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Anziehende Steuerungen: Magnetsensoren in der Gebäudeautomation Paul Golata

(Quelle: fanjianhua/Shutterstock.com)

Sie haben sicherlich schon einmal den Ausdruck „Gegensätze ziehen sich an“ gehört. Diese universell anwendbare Redewendung leitet sich vom Magnetismus ab, bei dem sich die entgegengesetzten Pole, Nord (N) und Süd (S), gegenseitig anziehen. Vielleicht erinnern Sie sich noch daran, wie Sie als Kind mit Magneten gespielt haben. Vielen Menschen ist jedoch nicht bewusst, dass Magnete in vielen Systemen und Produkten des täglichen Lebens eingesetzt werden.

Moderne Gebäude und Wohnungen sind heute mit intelligenten Technologien ausgestattet, die das Leben sicherer, bequemer und energieeffizienter machen. Littelfuse ist ein weltweit führender Anbieter von magnetischen Sensorlösungen. Die Lösungen des Unternehmens für die Gebäudeautomatisierung helfen Entwicklern bei der Erstellung von Geräten für das Internet der Dinge (IoT), mit denen sich die Sicherheit, Zuverlässigkeit, der Komfort und die Energieeffizienz von Gebäuden verbessern lassen. Sensorlösungen liefern Informationen über Manipulationen, Position, Geschwindigkeit und Temperatur sowie andere Variablen. Im Folgenden gehen wir auf drei magnetische Sensortechnologien ein: Reed, Hall-Effekt und Tunnelmagnetwiderstand (TMR) für Anwendungen in der Gebäudeautomatisierung.

Magnetsensortechnologien

Zu den drei führenden Magnetsensoren zählen Reed-Sensoren, Hall-Effekt-Bauelemente und TMR-Sensoren.

Reed

Reed-Sensoren sind Reed-Schalter, die in einem externen Gehäuse untergebracht sind, um die Montage und den Anschluss zu vereinfachen und zusätzlichen Schutz vor Umwelteinflüssen zu bieten (Abbildung 1). Diese Sensoren werden in der Regel in mechanische Systeme integriert. Ein einfacher Reed-Schalter kann leicht auf Leiterplatten montiert werden. Für eine Anwendung wie beispielsweise einen Türsicherungssensor benötigt der Reed-Schalter jedoch ein entsprechendes Gehäuse zum Schutz und zur Montage. Diese Gehäuse schützen das Glas des Reed-Schalters vor mechanischer Belastung. Reed-Sensoren benötigen für ihren Betrieb keinen Strom. Sie eignen sich für eine Last von bis zu 100 W und sind als NO, NC, CO in verschiedenen Größen erhältlich. Die Schalter arbeiten in X-, Y- und Z-Abtastrichtung und eignen sich für Ultra-Low-Power-Batterieanwendungen. Sie können hohe Lasten schalten, bieten ein Höchstmaß an Flexibilität bei der Montage und einen stabilen Betrieb über einen weiten Temperaturbereich.

Abbildung 1: Die Reed-Schalter von Littelfuse arbeiten in X-, Y- und Z-Abtastrichtung und verbrauchen im Betrieb keinen Strom. Dadurch eignen sie sich sehr gut für Anwendungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch. (Quelle: Mouser Electronics)

Hall-Effekt

Ein Hall-Effekt-Bauelement ist eine integrierte Schaltung auf Halbleiterbasis mit Hall-Platten, die auf Magnetfelder reagieren (Abbildung 2). Mit der Hall-Effekt-Technologie lassen sich hochentwickelte Sensoren realisieren, die in verschiedenen Automotive-, Elektronik- und Industrieprodukten zum Einsatz kommen. Hall-Effekt-Bauelemente liefern digitale oder analoge Ausgangssignale, die für Annäherung und kontinuierliche Dreh- oder Linearpositionierung verwendet werden. Im Gegensatz zu einem Reed-Schalter enthält ein Hall-Effekt-Bauelement einen aktiven Halbleiterschaltkreis, so dass es ständig Strom verbraucht. Diese Geräte sind in digitalen, analogen und programmierbaren Konfigurationen erhältlich und eignen sich gut für Umgebungen mit starken Erschütterungen oder starken Vibrationen. Sie sind über Milliarden von Schaltvorgängen hinweg zuverlässig und eignen sich für die Erfassung von Winkelpositionen und Hochgeschwindigkeitsschaltungen

Abbildung 2: Die Abbildung zeigt ein Beispiel für ein Hall-Effekt-Bauelement, den Littelfuse 55110 Hall-Effekt-Sensor mit Flanschmontage. Hall-Effekt-Bauelemente verbrauchen ständig Strom und eignen sich für die Erfassung von Winkelpositionen und Hochgeschwindigkeitsschaltungen. (Quelle: Mouser Electronics)

Tunnelmagnetwiderstand (TMR)

Tunnelmagnetwiderstandselemente (TMR) sind eine neue Art von Magnetwiderstandssensoren. TMR-Sensoren besitzen eine bessere Linearität, eine bessere Temperaturstabilität, eine höhere Empfindlichkeit und einen geringeren Stromverbrauch als die heute verfügbare Hall-Effekt-Sensortechnologie (Abbildung 3). Bei den Sensoren handelt es sich um Festkörperbauelemente ohne bewegliche Teile. Ebenso wie Hall-Effekt-Bauelemente sind sie in digitaler und analoger Ausführung erhältlich und benötigen nur sehr wenig Strom für den Betrieb (sogar weniger als Hall-Effekt-Sensoren). Von den drei vorgestellten Magnetsensoren bieten sie die höchste Empfindlichkeit. Sie eignen sich hervorragend für Umgebungen mit starken Erschütterungen und Vibrationen und bieten eine Zuverlässigkeit für mehrere Milliarden Schaltvorgänge. Außerdem benötigen sie zum Betrieb den kleinsten Magneten.

Abbildung 3: Die TMR-Schalterserie von Littelfuse bietet im Vergleich zur Hall-Effekt-Technologie eine bessere Linearität, eine höhere Temperaturstabilität, eine höhere Empfindlichkeit und einen geringeren Stromverbrauch. (Quelle: Mouser Electronics)

Vorsichtsmaßnahmen für Ihr Design

In Umgebungen mit hohem Rauschpegel kann ein Überspannungsschutz (OV) erforderlich sein. Sowohl Hall-Effekt- als auch TMR-Sensoren sind empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI) und elektrostatischen Entladungen (ESD). Die Nähe zu Motoren, Generatoren, reaktiven Schaltkreiskomponenten oder langen Kabelbäumen (>1m) kann zu Schäden führen. Entwicklungsingenieure sollten daher die entsprechenden Schutzvorrichtungen berücksichtigen. Dazu zählen beispielsweise Littelfuse Überspannungsschutzdioden (TVS-Dioden) für hohe Rauschpegel oder Littelfuse SD05 Uni/Bidirektionale TVS-Dioden für rauscharme Umgebungen.

Tabelle 1: Anwendungsbeispiele für Magnetsensoren

Anwendung

Beispiel

Beste Technologie

Position: Batteriebetrieben

Tür und Fenster (offen/geschlossen)

Reed: Reed verbraucht im Aus-Zustand keinen Strom, eignet sich also ideal für Ultra-Low-Power-Batterieanwendungen. Hall hat einen erheblichen Stromverbrauch.

Position: Nicht batteriebetrieben

Gerätetür (offen/geschlossen), Deckelüberwachung

Reed: Reed bietet im Vergleich zu Hall oder TMR die größte Montageflexibilität, da der Sensor omnipolar ist und mit einer Komponente in x-, y- und z-Richtung messen kann. Reed ist ein zweiadriges Bauelement, während Hall und TMR dreiadrig sind. Wenn der Sensor-Kabelbaum lange Leitungen hat, sind die Kosten für eine zusätzliche Leitung sehr hoch.

Durchflussmenge: kontinuierlich

Einlass in einen Durchlauferhitzer

Hall und TMR: Hall und TMR bieten höhere Schaltgeschwindigkeiten in einem kleineren Gehäuse ohne Abnutzungsmechanismus.

Zählen: Rotation

Gas- oder Wasserzähler

Reed: Flexibilität bei der Montage und kein Stromverbrauch sind die Vorteile von Reed. TMR kann aufgrund seiner besonders langen Lebensdauer und seines geringen Stromverbrauchs ebenfalls in Betracht gezogen werden.

Zählen: >500 Hz

Zahnrad-Drehzahl

Hall und TMR: Hall und TMR können bis zu 15 kHz schalten, ideal für Hochgeschwindigkeitszählungen.

Füllstandsmessung: ein einziger Punkt

Waschmittelfüllstand in der Waschmaschine

Reed: Reed bietet im Vergleich zu Hall oder TMR die größte Montageflexibilität. Reed ist ein zweiadriges Gerät, während Hall und TMR dreiadrig sind. Wenn Ihr Sensorkabelbaum lange Leitungen hat, verursacht eine zusätzliche Leitung hohe Kosten.

Relais

Automatisierte Prüfgeräte (ATE)

Relais: Hall und TMR werden in Relaisanwendungen nicht verwendet, da sie aus Platzgründen in einer Spule untergebracht werden müssen.

Gebäudemess- und Sicherheitsanwendungen

Reedsensoren haben einen klaren Vorteil bei Anwendungen zum Schutz vor Manipulationen. Reed-Sensoren verbrauchen keinen Strom und sorgen dadurch für eine längere Lebensdauer der Systembatterie und bieten einen 3D-Manipulationsschutz. Im Bereich Meterzählung ist Reed derzeit führend; TMR kann jedoch in einigen Fällen sinnvoll sein, in denen die Batterielebensdauer nicht ganz so wichtig ist. Reed verfügt über eine Erfolgsgeschichte mit mehr als 100 Mio. Geräten im Einsatz (Tendenz steigend). Reed ist der eindeutige Gewinner bei Sicherheitsanwendungen in Innenräumen. Die Umstellung auf Reed-Sensoren macht sich durch die lange Batterielebensdauer und den Wegfall von Serviceeinsätzen bezahlt.

Fazit

Die heutigen Gebäude und Wohnungen sind mit intelligenten Technologien ausgestattet, die ein sicheres, komfortables und energieeffizientes Leben ermöglichen. Die Magnetsensoren von Littelfuse eignen sich hervorragend für die Steuerung in der Gebäudeautomation.

 



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Paul Golata kam im Jahr 2011 zu Mouser Electronics. Als Senior Technology Specialist trägt er zu Mousers Erfolg bei, indem er sich für strategische Führung, taktische Umsetzung sowie für die gesamte Produktlinie und die Marketingrichtungen moderner Technologieprodukte einsetzt. Mit seinen einzigartigen und wertvollen technischen Beiträgen, die Mouser Electronics als bevorzugten Partner etablieren und festigen, stellt Paul Golata Designingenieuren die neuesten Informationen und Trends in der Elektrotechnik bereit.

Bevor Paul Golata zu Mouser Electronics kam, war er in verschiedenen Produktions-, Marketing- und Vertriebsrollen für Hughes Aircraft Company, Melles Griot, Piper Jaffray, Balzers Optics, JDSU und Arrow Electronics tätig. Er besitzt einen BSEET (Bachelor of Science in Elektrotechnik) vom DeVry Institute of Technology (Chicago, IL), einen MBA von der Pepperdine University (Malibu, CA) sowie einen MDiv w/BL (Master of Divinity mit Bachelor of Law) und einen PhD vom Southwestern Baptist Theological Seminary (Fort Worth, TX).


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