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In diesem Artikel wird ein neu entwickeltes Werkzeug zur Dimensionierung von Bonddrähten im ASIC-Entwurf vorgestellt. Die Berücksichtigung aller Einflussfaktoren erlaubt eine gegenüber Handrechnungen optimierte Auslegung der Bondanordnung. Dies ermöglicht zum einen die Absicherung gegen Degradationseffekte bis hin zum Durchbrennen und garantiert so die Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer. Zum anderen wird eine aus Zuverlässigkeitserwägungen resultierende Überdimensionierung vermieden.
Das Werkzeug erlaubt die Kalkulation aller für die Auslegung von Bonddrähten relevanten Parameter. Je nach Kontext der Aufgabenstellung lassen sich die Stromtragfähigkeit für Dauerstrom oder Pulsstrombelastung, kritische Temperaturen oder die maximale Bonddrahtlänge als Ausgabegrößen berechnen. Durch diese Flexibilität und die benutzerfreundliche Integration in eine industrielle Entwicklungsumgebung ist der „Bond-Rechner“ im gesamten Entwurfsverlauf einsetzbar und leistet wertvolle Hilfestellung von ersten Abschätzungen in frühen Entwurfsphasen bis hin zur abschließenden Verifikation.
Ein praktikables Mittel zur Erhöhung des Automatisierungsgrads im analogen IC-Entwurf ist die Verwendung parametrisierter Zellen. Diese sogenannten pCells werden eingesetzt, um determinierte Layouts automatisch zu erzeugen, und zwar in der Regel für einzelne Bauelemente wie Transistoren oder Dioden. Der vorliegende Beitrag zeigt die Potenziale eines erweiterten pCell-Konzepts, mit dem determinierte Layouts als auch Schaltpläne für ganze Schaltungsmodule automatisch generiert werden können. Als Beispiel wird eine solche Modul-pCell für analoge Stromspiegel beschrieben, die nicht nur die Dimensionierung der Einzeltransistoren, sondern auch verschiedene Transistortypen, beliebige Spiegelverhältnisse und sogar mehrere Topologien sowie weitere Freiheitsgrade implementiert. Das dadurch erzielte Maß an Flexibilität erlaubt es, die zahlreichen schaltungstechnischen Varianten im Analogbereich abzudecken, die ansonsten oftmals Hürden für Automatisierungsansätze darstellen.
Der Entwurf analoger integrierter Schaltkreise ist bis heute durch einen weitgehend manuellen Entwurfsstil mit anschließender Verifikation gekennzeichnet. Das Backend dieses Prozesses bildet der Layoutentwurf, der mit der SDL-Methode (schematic driven layout) durchgeführt und mit den Verifikationsschritten DRC und LVS abgeschlossen wird. Als Ziel wird i.a. in Analogie zu den im Digitalbereich existierenden Lösungen eine vollautomatische Layoutsynthese auch für Analogschaltungen angestrebt. Die hier vorgeschlagene neue Designmethodik hat nicht diese vielfach geforderte Layoutsynthese im Analogbereich zum Inhalt. Sie stellt vielmehr einen realistischeren - und aus Sicht des Autors vor allem notwendigen - Zwischenschritt dar. Die Kernaussage besteht darin, dass zunächst eine Methode bereitzustellen ist, bei der alle die Schaltungsfunktion beeinflussenden Randbedingungen (constraints) rechnergestützt prüfbar sein müssen. Erst auf dieser Basis wird es gelingen, in einem weiteren Schritt analoges Layout zu synthetisieren. Diese These wird aus einer Betrachtung der historischen Entwicklung der EDA-Werkzeuge hergeleitet. Die Extrapolation dieser Historie lässt eine Wegskizze für einen neuen "constraint-driven" Designflow erkennen, dessen Hauptvorteil in einer rechnergestützten Absicherung der Schaltungsfunktion besteht. Weitere mögliche neue Merkmale eines solchen Designflows werden diskutiert: Abkehr von den klassischen sequentiellen Designschritten wie Platzierung und Routing hin zu einer "kontinuierlichen" Layoutentstehung und neuartige Chancen für eine wesentlich verbesserte Wiederverwendbarkeit (reuse) von Layoutergebnissen durch die Nutzung höherer Abstraktionsebenen.
Die Spannungsversorgung elektronischer Steuergeräte im Automotive-Bereich wird zunehmend durch Schaltregler sichergestellt. Der SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) besitzt die Eigenschaft, eine Spannung aufwärts wie auch abwärts wandeln zu können und könnte somit klassische Buck- und Boost-Wandler ablösen. Dieser Beitrag untersucht den SEPIC hinsichtlich Eignung für Automotive-Anwendungen. Dazu wurde eine Groß- sowie Kleinsignalanalyse am Wandler durchgeführt, mit geeigneten Simulationsmodellen nachgebildet und Messungen gegenüber gestellt. Der SEPIC zeigt als Hauptvorteile:
1. einen verzugsfreien Übergang zwischen Buck-/Boost Betrieb, 2. geringe Eingangswelligkeit, 3.DC-Kurzschlussfestigkeit. Auch hinsichtlich Wirkungsgrad und EMV-Verhalten stellt der SEPIC eine interessante Alternative dar. Der zwischen Ein- und Ausgang liegende Kondensator wird dauerhaft von einem Strom durchflossen, auf Basis der Effektivströme wird das damit verbundene Ausfallrisiko diskutiert.
Das Gehör ist mehr als jedes andere Sinnesorgan für die menschliche Sprache und ihre Entwicklung verantwortlich und stellt auf kleinstem Raum ein anatomisch und physiologisch einzigartiges Gebilde dar. Es beeindruckt vor allem durch seinen großen Dynamikbereich.
Während im Bereich der Hörschwelle der eben hörbare Schalldruck etwa 20 μPa beträgt, können die Drucke und Amplituden bis zur Schmerzgrenze noch etwa zweimillionenfach gesteigert werden. Derartige physiologische Schalldrücke sind jedoch immer noch verschwindend klein gegenüber den ebenfalls auf das Ohr einwirkenden statischen Luftdruckschwankungen, wie sie beispielsweise beim Treppensteigen, Zug- bzw. Autofahren, Fliegen oder beim Naseputzen vorkommen. Zwar führen diese zu einer veränderten Wahrnehmung, jedoch nicht zu einer Schäadigung des Ohrs. Diese Fähigkeit, trotz großer statischer Druckschwankungen in der Umgebung, gleichzeitig winzige physiologische Schalldrücke wahrnehmen zu können, ist hauptsächlich in den nichtlinearen, viskoelastischen Eigenschaften der Gelenke und Bänder des Mittelohrs sowie des Trommelfells begründet.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, dieses nichtlineare Verhalten des Mittelohrs bei großen Belastungen und großen Verschiebungen durch nichtlineare, räumliche Ersatzmodelle auf mechanischer Basis abzubilden. Zur Charakterisierung der nichtlinearen Eigenschaften der Gerhörknöchelchenkette werden statische und dynamische Messungen an humanen Felsenbeinen durchgeführt. Ein besonderes Augenmerk ist auf die Charakterisierung der nichtlinearen, viskoelastischen Eigenschaften des Ringbands, des Trommelfells, der Trommelfellsehne und der beiden Mittelohrgelenke gerichtet. Im Blick auf die klinische Praxis wird zum einen anhand von Messergebnissen das Schädigungsrisiko bei einer Stapeschirurgie diskutiert sowie die Auswirkungen von Vorspannungen im Mittelohrapparat am Beispiel des aktiven Implantats Carina untersucht.
Universelle OTA-Testbench
(2014)
Es wird eine universell einsetzbare Testbench zur Simulation von integrierten Schaltungen innerhalb der OTA-Schaltungsklasse (Operational Transconductance Amplifier; Transkonduktanzverstärker) vorgestellt. Transkonduktanzverstärker sind in der analogen Schaltungstechnik weit verbreitet und daher von großer Bedeutung. Sie treten sowohl als eigenständige Schaltungen innerhalb eines Chips, sowie als Bestandteil anderer Schaltungen (z.B. als erste und zweite Stufe von Operationsverstärkern) auf. Es kann davon ausgegangen werden, dass heute kaum ein analoger oder Mixed-Signal-Chip gefertigt wird, in dem keine Transkonduktanzverstärker verbaut sind. Die Entscheidungsfindung des Entwicklers bei der Auslegung eines OTAs beruht maßgeblich auf einer anwendungsspezifischen Simulation. Die Erstellung einer eigenen Testbench für jede Anwendung bedeutet allerdings einen hohen Zeitaufwand und erschwert den Vergleich der Simulationsergebnisse unterschiedlicher Schaltungsvarianten. Durch eine universelle Testbench kann zum einen der Zeitaufwand verringert werden, zum anderen können nun Simulationsergebnisse direkt miteinander verglichen werden. Hierdurch wird die Entscheidungsfindung des Entwicklers objektiviert und beschleunigt. Neben dem Vergleich unterschiedlicher Schaltungen innerhalb einer Technologie ist auch der Vergleich einer Schaltung in unterschiedlichen Technologien denkbar. Die Idee einer universell anwendbaren Testbench lässt sich auch auf andere analoge Schaltungsklassen anwenden und damit als Prinzip verallgemeinern.
Es wird das Ziel verfolgt, eine Möglichkeit für die sichere Wiederverwendbarkeit von Schaltungen aus der OTA-Schaltungsklasse bereitzustellen. Hierfür werden ausgewählte OTA-Schaltungstopologien für die "Copy-and-Paste"-Methode vorgestellt. Es wurde im industriellen Umfeld gezeigt, dass sie sich unter der Voraussetzung einer repräsentativen Topologieauswahl – vordimensioniert für den typischen Anwendungsbereich – schon in dieser Form für die Wiederverwendung eignen.
Mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger Computer haben rechnergestützte Simulationsverfahren überall in Wissenschaft und Technik Einzug gehalten. Die modellbasierte Simulation als "virtuelles Experiment" stellt insbesondere im Entwurf technischer Systeme ein wirksames und längst unverzichtbares Hilfsmittel dar, um Entwicklungsergebnisse hinsichtlich gewünschter Eigenschaften abzusichern. Die Möglichkeiten heutiger Simulationsmethoden sind faszinierend, weshalb gerade Anfänger (aber nicht nur diese) der Gefahr ausgesetzt sind, deren Ergebnisse unkritisch zu übernehmen. Besondere Bedeutung kommt hier der Lehre zu. Neben der Anwendung der Simulationswerkzeuge ist es wichtig, den Studierenden auch deren theoretische Grundlagen nahe zu bringen und damit ihr Bewusstsein hinsichtlich der Grenzen der Simulation zu schärfen. Der Workshop der ASIM/GI-Fachgruppen "Simulation technischer Systeme" und "Grundlagen und Methoden in Modellbildung und Simulation" bringt Fachleute aus Wirtschaft und Wissenschaft zum Erfahrungsaustausch rund um die Simulation zusammen. Hierbei werden alle Aspekte von den Grundlagen über die Methoden bis hin zu Werkzeugen und Anwendungsbeispielen angesprochen.
In diesem Beitrag wurde gezeigt, wie ein bereits bekanntes Verfahren zur modellprädiktiven Regelung zur Optimierung der Energieeffizienz einer Asynchronmaschine im dynamischen Betrieb eingesetzt werden kann. Dazu wurden zunächst die Beziehungen für die Verlustleistung bei alleiniger Berücksichtigung der Kupferverluste im dynamischen Betrieb hergeleitet. Ausgehend davon wurde das Optimierungsproblem formuliert, der Einfluss von Parametern des modellprädiktiven Verfahrens auf das Optimierungsergebnis untersucht und damit Vorschlagswerte für diese Parameter ermittelt. Der Vergleich mit zwei weiteren Verfahren ohne Optimierung bzw. mit Optimierung allein für stationäre Arbeitspunkte zeigt die Vorteile des modellprädiktiven Verfahrens.
Dynamik beim Schleifen
(2014)
Schleifen ist ein Bearbeitungsverfahren zur Erzeugung höchster Oberflächengenauigkeiten. In vielen Fällen sind geschliffene Oberflächen Funktionsflächen der späteren Bauteile, bei denen es nicht nur auf die Maß- und Formhaltigkeit, sondern auch auf die Rauheit und das optische Erscheinungsbild ankommt. Doch viele Einflussgrößen aller an der Zerspanung beteiligten Komponenten können das Schleifergebnis trüben. An der FH Reutlingen forscht man daran, diese Einflussgrößen in den Griff zu bekommen.
Das Buch beinhaltet Übungsaufgaben, die im Rahmen der Vorlesung Fluidmechanik im 3. Semester des Bachelorstudiengangs Maschinenbau an der Fakultät Technik der Hochschule Reutlingen behandelt werden. Diese Übungsaufgaben sind zum größten Teil alte Prüfungsaufgaben und betreffen vier Kapitel aus der Vorlesung Fluidmechanik. Diese sind "Fluidstatik", "Fluiddynamik", "Impulssatz" und "verlustbehaftete Strömungen". Anhand der angegebenen ausführlichen Lösungen sind die Studierenden in der Lage, den Lösungsweg einzelner Aufgaben zu verifizieren und können sich so optimal auf die Prüfung vorbereiten.
Die Hochschule Reutlingen hat eine vergleichende Untersuchung an Spannfuttern für Schaftfräser vorgenommen. Fazit: Die Steifigkeit einer Aufnahme hat einen stärkeren Einfluss auf das Schwingverhalten als das Dämpfungsvermögen.
Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen besitzt entscheidenden Einfluss auf die Bearbeitungsergebnisse. Zusammen mit dem Eigenverhalten der Maschine und dem Werkstück ergibt dies die für die Bearbeitungsgenauigkeit entscheidende statische Steifigkeit und die dynamische Nachgiebigkeit. Im Folgenden wird das Zusammenspiel dieser Komponenten im System näher dargestellt.
Noch sind Elektrofahrzeuge die Ausnahme auf deutschen Straßen – im Gegensatz beispielsweise zu Innenstadträumen in China. Lediglich Fahrräder mit elektrischer Antriebsunterstützung haben inzwischen auch in Deutschland eine größere Verbreitung gefunden. Nach wie vor ist jedoch die breite Erfahrung im alltäglichen Einsatz von elektrisch betriebenen Fahrzeugen relativ gering. An der Hochschule Reutlingen steht eine Flotte von 10 Elektrozweirädern, bestehend aus 5 Elektrofahrrädern (Pedelecs) und 5 Elektrorollern (E-Scooter) zur Verfügung. Hiermit werden mehrere Ziele verfolgt: Zum einen soll jedes Mitglied der Hochschule die Möglichkeit haben, Elektrofahrzeuge auszuprobieren und erste Erfahrungen zu sammeln. Andererseits stellen die Fahrzeuge eine Plattform für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten dar. So ist ein Internet-basiertes Reservierungs- und Flottenmanagementsystem entstanden, das auch statistische Auswertungen zulässt. Eine weitere Entwicklung befasst sich mit genauen Reichweitenvorhersagesystemen, mit dem Ziel, die bislang recht ungenaue Batterie-Ladestandsanzeige zu verbessern oder zu ersetzen.
Die sogenannte Systemsimulation, bei der mehrere physikalische Domänen gemeinsam simuliert werden, erlaubt die Analyse komplexer und damit realitätsnaher Systeme und spielt eine zunehmend größere Rolle bei der Auslegung von Komponenten. Enthält das System Teile, die durch Feldgrößen aus unterschiedlichen physikalischen Domänen beschrieben werden müssen, kann man Co-Simulationen einsetzen, die allerdings zeitaufwändig sind. Für die Auslegung des Systems ist es dagegen notwendig, Systemsimulationen schnell durchzuführen zu können. Hierfür können für ausgewählte Bauteile oder Domänen schnellere reduzierte Ersatzmodelle (ROM) eingesetzt werden. In dieser Arbeit stellen wir ein reduziertes Modell für elektromechanische Bauteile mit Berücksichtigung von Wirbelströmen vor. Wirbelstromeffekte hängen nicht nur vom aktuellen Zustand, sondern auch von der Geschichte der elektromagnetischen Domäne ab. Das vorgestellte Ersatzmodell basiert auf Daten, die mit einer Reihe von stationären Feldsimulationen vorab erzeugt werden. Für die Modellierung der geschichtsabhängigen Wirbelstromeffekte wird ein Konvolutionsansatz (Faltungsansatz) verwendet. Vergleiche mit entsprechenden Co-Simulationen in ANSYS Maxwell und Simplorer zeigen am Beispiel eines Hubankers, dass das Ersatzmodell in der Lage ist, die wesentlichen Eigenschaften des Bauteils physikalisch korrekt abzubilden.
Bei der Zerspanung mit geometrisch definierter Schneide (z.B. Drehen, Fräsen, Bohren, Reiben, Sägen, Hobeln, Stoßen, Räumen) werden Zerspanwerkzeuge mit einer definierten Schneidengeometrie verwendet. Die Werte der einzelnen geometrischen Maße basieren auf Richt- und Erfahrungswerten. Die Definition der einzelnen Geometriemerkmale (z.B. Winkel) sind in DIN 6581 enthalten. In den letzten Jahren wurden zur Ermittlung des Prozessverhaltens unterschiedlicher Geometrieparameter Forschungsprojekte durchgeführt, die die Einflüsse der Schneidengestaltung untersuchen (z.B. Zabel 2010). Die Schneidengeometrie wird in der Regel mit den Verfahren Schleifen, Erodieren oder Laserbearbeitung erzeugt. Die Werkzeuge werden auf Universal- oder Spezial(werkzeugschleif)maschinen hergestellt und aufbereitet. Die Ausstattung und der Automatisierungsgrad richtet sich nach den zu bearbeitenden Merkmalen der Werkzeuge und deren Häufigkeit.
Durch schnell schaltende Leistungsendstufen werden durch kapazitive Umladeströme Störungen ins Substrat und in empfindliche Schaltungselemente eingekoppelt, die dort zur Störung der Funktion führen können. In dieser Arbeit werden Substratstrukturen zur gezielten Ableitung dieser Störungen vorgestellt und ihre Wirksamkeit mit Hilfe von Device Simulation evaluiert. Ohne Ableitstrukturen kann eine Potentialanhebung des Substrats bis zu 20 V entstehen. Die Untersuchungen belegen, dass die Potentialanhebung durch p-Typ Guard-Ringe um 75 %, durch leitende Trenches um 88 % sowie durch Rückseitenmetallisierung um nahezu 100 % reduziert werden kann.
Der elektrische Wirkungsgrad stellt eines der wichtigsten Bewertungskriterien für BHKW dar, da über diese Größe ausgedrückt wird, wie viel des Wertproduktes „elektrische Energie“ bezogen auf die eingesetzte oder aufzuwendende Brennstoffenergie produziert werden kann. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad ist somit gleichbedeutend mit hohen Erlösen aus dem Verkauf der erzeugten elektrischen Energie und damit eine grundlegende Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb eines BHKWs. Folglich sind die Hersteller von BHKW bestrebt, den elektrischen Wirkungsgrad ihrer Geräte kontinuierlich zu verbessern und nach oben zu treiben. Dieses Bemühen zeigt sich eindrucksvoll an der Entwicklung der mechanischen Effizienz von Gasmotoren der Firma GE Jenbacher. Während mit Motoren der Baureihe 6 im Leistungsbereich 1,8 – 4,4 MWel im Jahr 1988 eine mechanische Effizienz von 34% erreichbar war, liegt dieser Wert mittlerweile bei etwa 47,5%. Diese enorme Steigerung konnte im Wesentlichen durch eine Erhöhung des mittleren effektiven Zylinderarbeitsdrucks von etwa 10 bar im Jahr 1988 auf derzeit 24 bar erzielt werden. Dabei hilft der Magerbetrieb, der gleichzeitig ein Zurückdrängen der NOx-Emissionen bewirkt, die Klopfgrenze zu höheren Drücken hin zu verschieben. Eine sichere Zündung des Gas-Luft-Gemisches wird durch die Vorkammerzündung erreicht.