Klein und präzise – Piezo-Schalter

Ein Schalter erfüllt grundsätzlich immer die gleiche Funktion. Er trennt oder verbindet zwei oder mehr Teile eines Schaltkreises, je nachdem, in welchem Betätigungszustand er sich befindet. Dabei bildet der Schalter im geschlossenen Zustand meist einfach die leitende Brücke zwischen zwei räumlich getrennten Leitern: Der Strom kann fließen. Auch Misch- oder Zwischenformen haben sich längst etabliert, beispielsweise in Form von Dimmschaltern, die statt „An“ oder „Aus“ auch Zwischenstufen ermöglichen.

Die Funktionsweise von Piezo-Schaltern basiert auf dem piezoelektrischen Effekt. Dieser beschreibt das Phänomen, dass manche Materialien bei mechanischer Verformung eine elektrische Spannung aufbauen – und sich umgekehrt bei Anlegen einer solchen verformen können. Diese Spannung wird genutzt, um Halbleiterbauteile wie zum Beispiel Transistoren zu öffnen und so Stromflüsse in Schaltkreisen zu steuern. Der piezoelektrische Effekt ist nicht nur für Schalter von Bedeutung; er bildet Grundlage für viele Technologien wie die Rasterelektronenmikroskopie oder Schwingquarze.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Impulsschaltern und Rastschaltern:

• Impulsschalter senden, wie der Name schon sagt, bei Betätigung einen kurzen elektrischen Impuls an ihren Anschluss ab. Diese Schaltart eignet sich ideal für Implementierungen, bei denen über den Taster zum Beispiel einem Mikrocontroller ein Signal gegeben wird, um eine feste maschinelle Routine zu starten.
• Rastschalter verfügen über zwei oder mehr statische Schaltzustände: Nach einmaligem Drücken bleibt also der Schaltzustand bestehen, bis der Schalter erneut betätigt wird. Anders als bei regulären Schaltern rastet der Schalter nicht tatsächlich ein, sondern wechselt bei Betätigung zum Beispiel mittels eines kleinen Schaltkreises zwischen zwei verschiedenen angeschlossenen Kabeln. Diese Funktionsweise ist gut geeignet, um zum Beispiel als An-/Aus-Schalter verwendet zu werden.

Abgesehen von der Schaltfolge gibt es Piezo-Taster in allen möglichen Anschlussformen. Je nach Implementierung haben sie Schraub-, Steck-, Pin-, Kabel- oder andere spezielle Anschlüsse. Dadurch lassen sie sich in quasi jeder Arbeitsumgebung problemlos einsetzen. Auch verfügen sie teilweise über Features wie LED-Beleuchtung oder haptisches Feedback.

Achten Sie bei Piezo-Tastern vor allem auf die IP-Schutzstufe. Diese gibt Auskunft darüber, wie gut das Gehäuse gegen Staub und Feuchte schützt. Erläuterungen zu den IP-Codes finden Sie hier.

Wie bei jedem technischen Bauteil liefern die Kennzahlen und Daten eine schnelle Übersicht über die Einsatzmöglichkeiten eines Piezo-Schalters:

• Der Kontaktnennstrom ist dabei eine der wichtigsten Größen. Er gibt Auskunft darüber, für welche Strombereiche der Schalter ausgelegt ist. Ein zu hoher Strom kann das Bauteil überhitzen und so zu Bränden führen. Übliche Bereiche hängen stark von den Materialien des Gehäuses und der Anschlüsse ab und können von wenigen Milliampere bis zu drei Ampere betragen.
• Der Nennstrom hängt eng zusammen mit der Nennspannung, die die maximale Spannung bezeichnet. Selten jedoch muss bei direkt anliegenden 230 V ein Schalter wasserdicht sein, da sie in der Regel nur als Steuersignal genutzt werden, sind die gängigen Maximalspannungen mit bis zu 60 V sogar ziemlich hoch.
• Die Betriebstemperatur gibt die Temperatur an, bis zu welcher der Schalter seine Funktion einwandfrei erfüllen kann und seine beste Lebensdauer besitzt. Hier liegen die Piezo-Taster weit vorne: Sie halten meist bis zu -40°C aus und funktionieren in der Regel auch bei 80°C einwandfrei, wobei einige Versionen sogar Temperaturen von bis zu 130°C standhalten.
• Die IP-Schutzart zeigt an, welche IP-Standards der Schalter erfüllt. IP ist ein internationaler Standard für elektrische Komponenten, der den Schutzgrad gegenüber äußeren Einflüssen wie Flüssigkeiten oder Partikelstaub klassifiziert. Auch hier erfüllen Piezo-Schalter aufgrund ihrer einfachen Konstruktion hohe Standards.
• Als Kontaktmaterial eignen sich bei Piezo-Schaltern vor allem Materialien wie Bronze oder Silber. Diese verfügen nicht nur über gute elektrische Eigenschaften und sind äußerst robust, sondern sind durch die natürlich antibakterielle Wirkung auch hygienischer. Darüber hinaus gibt es natürlich auch kostengünstigere Alternativen.

Für die genannten Anwendungsbereiche kommen grundsätzlich auch andere übliche Schalterformen infrage: Gängige Bauweisen, wie zum Beispiel Pilzschalter, Drehschalter oder Kippschalter sind nicht an die Funktionsweise eines piezoelektrischen Materials gebunden und können so Funktionen erfüllen, die sich mit Piezo-Tastern vielleicht nicht umsetzen lassen. Für komplizierte Bedienelemente wie Joysticks muss man eher auf andere Alternativen zurückgreifen.

Ein wesentlicher Nachteil gegenüber anderen Schaltern ist der Kostenpunkt. Besonders Piezo-Schalter aus hochwertigen Materialien sind signifikant teurer als andere Schalterformen. Allerdings sind sie auch langlebiger. Bis zu 20 Millionen Betätigungen halten Piezo-Schalter aus – mehr als zehnmal so viele wie einfache Kippschalter aus Kunststoff und Kupfer. Je nachdem, welchen äußeren Belastungen der Schalter ausgesetzt ist, kann dies ein wichtiger Kostenfaktor sein.

Einen weiteren Schwachpunkt stellt das Gewicht dar. Im Vergleich zu Tast- oder Halleffekt-Schaltern wiegen Piezo-Schalter trotz ihrer geringen Größe manchmal bis zu zweihundert Gramm, was die Anforderungen an andere verwendete Materialien erhöht.

Von Vorteil hingegen ist die oftmals simple Implementierung von Piezo-Tastern. Sie lassen sich im Gegensatz zu anderen sicheren Schaltern wie Schlüsselschaltern schnell und bequem in jede Maschine einbauen.

Darüber hinaus erfordern Piezo-Schalter keine Betriebsspannung, da das piezoelektrische Material seine eigene Spannung liefert. Zusammen mit staub- und wasserabweisenden Eigenschaften untermauert diese Eigenschaft die generelle Robustheit. Sie sind zudem relativ sicher vor Vandalismus, weshalb sie sich hervorragend für den Einsatz an öffentlichen Plätzen eignen.