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 überall im Haushalt – von der Erfassung des Stromverbrauchs in elektrischen Haushaltsgeräten bis hin zur Betätigung der Lichtschalter per Fernbedienung. Sensoren gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung, da sie die Interaktion mit intelligenten Geräten wie Waschmaschine, Geschirrspüler und Kühlschrank ermöglichen. Zu den wichtigsten und am weitesten verbreiteten Sensorfunktionen in modernen Haushaltsgeräten zählen Temperaturmessung und Steuerung.

Neben anderen Faktoren hat vor allem die Einführung von Mikroprozessorsteuersystemen den Einsatz von Sensortechnologien in solchen intelligenten Geräten befördert. Heute benötigt man keine großen mechanischen Schalter, Schütze oder Relais mehr, um Anwendungen zu schalten, die bisher mit 120 oder 240 VAC betrieben wurden. Mikroprozessorsteuerungen ermöglichen vielmehr den Einsatz von berührungslosen stromsparenden Sensortechnologien wie Reed-Schaltern und Hall-Effekt-Sensoren. Der vorliegende Artikel gibt eine kurze Einführung zu den verfügbaren Sensoren für Haushaltsgeräte und den mit ihrem Einsatz verbundenen Vorteilen, wie Energieeinsparungen und höhere Leistungseffizienz.

 

Sensoren im Haushalt

2014 wurden weltweit rund 760 Millionen kleine und große Haushaltsgeräte verkauft. Auf der Basis der vorliegenden Marktdaten wird geschätzt dass diese Zahl bis 2017 auf 990 Millionen wachsen wird – nicht zuletzt, da immer mehr Haushaltsgeräte mit Mikrocontrollern ausgestattet werden (Bild1).

 

Kleine und große Haushaltsgeräte sowie Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen nutzen heute Sensortechnologien zur Erfassung von Position, Abstand, Höhe und Geschwindigkeit. Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Übersicht, an welchen Stellen Sensoren überall zum Einsatz kommen (Tabelle 1).

 

Vier Faktoren für den Einsatz von Sensoren in Haushaltsgeräten

  1. Mikroprozessorbasierte Erfassungs- und Kontrollsysteme machen große mechanische Schütze/Relais und Schaltertechnologien überflüssig. Intelligente Sensorik in modernen Geräten benötigt intelligente Niederspannungs-Schalt-/Messvorrichtungen mit geringem Eigenstromverbrauch. Berührungslose (Touch-)Sensoren eignen sich hier hervorragend für den Ersatz der mechanischen Einheiten. Kostengünstige Optionen, die sowohl digitale als auch ratiometrische Ausgänge 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 kostengünstigen Geräten steigt in Asien, Südamerika und anderen Kontinenten weiter an.
  4. Hausautomation und Verbraucherfreundlichkeit steigern den Bedarf an Haushaltsgeräten mit intelligenter Sensortechnologie. Moderne Häuser werden immer abhängiger von intelligenten Technologien. Entsprechend wächst der Bedarf an intelligenten Geräten mit berührungslosen Sensoren zur Unterstützung zukünftiger Smart-Home-Infrastrukturen, da sie synchronisierte Kommunikation und Steuerung ermöglichen.

Berührungslose Sensortechnologien

Reed-Schalter und Hall-Effekt-Sensoren sind berührungslos Sensortechnologien, die für Millionen von Betriebszyklen ausgelegt sind. Als berührungslos werden sie deshalb bezeichnet, weil das Schaltgerät keinen physischen Kontakt mehr mit dem Gerät benötigt, wie das zum Beispiel bei herkömmlichen Mikroschaltern in der Kühlschranktür der Fall ist. Der folgende Abschnitt erläutert wichtige Details zu Reed-Schaltern und Hall-Effekt-Sensoren und deren Auswirkungen auf die Konstruktion moderner Haushaltsgeräte.

 

Reed-Schalter

Aufgrund seiner Einfachheit und zuverlässigen Leistung werden Reed-Schalter gerne in Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme eingesetzt. Sie kommen zum Beispiel in Kühlschrank- oder Backofen-Türen zum Einsatz, um zu erkennen, ob die Tür offen oder geschlossen ist. Je nachdem sendet der Sensor ein Signal an die Steuereinheit, die entsprechend die LED-Beleuchtung im Gerät 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 dünnen Kontaktzungen aus Metall, den sogenannten Reeds, mit legierten Enden, die sich in sehr kleinem Abstand überlappen. Die Reeds (Bild 2) sind in der Regel hermetisch dicht in ein Glasrohr eingeschmolzen, das eine Schutzgasfüllung enthält.

 

Die magnetische Schaltpunktgenauigkeit der Reed-Schalter ist höher als die von digitalen Halbleiter-Schaltern. Das ist besonders bei Geräten, die unter allen Betriebsbedingungen funktionieren sollen, von Bedeutung. Da Reed-Schalter hermetisch dicht sind, sind sie vor den in Haushaltsgeräten üblichen extremen Temperaturen sowie vor Feuchtigkeit und Nässe geschützt. Auf ihre Kontaktsicherheit oder Betriebsdauer haben diese Faktoren somit keinen Einfluss.

 

Reed-Schalter sind in den verschiedensten Ausführungen bei den Gehäusen und Kontaktmöglichkeiten erhältlich und können daher problemlos in unterschiedliche Geräte eingebaut werden. Ihre Gehäuse können einfach an individuelle oder anspruchsvolle Montagepositionen angepasst werden. Zum Beispiel können flache Reed-Schalter mit Flansch mit Schrauben oder Montagesockeln am Gerät 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 Änderung des Magnetfelds reagiert – 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 für die Geschwindigkeitserfassung in Waschmaschinen. Die Drehgeschwindigkeit der Trommel wird durch einen mehrpoligen Magneten (16 oder 32 Pole) überwacht, der an der Motorwelle befestigt ist und über einem Hall-Effekt-Sensor rotiert. Das erfasste digitale Geschwindigkeitssignal wird an die Steuereinheit übertragen, die wiederum die Motorgeschwindigkeit für die verschiedenen Programmabschnitte regelt.

 

Hall-Effekt-Bauteile sind programmierbar und können für 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 könnte 0,5 V, 160 Grad Drehung 4,5 V entsprechen. Optionen für mehrere Programmierpunkte oder Segmente von bis zu vier Punkten pro 360-Grad-Drehung sind ebenfalls verfügbar.

 

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 berührungslose Lösung für die Positionserfassung von Kontrollschaltern. Bei Drehschaltern an Waschmaschinen, Trocknern und Öfen ermöglicht wiederum ein programmierbarer Hall-Effekt-Sensor eine äußerst präzise Steuerung.
  3. Abstandsmessung: Analoge Hall-Effekt-Sensoren können mit einem Hall-Chip lineare Abstände von bis zu 30 mm erfassen und eignen sich damit für Pegel-Erfassungen und die Messung von linearen Bewegungen. Ihre Programmierbarkeit erleichtert die Anpassung von Auflösung und Genauigkeit.

Vorteile berührungsloser Sensortechnologien

Flexibilität und Zuverlässigkeit: Berührungslose Sensortechnologien lassen mehr Freiheit bei der Konstruktion von Geräten für Anwendungen, die enge Toleranzen erfordern – vor allem wenn der zur Befestigung der Sensoren zur Verfügung stehende Platz sehr begrenzt ist. Sie bieten mehr Zuverlässigkeit und Haltbarkeit über die gesamte Lebensdauer des Geräts, da sie weder mechanischem Verschleiß noch Oxidation der mechanischen Kontakte unterliegen. Darüber hinaus sind berührungslose Sensoren vor Schwankungen der Temperatur oder Feuchtigkeit geschützt, die in vielen Haushaltsgeräten die Regel sind.

Höhere Genauigkeit: Berührungslose Sensoren können digitale Signale zur Positionserfassung sowie ratiometrische Ausgangswerte für die Linear- oder Rotationserfassung liefern. Die mögliche Anzeige von Momentanwerten ermöglicht genauere Kontrollen und eine höhere Auflösung für eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit.

Ästhetik: Im Gegensatz zu mechanischen Bauteilen mit sichtbaren Hebeln oder Drucktasten bleiben die Sensor- und Magnet-Aktuatoren der kontaktlosen Technologien hinter den Bedienpaneelen verborgen – und werden damit hohen ästhetischen Ansprüchen gerecht.

Energieeffizienz: Berührungslose Sensorlösungen tragen dazu bei, die erforderliche Energieeffizienz für das ENERGY STAR®-Siegel zu erreichen. Die positiven Auswirkungen des zunehmenden Einsatzes von ENERGY STAR-Geräten haben sich bereits bemerkbar gemacht: Die EPA schätzt, dass Produkte mit diesem Siegel jährlich mehr als 150 Millionen Tonnen Treibhausgas-Emissionen einsparen sowie über 200 Milliarden Kilowattstunden Strom, was etwa 15 Prozent des Gesamtverbrauchs von Privatwohnungen in den USA entspricht. Seit seiner Einführung 1992 hat das ENERGY STAR-Programm damit zu Einsparungen in Milliarden-Höhe beigetragen (Quelle: www.energystar.gov).


 


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