Mehr Effizienz: Leistungsregelung für Micro-Hybrid Infrarot-Emitter
Micro-Hybrid Infrarotstrahler benötigen eine präzise Steuerung der elektrischen Leistung, um optimale Performance und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. In diesem Artikel stellen wir verschiedene Methoden zur Ansteuerung der Micro-Hybrid IR-Emitter vor, zeigen deren Vorteile und Einschränkungen auf und erklären, warum der Konstantleistungsmodus dem Konstantspannungsmodus überlegen ist – für gleichbleibende Strahlungsleistung und eine längere Lebensdauer.
Plancksches Gesetz
Die von Micro-Hybrid Electronics entwickelten Infrarotstrahler basieren auf einer elektrisch beheizten Membran als aktive Fläche. Die optische Leistung dieser Strahler folgt dem Planckschen Gesetz, das besagt, dass Intensität und Wellenlänge der abgestrahlten thermischen Strahlung von der Temperatur der Membran abhängen.
Mit anderen Worten: Je mehr elektrische Leistung zugeführt wird, desto höher steigt die Temperatur und desto stärker ist die Strahlung innerhalb der Grenzen von Material und Lebensdauer. Eine höhere Temperatur verkürzt jedoch die Lebensdauer des Emitters. Deshalb ist es entscheidend, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistungsabgabe und Haltbarkeit zu finden. Mit einer prognostizierten Lebensdauer von über zehn Jahren bieten die Infrarot-Emitter von Micro-Hybrid viel Spielraum für Optimierungen, sofern die elektrische Ansteuerung präzise geregelt wird.
Konstantspannungsmodus
Obwohl der Konstantspannungsmodus die einfachste und kostengünstigste Methode zur Versorgung eines Strahlers darstellt, ist er nicht ideal. Nach dem Ohmschen Gesetz gilt:
Die Leistung kann aus der Spannung berechnet werden, sofern der Widerstand als konstant angenommen wird. Die Spannungsmessung ist unkompliziert und erfordert keinen Strommesswiderstand.
Der Konstantspannungsmodus hat jedoch entscheidende Einschränkungen: Der Membranwiderstand verändert sich mit der Temperatur, wodurch sich die zugeführte Leistung trotz konstanter Spannung ändert. Zusätzlich führen Widerstandsschwankungen durch Fertigungstoleranzen und Alterung zu weiteren Ungenauigkeiten. Daher ist dieser Modus für Anwendungen, die hohe Stabilität oder präzise Steuerung erfordern, ungeeignet und kann im Laufe der Zeit zu Leistungsschwankungen führen.
Konstantleistungsmodus
Die empfohlene Methode zur Ansteuerung des Strahlers ist der Konstantleistungsmodus. In diesem Betriebsmodus wird die elektrische Leistung aktiv geregelt, um eine konstante Energiezufuhr sicherzustellen – unabhängig von Widerstandsänderungen. Dies kann entweder mit analogen oder digitalen Regelsystemen umgesetzt werden:
Analoge Implementierung:
Ein analoger Multiplizierer kann zur Leistungsregelung eingesetzt werden. Diese Methode ist jedoch kostenintensiv, anfällig für Linearitätsfehler und elektrische Störungen und aufgrund der Bauteilkosten in der Serienproduktion weniger skalierbar.
Digitale Implementierung:
Ein Mikrocontroller kann sowohl Strom als auch Spannung messen und deren Produkt digital regeln. Diese Methode ist kostengünstiger, erfordert jedoch die Entwicklung von Firmware, ein effizientes Bandbreitenmanagement, die Berücksichtigung von Störsignalen sowie eine präzise Sensorkalibrierung
Vorteile des Konstantleistungsmodus
Der Einsatz des Konstantleistungsmodus gewährleistet eine langfristig stabile optische Ausgangsleistung selbst bei Widerstandsänderungen durch Temperatur, Alterung oder Fertigungstoleranzen. Dies ist insbesondere für Anwendungen entscheidend, die eine zuverlässige Kalibrierung erfordern. Gleichzeitig wird die Lebensdauer des Strahlers maximiert, ohne die gewünschte Ausgangsleistung zu beeinträchtigen.
Anwendungsbeispiel: Dürresensoren
In der Umweltüberwachung, insbesondere bei der Dürreerkennung, ist eine langfristige Stabilität der Sensoren entscheidend. Eine Drift der Infrarotstrahlung infolge von Widerstandsänderungen kann die Datenqualität erheblich beeinträchtigen. Meldet ein Sensor fälschlicherweise erhöhte CO₂-Werte, könnte dies darauf hindeuten, dass Pflanzen aktiv CO₂ aufnehmen und gesund sind obwohl sie tatsächlich unter Wassermangel leiden.
Umgekehrt kann eine Drift, die zu niedrigeren CO₂-Werten führt, fälschlicherweise starken Pflanzenstress und einen dringenden Bewässerungsbedarf signalisieren selbst wenn ausreichend Wasser vorhanden ist. Dies kann zu unnötiger Bewässerung führen, wodurch Wasser und Energie verschwendet werden und die Pflanzen durch Überwässerung sogar geschädigt werden können.
Fazit
Auch wenn einfachere Methoden wie der Konstantspannungsmodus aufgrund geringerer Kosten verlockend erscheinen, können sie die für langfristige, hochzuverlässige Anwendungen erforderliche Stabilität und Präzision nicht gewährleisten. Der Konstantleistungsmodus bietet dagegen:
- Höchste Stabilität
- Ausgleich von Widerstandsschwankungen
- Verlängerte Lebensdauer des Strahlers
- Bessere Kalibrierungskonstanz
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