Mikroschalter Kontaktsystem für geringe Lasten

In neuen Anwendungen müssen Entwickler oft die Grenzen des technisch Machbaren ausreizen, um Funktion und Kostendruck gerecht zu werden. Komponenten wie Mikroschalter werden durch neue Konstruktionen oder Produktüberarbeitungen den Gegebenheiten angepasst. Aufgrund eines neuen Kontaktsystems sind diese Bauteile jetzt den hohen Anforderungen der Automobilindustrie ebenso gewachsen wie denen der Industrieelektronik.

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Ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz von Mikroschaltern als Bindeglied zwischen Mechanik und Elektronik ist die Zuverlässigkeit der Schaltkontakte über die gesamte Lebensdauer. Diese Zuverlässigkeit ist im Wesentlichen von der Konstruktion des Mikroschalters, der zu schaltenden Last sowie von den Umgebungsbedingungen, unter denen er betrieben wird, abhängig.

Hohe Qualitätsstandards aus der Automobilindustrie

Als Beispiel kann hier die Automobilindustrie mit ihren hohen Qualitätsstandards und steigenden Anforderungen an die Bauteile dienen. Um den steigenden Energiebedarf der Sicherheitskomponenten und der gesamten Komfortelektronik in Kraftfahrzeugen abzudecken, geht der Trend in Richtung effizientes Energiemanagement.

Wo früher Lasten direkt geschaltet wurden, sind es heute nur noch Steuersignale mit Signalpegeln von einigen Volt und Milliampère, welche zunehmend über Bussysteme an anderer Stelle ein Leistungsmodul ansteuern. Um hier einen fehlerfreien Informationsfluss sicher zu stellen, sind Komponenten notwendig, die den Anforderungen nach einem niedrigem Übergangswiderstand sowie geringen Schaltzeiten ohne Prellverhalten gerecht werden.

Mit der Entwicklung der Mikroschalterserie ASQ in „Ultraminiatur-Ausführung“ und der damit verbundenen Erweiterung der „Türkis-Schalterserie“ hat Panasonic im Bereich elektromechanischer Komponenten Pionierarbeit geleistet. Die Mikroschalter entsprechen den Anforderungen der IEC529 (IP 67) und unterscheiden sich von herkömmlichen Schaltern dieser Baugröße in erster Linie durch ein speziell für geringe Lasten entwickeltes Kontaktsystem.

Kontaktsystem für geringe Lasten

Herkömmliche Mikroschalter arbeiten nach dem sogenannten „Knack-Frosch-Prinzip“ mit einem Schnappmechanismus. Hierbei wirkt eine äußere Kraft auf den Betätiger des Mikroschalters. Diese Kraft setzt sich in Form einer Bewegung in das Innere des Mikroschalters fort und wirkt der mit einer gewissen Vorspannung beaufschlagten Kontaktfeder entgegen. Erreicht diese äußere Kraft einen bestimmten Wert oder überschreitet diesen, wird die Kontaktfeder zum Umschalten angeregt. Bei dieser Art Kontaktsystem übt die von außen einwirkende Betätigungskraft in Form des Betätigungsweges einen erheblichen Einfluss auf die Kontaktkraft im Inneren des Mikroschalters aus.

Unabhängige Kontaktkraft durch System mit Schleifkontakten

Um eine Unabhängigkeit der Kontaktkraft vom Betätigungsweg zu erreichen, wurde ein neuartiges Kontaktierungssystem mit Schleifkontakten entwickelt. Die beiden feststehenden Kontakte NC (Öffnerkontakt) und NO (Schließerkontakt) sind hier senkrecht übereinander angeordnet, aber nicht durch einen Luftspalt, sondern durch eine 0,3 mm starke Isolierschicht voneinander getrennt.

Der bewegliche Kontakt COM (gemeinsamer Kontakt) des Kontaktsystems wird bei dieser neuen Technologie als Schleifer mit doppelseitiger Kontaktierungsfläche ausgeführt und umklammert die beiden feststehenden Kontakte. Durch diese Anordnung wird nicht nur eine Unabhängigkeit der Kontaktkraft vom Betätigungsweg erreicht, sodass über den gesamten Betätigungsbereich immer eine stabile und gleichmäßige Kontaktkraft zur Verfügung steht, sondern es ist auch möglich, den gesamten Weg des Stößels zu nutzen (Bild 1).

Somit stehen dem Entwickler Nachlaufwege von min. 2,5 mm für den Öffnerkontakt und 2,2 mm für den Schließerkontakt bei der Ausführung ohne Zusatzbetätiger zur Verfügung. Diese Eigenschaft des Mikroschalters erlaubt es, die Toleranzkette der zusammenspielenden Komponenten in der Applikation großzügiger zu gestalten und anfallende Montagetoleranzen auszugleichen. Dies verkürzt nicht nur die Entwicklungsarbeit, sondern trägt auch dazu bei, Fertigungskosten zu senken.

Auf die Zuverlässigkeit kommt es an

Ein besonderes Augenmerk wurde bei der Entwicklung der Mikroschalter auf die eingangs erwähnte Zuverlässigkeit der Kontakte gelegt. Die Kontaktzuverlässigkeit ist der entscheidende Punkt in einer Anwendung, in der ein Mikroschalter zum Einsatz kommt. Sei es als Türkontaktschalter in einer Schlosseinheit oder als Signalgeber in einer elektronischen Handbremse. Durch das Verwenden von geräuschlosen Schleifkontakten in vergoldeter Ausführung wird eine sichere Kontaktgabe über den gesamten Lastbereich von 5 V DC/1 mA bis hin zu 30 V DC/100 mA garantiert. Die automatische Selbstreinigung der Kontakte während jeder Betätigung des Mikroschalters trägt wesentlichen zur elektrischen Lebensdauer von min. 1 Mio Schaltzyklen bei einer Last von 12 V DC/10 mA bei.

Einfluss von Erschütterungen und Vibrationen

Äußere Einflüsse, wie plötzlich auftretende Erschütterungen oder Vibrationen können durchaus eine sichere und zuverlässige Signalübertragung beeinflussen. Die Konzipierung des beweglichen Kontaktes mit doppelseitigen Kontaktflächen (Bild 2) kommt hierbei zum Tragen. Testergebnisse zeigen, dass es bei Vibrationen mit einem Frequenzband von 5 bis 200 Hz und einer Beschleunigung von 43,1 m/s² in X-, Y- und Z-Richtung zu keiner Fehlfunktionen des Mikroschalters kommt. Auch konnte bei Versuchen zur Beständigkeit gegenüber Schockeinwirkungen bis zu einem Wert von 100 g in alle drei Richtungen kein Fehlverhalten festgestellt werden.

Auch für beengte Platzverhältnisse geeignet

Doch nicht nur Eigenschaften wie die bereits erwähnte hohe Kontaktzuverlässigkeit bei geringen Lasten und die gleichmäßige Kontaktkraft über den gesamten Betätigungsweg des Stößels zeichnen den nach IP 67 abgedichteten Mikroschalter aus. In der Ausführung ohne Zusatzbetätiger ist es außerdem möglich, den Schalter von allen Richtungen seitlich zu betätigen. Hierbei sind jedoch eine Anfahrschräge mit einem Winkel von maximal 40° sowie die Verwendung von Polyacetat als Betätigungsmaterial zu berücksichtigen.

Die Möglichkeit der seitlichen Betätigung aufgrund des Designs des Betätigungsstößels und durch den Aufbau des Kontaktsystems als Schleifmechanismus führt dazu, dass Konstrukteure bei der Entwicklung bauraumbegrenzter Anwendungen auf zusätzliche Betätiger am Mikroschalter verzichten können. Das Unternehmen bietet jedoch auch Zusatzbetätiger für diesen Mikroschalter an.

Durch den Aufbau des Kontaktsystems sowie das Verwenden der Ultraschall-Prägetechnik für die Stößelmembrane gelang es, ein High-Tech-Produkt zu entwickeln, das den hohen Anforderungen der Automobilindustrie genauso gewachsen ist, wie den rauhen Umgebungsbedingungen aus der Industrieelektronik.

*Gerd Bindl ist Produktmanager für den Bereich Mikroschalter und Steckverbinder bei Panasonic Electric Works Deutschland in Holzkirchen.

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