Schalteraufbau allgemein

Das wahrscheinlich wichtigste Element eines Schalters sind die Kontakte. Sie bestehen aus chemisch edlen Metallen, meist Silber. Diesem sind andere chemische Elemente zulegiert oder zugemischt, um die Kontaktlebensdauer zu erhöhen. Bei Signalschaltern sind die Kontaktoberflächen oft mit Gold beschichtet, um bei hoher elektrischer Leitfähigkeit die Oberflächen chemisch korrosionsresistent zu machen.

Silber hat den Nachteil, mit dem Schwefel aus der Luft Sulfide zu bilden. Diese Salze sind chemisch resistent und elektrisch sehr schlecht leitend. Entweder mechanisch durch Abrasion oder durch Lichtbogenabbrand müssen die Kontaktoberflächen gereinigt werden, um ausreichend niedrigen Übergangswiderstand sicherzustellen.

Die Kontaktträgerelemente sind oft aus Buntmetallen oder Federstählen, um je nach Anwendungsfall entsprechend gute elektrische Leitfähigkeit mit mechanischer Festigkeit und Elastizität zu kombinieren. Die Anschlüsse sind ebenfalls aus diesen Materialien und in vielerlei Varianten ausgebildet: Schraubanschlüsse, Steckanschlüsse für vorbereitete und unvorbereitete Leitungsenden, Kabelschuhe, Flachsteckelemente und vieles mehr sind üblich.

Als Gehäusematerialien sind Isolatoren notwendig, meist Kunststoffe, die ausreichend thermisch stabil sowie hitze- und feuerresistent sind.

Betätigungseinheit

Mechanisch betätigte Schalter können entweder manuell, allgemeiner ausgedrückt vom Menschen, oder über Vorrichtungen betätigt werden. Der wesentliche Grund, dies zu unterscheiden, liegt darin, dass der Mensch als Regelkreis agieren kann: Schaltet ein Mensch ein Schaltgerät, und tritt im Folgenden die gewünschte Wirkung nicht ein, wird er je nach Situation geeignete Maßnahmen ergreifen. Bei mechanisiertem Schalten (z. B. dem Abschalten eines Rollladens in dessen Endstellung) sollten konstruktive Elemente im Fehlerfall dafür sorgen, dass kein Gefahrenzustand entsteht.

Die Schalterbetätigung kann sowohl direkt als auch indirekt erfolgen. Die Norm für Geräteschalter DIN/EN 61058-1 formuliert, dass der Schaltvorgang über ein Betätigungsteil oder durch Bedienung eines Sensors erfolgen kann, wobei Betätigungsteil oder Sensor getrennt vom Schalter angeordnet sein können. Zur Übertragung zwischen Betätigungsteil und Schaltelement werden optische, akustische oder thermische Signalstrecken angeführt.

Bei den mechanisch direkt betätigten Schaltern unterscheidet man nach Betätigungselement:

• Kippschalter
• Wippschalter
• Druckschalter
• Rastschalter
• Schiebeschalter
• Drehschalter
• Stufenschalter
• Tastschalter
• Fußschalter
• Schlüsselschalter
• Schnurschalter
• Reißleinenschalter
• DIP- oder Kodierschalter
• Zugschalter

Mechanisch über Vorrichtungen oder indirekt betätigte Schalter:

• Nockenschalter, Endlagenschalter
• durch Medien betätigte Schalter, z. B. durch pneumatische Steuersignale betätigte Schalter, Öldruckschalter, Druckschalter, Schwimmerschalter (Füllstandsüberwachung)

Über Sensoren betätigte Schalter:

• Dämmerungsschalter, Bewegungsmelder, Funkschalter

Schaltfunktion

Bei Betätigung stellen Einschalter oder Schließer Kontaktverbindungen her, während Ausschalter oder Öffner Verbindungen trennen. Wechselschalter (Umschalter, Wechsler) und Drehschalter verbinden einen Kontakt mit einem von zwei oder mehreren anderen Kontakten. Dabei werden Schalter, die die neue Verbindung herstellen, bevor die alte getrennt wird, als brückend (auch kurzschließend, engl. make before break), und solche, die die alte Verbindung zuerst trennen, als nicht brückend (nicht kurzschließend, engl. break before make) bezeichnet.

Schalter können weiter unterschieden werden:

Nach der Schaltfunktion

• die schon genannten Öffner, Schließer, Wechsler (brückend bzw. nicht brückend)
• Serienschalter (zum Schalten zweier Stromkreise mit einem Knauf)
• Kreuzschalter (zum Schalten eines Stromkreises durch mehr als zwei Schalter)
• Gruppenschalter (Jalousieschalter, zum abwechselnden Schalten zweier Stromkreise mit drei Schalterstellungen – die namensgebende Jalousie kann nur hoch- oder heruntergefahren werden, nicht jedoch beides gleichzeitig)

Art und Anzahl der Kontaktwege werden bei kleinen Kippschaltern oft mit englischen Abkürzungen beschrieben (SPST und DPST sind Einschalter, SPDT und DPDT sind Wechselschalter).

Abkürzung	Englische Langform	Beschreibung	Symbol	IEC 60617
SPST	„Single pole, single throw“	Ein einpoliger Einschalter (Ein-Aus): Die Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen kann geschlossen oder offen sein. Beispiel Lichtschalter.
SPDT	„Single pole, double throw“	Ein einpoliger Wechselschalter (Ein-Ein): Der Anschluss C ist wahlweise mit L1 oder L2 verbunden. Die Mittelstellung ist mechanisch nicht stabil.
SPCO SPTT SP3T	„Single pole, centre off“ oder „Single Pole, Triple Throw“	(Ein-Aus-Ein). Diese Schalter unterscheiden sich vom SPDT durch eine mechanisch stabile Mittelstellung, in der kein Anschluss verbunden ist.
DPST	„Double pole, single throw“	Zweipoliger Einschalter. Ein Hebel betätigt gleichzeitig zwei Einschalter
DPDT	„Double pole, double throw“	Zweipoliger Wechselschalter. Ein Hebel betätigt gleichzeitig zwei Umschalter.
DPCO	„Double pole, centre off“	Zweipoliger Wechselschalter mit stabiler Mittelstellung.

Bei Schaltern, die mechanisch gekoppelt drei Pole schalten, wird der erste Buchstabe der Bezeichnung durch ein „T“ für triple ersetzt. Bei Schaltern mit vier Polen ist es ein „Q“ für quadruple. Eine alternative Bezeichnung ersetzt den ersten Buchstaben durch die Zahl der mechanisch gekoppelten Pole (z. B. 3PDT).

Schaltkinematik

Bei der Betätigung eines Schalters besteht die Erwartung eines Zustandswechsels von „geschlossen“ nach „offen“ oder umgekehrt. Aufgrund besonders von Lichtbogeneffekten beim Öffnen und Schließen ist ein definierter Bewegungsablauf – unabhängig von demjenigen der Betätigung – für die Funktion und Lebensdauer eines Schalters erwünscht. Ab einem bestimmten Punkt, dem sogenannten Druckpunkt, soll der Schaltvorgang unumkehrbar eingeleitet sein. Dies lässt sich konstruktiv durch alle Varianten feinmechanischer Schnappelemente realisieren. Die derart aufgebaute Schalterbauform wird entsprechend Schnappschalter oder Sprungschalter genannt.

Insbesondere bei Schaltern für Gleichstromkreise ist ein möglichst kurzzeitiges Öffnen des Stromkreises wichtig. Beim Trennen der Kontakte besteht oberhalb der Lichtbogengrenzspannung und einem Mindeststrom die Gefahr eines stehenden Lichtbogens, der bei längerer Brennzeit den Schalter sehr schnell thermisch überlastet. Um dies zu verhindern, führen die Schnappsysteme die begonnene Betätigung ab dem Druckpunkt selbsttätig zu Ende. In Wechselstromkreisen verlöscht ein eventuell vorhandener Lichtbogen meist von selbst beim nächsten Stromnulldurchgang.

Schalter für Wechselstrom über 25 A oder für Gleichstrom haben teilweise hornförmige Kontakte und Löschkammern, die dazu dienen, den Lichtbogen zu verlängern, zu kühlen und so zum Verlöschen zu bringen. Besonders bei Mittel- und Hochspannungsschaltern, die z. B. unter Öl oder Vakuum arbeiten, werden besondere konstruktive Maßnahmen zur Beherrschung entstehender Schaltlichtbogen getroffen. Oft besitzen solche Schalter einen Federspeicher, um die Kontakte schnell zu trennen und zu schließen.

Im Gegensatz zu bspw. Kipp-, Wipp- oder Rastschaltern, die bei jedem Schaltwechsel betätigt werden, muss bei Tast- und insbesondere bei Schnappschaltern der Wechsel vom Arbeitszustand in den Ruhezustand selbsttätig erfolgen. Hierzu wird die im System gespeicherte Federenergie genutzt. Je nach Konstruktion eines Schalters als in Ruhestellung geschlossen (Öffner, n. c. (normally closed)) oder offen (Schließer, n. o. (normally open)) können diese als zwangsöffnend aus der Ruhestellung konstruiert sein. Damit können bei Mikroschaltern oder Schnappschaltern für hohe Einschaltströme eventuell entstandene Einschaltverschweißungen aufgebrochen werden.

Schaltsperre

Eine Schaltsperre ist eine mechanische Absicherung, die ein ungeplantes Wiedereinschalten oder Ausschalten eines Schalters verhindert. Sie kann in Form einer Hauptschalter- / Schutzschalter-Verriegelung oder eines Vorhangschlosses angebracht werden. Verwendet werden Schaltsperren in Stellwerken, Kraftwerken, Umspannwerken, für die Wartung von Industrieanlagen oder gegen die unbeabsichtigte Auslösung von Waffensystemen.

Bezeichnungen nach dem Zweck

Eine weitere Differenzierung ergibt sich aus dem Zweck, den Schalter in einem Stromkreis erfüllen. Wesentliche Anwendungen sind: Hauptschalter, Not-Aus-Schalter, Reparaturschalter, Schutzschalter, Selektiver Leitungsschutzschalter, Lichtschalter, Totmannschalter, Lastschalter, Leistungsschalter usw.

Trennschalter bilden eine große isolierende Luftstrecke zwischen den geöffneten Kontakten, können aber kaum Strom schalten. Sie werden vorwiegend in Schaltanlagen für Spannungen über 1000 V eingesetzt und dienen zur Trennung von Anlagenteilen für Wartungsarbeiten.

Lastschalter zum Schalten im Stromnetz können mechanisch (wie z. B. Lichtschalter) oder elektronisch (Halbleiterrelais, SSR (solid state relay)) betätigt werden. Sie finden breiten Einsatz als Netzschalter an (Haushalts-)Geräten und dürfen nur bis zu ihrem angegebenen Nennstrom verwendet werden.

Lasttrennschalter (siehe Hochspannungsschalter) vereinigen die Eigenschaften von Lastschaltern und Trennschaltern.

Leistungsschalter können Kurzschlussströme abschalten (siehe Hochspannungsschalter).

Steuerschalter können keine großen Lastströme, sondern nur kleinere Steuerströme schalten, mit denen zum Beispiel Schaltschütze angesteuert werden. Beispiele sind Schlüsselschalter oder Industrietaster. Typische Schaltspannungen sind 48 V Gleich- oder Wechselspannung oder 230 V Wechselspannung.

Signalschalter haben meist Kontakte aus Edelmetallen und besonders geringe Übergangswiderstände, sie dienen speziell zum Schalten kleiner Spannungen und Ströme.

Analogschalter ist eine Bezeichnung für digital angesteuerte Halbleiterschalter, die zum Schalten von analogen Signalen (z. B. Audiosignalen) geeignet sind. Sie arbeiten meist mit MOSFETs und werden als integrierte Schaltungen verbaut. Als elektrisch gesteuerte Bauelemente sind sie keine Schalter im engsten Sinne, sondern zählen zu den elektronischen Schaltern.

Gebrauchskategorien nach IEC/EN 60947

Die Gebrauchskategorie für Niederspannungsschaltgeräte definiert die charakteristischen Einsatzbedingungen für Schaltgeräte. Diese Geräte sind für unterschiedliche elektrische Verbraucher und für unterschiedliche Betriebsbedingungen dimensioniert.

Die Eigenschaft der zu schaltenden oder zu steuernden Last bestimmt die Anforderungen an die Schaltgeräte und deren korrekte Auswahl für die geplante Anwendung. Speziell die Beanspruchung der Schaltstrecken durch Strom und Spannung beim Ein- und Ausschalten sind von enormer Bedeutung.

Siehe Artikel Gebrauchskategorie für detaillierte Information zum Thema.

Kontaktkategorien

Bemessungsangaben nach EN 61058-1

Um Anwendern die Verwendung geeigneter Schalter zu ermöglichen, werden für jeden Schalter Bemessungsangaben spezifiziert, dies sind (Liste nicht vollständig):

• Strom und Spannung;
• Art des Netzes: Gleichstrom/Wechselstrom/Gleich- und Wechselstrom;
• Lastart (siehe weiter unten);
• Umgebungstemperatur;
• Anzahl der Schaltzyklen;
• Schutzart (IP-Schutz), wenn der Schalter montiert ist;
• Schutz gegen elektrischen Schlag bei Verwendung in verschiedenen Gerätetypen;
• Verschmutzungsgrad der Umgebung;
• Beständigkeit gegen Wärme und Feuer;
• Überspannungsfestigkeit;
• Qualität des Isolationsvermögens.

Lastarten

Für das Schaltvermögen eines Schalters ist von großer Bedeutung, wie das Strom-Zeit-Verhalten des Verbrauchers auf den Moment des Schließens und Öffnens rückwirkt. Man unterscheidet hierbei:

• rein resistive Last: Nur Verbraucher mit strenger Proportionalität zwischen Strom und Spannung. Diese Lastart wird mit der Nomenklatur z. B. 16 A 250 V AC gekennzeichnet. Nach IEC 60947-5-1 wird sie als AC12 (ohmsche und Halbleiterlast) bezeichnet.
• motorisch-resistive Last: Da Motoren beim Anlaufen kurzzeitig einen deutlich höheren Strombedarf aufweisen, wird das Leistungsvermögen für diese Lastart besonders notiert: 12(8)A 250 V AC bedeutet, dass der Schalter Motoren mit 8 A Bemessungsstrom einschalten kann, was konventionsgemäß mit dem Sechsfachen des in Klammern angegebenen Stromes im Anlauf überlastet wird: 48 A einschalten und mit dem Stromwert vor der Klammer ausschalten. Auch als AC3 (Leistungsfaktor cosφ=0,6) angegeben
• kapazitive Last: Kondensatoren laden sich mit abklingender Kennlinie auf, weshalb der Strom beim Einschalten besonders schnell ansteigt. Schalter, die hier besonders leistungsfähig sind, werden mit der Notation z. B. 5/100 A 250 V AC bezeichnet. Dies bedeutet ein Einschaltvermögen bis 100 A mit einer typischen Zeitkonstante von 2,5 ms und ein Ausschaltvermögen von 5 A bei einer Wechselspannung von bis 250 V.
• Lampenlast: Der Einschaltstrom von Glühlampen ist um Faktor 13 bis 15 höher als der Nennstrom, d. h. durch eine 100-W-Allgebrauchslampe fließt beim Einschalten ein Strom von 6 A, während im geschlossenen Zustand nur 0,4 A fließen. Dies beansprucht einen Schalter beim Einschalten ähnlich wie eine kapazitive Last. Nach IEC 61058-1 wird der Lampen-Nennstrom in eckigen Klammern angegeben.
• stark induktive Last mit cosφ=0,3 (nach IEC 60947-5-1 als AC15 bezeichnet): hier kommt es zu erhöhten Einschaltströmen (festgelegt als zehnfacher Nennstrom) und starkem Abschalt-Lichtbogen

Siehe auch unter Gebrauchskategorie für Niederspannungsschaltgeräte.

Im nordamerikanischen Raum sind noch sogenannte TV-ratings gebräuchlich, die bei Fernsehgeräten ebenfalls einen hohen Einschaltstrom berücksichtigen.

Besonders problematisch ist das Ausschalten von Gleichstrom bei Spannungen oberhalb von etwa 30 V, da dann der Schaltlichtbogen nicht zwingend verlöscht. Schalter können daher (falls sie dafür spezifiziert sind) bei höheren Gleichspannungen nur vergleichsweise geringe Gleichströme schalten.

Schließen

Bewegen sich zwei reale Kontakte aufeinander zu, wird unter einem bestimmten Minimalabstand die Durchschlagsfestigkeit des bestehenden Luftspalts unterschritten. Der Betrag des Minimalabstandes ist von der herrschenden Feldstärke und somit vom Spannungspotential zwischen den Schaltkontakten abhängig. Dies hat zur Folge, dass oberhalb von Mindest-Spannung und -Stromstärke ein Funken oder ein sogenannter Vorzündlichtbogen entstehen kann. Dieser beansprucht die Kontaktoberflächen (Kontakterosion), schmilzt sie eventuell auf und kann zum Kontaktverschweißen führen. Solcherart geschädigte Schalter lassen sich nicht mehr öffnen.

Im Moment der Berührung gelten die Regeln der Stoßmechanik: Elastische und plastische Deformation der Kontaktflächen tritt auf mit der Folge möglicher Abhebungen, dem Effekt des Prellens (Gegenmaßnahmen siehe dort). Die Kontakte schlagen zusammen und federn kurz wieder auseinander, so dass zusätzliche Störimpulse entstehen können.

Strom führen

Idealerweise bietet ein geschlossener Schalter dem elektrischen Strom keinen Reihenwiderstand. Der Strom kann im Realfall möglichst verlustarm geführt werden, wenn ein metallischer Kontakt auf einer möglichst großen Querschnittsfläche besteht. Der Kontaktwiderstand eines Schalters hängt ab vom spezifischen Widerstand der Materialien selbst sowie der Berührfläche, die wiederum direkt von der Kontaktkraft und der Härte der verwendeten Materialien bestimmt wird. Einen wesentlichen Einfluss bilden Verschmutzungen und Oxidschichten. Die am Kontaktwiderstand erzeugte Verlustwärme heizt den Kontakt auf.

Wird der Schalter im geschlossenen Zustand zusätzlich durch Schwingungen belastet, die eine Relativbewegung der beiden Kontakte bewirken können, besteht zusätzlich die Gefahr der Reibkorrosion. Kleinste Metallpartikel werden durch die Bewegung abgerieben und können oxidieren und die metallische Berührfläche verringern. Folge davon ist eine Erhöhung des Übergangswiderstandes und ein Ansteigen der Temperatur in der Kontaktzone.

Öffnen

Beim Öffnen eines Schalters nimmt die Kontaktkraft zunächst ab, die metallischen Berührflächen werden kleiner. Damit steigt der elektrische Widerstand, die Kontaktstelle heizt sich auf, das Kontaktmaterial schmilzt bei höheren Strömen. Reißt die verbindende Materialbrücke ab, wird sich bei Spannungen über etwa 12…20 V und Strömen über etwa 2 A ein Lichtbogen ausbilden, d. h. die Luft wird ionisiert, was sich in bläulichem Leuchten äußert. Über den Bogen kann der Strom weiterhin fließen. Es entstehen sehr hohe Verlustleistungen, die zum Schmelzen und Verdampfen von Kontaktmaterial führen. Ist der Abstand der Kontakte ausreichend groß oder (bei Wechselstrom) geht der Strom durch Null, kann der Lichtbogen verlöschen.

Isolieren im offenen Zustand

Idealerweise fließt über den geöffneten Schalter kein Strom, real bieten Isolierstoffe oder Verschmutzungen jedoch einen Leckstrom-Pfad. Neben dem Isolationswiderstand im geöffneten Zustand ist auch die Spannungsfestigkeit der voneinander getrennten Kontakte eine Kenngröße.

Schalter für das sichere Trennen müssen auch Überspannungen des Stromnetzes aushalten und zum Beispiel bei Trennschaltern auch eine sichtbare Stromunterbrechung aufweisen.

Die sichere galvanische Trennung zum Betätigungselement bzw. Steuerstromkreis ist bei handbetätigten Netzschaltern durch Isolierstoffe und bei Halbleiterrelais zum Beispiel durch Optokoppler gewährleistet. Integrierte Halbleiterschalter wie low-side- oder high-side-switches besitzen zwar Überwachungen des Schaltzustandes und der Überlast, haben aber keine Potentialtrennung zum Steuerstromkreis.