Toaster Technik Klasse 10?
Hallo,
ich habe Schwierigkeiten diese 2 Fragen zu beantworten und will euch deshalb gerne um Hilfe Fragen.
- Am Beispiel eines Toaster begründen das er steuert mit Fachbegriffen
- Wie könnte man den Toaster zu einer Regelung erweitern.
Ich würde mich riesig über Hilfe freuen,
Lg
1 Antwort
Ich versuche das mal an einem ganz normalen Wald-und-Wiesen Toaster mit mechanischer Steuerung zu erläutern.
Wenn der Bediener die Toasts herunterdrückt, wird ein Stromkreis geschlossen, der gleichzeitig die Heizwendeln einschaltet, sowie auch einen Elektromagneten, der die Toasterlade unten hält. Das ist zum Einen ein Sicherheitsfeature (keine Spannung da, kein Haltemechanismus - Verhindert einen Brand bei Wiederkehren der Spannung), zum Anderen lässt man damit verbunden über eine Feder die Toasts wieder hochspringen.
Jetzt kommt die Sache der Steuerung: Am Gehäuse ist ein Regler des Bräunungsgrades. Der ist in Wirklichkeit mit einem mechanischem Bimetallschalter verbunden, der anhand der Einstellung des Bräunungsgrades ein Bimetall den Stromfluss unterbrechen lässt, Bräunungsgrad niedrig =Bimetall schaltet bereits bei geringer Erwärmung; Bräunungsgrad hoch =Bimetall schaltet erst bei relativ großer Erwärmung. Das Unterbrechen des Stromes lässt den Elektromagneten abschalten und damit springt das Toast hoch.
Warum ist das eine Steuerung?
Eine Steuerung steuert aufgrund von vorgegebenen Einheiten oder Werten und hat keinen Rückkanal zum Eingriff in den Prozess (jetzt mal frei formuliert).
Was passiert? Nach erfolgtem definierten Energieeintrag schaltet der Bimetallschalter. Größe ist hier der Energieeintrag in Form von Wärme, wann das Bimetall schaltet und damit die Toasts springen lassen.
Der große Nachteil dieser simplen Steuerung: Beim ersten Toast ist das Toast meist blass, der Nutzer dreht den Bräunungsgrad hoch, dann ist das Toast meist verbrannt. Grund: Am Anfang ist der Toaster kalt. Beim zweiten Toast liegt bereits eine Eigenerwärumung des Geräts vor und der Bimetallschalter schaltet früher.
Ganz einfach: Es fehlt der Rückkanal.
Jetzt kommt die große Bastelstunde um aus der Steuerung eine Regelung zu machen: Ich würde da jetzt einen Microcontroller reinpacken, der den Elektromagneten und den Verriegelungsmechanismus ansteuert. Gleichzeitig würde ich den Toaster um einen Infrarotsensor erweitern, der die Erhitzung des Toasts über die Zeit hinweg an den µC übermittelt. Das ist jetzt der Rückkanal an den µC, der mit seiner Software dann feststellt, ob der dem Bräunungsgrad entsprechenden Energieeintrag bereits erreicht ist oder ob noch mehr Energie (falls der Toaster kalt war oder das Toast im Kühlschrank war) zulässt und damit die Zeit verlängert bis der Elektromagnet auslöst. Gleichzeitig noch eine mechanische Temperatursicherung, verknüpft mit einem Kanal, was eine übergeordneten Software-Prozess des Not-Aus-Kreises auslöst.
Man kann jetzt noch einen Nerd-Faktor weiter gehen und den Heizwendeln ebenfalls einen Kanal des µC über einen Triac geben, der dann entsprechend Pulsweitenmoduliert mit einer Frequenz von ca. >18 kHz angesteuert wird, sonst sirrt das Ding wie wild, Modulationsgrad von ca. 80%. Der Energieeintrag erfolgt sozusagen über Stöße von Energie, Pulse in Abhängigkeit der Trägheit der Heizung, beim Anheizen für 1 Minute Dauerheizen, dann runter auf eine Frequenz eines "Energiestoßes" von ca 0,5Hz, in den Pulssenken misst dann der Infrarotsensor oder Pyrometer wie viel Temperatur genau in dieser Senke gemessen werden kann, damit kann noch präziser geregelt werden, da dann auf die bereits erreichte Temperatur des Toasts geschlossen und der Energieeintrag genauer auf dem Rückkanal errechnet werden kann. Die gemessene Temperatur wird mit dem Faktor t verknüpft und im Controller verrechnet. Und schon hat das Toast wissenschaftlich exakt den gleichen Bräunungsgrad.
Hier ganz wichtig, der Pyrometer ist der Rückkanal, der dem µC die Information über die tatsächliche Temperatur über die Zeit liefert und der µC entsprechend in den Prozess eingreifen kann und den Modulationsgrad auf bis zu 100% hochgehen kann. Das wäre dann halt der "Nerd" Nerd toaster. Durch den Rückkanal und der Möglichkeit über die Verarbeitung der Information im µC und der daraus erfolgenden Reaktion wird die Steuerung damit zur Regelung.
Frag aber nicht, was der "Nerd-Toaster" dann kosten wird. Ich kenne so ein paar Pyrometer von Optris, die kosten im Einkauf 385 Euro, würde aber sicher exakt gebräunte Toasts ergeben :-D
