07.09.2015

Aktuelle Trends beim Einsatz von Sensoren in Haushaltsgeräten





Bild 1. Voraussichtliche regionale Verteilung der Auslieferung von Weißer Ware im Jahr 2015 (Quelle: Littelfuse/Hamlin-Forschungsdaten)
Tabelle 1: Intelligente Sensortechnologien in Haushaltsgeräten (zum Vergrößern in das Bild klicken)
Bild 2. Komponenten eines Reed-Schalters

 

Von Gwenn Gmeinder, Littelfuse, Inc.

 

Intelligente Technologien finden sich heute √ľberall im Haushalt ‚Äď von der Erfassung des Stromverbrauchs in elektrischen Haushaltsger√§ten bis hin zur Bet√§tigung der Lichtschalter per Fernbedienung. Sensoren gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung, da sie die Interaktion mit intelligenten Ger√§ten wie Waschmaschine, Geschirrsp√ľler und K√ľhlschrank erm√∂glichen. Zu den wichtigsten und am weitesten verbreiteten Sensorfunktionen in modernen Haushaltsger√§ten z√§hlen Temperaturmessung und Steuerung.

Neben anderen Faktoren hat vor allem die Einf√ľhrung von Mikroprozessorsteuersystemen den Einsatz von Sensortechnologien in solchen intelligenten Ger√§ten bef√∂rdert. Heute ben√∂tigt man keine gro√üen mechanischen Schalter, Sch√ľtze oder Relais mehr, um Anwendungen zu schalten, die bisher mit 120 oder 240 VAC betrieben wurden. Mikroprozessorsteuerungen erm√∂glichen vielmehr den Einsatz von ber√ľhrungslosen stromsparenden Sensortechnologien wie Reed-Schaltern und Hall-Effekt-Sensoren. Der vorliegende Artikel gibt eine kurze Einf√ľhrung zu den verf√ľgbaren Sensoren f√ľr Haushaltsger√§te und den mit ihrem Einsatz verbundenen Vorteilen, wie Energieeinsparungen und h√∂here Leistungseffizienz.

 

Sensoren im Haushalt

2014 wurden weltweit rund 760 Millionen kleine und gro√üe Haushaltsger√§te verkauft. Auf der Basis der vorliegenden Marktdaten wird gesch√§tzt dass diese Zahl bis 2017 auf 990 Millionen wachsen wird ‚Äď nicht zuletzt, da immer mehr Haushaltsger√§te mit Mikrocontrollern ausgestattet werden (Bild1).

 

Kleine und gro√üe Haushaltsger√§te sowie Heizungs-, L√ľftungs- und Klimaanlagen nutzen heute Sensortechnologien zur Erfassung von Position, Abstand, H√∂he und Geschwindigkeit. Die nachfolgende Tabelle zeigt eine √úbersicht, an welchen Stellen Sensoren √ľberall zum Einsatz kommen (Tabelle 1).

 

Vier Faktoren f√ľr den Einsatz von Sensoren in Haushaltsger√§ten

  1. Mikroprozessorbasierte Erfassungs- und Kontrollsysteme machen gro√üe mechanische Sch√ľtze/Relais und Schaltertechnologien √ľberfl√ľssig. Intelligente Sensorik in modernen Ger√§ten ben√∂tigt intelligente Niederspannungs-Schalt-/Messvorrichtungen mit geringem Eigenstromverbrauch. Ber√ľhrungslose (Touch-)Sensoren eignen sich hier hervorragend f√ľr den Ersatz der mechanischen Einheiten. Kosteng√ľnstige Optionen, die sowohl digitale als auch ratiometrische Ausg√§nge bieten, sind ebenfalls vorteilhaft.
  2. Steigende Energiepreise und gesetzliche Vorschriften fordern energieeffizientere Geräte. Der Einsatz von Sensoren in vielfältigen Anwendungen, wie intelligenten Stromnetzen, Gebäuden und Steuerungen von industriellen Prozessen, ermöglicht eine effizientere Nutzung der Ressourcen und eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Moderne effiziente Geräte mit integrierten Sensoren verbrauchen deutlich weniger Energie und Wasser, womit sich auch die zu entsorgenden Abwassermengen minimieren.
  3. Die weltweite Nachfrage nach effizienteren, energiesparenden und dabei kosteng√ľnstigen Ger√§ten steigt in Asien, S√ľdamerika und anderen Kontinenten weiter an.
  4. Hausautomation und Verbraucherfreundlichkeit steigern den Bedarf an Haushaltsger√§ten mit intelligenter Sensortechnologie. Moderne H√§user werden immer abh√§ngiger von intelligenten Technologien. Entsprechend w√§chst der Bedarf an intelligenten Ger√§ten mit ber√ľhrungslosen Sensoren zur Unterst√ľtzung zuk√ľnftiger Smart-Home-Infrastrukturen, da sie synchronisierte Kommunikation und Steuerung erm√∂glichen.

Ber√ľhrungslose Sensortechnologien

Reed-Schalter und Hall-Effekt-Sensoren sind ber√ľhrungslos Sensortechnologien, die f√ľr Millionen von Betriebszyklen ausgelegt sind. Als ber√ľhrungslos werden sie deshalb bezeichnet, weil das Schaltger√§t keinen physischen Kontakt mehr mit dem Ger√§t ben√∂tigt, wie das zum Beispiel bei herk√∂mmlichen Mikroschaltern in der K√ľhlschrankt√ľr der Fall ist. Der folgende Abschnitt erl√§utert wichtige Details zu Reed-Schaltern und Hall-Effekt-Sensoren und deren Auswirkungen auf die Konstruktion moderner Haushaltsger√§te.

 

Reed-Schalter

Aufgrund seiner Einfachheit und zuverl√§ssigen Leistung werden Reed-Schalter gerne in Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme eingesetzt. Sie kommen zum Beispiel in K√ľhlschrank- oder Backofen-T√ľren zum Einsatz, um zu erkennen, ob die T√ľr offen oder geschlossen ist. Je nachdem sendet der Sensor ein Signal an die Steuereinheit, die entsprechend die LED-Beleuchtung im Ger√§t an- oder ausschaltet. Ein Reed-Schalter ist ein elektrischer Schalter, der durch ein angelegtes Magnetfeld betrieben wird. Es handelt sich um eine passive Komponente, die ohne Strom betrieben wird. Der Schalter besteht aus zwei oder drei d√ľnnen Kontaktzungen aus Metall, den sogenannten Reeds, mit legierten Enden, die sich in sehr kleinem Abstand √ľberlappen. Die Reeds (Bild 2) sind in der Regel hermetisch dicht in ein Glasrohr eingeschmolzen, das eine Schutzgasf√ľllung enth√§lt.

 

Die magnetische Schaltpunktgenauigkeit der Reed-Schalter ist h√∂her als die von digitalen Halbleiter-Schaltern. Das ist besonders bei Ger√§ten, die unter allen Betriebsbedingungen funktionieren sollen, von Bedeutung. Da Reed-Schalter hermetisch dicht sind, sind sie vor den in Haushaltsger√§ten √ľblichen extremen Temperaturen sowie vor Feuchtigkeit und N√§sse gesch√ľtzt. Auf ihre Kontaktsicherheit oder Betriebsdauer haben diese Faktoren somit keinen Einfluss.

 

Reed-Schalter sind in den verschiedensten Ausf√ľhrungen bei den Geh√§usen und Kontaktm√∂glichkeiten erh√§ltlich und k√∂nnen daher problemlos in unterschiedliche Ger√§te eingebaut werden. Ihre Geh√§use k√∂nnen einfach an individuelle oder anspruchsvolle Montagepositionen angepasst werden. Zum Beispiel k√∂nnen flache Reed-Schalter mit Flansch mit Schrauben oder Montagesockeln am Ger√§t befestigt werden. Je nach Bedarf lassen sich die Magnetsensoren auch individuell einkapseln.

 

Hall-Effekt-Sensoren

Hall-Effekt-Sensoren sind Messwandler auf Halbleiterbasis, die eine zum Magnetfeld proportionale Spannung erzeugen. In Kombination mit einer Schaltung kann eine digitale Ein-/Aus-Funktion bereitgestellt werden, die auf eine √Ąnderung des Magnetfelds reagiert ‚Äď ohne jegliche bewegliche Teile. Im Gegensatz zu Reed-Schaltern ziehen Hall-Sensoren als aktive Komponenten kontinuierlich eine geringe Menge Strom. Hall-Effekt-Sensoren eignen sich zum Beispiel sehr gut f√ľr die Geschwindigkeitserfassung in Waschmaschinen. Die Drehgeschwindigkeit der Trommel wird durch einen mehrpoligen Magneten (16 oder 32 Pole) √ľberwacht, der an der Motorwelle befestigt ist und √ľber einem Hall-Effekt-Sensor rotiert. Das erfasste digitale Geschwindigkeitssignal wird an die Steuereinheit √ľbertragen, die wiederum die Motorgeschwindigkeit f√ľr die verschiedenen Programmabschnitte regelt.

 

Hall-Effekt-Bauteile sind programmierbar und k√∂nnen f√ľr die digitale, analoge und Geschwindigkeitserfassung genutzt werden. Die Ausgangsspannung oder Puls-Weiten-Modulation (PWM-Signal) kann zwischen 0 und 360 festgelegt werden. 15 Grad Drehung k√∂nnte 0,5 V, 160 Grad Drehung 4,5 V entsprechen. Optionen f√ľr mehrere Programmierpunkte oder Segmente von bis zu vier Punkten pro 360-Grad-Drehung sind ebenfalls verf√ľgbar.

 

Es gibt drei Haupteinsatzgebiete:

  1. Geschwindigkeitserfassung: Hall-Effekt-Sensoren werden häufig zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines Getriebezahns oder Magneten eingesetzt. Sie sind bei Impulsraten von bis zu 20 kHz sehr effizient und finden sich häufig in Anwendungen zur Erfassung von Drehbewegungen.
  2. Drehschalterposition: Ein analoger rotierender Hall-Effekt-Sensor bietet eine ber√ľhrungslose L√∂sung f√ľr die Positionserfassung von Kontrollschaltern. Bei Drehschaltern an Waschmaschinen, Trocknern und √Ėfen erm√∂glicht wiederum ein programmierbarer Hall-Effekt-Sensor eine √§u√üerst pr√§zise Steuerung.
  3. Abstandsmessung: Analoge Hall-Effekt-Sensoren k√∂nnen mit einem Hall-Chip lineare Abst√§nde von bis zu 30 mm erfassen und eignen sich damit f√ľr Pegel-Erfassungen und die Messung von linearen Bewegungen. Ihre Programmierbarkeit erleichtert die Anpassung von Aufl√∂sung und Genauigkeit.

Vorteile ber√ľhrungsloser Sensortechnologien

Flexibilit√§t und Zuverl√§ssigkeit: Ber√ľhrungslose Sensortechnologien lassen mehr Freiheit bei der Konstruktion von Ger√§ten f√ľr Anwendungen, die enge Toleranzen erfordern ‚Äď vor allem wenn der zur Befestigung der Sensoren zur Verf√ľgung stehende Platz sehr begrenzt ist. Sie bieten mehr Zuverl√§ssigkeit und Haltbarkeit √ľber die gesamte Lebensdauer des Ger√§ts, da sie weder mechanischem Verschlei√ü noch Oxidation der mechanischen Kontakte unterliegen. Dar√ľber hinaus sind ber√ľhrungslose Sensoren vor Schwankungen der Temperatur oder Feuchtigkeit gesch√ľtzt, die in vielen Haushaltsger√§ten die Regel sind.

H√∂here Genauigkeit: Ber√ľhrungslose Sensoren k√∂nnen digitale Signale zur Positionserfassung sowie ratiometrische Ausgangswerte f√ľr die Linear- oder Rotationserfassung liefern. Die m√∂gliche Anzeige von Momentanwerten erm√∂glicht genauere Kontrollen und eine h√∂here Aufl√∂sung f√ľr eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit.

√Ąsthetik: Im Gegensatz zu mechanischen Bauteilen mit sichtbaren Hebeln oder Drucktasten bleiben die Sensor- und Magnet-Aktuatoren der kontaktlosen Technologien hinter den Bedienpaneelen verborgen ‚Äď und werden damit hohen √§sthetischen Anspr√ľchen gerecht.

Energieeffizienz: Ber√ľhrungslose Sensorl√∂sungen tragen dazu bei, die erforderliche Energieeffizienz f√ľr das ENERGY STAR¬ģ-Siegel zu erreichen. Die positiven Auswirkungen des zunehmenden Einsatzes von ENERGY STAR-Ger√§ten haben sich bereits bemerkbar gemacht: Die EPA sch√§tzt, dass Produkte mit diesem Siegel j√§hrlich mehr als 150 Millionen Tonnen Treibhausgas-Emissionen einsparen sowie √ľber 200 Milliarden Kilowattstunden Strom, was etwa 15 Prozent des Gesamtverbrauchs von Privatwohnungen in den USA entspricht. Seit seiner Einf√ľhrung 1992 hat das ENERGY STAR-Programm damit zu Einsparungen in Milliarden-H√∂he beigetragen (Quelle: www.energystar.gov).


 


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