EP2639512B1 - Haushaltsgerät mit einer Lambda-Sonde bzw. Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts mit einer Lambda-Sonde - Google Patents

Haushaltsgerät mit einer Lambda-Sonde bzw. Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts mit einer Lambda-Sonde Download PDF

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EP2639512B1
EP2639512B1 EP13157931.0A EP13157931A EP2639512B1 EP 2639512 B1 EP2639512 B1 EP 2639512B1 EP 13157931 A EP13157931 A EP 13157931A EP 2639512 B1 EP2639512 B1 EP 2639512B1
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EP
European Patent Office
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probe
down converter
lambda probe
voltage
household appliance
Prior art date
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EP13157931.0A
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EP2639512A3 (de
EP2639512A2 (de
Inventor
Bernhard Koch
Josef SCHÖNHUBER
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BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Hausgeraete GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24C—DOMESTIC STOVES OR RANGES ; DETAILS OF DOMESTIC STOVES OR RANGES, OF GENERAL APPLICATION
    • F24C7/00—Stoves or ranges heated by electric energy
    • F24C7/08—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24C7/082—Arrangement or mounting of control or safety devices on ranges, e.g. control panels, illumination
    • F24C7/085—Arrangement or mounting of control or safety devices on ranges, e.g. control panels, illumination on baking ovens

Definitions

  • the invention relates to a household appliance with a lambda probe. According to the method, the invention relates to a method for operating a household appliance with a lambda probe.
  • Lambda probes are used to optimize fuel combustion in the engine depending on the oxygen content.
  • Lambda probes have a heating element as a probe heater.
  • a direct control of the lambda probe heating with the battery voltage of 12V is implemented.
  • the effective voltage U eff on the heating element is influenced or set by the pulsed switching with the aid of the on time t on per cycle or period T.
  • This type of control has the result that the maximum value U Bat is applied to the heating element of the probe during the time t on and that a correspondingly large heating current flows with large peak values during this time.
  • DE 102 29 026 A1 relates to an electrical circuit arrangement for the rapid heating-up operation of a lambda probe of an internal combustion engine, in particular a motor vehicle.
  • This has a microcontroller connected to a heating resistor for detecting the voltage drop across the heated heating resistor and for controlling a power output stage connected to the heating resistor in order to compensate for the voltage falling across the heating resistor as far as possible.
  • DE 10 2010 054 607 B3 relates to a cooking device with a heater, a steam generator and a control device and at least one lambda probe coupled to the control device for determining the oxygen partial pressure in the cooking space, the actual ambient pressure being determined in the control device via the oxygen partial pressure and the control device depending on the ambient pressure, the steam generator and / or the heating controls.
  • a household appliance with a lambda probe is proposed, the lambda probe being connected upstream of control electronics with a step-down converter or the lambda probe having control electronics with a step-down converter.
  • an especially commercially available lambda probe with a predetermined operating voltage can nevertheless be operated at a higher supply voltage, e.g. in the event that the household appliance only provides such a higher supply voltage.
  • the step-down converter (also referred to as a step-down converter, step-down converter or buck converter) can be used to convert a suitable voltage for operating the lambda sensor, in particular the heating of the lambda sensor, from a higher voltage.
  • the step-down converter is arranged in a region between, for example, a housing of the lambda probe and a mains voltage connection within the household appliance.
  • the step-down converter is arranged in particular in a housing which accommodates the lambda probe or is functionally assigned to the lambda probe.
  • a DC voltage can also be used, e.g. in the amount of 24Volt.
  • the cooking appliance can in particular comprise a hob, an oven (oven and / or microwave oven), a steam cooker or a vacuum cooker.
  • the household appliance is equipped with control electronics, the control electronics being connected upstream of the lambda probe or the lambda probe having control electronics.
  • the particularity of the voltage conversion used in this case is that the conversion does not already take place in the central power pack of the oven, but decentrally in the step-down converter on the control electronics of the lambda probe. Accordingly, the control electronics of the lambda probe, as well as other components of the household appliance, are also supplied with a higher voltage (for example 24V) which is already present in the oven or other cooking appliance as an exemplary household appliance for other consumers.
  • a higher voltage for example 24V
  • an output voltage of the step-down converter is applied as a probe voltage to a probe heater of the lambda probe.
  • a switch of the buck converter (109) can be controlled with a frequency which lies in a range between 20 kHz and 150 kHz.
  • a control or regulating device of the buck converter can be provided, which provides a switching signal with such a frequency to a switch of the buck converter.
  • the step-down converter can have at least one switch which can be controlled with such a frequency.
  • the step-down converter is designed as a SEPIC converter or as a ⁇ uk converter.
  • the heating probe supply voltage is generated in the form of a constant direct voltage, the generated or provided (converted) direct voltage being the maximum permissible voltage of the Lambda probe never exceeds.
  • the household appliance is designed as a cooking appliance and that at least one measurement variable or a sensor sensor size of the lambda probe is applied to a controller for controlling an automatic cooking system, in particular an automatic baking system.
  • the above object is also achieved by a method for operating a lambda probe of a household appliance, in particular a cooking appliance.
  • Operation is understood in particular to mean supplying such a component with an operating voltage, controlling a functionality of the probe or a sensor system of the probe itself, or also providing measured variables or parameters derived therefrom for other components of the household appliance.
  • Such a parameter is in particular a measurement variable which represents an oxygen content in the surroundings of the probe.
  • the household appliance is controlled by means of the at least one parameter.
  • the step-down converter is driven at a frequency that is between 20 kHz and 150 kHz.
  • lambda probes such as those used in the automotive and truck sectors
  • a power supply e.g. in the amount of 12V ensures the supply of the heating of the lambda probe (probe heating).
  • the 12V supply is achieved using the step-down converter. This is also an advantage if e.g. no further electronics module in the oven requires a 12V supply.
  • Fig. 1 shows a section of an exemplary cooking appliance 101 and a lambda probe 102 connected to it.
  • the lambda probe 102 has a sensor 103 and a probe heater 104.
  • the lambda probe 102 is connected to a controller 105 of the cooking device 101 via an interface 106.
  • the lambda probe 102 is, for example, part of a sensor system 107.
  • the sensor system 107 can be arranged outside the cooking device 101 or can be designed as part of the cooking device 101.
  • a line 108 is connected via the interface 106 to a step-down converter 109 of the sensor system 107.
  • line 108 is located relative to ground 110 a supply voltage U in of, for example, to 24V.
  • the ground connection is also connected to the interface 106 and the ground of the cooking appliance via a line.
  • the step-down converter 109 serves to convert the supply voltage U in to a probe voltage U out , for example 12V, for operating the probe heater 104.
  • the step-down converter 109 provides the probe voltage U out via a line 111 to the probe heater 104, the further connection of which is connected to ground 110.
  • the sensor system 107 is also connected via a signal or data line 112 to the interface 106 or the controller 105 in order to use the signal or Data line 112 to transmit data or signals that are based on a measured variable of sensor 103.
  • the buck converter 109 includes a switch 113 which is connected in series with a coil 114, a node 118 being arranged between the switch 113 and the coil 114.
  • the node 118 is connected to the cathode of a diode 115, the anode of the diode is connected to ground 110.
  • a capacitor 116 is arranged in parallel with the output of the buck converter.
  • the output of the buck converter 109 is connected to the probe heater 104.
  • the switch 113 is driven by a switching signal 117 with a switching frequency f.
  • the dimensioning of the buck converter 109 in connection with the switching signal 117 results in a corresponding conversion of the incoming voltage U in into the outgoing voltage U out , which is required for the operation of the lambda probe 102, in particular the probe heater 104.
  • the step-down converter 109 prevents an excessively high voltage value from being applied to the lambda probe 102 and damaging it.
  • Fig. 2 shows a schematic illustration of the sensor system 107 with a sensor system device 201 which is connected upstream of the lambda probe 102.
  • the sensor device 201 comprises the step-down converter 109.
  • the line 108 for the supply voltage U in leads into the sensor system 201 and is again connected to the step-down converter 109, which is connected to the probe heater 104 via the line 111.
  • the probe heater 104 and the sensor device 201 are each connected to ground 110.
  • a sensor line 202 leads from the sensor 103 to the transmission of a measurement variable 203 of the sensor 103 into the sensor device 201.
  • the sensor line 202 is connected in the sensor device 201 in particular to a signal processing device 204 and to a control device 205, to which the measurement variable 203 is applied.
  • the signal processing device 204 serves for preprocessing the measurement variable 203 and for outputting corresponding (eg digitized) data to the signal or data line 112.
  • the control device 205 controls the switching signal 117 (in particular the switching frequency f) and applies the switching signal 117 via a line 206 to the step-down converter 109 or to its switch 113.
  • the control device 205 can be designed as a so-called PI controller (i.e. a controller with a proportional and an integrating component).
  • a monitoring device 207 is also provided in the sensor device 201, which e.g. is connected to line 111 to probe heater 104 via an analog-digital converter.
  • the monitor 207 can e.g. determine whether the voltage applied to probe heater 104 is within an allowable range; if necessary, the monitoring device 207 can initiate a shutdown or a corresponding correction of the buck converter 109.
  • a second line 208 leads from the interface 106 to the application of a further supply voltage Ux of, for example, 5 V to the sensor device 201.
  • This additional supply voltage Ux is used to supply various components of the sensor device 201, such as the signal processing device 204, the control device 205 and the monitoring device 207, which in particular (at least partially) by means of a program in a control unit, eg a microcontroller or microprocessor.
  • the schematically illustrated embodiment supplies the lambda probe 102 with the first supply voltage U in , which is correspondingly reduced to a permissible voltage by the step-down converter 109.
  • the step-down converter 109 is operated with the higher supply voltage U in (for example 24 V).
  • the voltage U out for the probe heater 104 is set via the setting of the duty cycle of the step-down converter and the dimensioning of its components.
  • the step-down converter is activated, for example, with the aid of a microprocessor, the switch 113 preferably being operated at a clock frequency, for example in a range between 20 kHz and 150 kHz.
  • Fig. 3 denotes the probe or to the sensor system 107 the voltage waveform that results using a corresponding buck converter and an indirect control of the lambda probe 102 to the supply voltage U in of 24V. It can be seen that the probe voltage U out no longer drops to zero.
  • the control of the lambda probe 102 and the probe heater 104 is not carried out with a pulsed supply voltage, but with a constant DC voltage. This results in a more uniform current distribution and a more even or gentle probe operation.
  • the supply of the probe 102 or the probe heater 104 can also take place by using the corresponding conversion measure (i.e. the buck converter 109) with a voltage which is higher than the maximum permissible probe voltage.
  • the internal resistance of the sensor part of the lambda probe depends on an internal probe temperature.
  • the probe is preferably at a constant temperature, i.e. kept at a correspondingly constant operating point.
  • This temperature can e.g. be specified by the probe manufacturer.
  • the temperature value corresponds to a fixed setpoint of the internal resistance.
  • the microprocessor cyclically records the actual internal resistance of the probe with the help of the probe interface module. This value serves as the input signal of the (e.g. digital) PI controller, which has the task of constantly controlling the probe temperature.
  • the (e.g. digital) PI controller which has the task of constantly controlling the probe temperature.
  • the new control option presented here provides, in particular, for a step-down converter to be operated at a fixed operating frequency (e.g. in a range from 20 kHz to 150 kHz).
  • the analog output voltage of the step-down converter is set via the control signal (duty cycle).
  • the temperature control is relatively slow. It is therefore sufficient to use the PI controller e.g. to operate or determine according to a 100 Hz grid and the step-down converter e.g. to drive with a frequency of 80kHz.
  • the duty cycle (duty cycle), for example, is only reset every 10 ms. In between, i.e. the set duty cycle takes effect during the further 80 kHz cycles.
  • the maximum heating voltage can also be monitored with the aid of an AD converter, in order to ensure that the probe does not see more than the permissible voltage Umax (compare monitoring device 207 in FIG Fig. 2 ).
  • Another sensor can also be controlled on the sensor module, for example, so that it can be used as a general sensor module.

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Description

  • Die Erfindung betrifft vorrichtungsgemäß ein Haushaltsgerät mit einer Lambda-Sonde: Verfahrensgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts mit einer Lambda-Sonde.
  • Im KFZ- und LKW-Bereich werden Lambda-Sonden zur Optimierung einer Treibstoffverbrennung im Motor abhängig vom Sauerstoffgehalt verwendet. Lambda-Sonden weisen ein Heizelement als Sondenheizung auf. Beim Betrieb einer solchen Lambda-Sonde wird deren Heizelement direkt mit einer 12V-Versorgung, im KFZ-Bereich üblicherweise der Batteriespannung, verbunden und über ein entsprechendes Steuerelement, zum Beispiel mit einer festen Betriebs-Frequenz (z.B. f = 100Hz) und einem variablen Tastverhältnis gepulst angesteuert. Umgesetzt wird so eine direkte Ansteuerung der Lambda-Sondenheizung mit der Batteriespannung von 12V.
  • Dabei wird durch das gepulste Schalten mit Hilfe der Einschaltdauer ton pro Zyklus bzw. Periodendauer T die effektive Spannung Ueff am Heizelement beeinflusst bzw. eingestellt. Berechnen lässt sich die effektive Spannung Ueff gemäß: U eff = U Bat ⋅ t on T
    Figure imgb0001
  • Diese Art der Ansteuerung hat zur Folge, dass in der Zeit während der Einschaltdauer ton der Maximalwert UBat am Heizelement der Sonde anliegt und in dieser Zeit ein entsprechend großer Heizstrom mit großen Spitzenwerten fließt.
  • DE 102 29 026 A1 betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zum schnellen Hochheizbetrieb einer Lambdasonde einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Diese weist einen mit einem Heizwiderstand verbundenen Mikrocontroller zur Erfassung der am bestromten Heizwiderstand abfallenden Spannung und zur Ansteuerung einer mit dem Heizwiderstand verbundene Leistungsendstufe auf, um die am Heizwiderstand abfallende Spannung möglichst zu kompensieren.
  • DE 10 2010 054 607 B3 betrifft ein Gargerät mit einer Heizung, einem Dampfgenerator und einer Regeleinrichtung und wenigstens einer mit der Regeleinrichtung gekoppelten Lambdasonde zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks im Garraum, wobei in der Regeleinrichtung über den Sauerstoffpartialdruck der tatsächliche Umgebungsdruck ermittelt wird und die Regeleinrichtung in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck den Dampfgenerator und/oder die Heizung regelt.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Haushaltsgerät mit einer Lambda-Sonde mit einem einfacheren Aufbau bereitzustellen. Insbesondere sollen herkömmliche Lambda-Sonden in dem Haushaltsgerät einsetzbar sein.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Haushaltsgerät mit einer Lambda-Sonde vorgeschlagen, wobei der Lambda-Sonde eine Ansteuerelektronik mit Tiefsetzer vorgeschaltet ist oder die Lambda-Sonde eine Ansteuerelektronik mit Tiefsetzer aufweist.
  • Dadurch kann eine insbesondere handelsübliche Lambda-Sonde mit einer vorbestimmten Betriebsspannung dennoch an einer höheren Versorgungsspannung betrieben werden, z.B. für den Fall, dass das Haushaltsgerät nur eine solche höhere Versorgungsspannung bereitstellt. Durch den Tiefsetzer (auch bezeichnet als Abwärtswandler, Step-Down-Konverter oder Buck-Konverter) kann eine passende Spannung zum Betrieb der Lambdasonde, insbesondere der Heizung der Lambdasonde, aus einer höheren Spannung konvertiert werden.
  • Dabei ist gemäß der ersten Ausgestaltung der Tiefsetzer in einem Bereich zwischen beispielsweise einem Gehäuse der Lambda-Sonde und einem Netzspannungsanschluss innerhalb des Haushaltsgeräts angeordnet. Gemäß der zweiten Ausgestaltung ist der Tiefsetzer insbesondere in einem Gehäuse angeordnet, welches die Lambda-Sonde aufnimmt, oder der Lambda-Sonde funktionell zugeordnet. Anstatt des Netzspannungsanschlusses kann auch eine Gleichspannung verwendet werden, z.B. in Höhe von 24Volt.
  • Das Gargerät kann insbesondere ein Kochfeld, einen Ofen (Backofen und/oder Mikrowellenofen), einen Dampfgarer oder einen Vakuumgarer umfassen.
  • Erfindungsgemäß ist das Haushaltsgerät mit einer Ansteuerelektronik ausgestattet, wobei die Ansteuerelektronik der Lambda-Sonde vorgeschaltet ist oder die Lambda-Sonde eine Ansteuerelektronik aufweist.
  • Die Besonderheit der verwendeten Spannungskonvertierung ist in diesem Fall gemäß einer Ausgestaltung, dass die Konvertierung nicht bereits im zentralen Netzteil des Backofens stattfindet, sondern dezentral im Tiefsetzer auf der Ansteuerelektronik der Lambda-Sonde. Entsprechend wird die Ansteuerelektronik der Lambda-Sonde wie auch andere Komponenten des Haushaltsgeräts ebenfalls mit einer höheren Spannung (z.B. 24V), die im Backofen oder sonstigem Gargerät als beispielhaftem Haushaltsgerät für andere Verbraucher bereits vorliegt, versorgt.
  • Weiterhin ist eine Ausgangsspannung des Tiefsetzers als eine Sondenspannung an eine Sondenheizung der Lambda-Sonde angelegt.
  • Eine Weiterbildung ist es, dass ein Schalter des Tiefsetzers (109) mit einer Frequenz, die in einem Bereich zwischen 20kHz und 150kHz liegt, ansteuerbar ist.
  • So kann eine Steuer- oder Regeleinrichtung des Tiefsetzers vorgesehen sein, die ein Schaltsignal mit einer derartigen Frequenz einem Schalter des Tiefsetzers bereitstellt. Insbesondere kann der Tiefsetzer mindestens einen Schalter aufweisen, der mit einer solchen Frequenz ansteuerbar ist.
  • Gemäß einer zusätzlichen Weiterbildung ist der Tiefsetzer als ein SEPIC- oder als ein Ćuk-Wandler ausgeführt.
  • Auch ist es eine Weiterbildung, dass der Tiefsetzer in einem kontinuierlichen Übertragungsmodus (CCM = Continuous Conduction Mode) betrieben wird.
  • Mit Hilfe eines auf dem Modul platzierten Tiefsetzers in Ausgestaltung als insbesondere Tiefsetzer in einer Betriebsart mit einem "kontinuierlich fließenden" Strom wird die Heizsonden-Versorgungsspannung in Form einer stetigen Gleichspannung generiert, wobei die erzeugte bzw. bereitgestellte (konvertierte) Gleichspannung die maximal zulässige Spannung der Lambdasonde zu keinem Zeitpunkt übersteigt.
  • Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass das Haushaltsgerät als ein Gargerät ausgebildet ist und an einer Steuerung zum Steuern einer Garautomatik, insbesondere Backautomatik, zumindest eine Messgröße oder daraus abgeleitete Größe eines Sensors der Lambda-Sonde anliegt.
  • Dies ermöglicht beispielsweise eine vom Feuchtegehalt abhängige Bestimmung, wann ein Gargut oder Backgut fertig ist. Anstelle einer bislang zeitabhängigen Steuerung von Garprogrammen kann dadurch eine automatisierte Steuerung abhängig vom tatsächlichen Zustand des Garguts vorgenommen werden.
  • Die vorstehende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Lambda-Sonde eines Haushaltsgeräts, insbesondere Gargeräts.
  • Unter dem Betreiben wird insbesondere ein Versorgen einer solchen Komponente mit einer Betriebsspannung, ein Ansteuern einer Funktionalität der Sonde oder einer Sensorik der Sonde selber oder auch ein Bereitstellen von Messgrößen oder daraus abgeleiteten Parametern für andere Komponenten des Haushaltsgeräts verstanden.
  • Es ist auch eine Weiterbildung, dass mindestens ein Parameter der Lambda-Sonde gemessen wird.
  • Ein solcher Parameter ist insbesondere eine Messgröße, die einen Sauerstoffgehalt der Umgebung der Sonde repräsentiert.
  • Es ist noch eine Weiterbildung, dass das Haushaltsgerät mittels des mindestens einen Parameters angesteuert wird. Eine weitere Weiterbildung besteht darin, dass der Tiefsetzer mit einer Frequenz angesteuert wird, die zwischen 20kHz und 150kHz liegt.
  • Ermöglicht wird insbesondere der Einsatz handelsüblicher Lambda-Sonden, wie sie im KFZ- und LKW-Bereich eingesetzt werden, auch in einem Haushaltsgerät mit davon abweichender Spannungsversorgung. Eine Spannungsversorgung z.B. in Höhe von 12V stellt die Versorgung der Heizung der Lambdasonde (Sondenheizung) sicher. Neben einer 24V- und einer 5V-Versorgung, wie sie im Gargerät insbesondere zur Verfügung stehen, wird die 12V-Versorgung mittels des Tiefsetzers erreicht. Dies ist auch von Vorteil, wenn z.B. keine weitere Elektronikbaugruppe im Backofen eine 12V-Versorgung benötigt.
  • Weitere Vorteile insbesondere gegenüber bisher Bekanntem sind:
    • Es ist keine separate 12V-Versorgung der Lambda-Sonde nötig, die Versorgung erfolgt anhand der höheren in dem Haushaltsgerät verfügbaren Spannung mittels des hier genannten Tiefsetzers.
    • Stromspitzen werden reduziert, da die sich der Strom über die gesamte Einschaltdauer besser verteilt.
    • Die Sondenheizung wird gleichmäßig belastet, da die Sondenspannung dauerhaft und nicht als getaktetes Signal an der Sonde anliegt.
    • Ein Übersprechen der Sondenheizung auf das Sensorteil der Sonde wird minimiert aufgrund des kontinuierlichen Stromflusses in der Sondenheizung.
  • In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
    • Fig.1
    zeigt ein Gargerät und eine daran angeschlossene Sensorik mit einer Lambda-Sonde.
    Fig.2
    zeigt eine solche Sensorik mit zusätzlichen Komponenten.
    Fig.3
    zeigt ein Diagramm mit über einen zeitlichen Verlauf verschiedenen Spannungsverläufen.
  • Fig.1 zeigt einen Ausschnitt eines beispielhaften Gargeräts 101 und eine daran angeschlossene Lambda-Sonde 102. Die Lambda-Sonde 102 weist einen Sensor 103 und eine Sondenheizung 104 auf. Die Lambda-Sonde 102 ist an eine Steuerung 105 des Gargeräts 101 über eine Schnittstelle 106 angeschlossen. Die Lambdasonde 102 ist beispielhaft Teil einer Sensorik 107. Die Sensorik 107 kann außerhalb des Gargeräts 101 angeordnet oder als Teil des Gargeräts 101 ausgeführt sein.
  • Über die Schnittstelle 106 ist eine Leitung 108 mit einem Tiefsetzer 109 der Sensorik 107 verbunden. Auf der Leitung 108 liegt gegenüber Masse 110 eine Versorgungsspannung Uin in Höhe von beispielsweise 24V an. Insbesondere ist auch der Masseanschluss über eine Leitung mit der Schnittstelle 106 und der Masse des Gargeräts verbunden.
  • Der Tiefsetzer 109 dient dazu, die Versorgungsspannung Uin auf eine Sondenspannung Uout, z.B. 12V, zum Betrieb der Sondenheizung 104 zu konvertieren. Von dem Tiefsetzer 109 wird die Sondenspannung Uout über eine Leitung 111 der Sondenheizung 104 bereitgestellt, deren weiterer Anschluss mit Masse 110 verbunden ist.
  • Die Sensorik 107 ist außerdem über eine Signal- oder Datenleitung 112 mit der Schnittstelle 106 bzw. der Steuerung 105 verbunden, um über die Signal- oder Datenleitung 112 Daten oder Signale, die auf einer Messgröße des Sensors 103 beruhen, zu übertragen.
  • Der Tiefsetzer 109 umfasst einen Schalter 113, der in Reihe mit einer Spule 114 geschaltet ist, wobei zwischen dem Schalter 113 und der Spule 114 ein Knoten 118 angeordnet ist. Der Knoten 118 ist mit der Kathode einer Diode 115 verbunden, die Anode der Diode ist mit Masse 110 verbunden. Parallel zu dem Ausgang des Tiefsetzers ist ein Kondensator 116 angeordnet. Der Ausgang des Tiefsetzers 109 ist mit der Sondenheizung 104 verbunden.
  • Der Schalter 113 wird mit einem Schaltsignal 117 mit einer Schaltfrequenz f angesteuert. Durch die Dimensionierung des Tiefsetzers 109 in Verbindung mit dem Schaltsignal 117 ergibt sich eine entsprechende Konvertierung der eingehenden Spannung Uin in die ausgehende Spannung Uout, die zum Betrieb der Lamdbasonde 102, insbesondere der Sondenheizung 104, benötigt wird.
  • Ermöglicht wird so die Verwendung einer Versorgungsspannung Uout in Höhe von 24V, die größer als eine maximal zulässige Sondenspannung (z.B. 16,5V) ist. Der Tiefsetzer 109 verhindert, dass ein zu hoher Spannungswert an der Lambdasonde 102 anliegt und diese beschädigt.
  • Fig.2 zeigt eine schematische Darstellung der Sensorik 107 mit einer Sensorikeinrichtung 201, die der Lambdasonde 102 vorgeschaltet ist.
  • Die Sensorikeinrichtung 201 umfasst den Tiefsetzer 109. Die Leitung 108 für die Versorgungsspannung Uin führt in die Sensorikeinrichtung 201 und liegt wieder am Tiefsetzer 109 an, der über die Leitung 111 mit der Sondenheizung 104 verbunden ist. Die Sondenheizung 104 wie auch die Sensorikeinrichtung 201 sind jeweils auf Masse 110 geschaltet.
  • Von dem Sensor 103 führt eine Sensorleitung 202 zur Übertragung einer Messgröße 203 des Sensors 103 in die Sensorikeinrichtung 201. Die Sensorleitung 202 ist in der Sensorikeinrichtung 201 insbesondere mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 204 und mit einer Regeleinrichtung 205 verbunden, an welche die Messgröße 203 angelegt wird. Die Signalverarbeitungseinrichtung 204 dient zur Vorverarbeitung der Messgröße 203 und zum Ausgeben entsprechender (z.B. digitalisierter) Daten auf die Signal- oder Datenleitung 112.
  • Die Regeleinrichtung 205 regelt das Schaltsignal 117 (insbesondere die Schaltfrequenz f) und legt das Schaltsignal 117 über eine Leitung 206 an den Tiefsetzer 109 bzw. an dessen Schalter 113 an. Insbesondere kann die Regeleinrichtung 205 als ein so genannter PI-Regler (d.h. ein Regler mit einem proportionalen und einen integrierenden Anteil) ausgebildet sein.
  • In der Sensorikeinrichtung 201 ist insbesondere auch eine Überwachungseinrichtung 207 vorgesehen, die z.B. über einen Analog-Digital-Wandler mit der Leitung 111 zur Sondenheizung 104 verbunden ist. Die Überwachungseinrichtung 207 kann z.B. feststellen, ob die Spannung, die an die Sondenheizung 104 angelegt wird, in einem zulässigen Bereich liegt; gegebenenfalls kann die Überwachungseinrichtung 207 eine Abschaltung oder eine entsprechende Korrektur des Tiefsetzers 109 veranlassen.
  • Eine zweite Leitung 208 führt von der Schnittstelle 106 zum Anlegen einer weiteren Versorgungsspannung Ux von beispielsweise 5 V zu der Sensorikeinrichtung 201. Diese weitere Versorgungsspannung Ux dient zum Versorgen von verschiedenen Komponenten der Sensorikeinrichtung 201, wie beispielsweise der Signalverarbeitungseinrichtung 204, der Regeleinrichtung 205 und der Überwachungseinrichtung 207, die insbesondere (zumindest teilweise) mittels eines Programms in einer Kontrolleinheit, z.B. einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor, realisiert sein können.
  • Ermöglicht wird auf dieser Grundlage insbesondere eine Entwicklung eines Sensormoduls für Gargeräte 101, insbesondere Herde.
  • Gemäß der in Fig.1 schematisch dargestellten Ausgestaltung erfolgt eine Versorgung der Lambda-Sonde 102 mit der ersten Versorgungsspannung Uin, die entsprechend durch den Tiefsetzer 109 auf eine zulässige Spannung herabgesetzt wird. Der Tiefsetzer 109 wird dabei mit der höheren Versorgungsspannung Uin (z.B. 24V) betrieben. Über die Einstellung des Tastverhältnisses des Tiefsetzers sowie die Dimensionierung seiner Bauteile wird die Spannung Uout für die Sondenheizung 104 eingestellt. Die Ansteuerung des Tiefsetzers erfolgt z.B. mit Hilfe eines Mikroprozessors, wobei der Schalter 113 vorzugsweise mit einer Taktfrequenz z.B. in einem Bereich zwischen 20kHz und 150kHz betrieben wird.
  • Über das einstellbare Tastverhältnis kann die gewünschte Ausgangsspannung des Tiefsetzers 109 eingestellt werden. Der Mikroprozessor begrenzt dabei die Einschaltdauer in dem Maße, dass zu keinem Zeitpunkt eine größere Ausgangsspannung als die maximal für die Lambdasonde 102 zulässige Spannung anliegt. Die Einschaltdauer ton bzw. die sich einstellende Ausgangs- bzw. Sondenspannung Uout ergibt sich gemäß der folgenden Beziehung: t on = 1 f s ⋅ U out + U fw U in + U fw
    Figure imgb0002
     wobei
    • ton
    die Einschaltdauer innerhalb einer Periode T,
    fs
    eine Schaltfrequenz mit dem der Schalter 113 betrieben wird,
    Uout
    die von dem Tiefsetzer 109 bereitgestellte Ausgangsspannung,
    Uin
    die am Eingang des Tiefsetzers 109 anliegende und herabzusetzende Eingangsspannung,
    Ufw
    eine Vorwärtsspannung der eingesetzten Diode in dem Tiefsetzer (je nach Ausführung der Diode liegt die Vorwärtsspannung typischerweise zwischen 0,3V und 0,7V).
    bezeichnen.
  • Fig.3 zeigt an der Sonde bzw. an der Sensorik 107 den Spannungsverlauf, der sich unter Verwendung eines entsprechenden Tiefsetzers ergibt und eine indirekte Ansteuerung der Lambda-Sonde 102 mit der Versorgungsspannung Uin in Höhe von 24V. Erkennbar ist, dass die Sondenspannung Uout nicht mehr bis auf null zurückgeht.
  • Die Ansteuerung der Lambda-Sonde 102 bzw. der Sondenheizung 104 erfolgt hierbei nicht mit einer gepulsten Versorgungsspannung, sondern mit einer stetigen Gleichspannung. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßigere Stromverteilung und ein gleichmäßigerer bzw. schonender Sondenbetrieb. Die Versorgung der Sonde 102 bzw. der Sondenheizung 104 kann durch die Verwendung der entsprechenden Konvertierungsmaßnahme (d.h. den Tiefsetzer 109) auch mit einer Spannung stattfinden, die höher als die maximal zulässige Sondenspannung ist.
  • Aspekte des insbesondere verfahrenstechnischen Prinzips werden nachfolgend unter Verweis auch auf die Konfiguration gemäß Fig.2 beschrieben.
  • Der Innenwiderstand des Sensorik-Teils der Lambda-Sonde (zum Beispiel einer Nernst-Zelle) ist abhängig von einer Sondeninnentemperatur.
  • Die Sonde wird zur Auswertung des Sauerstoffgehalts vorzugsweise auf einer konstanten Temperatur, d.h. auf einem entsprechend konstanten Arbeitspunkt, gehalten. Diese Temperatur kann z.B. vom Sondenhersteller vorgegeben sein. Der Temperaturwert entspricht einem festen Sollwert des Innenwiderstands.
  • Der Mikroprozessor erfasst zyklisch den Ist-Innenwiderstand der Sonde, mit Hilfe des Sonden-Interface-Bausteins. Dieser Wert dient als Eingangssignal des (z.B. digitalen) PI-Reglers, der die Aufgabe hat, die Sondentemperatur konstant zu regeln.
  • Die hier vorgestellte neuartige Ansteuermöglichkeit sieht insbesondere vor, dass ein Tiefsetzer mit fester Arbeitsfrequenz betrieben wird (z.B. in einem Bereich von 20kHz bis 150kHz). Über das Stellsignal (Duty-Cycle) wird die analoge Ausgangsspannung des Tiefsetzers eingestellt.
  • Die Temperaturregelung ist verhältnismäßig träge. Daher reicht es aus, den PI-Regler z.B. gemäß eines 100Hz-Rasters zu betreiben bzw. zu bestimmen und den Tiefsetzer z.B. mit einer Frequenz von 80kHz anzusteuern. Somit wird der Duty-Cycle ("Tastverhältnis") beispielsweise nur alle 10ms neu eingestellt. Dazwischen, d.h. während der weiteren 80kHz-Zyklen, wirkt der eingestellte Duty-Cycle.
  • Optional kann die maximale Heizspannung mit Hilfe eines AD-Wandlers zusätzlich überwacht werden, damit sichergestellt wird, dass die Sonde nicht mehr als die zulässige Spannung Umax sieht (vergleiche Überwachungseinrichtung 207 in Fig.2).
  • Auf dem Sensormodul kann z.B. auch ein weiterer Sensor mitangesteuert werden, so dass der Einsatz als ein allgemeines Sensorik-Modul realisierbar ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 101
    Haushaltsgeräte, insbesondere Gargerät
    102
    Lambda-Sonde
    103
    Sensor
    104
    Sondenheizung
    105
    Steuerung
    106
    Schnittstelle
    107
    Sensorik
    108
    erste Leitung für eine Versorgungsspannung Uin
    109
    Tiefsetzer
    110
    Masse
    111
    Leitung zur Sondenheizung
    112
    Signal- oder Datenleitung
    113
    Schalter
    114
    Induktivität, insbesondere Spule
    115
    Diode
    116
    Kapazität, insbesondere Kondensator
    117
    Schaltsignal
    118
    Knoten
    201
    Sensorikeinrichtung
    202
    Sensorleitung
    203
    Messgröße
    204
    Signalverarbeitungseinrichtung
    205
    Regeleinrichtung für Tiefsetzer
    206
    Regelleitung zum Tiefsetzer
    207
    Überwachungseinrichtung
    208
    zweite Leitung für eine Versorgungsspannung Ux
    f
    Frequenz als Schaltfrequenz
    ton
    Einschaltdauer
    T
    Periode
    UBat
    Batteriespannung, insbesondere 12 V
    Uin
    erste Versorgungsspannung
    Uout
    Sondenspannung
    Ux
    zweite Versorgungsspannung

Claims (10)

  1. Haushaltsgerät (101), aufweisend eine Lambda-Sonde (102) mit einer Sondenheizung (104), dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Lambda-Sonde (102) eine Ansteuerelektronik (201) vorgeschaltet ist oder die Lambda-Sonde (102) eine Ansteuerelektronik (201) aufweist,
    - die Ansteuerelektronik (201) einen Tiefsetzer (109) aufweist,
    - die Ansteuerelektronik (201) einschließlich des Tiefsetzers (109) mit einer Versorgungsspannung versorgbar ist,
    - eine Ausgangsspannung des Tiefsetzers (109) als eine Sondenspannung (Uout) an eine Sondenheizung (104) der Lambda-Sonde (102) angelegt ist und
    - der Tiefsetzer im kontinuierlichen Übertragungsmodus betreibbar ist.
  2. Haushaltsgerät nach Anspruch 1 mit einer Sensorik (107), die Komponenten der Lambda-Sonde (102) vorgeschaltet ist, wobei die Sensorik (107) den Tiefsetzer (109) aufweist.
  3. Haushaltsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Schalter des Tiefsetzers (109) mit einer Frequenz, die in einem Bereich zwischen 20kHz und 150kHz liegt, ansteuerbar ist.
  4. Haushaltsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Tiefsetzer (109) als ein SEPIC- oder als ein Ćuk-Wandler ausgeführt ist.
  5. Haushaltsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Haushaltsgerät als ein Gargerät (101) ausgebildet ist und an einer Steuerung (105) zum Steuern einer Garautomatik, insbesondere Backautomatik, zumindest eine Messgröße (203) oder daraus abgeleitete Größe eines Sensors (103) der Lambda-Sonde (102) anliegt.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Lambda-Sonde (102) eines Haushaltsgeräts (101) mit einer Sondenheizung (104), dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Sonde (102) eine Ansteuerelektronik (201) vorgeschaltet ist oder die Lambda-Sonde (102) eine Ansteuerelektronik (201) aufweist, welche Ansteuerelektronik (201) einen Tiefsetzer (109) aufweist, wobei bei dem Verfahren:
    - die Ansteuerelektronik (201) einschließlich des Tiefsetzers (109) mit einer Versorgungsspannung versorgt wird,
    - eine Ausgangsspannung des Tiefsetzers (109) als eine Sondenspannung (Uout) an eine Sondenheizung (104) der Lambda-Sonde (102) angelegt wird und
    - der Tiefsetzer im kontinuierlichen Übertragungsmodus betrieben wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem mindestens ein Parameter der Lambda-Sonde (102) gemessen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem das Haushaltsgerät mittels des mindestens einen Parameters angesteuert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Tiefsetzer mit einer Frequenz angesteuert wird, die zwischen 20kHz und 150kHz liegt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 zur Durchführung in einem Haushaltsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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