Elektronische Gerätetechnik -
Grundlagen des Entwickelns elektronischer Baugruppen und Geräte
Jens Lienig, Hans Brümmer
2. Auflage, 2024, 244 S., Springer Vieweg Berlin, Heidelberg
 

ISBN 978-3-662-68707-9,  eBook ISBN 978-3-662-68708-6
DOI 10.1007/978-3-662-68708-6

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Über dieses Fachbuch

Diese zweite, überarbeitete Auflage des vielgefragten Standardwerkes der elektronischen Gerätetechnik vermittelt die Grundlagen des konstruktiven Entwicklungsprozesses sowie des funktionellen und geometrisch-stofflichen Aufbaus elektronischer Baugruppen und Geräte. Aktuelle Anforderungen wie Geräteschutz, Zuverlässigkeit, thermische Dimensionierung und Schirmung (EMV) stehen dabei im Vordergrund. Richtlinien zum recyclinggerechten Entwurf runden den Inhalt ab. Damit beinhaltet dieses Buch das grundlegende Wissen zum ingenieurmäßigen Vorgehen bei der Entwicklung und Konstruktion moderner elektronischer Produkte unter Einbeziehung aller relevanten Aspekte.

Umschlag   Vorwort   Inhaltsverzeichnis  Sachverzeichnis   Flyer   Rezension    Errata

Inhalt

1     Einführung   Die elektronische Gerätetechnik ist ein ingenieurwissenschaftliches Fachgebiet der Elektrotechnik, das sich mit der Entwicklung und Konstruktion sowie technischen Realisierung von elektronischen Baugruppen und Geräten befasst. Kapitel 1 stellt die inhaltlichen Schwerpunkte dieses Fachgebietes und damit des Buches vor.

2     Konstruktiver Entwicklungsprozess   Dieses Kapitel vermittelt die Grundlagen des Entwicklungsprozesses. Dieser lässt sich durch eine zweckmäßige Gliederung in einzelne Abschnitte, das Verwenden von bewährten Vorschriften und normgerechten Darstellungsmöglichkeiten sowie die Nutzung der Computertechnik effektiv gestalten. Kapitel 2 beschreibt detailliert den Lebenszyklus eines Produktes (Abschn. 2.1), das Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren (Abschn. 2.2) und gibt Hinweise zur Produktplanung sowie dem konstruktiven Entwicklungsprozess (Abschn. 2.3). Weiterhin werden in den Abschn. 2.4 bis 2.6 Darstellungsmöglichkeiten in technischen Unterlagen, wie technische Zeichnungen und Schaltpläne, sowie das Computer-Aided Design (CAD) einführend vorgestellt.

2.1      Der Lebenszyklus eines Produktes

2.2      Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren

2.3      Hinweise zur Produktplanung sowie zum Entwickeln und Konstruieren

2.4      Technisches Zeichnen

2.5      Schaltpläne

2.6      Computer-Aided Design (CAD)

3     Geräteaufbau und Geräteschutz   Im Kapitel 3 steht das Gerät selbst im Vordergrund. Zu Beginn werden Gerätefunktionen und -strukturen (Abschn. 3.1), unterschiedliche Bauweisen (Abschn. 3.2) sowie mögliche Realisierungsvarianten hinsichtlich der einzusetzenden elektronischen Funktionsgruppen (Abschn. 3.3) beschrieben. Die Anforderungen an den Geräteschutz sind ebenfalls während des Entwicklungsprozesses zu berücksichtigen (Abschn. 3.4). Jede Baugruppe bzw. jedes Gerät ist so zu entwickeln, dass es Personen und die Umwelt nicht gefährdet. Dazu sind gesetzliche Vorschriften, wie der Schutz gegen gefährliche Körperströme (Schutzklassen) sowie der Berührungs-, Fremdkörper- und Wasserschutz (IP-Schutzarten), einzuhalten, die ausführlich erläutert werden.

3.1      Begriffe, Gerätefunktionen und -strukturen

3.2      Bauweisen von Geräten

3.3      Elektronische Funktionsgruppen und Systemebenen

3.4      Geräteschutz

4     Zuverlässigkeit elektronischer Geräte   Dieses Kapitel führt zuerst in die Berechnungsgrundlagen der Zuverlässigkeit ein (Abschn. 4.1) und stellt die wichtigsten Zuverlässigkeitskenngrößen dar (Abschn. 4.2). Für das Zuverlässigkeitsverhalten von elektronischen Geräten ist die „Badewannenkurve“ der Ausfallrate mit ihrem Mittelbereich relevant, der sich durch eine konstante Ausfallrate auszeichnet. Wie Abschn. 4.3 zeigt, sind in diesem mit dem Begriff „Exponentialverteilung“ bezeichneten Bereich die Zuverlässigkeitskenngrößen für elektronische Geräte einfach berechenbar. Das Ausfallverhalten von elektronischen Bauelementen wird in Abschn. 4.4 beschrieben. Unter dessen Kenntnis und der Annahme einer Exponentialverteilung ist es möglich, anhand einer vorgegebenen Gerätezuverlässigkeit die erforderlichen Zuverlässigkeitswerte der einzelnen Bauelemente zu ermitteln (Abschn. 4.5 und 4.6). Auch lässt sich umgekehrt die aus den Einzelkomponenten resultierende Gerätezuverlässigkeit berechnen. Zusammenfassende Empfehlungen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit bei  Geräten gibt Abschn. 4.7.

4.1      Einleitung

4.2      Berechnungsgrundlagen

4.3      Exponentialverteilung

4.4      Ausfallverhalten elektronischer Bauelemente

4.5      Ausfallverhalten von Systemen

4.6      Ausfallverhalten elektronischer Geräte

4.7      Empfehlungen zur Zuverlässigkeitserhöhung

5     Thermische Dimensionierung   Elektronische Baugruppen und Geräte sind in thermischer Hinsicht sorgfältig zu dimensionieren. Dabei ist sicherzustellen, dass alle Temperaturen stets kleiner als die vorgegebenen Grenztemperaturen sind. Abschnitt 5.1 führt in die Grundgrößen der thermischen Dimensionierung ein, um die bei einem Gerät auftretende und abzuführende Wärmeenergie zu bestimmen. Mittels thermischer Netzwerke, auch als Wärmenetzmethode bekannt, lassen sich die Wärmepfade berechnen (Abschn. 5.2). Unter Kenntnis der möglichen Wärmeübertragungsprinzipe (Abschn. 5.3) kann dann durch Auswahl und Dimensionierung der in Abschn. 5.4 beschriebenen Elemente zur Wärmeabführung die Einhaltung der thermischen Anforderungen sichergestellt werden. Abschnitt 5.5. erläutert detailliert diese Vorgehensweise an gerätetechnischen Beispielen. Abschließende Empfehlungen zur thermischen Gerätegestaltung gibt Abschn. 5.6.

5.1      Einleitung

5.2      Berechnungsgrundlagen

5.3      Wärmeübertragung

5.4      Elemente für eine intensivierte Wärmeübertragung

5.5      Beispiele aus der Gerätetechnik

5.6      Empfehlungen zur thermischen Gerätegestaltung

6     Elektromagnetische Verträglichkeit   Jedes elektronische Gerät muss den Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) genügen. Abschnitt 6.1 führt in die EMV-Problematik ein. Abschnitt 6.2 erklärt Kopplungsmechanismen zwischen Stromkreisen, deren Ursachen sowie konstruktive Möglichkeiten ihrer Vermeidung. Letzteres lässt sich oft durch die in Abschn. 6.3 erläuterte korrekte Auslegung von Bezugspotenzialen (Massesystemen) erreichen. Während bei der Kopplung Stromkreise betrachtet werden, die sich gegenseitig mit ihren Feldern beeinflussen, wirken auf Baugruppen und Geräte auch noch externe Felder ein. Daher stellt Abschn. 6.4 einführend das Schirmungsprinzip vor, um dann auf Schirmungen vor unterschiedlichen Feldern einzugehen. Ebenfalls der EMV zugeordnet wird die elektrostatische Entladung (ESD). Neben einer Verdeutlichung der Ursachen elektrostatischer Auf- und Entladungen stellt Abschn. 6.5 ESD-Schutzmaßnahmen vor. Abschließende Empfehlungen für die EMV-gerechte Gerätegestaltung gibt Abschn. 6.6.

6.1      Einleitung

6.2      Kopplung von Stromkreisen

6.3      Bezugspotenziale elektrischer Systeme

6.4      Geräteschirmung vor Feldern

6.5      Elektrostatische Entladung (ESD)

6.6      Empfehlungen zur EMV-gerechten Gerätegestaltung

7     Recyclinggerechtes Entwickeln und Konstruieren   Die technische Herausforderung unter den Bedingungen einer heute erforderlichen Kreislaufwirtschaft besteht darin, umweltgerechte Geräte zu entwickeln (Abschn. 7.1). Abschnitt 7.2 untersucht die Auswirkungen des Kreislaufwirtschaftsgesetzes (KrWG) auf die Herstellung, Nutzung und Entsorgung von Baugruppen und Geräten. Auf das bei der Geräteentsorgung anzustrebende Produktrecycling geht Abschn. 7.3 ein, einschließlich neuer Verkaufs- und Konstruktionsstrategien. Letztlich ist jedes Gerät am Ende seiner Nutzungszeit stofflich zu entsorgen. Abschnitt 7.4 zeigt, dass die wirtschaftlichen und umweltspezifischen Eigenschaften des damit erforderlichen Stoffrecycling durch die Demontage- und Werkstoffgerechtheiten eines Gerätes bestimmt werden. Deren Prinzipe und Richtlinien werden daher in den Abschn. 7.5 und 7.6 detailliert erläutert. Zusammenfassende Empfehlungen zur recyclinggerechten Geräteentwicklung gibt Abschn. 7.7.

7.1      Einleitung

7.2      Herstellung, Nutzung und Entsorgung von Geräten in der Kreislaufwirtschaft

7.3      Produktrecycling bei der Geräteentsorgung

7.4      Stoffrecycling bei der Geräteentsorgung

7.5      Demontagegerechtes Entwickeln und Konstruieren

7.6      Werkstoffgerechtes Entwickeln und Konstruieren

7.7      Empfehlungen zur recyclinggerechten Geräteentwicklung

8     Anhänge 

8.1    Hinweise und Regeln zum technischen Zeichnen

8.2    Normzahlen und E-Reihen

8.3    Schaltplansymbole von Bauelementen

8.4    Beschriftungen von Bauelementen