Kapazitive Schalter Sicherheit erhöht

Kapazitive Tasten erobern auch in der Industrieelektronik weitere Anwendungsfelder. Doch dort ist unbeabsichtigtes Auslösen eines Schalters sehr kritisch, denn es können hohe Sachwerte beschädigt oder sogar Menschen verletzt werden. Kann das Prinzip des umgekehrten Totmannschalters die absolute Bediensicherheit bieten?

Mechanische Tasten werden zunehmend häufiger durch kapazitive Tasten ersetzt. Im Vergleich zu mechanischen Tasten sind sie flach, nahezu verschleißfrei, leicht zu reinigen, optisch ansprechend und unkompliziert in Systeme einzufügen. Ein Nachteil kapazitiver Tasten ist jedoch deren unbeabsichtigtes Auslösen. Mechanische Tasten leisten haptischen Widerstand, eine kapazitive Taste hingegen kann unwillentlich und unbemerkt ausgelöst werden. Ein Alltagsbeispiel verdeutlicht diese unzureichende Bediensicherheit: In eine Fahrstuhlkabine mit kapazitiven Tasten für die Bedienung drängen Menschen hinein und verteilen sich an den Rändern, um Platz für den Durchgang in der Mitte zu schaffen. Eine Person streift dabei mit ihrem Arm unbemerkt eine der Fahrstuhltasten und wählt so unbeabsichtigt eine weitere Etage oder die Türöffnerfunktion.

Zur dargestellten Alltagssituation gibt es bereits mehrere Lösungskonzepte, zum Beispiel das Zweitasten-Konzept, das sogenannte »Press-Sensing« oder das Konzept der Annäherungssensoren. Ein weiterer Ansatz, die Bediensicherheit von kapazitiven Tasten zu erhöhen, ist der »umgekehrte Totmannschalter«. Bei einer flächigen Betätigung, die den aktiven Bereich des kapazitiven Tasters überschreitet, wird keine Bedienaktion ausgelöst beziehungsweise kein Signal übertragen. In den meisten Fällen werden damit alle Bedienaktionen abgedeckt, die nicht präzise mit dem Finger ausgeführt wurden.

Das Prinzip des umgekehrten Totmannschalters beruht auf einer Kombination von zwei eigenständigen Sensorelementen. Dabei handelt es sich um eine Innen- und eine Außensensorik. Die Innensensorik bildet das eigentliche kapazitive Bedienelement, den Taster. Die Außensensorik umfasst den Taster und verhindert eine fehlerhafte Bedienung, indem sie bei Berührung die Innensensorik elektronisch verriegelt. Das physikalische Wirkprinzip und der generelle Aufbau der Außensensorik sind identisch zur Innensensorik. Schematisch ist der Aufbau eines umgekehrten Totmannschalters vergleichbar mit einer Einzeltaste, die von einer größeren Taste eingefasst ist (Bild 1). Neben dem Umfassen einer Einzeltaste ist auch das Einbetten mehrerer kapazitiver Tasten durch die Außensensorik möglich.

Ist der Schaltzustand des kapazitiven Tasters beziehungsweise der inneren Sensorik »offen«, fließt kein Strom durch den Taster (Bild 2 oben). Berührt ein Finger den Taster und damit die innere Sensorik, schließt sich der Kontakt und ein Signal wird übertragen (Bild 2 Mitte). Wird beim Bedienvorgang jedoch zeitgleich die äußere Sensorik berührt, bleibt der Stromfluss unterbrochen (Bild 2 unten). Abhängig von der verwendeten Sensorik stehen als Schnittstellen verschiedene Varianten zur Verfügung, wie Logikausgang (5 V) oder I²C.

Umgekehrter Totmannschalter

Der umgekehrte Totmannschalter ist kein Standardprodukt, sondern vielmehr eine Plattform, von der sich individuelle Lösungen ableiten lassen. Dies ist in der Realisierbarkeit vieler individueller Parameter begründet.

Konstruktiv erfordert der umgekehrte Totmannschalter mehr Platz. Wegen der Kombination der beiden Sensorelemente und der damit einhergehenden Umrahmung des eigentlichen Tastenelements durch die äußere Elektrode wird die Taste größer. Die vertikale, horizontale oder quadratische Anordnung der aktiven Tasten ist davon unabhängig. Die Technik ist sowohl als elektronische Baugruppe mit separierter Innen- und Außensensorikkomponente erhältlich sowie als Leiterplatte. Auch verschiedene Beleuchtungselemente können integriert werden.

Eine mechanische Befestigung der kapazitiven Tasten- und Tastaturbaugruppen ist nicht notwendig, die Bauteile lassen sich mit einer doppelseitigen Klebefläche auf dem Frontträger aufbringen. Es ist jedoch auf eine luft-, staub-, fett- und feuchtigkeitsfreie Integration des Tasters zu achten. Bereits kleinste Einschlüsse können das kapazitive Feld empfindlich stören. Lufteinschlüsse sind dabei besonders problematisch. Das Frontmaterial ist in den meisten Fällen Glas. Auch Werkstoffe wie Folie, Acryl, Kunststoff oder Acrylstein können verwendet werden. In der Industrieautomation ist das Standardmaß der Materialstärke 3 mm.

Kapazitive Tasten und Bedienelemente sind in designorientierten Produkten der Unterhaltungselektronik seit vielen Jahren etabliert. Mehr und mehr halten sie auch Einzug in gewerbliche und industrielle Systeme, die erhöhte Anforderungen an die Bediensicherheit stellen. Die Technik des umgekehrten Totmannschalters fängt einen Großteil der unbeabsichtigten Bedienvorgänge ab, deshalb wurde das Konzept bereits im Bereich der Banknotenbearbeitungsmaschinen, der Hebe- und Förderzeuge und der medizinischen Apparate realisiert.

Die innere Sensorik beziehungsweise den aktiven Bedienbereich mit einer verriegelnden äußeren Sensorik zu koppeln, reduziert unbeabsichtigte Fehlauslösungen des Tasters. Eine vollständige Sicherheit in Bezug auf die unbeabsichtigte oder unbemerkte Auslösung von kapazitiven Tasten kann jedoch auch diese Technik nicht bieten. Analog zu anderen kapazitiven Bediensicherheitskonzepten spielt die vorgesehene Anwendungsumgebung, die Bedienfunktion und das Risikomanagement des Systemherstellers eine tragende Rolle. (vw)

Über den Autor:

André Zeidler leitet das Produktmanagement GETT Gerätetechnik.