DE102011075696A1

DE102011075696A1 - Leiterplatte für ein Haushaltsgerät, Haushaltsgerät und Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts

Info

Publication number: DE102011075696A1
Application number: DE102011075696A
Authority: DE
Inventors: Peter Schuhbäck; Thomas Maier; Stefan Schmal
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-11-15
Also published as: US20140083993A1; EP2707655A1; WO2012152782A1

Abstract

Die Leiterplatte (1) ist für ein Haushaltsgerät (H) vorgesehen, wobei die Leiterplatte (1) auf zumindest einer ihrer beiden Seiten (3, 4) mindestens eine mit einem Laststrom beaufschlagbare Leiterbahn (11, 11a, 11b) aufweist, wobei die Leiterplatte (1) mindestens einen Magnetfeldsensor (12) aufweist, welcher zum Abfühlen eines mittels des Laststroms (11, 11a, 11b) erzeugbaren Magnetfelds (M) eingerichtet und angeordnet ist. Das Haushaltsgerät (H), weist mindestens eine Leiterplatte (1) auf und mindestens eine abfühlbare Leiterbahn (11, 11a, 11b) der Leiterplatte (1) ist mit mindestens einem Verbraucher (W) verbunden. Das Verfahren dient zum Betreiben eines elektrisch betriebenen Haushaltsgeräts (H) mit mindestens einer Leiterplatte (1), wobei ein durch mindestens eine Leiterbahn (11, 11a, 11b) der Leiterplatte (1) fließender Laststrom detektiert wird und der Laststrom mittels eines berührungslosen Abfühlens eines mittels des Laststroms durch die mindestens eine Leiterbahn (11, 11a, 11b) erzeugbaren Magnetfelds (M) detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte für ein Haushaltsgerät, wobei die Leiterplatte auf zumindest einer ihrer beiden Seiten mindestens eine mit einem Laststrom beaufschlagbare Leiterbahn aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Haushaltsgerät, das mindestens eine solche Leiterplatte aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch betriebenen Haushaltsgeräts mit mindestens einer Leiterplatte.
Es sind Haushaltsgeräte mit elektrischen Heizkörpern bekannt, z.B. Herde, Kochfelder usw., deren Heizkörper mit einem Laststrom getaktet betreibbar sind. Dazu ist ein Taktrelais in einem Laststrompfad des Heizkörpers eingeschleift. Der Takt des Taktrelais ist typischerweise mittels einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit von einer Einstellung einer Leistungsstufe durch einen Nutzer vorgebbar. Der Zusammenhang zwischen dem Takt und dem zugehörigen Laststrom ist zuvor experimentell oder rechnerisch bestimmt worden. Hierbei tritt das Problem auf, dass eine reale Stromstärke des Laststroms nicht erfassbar ist. Dadurch können beispielsweise klebende Relais oder Unterbrechungen des Strompfads nicht erkannt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Haushaltsgerät mit einer verbesserten Betriebssicherheit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leiterplatte für ein Haushaltsgerät, wobei die Leiterplatte auf zumindest einer ihrer beiden Seiten mindestens eine mit einem Laststrom beaufschlagbare Leiterbahn aufweist und die Leiterplatte mindestens einen Magnetfeldsensor aufweist, welcher zum Abfühlen eines mittels des (durch die mindestens eine Leiterbahn fließenden) Laststroms erzeugbaren Magnetfelds eingerichtet und angeordnet ist.
Unter einem Laststrom kann insbesondere ein Strom verstanden werden, welcher im Vergleich zu anderen Strömen auf der Leiterplatte (Signalströmen usw.) vergleichsweise hoch ist. Unter einem Laststrom kann insbesondere auch ein Strom verstanden werden, welcher zum Betrieb eines mit der Leiterplatte verbundenen Verbrauchers verwendet wird. Unter einem Laststrom kann darüber hinaus auch ein Strom verstanden werden, welcher einer Niederspannung oberhalb einer Kleinspannung zugeordnet ist, z.B. dadurch erzeugt wird, z.B. eine Netzspannung. Nicht-Lastströme können insbesondere einer Kleinspannung zugeordnet sein, z.B. dadurch erzeugt werden. Die Kleinspannung kann insbesondere eine Sicherheitskleinspannung, eine Schutzkleinspannung, eine Funktionskleinspannung oder eine Betriebsspannung für elektronische Schaltungen umfassen.
Unter einem Magnetfeldsensor kann insbesondere ein Sensor verstanden werden, welcher Wirkungen des Magnetfelds auf hart- und/oder weichmagnetische Werkstoffe oder andere Festkörper (Halbleiter, Widerstandsschichten) erfassen kann. Der Magnetfeldsensor kann insbesondere als ein allgemeiner Stromsensor verstanden werden, welcher eine Stromstärke in der mindestens einen laststromführenden Leiterbahn berührungslos anhand ihres Magnetfelds abfühlen oder messen kann. Insbesondere mag ein Magnetfeldsensor kein Sensor sein, welcher zumindest teilweise in die laststromführende, abfühlbare Leiterbahn integriert werden muss, z.B. aufweisend eine in die Leiterbahn integrierte bzw. damit in Reihe geschaltete Spule.
Diese Leiterplatte weist den Vorteil auf, dass keine dedizierten Stromsensoren (z.B. Spulen o.ä.) in die laststrombeaufschlagbaren, abfühlbaren Leiterbahn(en) eingebracht zu werden brauchen. Der Laststrom (Vorhandensein, Größe usw.) kann vielmehr berührungslos über das durch den Laststrom in der Leiterbahn als solcher erzeugte Magnetfeld ermittelt werden. Dies benötigt insbesondere einen nur geringen Anpassungsaufwand bei einer Integration des Magnetfeldsensors in bestehende Platinenlayouts. Mittels des Magnetfeldsensors bzw. des berührungslosen Stromsensors ist eine Überwachung mindestens eines mittels der mindestens einen Leiterbahn geführten Strompfads möglich. So können insbesondere defekte Bauteile in dem Stromkreis sicher erkannt werden, z.B. ein defekter Heizkörper, ein verklebtes Relais, eine Leiterbahnunterbrechung usw. (Selbstdiagnose). Auch wird eine einfach implementierbare Stromregelung ermöglicht.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Magnetfeldsensor ein auf dem galvanomagnetischen Effekt beruhender Magnetfeldsensor ist.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Magnetfeldsensor ein Hall-Sensor ist. Der Hall-Sensor weist den Vorteil auf, dass er kompakt, robust und gleichzeitig messempfindlich ist.
Alternativ mag der Magnetfeldsensor beispielsweise ein AMR(Anisotroper Magnetoresistiver Effekt)-Sensor, ein GMR- oder Riesenmagnetowiderstands-Sensor, ein CMR(Kolossaler Magnetoresistiver Effekt)-Sensor, ein TMR(magnetischer Tunnelwiderstand)-Sensor, ein SQUID-Sensor o.ä. sein.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor auf einer der abzufühlenden Leiterbahn abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet ist. Dadurch wird der Magnetfeldsensor galvanisch von der abfühlbaren, laststromführenden Leiterbahn getrennt, insbesondere auch weil eine Leiterplatte typischerweise ihre beiden Seiten elektrisch voneinander isoliert. Dies ermöglicht eine einfache spannungstechnische Trennung des Magnetfeldsensors von der mindestens einen laststromführenden Leiterbahn. Die Leiterplatte ist dazu insbesondere magnetisch durchlässig.
Die Leiterplatte kann einseitig oder zweiseitig bestückt sein. Bei einer einseitigen Bestückung verläuft die mindestens eine laststromführende Leiterbahn bevorzugt auf derjenigen Seite, welche von der bestückten Seite abgewandt ist, wodurch Kriechstrecken vergleichsweise groß ausgestaltbar sind. Eine zweiseitige Bestückung ermöglicht eine besonders einfache und effektive spannungstechnische Trennung der beiden Seiten der Leiterplatte in eine Primärseite oder Seite hoher Spannung(en) und eine Sekundärseite oder Seite niedriger Spannung(en).
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor mindestens einen analogen Magnetfeldsensor umfasst. Unter einem analogen Magnetfeldsensor kann insbesondere ein Magnetfeldsensor verstanden werden, dessen Ausgangssignal oder Sensorsignal stetig, insbesondere proportional, zu dem abgefühlten Magnetfeld, insbesondere zu dessen Magnetfeldstärke, ist. Ein analoger Magnetfeldsensor weist den Vorteil auf, dass sich mit seiner Hilfe eine Stromstärke und/oder eine Änderung einer Stromstärke des Laststroms in der mindestens einen abgefühlten Leiterbahn quantitativ bestimmen lässt, z.B. über einen Berechnungsalgorithmus oder über eine oder mehrere Kennlinien, die das Ausgangssignal mit einer Stromstärke verknüpfen. Der analoge Magnetfeldsensor kann beispielsweise mittels eines Hall-Sensors realisiert werden. An einem Hallsensor kann ein Ausgangssignal abgegriffen werden, dessen Amplitude proportional zu dem Strom in der abgefühlten Leiterbahn ist.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass der analoge Magnetfeldsensor, insbesondere Hall-Sensor, ein überlagertes Magnetfeld zweier Leiterbahnen abfühlt, wobei die Leiterbahnen unterschiedliche Außenleiter einer gemeinsamen Stromleitung darstellen. Die beiden Leiterbahnen führen als Außenleiter also unterschiedliche Phasen eines in der gemeinsamen Stromleitung fließenden Drehstroms. Der analoge Magnetfeldsensor kann also insbesondere ein Magnetfeld abfühlen, das aus im Wesentlichen gleich starken, aber phasenversetzten Magnetfeldern der einzelnen Leiterbahnen überlagert ist. Dies erleichtert eine quantitative Bestimmung der Stromstärke und/oder deren Änderung, insbesondere falls nur zwei Außenleiter für eine Stromversorgung eines bestimmten Verbrauchers benötigt werden.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass der analoge Magnetfeldsensor, insbesondere Hall-Sensor, zwischen den zwei Leiterbahnen angeordnet ist. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die relative Stärke der durch die beiden Leiterbahnen erzeugten Magnetfelder im Wesentlichen gleich ist. Die zwei Leiterbahnen können dazu im Bereich des Magnetfeldsensors insbesondere parallel verlaufen. Der Magnetfeldsensor mag insbesondere (in Draufsicht) mittig zwischen den beiden Leiterbahnen angeordnet sein, wofür sich ein Hall-Sensor besonders eignet, da dieser eine höchste Empfindlichkeit versetzt zu der Leiterbahn zeigt.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor mindestens einen digitalen Magnetfeldsensor umfasst. Unter einem digitalen Magnetfeldsensor kann insbesondere ein Magnetfeldsensor verstanden werden, dessen Ausgangssignal sich mit ändernder Magnetfeldstärke abrupt ändert, insbesondere mit Erreichen eines vorbestimmten Schwellwerts der Magnetfeldstärke. Ein solcher Magnetfeldsensor kann besonders einfach und preiswert sein und kann insbesondere eine Kenntnis über ein Vorhandensein eines Laststroms in der mindestens einen Leiterbahn ab einer bestimmten Stromstärke liefern. Der digitale Magnetfeldsensor ist insbesondere für eine Stromüberwachung im Hinblick auf Sicherheitsanforderungen geeignet. Der digitale Magnetfeldsensor ist beispielsweise zur Überwachung eines Vorhandenseins eines Stromflusses in einem Hauptschalter-Strompfad eines elektrisch betriebenen Haushaltsgeräts geeignet. Der digitale Magnetfeldsensor kann beispielsweise ein Hallsensor, ein AMR-Sensor usw. sein.
Es ist eine allgemeine Weiterbildung, dass ein (analoger oder digitaler) Magnetfeldsensor zwischen zwei oder mehr Leiterbahnen angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor kann so den Strom der zwei oder mehr Leiterbahnen abfühlen bzw. zwei oder mehr Leiterbahnen gleichzeitig überwachen oder auswerten. Der Abstand zweier benachbarter, insbesondere paralleler, Leiterbahnen oder Leiterbahnabschnitte kann bevorzugt 2 bis 4 mm betragen. Der Magnetfeldsensor mag auf der gleichen Seite der Leiterplatte angeordnet sein wie die abzufühlende Leiterbahn, braucht dies aber nicht zu sein.
Der Magnetfeldsensor kann in Bezug auf eine abzufühlende bzw. zu überwachende Leiterbahn seitlich versetzt zu dieser (aus der gleichen Seite oder der dazu abgewandten Seite) angeordnet sein oder auf der abgewandten Seite der Leiterplatte direkt oberhalb der Leiterbahn angeordnet sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass die mindestens eine abfühlbare Leiterbahn mit mindestens einem Verbraucher elektrisch verbunden ist. Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine abfühlbare Leiterbahn mit mindestens einem auf der Leiterplatte angeordneten Anschlusselement zum Anschluss mindestens eines Verbrauchers verbunden ist. Das Anschlusselement kann insbesondere ein Steckanschluss, z.B. ein Stecker, sein.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass eine abfühlbare Leiterbahn mit Laststrom für genau einen Verbraucher beaufschlagbar ist. So kann eine Stromstärke in Bezug auf diesen einen Verbraucher bestimmt oder überwacht werden. Dies ermöglicht einen besonders präzisen und individuellen Betrieb dieses Verbrauchers.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass eine abfühlbare Leiterbahn eine Sammel-Leiterbahn ist, die mit Strom für mehrere Verbraucher beaufschlagbar ist. Dadurch kann eine Stromstärke in Bezug auf diese mehreren Verbraucher bestimmt oder überwacht werden. Dies ermöglicht eine einfache Sicherheitsüberwachung des Haushaltsgeräts. Die Sammel-Leiterbahn kann beispielsweise einen Hauptschalter-Strom führen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Haushaltsgerät, wobei das Haushaltsgerät mindestens eine Leiterplatte wie oben beschrieben aufweist. Das Haushaltsgerät kann die gleichen Ausgestaltungen und Vorteile aufweisen wie die Leiterplatte. Zusätzlich lässt sich eine Betriebssicherheit des Haushaltsgeräts erhöhen.
Es ist beispielsweise eine Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät mindestens eine Leiterplatte aufweist, bei der die mindestens eine abfühlbare Leiterbahn mit mindestens einem auf der Leiterplatte angeordneten Anschlusselement zum Anschluss mindestens eines Verbrauchers verbunden ist und mindestens eine abfühlbare Leiterbahn der Leiterplatte mit mindestens einem Verbraucher elektrisch verbunden ist.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Verbraucher mindestens ein Heizelement oder Heizkörper umfasst. Das zugehörige Haushaltsgerät kann dann insbesondere ein elektrisch betriebenes Gargerät (ein Kochfeld, ein Ofen, ein Herd usw.) sein. Jedoch sind die Leiterplatte und das zugehörige Haushaltsgerät nicht darauf beschränkt. So mag der Verbraucher auch ein Kälteaggregat eines Kühlschranks, eine Heizung eines Wäschebehandlungsgeräts (Waschmaschine, Wäschetrockner usw.), ein Heizelement eines Toasters, Wasserkochers oder anderen Haushaltskleingeräts usw. sein.
Ein Haushaltsgerät mag einen oder mehrere Verbraucher, z.B. unterschiedliche Heizelemente, an einer Leiterplatte angeschlossen haben.
Das Haushaltsgerät mag insbesondere eine Steuereinrichtung aufweisen, beispielsweise auf der Leiterplatte angeordnet, welche mit dem mindestens einen Magnetfeldsensor funktional gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung mag dazu eingerichtet sein, einen Laststrom anhand eines Ausgangssignals oder Sensorsignals des mindestens einen Magnetfeldsensors zu bestimmen. Die Steuereinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, einen Laststrom mindestens eines Verbrauchers anhand eines Ausgangssignals oder Sensorsignals bzw. eines davon abgeleiteten Werts (z.B. einer Stärke des Laststroms) mindestens eines Magnetfeldsensors zu regeln, welcher mindestens einer Leiterbahn zugeordnet ist, die Laststrom für diesen Verbraucher führt.
Das Haushaltsgerät mag insbesondere, beispielsweise mittels der Steuereinrichtung, dazu eingerichtet sein, mittels der anhand des mindestens einen Magnetfeldsensors bestimmten Stärke eines einen bestimmten Verbraucher durchfließenden Laststroms einen Versagensfall für diesen Verbraucher oder dessen Stromkreis zu detektieren.
Beispielsweise mag der Verbraucher, insbesondere ein Heizelement, mittels eines Relais getaktet betrieben werden. Klebt das Relais, so verbleibt es fehlerhafterweise in einer Stellung, und zwar der geöffneten Stellung oder der geschlossenen Stellung. In der geöffneten Stellung fließt trotz einer beispielhaft von einem Nutzer eingestellten Leistungsstufe kein Strom durch den Verbraucher. In der geschlossenen Stellung fließt trotz ausgeschaltetem Relais ein Laststrom durch den Verbraucher. Mittels des mindestens einen Magnetfeldsensors kann durch die Steuereinheit ein Istwert für einen Laststrom eines bestimmten Verbrauchers mit einem zugehörigen Sollwert verglichen werden und mindestens eine entsprechende Aktion ausgelöst werden. Beispielsweise kann bei einem zu geringen Istwert, z.B. im Fall eines in der offenen Stellung verklebten Relais, einer Leiterbahnunterbrechung, eines defekten Verbrauchers usw., eine erste Warnmeldung ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei einem zu hohen Istwert, z.B. im Fall eines in der geschlossenen Stellung verklebten Relais, beispielsweise eine zweite Warnmeldung ausgegeben werden und/oder das Haushaltsgerät abgeschaltet werden.
Das Haushaltsgerät kann insbesondere dazu eingerichtet sein, nach einem Einschalten eine Selbstdiagnose oder Selbsttest durchzuführen. Dazu kann ein Istwert eines Laststroms eines jeweiligen Verbrauchers mit einem zugehörigen Sollwert verglichen werden.
Der Selbsttest kann alternativ oder zusätzlich mittels eines digitalen Magnetfeldsensors durchgeführt werden. Dazu mag der digitale Magnetfeldsensor insbesondere ein Magnetfeld eines Hauptschalter-Strompfads abfühlen.
Befindet sich die Stromstärke beispielsweise nach einem Einschalten und/oder im Rahmens eines Ausschaltens des Haushaltsgeräts, wenn kein Verbraucher nutzerseitig leistungsmäßig betrieben wird, beispielsweise oberhalb eines vorbestimmten Schwellwerts, mag dies ein Hinweis auf ein im geschlossenen Zustand verklebtes Relais o.ä. sein, und das Haushaltsgerät kann entsprechend darauf reagieren (Abschalten, Warnhinweis ausgeben usw.). Der digitale Magnetfeldsensor kann dazu beispielsweise mit Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts einer Magnetfeldstärke ein Signal ausgeben. Der Schwellwert kann insbesondere so gewählt sein, dass ein Nicht-Leistungsstrom, z.B. ein von elektronischen Komponenten, Lampen, Anzeigeeinheiten usw. verbrauchter Strom, den Schwellwert nicht erreicht.
Auch mag, wenn alle Verbraucher in einer vordefinierten, insbesondere von dem Haushaltsgerät vorgegebenen, Weise leistungsmäßig betrieben werden (ggf. auf einer niedrigen Stufe), unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts befinden. Dies mag ein Hinweis auf ein im offenen Zustand verklebtes Relais, eine Leiterbahnunterbrechung o.ä. sein, und das Haushaltsgerät kann entsprechend darauf reagieren (Warnhinweis ausgeben usw.). Beispielsweise können dazu die laststrombeaufschlagbaren Leiterbahnen allpolig geschaltet werden, insbesondere automatisch von dem Haushaltsgerät zum Zwecke der Selbstdiagnose.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät, insbesondere dessen Steuereinrichtung, dazu eingerichtet ist, aus dem Ausgangssignal oder Sensorsignal des mindestens einen, insbesondere analogen, Magnetfeldsensors einen Energieverbrauch zu bestimmen. Der Energieverbrauch kann einen zeitlich akkumulierten Energieverbrauch und/oder eine Leistung umfassen. Dies kann für das gesamte Gerät (lastbezogener Gesamt-Energieverbrauch) und/oder für ausgewählte Verbraucher, z.B. für einzelne Kochstellen eines Kochfelds, durchgeführt werden. Der Energieverbrauch kann an dem Haushaltsgerät angezeigt werden. Alternativ kann der Energieverbrauch, insbesondere der Gesamt-Energieverbrauch, als eine Eingangsgröße für ein Energiemanagement des Haushaltsgeräts verwendet werden.
Der Gesamt-Energieverbrauch, insbesondere eine Gesamt-Leistung, kann auch daraufhin überwacht werden, ob er einen maximalen Wert erreicht oder überschreitet, insbesondere für eine Leistungsbegrenzung. Mit dem Erreichen oder Überschreiten kann eine Aktion ausgelöst werden, z.B. eine Leistungsminderung oder Abschaltung bestimmter Verbraucher, eine Ausgabe eines Warnhinweises usw. Der Gesamt-Energieverbrauch kann insbesondere mittels mindestens eines analogen oder digitalen Magnetfeldsensors durchgeführt werden, der einen Hauptschalter-Strompfad überwacht. Der Hauptschalter-Strompfad kann auf einer oder auf mehreren Leiterbahnen geführt werden. Der Hauptschalter-Strompfad kann insbesondere durch einen einzigen Hauptschalter oder Hauptschalter-Relais geführt werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch betriebenen Haushaltsgeräts mit mindestens einer Leiterplatte, wobei ein durch mindestens eine Leiterbahn der Leiterplatte fließender Laststrom detektiert wird. Bei dem Verfahren wird ferner der Laststrom mittels eines berührungslosen Abfühlens eines mittels des Laststroms durch die mindestens eine Leiterbahn erzeugbaren Magnetfelds detektiert.
Das Verfahren kann analog zu der Leiterplatte oder zu dem Haushaltsgerät ausgestaltet werden und weist entsprechende Vorteile auf.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Leiterplatte gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt in Draufsicht eine Anordnung zweier laststromführender Leiterbahnen mit einem zugehörigen Magnetfeldsensor;
3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Leiterplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
4 zeigt ein Haushaltsgerät mit zwei erfindungsgemäßen Leiterplatten.
1 zeigt eine Leiterplatte 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Leiterplatte 1 weist ein plattenförmiges Substrat 2 mit einer ersten Seite 3 und einer dazu entgegengesetzten, zweiten Seite 4 auf. Die Leiterplatte 2 isoliert die beiden Seiten 3, 4 elektrisch gegeneinander. Die Leiterplatte 2 ist einseitig bestückt, und zwar hier auf der zweiten (unteren) Seite 4. Die Leiterplatte 2 ist hier beispielhaft bestückt mit elektrischen oder elektronischen SMD-Bauteilen 5, z.B. Widerständen, Kondensatoren usw., sowie mit Leistungsbauelementen wie Leistungskondensatoren 6, einem Relais 7, Steckern 8, 9 und einem Transformator (o.Abb.). Einer der Stecker 8 dient zur Verbindung mit einem Netzanschluss und ein anderer der Stecker 9 dient zum Anschluss eines Verbrauchers W (siehe 4).
Die Leiterplatte 1 ist beidseitig verdrahtet, wobei die Verdrahtung der bestückten zweiten Seite 4 Leiterbahnen 10 umfasst, die als Signal- und Ansteuerleitungen vorgesehen sind und mit einer geringen Spannung beaufschlagt sind. Die Verdrahtung der ersten, nicht bestückten Seite 3 umfasst auch laststromführende Leiterbahnen 11, an welchen die Netzspannung anliegt. Durch die räumliche Trennung der Leiterbahnen 10, 11 mittels des elektrisch isolierenden Substrats 2 wird eine Betriebssicherheit erhöht und können insbesondere Kriech- und Luftstrecken einfach eingehalten werden.
Der an den Stecker 9 angeschlossene Verbraucher wird mit einer Netzspannung betrieben, welche über das Relais 7 getaktet wird. Der Verbraucher mag insbesondere mehrphasig betrieben werden, so dass er an mehrere (insbesondere zwei oder drei) Außenleiter angeschlossen sein kann. Die Außenleiter können insbesondere als getrennte Leiterbahnen 11 ausgebildet sein.
Um einen Strom (Stromstärke o.ä.) durch den Verbraucher überwachen zu können, ist auf der zweiten Seite 4 der Leiterplatte 1 ein Magnetfeldsensor 12 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 12 ist dazu eingerichtet und angeordnet, ein von mindestens einer laststromführenden Leiterbahn 11, welche diesen Verbraucher versorgt bzw. mit diesem elektrisch verbunden ist, erzeugtes Magnetfeld M abzufühlen. Der Magnetfeldsensor 12 ist als ein "analoger" Magnetfeldsensor 12 ausgebildet, welcher in der Lage ist, ein zu einer Stärke des Magnetfelds M und damit zu einer Stromstärke in der abgefühlten Leiterbahn 11 proportionales Ausgangssignal oder Sensorsignal auszugeben. Das Ausgangssignal kann mittels einer Steuereinrichtung ausgewertet oder weiterverarbeitet werden, die ebenfalls auf der Leiterplatte 1 oder alternativ z.B. auf einer dedizierten Steuerplatine realisiert ist.
Durch den Magnetfeldsensor 12 wird es insbesondere möglich, eine Stromstärke durch den Verbraucher quantitativ zu bestimmen. Die Kenntnis der Stromstärke kann beispielsweise genutzt werden für eine Stromregelung des Verbrauchers, für eine Verbrauchsanzeige, z.B. einer aktuelle Leistung oder eines zeitlich akkumulierten Stromverbrauchs, für eine Leistungsbegrenzung, für eine Sicherheitsüberprüfung, z.B. im Rahmen eines Selbsttests, z.B. auf ein verklebtes Relais 7, eine unterbrochene Leiterbahn 11 usw.
2 zeigt in Draufsicht eine mögliche Anordnung zweier laststromführender Leiterbahnen 11, nämlich von Leiterbahnen 11a und 11b, in Bezug auf einen zugehörigen Magnetfeldsensor 12 der Leiterplatte 1. Die ausschnittsweise gezeigten Leiterbahnen 11a, 11b sind zumindest abschnittsweise parallel mit einem Abstand zwischen 2 mm und 4 mm auf der ersten Seite 3 angeordnet und sind beide mit dem Stecker 9 verbunden. Die Leiterbahnen 11a und 11b sind als Außenleiter zur Versorgung eines an den Stecker 9 angeschlossenen Verbrauchers (o.Abb.) ausgestaltet und führen dazu jeweils (zueinander um 120° phasenverschobene) Lastströme bzw. Drehstromphasen, hier: eines Netzstroms. Der Verbraucher wird also (getaktet) über mindestens zwei Phasen einer Netzversorgung mit Strom versorgt. Die durch die phasenversetzten Ströme in den Leiterbahnen 11a, 11b erzeugten Magnetfelder sind entsprechend phasen- bzw. zeitversetzt. Diese Magnetfelder überlagern sich, wobei deren Magnetfeldstärke zwischen den beiden Leiterbahnen 11a, 11b einen im Wesentlichen gleichen maximalen Wert erreicht. Zwischen den beiden Leiterbahnen 11a, 11b weisen die Magnetfelder folglich ein gleiche relative Stärke auf.
Der Magnetfeldsensor 12 ist auf der zweiten Seite 4 angeordnet und in Draufsicht genau mittig zwischen den beiden auf der ersten Seite 3 angebrachten Leiterbahnen 11a, 11b (bzw. den gezeigten parallelen Abschnitten davon) angeordnet. Da der verwendete Hall-Sensor seine höchste Empfindlichkeit seitlich versetzt zu einer abzufühlenden Leiterbahn 11 aufweist, kann so an dem (Hall-)Magnetfeldsensor 12 mit hoher Empfindlichkeit ein Magnetfeld abgefühlt werden, welches einer gleichstarken Überlagerung der Magnetfelder der beiden Leiterbahnen 11a, 11b entspricht. Folglich ist das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 12 proportional zu den addierten Strömen in den Leiterbahnen 11a und 11b. Dieses Ausgangssignal ist besonders einfach auswertbar, insbesondere falls der Verbraucher nur mittels zweier Phasen betrieben wird.
3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Leiterplatte 21 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Leiterplatte 21 ist ähnlich zu der Leiterplatte 1 aufgebaut, aber nun zweiseitig bestückt. Dabei sind die Niedrigspannungskomponenten wie die elektrischen oder elektronischen SMD-Bauteilen 5 und der Magnetfeldsensor 12 auf der ersten Seite 3 angeordnet. Netzspannungskomponenten wie die Leistungskondensatoren 6, das Relais 7 und die Stecker 8, 9, welche insbesondere an Netzspannung anliegen, sind auf der zweiten Seite 4 angebracht. Diese ermöglicht eine verbesserte Trennung der beiden Spannungsbereiche.
4 zeigt ein Haushaltsgerät H mit zwei erfindungsgemäßen Leiterplatten 1; 21. Das Haushaltsgerät H ist als ein Herd ausgebildet, in dem ein Ofen O und ein Kochfeld K integriert ist. Der Ofen O weist mehrere Verbraucher in Form von Heizkörpern W auf, nämlich einen Unterhitzeheizkörper W1 und einen Oberhitzeheizkörper W1. Zur Stromversorgung sind diese Heizkörper W1, W2 mit einer ersten Leiterplatte 1 oder 21 elektrisch verbunden, nämlich über jeweilige Stecker 9, und taktbar über jeweilige Relais 7. Das Kochfeld K weist vier Kochstellen auf, welche mittels eines jeweiligen Widerstandsheizkörpers W3–W6 erhitzbar sind. Die Widerstandsheizkörper W3 bis W6 sind mit einer zweiten Leiterplatte 1 oder 21 elektrisch verbunden, nämlich über jeweilige Stecker 9, und taktbar über jeweilige Relais 7.
Das Haushaltsgerät H mag einen einzigen Hauptschalter-Strompfad sowohl für den Ofen O (welcher die Lastströme für die Heizkörper W1 und W2 führt) als auch für das Kochfeld K (welcher die Lastströme für die Heizkörper W3 bis W6 führt) aufweisen, alternativ einen Hauptschalter-Strompfand für den Ofen O und einen für das Kochfeld K. Der (mindestens eine) Hauptschalter-Strompfand mag (jeweils) mittels eines weiteren Magnetfeldsensors (o.Abb.) überwacht werden, beispielsweise für eine Leistungsbegrenzung und/oder für eine Selbstdiagnose zur Erhöhung einer Betriebssicherheit.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
So sind auch andere Phasenwinkel möglich, beispielsweise von 180°.
Zudem kann auch der Abstand paralleler abzufühlender Leiterbahnen mehr oder weniger als 2 bis 4 mm betragen.
Bezugszeichenliste

1: Leiterplatte
2: Substrat
3: erste Seite des Substrats
4: zweite Seite des Substrats
5: SMD-Bauteil
6: Leistungskondensator
7: Relais
8: Stecker
9: Stecker
10: nicht-laststromführende Leiterbahn
11: laststromführende Leiterbahn
11a: Leiterbahn
11b: Leiterbahn
12: Magnetfeldsensor
21: Leiterplatte
H: Haushaltsgerät
K: Kochfeld
M: Magnetfeld
O: Ofen
W: Heizkörper

Claims

Leiterplatte (1; 21) für ein Haushaltsgerät (H), wobei die Leiterplatte (1; 21) auf zumindest einer ihrer beiden Seiten (3, 4) mindestens eine mit einem Laststrom beaufschlagbare Leiterbahn (11, 11a, 11b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1; 21) mindestens einen Magnetfeldsensor (12) aufweist, welcher zum Abfühlen eines mittels des Laststroms (11, 11a, 11b) erzeugbaren Magnetfelds (M) eingerichtet und angeordnet ist.
Leiterplatte (1; 21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (12) ein auf dem galvanomagnetischen Effekt beruhender Magnetfeldsensor, insbesondere Hall-Sensor, ist.
Leiterplatte (1; 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor (12) mindestens einen analogen Magnetfeldsensor umfasst.
Leiterplatte (1; 21) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der analoge Magnetfeldsensor (12), insbesondere Hall-Sensor, ein überlagertes Magnetfeld zweier Leiterbahnen (11a, 11b) abfühlt, wobei die Leiterbahnen (11a, 11b) unterschiedliche Außenleiter einer gemeinsamen Stromleitung darstellen.
Leiterplatte (1, 21) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der analoge Magnetfeldsensor (12), insbesondere Hall-Sensor, zwischen den zwei Leiterbahnen (11a, 11b) angeordnet ist.
Leiterplatte (1; 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor (12) mindestens einen digitalen Magnetfeldsensor umfasst.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor (12) auf einer der abzufühlenden Leiterbahn (11, 11a, 11b) abgewandten Seite der Leiterplatte (4; 3) angeordnet ist.
Leiterplatte (1; 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine abfühlbare Leiterbahn (11, 11a, 11b) mit mindestens einem auf der Leiterplatte (1; 21) angeordneten Anschlusselement (9) zum Anschluss mindestens eines Verbrauchers (W) verbunden ist.
Leiterplatte (1; 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine abfühlbare Leiterbahn (11, 11a, 11b) mit Laststrom für genau einen Verbraucher (W) beaufschlagbar ist.
Leiterplatte (1; 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine abfühlbare Leiterbahn eine Sammel-Leiterbahn ist, die mit Strom für mehrere Verbraucher (W) beaufschlagbar ist.
Haushaltsgerät (H), dadurch gekennzeichnet, dass das Haushaltsgerät (H), insbesondere Gargerät, mindestens eine Leiterplatte (1; 21) nach Anspruch 8 aufweist und mindestens eine abfühlbare Leiterbahn (11, 11a, 11b) der Leiterplatte (1; 21) mit mindestens einem Verbraucher (W) verbunden ist.
Haushaltsgerät (1; 21) nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Verbraucher (W) mindestens ein Heizelement umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines elektrisch betriebenen Haushaltsgeräts (H) mit mindestens einer Leiterplatte (1; 21), wobei ein durch mindestens eine Leiterbahn (11, 11a, 11b) der Leiterplatte (1; 21) fließender Laststrom detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laststrom mittels eines berührungslosen Abfühlens eines mittels des Laststroms durch die mindestens eine Leiterbahn (11, 11a, 11b) erzeugbaren Magnetfelds (M) detektiert wird.