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Positions- und Füllstandserfassung: Mikroprozessoren verbessern Kühl- und Gefrierschranksteuerung

Moderne Haushaltsgeräte – insbesondere Kühl- und Gefrierschränke – gehören in Haushalten zu den größten Energieverbrauchern. Laut einer Studie der U.S. Energy Information Administration ist der Kühlschrank nach der Klimaanlage (14,1 %) der zweitgrößte Stromverbraucher (13,7 %) in US-Haushalten.

Littelfuse Bildquelle: © Littelfuse

Wie bei den meisten modernen Geräten erlaubt die mikroprozessorgesteuerte Elektronik in Haushaltsgeräten eine bessere Steuerung der verschiedenen Funktionen. Dank der Elektronik lassen sich zudem eine Vielzahl an Sensoren einsetzen, um einen zuverlässigen, sicheren und energieeffizienten Betrieb zu gewährleisten (Abbildung 1). Sowohl Reed-Sensoren als auch Hall-Effekt-Sensoren sind sehr zuverlässig und arbeiten über Millionen von Zyklen mit langfristiger Integrität, wenn sie mit elektrischen Lasten auf Mikroprozessorebene verwendet werden. Diese Vorrichtungen werden jeweils mittels eines Magnetfelds betrieben. Reedschalter und Sensoren verbrauchen keine Energie; Hall-Effektgeräte sind Halbleiter und benötigen sowohl im aktivierten als auch im deaktivierten Zustand nur geringe Strommengen. Sie lassen sich für unterschiedlichste Anwendungen einsetzen.

Sensoranwendungen Bildquelle: © Littelfuse

Abb. 1: Gängige Sensoranwendungen in einem typischen Kühlschrank

Anwendung 1: Türpositionserfassung

Kühlschränke mit integrierter Mikroprozessorsteuerung sind ideale Einsatzmöglichkeiten für berührungslose Sensortechnologien wie Reed-Schalter und -Sensoren sowie Hall-Effekt-Sensoren. Denn diese Technologien sind besonders kompatibel mit den niedrigen Gleichspannungs- und Stromanforderungen des Mikrocontrollers. 

Die traditionellen mechanischen und kolbenförmigen Schalter, die bisher zum direkten Schalten von Glühlampen verwendet wurden, sind nicht mehr erforderlich. Moderne Kühl-, Gefrier- oder Weinkühler, die einen Mikrocontroller verwenden, nutzen heutzutage LED-Leuchten, um bei offener Tür das Innenfach zu beleuchten. Damit lässt sich Energie einsparen. Um nun zu erkennen, ob die Gerätetür geöffnet oder geschlossen ist, ist ein Näherungsschalter notwendig. 

Um die Position der Tür zu erfassen, lässt sich ein Reed-Sensor (Abbildung 2) oder ein Hall-Effekt-Sensor einsetzen. So wird beispielsweise in Kühlschränken ein Reed-Sensor am Rahmen des Gerätes und ein Permanentmagnet-Stellglied an der Tür montiert. Sie sind jeweils so positioniert, dass der Reedschalter oder Hall-Effekt-Sensor aktiviert wird, wenn die Tür geschlossen ist – das Licht erlischt. Wenn die Tür geöffnet ist, befindet sich der an der Tür befestigte Magnet außerhalb des Aktivierungsbereichs des Sensors. Der Sensor wird deaktiviert und das Licht eingeschaltet. Die Steuerung verwendet dabei eine umgekehrte Logik, um das Licht in Bezug auf die Sensoraktivierung zu steuern. 

Die Sensoreinheiten sind nicht sichtbar, weil sie hinter den Paneelen des Rahmens oder der Tür montiert sind. Das verbessert das ästhetische Erscheinungsbild des Gerätes erheblich. Im Gegensatz zu mechanischen oder Stößelschaltern mit sichtbaren Hebeln oder Tasten benötigen diese berührungslosen Sensoren zur Bedienung keinen physischen Kontakt.

Reedschalter Bildquelle: © Littelfuse

Abb. 2: Niederleistungs-Axialleitungs-Reedschalter, wie der Littelfuse FLEX-14, sind eine gute Wahl für das Schalten von MCU-Logik-Lasten.

Anwendung 2: Hebelpositionserkennung bei Wasser- und Eisspendern 

Der Wasser- und Eisspender an der Vorderseite einer Kühlschranktür enthält meist keinen Sensor zum Erfassen der eigenen Ein-/Aus-Position. Ein hinzugefügter Sensor würde es dem Mikrocontroller ermöglichen, den Closed-Loop-Betrieb für den Dispenser zu unterstützen.

Hall-Effekt-Sensor Bildquelle: © Littelfuse

Abb. 3: Dieser Hall-Effekt-Sensor, die Littelfuse 55140 Serie, hat einen rechteckigen, Miniaturflansch, der sich ideal für die Montage auf einer ebenen Fläche eignet. Zu den Anwendungen gehören die Positionserfassung des Wasser-/Eisspenderhebels.

Es stehen verschiedene Optionen zur Verfügung, darunter ein digitales Signal, ein drehzahlmetrischer Ausgang oder sogar ein linearer verhältnismetrischer Ausgang. Als digitale Version käme ein einfacher Reed- oder Hall-Effekt-Sensor zum Einsatz, der am festen Rahmen montiert ist, während der Magnet am beweglichen Hebel befestigt wird (Abbildung 3). Bei diesem System hat das Wasser oder Eis eine Durchfluss- oder Füllmenge, das heißt es ist entweder ein- oder ausgeschaltet.

Die Verwendung eines verhältnismetrischen Hall-Effekt-Sensors bietet jedoch eine kontinuierliche Rückmeldung auf einer linearen Skala in Bezug auf die genaue Hebel- sowie Magnetposition. Weil die genaue Position von einem Mikrocontroller überwacht wird, kann das System das Wasser mit unterschiedlichen Durchflussraten dosieren. Eine berührungslose Sensorlösung ist für eine verbesserte Langzeitzuverlässigkeit vorzuziehen. Ein programmierbarer rotierender Halleffekt-Sensor wäre für diese Anwendung ideal.

Wenn sich der Hebel beispielsweise in seiner Normalöffnungsstellung befindet, kann die Spannungsausgabe des Halleffekt-Sensors auf 0,5 Volt programmiert werden, während der maximale Schwung der Hebelbewegung auf 4,5 Volt programmiert wird. Zwischen diesen Werten lässt sich der Wasserdurchfluss basierend auf der genauen Position des Hebelarms steuern.