ausübt, schließt dieser den Stromkreis, sodass Strom fließt. Bei dieser Aktion kommt es zu einer gefühlten Rückmeldung wie einem Klicken oder der Überwindung eines bestimmten Widerstands. Diese Rückmeldung bestätigt die Schalterbetätigung. Wird der Schalter nicht mehr gedrückt, wird der Stromfluss unterbrochen, der Schalter also ausgeschaltet. Im Wesentlichen handelt es sich bei einem Tastschalter um eine Vorrichtung, die ihre Betätigung spürbar meldet, sodass sich der Benutzer sicher sein kann, den Schalter betätigt zu haben. Bestimmte Tastschaltermodelle sind als Öffner konzipiert, deaktivieren also den Stromfluss beim Betätigen und stellen ihn beim Loslassen des Schalters wieder her. CUI Devices bietet verschiedene Tastschalter an, die als Öffner konstruiert wurden.
Tatsächlich kommt es bei Benutzern gelegentlich zu Missverständnissen, weil Tastschalter in Beschreibungen auch als Druckknopfschalter bezeichnet werden. Obwohl beide Schaltertypen Ähnlichkeiten aufweisen, müssen sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Merkmale unterschieden werden.
Ein Druckknopfschalter ist so konstruiert, dass er den Stromfluss in einem Stromkreis zulässt, wenn er über eine bestimmte Strecke gedrückt wird. Der Stromfluss wird unterbrochen, sobald der Schalter erneut gedrückt wird. Diese Schalter können entweder auf Bedienfeldern oder direkt auf Leiterplatten (PCBs) montiert werden. Weitere Informationen zu Druckknopfschaltern finden Sie im CUI Devices-Blog Push Button Switches 101.
Ein Tastschalter gibt den Stromfluss dagegen frei, während der Schalter gedrückt und gehalten wird, und unterbricht ihn, sobald der Schalter losgelassen wird (bzw. umgekehrt, wenn es sich um einen Öffner handelt). Der Verstellweg des Betätigers ist sehr klein. Diese Schalter fallen in die Kategorie der Taster. Während nur manche Druckknopfschalter zugleich Taster sind, gilt diese Kategorisierung für alle Tastschalter. Zu beachten ist, dass Tastschalter in der Regel viel kleiner als Druckknopfschalter und aufgrund ihrer Konstruktion normalerweise für kleinere Nennspannungen und -ströme ausgelegt sind. Zudem liefern sie hör- oder fühlbare Rückmeldungen und sind ausschließlich für die direkte Montage auf Leiterplatten konzipiert.
Grundlegender Aufbau
Ein typischer Tastschalter besteht aus nur vier Hauptkomponenten: einer Basis aus Gießharz (4), einer Kontaktmembran (3), einem Stößel (2) und einer Abdeckung (1). Aufgrund dieses einfachen Aufbaus mit wenig beweglichen Teilen halten Tastschalter in der Regel länger als andere mechanische Schalter.
Die Membran ist gewölbt und passt in die Basis, in der sich die Anschlüsse und Kontakte für die Leiterplattenmontage befinden. Unter Krafteinwirkung erfährt die Kuppel eine Formumkehr. Dabei entsteht das charakteristische hör- und fühlbare Klicken. Zugleich werden durch die Formumkehr der Membranwölbung zwei feste Kontakte in der Basis verbunden, der Stromkreis wird also geschlossen. Sobald die einwirkende Kraft entfernt wird, nimmt die Membranwölbung wieder die ursprüngliche Form an und der Stromkreis wird unterbrochen. Die Membranen mit ihrer Wölbung können aus unterschiedlichem Material hergestellt werden, das in Abhängigkeit von der gewünschtem Stärke der fühl- und hörbaren Rückmeldung gewählt wird.
Auf der Membranwölbung befindet sich der Stößel. Dieser bewirkt die Formumkehr der Membranwölbung, aktiviert also den Schalter. Die Stößel können aus Metall, Gummi oder anderen Materialien und als flacher oder erhabener Betätiger gefertigt werden. Das für den Stößel und für die Membran verwendete Material hat wesentlichen Einfluss auf Klickgefühl und -geräusch.
Auf dem Stößel ist die Abdeckung angebracht, die den internen Mechanismus des Schalters schützt. Die Wahl des Materials für die Abdeckung – Metall oder andere Materialien – hängt vom Verwendungszweck des Schalters und vom gewünschten Schutzniveau ab. Abdeckungen können auch mit einem Masseanschluss ausgestattet werden, um Gefahren durch statische Entladungen zu mindern.
Zentrale Spezifikationen
Für die Auswahl des am besten für ein Produkt geeigneten Tastschalters ist mehr erforderlich als das Studium der Spezifikationen in einem Datenblatt. Tastschalter vermitteln mit ihrer spezifischen fühl- und hörbaren Rückmeldung einen Eindruck der Qualität des Produkts insgesamt. Diese benutzerseitige „Wahrnehmung“ ist schwer zu quantifizieren, spielt aber eine entscheidende Rolle für die Zufriedenheit der Benutzer mit dem Produkt.
Die zum Betätigen des Schalters erforderliche Kraft und die vom Benutzer gefühlte Rückmeldung müssen auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden und können für Verbraucher- und Industrieprodukte erheblich variieren. Deshalb sollte der zu verbauende Schalter in einem Prototyp getestet werden, um sicherzustellen, dass seine Eigenschaften für die vorgesehene Anwendung geeignet sind. So ist für einen Schalter in einem Fahrzeug beispielsweise eine höhere Betätigungskraft sinnvoll, um Eingabefehlern entgegenzuwirken, die durch die Fahrzeugvibrationen verursacht werden. Ein Schalter, der in einem Drucker oder einer Spielekonsole zum Einsatz kommt, darf dagegen empfindlicher sein. Ungeachtet der Anwendung muss der Schalter über die gesamte Lebensdauer des Produkts zuverlässig funktionieren.
Für Tastschalter sind verschiedene Auslegungsspezifikationen relevant:
- Nennspannung: Maximale Spannung, für die der Schalter im geöffneten oder geschlossenen Zustand ausgelegt ist. Tastschalter weisen normalerweise niedrige Nennspannungen auf.
- Nennstrom: Maximaler Strom (in Ampere), den ein Schalter sicher und ohne Schaden führen kann.
- Aktivierungskraft: Auch als Betätigungskraft bezeichnet. Dieser Wert gibt die zum Betätigen des Schalters erforderliche Kraft oder den erforderlichen Druck (gemessen in gf (gram force)) an.
- Auslenkung: Bezeichnet die Länge des Hubs eines gedrückten Schalters, auch als Verstellweg bezeichnet.
- Kontaktkraft: Gibt die erforderliche Kraft oder den erforderlichen Druck (in Gramm) zum Herstellen einer Verbindung zwischen den Anschlüssen des Schalters an, damit Strom fließen kann.
- Betätigerhöhe: Die Höhe des Betätigers über der Basis des Schalters, bestimmt das taktile Erlebnis des Benutzers. Siehe Abbildung 3.
- Lebenszyklus: Voraussichtliche Einsatzdauer eines Schalters unter normalen Betriebsbedingungen, wesentlich für die Beurteilung der Haltbarkeit.
- Temperaturbereich: Gibt den Temperaturbereich an, in dem der Schalter optimal und den Spezifikationen gemäß funktioniert.
- Montageart: Beschreibt die Montage des Schalters auf der Leiterplatte, also Durchsteck- oder Oberflächenmontage.
- IP-Nennwert: Ein internationaler Standard, der den Schutzgrad eines Schalters (oder anderer Produkte) gegen das Eindringen von Staub und Flüssigkeiten klassifiziert und damit die Eignung für bestimmte Umgebungsbedingungen beschreibt.
- Beleuchtung: Tastschalter sind in verschiedenen Varianten mit farbigen LEDs erhältlich, um Benutzern die visuelle Identifizierung zu erleichtern und sichtbare Rückmeldungen der Anwendung zu liefern.>
Verkabelung von Tastschaltern
Tastschalter weisen üblicherweise 4 Pins auf, die intern zu 2 Sätzen verbunden sind. Die Nutzung von 4 Pins erhöht die Stabilität der Vorrichtung bei der Montage auf einer Leiterplatte. Aus technischer Sicht werden zum Verdrahten nur zwei Leitungen benötigt. Es hat sich jedoch durchgesetzt, alle Pins zu nutzen und dabei zu berücksichtigen, dass die Paare intern miteinander verbunden sind. Natürlich gibt es auch Tastschalter mit nur 2 Pins. Zudem sind Tastschalter mit 5 Pins erhältlich, die als Joystick-ähnliche Steuerung mit kompaktem Formfaktor entwickelt wurden.
Zusammenfassung
Tastschalter erfreuen sich aufgrund ihrer kompakten Größe, der geringen Höhe und der langen Lebensdauer großer Beliebtheit. Sie eignen sich aufgrund dieser Merkmale für eine Vielzahl von Verbraucher- und Industrieprodukten. Darüber hinaus halten Tastschalter dank des technologischen Fortschritts Einzug in neuere Anwendungen wie Wearables, die von ihrem geringen Platzbedarf, dem geringen Gewicht und der Haltbarkeit profitieren. Tastschalter erweisen sich schließlich als kluge Wahl, wenn ein Produkt eine Momentan-Leistungssteuerung oder -Dateneingabe mit geringem Stromverbrauch benötigt und fühl- und hörbares Feedback gewünscht wird. CUI Devices bietet eine umfassende Palette von Tastschaltern in kompakten Formfaktoren, mit verschiedenen Betätigerhöhen und vielfältigen Konfigurationsoptionen an, um vielseitige Lösungen für unterschiedliche Designanforderungen bereitzustellen.