Elektronische Gerätetechnik

Transkript

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2 Elektronische Gerätetechnik

3 Jens Lienig Hans Brümmer Elektronische Gerätetechnik Grundlagen für das Entwickeln elektronischer Baugruppen und Geräte

4 Jens Lienig Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design TU Dresden Dresden Deutschland Hans Brümmer FH Hannover Springe Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

5 Vorwort If you have an extreme passion for producing great products, it pushes you to be integrated It takes a lot of hard work to make something simple, to truly understand the underlying challenges and come up with elegant solutions. Steve Jobs Bei der täglichen Benutzung von iphone, ipad und Co. wird uns selten bewusst, dass die Entwicklungsgeschichte elektronischer Geräte erst wenige Jahrzehnte umfasst. Nach der Erfindung des Transistors im Jahre 1948 entstand 1960 der erste integrierte Schaltkreis und 1971 der Mikroprozessor entwickelte Motorola den ersten Prototypen eines Mobiltelefons, 1976 stellte Apple Computer den Apple I vor und 1981 folgte von IBM der IBM PC. Die Packungsdichte, d. h. die Anzahl der je Volumeneinheit untergebrachten Bauelemente, wurde ständig größer. Da damit die Verlustleistungsdichte immer mehr zunahm, musste man sich mit den Gesetzmäßigkeiten der Wärmeübertragung beschäftigen. Man erkannte auch, dass die Zuverlässigkeit, d. h. die Funktion und Lebensdauer elektronischer Bauelemente, in hohem Maße temperaturabhängig ist. Ein weiteres Problem war die ungewollte Beeinflussung von Schaltungsfunktionen, verursacht durch das Auftreten von unerwünschten Signalen innerhalb und außerhalb von Geräten. Diesen Fragen stellte sich die elektronische Gerätetechnik, die sich somit schnell zu einem wichtigen, interdisziplinär ausgerichteten Teilgebiet der Elektrotechnik entwickelte. Das erste umfassende deutschsprachige Buch zur elektronischen Gerätetechnik entstand Ende der 1970er Jahre aufgrund von Erfahrungen bei der Entwicklung elektronischer Luftfahrtgeräte in der Industrie. Seitdem wurden die Bauelemente stark weiterentwickelt, integrierte Schaltkreise erreichten ungeahnte Komplexitäten, neue Bauweisen sowie Computer Aided Design (CAD) revolutionierten den Entwurf der Geräte. Forderungen nach Recycling- und Umweltgerechtheit kamen hinzu. Heute enthält jedes Smartphone mehr Rechenleistung als der Bordcomputer von Apollo 11, der 1969 die erstmalige Landung von Menschen auf einem anderen Himmelskörper unterstützte. V

6 VI Vorwort Das vorliegende Buch stellt sich diesem enormen Fortschritt und fasst den heutigen Stand des Wissens bei der Entwicklung elektronischer Geräte zusammen. Es entstand aus den Erfahrungen der Autoren in langjähriger Industrietätigkeit sowie akademischer Forschung und Lehre zur elektronischen Gerätetechnik. Ziel ist es, durch anschauliche Vermittlung der fachlichen Grundlagen den Leser bei der Entwicklung und Konstruktion moderner elektronischer Baugruppen und Geräte unter Einbeziehung aller relevanten Aspekte zu unterstützen. Ein derart umfassendes und breit gefächertes Buch kann niemals eine Einzelleistung sein. Allen, die aktiv am Zustandekommen dieses Werkes beteiligt waren, möchten die Autoren recht herzlich danken. Zu nennen sind hier insbesondere Prof. Dr.-Ing. Stefan Dickmann, Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Werner Krause, Prof. Dr. rer. nat. habil. Hans Georg Krauthäuser, PD Dr.-Ing. Helmut Löbl, PD Dr.-Ing. Thomas Nagel, Dr.-Ing. Holger Neubert, Frau Diana Rieger und Dr.-Ing. Heinz Wohlrabe. Des Weiteren gebührt für die zusätzliche Unterstützung bei der Ausarbeitung von Teilgebieten Dr.-Ing. Alfred Kamusella (Abschn. 2.6), Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Gonschorek (Abschn. 6.6), Prof. Dr.- Ing. Günter Röhrs (Abschn. 7), Dipl.-Ing. Steve Bigalke (Anhang 8.1) und Dr.-Ing. Frank Reifegerste (Anhänge 8.3 und 8.4) unser Dank. Die Gerätetechnik wird auch weiterhin einem raschen Fortschritt unterliegen. Die Verfasser sind daher für Hinweise, die der Weiterentwicklung dieses Buches dienen, stets dankbar. Jens Lienig Dresden Hans Brümmer Springe

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Konstruktiver Entwicklungsprozess Der Lebenszyklus eines Produktes Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren Hinweise zur Produktplanung sowie zum Entwickeln und Konstruieren Planung der Entwicklungstätigkeit Informationsfluss Durchführbarkeitsstudie bei der Produktplanung Aufgabenpräzisierung und Konzeptphase Pflichtenheft Terminplanung Technisches Zeichnen Schaltpläne Computer-Aided Design (CAD) Literatur Geräteaufbau und Geräteschutz Begriffe, Gerätefunktionen und -strukturen Systemeigenschaften von Geräten Umgebung Funktion Struktur Bauweisen von Geräten Elementarisierung des Geräteaufbaus Vorgehensweise bei der Gerätemontage Einordnung des Gerätes in die Umwelt Elektronische Funktionsgruppen und Systemebenen Geräteschutz CE-Kennzeichnung Schutzklassen VII

8 VIII Inhaltsverzeichnis IP-Schutzarten Literatur Zuverlässigkeit elektronischer Geräte Einleitung Berechnungsgrundlagen Begriffe der Wahrscheinlichkeit Begriffe der Zuverlässigkeit Zuverlässigkeitskenngrößen Exponentialverteilung Lebensdauerverteilungen Zuverlässigkeitskenngrößen bei der Exponentialverteilung Ausfallverhalten elektronischer Bauelemente Drift Referenz- und Betriebsbedingungen Ausfallraten elektronischer Bauelemente Derating Genauigkeit von Ausfallratenangaben Ausfallverhalten von Systemen Berechnungsgrundlagen Serien- und Parallelsysteme Ausfallverhalten elektronischer Geräte Allgemeine Bemerkungen Verfügbarkeit von reparierbaren Geräten Elektronische Geräte ohne Redundanz (Seriensysteme) Geräte mit Redundanz (Parallelsysteme) Instandhaltung und Wartung elektronischer Geräte Empfehlungen zur Zuverlässigkeitserhöhung Literatur Thermische Dimensionierung Einleitung Problembeschreibung Grundgrößen der thermischen Dimensionierung Zulässige Temperaturbereiche von Bauelementen und Geräten Verlustleistungsquellen in elektronischen Geräten Berechnungsgrundlagen Elektrische und thermische Netzwerke Wärmenetzmethode Wärmeübertragung Grundlagen Wärmeleitung... 93

9 Inhaltsverzeichnis IX Wärmekonvektion Wärmestrahlung Elemente für eine intensivierte Wärmeübertragung Kühlkörper Thermische Kontaktwerkstoffe Lüfter Wärmerohr (Heat Pipe) Peltier-Element Beispiele aus der Gerätetechnik Temperaturen von Bauelementen Außen- und Innentemperaturen von Geräten Zulässige Verlustleistungsdichten bei offenem und geschlossenem Gehäuse Wärmeabführung aus offenem Gehäuse Oberflächentemperatur und thermischer Widerstand Wärmeabführung aus geschlossenem Gehäuse Oberflächentemperatur und thermischer Widerstand Wärmedurchgang durch Gehäusewände Wärmeübertragung im Geräteinneren bei offenem Gehäuse Wärmeübertragung im Geräteinneren bei geschlossenem Gehäuse Erzwungene Konvektion mit Lüftern Empfehlungen zur thermischen Gerätegestaltung Literatur Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Einleitung Kopplungen von Stromkreisen Galvanische Kopplung Kapazitive Kopplung Induktive Kopplung Elektromagnetische Kopplung Bezugspotenziale elektrischer Systeme Bedeutung von Bezugspotenzialen Aufbau geeigneter Bezugssysteme (Massesysteme) Führung des Rückleiters zum Bezugspunkt bei digitalen Signalen Führung des Rückleiters zum Bezugspunkt bei analogen Signalen Erdschleifen Geräteschirmung vor Feldern Grundlagen der Schirmung Schirmung magnetostatischer Felder Schirmung magnetischer Wechselfelder Schirmung elektrostatischer Felder

10 X Inhaltsverzeichnis Schirmung elektrischer Wechselfelder Schirmung elektromagnetischer Felder Elektrostatische Entladungen (ESD) Ursachen ESD-Schutzmaßnahmen Empfehlungen zur EMV-gerechten Gerätegestaltung Aufbau von Leiterplatten und Geräten Aufbau von Geräteschränken Anschluss externer Geräte Literatur Recyclinggerechtes Entwickeln und Konstruieren Einleitung Herstellung, Nutzung und Entsorgung von Geräten in der Kreislaufwirtschaft Produktrecycling bei der Geräteentsorgung Neue Verkaufsstrategie Verkauf der Gerätenutzung Neue Konstruktionsstrategie Langlebigkeit von Geräten Stoffrecycling bei der Geräteentsorgung Demontagegerechtes Entwickeln und Konstruieren Baustrukturgerechtheit Zerlegungsgerechtheit Lösbarkeitsgerechtheit Werkstoffgerechtes Entwickeln und Konstruieren Mengengerechtheit Trennungsgerechtheit Verträglichkeitsgerechtheit Verwertungsgerechtheit Entsorgungsgerechtheit Kennzeichnungsgerechtheit Empfehlungen zur recyclinggerechten Geräteentwicklung Literatur Anhänge Hinweise und Regeln zum technischen Zeichnen Schriftfeld Maßstäbe Zeichnungsnummer Blattformate Linienarten und -breiten Darstellung von Schnitten Maße und Bemaßungsregeln

11 Inhaltsverzeichnis XI Elemente von Maßangaben Bemaßungsarten Begriffsdefinitionen Maßtolerierung Allgemeintoleranzen ISO-Toleranzen Form- und Lagetoleranzen Oberflächenangaben Werkstoffangaben Normzahlen und E-Reihen Schaltplansymbole von Bauelementen Beschriftungen von Bauelementen Kennzeichnung mit Farben Kennzeichnung mit Schrift Kennzeichnung von Widerständen und Kondensatoren durch Ziffern und Buchstaben Kennzeichnung von Widerständen und Kondensatoren durch Ziffern Kennzeichnung von Induktivitäten durch Ziffern und Buchstaben Sachverzeichnis

12 Einführung 1 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. Dieses Fachgebiet beinhaltet ein weitgestrecktes Aufgabenspektrum, von der Entwicklung eines Gerätes bis zur Sicherung seiner Funktion, Qualität, Gebrauchsdauer und Entsorgung. Der rasante technische Fortschritt, der Einzug elektronischer Geräte in immer mehr Bereiche des täglichen Lebens sowie die zunehmende Interdisziplinarität des Entwicklungsprozesses stellen dabei wachsende Anforderungen an jeden Ingenieur und Techniker. Das vorliegende Buch stellt sich diesen Herausforderungen und vermittelt das Grundlagenwissen für die technische Realisierung elektronischer Geräte. Diese findet sich häufig im Grenzbereich verschiedener Fachgebiete, wie Elektronik und Mechanik, wieder. Auf der einen Seite haben die Entwickler elektronischer Schaltungen oft wenig Verständnis für das Lösen konstruktiver Probleme. Andererseits wird die Tätigkeit eines Konstrukteurs häufig durch unzureichende Kenntnis der elektronischen Funktion des von ihm zu bearbeitenden Gerätes eingeschränkt. Die hier vorliegende Lücke versucht dieses Buch zu schließen. Ziel des Werkes ist somit die Vermittlung von Kenntnissen zum Aufbau und zur Entwicklung elektronischer Baugruppen und Geräte mit dem Anspruch, Verständnis für ingenieurmäßige Aufgaben sowie für die dabei zu beachtenden vielfältigen Anforderungen zu erreichen. Damit soll der Leser zum ingenieurmäßigen Vorgehen bei der Entwicklung und Konstruktion dieser Produkte unter Einbeziehung aller relevanten Aspekte befähigt werden. Die wesentlichen Probleme bei der Geräteentwicklung unter Erwähnung ihrer Abhandlung im Buch sind in Abb. 1.1 dargestellt. Inhaltliche Schwerpunkte 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, die thermische Dimensionierung, die Schirmung und die Recyclingge- J. Lienig, H. Brümmer, Elektronische Gerätetechnik, 1 DOI / _1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014

13 2 1 Einführung Entwicklungsplanung (Kapitel 2) Vorstudie Aufgabenstellung Pflichtenheft Technisches Zeichnen, Schaltpläne, CAD (Kapitel 2) Schaltungsentwicklung Geräteschutz (Kapitel 3) Zuverlässigkeit (Kapitel 4) Wärmeabführung (Kapitel 5) Geräteaufbau (Kapitel 3) Bauelemente Schaltkreise Multichip-Module Leiterplatten Stromversorgung Leitungsverbindungen Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) (Kapitel 6) Recyclinggerechtheit (Kapitel 7) Abb. 1.1 Die Anforderungen bei der Entwicklung eines elektronischen Gerätes und die darauf aufbauende Struktur des Buches rechtheit. Zur Vermittlung des Grundlagenwissens auf diesen Gebieten wurde folgender Aufbau gewählt: Das nachfolgende zweite Kapitel, Konstruktiver Entwicklungsprozess, beschreibt dessen Schrittfolge bei Geräten und Baugruppen sowie die Darstellungsmöglichkeiten in technischen Unterlagen, wie technische Zeichnungen und elektrische Schaltpläne. Ebenfalls erfolgt hier eine Einführung in den rechnergestützten Entwurfsprozess (CAD). Im dritten Kapitel, Geräteaufbau und Geräteschutz, werden Kenntnisse zu den unterschiedlichen Bauweisen eines Gerätes und den einzelnen Baugruppen sowie zum Geräteschutz vermittelt. Letzterer schreibt vor, dass jedes Gerät so zu entwickeln ist, dass es Personen und die Umwelt nicht gefährdet, womit hier insbesondere Schutzklassen und IP-Schutzarten zu beachten sind. Das vierte Kapitel, Zuverlässigkeit elektronischer Geräte, führt in die wichtigsten Zuverlässigkeitskenngrößen und deren Anwendung ein. Damit ist es möglich, bei der Geräteentwicklung die vorgegebenen Zuverlässigkeitsansprüche zu erfüllen oder von bekannten Zuverlässigkeitswerten der Einzelkomponenten die zu erwartende Gesamtzuverlässigkeit des Gerätes zu berechnen. Im fünften Kapitel, Thermische Dimensionierung, werden Kenntnisse zu auftretenden Verlustleistungen und zur Wärmeübertragung von Bauelementen, Baugruppen und Geräten dargestellt. Somit sind schon während der Entwicklung die thermischen Eigenschaften ermittelbar und durch Auswahl und Dimensionierung geeigneter Elemente zur Wärmeabführung die Einhaltung der thermischen Anforderungen gewährleistet.

14 1 Einführung 3 Der sechste Abschnitt des Buches, Elektromagnetische Verträglichkeit, dient zur Vermittlung der bei jeder Geräteentwicklung zu beachtenden EMV-Probleme und von Lösungsmöglichkeiten durch Geräteschirmung sowie Schutzmaßnamen gegen elektrostatische Entladungen (ESD). Das letzte und siebente Kapitel, Recyclinggerechtes Entwickeln und Konstruieren, geht auf die umweltrelevanten Aspekte bei der Geräteentwicklung ein. Die technische Herausforderung unter den Bedingungen einer heute erforderlichen Kreislaufwirtschaft besteht darin, umweltgerechte Geräte zu entwickeln. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass bei der Herstellung, dem Gebrauch und der Entsorgung Abfälle und der Energieverbrauch minimiert werden und sich die stoffliche Substanz des Gerätes nach dem Gebrauch in den Stoffkreislauf möglichst vollständig zurückführen lässt (Recycling). Anhänge mit Hinweisen und Regeln zum technischen Zeichnen, Normzahlen und E- Reihen sowie Schaltplansymbolen und Beschriftungen von Bauelementen runden das Buch ab.

15 Konstruktiver Entwicklungsprozess 2 In diesem Kapitel werden die Grundlagen des Entwicklungsprozesses von elektronischen Baugruppen und Geräten vermittelt. 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. Jeder Forschungs- und Entwicklungsingenieur benötigt daher Wissen über das Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren sowie zu den erforderlichen Darstellungsmöglichkeiten in technischen Unterlagen (technische Zeichnungen, Schaltpläne, CAD-Modelle). 2.1 Der Lebenszyklus eines Produktes Die Elektroindustrie gehört zu den Branchen mit den höchsten Innovationsraten. Der Umsatz vieler Firmen wird zur Hälfte von Produkten getragen, die weniger als fünf Jahre alt sind. Daher ist dem Entstehen derselben und allen Phasen ihrer Existenz besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Abbildung 2.1 zeigt den typischen Lebenszyklus eines Produktes unter betriebswirtschaftlichen Aspekten. Dieser Zyklus kann sich über einen unterschiedlich langen Zeitraum erstrecken. Dabei ist zu klären, ob sich die Entwicklungskosten amortisiert haben, und wenn ja, nach welcher Zeit. Die Lebensphasen eines Produktes, auch als Produktlebenszyklus bezeichnet, lassen sich grundsätzlich in die der Entstehung (Entstehungsphase), des Gebrauchs (Marktphase) und der Entsorgung (s. Kap. 7) unterscheiden. Die Entstehungsphase beinhaltet neben der Produktplanung den Zeitraum der Entwicklung und Konstruktion sowie die erste Fertigung mit Prototypenbau und Vorserie. In der Marktphase ist das Produkt ausgereift und die Wachstumsrate anfänglich hoch. Der Markt des Produktes und die Wettbewerber sind bekannt. Die Phase der Reife wird J. Lienig, H. Brümmer, Elektronische Gerätetechnik, 5 DOI / _2, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014