PNP- und NPN-Sensoren – Unterschiede, Anschluss und Anwendung
PNP- und NPN-Sensoren werden in Automatisierungsanlagen, CNC-Maschinen und industriellen Steuerungen zur berührungslosen Erfassung von Werkstücken, Maschinenpositionen oder Bewegungen eingesetzt. Die Bezeichnungen PNP und NPN beschreiben dabei nicht das eigentliche Messprinzip des Sensors, sondern die elektrische Funktion seines Schaltausgangs.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, ob der Sensor beim Schalten die positive Versorgungsspannung oder das negative Bezugspotenzial am Ausgang bereitstellt:
- Ein PNP-Sensor schaltet Plus.
- Ein NPN-Sensor schaltet Minus beziehungsweise 0 V.
Diese Unterscheidung ist besonders wichtig, wenn ein Initiator an eine SPS, CNC-Steuerung, ein Relais oder ein anderes Auswertegerät angeschlossen wird.
Was ist ein PNP-Sensor?
Ein PNP-Sensor stellt bei betätigtem Ausgang eine positive Spannung bereit. Bei einer Versorgungsspannung von 24 V DC liegt am Schaltausgang annähernd die positive Versorgungsspannung an.
Der angeschlossene Verbraucher oder SPS-Eingang befindet sich zwischen dem Schaltausgang und 0 V. Der Strom fließt somit vom Sensor über den Ausgang durch den Verbraucher zum negativen Bezugspotenzial.
PNP-Ausgänge werden deshalb auch als plusschaltende oder stromliefernde Ausgänge bezeichnet. Im englischen Sprachgebrauch wird hierfür häufig der Begriff „sourcing output“ verwendet.
Typischer Schaltweg eines PNP-Sensors
+24 V → Sensor → Schaltausgang → SPS-Eingang oder Verbraucher → 0 V
Erkennt der Sensor ein Objekt und ist er als Schließer ausgeführt, schaltet er die positive Versorgungsspannung auf den Ausgang. Der angeschlossene SPS-Eingang erkennt dadurch ein aktives Signal.
Was ist ein NPN-Sensor?
Ein NPN-Sensor verbindet seinen Schaltausgang im aktiven Zustand mit dem negativen Bezugspotenzial beziehungsweise 0 V. Der Verbraucher oder SPS-Eingang wird deshalb zwischen der positiven Versorgungsspannung und dem Sensorausgang angeschlossen.
NPN-Ausgänge werden auch als minusschaltende oder stromsenkende Ausgänge bezeichnet. Im Englischen wird dafür der Begriff „sinking output“ verwendet.
Typischer Schaltweg eines NPN-Sensors
+24 V → SPS-Eingang oder Verbraucher → Schaltausgang des Sensors → 0 V
Erkennt der Sensor ein Objekt und ist er als Schließer ausgeführt, zieht er den Schaltausgang auf 0 V. Die angeschlossene Steuerung muss für diese Signalart ausgelegt sein.
PNP- und NPN-Sensoren im direkten Vergleich
| Merkmal | PNP-Sensor | NPN-Sensor |
|---|---|---|
| Schaltverhalten | schaltet positive Spannung | schaltet gegen 0 V |
| Bezeichnung | plusschaltend | minusschaltend |
| Englischer Begriff | sourcing | sinking |
| Verbraucheranschluss | zwischen Ausgang und 0 V | zwischen +24 V und Ausgang |
| Signal im aktiven Zustand | annähernd positive Versorgungsspannung | annähernd 0 V |
| Typische Verbreitung | häufig in europäischen Maschinen | häufig in asiatischen Maschinen |
| SPS-Eingang | muss positives Eingangssignal auswerten | muss negatives Eingangssignal auswerten |
Typische Anschlussbelegung eines 3-Draht-Sensors
Bei vielen industriellen Gleichstromsensoren werden folgende Aderfarben verwendet:
| Aderfarbe | Typische Funktion |
|---|---|
| Braun | positive Versorgungsspannung, beispielsweise +24 V DC |
| Blau | 0 V beziehungsweise Masse |
| Schwarz | Schaltausgang |
| Weiß | optionaler zweiter Ausgang oder zusätzliche Funktion |
Bei einem M12-Steckverbinder entspricht dies häufig folgender Belegung:
- Pin 1: positive Versorgungsspannung
- Pin 3: 0 V
- Pin 4: Schaltausgang
- Pin 2: optionaler Ausgang oder Zusatzfunktion
Die tatsächliche Anschlussbelegung muss immer anhand des Datenblatts oder des aufgedruckten Schaltbilds geprüft werden. Abweichende Belegungen sind insbesondere bei Sensoren mit zwei Ausgängen, Analogausgang, IO-Link oder umschaltbarer Ausgangsfunktion möglich.
PNP oder NPN – welcher Sensor wird benötigt?
Die Auswahl richtet sich in erster Linie nach dem vorhandenen Eingang der Maschinensteuerung. Der Sensor und der SPS-Eingang müssen elektrisch zueinander passen.
Für eine Steuerung, deren digitale Eingänge bei positiver Spannung aktiv werden, wird normalerweise ein PNP-Sensor verwendet. Erwartet die Steuerung dagegen eine Verbindung des Eingangs mit 0 V, ist ein NPN-Sensor erforderlich.
Vor dem Austausch eines Sensors sollten daher mindestens folgende Angaben kontrolliert werden:
- Versorgungsspannung
- PNP- oder NPN-Ausgang
- Schließer oder Öffner
- Anzahl der Anschlussleitungen
- Stecker- oder Kabelbelegung
- maximal zulässiger Ausgangsstrom
- Spannungsabfall am Ausgang
- gewünschter Schaltabstand
- Schaltfrequenz
- Schutzart und Umgebungsbedingungen
Ein mechanisch passender Initiator ist nicht automatisch elektrisch kompatibel.
PNP und NPN sind nicht dasselbe wie Schließer und Öffner
Die Ausgangspolarität und die Schaltfunktion sind zwei unterschiedliche Eigenschaften.
PNP oder NPN beschreibt, welches elektrische Potenzial der Ausgang schaltet. Schließer oder Öffner beschreibt dagegen, wie sich der Ausgang bei der Erkennung eines Objekts verhält.
Schließer – NO
NO steht für „Normally Open“. Bei einem Schließer wird der Ausgang aktiv, sobald der Sensor das Zielobjekt erkennt.
Öffner – NC
NC steht für „Normally Closed“. Bei einem Öffner ist der Ausgang im normalen Zustand aktiv und wird beim Erkennen des Zielobjekts abgeschaltet.
Daher sind unter anderem folgende Kombinationen möglich:
- PNP-Schließer
- PNP-Öffner
- NPN-Schließer
- NPN-Öffner
- Sensoren mit komplementären NO- und NC-Ausgängen
Einsatz an CNC-Maschinen
In CNC-Maschinen übernehmen PNP- und NPN-Sensoren zahlreiche Überwachungs- und Steuerungsaufgaben. Typische Anwendungen sind:
- Referenzschalter an Maschinenachsen
- Endlagenüberwachung
- Werkzeugwechsler
- Erkennung der Spindelorientierung
- Spannkontrolle an hydraulischen oder pneumatischen Vorrichtungen
- Werkstückerkennung
- Tür- und Haubenüberwachung
- Kontrolle von Palettenpositionen
- Kolbenabfrage an Pneumatikzylindern
- Drehzahl- und Stillstandsüberwachung
Bei einer Ersatzbeschaffung sollte möglichst ein Sensor mit identischer Ausgangsfunktion verwendet werden. Wird ein PNP-Sensor versehentlich durch einen NPN-Sensor ersetzt, erkennt die Steuerung das Signal möglicherweise nicht oder wertet es falsch aus.
Häufige Fehler beim Anschluss
PNP- und NPN-Ausgang verwechselt
Der Sensor wird zwar mit Spannung versorgt, der Eingang der Steuerung reagiert jedoch nicht. Ursache ist häufig eine nicht passende Ausgangsart.
Versorgungsspannung falsch angeschlossen
Eine Vertauschung von Plus und Minus kann zu Fehlfunktionen führen. Moderne Sensoren besitzen häufig einen Verpolschutz, darauf sollte man sich jedoch nicht ohne Prüfung des Datenblatts verlassen.
Ausgang direkt kurzgeschlossen
Der Schaltausgang darf nicht unmittelbar mit der Versorgungsspannung oder 0 V kurzgeschlossen werden. Obwohl viele Industriesensoren über einen Kurzschlussschutz verfügen, müssen die zulässigen Belastungswerte eingehalten werden.
Falsche gemeinsame Bezugsspannung
Sensor und Steuerung benötigen ein gemeinsames Bezugspotenzial. Fehlt diese Verbindung, kann der SPS-Eingang das Ausgangssignal möglicherweise nicht eindeutig auswerten.
NO- und NC-Funktion verwechselt
Auch bei richtiger Ausgangspolarität kann die Steuerungslogik umgekehrt reagieren, wenn statt eines Schließers ein Öffner eingesetzt wurde.
Sensor mit Multimeter prüfen
Die Ausgangsfunktion kann bei einem 3-Draht-Sensor vorsichtig mit einem Multimeter geprüft werden. Hierfür wird der Sensor entsprechend dem Datenblatt mit seiner vorgesehenen Gleichspannung versorgt.
Bei einem PNP-Sensor wird die Spannung zwischen Schaltausgang und 0 V gemessen. Im aktiven Zustand sollte der Ausgang annähernd die positive Versorgungsspannung führen.
Bei einem NPN-Sensor wird der Ausgang im aktiven Zustand gegen 0 V geschaltet. Eine aussagekräftige Messung kann dabei eine geeignete Last oder die angeschlossene Eingangsschaltung erfordern.
Vor der Messung müssen Versorgungsspannung, Ausgangsstrom und Anschlussbelegung eindeutig bekannt sein. Unsachgemäße Prüfungen können den Sensor oder die Steuerung beschädigen.
Können PNP- und NPN-Sensoren gemeinsam verwendet werden?
Innerhalb einer Anlage können grundsätzlich beide Sensortypen vorkommen. Voraussetzung ist, dass die verwendeten Eingangsmodule die jeweilige Ausgangsart unterstützen und die Stromkreise korrekt verdrahtet sind.
Ein direkter Austausch ohne Anpassung ist normalerweise nicht möglich. Einige moderne Sensoren besitzen jedoch umschaltbare PNP-/NPN- oder Push-Pull-Ausgänge. Solche Geräte können abhängig von der Parametrierung unterschiedliche Eingangsschaltungen bedienen.
Merksatz für PNP und NPN
Eine einfache Unterscheidung lautet:
- PNP schaltet Plus.
- NPN schaltet Null beziehungsweise Minus.
Der Merksatz ersetzt jedoch nicht die Kontrolle des Anschlussplans. Vor dem Anschließen eines Sensors müssen immer die Herstellerangaben, die Betriebsspannung und die Eingangsschaltung der Steuerung geprüft werden.
Zusammenfassung
PNP- und NPN-Sensoren unterscheiden sich durch die elektrische Funktion ihres Transistorausgangs. Ein PNP-Sensor stellt beim Schalten die positive Versorgungsspannung bereit. Ein NPN-Sensor zieht seinen Ausgang dagegen auf 0 V.
In europäischen CNC- und Automatisierungsanlagen werden häufig PNP-Sensoren eingesetzt. Entscheidend ist jedoch immer die Kompatibilität mit der vorhandenen Maschinensteuerung. Neben der Ausgangsart müssen auch Schließer- oder Öffnerfunktion, Betriebsspannung, Anschlussbelegung, Schaltabstand und elektrische Belastbarkeit berücksichtigt werden.
Eine sorgfältige Prüfung dieser Daten verhindert Anschlussfehler und sorgt für eine zuverlässige Positionserkennung innerhalb der Maschine.
PNP Sensor NPN Sensor