gerätekonstruktion komplett

Universität Rostock, Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik, Institut für Gerätesysteme und Schaltungstechnik Prof. Dr. - Ing. habil. W. Fredrich

Lehrblattsammlung Gerätekonstruktion I Stand: Wintersemester 2003 /2004

Vorwort Moderne Gerätetechnik besteht im allgemeinen aus mechanischen, optischen, elektrischen und elektronischen Funktionsgruppen, die durch entsprechende Software gesteuert werden und durch deren Zusammenwirken eine gewünschte Gesamtfunktion erfüllt wird. Die nachstehende Abbildung und Beschreibung eines Laserdruckes bestätigt diese Aussage. Das Ziel der Lehrveranstaltung „Gerätekonstruktion“ besteht in der Vermittlung von Kenntnissen über den strukturellen und konstruktiven Aufbau von modernen Geräten und in der Behandlung verschiedener Funktionsgruppen. Es wird zwischen einer Benutzerschnittstelle und einer Prozessschnittstelle unterschieden. Das bedeutet, dass zunächst Funktionsgruppen zur Kommunikation zwischen dem Bediener und dem Gerät in Form von Bedien- und Anzeigelementen behandelt werden und im weiteren Verlauf auf den geräteinternen Prozess durch die Behandlung sensorischer und aktorischer Komponenten eingegangen wird. Eine entscheidende Rolle spielt in der modernen Gerätetechnik auch die Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten. Dieser Aspekt wird durch Behandlung ausgewählter Schnittstellen und deren elektrische, mechanische und funktionelle Eigenschaften berücksichtigt. Den Abschluss der Lehrveranstaltung bilden spezielle mechanische und optische Funktionsgruppen, die in ihrer funktionellen Arbeitsweise und in ihrem konstruktiven Aufbau dargestellt werden. Die Lehrveranstaltung „Gerätekonstruktion“ setzt sich aus Vorlesungen und Übungen zusammen und findet im 5. Semester statt. Sie wird im 6. Semester durch eine vertiefte Behandlung der mikroelektronischen Gerätesteuerung fortgesetzt, indem auf die Programmierung eines Microcontrollers und das Zusammenwirken zwischen Hard- und Software eingegangen wird. Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass die Ausbildung auf dem Gebiet der Gerätekonstruktion in der Studienrichtung „Gerätesysteme“ durch weitere Lehrveranstaltungen ergänzt wird. Das betrifft die Lehrveranstaltungen „Grundlagen der Technischen Optik“, „Grundlagen der Technischen Akustik“, „Werkstofftechnik“, „Mikroaktorik“ u.a.m. Kenntnisse über die Grundlagen der Konstruktion („Konstruktion und Fertigung“ sowie „Werkstoffe der Elektrotechnik“ im Grundstudium) werden vorausgesetzt. In den Übungen wird auf den Entwurf von Geräten eingegangen. Des weiteren dient die Analyse spezieller Geräte dem Studium verschiedener funktioneller und konstruktiver Lösungen. Der Student wird zum Ende des 5. Semesters einen Vortrag über ein selbstgewähltes Thema zur funktionellen und konstruktiven Umsetzung von Gerätefunktionen halten, um sich vertieft mit einem technischen Problem aus dem Bereich der Gerätetechnik auseinander zu setzen und dadurch eine Sicherheit in der Darstellung eines fachlichen Sachverhaltes zu erlangen

1

Prof. Dr. Wolfgang Fredrich, Lehrveranstaltung „Gerätekonstruktion“ Inhaltsübersicht der Vorlesung Gerätekonstruktion 1. Grundlagen 1.1 Einteilung von Geräten, Definitionen 1.2 Funktionsstruktur, allgemeine Gerätestruktur 1.3 Zustandsbeschreibung eines Gerätes, Zustandsgraph und Zustandsmatrix 1.4 Schnittstellenbeschreibung 2. Geräteaufbau 2.1 Funktioneller Geräteaufbau 2.1.1 Grundfunktionen 2.1.2 Verarbeitungsfunktion eines Gerätes 2.1.3 Kommunikationsfunktion eines Gerätes 2.1.4 Sicherungsfunktion eines Gerätes 2.2 Allgemeiner struktureller Geräteaufbau 3. Bedienelemente 3.1 Übersicht über Bedienelemente 3.2 Taster und Tastaturen 3.3 Entwicklungstendenzen 4. Anzeigen und Anzeigelemente 4.1 Anthropotechnische Gesichtspunkte 4.1.1 Leistungsvermögen und Wirkungsweise des Gehörs 4.1.2 Aufbau und Leistungsumfang des menschlichen Auges 4.2 Übersicht über Anzeigen und Anzeigelemente 4.3 Akustische Anzeigen, Übersicht über Wandlerprinzipien, konstruktive Ausführung von elektroakustischen Wandlern 4.4 Optische Anzeigen 4.4.1 LCD - Anzeigen 4.4.2 LED - Anzeigen 5. Sensoren in der Gerätetechnik 5.1 Übersicht über Sensoren, Meßgrößen und Meßprinzipien 5.2 Induktiver Sensor 5.3 Kapazitiver Sensor 5.4 Weitere Sensorprinzipien 6. Aktoren in der Gerätetechnik 6.1 Grundlagen, Freiheitsgrad, Unfreiheit, Überbestimmtheit 6.2 Kräfte auf Ströme im Magnetfeld 6.3 Kraftwirkung im Luftspalt eiunes Magneten 6.4 Kräfte im elektrischen Feld 6.5 Elektromagnetische Linearantriebe 6.6 Hybridschrittmotor 6.7 Magnetkupplungen 6.8 Elektromagnetisches Relais

2

Fortsetzung Inhaltsübersicht 7. Schnittstellen 7.1 Allgemeine Grundlagen 7.2 Parallele Schnittstellen 7.2.1 Centronics - Schnittstelle 7.2.2 IEC - Bus 7.3 Serielle Schnittstelle V.24 8. Spezielle Funktionsgruppen im Gerätebau 8.1 Optische Funktionsgruppen 8.1.1 Funktionen optischer Funktionsgruppen 8.1.2 Konstruktionsgrundsätze 8.1.3 Optische Bauteile und Systeme 8.1.4 Fassen optischer Bauteile 8.1.5 Justage von Optikteilen 8.2 Mechanische Funktionsgruppen 8.2.1 Spann- , Sprung - und Schrittwerke 8.2.2 Kupplungen

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“

1

257

8910

15

161920

22 2321

24

27

25

26

18

111217 13

14

3

4

6 1 Papierkassetten 2 Schacht für manuelle Papierzuführung 3 Sensor für Papierstau 4 Papiersensoren (LED), senden ein Prüfsignal an Fotozelle (6) für Papiervorratstest 5 Sensor für manuelle Papierzuführung 6 Fotozelle (Papiervorratsprüfung) 7 Hauptantriebsmotor 8 Sensor für Tonervorrat 9 Magnetwalze, führt die eisenhaltigen Tonerpartikel der Fototrommel (10) zu 10 Fototrommel und Entwicklertrommel 11 Entwicklereinheit 12 F-Theta-Linse, fokussiert die Laserstrahl auf Umlenkspiegel (14) 13 Torische Linse, fokussiert Lichtpunkte auf Belichtungstrommel 14 Umlenkspiegel

15 Scorotoron-Draht zum elektrostatischen Aufladen der Belichtungstrommel 16 Löschlampe zur Entladung der Belichtungstrommel 17 Polygonspiel zur Ablenkung des Laserstrahls 18 Synchronwalzen für Papiertransport 19 Thermosicherung, schützt vor Überhitzung 20 Thermistor, gewährleistet konstante Temperatur der Heizwalze 21 Fixiereinheit (Gesamtmodul) 22 Andruckwalze zum Anpressen des Papiers an Heizwalze 23 Heizwalze zum Aufschmelzen des Toners 24, 26 Papierstau - Sensor 25 Gesamtmodul Scannereinheit 27 Papierablage

Erläuterungen:

1

Mechanische Informationen auf CD

Elektrische Antriebsenergie

elektrische Information, optische Anzeige

Rotation der CD, Bewegung der Laserdiode

Hauptverarbeitungsfunktion

Nebenverarbeitungsfunktion

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Definitionen und Merkmale: Gerät: Ein Gerät ist ein kompaktes technisches System, das einem Benutzer gestattet, einen technischen Prozess gezielt ablaufen zu lassen. Technisches System: Ein technisches System stellt eine Anordnung von technischen Gebilden dar, die miteinander in Beziehung stehen. Ein technisches System ist von seiner Umwelt durch klare Grenze abgegrenzt. Dabei werden die Grenzen nur durch Eingangs- und Ausgangsgrößen überschritten. Ein technisches System lässt sich in Teilsysteme untergliedern (vergleiche auch DIN 19 226). Technischer Prozess: Ein technischer Prozess besteht in der Umformung, der Verknüpfung und/oder dem Transport von Materie, Energie und /oder Information (vergleiche auch DIN 19 223). Die Eingangs- und Ausgangsgrößen eines Gerätes bzw. eines technischen Systems oder von Teilsystemen sind entsprechend Materie, Energie oder Information in Form von Stoff, Energie und Signal. Es findet ein Informationsfluss, Energiefluss oder Stofffluss statt. Energietechnik: Dominierend ist ein Energie- bzw. Leistungsumsatz. Die Güte des Umsatzes wird durch das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsgrößen angegeben (Wirkungsgrad). Beispiele sind: Stromversorgungsbaugruppen, Baugruppen zur Wärmeerzeugung, Baugruppen zur Kälteerzeugung, elektrisch – elektronische Leistungserzeugung, Lichtquellen u.a. Produktions- und Verfahrenstechnik: Dominierend ist ein Stoffumsatz (Stückzahl, Massenstrom). Die Güte des Hauptumsatzes wird durch das Verhältnis von Stoffmengen gekennzeichnet (z.B. Veredlungsgrad, Trenngrad, Verhältnis von Ausschuss und Durchsatz). Beispiele sind: Reinigungsgeräte, Mixgeräte, Ätzanlagen, Entwicklungsanlagen, Kopiertechnik u.a. Gerätetechnik: Dominierend ist der Signalumsatz (Informationsmenge, Informationsfluss). Die Güte stellt das Verhältnis zweier Signalgrößen dar (Störabstand, Gerätefehler etc.). Beispiele sind: Digitizer, Uhren, Rechner, Fernseh- und rundfunkgeräte , Videorecorder, Fotoapparate, Modems, Radaranlagen, Telefone u.a. Je nach Primat des Informations-, Stoff – oder Energieflusses ist eine Einteilung in Hauptverarbeitungs – und Nebenverarbeitungsfunktionen sinnvoll. Nebenverarbeitungs- funktionen dienen im allgemeinen der Aufrechterhaltung der Hauptverarbeitungsfunktion. Beispiel: CD - Player Vergl.: Richtlinie VDE/VDI 2422 Entwicklungsmethodik für Geräte mit Steuerung durch Mikroelektronik

2

Reset Interrupt Takt

Rechenwerk Leitwerk Register

Speicher

Ein- und Ausgabe-einheit

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Allgemeine Funktionsstruktur eines Gerätes Die Koordination von Informations- , Stoff- oder Energiefluss eines Gerätes erfolgt durch den Signalfluss. Der Signalfluss ermöglicht demzufolge die Steuerung bzw. Regelung der Gerätefunktion. Die Steuerung stellt dabei den Vorgang dar, eine Ausgangsgröße auf der Basis vorliegender Eingangsgrößen zu beeinflussen (offener Wirkungsweg). Bei der Regelung wird eine Regelgröße mit einer Führungsgröße verglichen und im Sinne einer Angleichung beeinflusst (geschlossener Wirkungsablauf) (vergleiche DIN 19226, Teil 1). Eingangs- bzw. Ausgangsgrößen stellen einen Informationsaustausch mit dem Gerätebenutzer (Benutzerschnittstelle) und mit einem Prozess (Prozessschnittstelle) dar. Der Benutzer übergibt dem Gerät seine Informationen über Bedienelemente; er erhält vom Gerät Informationen über Anzeigelemente. Prozessinformationen werden über Sensoren erfasst; die Einwirkung auf den Prozess erfolgt über Aktoren. Die Kommunikation eines Gerätes mit anderen Geräten oder Anlagen erfolgt über Kommunikationsschnittstellen. Der Gerätesteuerung steht auf der einen Seite der Benutzer und auf der anderen Seite der Prozess gegenüber. Daraus lässt sich folgende allgemeine Funktionsstruktur eines Gerätes ableiten: Diese prinzipielle Struktur ist nicht auf Geräte beschränkt! Sie stellt das Grundschema der Automation dar! Die Steuerung erfolgt in modernen Gerätes durch Mikroprozessoren bzw. durch Mikrocontroller, deren allgemeine Struktur durch ein Rechenwerk mit Leitwerk und Register, durch Speicher sowie durch eine Ein- und Ausgabeeinheit gegeben ist: Vergl. auch VDE/VDI – Richtlinie 2422 Entwicklungsmethodik für Geräte mit Steuerung durch Mikroelektronik

Bedien-elemente

Anzeige-elemente

Sensorik Aktorik

B e n u t z e r s c h n i t t s t e l l e

P r o z e s s s c h n i t t s t e l l e

Kom

mun

ikat

ions

schn

itts

telle

Kom

mun

ikat

ions

schn

itts

telle

Benutzer

Prozess

Steuerung/Regelung

3

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Beispiele für die Hauptdatenflüsse von Geräten 1. Messgerät: 2. Roboter: 3. Rundfunkempfänger: Vergl. auch VDE/VDI – Richtlinie 2422 Entwicklungsmethodik für Geräte mit Steuerung durch Mikroelektronik

Bedienelemente (Schalter, Taster)

Anzeigeelemente (Skala, Display)

Sensorik (Messfühler) Aktorik



Kom

mun

ikat

ions

schn

itts

telle

(z

.B. I

EC

625

)

Kom

mun

ikat

ions

schn

ittst

elle

(z

.B. I

EC

625

)

Benutzer

Prozess

Steuerung/Regelung

Bedienelemente (Tastatur)

Anzeige-elemente

Sensorik (Abstand, Temp.)

Aktorik (Greifer etc.)



Kom

mun

ikat

ions

schn

itts

telle

Kom

mun

ikat

ions

schn

itts

telle

Benutzer

Prozess

Steuerung/Regelung

Kom

mun

ikat

ions

schn

itts

telle

Bedienelemente (Schalter)

Anzeigeelemente (Display)

Sensorik (Antenne)

Aktorik (Lautsprecher)



Kom

mun

ikat

ions

schn

itts

telle

Benutzer

Prozess

Steuerung/Regelung

4

Schaltnetz

Speicher

yi j xj

zi

zi+1

zi zi + 1

xj / yi j

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Steuerung als Schaltwerk Wenn zu jedem Eingangsdatensatz (Eingangsvektor) zum Zeitpunkt to und zu Eingangsgrößen vorangegangener Zeitpunkte ein Ausgangsdatensatz (Ausgangsvektor) existiert, stellt die Steuerung eines Gerätes ein Schaltwerk dar. Definition eines Schaltwerkes (siehe DIN 19 226, Teil 3): Ein Schaltwerk ist eine Funktionseinheit zum Verarbeiten von Schaltvariablen, bei der die Werte aller Schaltvariablen am Ausgang (Ausgangsvariable) yi j zu einem bestimmten Zeitpunkt to nach Verstreichen der Lauf- und Verzögerungszeiten ∆∆ t von den Werten aller Schaltvariablen am Eingang (Eingangsvariable) xj zum Zeitpunkt to - ∆∆ t und zu endlich vielen vorangegangenen Zeitpunkten zi sowie ggf. vom Anfangszustand abhängen. Ein Schaltwerk besteht demnach aus einem Schaltnetz und einem Speicher, der die Schaltvariablen vorangegangener Zeitpunkte speichert. Ein Schaltnetz allein berücksichtigt nur die am Eingang anliegenden Eingangsvariablen. Ein Schaltwerk hat eine endliche Anzahl von inneren Zuständen und stellt einen sogenannten endlichen Automaten dar. Der Ausgangsvektor der Steuerung yi j wird also nicht allein vom Eingangsvektor xi , sondern auch von dem bestehenden Zustand zi des Schaltwerkes ( d.h. von seiner Vorgeschichte ) bestimmt. Der Vektor zi wird durch den Speicher erzeugt, er beschreibt den Zustand des Schaltwerkes. Für jeden einzelnen Zustand des Schaltwerkes gibt es für jeden Eingangsvektor xj einen Ausgangvektor yi j und einen Folgezustand zi+1. Ein Schaltwerk kann demnach durch einen sogenannten Zustandsgraph oder durch eine Zustandsmatrix ( Zustands – Ausgangs – Matrix) beschrieben werden. Im Zustandsgraph werden die Zustände als Knoten und die Übergänge (Überführungsfunktion) als Kanten mit Richtungspfeil dargestellt. Der für die Steuerung eines Gerätes eingesetzte Mikrocontroller mit Rechenwerk, Speicher und Ein- und Ausgabeeinheit hat die Struktur eines Schaltwerkes!

5

{x1} {x2} {x3} {xj} {z1} {zi} {zk}

{z1} {z2} {z3} {z(i+1)} {zk}

wx11

wx12

wxjk

wx3k

wx1k 1,k

wx2k

wxj1

wz11

wz1,k wzi1

wzk1

wzkk

wzk(i+1)

wzik wzi(i+1)

wxj(i+1)

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion’”

Zustandsmatrix: Bei der Zustandsmatrix stellen die Matrixelemente einerseits den sich aus Eingangsvektor {xj} und Zustandsvektor {zi} ergebenden neuen Zustandsvektor {zi +1} und andererseits den Ausgangsvektor {yi j} dar. x1 x2 x3 .... xj ............ xn-1 xn x1 x2 .... xj .... x5 .......... xn-1 xn z1 z2 z3 zi zi+1 yi j zn Dieser Zusammenhang für den Übergang in einen neuen Zustandsvektor {z(i+1)} ist auch folgendermaßen darstellbar: Bemerkung: Die jeweiligen Eingangs- bzw. Ausgangsgrößen stellen Vektoren dar! Die Gewichte sind die Matrixelemente eines Assoziativspeichers. Der neue Zustandsvektor ergibt sich durch Ermittlung des Maximums für die Produktsumme: Eine ähnliche Darstellung lässt sich für die Ausgangsfunktion yij angeben. Bei nichtlinearen Zusammenhängen zwischen Eingangs- und Ausgangsvektor (Zustandsvektor) sind mehrschichtige Netze erforderlich !

))((1

,

1,∑∑

==

⋅+⋅k

kzkkk

kj

kjxjkj wzwxMax

6

{ }

=

⋅

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+

+

+

ki

i

i

i

i

kzkzkzkzk

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kxnznxnxn

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kxxxx

ikiijnjj

z

z

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z

z

wwww

wwww

wwww

wwww

wwww

wwww

zzzxxx

)1(

4)1(

3)1(

2)1(

1)1(

,3,2,1,

,13,12,11,1

,3,2,1,

3,33,32,31,3

,23,22,21,2

,13,12,11,1

2121

:

....

:....:::

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....

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....

....

....

............

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Assoziativspeicher: Die Überführung eines speziellen Eingangsvektors {xj} mit den Komponenten {xj1, xj2 ..... xjn} in einen neuen Zustandsvektor zi+1 mit den Komponenten {z(i+1)1, z(i+1)2 ......z(i+1)k kann unter Berücksichtigung des aktuellen Zustandsvektors zi mit den Komponenten {zi1, zi2 .... zik} wie folgt dargestellt werden : Die Gewichte w stellen ebenfalls die Matrixelemente eines Assoziativspeichers dar. Sie sind gerätespezifisch und ergeben sich aus der vorgesehenen Gerätefunktion! Die Ermittlung des neuen Zustandsvektors stellt ein Erkennungsproblem dar. Durch Multiplikation des Eingansvektors {X,Z}, bestehend aus den Komponenten xj bzw. zi , mit der Gewichtsmatrix {W} ist eine Überführung in den neuen Zustandsvektor {Zi+1} möglich. Durch diese Matrixoperation soll erkannt werden, welcher neue Zustandes sich aus dem aktuellen Zustand und dem vorliegenden aktuellen Eingangsvektor ergibt.

xj1 xj2 xj3 xjn zi1 zi2 zik

z(i+1)1 z(i+1)2 z(i+1)3 z(i+1)4 z(i+1)k

wx1,1 wx1,

wxn,

wx3,k

wx1,k

wx2,k

wxn,1

wz1,1

wz1,k

wz2,1

wzk,1

wzk,k

wzk,4

wz2,k

{ } { } { }1, +=⋅ iij ZWZX

7

xj1 xj2 xj3 xjn zi1 zi2 zik

y1 y2 y3 y4 yk

wx1,1 wx1,2

wxn,k

wx3,k

wx1,k

wx2,k

wxn,1

wz1,1

wz1,k

wz2,1

wzk,1

wzk,k

wzk,4

wz2,k

{ }

=

⋅

k

kzkzkzkzk

kzzzz

kxnznxnxn

xxxx

kxxxx

kxxxx

ikiijnjj

y

y

y

y

y

wwww

wwww

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zzzxxx

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....

....

............4

3

2

1

,3,2,1,

,13,12,11,1

,3,2,1,

3,33,32,31,3

,23,22,21,2

,13,12,11,1

2121

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” In gleicher Weise ergibt sich der Ausgangsvektor yij mit dem Komponenten {y1 y2 y3 ...yk} aus dem vorliegenden Eingangsvektors {xj} und unter Berücksichtigung des aktuellen Zustandsvektors {zi} zu: Die entsprechende Matrixoperation lautet:

8

x(t) y(t) Schaltwerk Teiler 1 : 3

x

t

y

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Beispiele für Zustandsdarstellung: 1. Teiler 1 : 3 Zustände: Zustand Z1: kein Impuls ist ausgeblendet Zustand Z2: 1. Impuls ist ausgeblendet Zustand Z3: 2. Impuls ist ausgeblendet Zustand Z4: 3. Impuls wird durchgeschaltet Zustandsmatrix: X X 0 1 0 1 Z1 Z1 Z2 0 0 Z2 Z2 Z3 0 0 Z3 Z3 Z4 0 1 Z4 Z4 Z2 0 0 Zustandsgraph:

t

Z1

Z2

Z3

Z4

0

0

0

0

1/0 1/0

1/1

1/0

9

x(t) y(t) Schaltwerk Teiler 1 : 3

x

t

y

Z1

Z2

Z3

0

0

0

1/0

1/1

1/0

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Beispiel für Zustandsdarstellung: 1. Beispiel: Teiler 1 : 3 (Variante 1) Zustände: Zustand Z1: 1. Impuls ist ausgeblendet Zustand Z2: 2. Impuls ist ausgeblendet Zustand Z3: 3. Impuls ist durchgeschaltet Zustandsmatrix: X X 0 1 0 1 Z1 Z1 Z2 y=0 y=0 Z2 Z2 Z3 y=0 y=1 Z3 Z3 Z1 y=0 y=0 Zustandsgraph:

t

10

9

4 5 6 7 8

1 2 3 0

0

0

0 0 0 0

0

0

1 1 1 1

2

2 1

3

1

1

2 2 2

2

1

2 1

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Beispiel für Zustandsdarstellung: 2. Beispiel: Digitaluhr Bedienelemente 2 Bedienelemente zur Änderung der Uhrzeit und des Datums sowie zur Verwendung der Uhr als Stoppuhr erforderlich. Die Uhr nimmt folgende Zustände ein:

1 Zeitanzeige 6 Stundeneinstellung 2 Datumsanzeige 7 Feineinstellung 3 Sekundenanzeige 8 Minuteneinstellung 4 Monatseinstellung 9 Lauf starten 5 Tageinstellung Bedienelemente:

0: kein Element betätigt 2: Bedienelement 2 betätigt 1: Bedienelement 1 betätigt 3: automatische Rückkehr von Zustand 2 in 1 Zustandsmatrix: 0 1 2 3 0 1 2 3 Zustand 7 weist eine Besonderheit auf: 1 1 2 4 - 1 - - - Bedienelement 2 bewirkt, dass die Ein- 2 2 3 4 1 2 - - 9 stellung beendet wird, ohne dass Minuten 3 3 1 3 - 3 - 10 - und Sekunden verändert oder angehalten 4 4 4 5 - 4 11 - - werden. Das ist bei Umstellung auf 5 5 5 6 - 5 12 - - Sommer- bzw. Winterzeit wichtig. 6 6 6 7 - 6 13 - - Die Ausgangsseite der Matrix gibt an, 7 7 8 1 - 7 14 - - welche Prozeduren auszuführen sind. 8 8 8 9 - 8 14 - - Diese Prozeduren sind bei Softwarelö - 9 9 1 9 - 9 - - - sungen als Unterprogramme aufzufassen. Zustandsgraph: Siehe auch VDE/VDI – Richtlinie 2422

1

2

11

5.00033.00

5.000033.0

05.0033.00

05.00033.0

005.033.00

005.0033.0

001000

110111

{ }

=

=

0

0

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0

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0

33.0

5.0

83.0

1h { }

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0

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3h

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0

0

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33.0

0

6h

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Berechnung der Ausgangsfunktion des 1 : 3 – Teilers: Ein einschichtiges Netz führt zu keinem eindeutigen Ergebnis. Deshalb ist folgende Netzstruktur mit Zwischenschicht (Hiddenschicht) erforderlich : Die Gewichte ergeben sich aus einfachen Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen. Die Gewichtsmatrix {W1} für die Über- Die Gewichtsmatrix {W2}für die Überführung führung des Eingangsvektors in den der Zwischenschicht in die Ausgangsschicht Vektor der Zwischenschicht lautet: lautet: Die 6 möglichen Eingangsvektoren lauten: Die Vektoren {h} der Zwischenschicht ergeben sich durch Multiplikation der Eingangsvektoren mit der Gewichtsmatrix {W1} wie folgt: Die weitere Multiplikation dieser Vektoren mit der Gewichtsmatrix {W2}ergibt die Ausgangs-funktion y =1 nur bei dem Vektor {h4}! Das heißt, jeder 3. Impuls wird durchgeschaltet !

x=0

x=1

Z1

Z2

Z3

0

0

0

0

0

1

0

1 Y

H1

H2

H3

H4

H5

H6

0.33

0.33

0.5

0.5

0.5

1

1

1

1

1

1

{ }

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0

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0

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0

6e

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E z.B. x1, y1

A z.B.

x2, y2

I

F

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Gerätebeschreibung: Die Gerätebeschreibung erfolgt in zwei Ebenen:

1. funktionelle Ebene 2. strukturelle Ebene

Der Übergang von der Funktion zur Struktur besteht in der konstruktiven, d.h. stofflich – geometrischen Gestaltung eines Produktes mit dem Ziel, eine optimale Auswahl konstruktiver Lösungsmöglichkeiten vorzunehmen. Die strukturelle Lösung stellt die Gesamtheit der zur Funktionserfüllung erforderlichen Komponenten und die zwischen ihnen bestehenden Relationen dar. Funktionelle Ebene der Gerätebeschreibung: Die Funktion stellt in allgemeiner Form eine Überführung von Eingangsgrößen E in Ausgangsgrößen A unter Berücksichtigung bestimmter Bedingungen (nicht funktions-relevante Größen) dar. Die funktionelle Gerätebeschreibung betrachtet auf der Ebene einer Abstraktion die Gesamtheit der funktionellen Elemente und deren Kopplungen. Ausgehend von einer Gesamtfunktion lassen sich damit Teilfunktionen festlegen, durch deren Kopplung die Gesamtfunktion erfüllt wird. Die funktionelle Gerätebeschreibung hebt die wesentlichen Zusammenhänge hervor und macht die meist hohe Komplexität eines Gerätes überschaubar. Die ermöglicht dem Konstrukteur die freie Auswahl struktureller Gestaltungsvarianten. Die Unterscheidung von Haupt- und Nebenfunktionen charakterisiert die in einem Geräte vorkommenden Stoff-, Energie- und Informationsflüsse hinsichtlich ihres Primates bei der Erfüllung der Gesamtfunktion. Bei informationsverarbeitenden Geräten wird die Hauptfunktion durch die Verarbeitung von Eingangs- in Ausgangsinformationen bestimmt; Nebenfunktionen sind dann Stoff- und Energieverarbeitungsfunktionen. Verallgemeinerte Funktionen, die von der konkreten technischen Realisierung vollständig abstrahieren, stellen Grundfunktionen dar. Mit einer Grundfunktion wird die wesentliche charakteristische Eigenschaft von Funktionselementen beschrieben. Grundfunktionen lassen sich ggf. durch untergeordnete Funktionen präzisieren. Beispiele für Grundfunktionen sind: Übertragen: z.B. Übertragen einer Größe vom Ort x1,y1 nach x2, y2. Wandeln : z.B. Wandeln eines Stromes in eine Kraft (Elektromagnet) Bei informationsverarbeitenden Geräten werden die Grundfunktionen meist mit dem Zusatz Signal ...... versehen. Also z.B. Signalübertragen (elektrische Leitung, LWL, Rohre, Linsen u.a.), Signalwandeln (Thermoelement, Lautsprecher, Mikrofon, Piezokristall u.a.). Nachstehende Tabellen geben eine Übersicht über allgemeine technische Grundfunktionen und über Signalgrundfunktionen.

2

220

lwI

F⋅⋅= µ

13

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Allgemeine technische Grundfunktionen /1/ Grundfunktion untergeordnete

Funktion Merkmale

Wandeln Eingangs- und Ausgangsgröße sind physikalisch unterschiedlich; stoffliche oder energetische Veränderung einer Größe

Umsetzen Eingangs- und Ausgangsgröße sind physikalisch gleich; der zeitliche Verlauf oder der Zustand einer Größe wird verändert.

Verstärken Der Betrag einer Größe wird vergrößert (A>E).

Umformen

Reduzieren Der Betrag einer Größe wird verkleinert (A<E).

Unterbrechen und/oder Wiederherstellen eines Funktionsflusses

Schalten

Sperren Verhindern/Sperren eines Funktionsflusses

Leiten Übertragen einer Größe längs eines Weges bzw. zu einem anderen Ort.

Fördern Übertragen eines Stoffes mittels Hilfsenergie

Übertragen

Koppeln Übertragen einer Größe zwischen benachbarten Elementen (Bauteile, Komponenten)

Selektieren Auswählen einer Teilmenge aus einer Gesamtmenge nach einem bestimmten Kriterium

Vereinigen Verknüpfen mehrerer Funktionsflüsse

Verzweigen Aufteilen eines Funktionsflusses in Teilflüsse

Mathematisches Verknüpfen

Verknüpfen gleichartiger Größen mittels mathematischer Operationen

Verknüpfen

Logisches Verknüpfen

Verknüpfen gleichartiger Größen mittels logischer Operationen

Aufnehmen einer Größe und unverändertes Abgeben nach einer bestimmten Zeit

Bereitstellen Ausschließliches Abgeben einer Größe (Quelle)

Speichern

Aufnehmen Ausschließliches Aufnehmen einer Größe (Senke)

Die Elementarisierung von Funktion und Struktur führt zu unterschiedlichen Ergebnissen, da die zur Realisierung einer Funktion ausgewählte Struktur in weitere Einzelteile zerlegbar, also nicht elementar ist (z.B. Elektromagnet). Andererseits kann ein Einzelteil strukturell, aber nicht funktionell elementar sein (z.B. erfüllt das Spannband eines elektrischen Messwerkes mehrere Funktionen). In diesem Fall liegt eine Funktionenintegration vor, die zwar zur Vereinfachung des Geräteaufbaus und zur Miniaturisierung beiträgt, jedoch zu gegenseitigen Störungen führen kann. Funktionentrennung führt zu höherer Störsicherheit. /1/ Krause, W.: Gerätekonstruktion in Feinwerktechnik und Elektronik, Carl Hanser Verlag 2001

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Signalgrundfunktionen /1/ Signalgrundfunktion Symbol Beispiele

Signalwandeln elektroakustische Wandler, elektromag-netische Wandler, fotoelektrische Wandler, Thermoelemente, piezoelektrische Wandler

Signalumsetzen mechanisches Funktionsgetriebe, Digital – Analog – Umsetzer, Analog – Digital – Umsetzer, Kodierer, Modulatoren

Signalumformen Elektronische Verstärker (z.B. Operations-verstärker, Selektivverstärker ), Transformator, Rädergetriebe, Hebelgetriebe, Dämpfungsglieder V > 1: Versärken V < 1: Dämpfen, Herabsetzen

Signalschalten Mechanische Schalter, elektronische Schalter (z.B. Thyristoren), elektromechanische Schalter (z.B. Relais)

Signalübertragen elektrische Leitung, Kabel, Welle, Bowdenzug, Kanäle, Linsen, Prismen, Lichtwellenleiter,

Signalfiltern

elektronische Bandfilter, Hochpass, Tiefpass, mechanische Filter, optische Filter (Polarisationsfilter, Farbfilter) akustische Filter (Terzfilter)

Signalverzweigen

elektrische Leitungsverzweigung, Getriebe

Signalverknüpfen Funktionseinheiten zum Addieren, Multiplizieren etc. Logische Funktionseinheiten (ODER, UND, NAND etc.)

Elektronische Speicher, magnetische Speicher, Foto, Hologramm, CD, gedrucktes Zeichen, Schallplatte u.a.

Signalsspeichern

Signalgeneratoren

/1/ Krause, W.: Gerätekonstruktion in Feinwerktechnik und Elektronik, Carl Hanser Verlag 2001

E A

A=f(E) A E

E A

E1

E2

A

E Ort 1

A Ort 2

E A

: E A1

An

E1

En

:

A

E1

E2

A

A

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Entsprechend der allgemeinen Funktionsstruktur eines Gerätes umfasst die funktionelle Ebene folgende Teilfunktionen:

1. Verarbeitungsfunktion 2. Kommunikationsfunktion 3. Sicherungsfunktion

Verarbeitungsfunktion: Die Verarbeitungsfunktion beinhaltet in allgemeiner Form die Verarbeitung von Eingangsinformationen in Ausgangsfunktionen. Dazu gehören die Signalgewinnung, die Signalverarbeitung, die Signalkodierung bzw. – dekodierung und die Signalnutzung. Signalgewinnung: Wandlung von Zustandsgrößen über Messfühler oder Messwandler in elektrische Signale; Aufnahme von Informationen als Bild und/oder Ton; Signalverarbeitung: Umsetzung der Signale durch DAU, ADU, Modulatoren; Umformung der Signale durch Verstärkung oder Dämpfung; Signalkodierung und –dekodierung; Verknüpfung und Speicherung von Signalen sowie Signalübertragung; Signalnutzung: Anzeige von Verarbeitungszuständen und Ausgabe von Informationen; Aktivierung von Aktoren; Kommunikationsfunktion: Die Kommunikationsfunktion beinhaltet den Informationsaustausch zwischen dem Geräte und dem Bediener sowie zwischen dem Gerät und anderen technischen Einrichtungen. Dabei sind folgende Kopplungen erforderlich:

1. Überführung externer Steuerungsgrößen in interne Steuerungsgrößen; 2. Überführung interner Kontrollgrößen in externe Kontrollgrößen

Die Kommunikationsfunktion ergibt sich aus den sensorischen und motorischen Fähigkeiten des Bedieners und aus den physikalisch-technischen Möglichkeiten der technischen Gebilde. Sicherungsfunktion: Die Sicherungsfunktion beinhaltet:

1. Sicherung der Verarbeitungsfunktion des Gerätes vor Umweltstörungen, indem externe Eingangsstörgrößen unwirksam gemacht werden.,

2. Sicherung der Verarbeitungsfunktion des Gerätes vor möglichen internen Eigenstörgrößen,

3. Sicherung der Umwelt vor Störgrößen, indem interne Störgrößen vermieden oder für die Umwelt unwirksam gemacht werden.

Die Sicherungsfunktion lässt sich in Stützfunktionen und Schutzfunktionen unterteilen. Die Stützfunktion beinhaltet die Sicherung einer räumlichen Anordnung bestimmter Bauteile, um z.B. mechanische Einwirkungen, hervorgerufen durch äußere Kräfte, auszuschalten. Die Schutzfunktion beinhaltet den Schutz des Gerätes vor

1. äußeren Einflüssen, wie z. B. Klimaeinflüsse, Fremdkörper, Wasser, mechanische Schwingungen, Schall, radioaktive Strahlung, Fehlbedienungen u.a.

2. internen Störungen wie z.B. Wärmequellen, elektromagnetische Eigenstrahlung, Schwingungen;

und den Schutz der Umwelt im Fehlerfalle des Gerätes durch Berührungsschutzmaßnahmen, durch Verhinderung bzw. Minimierung elektromagnetischer Abstrahlung oder anderer Abstrahlungen. Spezielle Maßnahmen betreffen die Wärmeabfuhr, die Gehäusegestaltung, das hermetische Verschließen, Abschirmungen, die Einhaltung von Schutzklassen und Schutzgraden sowie die Einhaltung des EMV – Gesetzes.

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Strukturelle Ebene der Gerätebeschreibung: Der Geräteaufbau wird durch verschiedene Funktionsgruppen realisiert, die eine strukturelle Umsetzung der Grundfunktionen bzw. der einzelnen Gerätefunktionen (Verarbeitungsfunktion, Kommunikationsfunktion und Sicherungsfunktion) ermöglichen. Der strukturelle Geräteaufbau beinhaltet geometrisch - stoffliche Elemente (Bauelemente, Baugruppen ) und deren geometrisch - stoffliche Beziehung zueinander, d.h. deren Anordnung. Man unterscheidet drei Klassen von Bauelementen bzw. Baugruppen: • Bauelemente mit Verarbeitungsfunktion und ihre Anordnung • Bauelemente mit Kommunikationsfunktion und ihre Anordnung • Bauelemente mit Sicherungsfunktion (Stütz- und Schutzfunktion) und ihre Anordnung Die Anordnung der Bauteile führt zu Funktionsgruppen, die ihrerseits eine bestimmte gewünschte Funktion erfüllen. Beispiele: Bauelemente mit Verarbeitungsfunktion und ihre Anordnung: - elektronische Bauelemente ( diskrete Bauelemente, Schaltkreise, Steckverbinder, Schalter, Taster, Hybridschaltungen u.a.) und deren Montage und Anordnung auf Leiterplatten oder anderen Substraten zu elektronischen Funktionsgruppen. - optische Bauelemente (Linsen, Filter, Prismen, Spiegel u.a.) und deren Anordnung zu optischen Funktionsgruppen wie Objektive, Okulare, Prismensysteme, Homogenisierer u.a.) - mechanische Bauelemente (Achsen, Wellen, Zahnräder, Zylinder, Rohre u.a. und deren Anordnung zur mechanischen Funktionsgruppen wie Getriebe, Lager, Führungen u.a. - elektrisch – mechanische Bauelemente (Spulen, Stecker, Kabel, Leitungen, Magnete u.a.) und deren Anordnung zu elektromechanischen Funktionsgruppen wie Motoren, Transformatoren, Relais, Magnetsysteme, Kontaktbauelemente u.a.) Bauelemente mit Kommunikationsfunktion und ihre Anordnung: - Bedienelemente wie Taster, Schalter, Potentiometer, Drehschalter u.a. und deren Anordnung zu Bedienfeldern, Tastaturen, Codierschaltern, Wählscheiben, Mikrofonen u.a. - Anzeigeelemente und deren Anordnung zu optischen Anzeigen (LCD–Anzeigen, Bildschirmen u.a.), akustischen Anzeigen (Lautsprechern, Schallgeber u.a.) und taktilen Anzeigen. - elektronische, elektrische und mechanische Bauelemente und deren Anordnung zu Interfacebausteinen, Adapter u.a. Bauelemente und Baugruppen mit Stütz- und Schutzfunktion: - Leiterplatten, Chassis, Gestelle, Befestigungselemente u.a. - Gehäuse, Gefäße - Lüfter, Kühlkörper - Abschirmungen, Wärmeisolation, Schwingungsdämpfung, - Sicherungen, Netzfilter - Transportgriffe, Rollen

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Bedienelemente – Übersicht: Funktion: Kommunikation zwischen Bediener und Gerät durch Umwandlung von Absichten (Willenerklärungen, Wünsche, Anforderungen etc.) des Gerätebedieners in Signale für die Steuerung des Gerätes. Prinzip: Nutzung manueller, taktiler, akustischer oder optischer Möglichkeiten der Eingabe sowie Verwendung spezieller Datenträger zur analogen oder digitalen Signalerzeugung. Bedienelemente manuell: 1. Momenttaste: Druckknopftaste, Klingelknopf, Mikroschalter, Folientaste u.a. mit zwei Zuständen (Informationsmenge 1 Bit) 2. Bistabiler Schalter ohne Mittelstellung mit Anzeige der zwei stabilen Schalterstellungen: Tastenschalter, Kippschalter, Schiebeschalter u.a. (Informationsmenge 1 Bit) 3. Bistabiler Schalter mit Mittelstellung mit Anzeige der drei stabilen Schalterstellungen: Schiebeschalter, Umschalter u.a. (Informationsmenge 2 Bit) 4. Codierschalter mit 10 – 16 stabilen Lagen und Anzeige der Schalterstellung: Drehkodierschalter, Tastkodierschalter u.a. (Informationsmenge 4 Bit) 5. Zahlentastatur mit einer stabilen und einer instabilen Lage der Taster ohne Speicherfähigkeit: Zehnertastatur (Informationsmenge 4 Bit) 6. Wählscheibe mit 10 instabilen Lagen und 1 stabilen Lage (Ruhestellung): Telefonwählscheibe mit Auswahl 1 aus 10 (Informationsmenge 4 Bit) 7. Zeichentastatur zur Eingabe alphanumerischer Zeichen mit einer stabilen Lage (Ruhestellung) und einer instabilen Lage (Eingabestellung): Schreibmaschinentastatur, Computertastatur) (Informationsmenge 5 – 7 Bit) 8. Mehrfachschalter in einem Gehäuse mit jeweils zwei stabilen Lagen der Einzelschalter sowie Anzeige und Speicherung: Dual-in-line-Schalter, Mini-dip-Schalter (Informationsmenge 4 – 8 Bit 9. Schalter mit definierten Rasterpositionen und Anzeige sowie Speicherung der Schalterstellung: Drehschalter, Stufenschalter u.a. (Informationsmenge 3 – 8 Bit je nach Anzahl der Schalter) 10. Schiebeschalter ohne definierte Rasterstellung: Schiebepotentiometer, Drehpotentiometer (Informationsmenge abhängig von Analog – Digital – Wandler, z.B. 10 Bit) 11. Analogeingabe mit zwei Freiheitsgraden ohne definierte Rasterposition in Verbindung mit AD-Wandler: Mouse, Trackball, Joystick (Steuerknüppel), Grafiktablett, Digitalisierbrett (Informationsmenge abhängig von AD-Wandler)

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Bedienelemente akustisch: 12. Analoge Spracheingabe in Verbindung mit AD – Wandler: akustoelektrische Wandler (z.B. Mikrofon) (Informationsmenge abhängig von ADU) Bedienelemente optisch: 13. optoelektrische Wandler in Verbindung mit Schalterfunktion (Ein – Aus - Schalter) optische Ein – Aus – Schalter) (Informationsmenge 1 Bit) 14. Übertragung codierter optischer Signale, remote control (Fernbedienung) (Informationsmenge 4 – 10 Bit) 15. Digitale Code - Scanner Warencodescanner, Fingerabdruckscanner u.a. (Informationsmenge 10 - 20 Bit) 16. Bildererkennung in Verbindung mit AD-Wandler Informationsmenge abhängig von erforderlicher Auflösung Bedienelemente mit speziellen Datenträgern: 17. Chipkarte, Magnetkarte, Diskette mit digitalen Informationen (Informationsmenge 8 – 32 Bit) Bedienelemente mit elektromagnetischer Signalübertragung: 18. berührungslose elektromagnetische Datenübertragung durch Chipaktivierung mittels Spannungserzeugung aus elektromagnetischer Feldeinwirkung bzw. generelle elektromagnetische Übertragung durch Signalträgermodulation Entwicklungstendenzen:

- Tasten werden - in Abhängigkeit vom Zustand des Gerätes - wechselnde Funktionen zugeordnet (Softkeys);

- Spracheingabe gewinnt zunehmende Bedeutung z.B. bei der Gerätebedienung in der Medizintechnik, bei multimedialen Lernsystemen (Sprachschulung) u.a.

- Verbesserung der Sprachanalyse zur direkten Spracheingabe (Teilgebiet der Phonetik); - Geräte- bzw. Anlagenbenutzung aus Sicherheitsgründen nur möglich bei Eingabe

spezieller Kennzeichen (optisch, akustisch); kein Passwort, sondern geometrische oder akustische Strukturen;

- Weitere Normung unter Berücksichtigung ergonomischer Gesichtspunkte (z.B. ISO - oder DIN – Tastenfelder);

- Weiterentwicklung optischer Erkennungsverfahren; - zunehmender Einsatz von Folientastaturen und Anpassung an spezielle

Einsatzbedingungen (Kompletttastaturen mit günstigem Preis – Leistungs - Verhältnis); - Weiterentwicklung berührungsloser Schalter (z.B. auf Basis kapazitiver und optischer

Prinzipien); - Weiterentwicklung telemetrischer Gerätebedienung (z.B. in der Medizin) - Weiterentwicklung der Umsetzung von Fingerbewegungen in Signale Codehandschuh)

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Substrat (LP) ausgestanzte Deckplatte (Spacer)

Leiterzüge, vergoldet

Metalldom (Schnappscheibe) Designfolie

Permanentmagnet N S

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Taster: 1. Folientaster: Staub- und Wassergeschützter Aufbau, anwendbar für hohe hygienische Anforderungen, Lebensdauer >107 Betätigungen 2. kapazitive Taster: Basieren auf Änderung eines Dielektrikums durch Fingerberührung oder durch Bewegen eines geeigneten Materials (z.B. Schaumstoff). 3. Reedkontakttaster: Der magnetische Kreis eines kleinen Permanentmagneten wird über die Kontaktblättchen eines Reedschalters geschlossen. Durch den hermetischen Abschluss des Kontaktblätt- chens besitzen Reedschalter eine sehr hohe Zuverlässigkeit. 4. Optoelektronische Taster: Unterbrechung einer Lichtschranke in einer Spalte und einer Reihe. Anwendung für Tastaturen in explosionsgefährdeten Räumen möglich. Optoelektronische Taster bestehen im wesentlichen aus 4 Teilen: LED, Fototransistor, Drucktaster, Führungs- bzw. Rast- mechanismus. Sie zeichnen sich durch prellfreies Schalten und eine hohe Zuverlässigkeit aus (LED im Durchschnitt 100.000 Betriebsstunden, Fototransistoren > 100.000 Betriebs- stunden). Auch Ausnutzung einer Lichtreflexion z.B. an einem Finger möglich, wodurch ein Schließen einer optisches Kreises erfolgt. 5. Piezoelektrische Taster: Ausnutzung des Piezoeffektes, indem durch eine auf einen Piezokristall ausgeübte Kraft in der Größe von 1, 5 N eine Spannung erzeugt wird. Piezotaster arbeiten quasi weglos. 6. Hall-Effekt-Taster: Ausnutzung des Halleffektes. Durch Bewegen eines kleinen Permanentmagneten wird eine Feldänderung bewirkt, die infolge des Einflusses auf einen elektrischen Strom eine Spannung hervorruft: U = f(Magnetfluss, Strom) Die Spannungssteuerung, der Hallgenerator, der Verstärker und Trigger sind auf einem Chip integriert, so dass Hall-Effekt-Taster kleine Abmessungen besitzen. Lebensdauer 108 Betätigungen. 7. mechanische Taster: Durch eine mechanische Kraft werden Kontaktstellen geschlossen und aufgrund einer in einer Feder gespeicherten Energie wieder geöffnet. Für den Kontaktschluss wird auch leitfähiges Gummi eingesetzt (Lebensdauer 107 Betätigungen, billiger Aufbau, vorteilhafte Anwendung als Schaltmatten in Tastaturen).

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Tastaturen: Tastaturen stellen eine in Reihen und Spalten angeordnete Anzahl von Einzeltasten dar und ermöglichen eine serielle Eingabe von alpha – numerischen Zeichen. Die Einzeltasten können Kontakttasten oder kontaktlose Tasten sein (siehe Lehrblatt Bedienelemente 3). Maßgeblich für die strukturelle Umsetzung der Tastenanordnung sind ergonomische Gestaltungsrichtlinien:

- Betätigungskraft etwa 0,4 – 0,8 N (40 – 80 g) - Tastenhub optimal 3 – 5 mm - Druckpunktüberwindung oder akustische Bestätigung bzw. Rückmeldung der Eingabe - Tastenabstand üblich ¾ ´´ = 19,05 mm, allgemein 17 – 19 mm - Tastengröße: 12 – 15 mm Kantenlänge - Neigungswinkel 5° – 11° - Handauflagefläche 5cm – 10 cm vor der Tastatur

Arbeitsweise einer Tastatur in Verbindung mit einem Prozessor: Tastaturen arbeiten in Verbindung mit einem Prozessor, der die logische Verbindung zwischen den einzelnen Tasten und dem BIOS herstellt. Die Reihen und Spalten der angeordneten Tasten werden laufend von einem Controller zyklisch abgefragt (Tastaturabfrage). Jeder Tastendruck und jedes Loslassen einer Taste erzeugt ein Interruptsignal, auf das im BIOS eine Routine reagiert. Bei einem Tastendruck werden die entsprechende Zeile und Spalte der gedrückten Taste erkannt und ein Scan-Code für die Reihen - und Spaltennummer ermittelt. Der Scan-Code wird im allgemeinen am Port 60h des Computers gelesen. Dieser Scan - Code wird in einen Tastencode umgewandelt. Damit ist jeder Taste ein beliebiges Zeichen durch den Controller zuordbar (Gewährleistung der Variabilität). Der Tastencode besteht damit aus 2 Byte (unteres Byte – Scan-Code, höheres Byte – ASCII-Code). Beim ASCII – Code (CCITT – Code Nr. 5) wird die Zeichenzuordnung durch ein niederwertiges und durch ein höherwertiges Nibbel eines Bytes vorgenommen. Beispiele: D3 D2 D1 D0 D4 D5 D6 D7

A 0 0 0 1 0 0 1 x ⇒⇒ 14 x - Parity Bit oder ungenutzt a 0 0 0 1 0 1 1 x ⇒⇒ 16 5 0 1 0 1 1 1 0 x ⇒⇒ 53 Folientastaturen: Folientastaturen ermöglichen anwenderspezifische Auslegungen in „einem Stück“, insbesondere für Einsätze unter hohen Umweltbelastungen und bei hohen hygienischen Anforderungen. Die Lebensdauer liegt bei 105 bis 106 Betätigungen. Folientastaturen bestehen aus drei Schichten:

- Basisfolie mit Kontaktleiterzügen in vertikaler Richtung - Lochfolie von 0,1 bis 1 mm Dicke zur Festlegung des Tastenweges - Deckfolie mit Kontaktleiterzügen in horizontaler Richtung

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Touch-Screen: Berührungsempfindlicher transparenter Sensor, der vor einem Bildschirm montiert werden kann oder direkt mit einem Bildschirm verbunden ist und eine tastaturlose Kommunikation mit einem Rechner durch direkte Berührung von Auswahl- oder Anzeigefeldern ermöglicht. Touch-Sreens ermöglichen außerdem eine direkte Handschrifteneingabe. Anwendungen:

- Maschinensteuerungs- und Prozessleitsysteme - Überwachungssysteme - Geldausgabeautomaten - Medizintechnik - Messgeräte - Ausbildung und Training - Spiele u.a.

Aufbau eines Touch-Screens: - Widerstandsmembran:

Zwei auf je einer Seite mit Indium – Zinnoxid beschichte flexible Folien oder eine feststehende Glasplatte und eine flexible Folie werden mit Abstandspunkten versehen werden Schicht auf Schicht zusammenlaminiert bzw. zusammengefügt. Bei Berührung entsteht nach Anlegen einer Spannung in x- und in y – Richtung ein Spannungsteiler-verhältnis, aus dem die Koordinaten des Berührungspunktes errechnet werden können (siehe Abbildung rechts). Bei einer Ausführung in Matrixform werden vorgegebene Positionen erkannt (Abb. links).

- kapazitives Verfahren: Sensor besteht aus einer Glasscheibe mit eingeschmolzenen Metallpartikeln und Elektrodenanschlüssen. Ein Controller sendet eine hochfrequente Schwingung aus erkennt eine leichte Berührung oder Annäherung infolge der Energieabsorption.

- Verfahren mit akustischen Oberflächenwellen: Anordnung von vier piezoelektrischen Wandlern (zwei Sender, zwei Empfänger) an den Ecken einer Glasscheibe und Aussendung bzw. Empfang akustischer Wellen. Ohne Berührung wird durch Reflexion an den Kanten in den Empfängern ein elektrisches Signal erzeugt. Bei Berührung wird ein Teil der ausgesendeten akustischen Welle absorbiert und das Empfangssignal verändert. Der Controller ist aus der Differenz zwischen gesendetem und empfangenen Signal in der Lage, die Koordinaten des Berührungspunktes zu ermitteln.

- Infrarotverfahren: An den Kanten angebrachte Infrarotsender bzw. Infrarotempfänger erfassen bei Berührung die Unterbrechung des Lichtstrahles und ermöglichen eine Koordinatenermittlung. Quelle: Maaß, R.: Dateneingabe ohne Tastatur, F&M 100, 1992, S. 113 - 115

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Anzeigeelemente – Übersicht: Funktion: Kommunikation zwischen Geräte und Bediener durch Anzeige von Informationen über Betriebszustände des Gerätes und bestimmter Prozessdaten. Prinzip: Nutzung optischer, akustischer oder taktiler Möglichkeiten der Signalgebung und Informationsübermittlung. Optische Anzeigen:

1. Ein-/Aus-Anzeigen: z.B. Signalleuchten, Anzeigelampen, LED, LCD u.a. Informationsmenge: 1 Bit

2. Ein-/Aus-Anzeigen mit zusätzlichem Blinkeffekt, z.B. Anzeigelampen, LED, LCD Informationsmenge; 2 Bit

3. Ein-/Aus-Anzeigen, 2 – farbig, z.B. 2 LED mit unterschiedlichen Leuchtfarben in einem Gehäuse Informationsmenge: 2 Bit

4. Quasianalog-Anzeige mit 7 – 15 LED, z.B. Leuchtband, Leuchtbalken mit Dekoder Informationsmenge: 3 - 4 Bit

5. Ziffernanzeige, z.B. 7 – Segment-Anzeige (LED, LCD) mit Dekoder Informationsmenge: 4 Bit

6. LED – Anzeige mit 8 LED und Ein-/Aus-Anzeige für jede LED ohne Dekoder Informationsmenge: 8 Bit

7. Bildschirm-Zeichenanzeige mit n Zeilen und m Spalten Informationsmenge: bei 8 Bit je Zeichen n ⋅⋅ m ⋅⋅ 8 Bit

8. Bildschirmanzeige mit h Helligkeitsstufen und a⋅⋅b Punkten Informationsmenge: a⋅⋅b⋅⋅h Bit

Akustische Anzeigen:

1. Signaltongeber mit einer konstanten Frequenz, z.B. Piezoschwinger, Lautsprecher, Summer u.a. Informationsmenge: 1 Bit

2. Signaltongeber mit codiertem Signal, z.B. Frequenz- oder Amplitudenveränderung Informationsmenge: mehrere Bit je nach Codierung

3. künstliche Spracherzeugung mit Amplituden- und Frequenzveränderung über Lautsprecher Informationsmenge: mehrere Bit

Taktile Anzeigen über Tastsinn:

1. Tasten mit Druckpunkt Informationsmenge:1 Bit je Taste

2. Tasten mit taktiler Anzeige durch codierte Anordnung von geometrischen Erhebungen Informationsmenge: 6 Bit bei 6 Erhebungen

Entwicklungstendenzen:

1. Ergänzung optischer Anzeigen durch akustische Informationen und umgekehrt. 2. Ergänzung alphanumerischer Anzeigen durch Grafiken. 3. zusammenfassende Darstellung von Anzeigelämpchen, Symbolen, Instrumenten, Ziffern u.a.

auf einem Bildschirm. 4. Darstellungen über Laserstrahlablenkung (rot, gelb, blau) ermöglicht durch Mischung alle

Farbkompositionen 5. Weiterentwicklung von farbigen Flachdisplays

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Gehörgang

Hammer Amboss Steigbügel

Trommelfell Eustachische Röhre

Ovales Fenster

Bogengänge

Schnecke

Nerven

Paukenhöhle

Bogengänge

Schneckengang abgewickelt, stark vereinfacht

Basilarmembran

Hammer Amboß Ste igbügel

Paukenhöhle

Eustachische Röhre

Gehörgang

Trommelfell

Scala vestibuli

Scala tumpaniOvales Fenster

Heliocotrema

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Prinzipieller Aufbau des menschlichen Gehörorgans: /1/ Außenohr: Ohrmuschel (Auricula) Gehörgang (Meatur acusticus externus) : Eintrittsfläche ca. 0,4 cm2 , Länge ca. 2,5 cm, Eigenresonanz ca. 3000 Hz Trommelfell (membrana tumpani): elliptische Form, 0,1 mm dick Größe 80 mm2, gute Schwingfähigkeit Mittelohr: Paukenhöhe mit Hammer, Amboss und Steigbügel und Eustachischer Röhre (Tuba Eustachii), die Mittelohr mit dem Rachenraum verbindet und einen Druckausgleich ermöglicht. Innenohr: Im Innenohr befindet sich das eigentliche Gehörorgan und beginnt mit dem Ovalen Fenster. Es besteht weiterhin aus dem Vorhof, der Schnecke und den drei Bogen- gängen. In der Schnecke findet die Umwandlung der Schallschwingungen in Nerven- reize statt. Die Bogengänge beinhalten das Gleichgewichtsorgan. Alle Hohlräume des Innenohres sind mit Lymphflüssigkeit gefüllt. Die Basilarmembran als Bestandteil einer Scheidewand teilt die Schnecke in einen oberen und unteren Bereich (scala vestibuli, scala tumpani). Die Basilarmembran besteht aus quer zur Längsrichtung angeordneten feinen Fäden von 0,16 bis 0,64 mm Länge. Genau genommen besteht die Scheidewand aus einem knöchernen Teil (lamina spiralis), der Reissnerschen Membran , der Basilarmembran und dem Cortischen Organ, das quais auf der Basilarmembran aufsitzt. Aus dem Cortischen Organ, das von der Tectorischen Membran überdacht wird, ragen feine Haarzellen heraus und tauchen unterhalb der Tectorischen Membran in die Lymphflüssigkeit. Es existieren etwa 25.000 Haarzellen. /1/ Microsoft: LexiROM 1996

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Leistungsvermögen des Gehörs: Frequenzumfang: 16 Hz bis 16 000 Hz (10 Oktaven) (im Vergleich Auge 1 Oktave)

- Subcontra C 16 Hz 24 - Kontra C 32 Hz 25 - Groß C 64 Hz 26 - Klein c 128 Hz 27 - c´ 256 Hz 28 - c´´ 512 Hz 29 - c´´´ 1024 Hz 210 - c´´´´ 2048 Hz 211 - c´´´´´ 4096 Hz 212 - c´´´´´´ 8192 Hz 213 - c´´´´´´´ 16384 Hz 214´´

Schalldruck: 10-4 µbar - 102 µbar (6 Größenordnungen) 10-5 Nm-2 - 10 Nm-2 Bei einem Schalldruck von 10-4 µbar beträgt die Schallamplitude in Luft ungefähr 10-12 m (10-3 nm). Das sind zwei Größenordnungen unter dem Durchmesser des Wasserstoffatoms mit 10-10 m (10-1 nm ). Schallintensität: Die Schallintensität ist die durch eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung liegende Flächeneinheit hindurchgehende Schallenergie und stellt die Schallleistung pro Fläche dar: 10 -12 Wm-2 - 1 Wm-2 (12 Größenordnungen) Schalldichte: Die pro Raumeinheit enthaltene Schallenergie: Absolute Frequenzbestimmung: 6 % Relative Frequenzbestimmung: 3 %o ( bei 800 – 2000 Hz) 9 %o ( bei 64 Hz und 16000 Hz) Daraus ergibt sich, dass das Unterscheidungsvermögen für Töne unterschiedlicher Frequenz nur dann beträchtlich ist, wenn beide Töne unmittelbar nacheinander erfolgen. Daher sind Gleichlaufschwankungen bei akustischen Wiedergabegeräten (kurzzeitige Schwankungen) sehr leicht feststellbar. Die absolute Frequenzbestimmung von nur 6 % bedeutet dagegen, dass es für das Ohr nicht feststellbar ist, ob zwischen Aufnahme und Wiedergabe eines aufgezeichneten Musikstückes eine Differenz von 6 % in der Laufgeschwindigkeit vorliegt. Zeitkonstante des Ohres: Eine empfundene Lautstärke steigt mit einer Zeitkonstanten von 50 ms auf den Endwert an. Das bedeutet, kurzzeitige Schallimpulse mit einem Abstand von < 50 ms sind nicht getrennt wahr-nehmbar (bei Vögeln z.B. jedoch 10 ms). Diese Zeitkonstante des Ohres hat ihre technische Bedeutung in der Bewertung von Plätzen z.B. in einem Konzertsaal.

== 33 m

WsmNm

VE

D

==

⋅=

22 mW

smNm

AP

sAEI

25

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Lautstärke L: Die Lautstärke wird in „phon“ gemessen. Der Verlauf der Kurven gleicher Lautstärken gibt an, welcher Schalldruck einer bestimmten Frequenz die gleiche Schallempfindung hervorruft wie der Schalldruck einer 1000 Hz Schwingung. Das bedeutet, dass z.B. bei einem mit 100 phon aufgenommenen Signal bei geringerer Lautstärkewiedergabe eine Anhebung der tiefen Frequenzen erfolgen muss. Bei zwei Schallquellen mit einer Schallintensität von je I1 erhöht sich die Lautstärke gegenüber einer Schallquelle von nur um 3 dB wie folgende Rechnung zeigt: Bei einer Verdoppelung der Schallempfindung erhöht sich die Lautstärke bezogen auf 1000 Hz um 10 phon bzw. die Schallintensität oder Schalldruck um eine Zehnerpotenz. Mathematische Beziehungen: Schallleistung: Schallintensität: Schalldichte:

( )

0

2

0

0

log20log

log10

pp

pp

L

phonII

L

=

=

=

10

1

0

1

0

11 3log102log102

log10log10 LII

II

III

L +=+==+

=

=⋅⋅== ∫ WmmwAIIdAP 2

2

=

⋅==

⋅==

220

2

0

2

m

W

sm

Nmc

pzp

sAE

AP

Iρ

⋅=

⋅⋅==⋅⋅==

30

2

0

2

m

Wszc

pcc

p

AtVI

VtAI

VE

Dρ

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Wirkungsweise des menschlichen Gehörs (Teil 1): Das Ohr hat drei wesentliche Funktionen zu erfüllen:

1. Schutzfunktion (Schutz des Innenohres) 2. Sicherungsfunktion (Sicherheit bei großen Lautstärken) 3. Verarbeitungsfunktion (optimale Verarbeitung der auftreffenden Schallwellen)

Problem: Zwischen der akustischen Impedanz (Standwert) des Mediums Luft zLuft und des Mediums Lymphflüssigkeit (Wasser) zWasser liegt ein Unterschied von mehr als 3 Größenordnungen vor, d.h., es besteht eine völlige Fehlanpassung: Zur Erreichung einer maximalen Empfindlichkeit bzw. einer maximalen Leistungsübertragung ist eine Transformation des Standwertes der Luft an den Standwert der Lymphflüssigkeit vorzunehmen (Erinnerung: optimale Leistungsanpassung bei Ra = Ri). Theoretisch muss eine Transformation um den Faktor 3600 vorgenommen werden. Standwerttransformation: Eine Teiltransformation des Standwertes erfolgt im Mittelohr durch die unterschiedlichen Flächen von Trommelfell und Ovalem Fenster. Es gilt: Da F1 = F2 folgt: Das bedeutet, der Schalldruck am Trommelfell erhöht sich am Ovalen Fenster um das Verhältnis der Flächen! Für die Schallleistung gilt: Bei einer optimalen Übertragung soll gelten: D.h., die auf das Trommelfell ein- wirkende Schallleistung soll vollstän- dig auf das Ovale Fenster übergehen. Das bedeutet: Daraus ergibt sich: D.h., der Standwert des Trommelfells erscheint am Ovalen Fenster erhöht um das Quadrat der Flächenverhält- nisse! Da ATF = 80 mm2 und AOF = 2 mm2 folgt Durch die Hebelwirkung der Gehörknöchelchen kommt es weiterhin zu einer Übersetzung von 3:2, so dass theoretisch insgesamt ein Übersetzungsverhältnis 60 vorliegt: Das bedeutet, dass im Idealfall der Standwert am Trommelfell (Standwert des Mediums Luft zLuft) um den Faktor 3600 erhöht am Ovalen Fenster erscheint.

3420 −= NsmzLuft33101440

2

−⋅= Nsmz OH

OFOF A

FpAFp 1=⇒=

TFTF A

Fpbzw 2. =⇒

OF

TFTFOF

OF

TF

TF

OF

TFTFOFOF

AA

ppAA

pp

ApAp

⋅=⇒=⇒

⋅=⋅

zvzp

pvP ⋅==⋅= 22

OFTR PP =

2222

=

=⇒=

OF

TF

TF

OF

TF

OF

OF

OF

TF

TF

AA

pp

zz

zp

zp

2

⋅=

OF

TFTFOF A

Azz

[ ]22

40280

TFTFOF zzz =

=

[ ] 360060 2 ⋅== TFTFOF zzz

27

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Wirkungsweise des menschlichen Gehörs (Teil 2): In der Praxis sind die für die Standwerttransformation zuständigen Flächen kleiner und außerdem frequenzabhängig, so dass dieses ideale Transformationsverhältnis nicht gegeben ist. Die praktischen Untersuchungen ergaben in etwa folgende Übersetzungsverhältnisse: Frequenz Übersetzungsverhältnis Quadrat des

Übersetzungsverhältnisses z*

Luft = zLuft ⋅ü2 [Nsm-3]

100 Hz 10 100 42⋅103 500 Hz 14 196 82⋅103 1000 Hz 20 400 168⋅103 2200 Hz 40 1600 675⋅103 Der Standwert der Luft erscheint also bei der Frequenz von 2200 Hz um den Faktor 1600 erhöht an der Oberfläche zum Ovalen Fenster. Bei 2200 Hz liegt auch etwa die größte Empfindlichkeit des Ohres (10-5 Nm-2). Damit ist die ideale Standwerttransformation auf 1440⋅103 Nsm-3 zwar nicht erreicht, aber die hindurchgehende Schallintensität bei 2200 Hz beträgt damit immerhin bereits 84 %. Ohne Transformation würde die hindurchgehende Schallintensität nur 0,11% betragen. Es gilt: Hindurchgehende Schallintensität: 100 Hz Idurch = 0,11 ⋅Iein 11 % 500 Hz Idurch = 0,22⋅ Iein 22 % 1000 Hz Idurch = 0,38 ⋅Iein 38 % 2200 Hz Idurch = 0,84 ⋅Iein 84 %

( )2*

*4

LuftOF

LuftOFeindurch

zz

zzII

+

⋅⋅=

zOF z*Luft

28

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Akustische Anzeigen – Übersicht über wesentliche Wandlerprinzipien Prinzip: Wandlung einer elektrischen Größe (Spannung, Strom, Magnetfluss, Feldstärke ) in eine mechanische Größe (Kraft). Elektrostatisch Wandlung: Elektrodynamische Wandlung: Elektromagnetische Wandlung: 1. Elektrostatisches Prinzip: Anwendung: extrem breitbandige Kopfhörer, Speziallautsprecher Gleichvorspannung zur Linearisierung erforderlich: Damit Linearisierung eintritt, muss gelten: oder 2. Elektrodynamisches Prinzip: Anwendung: Lautsprecher, Beschallungsanlagen Vorteil: linearer Zusammenhang zwischen Strom und Krafterzeugung 3. Elektromagnetisches Prinzip: Anwendung: Telephonhörer, Lautsprecher, Hörgeräte Vormagnetisierung zur Linearisierung erforderlich: Damit Linearisierung eintritt, muss gelten:

Ad

uF ⋅⋅= ε2

21

( ) ilBF ⋅= *

0

2

0

2

21

21

µµ ⋅Φ⋅−=⋅⋅−=

AA

BF

Gegenelektrode

U=

Ra

U~

Schwingende Membran (leitfähig)

Isolator

( ) 2222 2 ≈≈−−≈− +⋅⋅+=+= uuuuuuu

⋅

+⋅+=−

≈≈−− u

uuuu

2122

1<<−

≈

uu

≈− >> uu

Magnet

N

S

( ) 2222 2 ≈≈−−≈− Φ+Φ⋅Φ⋅+Φ=Φ+Φ=Φ

Φ⋅

Φ+Φ⋅Φ⋅+Φ=

−

≈≈−− 2

122

≈− Φ>>Φ

N

S

S

Tauschspule

u≈

Membran

Membran

Luftspalt

29

8

4 1 2 3 5 12

11

10697

Konstruktiver Aufbau: 1 Magnetkreis; 2 Magnet; 3 Luftspalt; 4 Schwingspule; 5 Spulenträger; 6 Membran 7 Zentrierung; 8 LS-Korb; 9 Kalotte; 10 Anschlußlitze; 11 Aufhängung; 12 Anschluß

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Elektrodynamischer Lautsprecher: Konstruktiver Aufbau: Prinzipieller Aufbau: Elektromechanisches und elektrisches Ersatzschaltbild: Es gilt:

u

m

n

n

i

B

B

FV

n m h⊥⊥

RT LT F∠∠W i ∠∠

W

u∠∠W

v∠∠W

v∠∠ h∠∠L u∠∠

F∠∠

XFiXv

u

WW

WW

⋅=

=

∠∠

∠∠

i ∠∠

i ∠∠ R⊥T LT i ∠∠

W Lmech Rmech Cmech

u∠∠ h∠∠L

X2 2

2

2

XmCXh

R

Xn

L

mech

mech

mech

⋅=

=

=

⊥

30

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion”

Aufbau und Leistungsumfang des menschlichen Auges: Bestandteile: - Hornhaut H - Augenkammer K - Linse Li - Ziliarmuskel Z - Iris I - Lederhaut Le - Aderhaut A - Netzhaut N - Netzhautgrube NG - Blinder Fleck B - Glaskörper G Das menschliche Auge verfügt über ca. 120 Mio. Stäbchen und ca. 6 Mio. Zäpfchen und ist in einem Wellenlängenbereich von 360 nm (violett) - 800 nm (rot) empfindlich. Die größte Empfindlichkeit liegt zwischen 520 nm (grün) u. 555 nm (grün/gelbgrün). Die Stäbchen sind für das Hell - Dunkel - Sehen zuständig; die Zäpfchen ermöglichen das farbliche Sehen. Der Sehbereich umfasst demnach 1 Oktave. Das Auge ist empfindlich für Leuchtdichten > 10-6 cd/m2. Bei Leuchtdichten ≤ 10 cd/m2 werden nur die Stäbchen angeregt, dann nur Schwarz - Weiß - Unterscheidung möglich. Bei Leuchtdichten > 10 cd/m2 werden die Zäpfchen angeregt, dann auch Farberkennung möglich. Eine Blendung tritt bei Leuchtdichten von > 104 cd/m2 ein. Das Auge vermag demnach Lichtintensitäten (Leuchtdichten) in einem Umfang von 10 Größenordnungen zu verarbeiten: 10-6 cd/m2 - 104 cd/m2 Die Sehschärfe wird durch die Fähigkeit bestimmt, nebeneinanderliegende Linien noch getrennt wahrzunehmen. Diese Auflösung beträgt 0,1 mm bei einem einem Abstand von ca. 25 cm. Das entspricht etwa 1 Winkelminute. Es verarbeitet außerdem etwa 17.000 Farböne und kann etwa 5 * 106 Farbnuancen wahrnehmen. Anthropotechnische Angaben: Entscheidend für eine Erkennbarkeit ist der Kontrast. Unterscheidung zwischen aktiven und passiven Displays: LV,Z - Leuchtdichte eines Zeichens; LV,H – Leuchtdichte des Hintergrundes Kontrast aktiver Displays: Kontrast passiver Displays: Kontrast soll zwischen 7:1 und 100:1 liegen! Kontrast soll zwischen 1:7 und 1:30 liegen! (Vergleich Fernsehbildröhre 30:1) (Vergleich Zeitung Kontrast 1:7) Bei 3:1 keine Ablesbarkeit mehr! Achtung: jetzt dunkles Zeichen auf hellem Grund! Bei Leuchtdichten < 10 cd/m2 nur Erkennung von Graustufen; dann nur Aktivierung der Stäbchen auf der Netzhaut. Bei Leuchtdichten > 10 cd/m2 Erkennung von Farben; dann Aktivierung der Zäpfchen. Lichttechnische Größen: - Lichtstrom Φv [lm] - Beleuchtungsstärke Ev [lx = lm/m2] - Lichtstärke Iv [cd = lm/sr] - Leuchtdichte (Lichtintensität) Lv [cd/m2] - Lichtmenge Qv [lm s] - Lichtausstrahlung Mv [lm/m2].

HV

HVZVa L

LLK

,

,, −=

HV

ZVp L

LK

,

,=

1 m2 r = 1 m

Raumwinkel 1sr (Steradiant)

Zur Definition der Lichtstärke und Leuchtdichte

G

B

Li

Z

KH

I

NG

N

A

Le

31

spannungsloser Zustand

Zustand mit anliegender Spannung

Prinzip einer Drehzelle

Polarisator

Polarisator

Elektrode mit orientierter Oberfläche

Elektrode mit orientierter Oberfläche

Flüssigkristall- moleküle

ca. 1

0 µm

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Funktionsweise und Aufbau einer LCD - Anzeige LCD – Anzeigen sind Flüssigkristallanzeigen (liquid crystal display). Sie sind passive Anzeigen und benötigen fremde Lichtquellen. Flüssigkristalle sind aromatische organische Verbindungen und besitzen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches (unterhalb 75°C), der sogenannten Klärungstemperatur, eine Ordnungsstruktur (Zwischenzustand – Mesophase). Oberhalb der Klärungstemperatur herrscht ein völlig ungeordneter isotroper Zustand, wie er normalerweise bei allen Flüssigkeiten auftritt. Typisch für eine solche Ordnungsstruktur sind faden- oder wurmförmige Kristalle. Man bezeichnet sie als nematische Kristalle (Nematoden – Fadenwürmer). Durch Einwirken eines elektrischen Feldes kann die Ordnungsstruktur verändert werden. Zwischen zwei Glasplatten, die mit transparenten Elektroden aus Indium – Zinnoxid beschichtet sind und die eine eingeprägte Struktur besitzen, befinden sich die Flüssigkristalle. Die Kristalle erfahren infolge der senkrecht aufeinanderstehenden eingeprägten Strukturen eine Drehung um 90° parallel zur Glasoberfläche. An der Ober- und an der Unterseite befinden sich um 90° versetzte optische Polarisationsfilter. Auftretendes Licht wird beim Durchgang in seiner Polarisationsrichtung infolge der verdrehten Kristallanordnung ebenfalls um 90° gedreht und wird nicht reflektiert. Wird unterhalb des unteren Polarisationsfilters ein Reflektor angebracht, erscheint im spannungslosen Zustand die Anzeige hell. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes drehen sich die Kristalle in eine senkrechte Richtung. Auftreffendes Licht wird von dem unteren Polarisationsfilter nicht durchgelassen. Die Anzeige erscheint dunkel. Die 10 µm dicke Flüssigkristallanordnung kann bereits durch geringste Verunreinigungen gestört werden. Bereits Ionenbildung kann ein Störfaktor sein. Außerdem kann durch eine Reduktion des Indium-Zinnoxids zu Indium und Zinn eine Trübung des Displays auftreten. Deshalb sind Flüssigkristalle nur mit Wechselspannung zu betreiben, die eine Ionenbildung ausschließt.

32

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Flüssigkristallanzeigen (Fortsetzung 1): Die angelegte Spannung liegt zwischen 1,5 und 5 V Wechselspannung. Die Frequenz beträgt 30 bis 100 Hz. Beim Einschalten tritt eine geringe Zeitverzögerung von 100 ms auf. Beim Ausschalten beträgt die Verzögerung etwa 200 – 300 ms. Bei tiefen Temperaturen vergrößern sich die Zeiten erheblich. Flüssigkristallanzeigen stellen eine kapazitive Last dar (etwa 100 pF). Der große Vorteil liegt in dem sehr geringen Leistungsverbrauch von nur 5 µW/cm2. Im Gegensatz dazu liegt der Leistungsverbrauch bei LED – Anzeigen bei etwa 50 mW. Erläuterungen: Rechts einfallendes Licht wird horizontal polarisiert. Die Elektroden der hinteren Glasplatte besteht aus 7 einzelnen Elektroden aus Indium – Zinnoxid ( 7 - Segmentanzeige), die separat angesteuert werden können. Im Bereich der Flüssigkristalle zwischen den mit Indium – Zinnoxid beschichteten Glasdeckgläsern bildet sich die verdrehte nematische Phase der Kristalle. Einfallendes Licht wird gedreht, passiert das hintere Polarisationsfilter und wird von dem Reflektor zurückgeworfen. Im spannungslosen Zustand erscheint die Anzeige hell! Im Falle des Anliegens einer Spannung wird die Schwingungsrichtung des Lichtes nicht gedreht. Das Licht kann das hintere Polarisationsfilter nicht passieren und wird demzufolge nicht reflektiert. Die Anzeige erscheint dunkel ! (dunkle Anzeige auf hellem Grund)

Aufbau einer Reflexionsdrehzelle

R P2 G

A

G

P1

P1, P2 - Polarisationsfilter G - Glasdeckgläser, innen mit Indium-Zinn-Oxid beschichtet A - Abstandshalter und Behälter 10µm stark R - Reflektor

d e g f a

b c

Kontaktierung der LCD -Anzeige

33

Ur Ur

Ul Ul

UFK

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Flüssigkristallanzeigen (Fortsetzung 2): Zum Betrieb der LCD mit Wechselspannung erhalten die Elektroden eine Rechteckspannung Ur bzw. Ul , die eine Differenzspannung UFK zwischen beiden Elektroden erzeugen. Je nach Phasenlage der Rechteckspannungen liegt eine Wechselspannung oder keine Spannung zwischen den Elektroden. Ur - Spannung an der rechten Elektrode Ul - Spannung an der linken Elektrode UFK – Spannungsdifferenz = Ur –Ul Bei Gleichphasigkeit ist die Spannungsdifferenz UFK = 0, bei Gegenphasigkeit UFK ≠ 0 Beispiel: Gegenphasigkeit Gleichphasigkeit Praktische Realisierung: Die rechte Elektrode ist für alle Segmente gemeinsam und ist direkt mit dem Rechteckgenerator verbunden. Die Ansteuerung der Segmente auf der linken Seite erfolgt über ein Exclusiv-Oder. Wird Ua (Spannung am Segment a) auf 1 gelegt, bildet sich auf der linken Seite des Segmentes an eine zur rechten Seite gegenphasige Spannung, so dass die Differenz eine Wechselspannung ergibt. Liegt Ua auf 0, so ergibt sich eine Gleichphasigkeit und die Differenzspannung ist ebenfalls 0. Quelle: Hering, Bressler u.a.: Elektronik für Ingenieure, VDI – Verlag 1998

UFK

•

BC

D –

7 S

egm

ent-

Dek

oder

A B C D

a b c . . g

=1

=1

=1

=1

1

•

•

•

°°

UFK

LCD – Segment angesteuert

LCD-Segment nicht angesteuert

Ua

Ur

Ul

t

t

t

t

34

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” LCD – Anzeigen nach dem Dynamic Scattering Mode (DSM – Zelle) a) b) Prinzip des Electrically Addressable Smectic Liquid Daylight Memory Display (EASL DMD™)

a) Kristalle sind ohne Anliegen eines b) durch Anlegen eines elektrischen elektrischen Feldes geordnet, auftreffendes Wechselfeldes verändert sich die Licht durchläuft das Display, es erfolgt Kristallstruktur, indem die Kristalle keine Anzeige eine turbulente Bewegung ausführen; auftreffendes Licht wird reflektiert.

Polarisationsfilter sind nicht erforderlich, deshalb kann das gesamte Lichtspektrum für die Anzeige genutzt werden. Je stärker der Lichteinfall, um so hoher der Kontrast (vergleichbar mit bedrucktem Papier). Ein großer Vorteil besteht in der Multistabilität, d.h. die Kristalle haben die Fähigkeit, unbegrenzt die jeweilige Struktur auch nach Abschalten der Spannung beizubehalten (Memoryeffekt) bzw. das Display erfordert nur eine Spannung, wenn das Bild verändert werden soll. Um Grautöne zu erhalten, werden die Moleküle in einen stabilen Zustand zwischen den beiden Extremzuständen gehalten. Farbbilder erhält man durch Einsatz von Farbfiltern. Die Verwendung von Plastiksubstraten ermöglicht die Realisierung verformbarer Displays.

35

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Aufbau eines TFT – LC – Displays (thin-film-transistor–addressed-liquid-cristal-display) Quelle: •Technology and Applications of Amorphous Silicon, R. A. Street, Springer-Verlag, 2000 •c’t-Magazin, heise-Verlag, Ausgabe 23/2002, 24/2002, 26/2002

36

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Aufbau von Aktiv – Matrix - LCD´s Erläuterungen zur Arbeitsweise des Aktivmatrixverfahrens

• Zur Adressierung wird bei TFT – Displays das Aktivmatrixverfahren angewandt. • Die Ansteuerung der einzelnen Zellen übernehmen nichtlineare Bauelemente (Thin Film

Transistors) außerhalb der Pixel. • Die TFT´s befinden sich an den Knotenpunkten der horizontalen Gateleitungen und

vertikalen Datenleitungen. Damit werden die an der TN – Zelle anliegenden Spannungen ein- und ausgeschaltet.

• Die TN-Zelle stellt eine elektrische Kapazität (CLC) dar. Parallel dazu liegt eine Speicherkapazität (CS), die die Signalladung speichert.

• Es kann genau eine Zeile angesteuert werden. Die Videosignale (Spannungen) werden während der Ansteuerung der Gates der Transistoren durch Datenpuffer auf die Datenleitungen gelegt.

• Während der Öffnung der Gates wirkt die jeweilige Signalspannung auf die Pixelelektrode jedes Pixels der Leitung.

• Nach der Aufladungsphase werden die Zellen der i-ten Zeile von den Datenleitungen getrennt und die Zellen der (i+1)- Gateleitung werden geladen.

Additive Farbmischung:

- weißes Licht setzt sich aus unterschiedlichen Farben zusammen (Mischlicht). - Bei additiver Farbmischung nimmt das menschliche Auge mehrere Farben gleichzeitig oder schnell nacheinander wahr. - Der resultierende Farbreiz entsteht durch Addition der einzelnen Farben. Es kann dadurch „weiß“ entstehen.

37

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Bei einem Farbdisplay besteht jedes Pixel aus drei Subpixeln mit den Farbfiltern ROT, GRÜN und BLAU (RGB). Jedes Pixel wird digital angesteuert. Mit einem Pixel sind 23 – Farbkombina- tionen möglich.

Detaildarstellung: - Rechts sieht man die unverdeckte Pixelstruktur. Horizontal verlaufen die Gate- oder

Zeilenleitungen, vertikal verlaufen die Daten- oder Spaltenleitungen. - Links sieht man die mit Farbfiltern verdeckten Pixel. Die Zwischenräume sind zur

Kontrasterhöhung schwarz ausgefüllt..

TFT-LCD – Monitor:

38

p-Gebiet n-Gebiet

Dic

htev

erla

uf/c

m3

np

pp

pn

nn

1010

⊕⊕ ⊕⊕ ⊕⊕

ΘΘΘΘΘΘ

+

Rau

mla

dung

⊕⊕ ΘΘ

⊕⊕ ΘΘ

Diffusion

Feldwirkung

UD

Pot

enti

al ϕϕ

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” LED – Anzeigen – Wirkungsweise und technische Ausführungen An der Grenzfläche eines pn – Überganges diffundieren Ladungsträger vom p – in das n – Gebiet und umgekehrt (Elektronen in das p-Gebiet und Löcher in das n-Gebiet). Die Diffusion entsteht durch die unterschiedlichen Ladungsträgerkonzentrationen und ist temperaturabhängig. Dadurch Ausbildung einer Raumladung bzw. eines elektrischen Feldes mit der Diffusionsspannung UD. Durch das elektrische Feld entsteht ein Feldstrom, der dem Diffusionsstrom entgegengerichtet ist. Dadurch Herausbildung eines elektrischen Gleichgewichtes. Durch Anlegen einer Sperrspannung wird die Raumladungszone verbreitert und die Diffusionsspannung vergrößert. Als Folge wandern Ladungsträger aus der Übergangsschicht und die Übergangsschicht verarmt an Ladungsträgern. Es fließt lediglich ein geringer Sperrstrom, verursacht durch die Minoritätsträger. Wird eine Spannung in Flussrichtung angelegt, wird die Diffusionsspannung abgebaut, der Feldstrom sinkt und der Diffusionsstrom überwiegt gegenüber dem Feldstrom. Elektronen des n – Gebietes wandern in das p – Gebiet bzw. Löcher wandern vom p – Gebiet in das n – Gebiet. Dadurch entsteht eine Erhöhung der Minoritätsträgerdichte und es kommt zu einem Rekombinationsprozess, der zu einer Abstrahlung von Photonen führt. Die Farbstrahlung ist von der Materialart des pn-Überganges abhängig; z.B. strahlt GaP:N grün und GaAsP:N orange. p – Gebiet: Defektelektronen pp Elektronen np

n – Gebiet: Elektronen nn Defektelektronen pn Diffusion aufgrund von Konzentrations- unterschieden: Defektelektronen in das n – Gebiet Elektronen in das p – Gebiet Ausbildung eines elektrischen Feldes mit einer Raumladung Raumladung verursacht Feldstrom: Elektronen in das n - Gebiet Defektelektronen in das p – Gebiet, dadurch Herausbildung eines dynamischen Gleichgewichtes, Kristall ist äußerlich elektrisch neutral Durch Spannung in Flussrichtung Abbau der Potentialschwelle, Elektronen strömen in das p – Gebiet und Defektelektronen in das n –Gebiet. Dadurch Rekombination Abstrahlung von Photonen.

39

A

B C D

7 –

Segm

ent-

D

ecod

er

Log

ik-

spei

cher

Zäh

ler

Anodentreiber

Katodentreiber

1 –

aus

4 –

Dec

oder

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” LED – Ansteuerungen und Bauformen (1) Einzel – LED - Ansteuerung leuchtet, wenn am Eingang H leuchtet, wenn am Eingang L (open-collector-Schaltung) (Totem-Pole-Schaltung) Sieben – Segment – Anzeige Zeitmultiplex – Ansteuerung

+U

1 H

1L

+U

a b c d e f g

a

b

c

d

e

f

g

+5V

A

B

C

D

BC

D –

7 –

Seg

men

t -

Dec

oder

40

A

B

C

D

0

1

7

8

9

BC

D-D

ezim

al-D

ecod

er

+5V

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung Gerätekonstruktion” LED – Ansteuerungen und Bauformen (2) Ausgabe eines Leuchtpunktes Ausgabe eines Leuchtbandes Bauformen von Luminizenzdioden Reflektor mit transparentem Kunststoff und Diffus streuender Kunststoff und Richtcharakteristik Reflektorwanne Matrix-Display 5 x 7 (Luminizenzdioden-Display) Material Farbe Wellenlänge Anwendungen GaN blau 450 nm Anzeigen GaP:N grün 555 nm Anzeigen GaAsP rot 655 nm Anzeigen GaAs:Zn infrarot 900 nm Lichtschranken GaAs:Si infrarot 930 nm Lichtschranken

Kunststoff, transparent

LED - Chip

A

B

C

D

0

1

8

9

BC

D-D

ezim

al-D

ecod

er

+5V

&

&

&

41


Übersicht über Sensoren

Messgrößen und Messprinzipien - Auswahl und Übersicht nach Hering, Bressler, Gutekunst: Elektronik für Ingenieure, VDI Verlag

Mechanische Größen in Festkörpern:

- Weg, Position - Winkel - Geschwindigkeit - Drehzahl - Impuls - Beschleunigung - Kraft - Drehmoment

- Arbeit

Mechanische Größen in Flüssigkeiten und Gasen:

- Druck - Durchfluss - Füllstand - Dichte - Viskosität

Thermodynamische Größen:

- Temperatur - Wärmekapazität - Wärmeleitfähigkeit- Wärmeleistung

Schwingungen: - Zeit, Frequenz - Pulsdauer

Optische Größen: - Wellenlänge - Brechungsindex - Lichtstärke - Leuchtdichte - Farbdichte u.a.

Akustische Größen: - Schalldruck - Frequenz - Geschwindigkeit - Schallleistung - Schallintensität - Standwert

Chemische Größen: - pH-Wert - Ionenkonzentration- Stoffkonzentration- Leitfähigkeit u.a.

Elektrische und magnetische Größen:

- Ladung - Strom - Spannung - Widerstand - Leistung - Phase - Feldstärke - Kapazität - Dielektrikum u.a.

M e

s s

g r

ö ß

e n

S e

n s

o r

i k

mechanisch

kapazitiv

induktiv

Widerstand R = f(T, s, A....)

thermo-elektrisch

fotoelektrisch

piezoelektrisch

akustisch

optisch

chemisch

magnetostatisch

magneto-elektrisch

Dehnungsmess-streifen ∆∆ R ∝∝ ∆∆ s

M

e s

s p

r i

n z

i p

elektrische Größe

42


Für Sensorfunktionen genutzte physikalische Wirkprinzipien (Auswahl): 1. Änderung des elektrischen Widerstandes eines Leiters bei mechanischer, thermischer oder chemischer Beeinflussung. 2. Veränderung der Kapazität eines Kondensators durch stoffliche oder mechanische Beeinflussung. 3. Änderung der Induktivität einer sich in einem Strom- oder Schwingkreis befindlichen Spule. 4. Nutzung des Piezoeffektes durch mechanische Beanspruchung (Druck, Zug, Torsion) von Piezokristallen. An den Grenzflächen treten elektrische Ladungen auf, die proportional der Belastung sind. 5. Nutzung des fotoelektrischen Effektes, bei dem durch Auftreffen von Photonen in bestimmten Materialien (Silizium, Halbleiter, Alkalimetalle) Elektronen freigesetzt werden bzw. die Leitfähigkeit verändert wird. 6. Nutzung des thermoelektrischen Effektes, der dadurch gekennzeichnet ist, dass bei Verbin- dung zweier Drähte aus unterschiedlichem Material ( z.B. Kupfer und Konstantan oder Platin-Rhodium und Platin) zu einem geschlossenen Stromkreis eine elektrische Spannung entsteht, die von der Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen abhängig ist. 7. Hall - Effekt, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen zwei Punkten eines räumlich ausgebildeten Leiters, der sich in einem Magnetfeld befindet, und durch den ein Strom fließt, eine Spannungsdifferenz ausbildet. Diese Spannung ist bei Halbleitermaterialien (z.B. Indiumantimoxid, Galliumarsenid) besonders hoch und kann zur Ermittlung magnetischer Felder verwendet werden. 8. Wiegand - Effekt, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem speziell vorbereiteten Draht die Magnetisierungsrichtung schlagartig ändert, wenn sich das äußere Magnetfeld um einen bestimmten Mindestbetrag ändert. 9. Doppler - Effekt, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Frequenzänderung einer sich von einem Beobachtungsort entfernenden oder sich zum Beobachtungsort annähernden Schall- oder Lichtquelle eintritt. Die Größe der Frequenzänderung ist ein Maß für die relative Geschwindigkeit zwischen Beobachter und Schall - oder Lichtquelle. 10. Sagnac - Effekt, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Laufzeit des Lichtes in einer in Form einer Spule gewickelten Glasfaser ändert, wenn die Spule in Drehung versetzt wird. Der S.-E. ist zur Messung von Drehgeschwindigkeiten geeignet. 11. Nutzung faseroptischer Eigenschaften, da sich bei Verformung, Druckbelastung, Temperaturbeeinflussung etc. die Übertragungseigenschaften von Lichtwellenleiter hinsichtlich Amplitude, Phase, Polarisation u.a. ändern. 12. Magnetoresistiver Effekt, bei dem sich z.B. bei Indiumantimoxid oder bei einer Nickel - Antimon - Legierung der elektrische Widerstand ändert, sobald diese Materialien einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Die Materialien werden mäanderförmig auf einem Ferrit- , Keramik - oder Plastiksubstrat aufgetragen. 13. ∆∆ E - Effekt : Änderung des Elastizitätsmoduls E bestimmter Materialien in Abhängigkeit von der Magnetisierung bzw. elektrischen Feldstärke.

43

Sensorspule bildet Primärkreis eines Transformators

Eisenkern

Objekt bildet Sekundärkreis eines Transformators und wirkt wie Kurzschlussring

Z ⇒⇒

i1 R1 R2

i2 L1 L2 u1


Induktiver Sensor Aufbau: Schalenförmiger Ferritkern mit Spule als Primärspule Messprinzip: Metallischer Gegenstand (Identifikationsobjekt) wirkt wie ein Sekundärkreis und verändert über die Gegeninduktivität die Eingangsimpedanz der Primärspule. Ersatzschaltbild: Ableitung:

( ) 2121111 iMjiLjRu ⋅⋅+⋅+= ϖϖ

( ) 01122222 =⋅⋅+⋅+= iMjiLjRu ϖϖ22

1122 LjR

iMji

ϖϖ+

⋅−=⇒

( ) ( )( )221

11212

1

111

1

1

LjRi

iMjMj

i

iLjR

i

uZ

ϖ

ϖϖϖ

+

⋅−+

⋅+==

( ) ( )( )22

22

22

212

2

11 LjRLjR

LjRM

LjRZϖϖ

ϖϖϖ

−−⋅

+++=

( )22

22

212

222

11 LRMLjR

LjRZ⋅+

⋅−++=ϖ

ϖϖϖ

( )22

222

212

22

1ReLR

MRRZ

⋅+⋅+=

ϖϖ ( )

22

222

212

22

1ImLR

MLLZ

⋅+⋅

−=ϖ

ϖ

44

Abschirmung(Elektrode)

Elektrode

Objekt

CG


Kapazitiver Sensor Prinzipieller Aufbau: . Unterscheidung von 3 Fällen:

1. Objekt ist nichtleitend 2. Objekt ist leitend und isoliert

3. Objekt ist leitend und geerdet 1. Objekt ist nichtleitend Durch die Veränderung des Dielektrikums und Ver- größerung der Dielektrizitätskonstanten ε im Bereich der Feldlinien tritt eine Kapazitätserhöhung ein. Die Kapazität nimmt um einen Betrag ∆C zu. 2. Objekt leitend und isoliert Das Objekt stellt eine Kapazität dar, die sich aus zwei in Reihe geschalteten Kapazitäten zusammensetzt und parallel zur Grundkapazität angeordnet ist. Gegenüber dem Fall 1 tritt eine größere Kapazitätserhöhung auf. 3. Objekt leitend und geerdet Parallel zur Grundkapazität liegt eine zusätzliche Kapazität, die sich zwischen der Elektrode 2 der Grundkapazität und der geerdeten Elektrode ausbildet. Das bedeutet Vergrößerung der Kapazität gegenüber dem Fall 2 und eine größere Empfindlichkeit.

CG

Objekt

Abschirmungselektrode und Elektrode bilden eine Grundkapazität CG

Durch Annäherung eines Objektes wird die Permeabilität verändert und die Grundkapazität erhöht sich um einen Betrag von ∆C

45

Oszillator Komparator Verstärker

Ausgangssignal

Ua

UB

AP

s/mm

I/mA

Fe- oder Nichteisenmetall

Spule mit Ferritkern


Induktiver Sensor – Anwendungen Eine Spule bildet zusammen mit einer Kapazität den Parallelschwingkreis eines Oszillators. Durch Annäherung eines metallischen Gegenstandes (Objekt) vergrößert sich der Realteil des Schwingkreis und die Güte des Schwingkreises wird verringert. Die Schwingung wird dadurch bedämpft. Bei Unterschreiten einer festgelegten Schwingungsamplitude spricht ein Komparator an und ein Ausgangssignal wird ausgelöst: Beispiel für Oszillatorschaltung (Meißner-Schaltung): Indikation erfolgt durch die unterschiedliche Stromaufnahme des Oszillators im bedämpften und im nichtbedämpften Fall: ohne Bedämpfung: große Stromaufnahme mit Bedämpfung: geringe Stromaufnahme Arbeitspunkt AP in den steilsten Anstieg legen, da dort größte Empfind- lichkeit. Ausführungen: Ringinitiator : Spule mit Ferritkern ist Bestandteil eines Oszillators. Durch einen metallischen Gegenstand erfolgt eine Bedämpfung des Oszillators. Geeignet zum Zählen von Einzelteilen. Schlitzinitiator: Zwei sich gegenüberliegende Spulen 1 und 2 bilden einen Transformator mit loser Kopplung. Im unbedämpften Fall reicht die Kopplung aus, um einen Oszillator schwingen zu lassen. Bei Einbringen eines metallischen Gegenstandes in den Schlitz, verringert sich die Kopplung und die Schwingung reißt ab.

Spule 2 Spule 1

Metallischer Gegenstand

46

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Anwendung kapazitiver Sensor: Praktische Anwendung findet der kapazitive Sensor in Verbindung mit einem RC – Oszillator, bei dem durch Vergrößerung einer Kapazität im Basiszweig einer Transistorstufe die Schwingbedin-gung erfüllt wird, d.h., bei Annäherung eines Gegenstandes beginnt der RC – Oszillator zu schwingen und beim Entfernen bricht die Schwingung ab. 2 - stufiger RC – Oszillator:

Verstärkung der 1. Stufe: U1 /U2 = V1 = (Z1 + Z2 )/Z2 Verstärkung der 2. Stufe: Ua/U1 = V2 = 1 (Kollektorstufe) Mit P Einstellung des Verhältnisses: Ua/U2 = A Es gilt: V1 * V2 * A = U1/U2 * Ua/U1 * Ua/U2 Ohne Annäherung schwingt der Oszillator nicht, d.h. V1 * V2 * A < 1 Bei Annäherung schwingt der Oszillator, d.h. V1 * V2 * A > 1 Daraus folgt: V1 muss größer werden, damit Schwingbedingung erfüllt ist! Das gelingt durch Vergrößerung von Cg bzw. durch Verkleinerung von 1/jωω Cg Bei Annäherung wird Z2 kleiner! →→ V1 wird größer!

Ua

T1

T2

RE CK P

RC

R1

R2 Cg

C0

CT

U1

U2

UB

47

ερρ

ρρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρρρ

δδ

δδ

ρδρδ

⋅=⋅=++=

−+=⋅

⋅

−⋅

+⋅

=

⋅++=⋅+⋅+⋅=

22

2

2

ldl

ldl

ldld

RdR

AdA

ldld

Al

dAA

l

Al

dlA

Al

dAl

RdR

dAA

ldl

Ad

Al

dAAR

dllR

dR

dR


Dehnungsmessstreifen (DMS): Besteht aus einer mäanderförmig zwischen zwei isolierenden Schichten (Trägerfolie - Polyamid) geklebten dünnen Folien aus elektrischem Widerstandsmaterial, die auf das zu untersuchende Objekt geklebt wird und die dessen mechanische Formänderung (Dehnung, Torsion) mitmacht und diese als Widerstandsänderung angibt: k – 2,05 bei Konstantan, wie bei den meisten Metallen 4,00 bei Platin – Wolfram – Legierung 6,10 bei Platin 12,00 bei Nickel bis 200 bei Silizium R – 100 bis 600 Ohm (Nennwerte 120 Ohm, 330 Ohm, 600 Ohm) Temperaturbereich – 30 °C bis + 180 °C Thermisch verursachtes Ausgangssignal:

- - 30 °C ------- + 20 °C nicht spezifiziert - + 20 °C ------- + 160 °C + 2 µm Dehnung/°C (1µm = 0,0001 %) - +160 °C ------- + 180 °C + 5 µm Dehnung/°C

Lebensdauer: 105 Lastwechsel bei 1000 µm Dehnung Messung stationärer und dynamischer Dehnungen möglich. Dehnung bzw. Stauchung darf nur innerhalb des Gültigkeitsbereiches des Hookschen Gesetzes liegen, d.h. Dehnung ε = 0,001. Auswahl des Klebers besonders wichtig, da Kleber die Längenänderung mitmachen muss. Aufbau: Folien – DMS Halbleiter - DMS Für Metalle gilt: Daraus ergibt sich für eine Widerstandsänderung dR:

Für lV

A = gilt nach Quotientenregel:

wegen dV=0, da keine Volumenänderung erfolgt. Bemerkung: , da keine Änderung des spezifischen Widerstandes!

ε⋅=∆

⋅=∆

kll

kRR

Messfeldlänge

Messgitter Abdeckung

Träger Anschluss

15-25 µm

Anschlussband

Zwischenleiter (Gold)

Messstruktur Anschlussband

Al

R ⋅= ρ

ldlA

ldlV

ldlVdVl

dA⋅−=⋅−=⋅−⋅= 22

0=ρρd

48

Rx R1

R2 R3

ix i1

i2 i3

Prof. DR. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion”

Dehnungsmessstreifen (DMS) - Fortsetzung: DMS wird zur Bestimmung der Widerstandsänderung in Brückenschaltung betrieben: Bei Brückenabgleich ist ig =0. Das bedeutet, die Punkte A und B haben das gleiche Potential. Daraus ergibt sich: und bzw. Daraus folgt: Da im Falle des Abgleiches ix = i1 und i2 = i3 folgt: R2 und R3 sind im allgemeinen dekadisch einstellbar, dann wird Rx durch die Zahlenfolge von R1 angegeben. Optische Sensoren: Optische Sensoren basieren häufig auf Lichtreflexion (Reflexsensor). Anwendungsbereiche liegen

- in der Abstandsmessung durch Punktauswertung und - in der linienhaften Abtastung von Oberflächen zur Erfassung einer Gesamtoberfläche.

Zur Abstandsmessung sind Sende- und Empfangsoptik gegenüber dem Messobjekt unter einem gleichen Winkel angeordnet. Zur Störunterdrückung (z.B. Tageslicht) wird Sendelicht gepulst.

ig

A

B

2uu x = 31 uu =3

2

1 uu

uux =

33

22

11 RiRi

RiRi xx

⋅⋅

=⋅⋅

3

21

3

2

1

RR

RR

RR

RR

x

x

⋅=

=

Umax

U± ∆a

Abstand a

Abstand a

Modulator

Objekt

Verstärker

Demodulator

Komparator Referenzspan

Anzeige Ausgangssignal Open-collector Relais u.a.

+∆a -∆a

LED

Fotodiode

49

LED

VerstärKomparator

Ausgang TTL

Fotodiode

Modulator


Optische Sensoren (Fortsetzung 1) Einsatz von Lichtwellenleiter mit koaxialer, geteilter oder gemischter Anordnung von Beleuchtungs-bzw. Rezeptorfasern. Damit sind auch Flächen bei geringstem Raumbedarf der Messanordnung erfassbar. Koaxiale Anordnung Geteilte Anordnung Gemischte Anordnung Ausführung Reflexsensor: Optochemische Sensoren (Optoden): Durch Veränderung des Laserlichtes in einer chemischen Substanz durch Absorption, Reflexion, Fluoreszenz u.a. werden nach elektronischer Auswertung des reflektierten Laserstrahles Rückschlüsse auf die Substanz gezogen. Der optische und der chemische Teil sind vollständig getrennt. Anwendung beispielsweise.

- Messung der Schadstoffkonzentration in der Umweltmesstechnik - Messung von Korrosionsschutzschichten

Messaufbau: Sensor zur Feuchtigkeitsmessung: Anwendung zur Taupunktmessung durch Veränderung der Permeabilität des Finger- Kondensators: ∆∆ C = f(Feuchte)

Beleuchtungsfasern

Rezeptorfasern Rezeptorfasern

Beleuchtungsfasern

Detektor- elektronik

LWL

Chemische Substanz (Messstelle)

Laserstrahl

Prisma

50

p-Substrat

n n

SiO2 Metallgate

Source Drain

+12 V 0 V 0 V

interne Verbindung p-Substrat

n n

SiO2 Metallgate

Source Drain

+12 V 0 V

+3V

interne Verbindung

p-Substrat

n n

Isolator

Isolator

Elektrolyt Schutzschicht

Schutzschicht

Metallkontakt

Metallkontakt

SiO2

Palladiummembran + V Drainanschluss Gateelektrode


Chemische Sensoren Chemische Sensoren basieren meistens auf Ausnutzung des Feldeffektes und arbeiten ähnlich wie ein Feldeffekttransistor, wobei ein chemischer Prozess die Eigenschaften des npn-Überganges steuert. Daraus ergibt sich die Bezeichnung ChemFET. Prinzip: Der chemische Teil in Form eines Elektrolyten wird durch eine SiO2 – Schicht vom elektronischen Teil getrennt. Das Gate besteht aus einer Palladium-Schicht, die auf der SiO2 – Schicht in Form einer dünnen Membran aufgebracht wurde. Oberhalb des Gates befindet sich die zu untersuchende chemische elektrolytische Lösung, bei der z.B. H2 durch Katalyse mit dem Palladium in Wasserstoffionen H+ umgewandelt wird (Wasserstoff wird durch den Elektronenentzug oxidiert). Durch die Ionenbildung entsteht ein elektrisches Feld, das das Gebiet zwischen den beiden n –leitenden Gebieten beeinflusst. Die Beeinflussung erfolgt dadurch, dass das p-Substrat infolge der Eigenleitung Elektronen und Defektelektronen (Löcher) als Minoritätsträger enthält und diese vom Feld der Gate-Elektrode angezogen werden und einen n – leitenden Kanal zwischen Source und Drain bilden. Funktionsweise eines Feldeffektransistors: Aufbau eines ChemFET: Anwendung:

- Messung der Konzentration von Wasserstoff (Wasserstoffionenkonzentration – pH-Wert) - Messung wasserstoffhaltiger Gase (z.B. NH3 , H2S)

Gateschicht dielektrisch (Al2O3, Si3N4, Ta2O5): nachweisbare Substanzen Ca++, K+, Na+ Gateschicht kristallin (AgBr, AgCl): nachweisbare Substanzen Ag+, Cl-, F-, Br- Gateschicht heterogen (Enzyme, Bakterien): nachweisbare Substanzen Penicillin, Glukose

51


Aktoren in der Gerätetechnik – Grundlagen Aktoren haben in der Gerätetechnik die Aufgabe, von der Steuerung vorgegebene Daten in physikalische (mechanische, elektrische, thermische, akustische, optische) oder chemische Größen zur Beeinflussung eines Prozesses umzusetzen. Der Informationsfluss wird mit einen Stoff- oder Energiefluss verknüpft. Zu beeinflussende physikalische Größen können sein: mechanisch: Länge, Winkel, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, Moment, Druck elektrisch: Spannung, Strom, Ladung, magnetische Feldstärke, magnetischer Fluss u.a. thermisch: Temperatur, Wärmestrom, Wärmestrahlung, u.a. akustisch: Schalldruck, Frequenz, Impuls, Schallleistung, Schallintensität u. a. optisch: Wellenlänge, Lichtstrom, Lichtstärke, Leuchtdichte u.a. Zu beeinflussende chemische Größen können sein: pH – Wert, Leitfähigkeit, Ionisierungsgrad, Konzentration u.a. Beispiele für Aktoren: Pumpen, Ventile, Motoren, Membranen, Elektroden, Spulen, Magnete, Lampen, Widerstände u.a. Begriff Freiheitsgrad: Bei der Realisierung mechanischer Wirksysteme spielt der Begriff Freiheitsgrad eine entscheidende Rolle. Feststellung: Ein sich völlig frei im Raum beweglicher Körper besitzt 6 Freiheitsgrade, d. h. 3 Freiheitsgrade für translatorische Bewegungen in x-, y- und z – Richtung und 3 Freiheitsgrade für rotatorische Bewegungen um die x-, y- oder z – Achse und keine Unfreiheiten. Die technische Funktion eines mechanischen Gebildes entsteht im allgemeinen durch das Zusammenwirken mehrerer Einzelteile, die fest oder beweglich zueinander angeordnet sind. Infolge einer solchen Paarung mehrer Einzelteile in einem oder in mehreren Berührungspunkten wird der Freiheitsgrad eingeschränkt. Betrachtet man eines der Teile als fest angeordnet, so hat das andere Teilelement einen begrenzten Bewegungsbereich ohne das die Berührung aufgehoben wird. Die verhinderte Bewegung (Translation oder Rotation) bezeichnet man als Unfreiheit. Beispiele: Kugel auf einer Fläche Kugel in Rille: Zylinder in Rohr: 1 Unfreiheit: 2 Unfreiheiten: 4 Unfreiheiten: in z – Richtung keine Translation in 2 Richtungen keine Translation in 2 Richtungen keine Translation u. 5 Freiheitsgrade: 4 Freiheitsgrade: in 2 Orientierungen keine Rotation 2 Translationen, 3 Rotationen 1 Translation, 3 Rotationen 2 Freiheitsgrade: u = 1; f = 5 u = 2; f = 4 1 Translation, 1 Rotation u = 4; f = 2 2 aufeinanderliegende Platten 3 Unfreiheiten: Es gilt: u + f = 6 bzw. u = 6 - f in 1 Richtung keine Translation 3 Freiheitsgrade: 2 Translationen, 1 Rotation u = 3; f = 3

52

n1 n2

n3

( ) ( ) 723136 =+−−=F


Freiheitsgrad, Unfreiheit, Überbestimmtheit: Die Unfreiheit eines aus mehreren Berührungspaaren zusammengesetzten Gebildes ergibt sich aus der Summe der Unfreiheiten aller Berührungspaare. Bei einem Gebilde aus n Teilen ergibt sich bei einem als Bezugsteil vorgegebenen Teil die Summe der maximal zulässigen Unfreiheiten zu: Treten mehr Unfreiheiten auf, ist das Gebilde überbestimmt (Überbestimmtheit). Umgekehrt ergibt sich die Summe der maximal zulässigen Freiheitsgrade eines aus n Teilen bestehenden Gebildes mit einem als Bezugsteil vorgegebenen Teil zu: Der Freiheitsgrad F eines aus n Teilen bestehenden Gebildes (System) ergibt sich zu: 1. Beispiel: 2. Beispiel: 3. Beispiel: Bei festen Verbindungen ist die Anzahl der Unfreiheiten u = 6, d.h., der Freiheitsgrad f= 0. Ist die Anzahl der Unfreiheiten größer als 6, dann ist eine Freiheit mehr als 1 mal gesperrt. Man spricht dann von einer überbestimmten Verbindung, bei der im allgemeinen Zwangskräfte entstehen. Überbestimmtheit liegt also auch vor, wenn eine Unfreiheit zwei- oder mehrfach erreicht wird. Diese Überbestimmtheit ist deshalb besonders im Präzisionsgerätebau kritisch, da die Zwangskräfte die Genauigkeit stark einschränken. Beispiel für eine überbestimmte Paarung: ungünstig, da radiale günstig, da radiale nur 1 mal festgelegt; Festlegung 2 mal erfolgt, dadurch dadurch keine Zwangskräfte, aber volle Zwangskräfte! Funktionserfüllung!

( )161

−=∑=

nuMaxn

u

∑=

=n

kkGebilde uu

1

( )∑ −= )16 nfMax

∑∑∑==

−−=−=n

kk

n

kk unufMaxF

22

)1(6

( ) 42126 =−−=F ( ) 24126 =−−=F

53

n1-Führung (Zylinder)

n2 – zu führendes Teil mit Mutter

n3 – Spindel-Mutter

n4 - Spindellagerung


Freiheitsgrad, Unfreiheit, Überbestimmtheit (Fortsetzung): Beispiel für ein überbestimmtes System: Die maximal zulässige Anzahl von Unfreiheiten beträgt: Da das zu führende Teil nur 1 Freiheitsgrad besitzt, darf das System maximal 17 Unfreiheiten haben, ansonsten ist es überbestimmt: Das System besitzt jedoch mehr als 17 Unfreiheiten, ist also überbestimmt: n1 – Führung: 6 Unfreiheiten n2 – zu führendes Teil: 5 Unfreiheiten n3 – Spindel – Mutter: 5 Unfreiheiten n4 – Spindelführung: 5 Unfreiheiten Summe: 21 Unfreiheiten Konstruktive Änderung zur Überführung in ein bestimmtes System: Das System besitzt jetzt folgende Unfreiheiten: n1 – Führung: 6 Unfreiheiten n2 – zu führendes Teil: 5 Unfreiheiten n3 – Spindel: 1 Unfreiheit n4 – Spindellagerung: 5 Unfreiheiten Summe: 17 Unfreiheiten, entspricht also der maximal zulässigen Anzahl von 17.

( ) 18161

=−=∑=

n

n

nuMax

215556 4321 =+++= nnnnu

( ) Fnu zulässig −−=≤ 1617

n1-Führung (Zylinder)

n2 – zu führendes Teil

n3 – Spindel n4 - Spindellagerung

54

( ) ( ) ( ) 27353224196169

1

=++++⋅−−=−−= ∑=k

kunF


Freiheitsgrad, Unfreiheit, Überbestimmtheit (Fortsetzung 2): Beispiel: Tisch mit 4 Beinen als überbestimmtes System Ein Tisch muss 3 Unfreiheiten haben: 2 Rotationen und 1 Translation (in z – Richtung) Besitzt also 3 Freiheitsgrade: 1 Rotation um die z – Achse, 1 Translation in x – Richtung, 1 Translation in y – Richtung. Jedes Bein eines Tisches besitzt 1 Unfreiheit (Translation in z – Richtung). Bei 4 Beinen existieren demnach 4 Unfreiheiten, so dass die maximale Anzahl von 3 Unfreiheiten überschritten wird. Um die Bedingung nach maximal 3 Unfreiheiten einzuhalten, darf ein Tisch nur 3 Beine haben. 4 Beine führen zu Zwangskräften im Inneren des Tisches. Statisch bestimmte Dreipunktaufstellung /1/: Kräftepaarung mit Freiheitsgrad F = 0, daraus folgt, System muss maximal 6 Unfreiheiten besitzen, um statisch bestimmt zu sein. Anzahl der Unfreiheiten: Anzahl der Unfreiheiten: A - 3 Unfreiheiten A – 2 Unfreiheiten B - 2 Unfreiheiten B – 2 Unfreiheiten C - 1 Unfreiheit C – 2 Unfreiheiten 6 Unfreiheiten 6 Unfreiheiten Freiheitsgrade menschlicher Arm, bestehend aus Finger, Handgelenk, Ellenbogen und Schulter (Bezugselement Körper): Finger: jeweils 4 Freiheitsgrade = 16 Freiheitsgrade Daumen: = 4 Freiheitsgrade Handgelenk: = 3 Freiheitsgrade Ellenbogen: = 1 Freiheitsgrad Schulter: = 3 Freiheitsgrade 27 Freiheitsgrade /1/ Quelle: Krause, W.: Gerätekonstruktion in der Feinwerktechnik und Elektronik, Hanser – Verlag 2000

keine Translation 3 Rotationen 3 Unfreiheiten

1 Translation 3 Rotationen 2 Unfreiheiten

3 Rotationen zwei Translationen 1 Unfreiheit

55

Arbeitsraum Arbeitsraum

Arbeitsraum

Arbeitsraum

Arbeitsraum Arbeitsraum


Freiheitsgrad, kinematische Strukturen: Struktur Drehen D Schieben S Freiheitsgrad F = 1 Anzahl der Glieder n = 2 Anzahl der Gelenke g = 1

Struktur DD DS

SD SS

Freiheitsgrad F = 2 Anzahl der Glieder n = 3

Anzahl der Gelenke g = 2

Struktur DDD DSS Freiheitsgrad F = 3 Anzahl der Glieder n = 4 Anzahl der Gelenke g = 3

Weitere Anordnungen sind: DDS, SDD, SSD, DSD, SDS, SSS

Arbeitsraum

Arbeitsraum

56

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Beispiele für translatorische und rotatorische Freiheitsgrade bei Präzisionseinstellungen Quelle: Krause, W.: Gerätekonstruktion in der Feinwerktechnik und Elektronik, Hanser – Verlag 2000

57

F F

F F


Erzeugung von Kräften für aktorische Komponenten 1. Kraftwirkung auf elektrische Ströme in einem Magnetfeld:

1. Durch Überlagerung eines homogenen Magnetfeldes mit einem stromdurchflossenen Leiter entstehen unterschiedliche Flussdichten, die den Leiter in Richtung der geringeren Flussdichte verdrängen. Es entsteht eine elektrodynamische Kraft, deren Richtung nach der sogenannten „Rechten – Hand - Regel“ bestimmt werden kann. Ausgehend von energetischen Betrachtungen muss die dabei aufgewendete elektrische Energie gleich der mechanischen Energie sein: Nach dem Induktionsgesetz ergibt sich für die Spannung u:

Damit ergibt sich bzw. mit das elektrodynamische Kraftgesetz für einen senkrecht zum Magnetfeld verlaufenden Leiter: Verläuft der stromdurchflossene Leiter nicht senkrecht zum Magnetfeld, gilt: wobei α der zwischen B und l eingeschlossene Winkel ist.

2. Für die Kraftwirkung auf parallelverlaufende stromdurchflossene Leiter gilt entsprechend:

Da nach dem Durchflutungsgesetz gilt ergibt sich wobei d der Abstand zwischen den stromdurchflossenen Leitern ist. 3. Für die Kraftwirkung auf bewegte Ladungen in einem Magnetfeld gilt bei einem zurückgelegten Weg dl : Mit ergibt sich die Lorentzkraft: Die Lorentzkraft ist maximal, wenn v und B senkrecht aufeinander stehen.

dsFdWdtiudW mechelekr ⋅==⋅⋅= .

vlBdtds

lBdtdAB

dtd

u ⋅⋅=⋅⋅=⋅=Φ=

dtivlBdsF ⋅⋅⋅⋅=⋅dtds

v =

ilBF ⋅⋅=

( )αsin⋅⋅⋅= ilBF

lHilBiF ⋅⋅⋅=⋅⋅= 2012112 µ

diH

⋅=

π22

2

dliiF

⋅⋅⋅⋅= ⋅

πµ

2210

12

( )BdlidF *⋅=

dtdl

v =( ) ( )BvdQBvdtidF ** =⋅=

N S

i F

58

AC

UA

CU

l

AUF

r ⋅⋅⋅−=

⋅⋅⋅−=⋅⋅⋅−=

εεεε

0

22

22

22

21

21

21

( )

⋅

+⋅⋅+=+⋅⋅+=+==

≈≈==≈≈==≈= U

UUUUUUUUUUU

2122 22222


Erzeugung von Kräften für aktorische Komponenten (2) 2. Kräfte auf Ladungen im elektrischen Feld: Für die Energie des Feldes zwischen zwei Elektroden ergibt sich: Mit folgt: Aus ergibt sich für die Kraftwirkung: Diese Kraftwirkung auf Ladungen kann zur Bewegungserzeugung ausgenutzt werden, wobei dazu eine Elektrode beweglich anzuordnen ist. Die Kraftwirkung ist proportional dem Quadrat der angelegten Spannung, der Dielektrizitäts-konstanten ε sowie der Fläche A und ist umgekehrt proportional dem Quadrat des Abstandes l zwischen den Elektroden. Um eine Linearisierung der Abhängigkeit der Kraft von der Spannung U zu erhalten (erforderlich bei der Nutzung des Prinzips als elektrostatischer Wandler) überlagert man einer anregenden Wechselspannung U~ eine hohe Gleichspannung. Es ergibt sich: Daraus folgt für die Kraft F: Damit eine Linearisierung F~U≈ eintritt, muss gelten: oder U= >>U≈

2

21

UCW ⋅⋅=

dA

C ⋅= εl

AUW

⋅⋅⋅=

2

2 ε

dldW

F =l

A εε

+

⋅

+⋅⋅⋅⋅−= ==

≈≈=

22 2

1221

UU

UUU

l

AF

ε

12

<<⋅ =

≈

UU

59

AlR

Fe

FemagFe ⋅⋅

=µµ0

A

lR

Luft

LuftLuftmagn ⋅⋅

=µµ0

.

20

22

21

Luftl

AwiF

⋅⋅⋅−=

µ

0

2

µAB

F⋅

−=


Erzeugung von Kräften für aktorische Komponenten 3. Kraftwirkung im Luftspalt eines Magneten. Für die in einer Spule gespeicherte Energie gilt: Aus als Zusammenhang zwischen Energie und Kraft folgt: Für den magnetischen Widerstand im Eisen und im Luftspalt gilt: Aus und ergibt sich mit und bzw.: Da folgt:

Daraus ergibt sich für dldL

:

bzw. für die Kraft Aus ist ersichtlich, dass die Kraftwirkung mit dem Flächenquerschnitt A und mit dem Quadrat der magnetischen Spannung proportional sowie mit dem Quadrat des Luftspaltes umgekehrt proportional zunimmt. Hat der magnetische Kreis zwei Luftspalte, ergibt sich für die Kraft:

2. 2

1iLWmagn ⋅⋅=

lLuft

lFe

AFe=ALuft=A

w

i

dldW

F =

dldLi

F ⋅=2

2

dtdi

Lu ⋅=dtd

wuΦ⋅=

dtdi

Rw

dtdi

Rww

dtd

Rw

dtd

wdtdi

Lmagnmagnmagn

⋅=⋅⋅=Θ⋅=Φ⋅=⋅.

2

.

.magnRΘ=Φ wi ⋅=Θ

Luft

Luft

Fe

Fe

Luft

Luft

Fe

FeLuftmagnFemagnmagn ll

Aw

A

l

Al

wRR

wR

wL

µµ

µ

µµµµ+

⋅⋅=

⋅⋅+

⋅⋅

⋅=+

== 02

00

2

..

2

.

2 1

LuftFe

Fe ll <<µ Luftl

AwL

⋅⋅= 02 µ

LuftLuft lL

l

AwdldL 1

20

2

⋅−=⋅⋅

−=µ

AB

AHAl

lHF

All

Awi

lL

iF

Luft

Luft

LuftLuftLuft

⋅⋅−=⋅⋅−=⋅⋅⋅

−=

⋅⋅Θ

⋅−=⋅⋅

⋅⋅−=⋅⋅−=

020

2

02

02

22

02

2

20

222

21

21

21

21

21

21

µµ

µµ

µµ

0

2

21

µAB

F⋅

⋅−=

60

Spule

Stator

Joch

Hilfswicklung

Luftspalte lLuft

Querschnitt A


Elektromagnetische Linearantriebe

Elektromagnetische Linearantriebe ermöglichen eine Translationsbewegung durch Direktantrieb. Im Gegensatz dazu werden Translationsbewegungen häufig über Rotationsbewegungen erzeugt, wobei durch mechanische Hilfsmittel (Spindel, Mutter, Zugmittel etc.) eine Umwandlung von Rotation in Translation erfolgt. Die Hauptfunktion der elektromagnetischen Linearantriebe lautet: Erzeugung einer translatorischen Bewegung durch Direktantrieb Das Verfahrensprinzip lautet: Bewegung durch elektromagnetische Kräfte Vorteile von Direktantrieben:

1. große Auflösung, d.h., kleinste Änderungen von Strom bzw. Spannung werden direkt in translatorische Bewegung umgesetzt.

2. keine Verschleißteile, da keine Getriebe oder Übertragungsmittel erforderlich. 3. hoher Wirkungsgrad, da eine direkte Übertragung der mechanischen

Energie erfolgt und keine Reibungsverluste auftreten. 4. kurze Reaktionszeiten bis in den µs – Bereich 5. keine Verschmutzung, da keine Reibungsrückstände vorliegen (daher vorteilhafter Einsatz im

Vakuum und in Reinsträumen. 6. gute Integrationsfähigkeit in ein zu realisierendes System

Unterscheidung zwischen Linearantrieb und Linearmotor: Linearantrieb: basiert auf Kräfte im Magnetfeld durch das Bestreb, den magnetischen Widerstand (Reluktanz) zu minimieren. Linearmotor: basiert auf die Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und einem sich im Magnetfeld befindlichen stromdurchflossenen Leiter (elektrodynamisches Prinzip). Ausführungsformen von Linearantrieben:

1. Magnetomotor: Gemäß Abbildung ist der vorhandene magnetische Kreis ist bestrebt, den Luftspalt zu verkürzen und damit das Joch zu bewegen. Es kommt darauf an, die auf das Joch ausgeübte Kraft zu steuern, indem der den magnetischen Fluss erzeugende Strom elektronisch geregelt wird. Zur Regelung wird die in der Hilfswicklung induzierte Spannung genutzt, die abhängig von der Luftspaltbreite ist. Mit der in der Abbildung gezeigten Aktorik sind nur kleine Stellwege im Bereich von einigen Millimeter bis in Nanometer realisierbar. Für die Krafterzeugung, d.h. für die Anzugskraft gilt bei den vorhandenen zwei Luftspalten:

0

2

µAB

F⋅−=

61


Elektromagnetische Linearantriebe (Fortsetzung): Da die Bauformen von Elektromagneten sehr vielfältig sind, lässt sich eine günstige Anpassung an die jeweiligen konstruktiven Erfordernisse relativ leicht erreichen. Ausführungsbeispiel: Steuerung eines Spiegel zur Ablenkung lichtoptischer Strahlen

(Beispiel von CZ Oberkochen) Aus dem Prinzip des Magnetomotors lässt sich eine elektromagnetische Lagerung ableiten. Prinzip: Zwei gegeneinander bewegliche Teile können berührungsfrei in einem konstanten Abstand senkrecht zur Bewegungsrichtung durch ein Magnetfeld gehalten werden. Es kann ein „freies Schweben“ im Magnetfeld realisiert werden. Die Anwendbarkeit erstreckt sich auch auf rotierende Teile, wobei die radialen Kräfte durch elektromagnetische Kräfte aufgenommen werden müssen. Im Gerätebau ist das bei sehr kleinen Wellendurchmesser oftmals schwierig, da für den magnetischen Fluss ein bestimmter Querschnitt zur Verfügung stehen muss. Magnetlager sind im Vergleich zu Luftlagerungen günstig, da geringe Anforderungen an die Oberflächengüte gestellt werden und keine gereinigte Luftzufuhr erforderlich ist. Es treten keine Verschleißerscheinungen auf. Bei ruhenden Teilen wirkt die elektromagnetische Kraft der Gravitationskraft entgegen. Als Gegenkraft ist auch die Kraftwirkung durch Dauermagnete geeignet, wodurch das System im stromlosen Zustand gebremst wird. Der Abstandssensor ermittelt die Luftspaltbreite für den Regelkreis des Magnetomotors. Zur Lagerung von flächenförmigen Gebilden sind 4 Regelkreise erforderlich.

Spiegel

Wicklung 1

Wicklung 2

Stator

Joch

Luftspalte lLuft

Anregungswicklung

Dauermagnete

Abstandssensor

Positioniertisch

62

N

S

Dauermagnet

Stromdurchflossene Spule

N

S

Dauermagnet

Stromdurchflossene Spule

S

S

N

N

N

S

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Elektromagnetische Linearantriebe (Fortsetzung 2): 2. Hybridschrittmotor (permanenterregter Zweiphasen - Reluktanzmotor) Der Hybridschrittmotor besteht aus einem Läufer und einem Stator. Der Läufer enthält mindestens zwei Permanentmagnetsysteme, die einen konstanten magnetischen Fluss liefern. Zusätzlich wird diesem konstanten Magnetfluss ein Magnetfeld überlagert, das durch jeweils eine stromdurchflossenen Spule erzeugt wird. Dabei tritt in den Polen eine Verstärkung bzw. eine Schwächung des Magnetflusses auf. Infolge des Bestrebens, den magnetischen Widerstand (Reluktanz) zwischen den Läufer- und den Statorpolen zu minimieren, tritt eine Kraftwirkung auf, die den Läufer bewegt. Werden die zwei Wicklungen zeitlich versetzt von Strömen durchflossen, tritt eine kontinuierlich Bewegung auf und man erreicht ein kontinuierliches Gleichlaufverhalten bzw. man kann eine bestimmte Position ansteuern. Nach diesem Prinzip sind lineare Bewegungen möglich. Durch zwei Antriebssysteme sind Bewegungen in einem x – y – Koordinatensystem realisierbar. Durch entsprechende konstruktive Anpassung sind auch Rotationsbewegungen oder Hubbewegungen möglich. Die Feinheit der Profilierung des Stators bzw. des Rotors bestimmt die Genauigkeit der Bewegung. Folgende Leistungsparameter sind erreichbar: Geschwindigkeiten von 0,7 bis 2,5 m/s; Haltekräfte von 70 – 1000 N, Auflösung 0,6 – 2,5 µm Positioniergenauigkeit von ± 0,01 mm; Wiederholgenauigkeit von ± 0,001 mm Weitere Ausführungsformen von Linearantrieben:

a) bewegliche Spule, feststehender Magnet b) beweglicher Magnet, feststehende Spule c) beweglicher Magnet im Magnetfeld:

Die im Luftspalt erzeugten Felder sind entgegengesetzt gerichtet. Der Dauermagnet wird aus einem Spulenkreis herausgedrängt und in den anderen hineingezogen.

Permanentmagnet

63

Positioniertisch nach dem elektrodynamischen Antriebsprinzip

Y

X

Z

DauermagneteTauchspuleluftgelagerter FußFührungsflächeStahlguß- oderGranitplatte

TischErregermagnetkreis

Kraftgepaarte RollenführungFührungskreuz

64


Schnittstellenbeschreibung - Kommunikationsschnittstelle - Kommunikationsschnittstellen stellen Leitungen und Busverbindungen zwischen den Steuerungen verschiedener Geräte dar, um eine Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten zu ermöglichen. - Kommunikationsschnittstellen setzen eine eindeutige geometrische Form und eindeutige Steckerbelegung voraus. - Des weiteren sind Vereinbarungen über die elektrische Darstellung der Signale, über die Sicherung gegen Übertragungsfehler, über die Synchronisation und über den Ablauf der Vermittlungsvorgänge erforderlich. - Die Kommunikationsschnittstellen sind externe Schnittstellen. - Die Komplexität der Abläufe erfordert eine eindeutige Aufgliederung der Kommunikationsvorgänge in verschiedene Schichten. Die Aufgliederung der Kommunikationsvorgänge in verschiedene Schichten wird durch das 7 - Schichten - Modell für die Kommunikation offener Systeme beschrieben. (OSI - 7 - Schichten - Modell, OPEN SYSTEM INTERCONNECTION): Inhalt Analogie 7. Schicht: Konkretisierung und Ausführung der Chef formuliert die Aufgaben. Daten stehen für die Ver- Aufgabe arbeitung zur Verfügung. (Verarbeitungsschicht, [Application Layer]) 6. Schicht: Anpassung der Aufgabe an das Kommuni- Übersetzer übernimmt die kationssystem. Anpassung an die Sprache. (Darstellungsschicht, [Presentation Layer]) 5. Schicht: Eröffnung der Kommunikationsbeziehungen. Sekretärin stellt die Ver- (Ablage in Datenpuffer, Prioritätsfestlegung) bindung her. (Kommunikationssteuerschicht,[Session L.]) 4. Schicht: Festlegung der Transportverbindung zur Telefonvermittlung Nachrichtenquelle (Namen, Nertwerkadresse) (Transportschicht,[Transport Layer]) 3. Schicht: Festlegung des Übertragungsweges (Weg- Fernsprechknoten findung, Routing) Nebenstellenanlagen (Vermittlungsschicht, [Network Layer]) 2. Schicht: Sicherung der Übertragung (Systemverbin- Telefonanlage dung,Prüfsummenbildung) (Sicherungsschicht, [Link Layer]) 1. Schicht: Übertragung der Nachricht, Erzeugung der Telefonapparat, Modem elektrischen Signale (Bitübertragungsschicht, [Physical Layer]) Schicht 7, 6 und 5 stellen Anwendungsprotokolle dar und sind Übergabeschnittstellen (Software). Schicht 4, 3, 2 und 1 stellen Transportprotokolle (transportierende Schichten) dar und sind hardwaremäßig realisiert. Zur Beschreibung der einzelnen Abfolgen der einzelnen Schritte eignen sich Zustandsgraphen und - matrizen.

65

Messrechner

Sensor Messgerät

Logistik-rechner

Termine

Material

Transport

Steuerungs-rechner

Roboter

Roboter

Auswerterechner

Statistik Qualität Kosten

Netz zu Informations- übertragung mit festgelegtem Protokoll


Schnittstellen (Interfaces): Allgemeines: Schnittstellen dienen dem Zweck, zwei oder mehrere Geräte miteinander so zu verbinden, dass eine Kommunikation zwischen ihnen möglich wird. Sie sind gekennzeichnet durch bestimmte vereinbarte elektrische, funktionale und mechanische Eigenschaften. In Analogie dazu ist die Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Menschen auch nur möglich, wenn sie die gleiche Sprache sprechen (elektrische Eigenschaften), die gleichen Begriffe verwenden (funktionale Eigenschaften) und wenn sie nicht taub oder stumm sind (mechanische Eigenschaften). Bei mehr als zwei miteinander kommunizierenden Geräten spricht man von Bussystemen oder von Netzen. Bussysteme: Alle Geräte (Kommunikationspartner sind an einem Leitungsbündel parallel angeschlossen. Eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit ist dadurch realisierbar. Eine Busverwaltung ist erforderlich, da

1. nicht alle Geräte gleichzeitig Nachrichten senden dürfen und 2. nur die Geräte empfangen dürfen, für die eine Nachricht bestimmt ist.

Die Busstruktur besteht aus einen bidirektionalen Datenbus und einem meist unidirektionalen Adressbus. Netze: Netze beinhalten eine relativ lose Verkopplung von Einzelgeräten (meist Rechner) über z.T. große Entfernungen. Beispiel: Vernetzung von Rechner in einem Fertigungssystem

66

S

Sender

S

S

S

sendebereit !

empfangsbereit !

Datenübermittlung

Daten erhalten!

E

E

E

E

Empfänger


Schnittstellen – serielle und parallel Datenübertragung: Zur Informationsübertragung ist eine „Verständigung“ zwischen „Sender“ und „Empfänger“ erforderlich, damit Empfang bzw. die Sendung eindeutig ablaufen. Sender und Empfänger müssen ihre Sende - bzw. Empfangsbereitschaft angeben, bevor Daten übermittelt werden (Handshake). Diese Verständigung (Kommunikation) kann über eine Leitung im Rahmen eines Software – Handshakes

oder über mehrere Leitungen im Rahmen eines Hardware– Handshakes erfolgen: Software – Handshake Hardware – Handshake Technische Ausführungen von Schnittstellen (Beispiele):

1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 seriell

1 0 1 1 0 1

1 0 1 1 0 1 1

0

1 0

parallel

Schnittstellen

serielle Schnittstellen parallele Schnittstellen

V.24 TTY X.24 Centronics IEC 625 IEEE 1284

S

Sender

S

S

S

E

E

E

E

Empfänger Datenleitung

Handshake - Leitungen

Sendebereitschaft

Empfangsbereitschaft

Datenübermittlung Zeit

67

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Parallele Schnittstellen: 1. Centronics - Schnittstelle War ursprünglich nur für das Senden von Daten von der Firma Centronics als Druckerhersteller entwickelt worden. Später Erweiterung durch IBM, Lexmark und Xerox für bidirektionalen Datentransfer auf Gerätetypen wie Scanner, Fax, Drucker und Streamer (Enhanced Parallel Port unter IEEE - 1284 ). Über einen sternförmigen Verteiler (Hub) können mehrere Einzelgeräte an eine IEEE – 1284 Schnittstelle angeschlossen werden. Die Übertragungsraten betragen 2 Mbyte/sec bei einer Übertragungslänge von max. 12 m (möglichst nur 1 – 2 m) Die Ausführung der Centronics – Schnittstelle erfolgt über 36 – poligen Centronic – Steckverbinder oder 25 – poligen IBM – PC – Steckverbinder.

Stift Signal Bedeutung Richtung 1 STROBE Signal zur Datenübernahme Eingang 2 – 9 DATA 1 - 8 Datenbits Eingang 10 ACKNLG Quittungssignal für Drucker Ausgang 11 BUSY Wartesignal Ausgang 12 PE Meldsignal „paper end“ Ausgang 13 SLCT Drucker ist selektiert, d.h. online Ausgang 14 AUTO FEED Automatischer Zeilenvorschub Eingang 15 - nicht benutzt 16 - nicht benutzt 17 GND Masse Druckergehäuse 18 + 5 V Spannungsversorgung 19 – 30 GND Masseleitungen 31 INIT Druckerinitialisierung Eingang 32 ERROR Fehlermeldung Ausgang 33 GND Masseleitung 34-35 - nicht benutzt 36 SLCT IN spricht Drucker an Eingang

Funktionale Festlegungen: 1. Datenleitungen: 8 Datenleitungen zur parallelen Datenübertragung; parallel zu Datenleitungen

liegen Masseleitungen (Stift 19 – 30) zur Abschirmung 2. Steuerleitungen:

STROBE: Auftaktsignal, Sender meldet, dass Daten bereitstehen und empfangen werden können (bei IEC Bus DAV) ACKNOWLEDGE: Quittierungssignal, Empfänger quittiert Datenempfang (bei IEC – Bus NDAC) BUSY: Wartesignal, Empfänger signalisiert, dass er noch mit Datenverarbeitung „beschäftigt“ ist (bei IEC – Bus NRFD) INIT: Rücksetzsignal, Empfänger wird in Grundstellung gebracht

3. Meldeleitungen: Melden dem Sender den Zustand der Empfangseinheit PE: Paper End, meldet Papierende ERROR: Signalisiert Fehlermeldung

4. Stromversorgungsleitungen: TTL – Pegel: 0 V< US < 0,8 V entspricht log. „1“ 2,4 V < US < 5 V entspricht log. „0“

36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19

18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

68

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Parallele Schnittstellen: 2. IEC – 625 (GPIB – General Purpose Interface Bus) Anwendung bei der Zusammenschaltung von Messsystemen. Normung nach IEC–625 mit 25–pol. Steckverbinder (Cannon SV) oder nach IEEE 488 mit 24 – pol. Amphenol – Steckverbinder. Entwicklung: 1965 Interface – Bus von Hewlett Packard

1975 IEC - Bus Entwurf (Vereinbarung zwischen amerikanischen und deutschen Unternehmen), ANSI – Mc 1.1

1. IEC – Bus bzw. als DIN ISO 625 übernommen Pinbelegung und Anschlussnummerierung: Kontaktnummer IEC – 625 IEEE - 488

Bezeichnung Bedeutung

1 - 4 1 - 4 DIO1 – DIO4 Data In Out 5 17 REN Remote Enable 6 5 EOI End Or Indentify 7 6 DAV Data Valid 8 7 NRFD Not Ready for Data 9 8 NDAC Not Data Accepted 10 9 IFC Interface Clear 11 10 SRQ Service Request 12 11 ATN Attention 13 12 - Abschirmung 14 - 17 13 - 16 DIO5 – DIO8 Data In Out 18 - 25 18 - 24 GND Ground

Angeschlossene Geräte werden nach 1. Steuergerät (Hörer, Sprecher, Controller z.B. PC als Steuerrechner) 2. Hörer (Listener) z.B. Drucker, Plotter 3. Sprecher (Talker) z.B Signalgeneratoren 4. Hörer und Sprecher z.B. Messgeräte unterschieden.

Unterscheidung von: 1. Datenleitungen 2.Handshake – Leitungen (Übergabesteuerbus): DAV - Data Valid; Daten stehen bereit (entspricht STROBE bei Centronics) NRFD -Not Ready for Data; keine Bereitschaft zur Datenübernahme (ist noch „beschäftigt“) NDAC - No Data Accepted; keine Datenübernahme (entspricht ACKNOWLEDGE bei C. ) 3.Steuerleitungen (Steuerbus): REN - Remote Enable (Fernsteuersignal, Umschaltung der Geräte von Lokalbetrieb auf Fernsteuerbetrieb) EOI - End Or Identify (Ende oder Identifikationszeichen) 1.Wird EOI von einem Talker gesendet (EOI = „1“), so kennzeichnet das letzte Byte eines Datenblockes; in diesem Fall ist die Leitung ATN = „1“ 2.wird EOI vom Controller gesendet und ist ATN „1“, so fordert der Controller alle angeschlossenen Geräte auf zu melden, welches Gerät einen Datentransfer benötigt (parallel polling – Parallelabfrage) IFC - Interface Clear , wird vom Controller gesendet und versetzt alle Geräte in einen definierten Anfangszustand SRQ - Service Request (Bedienungsanforderung); SRQ = „1“ – Controller erkennt, dass ein Geräte senden will ATN - Attention (Achtungssignal), wird vom Controller aktiviert und zeigt an, ob auf dem Bus Befehle (ATN = „1“) oder Daten (ATN = „0“) übertragen werden.

12 1

24 13

IEEE – 488 – Steckverbinder (24 poliger Amphenol – SV)

13 1

25 14

IEC 25- poliger Cannon SV

69

Gerät A kann steuern, sprechen und hören (Rechner)

Gerät B kann sprechen und hören (Messgerät)

Gerät C kann nur hören (Drucker) Listener

Gerät D kann nur sprechen (Signalgenerator) Talker

ATN IFC SRQ REN EOI

Data Steuerbus

Übergabe -steuerbus

Daten- bus

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Parallele Schnittstellen: 2. IEC – 625 (Fortsetzung 1) Elektrische Festlegungen: - TTL – Pegel mit negativer Logik - 0 V < US < 0,8 V logisch „1“ - 2,4 V < US < 5 V logisch „0“ - maximal 15 Geräte anschließbar, Entfernung der Geräte < 2 m - Gesamtkabellänge < 20 m - Ausgabegeschwindigkeit: < 250 Byte/sec – 1 MByte/sec Bedingungen: - nur 1 Sender darf aktiv sein - Senden nur, wenn alle angesprochenen Empfänger bereit sind - Abschluss jeder Datenübertragung erst dann, wenn alle Empfänger ihre Fertigmeldung (NDAC = „0“) gesendet haben - mehrere Listener sind gleichzeitig zulässig

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Parallele Schnittstellen: 2. IEC – 625 (Fortsetzung 2) Ablauf der Datenübermittlung bei 1 Talker und 1 Listener (2 – Draht – Handshake): Ablauf:

- Talker legt 1. Datenbyte auf die Datenleitungen DIO1 ... DIO8. - Talker meldet dem Listener über die Leitung DAV, dass Daten gültig sind (1) - Listener übernimmt Daten und meldet dies dem Talker (2) - Talker nimmt das DAV – Signal zurück (3) und löscht das 1. Datenbyte (4) - Listener meldet dem Talker die Verarbeitung der Daten (5) und Talker stellt 2. Datenbyte zur

Verfügung Zweidrahtleitung funktioniert bei 2 Listener mit unterschiedlichen Verarbeitungszeiten trotz konjunktiver Verknüpfung der DAC – Leitungen nicht mehr. Ablauf:

- Talker legt das 1. Datenbyte auf die Datenleitungen DIO1 ... DIO8. - Talker meldet den Listenern über die Leitung DAV die Gültigkeit der Daten (1) - Listener 1 und Listener 2 übernehmen die Daten und aktivieren die UND – verknüpften

Leitungen DAC 1 und DAC 2 (2). - Talker nimmt DAV – Signal zurück (3) und löscht das 1. Datenbyte (4). - Da Listener 1 ein längere Verarbeitungszeit benötigt als Listener 2, führt die einfache UND

– Verknüpfung der DAC – Leitungen zu einer zu frühzeitigen Bereitstellung des 2. Datenbytes.

Deshalb Notwendigkeit der Einführung einer weiteren Handshake – Leitung NRFD !

Talker

Listener

Daten

NDAV

NDAC

1.Datenbyte 2.Datenbyte

Daten gültig

Daten gültig

3.Datenbyte

t 1 4

5

1 4

5

Data

DAV

t

t

2 3

Daten übernommen

Daten übernommen

DAC

Talker

Talker

2 3

Listener

71

DAV Talker DACB

Listener 1 Daten

Listener 2

DIO

UND-Verknüpfung: DACB=DAC1 ∧∧DAC2

DAC1

DAC2

t

t

t

t

t

1. Datenbyte 2. Datenbyte 3. Datenbyte

Daten gültig Daten gültig Daten gültig

Listener 1 übernommen



DIO

DAV

DAC1

DAC2

DACB übernommen übernommen übernommen


1

2 3

4

5

1

2

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Parallele Schnittstellen: 2. IEC – 625 (Fortsetzung 3) Ablauf der Datenübermittlung bei 1 Talker und 2 Listener (2 – Draht – Handshake):

Listener 2 hat Daten noch nicht übernommen, da noch mit Verarbeitung des 1. Datenbyte beschäftigt! Zweidrahtleitung geht nicht bei 1 Talker und 2 Listener! ⇒⇒ Notwendigkeit der Einführung einer dritten Handshake-Leitung NRFD

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Parallele Schnittstellen: IEC – 625 (Fortsetzung 4) 3 – Draht - Handshake Festlegungen:

1. Jede Datenübertragung wird erst begonnen, wenn alle Empfänger ihre Bereitschaft zur Datenübernahme gesendet haben: NRFD = logisch „0“ (RFD = „1“)

2. Jede Datenübertragung wird erst dann abgeschlossen, wenn alle Empfänger ihre Fertigmeldung gesendet haben: NDAC = logisch „0“ (DAC = „1“)

Ablauf: - Sender legt 1. Datenbyte auf die Datenleitung DIO1 ... DIO8. - Empfänger signalisieren Empfangsbereitschaft, indem sie die RFD auf „1“ legen und die Leitung DAC auf „0“ bleibt (noch keine Daten übernommen) (1) - Der Sender meldet die Gültigkeit der Daten, indem DAV auf „1“ gesetzt wird. - Die Empfänger setzen die RFD auf „0“ (keine weitere Datenübernahme) (2). - Die Empfänger melden die Übernahme der Daten (3). Haben alle Empfänger die Daten übernommen, wird DAC auf „1“ gesetzt. - Der Sender nimmt die Gültigkeit der Daten zurück (DAV = „0“) (4) und löscht das

1. Datenbyte; anschließend wird das 2. Datenbyte zur Verfügung gestellt (5). - Nach Abarbeitung der übernommenen Daten durch alle Empfänger wird DAC auf „0“ gesetzt (6). - Nach Bereitschaftserklärung aller Empfänger zur Datenübernahme (7) kann erneut die Gültigkeit der Daten durch DAV = „1“ erklärt werden .

1. Datenbyte 2. Datenbyte DIO

DAV

Daten gültig

RFD Empfangs- bereitschaft

DAC

t

t

t

t

Übernahme der Daten

Empfangs- bereitschaft

keine Empfangsbereitschaft

Daten gültig

1 2

3

4

5

Wartezeit

7

1

6

73

1 13

14 25

1

6

5

9

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Serielle Schnittstellen und Bussysteme Allgemeines: Anwendung dort, wo hohe Zuverlässigkeit gefordert wird, da Anzahl der Steckverbinderkontakte gering. Anwendung z.B. in Flugzeugen (MIL –StD 1553 B) oder in Fahrzeugen (CAN/AN 82526). Sie sind ausgestattet mit Lichtwellenleiter und Koaxkabel und besitzen eine Übertragungsgeschwindigkeit von 10 kBit/sec – 1 Mbit/sec. RS 232 – Schnittstelle Serielle Schnittstelle für ein analoges Datennetz. Wurde von der EIA (Electronic Industries Association) funktionell, elektrisch und mechanisch standardisiert. Entspricht funktionell der V.24, elektrisch der V. 28 und mechanisch der ISO 2110. Die DIN 66020 ist an diese Empfehlungen angelehnt. Ist mit einem 25 – poligen Steckverbinder nach DIN 2110 ausgestattet (lötbar oder Quetschverbindung): Anschlüsse: Datenleitungen: nur 2 erforderlich, da serielle Übertragung

- Anschluss 2: TxD Sendedaten (Transmit Data) - Anschluss 3: RxD Empfangsdaten (Received Data)

Steuerleitungen: Dienen zum Ein- und Ausschalten des Senders vom Empfänger aus und zur Festlegung des Übertragungszustandes des Senders

- Anschluss 4: RTS Sendeteil einschalten (Request To Send) - Anschluss 20: DTR Endgerät betriebsbereit (Data Terminal Ready)

Meldeleitungen: Signalisieren Betriebs- und Sendebereitschaft des Senders (CTS und DSR) und zeigen mit DCD an, ob bei den empfangenen Informationen die richtigen Pegelverhältnisse gelten

- Anschluss 5: CTS Sendebereitschaft (Clear To Send) - Anschluss 6: DSR Betriebsbereitschaft des Datenendgerätes (Data Set Ready) - Anschluss 8: DCD Empfangssignalpegel (Data Channel Received Line Signal Detector)

Taktleitungen: Dienen der synchronen Datenübertragung durch Übermittlung des Sende- und Empfangsschritttaktes des Senders zum Empfänger bzw. Empfänger zum S.

- Anschluss 15: TC Sendeschritttakt von DÜE (Transmit Clock) - Anschluss 17: RC Empfangsschritttakt von der DÜE (Receiver Clock) - Anschluss 24: Sendeschritttakt zur DÜE (Transmit Clock DTE)

Stromversorgung und Pegelfestlegung: - 15 V < US < - 3 V (logisch „0“) + 3 V < US < + 15 V (logisch „1“)

- Anschluss 1: PE Schutzerde (Protectiv Ground) - Anschluss 7: GND Betriebserde (Signal Ground)

Häufig genügt 9 – poliger SV, da für viele Anwendungen nicht alle Leitungen benötigt werden. 1: DCD 6: DSR 2: RxD 7: RTS 3 : TxD 8: CTS 4: DTR 9: RI (Ringindikator) 5: GND

74

Dat

enen

dein

rich

tung

DE

E

z.B

. Mik

rore

chne

r

Dat

enüb

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gsei

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g D

ÜE

z.B

. Mod

em

1 Schutzerde PG 2 Sendedaten TxD 3 Empfangsdaten RxD 4 Sendeteil einschalten RTS 5 Sendebereitschaft CTS 6 Betriebsbereitschaft DSR

8 Empfangssignalpegel DCD 7 Signal - Betriebserde GND

15 Sendeschritttakt von DÜE TC 17 Empfangsschritttakt von DÜE RC 20 Endgerät betriebsbereit DTR 22 ankommender Ruf (Ringindikator) RI

24 Sendeschritttakt zur DÜE DTE

TxD 2 RxD 3 GND7

DEE (Rechner) DÜE (Sender) (Empfänger)

2 TxD 3 RxD 7 GND

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Serielle Schnittstellen und Bussysteme (Fortsetzung): RS232 Verbindungen: Computer Drucker (DEE DÜE) Computer Modem (DEE DÜE) Computer Computer (DEE DEE) Verbindungsarten: Gerätetyp entscheidet, ob eine Leitung als Eingang oder als Ausgang verwendet wird. Software – Handshaking: 1. Zweidraht - Handshake: XON/XOFF – Protokoll

Es werden nur die Sendeleitung TxD, die Empfangsleitung RxD und die Betriebserde SG benötigt.

Empfänger sendet bei Empfangsbereitschaft einen XON - Code (meistens ASCII - Gerätesteuer-zeichen DC1 - "11H"). Wenn der Sender dieses Steuerzeichen erkannt hat, sendet er Daten. Hat der Empfänger genügend Daten übernommen, sendet er das XOFF (ASCII - Gerätesteuerzeichen DC3 - "13H") an den Sender. Dieser stoppt die Datensendung und sendet erst dann wieder, wenn der Empfänger seine Bereitschaft mit XON meldet. Bemerkung: Die Kodierung der Steuerzeichen XON und XOFF kann unterschiedlich sein.

75

DEE (Rechner 1) DEE (Rechner 2) (Sender) (Empfänger)

TxD 2 2 TxD

RxD 3 3 RxD RTS 4 4 RTS

CTS 5 5 CTS DSR 6 6 DSR

DTR 20 20 DTR

SG 7 7 SG

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Software – Handshaking (Fortsetzung): 2. Dreidraht - Leitung: ETX/ACK – Protokoll Einsatz einer zusätzlichen Steuerleitung Anwendung bei der Übertragung von "Datenpaketen" bestimmter Länge (Länge ist abhängig von Pufferkapazität des Empfängers). Liegt Datenübernahme - Bereitschaft des Empfängers vor, signalisiert er dies dem Sender mit DTR "1" und mit der Übertragung des Signals ACK ("06 H"). Der Sender übermittelt sein Datenpaket und schließt die Sendung des Datenpaketes mit dem Zeichen ETX ("03H") ab. Der Empfänger verarbeitet die Daten und sendet seine erneute Empfangsbereitschaft mit dem Zeichen ACK ("06H"). Hardware – Handshaking 1. RTS/CTS - Protokoll Handshake - Ablauf:

- Sender (Rechner 1) ist zur Datenübertragung bereit und meldet dies dem Empfänger (Rechner 2) durch RTS „EIN“

- Empfänger (Rechner 2) meldet seine Empfangsbereitschaft durch RTS „EIN“ - Sender (Rechner 1) beginnt mit der Datenübermittlung auf TxD, wenn er den EIN - Zustand

des Empfängers auf seiner CTS Leitung erkennt - nimmt der Empfänger sein RTS - Signal zurück (RTS „AUS“), beendet der Sender

seine Datenübertragung und wartet auf erneute Empfangsbereitschaft Für die Umsetzung der TTL – Pegel in die V.24 – Pegel und umgekehrt sind spezielle Bausteine erforderlich.

DEE (Rechner) DÜE (Sender) (Empfänger)

TxD 2 RxD 3 DSR 6 GND7

2 TxD 3 RxD 20 DTR 7 GND

76

DEE 1 DÜE 1 DÜE 2 DEE 2 RS 232 RS 232 Telefonleitung

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Datenkommunikation zwischen Datenendeinrichtungen (DEE) über Modems (DÜE) 1. DEE 1 erhält DSR von Modem 1 DEE 2 erhält DSR von Modem 2 DSR DSR 2. DEE 1 erklärt Betriebsbereitschaft mit DTR DEE 2 erklärt Betriebsbereitschaft mit DTR DTR DTR 3. DEE 1 will senden und macht RTS aktiv RTS 4. Modem 1 gibt Datenträger auf die Leitung Datenträger Modem 2 erkennt Datenträger und gibt dies und erklärt seine Sendebereitschaft durch auf Leitung weiter an DEE 2 durch DCD CTS an DEE 1 DCD CTS 5. DEE 1 sendet Daten auf TxD an Modem 1 Daten 6. Modem 1 übermittelt Daten an Modem 2 Datenübermittlung Modem 2 empfängt modulierte Daten und übergibt diese an DEE 2 auf RxD Daten 7. RTS wird inaktiviert, dadurch Ende der DÜ angezeigt RTS 8. Modem 1 schaltet Datenträger ab kein Datenträger Modem 2 erkennt keinen Träger mehr und inaktiviert CTS und macht DCD inaktiv CTS DCD 9. DEE 2 will Bestätigung senden und aktiviert RTS RTS 10. Modem 1 erkennt Datenträger und Datenträger Modem 2 gibt Datenträger auf die Leitung gibt dies weiter an DEE 1 auf Leitung und erklärt seine Sendebereitschaft durch durch DCD CTS an DEE 2 DCD CTS 11. Modem 1 empfängt modulierte Daten Datenübermittlung DEE 2 sendet Daten auf TxD an Modem 2 und übergibt diese an DEE 1 auf RxD Daten 12. RTS wird inaktiviert, dadurch Ende der DÜ angezeigt RTS 13. kein Datenträger Modem 2 schaltet Datenträger ab 14. Modem 1 erkennt keinen Datenträger mehr und macht DCD inaktiv DCD 15. Modem 2 inaktiviert CTS CTS DSR - Data Set Ready (Betriebsbereitschaft des Datenendgerätes) DTR - Data Terminal Ready (Endgeräte betriebsbereit) RTS - Request To Send CTS - Clear To Send DCD - Data Channel Received Line Signal Detector TxD - Transmit Data RxD - Received Data Quelle: Wittgruber, F.: Digitale Schnittstellen und Bussysteme, vieweg Verlagsgesellschaft, 1999

77

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Optische Funktionsgruppen Funktionen optischer Funktionsgruppen:

1. Lichtablenkung durch Brechung, Spiegelung u.a. 2. Lichtveränderung hinsichtlich Intensität durch Absorption, Polarisation, Streuung , Beugung

u.a. 3. Begrenzung eines Lichtquerschnittes 4. Darstellung von Zeichen und Markierungen 5. Hüll- und Schutzfunktion

Strukturelle Umsetzung durch: 1. Linsen, Prismen, Spiegel u.a. 2. Mattscheiben, Filter, Polarisatoren, Beugungsgitter u.a. 3. Blenden 4. Skalen, Fadenkreuze, Teilkreise u.a. 5. Glaskolben, Küvetten, Abdeckgläser u.a.

Die Struktur optischer Funktionsteile beschränkt sich im wesentlichen auf runde oder prismatische Körper, die in zylindrischen oder rechteckigen Körpern bzw. in ebenen Flächen zu fixieren sind. Dieses Fixieren wird in der Optik als F a s s e n bezeichnet. Es beinhaltet also das Halten von Optikteilen in verschiedenen Gehäuseformen, die ihrerseits wiederum in Gehäuse unterzubringen sind. Optikschema: Das Optikschema bildet die Grundlage für die konstruktive Umsetzung einer optischen Funktion. Es ist etwa mit dem Schaltplan in der Elektronik zu vergleichen. Das Optikschema stellt in einer schematischen Form alle optisch wirksamen Bauteile, deren Abmessungen (Durchmesser, Dicke, Krümmungsradius usw.) und Materialeigenschaften(z.B. Brechungsindex), die erforderliche Oberflächenbeschaffenheit (z.B. Verspiegelung, Entspiegelung), die Lage der Bauteile zueinander und den Verlauf des Strahlenganges dar. Das Optikschema ist die Grundlage für den Konstrukteur, das optische System konstruktiv umzusetzen, d.h., die Optikteile zu fassen und diese Teile für das Fassen vorzubereiten (Facettieren). Der Konstrukteur muss die Dokumentation für die spezielle Bearbeitung der Teile erstellen (z.B. Verspiegelung der Teile, Entspiegelung u.a.). Der Konstrukteur darf das Optikschema nicht verändern. Auch Teilsysteme in Form von einzelnen Funktionsgruppen dürfen nicht mit anderen Teilsystemen ohne weiteres kombiniert werden, da jedes Teilsystem Abbildungsfehler besitzt und im Verbund mit anderen entsprechend korrigiert werden muss. Optische Bauteile und Systeme – wesentliche Konstruktionsgrundsätze:

1. Optische Bauteile müssen eindeutig und fest in einer Fassung fixiert werden, da geringste Abweichungen (im µm – Bereich) zu einer Veränderung der Eigenschaften führen können. Muss ein Optikteil in seiner Lage veränderbar sein, so wird die gesamte Fassung mit dem Optikteil bewegt.

2. Die Befestigungskraft muss etwa der Eigenmasse des Optikteils entsprechen (1 g). Bei stoßartiger Beanspruchung muss ein Mehrfaches der Erdbeschleunigung (bis zu 10 g) berücksichtigt werden.

3. Beim Befestigen darf das Optikteil nur auf Druck beansprucht werden, keinesfalls auf Zug, Biegung oder Torsion. Die Formstabilität ist durch die Optikteile (Glas) meist selbst gegeben. Sie darf durch das Befestigen nicht beeinträchtigt werden.

4. Die Optikteile bilden mit ihrer Fassung meistens eine konstruktive Einheit. Die Fassung kann nach ihrer Einordnung in einem Gehäuse (Gestell, Gefäß) noch justierbar sein.

5. Einseitig angeordnete elastische Zwischenlagen (Kork, Gummi, Gewebe u.a.) können helfen, beim Fassen oder durch Temperaturwechsel auftretende Spannungsspitzen zu vermeiden.

78

cc

ncnc

cncn

nn

′=

′

=⋅⋅′=

′=

′ 0

0

0

0

sinsin

εε

cc

n 0=cc

n′

=′ 0

nc

c 0=nc

c′

=′ 0

ε´1

n´,c ́

ε1 ε2 ε´2

n,c

εε ′⋅′=⋅ sinsin 1 nn 22 sinsin εε ′⋅′=⋅ nn

90°

45°

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Optische Bauteile und Systeme – wesentliche Konstruktionsgrundsätze (Fortsetzung):

6. Bei großen optischen Bauteilen (z.B. große Spiegelfassungen, Hohlspiegel) ist auf eine statisch bestimmte Dreipunktauflage zu orientieren.

7. Sind größere Temperaturschwankungen zu berücksichtigen (z.B. bei Kondensoren, Beleuchtungseinrichtungen, optische Geräte unter extremen Beanspruchungen u.a.), ist der auftretende Längenausgleich durch reichliches Spiel, durch elastische Zwischenlagen oder durch geeignete Materialien u.a. zu gewährleisten.

8. Zur Vermeidung von Temperaturdifferenzen innerhalb des optischen Teiles ist eine gleichmäßige Wärmeaufnahme über das gesamte Teil oder eine gleichmäßige Wärmeabgabe zu gewährleisten.

9. Eigenspannungen durch Kerbwirkungen u.dgl. sind durch Polieren (auch der optisch nicht wirksamen Flächen) oder durch spannungsarme Fassungen (Zwischenlagen aus elastischen Materialien) zu vermeiden.

Optische Bauteile Reflexionsprismen: Funktion: - Anpassung eines Strahlenganges an die geometrischen bzw. räumlichen Gegebenheiten eines Gerätes unter Beachtung der Bildlage

- Realisierung von Bilddrehungen und Bilddrehungen Aufgrund der ebenen Fläche ist eine Fassung leicht möglich. Nachteilig sind Absorptionsverluste, eine Veränderung der Wellenlänge, Dispersion und Reflexionsverluste. Es gilt: mit Brechungszahlen n: Luft 1,0003; Eis 1,31; Wasser 1,333; Alkohol 1,362; Quarzglas 1,459; Diamant 2,417 Beispiele: Rechtwinkliges Wendeprisma: Geradsichtiges Wendeprisma: Umkehrprismen: Funktion: Drehung eines Bildes um einen bestimmten Winkel bzw. um genau 180° (z.B. Erzeugung eines aufrechten und seitenrichtigen Bildes aus einem höhen- und seitenverkehrten Bild. Prismensysteme: Funktion: Realisierung bestimmter Bildveränderungen, z.B. Erzeugung eines Doppelbildes.

79

E

EE

A A

A

4

4

3

3

2

21

10

0

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Optische Bauteile: Prismensysteme 1. Prismensynopter zur Aufteilung eines Strahlenganges in zwei Strahlengängen. Die Strahlaufteilung wird durch halbdurch- lässige verspiegelte Prismenflächen realisiert. Andererseits können zwei Strahlengänge zu einem Strahlengang vereinigt werden. Es entsteht ein Mischbild. Abbildung 1 zeigt einen Prismensynopter für zwei Beobachter Abbildung 1 Abbildung 2 zeigt eine technische Lösung für die beidäugige Betrachtung eines Gegenstandes, wobei der Okularabstand zur Anpassung an den Augenabstand veränderlich ist. Abbildung 2 2. Doppelbildprisma erzeugt von einem Bild zwei zentralsymmetrische Bilder, die um 180° zueinander gedreht sind. E – Bildeintrittsebene ; A - Bildaustrittsebene

Beobachter 2

Gegenstand (Bild)

Beobachter 1

Gegenstand (Bild)

80

d d

v

d

2,8d

2,8d

1,4d

1,4d

3 2

24 3 3 4

1 1 1

2 4

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Optische Bauteile Reflexionsprismen: Rechtwinkliges Umlenkprima Rechtwinkliges Umkehrprima Rhomboidprisma (Spiegeltreppe) Umkehrprismen: Porro – Prisma (Strahlengang parallel versetzt)

dd d

d45°

45°

α

81

F F´ 1

1´

2

2´ ⇒⇒ ∞∞

3 3´

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Optische Bauteile Okulare: Funktion: Vergrößerung eines Zwischenbildes und Ermöglichung einer visuellen Betrachtung (Wirkung einer Lupe) Das Okular stellt das augenseitige Linsensystem dar. Es liefert von dem im Objektiv entstandenen reellen Bild ein vergrößertes virtuelles Bild im Auge. Die Bildebene des Okulars fällt mit der Bildebene des Objektivs zusammen. Okulare sind charakterisiert durch eine Vergrößerung und durch eine Feldzahl. Die Feldzahl ergibt sich aus dem Quotienten des Bildfelddurchmessers im Abstand von 250 mm von der Okularaustrittspupille durch die Vergrößerung. Entsprechend ergibt sich der Bildfelddurchmesser aus dem Produkt von Vergrößerung und Feldzahl: Vergößerung Feldzahl Bildfelddurchmesser im Abstand

250 mm 5 23 115 12,5 16 200 Objektive: Funktion: Erzeugung eines Bildes von einem Gegenstand unter Berücksichtigung der Gegenstandsgröße, der Gegenstandsentfernung, des Abbildungsmaßstabes u.a. Objektive stellen meistens Linsensysteme dar, bei denen aufgrund der Toleranzen und Abbildungsfehler meine Korrektur der Abbildungsfehler erforderlich ist. Objektive sind charakterisiert durch die Baulänge, die kürzest mögliche Einstellentfernung, den Bildwinkel, die Lichtstärke und die Brennweite. Das Verhältnis von Brennweite und Lichtstärke ergibt den größten wirksamen Linsendurchmesser. Linsen: Für Linsen gilt die Abbildungsgleichung mit f - Brennweite a - Gegenstandsweite b - Bildweite a < f ⇒ Bild wird vergrößert und erscheint als virtuelles Bild (1) a = f ⇒ Bild liegt im Unendlichen (2) a > f ⇒ Bild wird verkleinert und erscheint als reelles Bild (3) Eine Sammellinse erzeugt von entfernten Gegenständen ein umgekehrtes, reelles Bild. Liegt der Gegenstand innerhalb der Brennweite, entsteht ein aufrechtres, vergrößertes und virtuelles Bild . Das Objektiv eines Mikroskops erzeugt von einem Gegenstand ein vergrößertes reelles Bild (Zwischenbild), das mit Hilfe des Okulars betrachtet wird. Das Okular hat die Funktion einer Lupe und dient der weiteren Vergrößerung des Zwischenbildes.

baf111

+=

hmesserLinsendurcBrennweiteeLichtstärk =

eLichtstärkBrennweitehmesserLinsendurc =

kraftBrechnungsDioptrinf

==1

82

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Fassen optischer Bauteile Das F a s s e n optischer Bauteile beinhaltet das Halten in bzw. Verbinden mit bestimmten Ausführungen von mechanischen Gehäusen (Fassungsteilen) aus Metall oder Plastik. Beim Fassen handelt es sich um

- spezielle lösbare und unlösbare Verbindungsverfahren, - kraft- oder formgepaarte Verbindungen oder - feste bzw. auch bewegliche Verbindungen

Folgende Einflussfaktoren sind beim Fassen zu beachten: 1. Funktionelle Faktoren: - Einhalten von kleinsten Toleranzen im µm – Bereich bzw. Winkelsekunden - Höchste Anforderungen an Stabilität der Verbindungen 2. Geometrisch – stoffliche Faktoren: - Beachtung der besonderen Materialeigenschaften von Glas hinsichtlich der Sprödigkeit,

der inneren Spannungen, der Temperatureinflüsse, der Bruchgefahr u.a. - Große Variation der Abmessungen 3. Umgebungsfaktoren: - Einsatz optischer Geräte erfolgt unter sehr unterschiedlichen Umgebungseinflüssen

hinsichtlich Temperatur, Luftfeuchte, Staub, Stöße, Schwingungen u.a.

Funktion der Fassungen: Gewährleistung einer sicheren und genauen Arbeitsweise des optischen Systems unter Einhaltung der geforderten Toleranzen. Dem technologische Fertigungsschritt Fassen geht

1. das Z e n t r i e r e n und 2. das F a c e t t i e r e n voraus.

Das Zentrieren beinhaltet das Zusammenfallen von optischer und mechanischer Achse eines optischen Systems. Das Facettieren bedeutet eine mechanische Bearbeitung der Optikteile zum Anbringen von Fasen sowie das Entfernen von unnötigem optischen Material zur Gewichtsreduzierung. Die optische Achse stellt die Verbindungslinie der Mittelpunkte der Kugelflächen dar. Die mechanische Achse ist die Mittellinie des äußeren Zylindermantels eines zylindrischen optischen Bauteils. Das Zentrieren erfolgt durch ein mechanisch mittels Spannens oder durch ein optisch Zentrieren mittels Durchlicht. In optischen Systemen, z.B. bei Fotoobjektiven, ist beim Fassen häufig eine axiale Verschiebbarkeit zu berücksichtigen, die in Form einer Geradführung realisiert werden kann. Bei der Fassung von größeren Optikteilen, z.B. große Spiegel, sind wegen der möglichen großen Durchbiegung Dreipunktlagerungen erforderlich. Diese Dreipunktlagerungen können bei sehr großen Teilen auch mehrfach vorhanden sein. Quelle: Krause, W.: Gerätekonstruktion in Feinwerktechnik und Elektronik, Hanser – Verlag , 2000

83

a) Schutz gegen Absplittern

D1

D2 D

α

d

t

b) Winkelanpassung

α

α

c) sphärische Form (leicht herstellbar)

3

d) Entfernen überflüssigen Materials

1

2

Fassen von Halbwürfelprismamit freigearbeiteter Fläche für Totalreflektion

Fassen von Halbwürfelprismamittels Klebestelle(nur 1 u. kleine Klebefläche !)

1

A A-A

A

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Facettieren von Linsensystemen Fassen prismatischer Optikteile Fassen eines Dachkantenprismas Das Fassen ist schwierig, da wenig optisch nicht wirksame Flächen. Seitliche Lagerung durch eingebrachte Feder, die 90°-Justierung mittels zwei Schrauben ermöglicht.

84

Spannungsarmes Fassen mit definierter Andruckkraft

∆l

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Fassen prismatischer Optikteile (Fortsetzung) Fassen durch Kleben Technologische Ausführungen von Gratfassungen

a) Flüssigkeitsprisma b) Prismenkombinationen

Kitt

Richtwerte für die Abmessungen des Bördelteils

Spannungsarme Gratfassungen

a) Fassung einer Strichplatte b) Fassung eines Abdeckglasesc) Spiegelfassung d) Fassung durch Sicken und Bördelne) Fassung durch gebördelte Kappe f) Einlegen eines elast. Ringes

a)

a)

d) e) f)b)

b)

c)

a

lb

d

über 50 bis 80 1,2 0,5 1,1über 30 bis 50 0,8 0,4 0,85

über 18 bis 30 0,6 0,3 0,7

über 10 bis 18 0,25 0,55 2,5 bis 10 0,2 0,35

0,4

d a b l

a) vorgelagerter Druckring vermeidet den direkten Druck auf das Optikteilb) langer dünner Rohrfortsatz gibt bei Tem- peraturausdehnung der Linse nach

85

Fassungen durch Vorschraubring

a) Fassung mittels geschlitzten Vorschraubringesb) mittelbare Fassung mittels ungeschlitzten Vorschraubringesc) Vorschraubkapped) Gestaltung von Vorschraubringen (d Linsendurchmesser; d Gewinde-durchmesser; d freier Durchmesser; h Ringhöhe)

1

2

h

d 2

d 1

über 50 bis 100

6 bis 50

d

M(d+2)x0,75

M(d+1)x0,5

d 1

d-2

d-1

d 2

4,5bis6

2bis3,5

h

a) b) c) d)

Fassungen mittels SicherungsringAnwendung in einfachen optischen Systemen

a) einfacher Sicherungsring mit rundem Querschnittb) wie a), jedoch axial federndc) mittelbare Fassung mittels Sicherungsringen

a) b) c)

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Fassen zylindrischer Optikteile

Spannungsarme FassungenRealisiert durch axialen oder radialen Ausgleich

Fassung einer grossenLinse mittels federnderBefestigungsteile

Fassung eines Spiegelsmittels radialer- u. axialerDreipunktanlage mitelastischer Beilage (axial)u. gefedertem Element(radial)

86

Flanschjustage Zug-Druck-Systeme mittels

durch um 120° versetzte Schrauben

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung „Gerätekonstruktion“ Fassung optischer Teile Spiegelfassung Bei der Lagerung großer Spiegel ist eine einfache Dreipunktlagerung wegen zu großer Durchbiegung nicht geeignet. In dem nebenstehenden Beispiel ruht der Spiegel auf 18 kleinen Tellern. Jeder Teller ruht auf einer Kugel. Je drei Teller ruhen auf einem dreieckförmigen Zwischenstück. Je zwei Zwischenstücke ruhen über Kugel auf Wippen, die ebenfalls über Kugeln gegenüber dem Gestell abgestützt sind. Justage optischer Teile Die Justage von Linsen erfolgt häufig nur in axialer Richtung zur Scharfeinstellung, da radiale Ausrichtung durch die Fassung gesichert. Die Justage von Skalenträgern, Fadenkreuze, Strichmarken u.a. erfolgt meistens in der x – y – Ebene. Die Justage von prismatischen Körpern erfolgt meistens um zwei Achsen wegen der Empfindlichkeit gegenüber Verkippung. Die Justagebewegung muss spielfrei und feinfühlig sein. Eine Sicherung justierter Teile erfolgt durch Lacke, Kitt, Kleber, Gewindestifte, Konter-mutter, Sicherungsscheiben oder durch Verstiften Beispiele: Quelle: Krause, W.: Gerätekonstruktion in Feinwerktechnik und Elektronik, Hanser – Verlag 2000

Justage durch Exentere

Justage eines Maßstabes

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Spann-, Sprung- und Schrittwerke Mechanische Funktionswerke, die einem mechanischen Speicher Energie entnehmen und dabei eine Bewegung ausführen, werden als W e r k e bezeichnet. Der Einsatz erfolgt überall dort, wo zu einem bestimmten Zeitpunkt eine mechanische Energie freigesetzt und ein bestimmter Bewegungsablauf erzielt werden soll. Dabei soll häufig eine langsame Bewegung sprungartig in eine schnelle Bewegung überführt werden. Die wesentlichen Bestandteile eines solchen Werkes sind:

1. Energiespeicher (Feder) 2. Sprungstück (geführtes oder gelagertes Bauteil) 3. Festhaltung (Gesperre)

Anwendungsfälle sind z.B. Fotoverschlüsse, elektrische Schalter, Schnellverschlüsse u.a. Man unterscheidet Spannwerke, Sprungwerke und Schrittwerke und je nach Festhaltung durch eine Sperrstellung oder Kippstellung:

1. Sperrspannwerke bzw. Kippspannwerke 2. Sperrsprungwerke bzw. Kippsprungwerke 3. Sperrschrittwerke

Spannwerke: Über ein Spannstück wird einem mechanischen Speicher Energie zugeführt. Das Spannstück wird danach durch eine Festhaltung gesichert. Zu einem beliebigen Zeitpunkt kann die gespeicherte Energie freigesetzt werden, sobald die Festhaltung gelöst wird. Dabei führt ein geführtes oder gelagerte Bauteil (Sprungstück) eine beschleunigte Bewegung aus. Man unterscheidet (siehe oben) Sperr- und Kippspannwerke. Sperrspannwerk: Anwendung von Sperrspannwerken auch bei Tastensätzen für elektronische Geräte. Das Sprungstück trägt in diesem Fall den Kontaktsatz. Alle nebeneinander angeordneten Tasten besitzen ein gemeinsames Sperrglied. Das Betätigen einer Taste hebt die Sperre anderer Tasten zwangläufig auf. Quelle: Krause, W.: Konstruktionselemente der Feinmechanik, Verlag Technik 1989

Festhaltung durch Sperrstellung

Festhaltung durch Kippstellung

Spannwerke Sperrspannwerke Kippspannwerke Sprungwerke Sperrsprungwerk Kippsprungwerk Schrittwerke Sperrschrittwerk -------------------

s

1

2

3

gespannter Zustand Auslösen entspannter Zustand

1 Sprungstück

2 Festhaltung

3 Feder

88

Aufbau Weg der Kugel in der (abgewickelten) Führungsnut

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Anwendungsbeispiele für Sperrspannwerke:

1. Spannwerk bei einem Druckkugelschreiber:

2. Spannwerk für einen Fotoverschluss a) Gesamtaufbau b) Phase des Spannens c) Belichtung d) Phase des Schließens 1 Lamellen 2 Ring 3 Feder 4 Hebel 5 umgebogener Lappen des Lenkers 6 Lenker 7 Nase des Ringes 2 8 Sperrhebel 9 Stiftträger Das Spannen der Feder 3 erfolgt durch Betätigen des Hebels 4, wobei der umgebogene Lappen 5 des Lenkers 6 die Nase 7 des Ringes 2 ergreift. Der Sperrhebel fällt unter die nase 7 und hält den geöffneten Verschluss gespannt. Durch 4erneutes Betätigen des Hebels 4 erfolgt die Auslösung. Dabei schiebt sich der Lenker 6 zwischen die Stifte der Teile 8 und 9, der Sperrhebel 8 wird abgedrängt und die Nase 7 wird freigegeben.,

89

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Kippspannwerk: Prinzip: Festhaltung einer Energiespeicherzustandes nicht durch einen gesonderten Festhalter, sondern dadurch, dass die Sperrlage über die Kippstellung hinausgeht und dadurch eine Totlage eingenommen wird. Beispiele:

1. Schnellverschluss

2. Elektrischer Schutzschalter 1 Taste, 2 Lenkerglied, 3 Auslösehebel, 4 Kontakthebel, 5 Gegenkontakt, 6 Sprungfeder

ausgelöste Stellung gespannter Zustand (eingeschalteter Zustand) 1 Taste 2 Lenkerglied 3 Auslösehebel 4 Kontakthebel 5 Gegenkontakt 6 Sprungfeder Sprungwerke: Prinzip: Die Festhaltung eines Sprungwerkes ist bereits beim Spannen im Eingriff. Beim Erreichen einer bestimmten Speicherenergie oder nach einem definierten Spannweg wird die Festhaltung gelöst. Unterscheidung zwischen Sperrsprungwerk und Kippsprungwerk. Quelle: Krause, W. : Konstruktionselemente der Feinwerktechnik, Verlag Technik 1989

SL

2

3

56

1 4

1 Hebel2 Sprungglied3 Kipphebel4 Feder (z.B. Gummidichtung)5 Anschlag6 Gehäusea) praktische Ausführung b) wirksames Getriebe

90

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Sperrsprungwerke: Das Sprungstück wird nach Erreichen eines bestimmten Spannweges gelöst. Beispiele: 1. Sprungwerk mit Gesperre: 2. Sprungstück mit Gesperre (translatorische Bewegung) (rotatorische Bewegung) 1 Sprungstück 2 Schieber 3 Sperrglied 1 Sprungstück 2 Hebel 3 Sperrglied 4. Rückläufiges Sprungwerk: Die Bewegung des Sprungstückes erfolgt entgegengesetzt zur Bewegung des Schaltgliedes a) Spannen b) Auslösen 1 Sprungstück 2 Schaltglied 3 Festhaltung 4 Anschlag Quelle: Krause, W. : Konstruktionselemente der Feinwerktechnik, Verlag Technik 1989

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” 5. Rückläufiges Sprungwerk als Fotoverschluss a) und b) Auslösemoment c) ausgelöster Verschluss d) Zeitbelichtung 1, 2 Schaltglied 3 Hebel 4 Feder 5 Auslöser 6,7 Lichtdurchtrittsöffnungen 8 Anschlag Sprungwerk hat den Nachteil, dass es erst beim Betätigen aufgezogen (gespannt ) wird. Dadurch ist es etwas schwergängig. Hochwertige Fotoverschlüsse werden deshalb als Sprungwerk ausgebildet, das beim Filmtransport gespannt wird. 6. Sprungwerke in elektrischen Schaltern

1.

Quelle: Krause, W. : Konstruktionselemente der Feinwerktechnik, Verlag Technik 1989

sd1 sd2

s

a)

b)

c)

Wechselseitiges Sprungwerk

a) Spannen (Einleiten des Einschaltvorganges)

b) Auslösevorgang

c) Einleiten des Ausschalt- vorganges

1 Feder 2 und 3 Hebel

1 2 3

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Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Wiederholende Sprungwerke mit Gesperre mit Gehemme Die Festhaltung wird gelöst, wenn das Moment der Feder den erforderlichen Wert erreicht hat und die Sprungbewegung einsetzen soll. Bei Gehemmen setzt die Sprungbewegung beim Überschreiten der Grenzkraft des Gehemmes ein. Kippsprungwerke: Prinzip: Bei Kippsprungwerken wird anstelle von Festhaltungen die Todlage federnder Elemente ausgenutzt. Das Gestellglied der federnden Schubkurbel wird zum Sprungglied. In der Todlage kehren sich die am Gestellglied angreifenden Momente um und es erfolgt ein Sprung zum gegenüberliegenden Anschlag. Beispiel: Kippschalter Bimetallschalter mit Sprungcharakteristik

a. Bimetallstreifen in Kombination mit Kippsprungwerk b. Bimetallstreifen als selbständiges Sprungwerk c. Bimetallscheibe d. Kennlinie zu b) und c)

Quelle: Krause, W. : Konstruktionselemente der Feinwerktechnik, Verlag Technik 1989

a)

b)

1 Scheibe 2 Schaltglied 3 Feder 4 Nut in 1

1

3

2

4

93

Prof. Dr. W. Fredrich, Lehrblattsammlung “Gerätekonstruktion” Schrittwerke Prinzip: Ein Schrittwerk stellt ein Spannwerk dar, das im Gegensatz dazu nach einem einmaligen Speichern der Energie wiederholt auslösbar ist und dabei definierte Schritte ausführt. Beispiel: Quelle: Krause, W. : Konstruktionselemente der Feinwerktechnik, Verlag Technik 1989

∆

∆

H 2

H 2

H 1

H 1

S 1

S 2

a) b) c)

a) Ausgangsstellung b) und c) Auslösen durch Betätigen des Schalthebels

gerätekonstruktion komplett

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