Die größten Erfindungen: der Näherungsschalter

Der Näherungsschalter ist eine der ältesten elektronischen Komponenten in der Automatisierung. Und dies nur deshalb, weil er sich im Laufe der Zeit immer wieder neu erfunden und mit den Veränderungen Schritt gehalten hat.

Orientierung, wissen, wo sich in einer Maschine das Produkt oder Werkzeug befindet, das war seit je her einer der Schlüssel für eine automatisierte Produktion. Ein Handwerker, gleich ob Schmied oder Tischler, muss seit jeher mit seinem Augenmaß arbeiten. Maschinen können das nicht. Also musste in der Frühzeit der Industrialisierung ein Arbeiter neben der Maschine stehen und einen Hebel bedienen, wenn ein Werkstück drohte, an den Rand der Maschine zu drücken.

Diese doch reichlich stupide Tätigkeit wollten Erfinder und Ingenieure schon sehr früh eliminieren. Und so sorgten sie mit reichlich Erfindergeist dafür, dass der umzulegende Hebel von der Maschine selbst rechtzeitig betätigt wurde. Das brachten sie zu einer erstaunlichen Präzision und somit zu einer ersten Blüte der Automatisierungstechnik: der mechanischen Automation.

Es folgte die Ära der Elektrifizierung und mit ihr Bemühungen, auch die Automatisierung elektrisch auszuführen. Nach und nach ersetzten Rollhebelschalter und Relais die mechanischen Umlenkhebel und Kupplungen. Die Schaltertechnik war robust und zuverlässig. Meistens. Denn in der chemischen Industrie machten die mechanischen Kontakte im Inneren der Schalter Probleme. Aufgrund der geringen Ströme eigensicherer Schaltkreise entfiel der reinigende Kontaktabbrand.

Walter Pepperl und sein Mitarbeiter Wilfried Gehl erhielten daher Ende der 1950er-Jahre von der BASF den Auftrag, mechanische Schaltkontakte durch eine Alternative zu ersetzen. Es ging darum, ein robustes Bauteil zu entwickeln, das auch nach vielen tausend Schaltspielen bei kleinsten Schaltströmen in der aggressiven Atmosphäre eines Chemiewerks noch zuverlässig seinen Dienst tut. Als gelernte Radiotechniker wussten sie, was passiert, wenn sich ein metallisches Objekt einem Spulensystem nähert.

Mit dem Bipolar-Transistor, der zehn Jahre zuvor von William B. Shockley erfunden worden war, stand zudem ein neues kompaktes Bauteil zur Verfügung, mit dem die Bedämpfung eines Schwingkreises einfach ausgewertet  und in ein Schaltsignal umgewandelt werden konnte. Somit ist die Erfindung des Näherungsschalters ein frühes Beispiel dafür, wie Know-how aus der Nachrichten-Technik die Automatisierungstechnik vorantreibt.
Nahezu unbegrenzte Lebensdauer

In den ersten Jahren blieb die Anwendung des induktiven Näherungsschalters auf die Chemie-Industrie beschränkt. Doch schon zu Beginn der 1960er-Jahre lernte man die nahezu unbegrenzte Lebensdauer dieses Schalters auch in anderen Automatisierungsanwendungen zu schätzen.

So war es nur folgerichtig, dass Pepperl+Fuchs 1968 mit einer induktiven Ausführung des Rollenhebel-Endschalters nach DIN 43694 auf den Markt kam. Dieses Gerät war befestigungskompatibel zum mechanischen Pendant und hatte wahlweise fünf verschiedene Lagen für die aktive Sensorfläche, damit alle möglichen Anfahrrichtungen des mechanischen Schalters nachempfunden werden konnten. Zudem war es damals noch nicht möglich, alle verschiedenen Spannungsbereiche durch eine Elektronik abzubilden. Die somit erforderlichen 60 verschiedenen Ausführungen des Näherungsschalters konnten aber den Siegeszug nicht aufhalten. Die Verschleißfreiheit war für die Zuverlässigkeit eines Automatisierungssystems ein gewichtiger Vorteil.

Die wohl bekannteste Bauform des Näherungsschalters ist die zylindrische Gewindehülse. Von außen betrachtet sieht er wie ein Gewindebolzen aus und ist dem entsprechend einfach in jeder Maschine zu montieren. Das robuste Gehäuse aus Messing oder gar Edelstahl schützt die Elektronik gegen Umwelteinflüsse jeder Art und natürlich auch vor mechanischer Zerstörung.

Darüber hinaus gibt es aber noch hunderte weiterer Bauformen, die heute am Markt erhältlich sind. Damit wird den unterschiedlichen Montageanforderungen des Maschinenbaus Rechnung getragen. Der Sensor dürfte wohl eine der wenigen elektronischen Komponenten sein, bei dem sich die Gehäusebauform der Anwendung und nicht der integrierten Elektronik anpassen muss. In den 90er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurde aber auch die Elektronik im Näherungsschalter grundlegend weiterentwickelt. Integrierte Schaltungen, die die Funktionalität erweitern und die EMV-Störfestigkeit steigerten, hielten Einzug. Bei den Schaltern mit Reduktionsfaktor 1 ermöglichen neue Oszillatorkonzepte gleiche Schaltabstände auf unterschiedliche Metalle.

Für Anwendungen mit ganz besonders hohen Anforderungen an die Robustheit gibt es Näherungsschalter mit aktiver Sensorfläche aus Edelstahl. Hierzu ist eine äußerst empfindliche Auswertung notwendig, da die Vorbedämpfung des Oszillators durch die Stirnfläche des Gehäuses schon recht groß ist. Auch Mikrocontroller haben inzwischen Einzug in den Näherungsschalter gehalten. Damit können noch höhere Schaltabstände bei vereinfachtem Abgleich der Bauteile in der Fertigung erzielt werden und zudem die Funktionalität gesteigert werden. Und das alles bei einem Gerät, welches aufgrund der immensen benötigten Stückzahlen unter fortwährendem Preisdruck steht.

Pepperl+Fuchs wurde 1945 von Walter Pepperl (1921–2000) und Ludwig Fuchs (1920–1997) als Radioreperaturwerkstatt in Mannheim gegründet. Bereits 1948 erweiterte Pepperl+Fuchs seine Tätigkeit auf die Fertigung elektronischer Komponenten, was 1958 zur Entwicklung ersten Transistorverstärkers mit eigensicherer Schaltung führte. Ebenfalls 1958 wurde der weltweit erste industriell nutzbare induktive Näherungsschalter von Walter Pepperl zusammen mit Wilfried Gehl entwickelt. Seit den Anfängen hat sich Pepperl+Fuchs zu einem vielseitigen Industrieunternehmen entwickelt und ist heute ein führender Hersteller der Sensortechnologie sowie bei eigensicheren Komponenten.