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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.
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.
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.
A fast transient current-mode buckboost DC-DC converter for portable devices is presented. Running at 1 MHz the converter provides stable 3 V from a 2.7 V to 4.2 V Li-Ion battery. A small voltage under-/overshoot is achieved by fast transient techniques: (1) adaptive pulse skipping (APS) and (2) adaptive compensation capacitance (ACC). The proposed converter was implemented in a 0.25 μm CMOS technology. Load transient simulations confirm the effectiveness of APS and ACC. The improvement in voltage undershoot and response time at light-to-heavy load step (100 mA to 500 mA), are 17 % and 59 %, respectively, in boost mode and 40 % and 49 %, respectively, in buck mode. Similar results are achieved at heavy-to-light load step for overshoot and response time.
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.
IGBT modules with anti-parallel FWDs are widely used in inductive load switching power applications, such as motor drive applications. Nowadays there is a continuous effort to increase the efficiency of such systems by decreasing their switching losses. This paper addresses the problems arising in the turn-on process of an IGBT working in hard-switching conditions. A method is proposed which achieves – contrary to most other approaches – a high switching speed and, at the same time, a low peak reverse-recovery current. This is done by applying an improved gate current waveform that is briefly lowered during the turn-on process. The proposed method achieves low switching losses. Its effectiveness is demonstrated by experimental results with IGBT modules for 600V and 1200V.
Advanced power semiconductors such as DMOS transistors are key components of modern power electronic systems. Recent discrete and integrated DMOS technologies have very low area-specific on-state resistances so that devices with small sizes can be chosen. However, their power dissipation can sometimes be large, for example in fault conditions, causing the device temperature to rise significantly. This can lead to excessive temperatures, reduced lifetime, and possibly even thermal runaway and subsequent destruction. Therefore, it is required to ensure already in the design phase that the temperature always remains in an acceptable range. This paper will show how self-heating in DMOS transistors can be experimentally determined with high accuracy. Further, it will be discussed how numerical electrothermal simulations can be carried out efficiently, allowing the accurate assessment of self-heating within a few minutes. The presented approach has been successfully verified experimentally for device temperatures exceeding 500 ◦C up to the onset of thermal runaway.
This paper presents a new broadband antenna for satellite communications. It describes the procedure involved in the design of a microstrip antenna array and its multi-level passive feed network that together yield circular polarization and the necessary gain to be used in an earth-satellite link. The designed antenna is notable for its large bandwidth, circular polarization, high gain and small dimensions.
This paper presents the design and simulation processes of an Equiangular Spiral Antenna for the extremely high frequencies between 65 GHz and 170 GHz. A new approach for the analysis of the antenna’s electrical parameters is described. This approach is based on formalism proposed by Rumsey to determine the EM field produced by an equiangular spiral antenna. Analytical expressions of the electrical parameters such as the gain or the directivity are then calculated using well sustained mathematical approximations. The comparison of obtained results with those from numerical integration methods shows a good agreement.
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.
DMOS transistors are often subject to high power dissipation and thus substantial self-heating. This limits their safe operating area because very high device temperatures can lead to thermal runaway and subsequent destruction. Because the peak temperature usually occurs only in a small region in the device, it is possible to redistribute part of the dissipated power from the hot region to the cooler device areas. In this way, the peak temperature is reduced, whereas the total power dissipation is still the same. Assuming that a certain temperature must not be exceeded for safe operation, the improved device is now capable of withstanding higher amounts of energy with an unchanged device area. This paper presents two simple methods to redistribute the power dissipation density and thus lower the peak device temperature. The presented methods only require layout changes. They can easily be applied to modern power technologies without the need of process modifications. Both methods are implemented in test structures and investigated by simulations and measurements.
To improve the energy conversion efficiency of solar organic cells, the clue may lie in the development of devices inspired by an efficient light harvesting mechanism of some aquatic photosynthetic microorganisms that are adapted to low light intensity. Consequently, we investigated the pathways of excitation energy transfer (EET) from successive light harvesting pigments to the low energy level inside the phycobiliprotein antenna system of Acaryochloris marina, a cyanobacterium, using a time resolved absorption difference spectroscopy with a resolution time of 200 fs. The objective was to understand the actual biochemical process and pathways that determine the EET mechanism. Anisotropy of the EET pathway was calculated from the absorption change trace in order to determine the contribution of excitonic coupling. The results reveal a new electron energy relaxation pathway of 14 ps inside the phycocyanin component, which runs from phycocyanin to the terminal emitter. The bleaching of the 660 nm band suggests a broader absorption of the terminal emitter between 660 nm and 675 nm. Further, there are trimer depolarization kinetics of 450 fs and 500 fs in high and low ionic strength, respectively, which arise from the relaxation of the β84 and α84 in adjacent monomers of phycocyanin. Under conditions of low ionic strength buffer solution, the evolution of the kinetic amplitude during the depolarization of the trimer is suggestive of trimer conservation within the phycocyanin hexamer. The anisotropy values were 0.38 and 0.40 in high and in low ionic strength, respectively, indicating that there is no excitonic delocalization in the high energy level of phycocyanin hexamers.
We investigated the excitation modes of the light-harvesting protein phycocyanin (PC) from Thermosynechococcus vulcanus in the crystalline state using UV and near-infrared Raman spectroscopy. The spectra revealed the absence of a hydrogen out-of-plane wagging (HOOP) mode in the PC trimer, which suggests that the HOOP mode is activated in the intact PC rod, while it is not active in the PC trimer. Furthermore, in the PC trimer an intense mode at 984 cm−1 is assigned to the C–C stretching vibration while the mode at 454 cm−1 is likely due to ethyl group torsion. In contrast, in the similar chromophore phytochromobilin the C5,10,15-D wag mode at 622 cm−1 does not come from a downshift of the HOOP. Additionally, the absence of modes between 1200 and 1300 cm−1 rules out functional monomerization. A correlation between phycocyanobilin (PCB) and phycoerythrobilin (PEB) suggests that the PCB cofactors of the PC trimer appear in a conformation similar to that of PEB. The conformation of the PC rod is consistent with that of the allophycocyanin (APC) trimer, and thus excitonic flow is facilitated between these two independent light harvesting compounds. This excitonic flow from the PC rod to APC appears to be modulated by the vibration channels during HOOP wagging, C = C stretching, and the N–H rocking in-plan vibration.
In visual adaptive tracking, the tracker adapts to the target, background, and conditions of the image sequence. Each update introduces some error, so the tracker might drift away from the target over time. To increase the robustness against the drifting problem, we present three ideas on top of a particle filter framework: An optical-flow-based motion estimation, a learning strategy for preventing bad updates while staying adaptive, and a sliding window detector for failure detection and finding the best training examples. We experimentally evaluate the ideas using the BoBoT dataseta. The code of our tracker is available online.
The capability of the method of Immersion transmission ellipsometry (ITE) (Jung et al. Int Patent WO, 2004/109260) to not only determine three-dimensional refractive indices in anisotropic thin films (which was already possible in the past), but even their gradients along the z-direction (perpendicular to the film plane) is investigated in this paper. It is shown that the determination of orientation gradients in deep-sub-lm films becomes possible by applying ITE in combination with reflection ellipsometry. The technique is supplemented by atomic force microscopy for measuring the film thickness. For a photooriented thin film, no gradient was found, as expected. For a photo-oriented film, which was subsequently annealed in a nematic liquid crystalline phase, an order was found similar to the one applied in vertically aligned nematic displays, with a tilt angle varying along the z-direction. For fresh films, gradients were only detected for the refractive index perpendicular to the film plane, as expected.
DMOS transistors in integrated power technologies are often subject to significant self-heating and thus high temperatures, which can lead to device failure and reduced lifetime. Hence, it must be ensured that the device temperature does not rise too much. For this, the influence of the on-chip metallization must be taken into account because of the good thermal conductivity and significant thermal capacitance of the metal layers on top of the active DMOS area. In this paper, test structures with different metal layers and vias configurations are presented that can be used to determine the influence of the onchip metallization on the temperature caused by self-heating. It will be shown how accurate results can be obtained to determine even the influence of small changes in the metallization. The measurement results are discussed and explained, showing how on-chip metallization helps to lower the device temperature. This is further supported by numerical simulations. The obtained insights are valuable for technology optimization, but are also useful for calibration of temperature simulators.
Bionic optimisation is one of the most popular and efficient applications of bionic engineering. As there are many different approaches and terms being used, we try to come up with a structuring of the strategies and compare the efficiency of the different methods. The methods mostly proposed in literature may be classified into evolutionary, particle swarm and artificial neural net optimisation. Some related classes have to be mentioned as the non-sexual fern optimisation and the response surfaces, which are close to the neuron nets. To come up with a measure of the efficiency that allows to take into account some of the published results the technical optimisation problems were derived from the ones given in literature. They deal with elastic studies of frame structures, as the computing time for each individual is very short. General proposals, which approach to use may not be given. It seems to be a good idea to learn about the applicability of the different methods at different problem classes and then do the optimisation according to these experiences. Furthermore in many cases there is some evidence that switching from one method to another improves the performance. Finally the identification of the exact position of the optimum by gradient methods is often more efficient than long random walks around local maxima.
Enhancing the undergraduate educational experience : development of a micro-gas turbine laboratory
(2014)
A Capstone C30 MicroTurbine has been installed, instrumented, and utilized in a junior-level laboratory course at Valparaiso University. The C30 MicroTurbine experiment enables Valparaiso University to educate students interested in power generation and turbine technology. The first goal of this experiment is for students to explore a gas turbine generator and witness the discrepancies between idealized models and real thermodynamic systems. Secondly, students measure and analyze data to determine where losses occur in a real gas turbine. The third educational goal is for students to recognize the true costs associated with natural gas use, i.e. the hidden costs of transporting the gas to the consumer. Overall, the gas turbine experiment has garnered positive feedback from students. The twenty-six students who performed the lab in Spring 2014 rated the quality and usefulness of the gas turbine experiment as 4.28 and 4.19, respectively, on a 1-5 Likert scale, where 1 is low and 5 is high.
Since November 2011 the standard DIN 4709 stipulates performance tests for Micro-CHP units in Germany. In contrast to steady state measurements of the CHP unit itself, the test according to DIN 4709 includes the thermal storage tank as well as the internal control unit, and it is based on a 24 h test cycle following a specified thermal load profile. Hence, heat losses from the storage tank are as well taken into account as transient losses of the CHP unit. In addition, the control strategy for loading and unloading the storage tank affects the test results.
The DIN 4709 test cycle has been applied at the test stand for Micro-CHP units at Reutlingen University, and results for the Micro-CHP unit WhisperGen and the EC Power units XRGI 15® and XRGI 20® are available. During the analysis a method has been developed to evaluate the results in case the test cycle does not end in a time slot between 24 and 24.5 h after the starting as demanded by DIN 4709. Since this method has been successfully applied to the test of various CHP units of different size and technology so far, it is suggested to incorporate it to DIN 4709 during the next revision of the standard.
The performance numbers obtained reveal the differences in efficiencies measured at steady-state on the one hand and following the DIN 4709 test cycle on the other hand. While the deviations in electrical efficiencies are small, thermal efficiencies according to DIN 4709 fall below steady state data by 3–6 percentage points. This is attributed to transient thermal losses and heat losses from the storage tank, which are not included in steady state and separate testing of the CHP unit, only.
Compared to diesel or gasoline, using compressed natural gas as a fuel allows for significantly decreased carbon dioxide emissions. With the benefits of this technology fully exploited, substantial increases of engine efficiency can be expected in the near future. However, this will lead to exhaust gas temperatures well below the range required for the catalytic removal of residual methane, which is a strong greenhouse gas. By combination with a countercurrent heat exchanger, the temperature level of the catalyst can be raised significantly in order to achieve sufficient levels of methane conversion with minimal additional fuel penalty. This thesis provides fundamental theoretical background of these so-called heat-integrated exhaust purification systems. On this basis, prototype heat exchangers and appropriate operating strategies for highly dynamic operation in passenger cars are developed and evaluated.
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.
Today’s cars are characterized by many functional variants. There are many reasons for the underlying variability, from the adaptation to diverse markets to different technical aspects, which are based on a cross platform reuse of software functions. Inevitably, this variability is reflected in the model-based automotive software development. A modeling language, which is widely used for modeling embedded software in the automotive industry, is MATLAB/Simulink. There are concepts facing the high demand for a systematic handling of variability in Simulinkmodels. However, not every concept is suitable for every automotive application. In order to present a classification of concepts for modeling variability in Simulink, this paper first has to determine the relevant use cases for variant handling in modelbased automotive software development. Existing concepts for modeling variability in Simulink will then be presented before being classified in relation to the previously determined use cases.
Bootstrap circuits are mainly used for supplying a gate driver circuit to provide the gate overdrive voltage for a high-side NMOS transistor. The required charge has to be provided by a bootstrap capacitor which is often too large for integration if an acceptable voltage dip at the capacitor has to be guaranteed. Three options of an area efficient bootstrap circuit for a high side driver with an output stage of two NMOS transistors are proposed. The key idea is that the main bootstrap capacitor is supported by a second bootstrap capacitor, which is charged to a higher voltage and connected when the gate driver turns on. A high voltage swing at the second capacitor leads to a high charge allocation. Both bootstrap capacitors require up to 70% less area compared to a conventional bootstrap circuit. This enables compact power management systems with fewer discrete components and smaller die size. A calculation guideline for optimum bootstrap capacitor sizing is given. The circuit was manufactured in a 180nm high-voltage BiCMOS technology as part of a high-voltage gate driver. Measurements confirm the benefit of high-voltage charge storing. The fully integrated bootstrap circuit including two stacked 75.8pF and 18.9pF capacitors results in a voltage dip lower than 1V. This matches well with the theory of the calculation guideline.
Size and cost of a switched mode power supply can be reduced by increasing the switching frequency. The maximum switching frequency and the maximum input voltage range, respectively, is limited by the minimum propagated on-time pulse, which is mainly determined by the level shifter speed. At switching frequencies above 10 MHz, a voltage conversion with an input voltage range up to 50 V and output voltages below 5 V requires an on-time of a pulse width modulated signal of less than 5 ns. This cannot be achieved with conventional level shifters. This paper presents a level shifter circuit, which controls an NMOS power FET on a high-voltage domain up to 50 V. The level shifter was implemented as part of a DCDC converter in a 180 nm BiCMOS technology. Experimental results confirm a propagation delay of 5 ns and on-time pulses of less than 3 ns. An overlapping clamping structure with low parasitic capacitances in combination with a high-speed comparator makes the level shifter also very robust against large coupling currents during high-side transitions as fast as 20 V/ns, verified by measurements. Due to the high dv/dt, capacitive coupling currents can be two orders of magnitude larger than the actual signal current. Depending on the conversion ratio, the presented level shifter enables an increase of the switching frequency for multi-MHz converters towards 100 MHz. It supports high input voltages up to 50 V and it can be applied also to other high-speed applications.
Size and cost of a switched mode power supply can be reduced by increasing the switching frequency. This leads especially at a high input voltage to a decreasing efficiency caused by switching losses. Conventional calculations are not suitable to predict the efficiency as parasitic capacitances have a significant loss contribution. This paper presents an analytical efficiency model which considers parasitic capacitances separately and calculates the power loss contribution of each capacitance to any resistive element. The proposed model is utilized for efficiency optimization of converters with switching frequencies >10MHz and input voltages up to 40V. For experimental evaluation a DCDC converter was manufactured in a 180 nm HV BiCMOS technology. The model matches a transistor level simulation and measurement results with an accuracy better than 3.5 %. The accuracy of the parasitic capacitances of the high voltage transistor determines the overall accuracy of the efficiency model. Experimental capacitor measurements can be fed into the model. Based on the model, different architectures have been studied.
Ein wirtschaftlicher Betrieb von KWK-Anlagen ist erreichbar, wenn Geräte mit gutem elektrischen Wirkungsgrad und geringen Anschaffungs- und Wartungskosten eingesetzt werden und der im BHKW erzeugte Strom zum größtmöglichen Anteil im Objekt verbraucht wird. Der Pufferspeicher einer KWK-Anlage sollte ausreichend groß bemessen sein (Flexibilität, Eigenstromoptimierung...). Ein größeres BHKW ist nicht automatisch unwirtschaftlicher aufgrund der geringeren Betriebszeit. Es bietet dagegen ein höheres Potenzial für eine bedarfsgerechte Stromeinspeisung in das Netz.
An improved gate drive circuit is provided for a power device, such as a transistor. Tue gate driver circuit may in -clude: a current control circuit; a first secondary current source that is used to control the switching transient during turn off of the power transistor and a second secondary current source that is used to control the switching transient during turn on of the power transistor. In operation, the current control circuit operates, during turn on ofthe power transistor, to source a gate drive current to a control node ofthe power transistor and, during turn off ofthe power transistor, to sink a gate drive current from the control node of the power transistor. The first and second secondary current sources adjust the gate drive current to control the voltage or current rate of change and thereby the overshoot during the switching transient.
Die Wirkungsgrade ("Normnutzungsgrade") nach DIN 4709 bilden den praktischen Betrieb von Mikro-Blockheizkraftwerken besser ab. Insbesondere bei den thermischen Wirkungsgraden ergeben sich nach DIN 4709 geringere Werte im Vergleich zu stationären Messungen aufgrund der An-/Abfahrverluste und der Speicherverluste. Der Betrieb des Zusatzkessels führt zu einer Reduktion der Primärenergieeinsparung der Gesamtanlage.
Der vorliegende Beitrag stellte die beiden Verfahrensklassen parameterbasierte Verfahren und Suchverfahren für eine energieeffiziente Betriebsführung von Asynchronmaschinen im stationären Zustand kurz vor und zeigte das Potential zur Reduktion der Verlustleistung in stationären Arbeitspunkten für zwei Motoren unterschiedlicher Baugröße. Dabei wurde deutlich, dass insbesondere im unteren Teillastbereich eine erhebliche Verringerung der Verlustleistung erzielt werden kann.
While digital IC design is highly automated, analog circuits are still handcrafted in a time-consuming, manual fashion today. This paper introduces a novel Parameterized Circuit Description Scheme (PCDS) for the development of procedural analog schematic generators as parameterized circuits. Circuit designers themselves can use PCDS to create circuit automatisms which capture valuable expert knowledge, offer full topological flexibility, and enhance the re-use of well-established topologies. The generic PCDS concept has been successfully implemented and employed to create parameterized circuits for a broad range of use cases. The achieved results demonstrate the efficiency of our PCDS approach and the potential of parameterized circuits to increase automation in circuit design, also to benefit physical design by promoting the common schematic-driven-layout flow, and to enhance the applicability of circuit synthesis approaches.
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.
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.
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.
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.
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.
In diesem Beitrag wurde gezeigt, wie mit Hilfe von Verfahren zur Analyse von Petri–Netzen ein in der Programmiersprache Kontaktplan erstelltes SPS–Programm analysiert werden kann. Das Ziel des Verfahrens ist dabei nicht eine Verifikation im eigentlichen Sinne sondern das Aufdecken von verbotenen oder unerwünschten Zuständen. Im Beitrag wurden Regeln zur Transformation des im Kontaktplan erstellten Ablaufs in ein Petri–Netz angegeben und anhand der Analyse eines fehlerhaft implementierten Ablaufs die Leistungsfähigkeit des Ansatzes vorgestellt. Das Beispiel zeigt, dass Programmfehler bereits vor einem Test an der realen Anlage erkannt werden können. Bei der weiteren Entwicklung des Verfahrens liegt ein Schwerpunkt auf der Verallgemeinerung auf im Kontaktplan entwickelte Programmorganisationseinheiten, die nicht nur reine
Abläufe implementieren. Ein weiterer wichtiger Entwicklungsschritt ist die graphische Unterstützung der Fehlersuche im Erreichbarkeitsgraphen, so dass insgesamt ein leistungsfähiges Werkzeug zur Unterstützung der Implementierung von Ablaufsteuerungen im Kontaktplan zur Verfügung steht.
Nowadays the software development plays an important role in the entire value chain in production machine and plant engineering. An important component for rapid development of high quality software is the virtual commissioning. The real machine is described on the basis of simulation models. Therefore, the control software can be verified at an early stage using the simulation models. Since production machines are produced highly individual or in very small series, the challenge of virtual commissioning is to reduce the effort to the development of simulation models. Therefore, a systematic reuse of the simulation models and the control software for different variants of a machine is essential for an economic use. This necessarily requires a consideration of the variability which may occur between the production machines. This paper analyzes the question of how to systematically deal with the software-related variability in the context of virtual commissioning. For this purpose, first the characteristics of the virtual commissioning and variability handling are considered. Subsequently, the requirements to a so-called variant infrastructure for virtual commissioning are analyzed and possible solutions are discussed.
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.
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.
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.
A millimeter-wave power amplifier concept in an advanced silicon germanium (SiGe) BiCMOS technology is presented. The goal of the concept is to investigate the impact of physical limitations of the used heterojunction bipolar transistors (HBT) on the performance of a 77 GHz power amplifier. High current behavior, collectorbase breakdown and transistor saturation can be forced with the presented design. The power amplifier is manufactured in an advanced SiGe BiCMOS technology at Infineon Technologies AG with a maximum transit frequency fT of around 250 GHz for npn HBT’s [1]. The simulation results of the power amplifier show a saturated output power of 16 dBm at a power added efficiency of 13%. The test chip is designed for a supply voltage of 3.3 V and requires a chip size of 1.448 x 0.930 mm².
In der Mikroelektronik werden Chips häufig in Mold-Gehäusen verpackt. Die elektrischen Verbindungen vom Chip zu den Anschlussbeinchen des Gehäuses werden mit Bonddrähten realisiert. Für die Berechnung der Gleichgewichtstemperatur in einem Bonddraht bei konstantem Strom sowie von Temperaturverläufen bei transienten Strömen ist die herkömmliche FEM-Methode langsam und unhandlich. Daher wurde der Bondrechner entwickelt, der ein zylindersymmetrisches Ersatz-Modell für das Package in geeigneten mathematischen Gleichungen abbildet.
Im Gegensatz zum Bondrechner der ersten Generation [1], der auf den Gleichungen von [2] basiert, bietet ein neuer mathematischer Ansatz die Möglichkeit, eine endliche effektive Package-Größe, sowie einen endlichen Wärmeübergang zwischen Bonddraht und Mold-Masse zu berücksichtigen. Ebenso wurde die Berechnung der Interaktion von mehreren benachbarten Drähten verfeinert. Die Berechnung von beliebigen transienten Pulsformen mittlerer Länge wurde ebenfalls verbessert. Eine quadratische Komponente in der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Drahtmaterials kann jetzt ebenfalls berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse wurden erfolgreich mit FEM-Berechnungen verglichen und die Geschwindigkeit der Berechnung ist um Größenordnungen schneller als mit kommerziellen FEM-Programmen.