PNP oder NPN, Schließer oder Öffner: Sensorausgänge richtig verschalten
Der Ersatzsensor ist eingebaut, die Adern sitzen auf denselben Klemmen wie vorher, und die Steuerung meldet trotzdem nichts. Oder sie meldet dauerhaft ein Signal, auch ohne Objekt vor der aktiven Fläche. Wird ein Sensor über Herstellergrenzen hinweg ersetzt, liegt die Ursache für dieses Bild selten im Messprinzip. Sie liegt meist in der Ausgangsart. Vier Angaben entscheiden darüber, ob ein Sensor an einen vorhandenen Eingang passt: die Schaltlogik, die Schaltfunktion, die Leiterzahl und der Eingangstyp der Steuerung. Wer diese vier auseinanderhält, erkennt am Datenblatt in einer Minute, ob ein Austausch funktioniert.
Die vier Angaben, die einen Sensorausgang beschreiben
Die vier Merkmale sind unabhängig voneinander und lassen sich frei kombinieren. Ein Sensor kann PNP-schaltend und ein Öffner sein, ein anderer NPN-schaltend und ein Schließer. Die Schaltlogik sagt, welchen Pol der Sensor auf die Signalleitung legt. Die Schaltfunktion sagt, in welchem Zustand er das tut. Die Leiterzahl sagt, ob Versorgung und Signal getrennt geführt werden. Und der Eingangstyp der Steuerung entscheidet, ob sie das Ergebnis richtig liest.
Die folgende Tabelle beantwortet den häufigsten Fall vorweg: die Wahl zwischen PNP und NPN.
| Merkmal | PNP-Ausgang | NPN-Ausgang | Worauf es beim Anschluss ankommt |
|---|---|---|---|
| Bezugspunkt der Last | 0 V | 24 V | bestimmt, wohin die zweite Klemme der Last geht |
| Anschluss der Last | zwischen Schaltausgang und 0 V | zwischen 24 V und Schaltausgang | bei Verwechslung bleibt der Eingang stumm |
| Potential am Ausgang im aktiven Zustand | etwa 24 V, abzüglich Spannungsabfall | etwa 0 V | gut mit dem Messgerät zu prüfen |
| Passender Eingang der Steuerung | Eingang, der den Strom aufnimmt | Eingang, der den Strom abgibt | siehe Abschnitt zum Eingangstyp |
| Masseschluss der Signalleitung | führt zu einem 0-Signal | führt zu einem ungewollten 1-Signal | der wesentliche sicherheitstechnische Unterschied |
| Verbreitung | Regelfall im europäischen Maschinenbau | in Teilen Asiens verbreitet, in Europa eher im Altbestand | bei Importmaschinen gezielt prüfen |
| Aderfarbe des Schaltausgangs | schwarz bei drei Leitern, schwarz und weiß bei vier Leitern | schwarz bei drei Leitern, schwarz und weiß bei vier Leitern | Konvention, kein Ersatz für das Datenblatt |
PNP und NPN unterscheiden sich im Bezugspunkt der Last
Beide Bezeichnungen stammen aus der Transistortechnik und beschreiben, welchen Pol der Ausgangstransistor durchschaltet. Praktisch relevant ist nur die Folge daraus: Wo die Last angeschlossen wird und was im aktiven Zustand auf der Signalleitung liegt. Wer wissen will, worin sich PNP- und NPN-Sensoren im Anschluss unterscheiden, findet die Kurzfassung in der FAQ.
Beim PNP-Ausgang liegt die Last gegen 0 V
Der Sensor schaltet die positive Versorgungsspannung auf den Ausgang. Die Last liegt zwischen Schaltausgang und 0 V. Erkennt der Sensor ein Objekt, fließt der Strom aus dem Sensor heraus durch die Last nach 0 V. Am Eingang der Steuerung liegen dann rund 24 V an, vermindert um den Spannungsabfall über dem Ausgangstransistor. Diese Ausführung wird auch positiv schaltend genannt.
Beim NPN-Ausgang liegt die Last gegen 24 V
Hier schaltet der Sensor die Masse auf den Ausgang. Die Last liegt zwischen 24 V und Schaltausgang, der Strom fließt durch die Last in den Sensor hinein. Erkennt der Sensor ein Objekt, zieht er die Signalleitung auf nahezu 0 V. Am Eingang wird also das Verschwinden der Spannung als Signal gewertet, nicht ihr Auftreten. Diese Ausführung heißt negativ schaltend.
Warum PNP im europäischen Maschinenbau der Regelfall ist
Der Grund ist ein Fehlerfall. In Anlagen mit geerdetem 0 V berührt eine gescheuerte Signalleitung früher oder später eine geerdete Blechkante oder einen Kabelkanal. Bei einem PNP-Ausgang legt dieser Masseschluss die Signalleitung auf 0 V, die Steuerung sieht ein 0-Signal und damit denselben Zustand wie bei einem Leitungsbruch. Bei einem NPN-Ausgang bewirkt derselbe Fehler das Gegenteil: Die Leitung geht auf 0 V, und genau das ist hier das aktive Signal. Die Steuerung meldet ein Objekt, das nicht da ist. Ein Fehler, der in der einen Verdrahtung zu einem Stillstand führt, löst in der anderen eine Bewegung aus. Deshalb hat sich im europäischen Maschinenbau die positiv schaltende Ausführung durchgesetzt.
Schließer und Öffner beschreiben die Schaltfunktion, nicht die Logik
Die häufigste Verwechslung in diesem Thema besteht darin, Schaltlogik und Schaltfunktion für dasselbe zu halten. Sie sind unabhängig, und es gibt alle vier Kombinationen. Ein Schließer, im Datenblatt oft NO für normally open, schaltet durch, sobald ein Objekt erkannt wird. Ein Öffner, NC für normally closed, tut das Gegenteil: Er führt im unbedämpften Zustand Strom und unterbricht, sobald ein Objekt erscheint.
Dahinter stehen zwei Entwurfsprinzipien. Beim Arbeitsstromprinzip mit einem Schließer entsteht das Signal, wenn etwas passiert. Beim Ruhestromprinzip mit einem Öffner liegt das Signal dauerhaft an und verschwindet im Ereignisfall. Der zweite Fall hat einen Vorteil, der in der Instandhaltung zählt: Ein Leitungsbruch, ein abgezogener Stecker und eine ausgefallene Versorgung erzeugen denselben Zustand wie das Ereignis selbst. Die Anlage geht in den sicheren Zustand, statt den Fehler zu übersehen. Bei einem Schließer bleibt derselbe Leitungsbruch unbemerkt, solange kein Objekt kommt.
Vierleiterausführungen liefern zwei Ausgänge gleichzeitig
Manche Sensoren führen beide Funktionen parallel heraus, meist auf schwarz und weiß. Bei komplementären Ausgängen liegt immer genau einer von beiden auf Signal. Wertet die Steuerung beide aus, erkennt sie einen Leitungsbruch und einen gestörten Sensor daran, dass die erwartete Gegenläufigkeit fehlt. Das ist eine Plausibilitätsprüfung und eine nützliche Diagnose, aber keine Sicherheitsfunktion.
Das ist ausdrücklich festzuhalten: Ein Standardnäherungsschalter übernimmt keine Sicherheitsfunktion, auch nicht mit zwei Ausgängen und auch nicht als Öffner verdrahtet. Sicherheitsgerichtete Anwendungen verlangen Geräte mit definiertem Verhalten unter Fehlerbedingungen nach IEC 60947-5-3 und eine Betrachtung der gesamten Funktionskette nach ISO 13849-1. Das Ruhestromprinzip ist dafür eine Voraussetzung, kein Ersatz.
Der Eingang der Steuerung muss zum Sensor passen
An dieser Stelle steckt eine Begriffsfalle. Ein PNP-Sensor gibt Strom ab, er ist die Quelle. Der Eingang der Steuerung muss diesen Strom folglich aufnehmen. In englischsprachiger Dokumentation heißt ein solcher Eingang sinking input, obwohl er für source-Sensoren gedacht ist. Wer die Begriffe auf dasselbe Bauteil bezieht, vertauscht sie zuverlässig. Sicherer ist die Frage, wohin die Last gehört: Bei PNP gegen 0 V, bei NPN gegen 24 V.
Die zweite Angabe ist der Eingangstyp. IEC 61131-2 unterscheidet für Digitaleingänge an 24 V Gleichspannung drei Typen, die sich in ihren Strom- und Spannungsschwellen unterscheiden. Sie sind nicht beliebig austauschbar.
| Eingangstyp | Vorgesehen für | Verhalten gegenüber Zweileitersensoren | Was zu prüfen ist |
|---|---|---|---|
| Typ 1 | mechanische Schaltkontakte und Dreileitersensoren | eingeschränkt bis ungeeignet, weil der Reststrom bereits als Signal gewertet werden kann | Reststrom des Sensors gegen die Schwelle des Eingangs für den Zustand 0 |
| Typ 2 | Halbleitersensoren mit zwei Leitern | dafür ausgelegt, verlangt aber einen höheren Mindeststrom | ob der Sensor den geforderten Mindeststrom im aktiven Zustand liefert |
| Typ 3 | Halbleitersensoren mit zwei oder drei Leitern | geeignet, mit geringerer Leistungsaufnahme als Typ 2 | heute der übliche Kompromiss, dennoch Datenblatt gegenprüfen |
Die zugehörigen Strom- und Spannungsgrenzen stehen in IEC 61131-2. Verbindlich für die Auslegung ist das Datenblatt der Eingangsbaugruppe, weil Hersteller innerhalb der Norm unterschiedlich auslegen.
Zwei-, Drei- und Vierleiterausführungen im Vergleich
Die Leiterzahl verrät bereits, wie der Ausgang aufgebaut ist. Die Dreileiterausführung ist der Normalfall: braun an die Versorgung, blau an 0 V, schwarz als Schaltausgang. Versorgung und Signal sind getrennt, der Ausgang ist entweder PNP oder NPN. Die Vierleiterausführung ergänzt einen zweiten Ausgang auf weiß, entweder komplementär oder als zweite, getrennt einstellbare Schaltschwelle.
Die Zweileiterausführung ist der Sonderfall. Sie wird wie ein Schalter in Reihe zur Last geschaltet, Versorgung und Signal laufen über dieselben beiden Adern. Daraus folgen zwei Kennwerte, die in keinem anderen Fall eine Rolle spielen. Im gesperrten Zustand fließt ein Reststrom, weil die Elektronik des Sensors weiter versorgt werden muss. Ist dieser Reststrom größer als der Strom, den der Eingang noch als Zustand 0 wertet, bleibt der Eingang dauerhaft auf 1. Im leitenden Zustand fällt umgekehrt eine Spannung über dem Sensor ab, die der Last fehlt. Beide Werte stehen im Datenblatt und gehören vor der Bestellung gegen den Eingangstyp geprüft, nicht danach.
Eine eigene Familie sind Sensoren nach NAMUR, die in der Prozesstechnik und im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden. Sie liefern kein Schaltsignal, sondern eine Stromänderung, die ein Trennschaltverstärker auswertet. Sie lassen sich nicht an einen gewöhnlichen Digitaleingang anschließen und sind mit den hier beschriebenen Ausführungen nicht vergleichbar.
Anschlussbelegung und Aderfarben
Für Steckverbinder in Bauform M12 enthält IEC 60947-5-2 im Anhang die Belegungen; für die Kennzeichnung der Leiter verweist die Norm auf IEC 60445. In der Praxis hat sich die folgende Zuordnung durchgesetzt.
| Pin | Aderfarbe | Dreileiterausführung | Vierleiterausführung | Hinweis |
|---|---|---|---|---|
| 1 | braun | Versorgung plus | Versorgung plus | bei IO-Link-Geräten ebenfalls 24 V |
| 2 | weiß | nicht belegt | zweiter Ausgang | bei manchen Bauformen ein Eingang zur Umschaltung |
| 3 | blau | Versorgung minus | Versorgung minus | bei IO-Link-Geräten 0 V |
| 4 | schwarz | Schaltausgang | erster Schaltausgang | bei IO-Link-Geräten die Schalt- und Kommunikationsleitung |
Die Farbzuordnung ist eine verbreitete Konvention und keine Zusicherung. Im Altbestand und bei Vierleiterausführungen mit zwei Ausgängen kommen Abweichungen vor. Maßgeblich ist das Anschlussbild im Datenblatt.
Wenn die vorhandene Ausgangsart nicht passt
Stellt sich beim Austausch heraus, dass nur ein Sensor mit der falschen Schaltlogik verfügbar ist, gibt es mehrere Wege. Sie sind hier von der saubersten zur aufwendigsten Lösung geordnet. Ob und wie sich ein NPN-Sensor an einem PNP-Eingang betreiben lässt, beantwortet die FAQ im Überblick.
- Umschaltbarer Sensor. Viele Bauformen lassen sich per Teach-Vorgang oder über einen Steuereingang zwischen PNP und NPN sowie zwischen Schließer und Öffner umstellen. Das ist der einzige Weg ohne zusätzliche Bauteile.
- Umschaltbarer Digitaleingang. Manche Baugruppen erlauben die Umschaltung zwischen stromziehendem und stromgebendem Betrieb, teils kanalweise, teils nur für die ganze Gruppe. Ein Blick ins Handbuch der Steuerung lohnt sich vor jeder Zusatzbeschaffung.
- Koppelrelais oder Umsetzer. Sie funktionieren immer, kosten aber Platz auf der Hutschiene, eine zusätzliche Fehlerquelle und im Relaisfall Schaltspiele. Für einen einzelnen Kanal vertretbar, für eine ganze Maschine nicht.
In Summe ist das Nachrüsten fast immer teurer als der passende Sensor, sobald mehr als ein oder zwei Kanäle betroffen sind. Der Vergleich lohnt sich, bevor die erste Hilfskonstruktion entsteht.
Mit IO-Link verliert die Frage an Bedeutung
Bei IO-Link-Geräten wird die Schaltlogik nicht mehr verdrahtet, sondern parametriert. Im Kommunikationsbetrieb liegt das Schaltsignal als Prozessdatum vor, und Schaltpunkt, Schaltfunktion und Logik stehen als Parameter im Gerät. Im Standard-Schaltbetrieb ohne Kommunikation liefert Pin 4 ein schaltendes 24-V-Signal; welche Logik dabei gilt, steht im Datenblatt des Geräts. Womit IO-Link sonst noch aufwartet, steht in der Kategorie Technologie.
Fehlerquellen beim Austausch
Die folgenden sechs Fälle decken den größten Teil der Störungsbilder ab, die nach einem Sensortausch auftreten.
- Vertauschte Schaltlogik. Der Eingang bleibt stumm. Prüfung: Spannung zwischen Schaltausgang und 0 V messen, einmal mit und einmal ohne Objekt vor der aktiven Fläche.
- Schließer statt Öffner. Das Signal ist invertiert, die Anlage arbeitet scheinbar, aber die Endlagen stimmen nicht. Auffällig wird es oft erst im Störfall.
- Zweileitersensor an einem Typ-1-Eingang. Der Eingang bleibt dauerhaft auf 1. Die FAQ erklärt, warum ein Zweileitersensor den Eingang dauerhaft auf 1 hält.
- Abweichende Aderfarben. Besonders bei älteren Kabeln und bei konfektionierter Ware aus verschiedenen Quellen. Vor dem Auflegen gegen das Datenblatt prüfen, nicht gegen die Erinnerung.
- Fehlende gemeinsame Masse. Werden Sensor und Steuerung aus verschiedenen Netzteilen versorgt, ohne dass die 0-V-Potentiale verbunden sind, gibt es keinen definierten Bezugspunkt. Das Signal wird sporadisch oder bleibt ganz aus.
- Überlasteter Ausgang. Werden mehrere Lasten an einen Schaltausgang gelegt, kann der zulässige Dauerstrom überschritten werden. Der Ausgang schaltet dann zyklisch ab und wieder ein.
Den passenden Sensor auswählen
Für eine Anfrage reichen vier Angaben aus diesem Artikel, ergänzt um Bauform und Schaltabstand. Da Which Sensor herstellerunabhängig auslegt, lässt sich zu einer vorhandenen Ausgangsart in aller Regel ein passender Sensor finden, ohne die Verdrahtung zu ändern. Die Produktkategorien geben einen Überblick über die gängigen Bauformen bei induktiven Sensoren und Magnetsensoren; welches Messprinzip für eine Aufgabe überhaupt in Frage kommt, behandelt der Artikel Induktiv oder kapazitiv. Begriffe wie Schaltabstand, Hysterese und Wiederholgenauigkeit sind im Glossar kurz erklärt.
Weiterführende Antworten
Kurze Antworten zu Schaltlogik, Schaltfunktion und Anschluss stehen gesammelt in der FAQ, jeweils mit Verweis auf den ausführlichen Artikel. Dort finden sich auch die Antworten zu Sensorausgängen und Anschluss in der FAQ.