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Energieeinsparung durch automatische Steuerung |  |
Abb. 1 Automatische Steuerung wird in diesem Warmwasserbereiter verwendet.
Haben Sie sich jemals gefragt, wie Straßenlaternen „wissen“, sich bei Dunkelheit einzuschalten und bei Tageslicht auszuschalten, oder wie eine automatische Tür „weiß“, sich für Sie zu öffnen, wenn Sie sich nähern und schließen, nachdem Sie bestanden haben? Haben Sie daran gedacht, wie eine Klimaanlage „weiß“, wenn ein Raum kühl genug ist, und schaltet seinen Kompressor aus, oder wie ein Warmwasserbereiter „weiß“, sich selbst auszuschalten, um zu verhindern, dass das Wasser weggekocht wird? All dies und vieles mehr sind die Wunder der automatischen Steuerung. Wie Sie in diesem Modul sehen werden, sind automatische Steuerungen nicht nur bequem, sondern sparen auch Energie. Schauen wir uns das genauer an.
Straßenlaternen
Straßenlaternen sind so konzipiert, dass sie sich bei Dunkelheit automatisch einschalten und bei Licht ausschalten, um Energie zu sparen. Wie spüren Straßenlaternen die Dunkelheit und das Tageslicht? Ein häufig verwendetes Gerät wird als lichtabhängiger Widerstand (LDR) bezeichnet. Es ist ein Widerstand mit Widerstand, der sich je nach Lichtmenge ändert. Wenn sich der LDR im Dunkeln befindet, ist sein Widerstand sehr groß, typischerweise im Bereich von M 
. Wenn es ist unter helle licht, seine widerstand ist in die k palette. Eine Schaltung, die diese Widerstandsänderung bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen ausnutzt, ist in der Lage, die Lichter während der Nacht- bzw. Tageszeit automatisch ein- und auszuschalten. Der LDR für Straßenlaternen muss so positioniert werden, dass andere Lichtquellen nicht auf den LDR scheinen. Eine Zeitverzögerung im Schaltkreis ist auch notwendig, damit kurze Dunkelphasen (z.B. wenn tagsüber ein Vogel über den LDR fliegt) oder kurze Helligkeitsperioden (z.B. wenn nachts die Scheinwerfer eines Autos auf den LDR leuchten) das Licht nicht ein- oder ausschalten.
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| Abb. 2 Straßenlaternen verfügen über eine lichtempfindliche Steuerung, mit der sie nachts automatisch eingeschaltet werden können. | Abb. 3 Lichtabhängiger Widerstand wird in vielen automatischen Steuerkreisen verwendet. |
Warmwasserbereiter, Backöfen, Kühlschränke, Klimaanlagen
Es gibt viele Geräte wie Warmwasserbereiter, Kühlschränke und Klimaanlagen, die sich bei Erreichen einer voreingestellten Temperatur automatisch ein- oder ausschalten lassen. Dadurch wird vermieden, dass die Geräte kontinuierlich betrieben werden und übermäßiger Strom verbraucht wird.
Einige automatische Steuergeräte erfassen die Temperaturänderung und unterbrechen oder schließen einen Stromkreis entsprechend ab. Diese Geräte werden häufig in Elektrogeräten verwendet, wie in den folgenden Abschnitten gezeigt:
Bimetallstreifen
Das Prinzip hinter einem Bimetallstreifen besteht darin, dass sich verschiedene Metalle bei Temperaturänderungen unterschiedlich stark ausdehnen. Durch die Kombination von zwei verschiedenen Metallen übereinander zu einem Streifen wird ein Bimetallstreifen gebildet. Wenn sich die beiden Metalle bei derselben Temperaturänderung unterschiedlich ausdehnen oder zusammenziehen, biegt sich das Band. Es kann dann verwendet werden, um einen Stromkreis bei bestimmten Temperaturen ein- oder auszuschalten. Bimetallstreifen werden häufig in Öfen gefunden. Der typische Aufbau dieser Art von Steuerung ist in Fig. 5.
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| Abb. 4 Ein typisches Bimetallband | Fig. 5 Die Struktur eines Bimetallstreifens |
Die in Fig. 5 ist typisch für solche, die in Öfen verwendet werden. Das obere Metall (blau) dehnt sich beim Erhitzen stärker aus und zieht sich beim Abkühlen stärker zusammen als das untere Metall. Wenn also die Temperatur im Inneren des Ofens unter einen bestimmten Punkt fällt, biegt sich der Bimetallstreifen genug nach oben, um den Stromkreis zu vervollständigen und das Heizelement einzuschalten. In einem Kühlschrank wird der umgekehrte Aufbau verwendet. Wenn die Temperatur im Kühlschrank ansteigt, biegt sich der Bimetallstreifen, um den Kompressor einzuschalten, der den Kühlzyklus startet.
Thermistoren
Abb. 6 weist ein Thermistor einen temperaturabhängigen Widerstand auf.
Ein Thermistor ändert seinen Widerstand entsprechend der Temperatur. Im Gegensatz zu Metall nimmt der Widerstand eines Thermistors normalerweise mit zunehmender Temperatur ab. Ein typischer Thermistor hat bei Raumtemperatur einen Widerstand von einigen hundert Ohm. Diese sinkt kontinuierlich auf weniger als hundert Ohm bei 100 oC ab. In einem elektronisch gesteuerten Brauchwasserkessel misst beispielsweise ein Prozessor oder eine Schaltung den Widerstand des Thermistors. Wenn ein Widerstand, der eine bestimmte Temperatur anzeigt, erreicht ist, werden die Heizelemente ein- oder ausgeschaltet.
Thermistoren nutzen Halbleiter, um die Widerstandsänderungen zu erreichen. Viele Thermistoren bestehen aus einer dünnen Spule aus halbleitendem Material wie einem gesinterten Metalloxid. Das Material hat die Eigenschaft, dass mit steigender Temperatur mehr Elektronen im Material angeregt werden und sich zur Leitung von Elektrizität bewegen können. Da mehr Ladungsträger zur Leitung zur Verfügung stehen, nimmt der Widerstand des Materials mit steigender Temperatur ab.
Moderne Temperaturregler
Abb. 7 Diese temperatur controller verwendet ein thermoelement zu messen temperatur änderungen. Wenn sich die gemessene Temperatur (22 oC) einem bestimmten Wert (42 oC) nähert, wird die an die Steckdose abgegebene elektrische Leistung automatisch reduziert.
Moderne Temperaturregler verwenden Thermoelemente, um die detaillierte Temperaturänderung des zu überwachenden Objekts zu messen. Das Thermoelement wandelt die Temperaturdaten in elektrische Signale um. Die elektronischen Komponenten in der Steuerung verwenden diese Informationen, um zukünftige Temperaturänderungen abzuleiten und die Leistungsabgabe an ein Gerät (z. heizung oder Klimaanlage), um die Temperatur des Objekts in einem voreingestellten Bereich zu halten. Benutzer können leicht preset die temperatur bereich nach ihren bedürfnissen.
Die in Temperaturreglern verwendeten Thermoelemente bestehen im Allgemeinen aus zwei unterschiedlichen Metall- / Legierungsdrähten, die an einem Ende miteinander verbunden sind (z. B. durch Schweißen). Das angeschlossene Ende dient zur Temperaturmessung und wird als heiße Verbindung bezeichnet. Das andere Ende des Thermoelements ist mit einem Spannungsmessgerät verbunden und wird als Kaltstelle bezeichnet. Wenn die Temperatur der beiden Übergänge unterschiedlich ist, tritt eine Potentialdifferenz zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien auf. Die Potentialdifferenz ist annähernd proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden Übergängen. Dieses Phänomen nennt man Seebeck-Effekt. Thermoelemente sind im Allgemeinen sehr langlebig, können auf engstem Raum aufgestellt werden und können hohe Temperaturen messen, was sie zu sehr vielseitigen Thermometern macht.
Bewegungssensoren für Lichter und Rolltreppen
Infrarot-Bewegungssensoren für die Lichtsteuerung
Infrarot-Bewegungssensoren werden häufig verwendet, um Lichter automatisch einzuschalten, wenn die Anwesenheit von Personen erkannt wird. Dies spart Energie und sorgt bei Bedarf für eine ausreichende Beleuchtung. Diese Steuerung ist besonders nützlich für Korridore oder Räume, die nicht häufig verwendet werden.
Üblicherweise werden passive Bewegungssensoren verwendet. „Passiv“ bedeutet hier, dass sie gegenüber der von den erfassten Objekten (z.B. menschlichen körper), aber sie tun nicht haben eine aktive quelle zu emittieren jede infrarot strahlung.
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| Abb. 8 Infrarot-Bewegungssensoren werden verwendet, um die Beleuchtung in den Fluren zu steuern. | Abb. 9 Die interne struktur der infrarot motion sensor. |
Wie sind diese Infrarot-Bewegungssensoren aufgebaut und wie funktionieren sie? Schauen Sie sich das Foto des Infrarot-Bewegungssensors an. Die gekrümmte Oberfläche an der Vorderseite ist eine spezielle Art von Linse, die als Fresnel-Linse bezeichnet wird und Infrarotstrahlung auf die Infrarot-Detektionsvorrichtung, einen pyroelektrischen Sensor, im Inneren fokussiert. Die Fresnel-Linse besteht aus einem Material, das für Infrarotstrahlung transparent ist, insbesondere für den Bereich der vom menschlichen Körper emittierten Infrarotstrahlung, jedoch nicht für sichtbares Licht.
Die pyroelektrischen Sensoren bestehen aus einem pyroelektrischen Material, das bei einer Temperaturänderung Spannung erzeugt. Wenn beispielsweise eine Person vorbeigeht, ändert sich die Menge der Infrarotstrahlung, die die pyroelektrischen Sensoren erreicht, was wiederum eine Temperaturänderung auslöst und eine Spannung erzeugt . Die erzeugte Spannung kann dann zur Lichtsteuerung verwendet werden.
Bewegungssensor für Fahrtreppen
Abb. 10 Infrarot-Bewegungssensoren werden verwendet, um Rolltreppen zu steuern, um während der Stoßzeiten Energie zu sparen.
Zur Steuerung von Fahrtreppen werden aktive Infrarot-Bewegungssensoren verwendet, die einen Infrarotstrahl über den Eingang der Fahrtreppen aussenden. Normalerweise befinden sich sowohl die Quelle des Infrarotstrahls (Sender genannt) als auch der Infrarotdetektor auf derselben Seite, während sich ein Reflektor auf der gegenüberliegenden Seite befindet. Wenn eine Person zwischen Sender und Reflektor tritt, wird der Infrarotstrahl unterbrochen und die Rolltreppe eingeschaltet. Wenn der Strahlengang für eine gewisse Zeit wiederhergestellt ist, wird die Rolltreppe abgeschaltet und somit Energie gespart, ohne den Service zu beeinträchtigen.
Die folgende Animation zeigt Ihnen die Bedienung einiger automatischer Steuerungen.
Wir haben eingeführt mehrere arten von automatische steuerung geräte und materialien. Klicken Sie nun auf die folgende Aktivität, um mit diesen Geräten zu experimentieren.