Vieweg Praxiswissen – serie

Diese beispielorientierte Einfuhrung in die Modellierung und numerische Simulation technischer Systeme ist fur Ingenieure geschrieben. Sie bietet die Behandlung der erforderlichen mathematischen Grundlagen, die Beschreibung dynamischer Systeme durch Differentialgleichungen und Losung der Differentialgleichungen mit Hilfe numerischer Integrationsverfahren. Alle vorgestellten Verfahren werden in Form lauffahiger PC-Programme in der Programmiersprache PASCAL prasentiert. Anhand von Beispielen werden verschiedene heute eingesetzte Simulationswerkzeuge dargestellt. Ein Schwerpunkt bildet das Blockorientierte Simulationssystem BORIS. Alle beschriebenen Beispiele konnen auf der Begleit-CD simuliert werden.

In diesem Fachbuch werden die etwa 250 wichtigsten Begriffe, Größen und Konzepte der Strömungsmechanik fundiert und systematisch dargestellt. Im Anschluss an die Definition werden Formeln, deren Bedeutung und Dimension erläutert. Danach wird der physikalische Hintergrund und Kontext erläutert. Praxisnahe Anwendungen und Beispiele aus der Technik veranschaulichen hervorragend die theoretischen Inhalte. Am Ende jedes Beitrags wird auf weiterführende Literatur verwiesen.

In diesem Fachbuch werden die etwa 250 wichtigsten Begriffe, Größen und Konzepte der Strömungsmechanik fundiert und systematisch dargestellt. Im Anschluss an die Definition werden Formeln, deren Bedeutung und Dimension erläutert. Danach wird der physikalische Hintergrund und Kontext erläutert. Praxisnahe Anwendungen und Beispiele aus der Technik veranschaulichen hervorragend die theoretischen Inhalte. Am Ende jedes Beitrags wird auf weiterführende Literatur verwiesen.

1.1 Von der Mikroelektronik zur Mikrosystemtechnik Es gibt zweifellos kein Gebiet der Wissenschaft und Technik des 20. Jahrhunderts, das eine vergleichbar stürmische Entwicklung erfahren hat wie die Mikroelektronik in den vergangenen 50 Jahren. Mit der Erfindung des Transistors (1948) und der Herstellung erster integrierter Schaltungen auf der Basis des Halbleitermaterials Silizium (1958) begann eine technische Revolution, die mit ihren Ergebnissen und Produkten inzwischen in fast alle Lebensbereiche unserer Gesellschaft hineinwirkt. Ohne die Erfolge der Mikroelektronik wäre die moderne Informations- und Kommunikationstechnik, die inzwischen die Berufswelt vieler Menschen wesentlich verändert hat, nicht denkbar. Das gilt auch für andere Bereiche wie z. B. die Me- zin-, die Verkehrs- und die Produktionstechnik. Der große technologische Fortschritt der Mikroelektronik beruht auf Miniaturisierung und Integration. Vor der Mikroelektronik wurden elektrische/elektronische Schaltungen aus - chanisch gefertigten Bauteilen wie Kondensatoren, Widerständen oder Elektronenröhren - sammengefügt und individuell abgeglichen. Aufgrund der Größe der Bauelemente war der Platzbedarf und das Gewicht hoch, die Packungs- und Funktionsdichte gering. Durch die - kroelektronik wandelte sich die Fertigung elektronischer Systeme grundlegend. Die B- elemente einer Schaltung wurden nun durch photolithographische Strukturierung und durch Schichttechnologien auf einem gemeinsamen Halbleiter-Substrat, dem Siliziumwafer, erzeugt.

Das Buch behandelt alle in der Praxis wichtigen Fragen und Probleme beim Entwurf und der Auswahl von Schaltnetzteilen im unteren bis mittleren Leistungsbereich, also von mW bis einige kW. Zunächst erfolgt eine Einführung in die klassischen Wandler und Resonanzwandler. Danach werden die Leistungsbauelemente beschrieben und erprobte Ansteuerschaltungen vorgestellt. Im letzten Teil werden EMV-Aspekte behandelt. Wichtige, in der Praxis erprobte Schaltungstechniken werden vorgestellt und beschrieben. Für in der Praxis tätige Techniker und Ingenieure stellt das Buch eine Zusammenfassung aller Themengebiete dar, die für die tägliche Arbeit gebraucht werden. Studenten kann es zum Selbststudium dienen oder den Stoff von Lehrveranstaltungen ergänzen.

Der Anteil der Informations- und Kommunikationstechnik an der Wertschöpfung gewinnt zunehmend an Bedeutung. War in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts die Übertragung menschlicher Sprache durch das Telefon das dominierende Mittel zur Kommunikation, so bieten moderne Kommunikationsnetze multimediale Dienste an, wie beispielsweise die gleichzeitige Übertragung von Sprache, Video und Daten. Informationen, von Ort und Zeit unabhängig und beliebig reproduzierbar, stellen den Rohstoff der Zukunft dar. Die größte technische und organisatorische Herausforderung ist die Unterstützung der Mobilität der Teilnehmer. Mobilfunknetze, die diesem Wunsch nach räumlich ungebun­ dener Kommunikation nachkommen, können im Vergleich zu leitungsgebundenen Netzen überall dort eingesetzt werden, wo eine Verkabelung unwirtschaftlich oder unmöglich ist. Während in leitungsgebundenen Netzen die zu errichtende Netzinfrastruktur den be­ grenzenden Faktor darstellt, wird die Kapazität der Funknetze zusätzlich durch das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum bestimmt. Die Entwicklung der Mobilfunksysteme wurde daher wesentlich durch die knappe Res­ source Frequenz geprägt. Eine bessere spektrale Effizienz konnte zum Beispiel durch Digi­ talisierung der Sprache, sowie Quell- und Kanalkodierung erreicht werden. Daher wurden die bestehenden analogen Mobilfunksysteme durch digitale Mobilfunknetze ersetzt. Die bandbreiteneffiziente Übertragung wurde durch moderne Digitaltechniken bei der Mo­ dulation, Codierung und Entzerrung ermöglicht, welche auch ein besseres Störverhalten und geringere Anfälligkeit gegenüber Rauschen bieten als analog modulierte Signale. Die Entwicklung flexibler Kommunikationsprotokolle, die rasanten Fortschritte in der Mikro­ elektronik und in derComputer- und Softwaretechnik stellen weitere wichtige Schritte auf diesem Weg dar.

Jede in Betrieb befindliche elektrische Schaltung erzeugt zwangsläufig in einem benachbarten elektrischen System unbeabsichtigt mehr oder weniger hohe Spannungen und Ströme. Diese können unter Umständen ein solches Ausmaß erreichen, daß es zu Funktionsstörungen in der betroffenen Schaltung kommt. Angesichts dieser grundsätzlich vorhandenen Gefahr für die Funktionsfähigkeit elektrischer Schaltungen sollten Kenntnisse über die angedeuteten unbeabsichtigten elektrischen Vorgänge genauso zum Grundwissen eines Elektroingenieurs gehören, wie die Fähigkeit, elektrische Spannungen und Ströme gezielt zur Lösung bestimmter Aufgaben einzusetzen. Mit diesem Buch möchte ich Studenten und Studentinnen der Elektrotechnik Grundkenntnisse über die unbeabsichtigten elektrischen Erscheinungen vermitteln. Ich setze dabei die physikali­ schen Grundlagen und die allgemeine Theorie der Elektrotechnik als bekannt voraus, die etwa in der ersten Hälfte eines Studiums an einer Technischen Universität oder einer Fachhochschule gelehrt werden. Es kommt den Studierenden entgegen, daß die unbeabsichtigten elektrischen Vorgänge auf den gleichen physikalischen Grundlagen beruhen, wie die absichtlich und zweckgerichtet geformten Strukturen der Elektrotechnik. Sie müssen deshalb auch keine zusätzlichen physikalischen Ef­ fekte und Theorien erlernen, um die neuen Erscheinungen zu verstehen, sondern es geht im wesentlichen darum, schon bekanntes Wissen in neuen Zusammenhängen anzuwenden. Aus diesem Grund wird nach meinem Eindruck die Auseinandersetzung mit den unbeabsichtigten elektrischen Vorgängen von den Studierenden häufig auch als nützliche Wiederholung der Grundlagen der Elektrotechnik empfunden. Meinem Mitarbeiter, Herrn 0. Kolb, danke ich für seine wertvolle Hilfe beider Herstellung von Versuchseinrichtungen, Frau A. Baumgartner für das Schreiben des Manuskripts und schließlich Herrn E. Klementz vom Verlag Vieweg für die vertrauensvolle Zusammenarbeit.