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Kapazitive Sensoren als Einzeltaster

Bewährtes auf dem neuesten Stand


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Feldbedingungen

Die Analyse des Einsatzumfelds, das eng mit der EMV gekoppelt ist, ist essenziell für die erfolgreiche Implementierung. Substanzen wie Öle, Fette oder Flüssigkeiten auf der Oberfläche können die Funktion deutlich beeinträchtigen. Herausragende Bedeutung hat der Bedienmodus (was genau soll wie und wo gesteuert oder bedient werden; handelt es sich um simple Schaltroutinen wie An/Aus, um hochfrequente Datenerfassung wie bei Tastaturen oder um die Steuerung komplexer Bildschirm-Visualisierungen wie bei Touchscreens?) und die damit verbundene Frage, ob die Bedienung mit bloßem Finger erfolgt. Trägt der Benutzer Arbeitshandschuhe, kommt es je nach deren Beschaffenheit zu Beeinträchtigungen der Funktion. Ein populäres Beispiel ist das vergebliche Bemühen, die Oberfläche eines Smartphones mit einem Wollhandschuh zu bedienen. Grund sind Luftspalte zwischen kapazitiver Fläche und bedienendem Finger. In engen Grenzen lässt sich dies über die Einstellung der Feldstärke des Sensors abfangen.

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Zwei miteinander verdrahtete beleuchtete kapazitive Taster (Rückseite)
© GETT Gerätetechnik

Sicherheit

Weil kapazitive Bediensysteme keinen mechanischen Druck benötigen, um die jeweilige Funktion auszulösen, können leicht Fehlbedienungen geschehen. Ein unbeabsichtigtes Streifen der Oberfläche mit einem Körperteil genügt oft, um eine Betätigung zu bewirken. Vermeidende Konzepte wie Stand-by-Modi oder eine Totmann-Funktion sind in diesem Fall verfügbar. Ein wirksamer verfügbarer Lösungsansatz ist auch die Ausgestaltung des Tasters mit einer inneren und einer äußeren Elektrode. Berührt der Nutzer beide, wird eine Auslösung vermieden; nur die punktgenaue Berührung des aktiven Tastenfelds bewirkt eine Bedienung.

Kapazitive Tasterfamilie TKR-Smart

Die kapazitive Tasterfamilie TKR-Smart von GETT Gerätetechnik umfasst Katalog- und Standardprodukte, die der fortschreitenden technischen Entwicklung immer wieder angepasst werden. Heute repräsentieren sie den Stand der Technik und haben alle Eigenschaften, die Integratoren von einem kapazitiven Taster erwarten.
Der Basistaster ist als Sensorfläche auf einer starren Leiterplatte ausgeführt und hat ein Außenmaß von 40 mm × 40 mm, das als Standardgröße gelten kann und die meisten Größenanforderungen abdeckt. TKR-Smart-Taster sind als unbeleuchtete und beleuchtete Versionen verfügbar. Die beleuchteten haben eine 35 mm × 35 mm große Streuscheibe, die eine homogene Ausleuchtung der Fläche sicherstellt. Mit RGB-LED ausgestattet, ist jede Farbe möglich. Standardmäßig ist die Beleuchtung weiß. Im Standby-Modus ist die Helligkeit gedimmt; bei Betätigung erreicht sie volle Intensität.

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Darstellung der Platzierung eines kapazitiven Tasters hinter einer noch unbedruckten Glasfront
© GETT Gerätetechnik

Als Bedienfront dienen ausschließlich nichtleitende, völlig ebene Materialien, die bereits mit dem vorgesehenen grafischen Bedienlayout und einem sogenannten lichtundurchlässigen Sperrdruck rückseitig bedruckt sind. An der Praxis orientiert, bietet der Taster ein Sensitivitätsspektrum, das die Funktion hinter bis zu 6 mm starkem Glas oder 3 mm starkem PMMA abdeckt. Zum Einbau hat der Taster eine vorapplizierte Klebefläche. Vor dem Einbau wird lediglich der Schutzfilm abgezogen und der Taster auf die vorher mit einem Reiniger entfettete und entstaubte Stelle geklebt. Wichtig ist, Luft-, Staub- und Feuchtigkeitseinflüsse zu vermeiden.

Der Ausgang ist mit einem OptoMOS-Relais ausgeführt; Open Collector ist auf Anfrage realisierbar. Zum Betrieb eines Tasters ist eine Spannung von 5 V erforderlich. Das Verhalten des Schaltausgangs lässt sich mittels einer Firmware bestimmen. Ein integrierter Mikrocontroller ermöglicht zudem die individuelle Anpassung von Eigenschaften wie Sensitivität oder Beleuchtung. Der Integrator kann so seine dedizierten Spezifikationen über ein Formular zusammenstellen und bestellen.

Der einzelne Taster kann bei Bedarf als Leiterplatte mit mehreren Sensorflächen ausgeführt sein. Eine solche kompakte Funktionseinheit vermeidet die Integration mehrerer Einzeltaster und deren Verdrahtung untereinander. Weil das Board nur einen Controller hat, ergibt sich daraus nicht zuletzt ein Preisvorteil. Eine lineare Tastengruppe mit sechs Tasten und 24-V-Stromversorgung befindet sich derzeit als weiteres Standardmodul in der Entwicklung – ebenso wie ein kapazitiver Einzeltaster im Einbaugehäuse, der auf die gleiche Weise wie mechanische Einzeltaster in Bedienfronten integriert wird. Beide Varianten kommen demnächst auf den Markt.

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Vier kapazitive Einzeltaster ergänzen eine Bedienfront mit Sonderfunktionen
© GETT Gerätetechnik

Die Vorteile und Einschränkungen von TKR-Smart-Tastern sind stellvertretend für die gängigen kapazitiven Einzeltaster. Vorteile sind ein hoher Hygienegrad, eine fast verschleißfreie Funktion, eine geringe Bauhöhe und große grafische Designfreiheit der Bedienfront sowie ein aktives Abweisen von Flüssigkeit und Keimen. Sensitivität, farbliche Ausgestaltung, Schaltausgänge und Beleuchtung sind variabel. Eine redundante Ausführung zur Vermeidung unbeabsichtigter Bedienung ist möglich. Einschränkende Parameter sind etwaige Lufteinschlüsse zwischen Taster und Bedienfront, ein mangelndes Tastgefühl, leitfähige Materialien oder starke elektromagnetische Felder in unmittelbarer Umgebung sowie eine mangelnde Integrierbarkeit hinter leitfähige Materialien (Metall). Anlagerungen auf der Oberfläche wie etwa Betauung oder Fette führen potenziell zu Beeinträchtigungen. Bei bestimmten Handschuharten wie etwa Leder oder Wolle erfolgt keine Funktion.

Kapazitive Taster dürfen heutzutage als ausgereifte, gesicherte Technologie gelten. Ihre technisch-physischen Ausprägungen sind ebenso wie ihre Funktionsbreite vielfältig. Mehr als bei mechanischen Tastern ist jedoch Augenmerk auf die Mikro- und Makro-Umgebung des Einsatzfelds zu lenken. Wegen ihrer physischen Eigenschaften benötigen kapazitive Sensoren den Ausschluss bestimmter Störfaktoren, um zufriedenstellend zu funktionieren. Sein geht auch hier vor Design. Bei geklärtem Umfeld und definierter Spezifikation sind kapazitive Taster jedoch eine sichere Wahl und ermöglichen elegante, hochfunktionelle Bedienschnittstellen.

Neben mechanischen und kapazitiven Tastern könnten in naher Zukunft optische Taster signifikante Beachtung bei den Integratoren erfahren. Sie sind jedoch eher als Ergänzung zu sehen. Kapazitive Taster werden bei gradueller Weiterentwicklung einen festen und weiterhin wachsenden Stellenwert bei den Einzeltastern einnehmen.

Der Autor: Dipl.-Ing. (TU) Jens Kieselbach ist Leiter Strategisches Produktmanagement bei GETT Gerätetechnik.


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