Elektronische Gerätetechnik

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. Diese sind der konstruktive Entwicklungsprozess, der Geräteaufbau mit seinen relevanten Funktionsgruppen sowie spezielle Anforderungen bei der Entwicklung und Konstruktion von Baugruppen und Geräten. Letzteres umfasst den Geräteschutz, die Zuverlässigkeit, thermische Dimensionierung, die Schirmung und die Recyclinggerechtheit.

Dieses Kapitel vermittelt die Grundlagen des Entwicklungsprozesses von elektronischen Baugruppen und Geräten. Der konstruktive Entwicklungsprozess lässt sich durch eine zweckmäßige Gliederung in einzelne Abschnitte, das Verwenden von bewährten Vorschriften und normgerechten Darstellungsmöglichkeiten sowie die Nutzung der Rechentechnik effektiv gestalten. Kapitel 2 beschreibt detailliert den Lebenszyklus eines Produktes (Abschn. 2.1), das Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren (Abschn. 2.2) sowie gibt Hinweise zur Produktplanung und 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.

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) eingeführt. 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 gesetzlich vorgegebene Anforderungen, wie der Schutz gegen gefährliche Körperströme (Schutzklassen) sowie der Berührungs-, Fremdkörper- und Wasserschutz (IP-Schutzarten), einzuhalten, die ausführlich erläutert werden.

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 Zuverlässigkeitserhöhung bei elektronischen Geräten gibt Abschn. 4.7.

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.

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.

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.

Anhang 8.1 vermittelt die wichtigsten Regeln und Hinweise zum technischen Zeichnen, einschließlich zu Maß- und Toleranzangaben. Normzahlen und Normmaße, mit deren Bildung durch Stufenzahl und Stufensprung, werden in Anhang 8.2 vorgestellt. Eine übersichtliche Zusammenstellung der Symbole von analogen und digitalen Schaltzeichen (Schaltplansymbole) gibt Anhang 8.3. Regeln zur Kennzeichnung (Beschriftung) diskreter Bauelemente durch Farbringe oder Schrift werden in Anhang 8.4 erläutert.