Grundlagen der technischen Informatik Wikipedia-Skript · IV Autor: Prof. Dr.-Ing. Holger Heuermann LehrgebietfürHoch-undHöchstfrequenztechnik 1.Auﬂage2008 Dieses Skript stellt

Grundlagen der

technischen Informatik

Wikipedia-Skript

Skriptversion 1.0

24. Juni 2008

Fachhochschule AachenFB5 Elektrotechnik und InformationstechnikLehrgebiet Hoch- und Hoechstfrequenztechnik

Prof. Dr.-Ing. H. HeuermannMitarbeit: Raphael Hübner

Realisiert durch die Studiengebühren

IV

Autor:

Prof. Dr.-Ing. Holger HeuermannLehrgebiet für Hoch- und Höchstfrequenztechnik

1. Auflage 2008

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Inhaltsverzeichnis V

Inhaltsverzeichnis

1 Physikalische Größen 1

Internationales Einheitensystem(SI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Maßeinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Vorsätze für Maßeinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Elementarladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Permittivität (Dielektrizitätskonstante) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2 2 Grundlagen der Elektrotechnik 25

Grundgrößen der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Die elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Der elektrische Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Die elektrische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Das elektrische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Die elektrische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Die elektrische Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Der Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Ohmsches Gesetz und Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Der elektrische Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Stromteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Kirchhoffsche Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

VI Inhaltsverzeichnis

3 3 Elektronische Schaltnetzwerke 101

Schaltnetze und Schaltwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Schaltnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Schaltwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

TTL-Logik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Der Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Der Inverter (Treiber) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

CMOS Schaltwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Das Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Speicherzelle (Register) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

4 MOS - Speicher 137

ROM-Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Dekoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

EPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

FLASH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

RAM-Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

DRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

SDRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

SSR-SDRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

Magnetspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

Die Festplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

Optische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

CD-ROM/Compakct-Disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

DVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

HD-DVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

Blue-ray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

5 Der Mikrocomputer 237

Der Mikroprozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

Der Volladdierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

Carry-Ripple-Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

Inhaltsverzeichnis VII

Das Addierwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

Datenübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

Low Voltage Differential Signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

Eingangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

Wellenimpedanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

Duplex Übertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

Serielle Übertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

Streifenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

Wellenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

Augendiagramm und Bitfehlerhäufigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

Augendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

Bitfehlerhäufigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

A Lizenzen 275

A.1 GNU GENERAL PUBLIC LICENSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

1

Kapitel 1

Physikalische Größen

Internationales Einheitensystem aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Das Internationale Einheitensystem, abgekürzt SI (von frz.: Système international d’unités), ist das auf dem internationalen Größensystem (ISQ) basierende Einheitensystem. Dieses 1960 eingeführte metrische Einheitensystem ist heute das weltweit am weitesten verbreitete Einheitensystem für physikalische Größen.

Einführung Das SI ist ein metrisches, dezimales und kohärentes Einheitensystem. Das Adjektiv „metrisch“ bedeutet dabei allerdings nicht, dass alle Einheiten des SI metrisch sind.

Durch das SI werden physikalische Einheiten zu ausgewählten Größen festgelegt. Die Auswahl erfolgt – unter Berücksichtigung der geltenden wissenschaftlichen Theorien – nach praktischen Gesichtspunkten. Nicht-physikalische Größen, zum Beispiel wirtschaftliche oder sozialwissenschaftliche Größen, werden im SI nicht definiert. Das SI beruht auf sieben, per Konvention festgelegten, Basiseinheiten zu entsprechenden Basisgrößen.

Für internationale Regelungen über das SI ist das internationale Maß- und Gewichtsbüro (BIPM) zuständig. Als Referenz-Regelwerk gilt die vom BIPM in periodischen Abständen (üblicherweise alle paar Jahre) neu publizierte Broschüre mit dem ins Englische übersetzten Titel The International System of Units – deutsch kurz auch als „die SI-Broschüre“ bezeichnet. Allerdings hat nur die französische Originalausgabe Referenzcharakter. Dieser Artikel bezieht sich auf die 2006 erschienene 8. Auflage der SI-Broschüre , welche die 7. Auflage aus 1998 ersetzt hat.

Für die nationale Gestaltung von SI-Belangen sind meist die metrologischen Staatsinstitute zuständig, für sie hat sich vor Kurzem die Abkürzung NMI (= national metrological institute) eingebürgert. NMI ist in Deutschland die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in der

Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Geschichte

2.1 Meterkonvention, BIPM und CGPM 2.2 Nationale Entwicklungen

3 SI-Einheiten 3.1 SI-Basiseinheiten 3.2 Kohärente SI-Einheiten 3.3 Abgeleitete SI-Einheiten mit besonderem Namen

4 Nicht-SI-Einheiten 5 Schreibweise von Größen, Einheiten und Werten

5.1 Schreibweise der Einheitennamen 5.2 Schreibweise der Einheitenzeichen 5.3 Schreibweise von Zahlenwerten 5.4 Darstellung von Größen

6 Zukünftige Entwicklungen 7 Quellenangaben 8 Siehe auch 9 Weblinks

[1]

Internationales Einheitensystem aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Das Internationale Einheitensystem, abgekürzt SI (von frz.: Système international d’unités), ist das auf dem internationalen Größensystem (ISQ) basierende Einheitensystem. Dieses 1960 eingeführte metrische Einheitensystem ist heute das weltweit am weitesten verbreitete Einheitensystem für physikalische Größen.

Einführung Das SI ist ein metrisches, dezimales und kohärentes Einheitensystem. Das Adjektiv „metrisch“ bedeutet dabei allerdings nicht, dass alle Einheiten des SI metrisch sind.

Durch das SI werden physikalische Einheiten zu ausgewählten Größen festgelegt. Die Auswahl erfolgt – unter Berücksichtigung der geltenden wissenschaftlichen Theorien – nach praktischen Gesichtspunkten. Nicht-physikalische Größen, zum Beispiel wirtschaftliche oder sozialwissenschaftliche Größen, werden im SI nicht definiert. Das SI beruht auf sieben, per Konvention festgelegten, Basiseinheiten zu entsprechenden Basisgrößen.

Für internationale Regelungen über das SI ist das internationale Maß- und Gewichtsbüro (BIPM) zuständig. Als Referenz-Regelwerk gilt die vom BIPM in periodischen Abständen (üblicherweise alle paar Jahre) neu publizierte Broschüre mit dem ins Englische übersetzten Titel The International System of Units – deutsch kurz auch als „die SI-Broschüre“ bezeichnet. Allerdings hat nur die französische Originalausgabe Referenzcharakter. Dieser Artikel bezieht sich auf die 2006 erschienene 8. Auflage der SI-Broschüre , welche die 7. Auflage aus 1998 ersetzt hat.

Für die nationale Gestaltung von SI-Belangen sind meist die metrologischen Staatsinstitute zuständig, für sie hat sich vor Kurzem die Abkürzung NMI (= national metrological institute) eingebürgert. NMI ist in Deutschland die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in der

Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Geschichte

2.1 Meterkonvention, BIPM und CGPM 2.2 Nationale Entwicklungen

3 SI-Einheiten 3.1 SI-Basiseinheiten 3.2 Kohärente SI-Einheiten 3.3 Abgeleitete SI-Einheiten mit besonderem Namen

4 Nicht-SI-Einheiten 5 Schreibweise von Größen, Einheiten und Werten

5.1 Schreibweise der Einheitennamen 5.2 Schreibweise der Einheitenzeichen 5.3 Schreibweise von Zahlenwerten 5.4 Darstellung von Größen

6 Zukünftige Entwicklungen 7 Quellenangaben 8 Siehe auch 9 Weblinks

[1]

2 Physikalische Größen

Schweiz das Bundesamt für Metrologie (METAS), in Österreich das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV), in Großbritannien das National Physical Laboratory (NPL) und in den USA das National Institute of Standards and Technology (NIST). In der DDR war die zuständige Behörde das Amt für Standardisierung, Messwesen und Warenprüfung (ASMW). Diese nationalen Empfehlungen erhalten rechtliche Bedeutung – d. h. im Wesentlichen eine Anwendungspflicht für die Bürger in manchen Tätigkeitsbereichen – erst durch die Gesetzgeber der einzelnen Staaten oder durch deren Rechtsprechung.

In der EU ist die Verwendung von Einheiten unter Anderem durch die EG-Richtlinie 80/181/EWGweitgehend vereinheitlicht worden. Mit der Richtlinie 1999/103/EG wurde die Übergangsfrist für Doppelangaben bis zum 31. Dezember 2009 verlängert; bis zu diesem Datum können die Mitgliedstaaten in ihrer nationalen Gesetzgebung Zusatzangaben in nicht-gesetzlichen Einheiten tolerieren, müssen es aber nicht. In der Europäischen Union (EU), der Schweiz und den meisten anderen Staaten ist die Benutzung des SI im amtlichen oder geschäftlichen Verkehr gesetzlich vorgeschrieben; vor allem in den USA werden aber auch viele Einheiten verwendet, die nicht im SI geregelt sind. In den meisten anderen Staaten sind in Einzelfällen Ausnahmen zu den SI-Regelungen über nationale Gesetze gestattet.

Geschichte

Meterkonvention, BIPM und CGPM

Meilenstein für die internationale Durchsetzung des metrischen Systems war die Unterzeichnung der Meterkonvention 1875 durch 17 Staaten. Dabei wurde auch das Internationale Maß- und Gewichtsbüro (BIPM) und deren Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) gegründet. Diese beiden Institutionen sind bis heute für die internationale Standardisierung des SI zuständig.

Auf der ersten CGPM 1889 wurde das MKS-Einheitensystem mit den drei Basiseinheiten Meter (m), Kilogramm (kg) und Sekunde (s) eingeführt. 1939 wurde die Erweiterung des MKS-Systems um eine vierte Basiseinheit, das Ampere (A), vorgeschlagen, wodurch der Begriff MKSA-System entstand.

Die Basiseinheit Ampere (A) kam jedoch erst auf der 10. CGPM 1954 offiziell zum MKS-System hinzu, gemeinsam mit der Basiseinheit für die thermodynamische Temperatur, die zunächst als Grad Kelvin (°K) bezeichnet wurde, sowie der Candela (cd).

Auf der 11. CGPM 1960 wurde dieses erweiterte MKS-System als (französisch) Système International d’Unités (SI) bzw. Internationales Einheitensystem benannt. Seit dem spricht man von SI-Einheiten.

Durch die 13. CGPM 1968 erhielt die bis dahin als Grad Kelvin bezeichnete Basiseinheit ihren heute gültigen Namen Kelvin, das Einheitenzeichen wurde von °K zu K geändert.

Auf der 14. CGPM 1971 kam schließlich die siebte und bis heute letzte Basiseinheit, das Mol (mol) hinzu und wurde an die 6. Stelle zwischen Kelvin und Candela eingeordnet.

Nationale Entwicklungen

Das Gesetz über die Einführung des SI trat 1970 in der Bundesrepublik Deutschland und 1973 in Österreich in Kraft. 1978 waren in Deutschland und Österreich alle Übergangsregelungen betreffend Nicht-SI-Einheiten abgeschlossen.

[2][3]

[4][5]

3

Das SI ist heute in der ganzen Welt verbreitet. In vielen Ländern ist sein Gebrauch für bestimmte Anwendungsgebiete, namentlich das Eichwesen oder ganz allgemein den amtlichen und geschäftlichen Verkehr gesetzlich vorgeschrieben. In einigen Ländern werden daneben weiterhin traditionelle Maßsysteme verwendet. In den USA haben sich SI-Einheiten nur in wissenschaftlichem und technischem Kontext durchgesetzt. In Großbritannien sind die traditionellen Einheiten aus vielen Bereichen zurückgedrängt worden, halten sich aber noch zum Beispiel für Entfernungs- und Temperaturangaben.

Viele Physiker haben lange Zeit an verschiedenen CGS-Einheitensystemen festgehalten, die namentlich im Bereich der Festkörperphysik und der physikalischen Chemie handhabbarere Größenordnungen liefern können (z. B. Dichten von 1 g/cm³ statt 1000 kg/m³) und in der Elektrodynamik (Gaußsches Einheitensystem) ohne elektromagnetische Basiseinheit auskommen. Die Kapazität eines Kondensators wird dann in Zentimeter angegeben, wobei ein Zentimeter ungefähr einem Pikofarad entspricht. Die Abwesenheit einer elektromagnetischen Basiseinheit führte jedoch zu nicht-ganzzahligen Dimensionsexponenten in elektromagnetischen Größen, was das Erkennen physikalischer Zusammenhänge über viele Jahre erschwert hatte. Spätestens in den 1990er Jahren sind die meisten Lehrbücher jedoch auf SI-Einheiten umgestellt worden (eine Ausnahme macht die Theorie der Elektrodynamik).

Siehe auch: Geschichte von Maßen und Gewichten, Alte Maße und Gewichte

SI-Einheiten Im SI sind alle anderen als die sieben Basiseinheiten abgeleitete Einheiten. Beide Einheitengruppen bilden die kohärenten SI-Einheiten, sofern sie nicht zusammen mit SI-Präfixen (wie Kilo oder Milli) verwendet werden. Eine Ausnahme bildet das Kilogramm, das als Basiseinheit bereits mit dem SI-Präfix Kilo versehen ist. Durch Verwendung von SI-Präfixen werden die kohärenten zu nicht kohärenten SI-Einheiten. Die Gesamtheit all dieser Einheiten, also sowohl die kohärenten, als auch die nicht kohärenten SI-Einheiten bildet die „SI-Einheiten“.

Beispiele:

Die Längen-Einheit Meter (m) ist eine SI-Basiseinheit, eine kohärente SI-Einheit und eine SI-Einheit. Die Masse-Einheit Kilogramm (kg) ist eine SI-Basiseinheit, eine kohärente SI-Einheit und eine SI-Einheit. Die Kraft-Einheit Newton (N) ist eine abgeleitete SI-Einheit, eine kohärente SI-Einheit und eine SI-Einheit. Die Kraft-Einheit Kilonewton (kN) ist eine abgeleitete SI-Einheit, eine SI-Einheit, aber keine kohärente SI-Einheit.

Eine SI-Basiseinheit ist immer die kohärente Einheit der zugehörigen Basisgröße. Daneben kann sie auch noch als kohärente Einheit abgeleiteter Größen dienen.

Beispiel:

Der Meter (m) ist die Basiseinheit der Basisgröße Länge. Daneben dient er auch als kohärente abgeleitete Einheit für die Niederschlagsmenge, die als Volumen pro Fläche in m3/m2 = m ausgedrückt wird.

SI-Basiseinheiten


Die Basiseinheiten des SI und die entsprechenden Basisgrößen des zu Grunde liegenden Größensystems ISQ werden nach praktischen Gesichtspunkten willkürlich durch die CGPM festgelegt. Eine SI-Basisgröße kann definitionsgemäß nicht durch andere Basisgrößen ausgedrückt werden. Analog dazu kann eine SI-Basiseinheit nicht als Potenzprodukt anderer Basiseinheiten ausgedrückt werden.

Die Definitionen der Basiseinheiten sind nicht endgültig, sondern werden in ständiger Arbeit mit dem fortschreitenden Stand der Messtechnik sowie nach revidierten prinzipiellen Überlegungen weitergeführt. Im internationalen Größen- bzw. Einheitensystem werden die sieben Basisgrößen durch die Basiseinheiten Meter (m), Kilogramm (kg), Sekunde (s), Ampere (A), Kelvin (K), Mol (mol) und Candela (cd) ausgedrückt und im SI in dieser Reihenfolge definiert. Jeder Basisgröße wird eine Dimension mit demselben Namen zugeordnet. Beispielsweise heißt die Dimension der Basisgröße Länge ebenfalls Länge. Das Symbol zur Größe wird mit einem kursiv geschriebenen Buchstaben „l“ bezeichnet; jenes zur Dimension mit einem aufrecht stehenden, groß geschriebenen Buchstaben „L“. Die praktische Realisierung einer Dimension erfolgt durch eine entsprechende kohärente Einheit − im Falle der Länge durch den Meter.

Basisgröße und Dimensionsname

Größen- symbol

Dimensions-symbol Einheit Einheiten-

zeichen Definition der Einheit

Länge l L Meter m

Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während der Dauer von 1 / 299.792.458 Sekunden zurücklegt.1)

Masse m M Kilogramm kg

Das Kilogramm ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps.

Zeit t T Sekunde s

Das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Caesium-Isotops 133Cs entsprechenden Strahlung.

Stromstärke I oder i I Ampere A

Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von 1 Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend,

5

zwischen diesen Leitern pro Meter Leiterlänge die Kraft 2 × 10−7 Newton hervorrufen würde.2)

Thermodynamische Temperatur T Θ Kelvin K

1 / 273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser genau definierter isotopischer Zusammensetzung.3)

Stoffmenge (Substanzmenge) n N Mol mol

Die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso viel Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoff-Isotops 12C in ungebundenem Zustand enthalten sind.4) Bei Benutzung des Mol müssen die Einzelteilchen spezifiziert sein und können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen sowie andere Teilchen oder Gruppen solcher Teilchen genau angegebener Zusammensetzung sein.

Lichtstärke IV J Candela cd

Die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz.5) 540 × 1012 Hz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1 / 683 Watt pro Steradiant beträgt.

1) Durch diese Definition wurde die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (eine Naturkonstante) c0 auf exakt 299.792.458 m/s (= 299.792,458 km/s) festgelegt. 2) Durch diese Definition wurde die magnetische Konstante (eine Naturkonstante) μ0 auf exakt 4 · π × 10−7 H/m festgelegt. 3) Durch diese Definition wurde die Temperatur des Tripelpunktes des Wassers auf exakt 273,16 K (= 0,01 °C) festgelegt. Das Wasser genau definierter isotopischer Zusammensetzung ist das Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW). Die Beschreibung des Normals erfolgt durch die Internationale Temperaturskala aus dem Jahr 1990 (ITS-90).


Man kann erkennen, dass nur die drei Basiseinheiten Kilogramm, Sekunde und Kelvin unabhängig von anderen Basiseinheiten definiert sind, während die Definitionen der übrigen vier Basiseinheiten Abhängigkeiten zu anderen Basiseinheiten aufweisen:

Meter von Sekunde Mol von Kilogramm Ampere sowie Candela von Meter, Kilogramm und Sekunde

Kohärente SI-Einheiten

Alle anderen physikalischen Größen als die sieben Basisgrößen des ISQ sind abgeleitete Größen. Analog dazu sind alle anderen Einheiten als die sieben Basiseinheiten des SI abgeleitete Einheiten.

Die SI-Einheit einer beliebigen Größe Q (steht für engl. quantity) kann als Produkt aus einem numerischen Faktor und dem Produkt aus Potenzen (Potenzprodukt) der Basiseinheiten ausgedrückt werden:

[Q] = 10n · mα · kgβ · sγ · Aδ · Kε · molζ · cdη

„[Q]“ stellt symbolisch den Ausdruck „die Einheit der Größe Q“ dar, in Übereinkunft der Regeln gemäß dem vom Joint Committee for Guides in Metrology herausgegebenen VIM (International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms).

Der numerische Faktor 10n (mit ganzzahligem n) repräsentiert den SI-Präfix wie Kilo oder Milli. Ist der numerische Faktor gleich eins (also bei n = 0), liegt eine kohärente SI-Einheit vor. Kohärente SI-Einheiten sind demnach die SI-Basiseinheiten und alle kohärenten abgeleiteten SI-Einheiten. Jede physikalische Größe hat nur eine einzige kohärente SI-Einheit und eine entsprechende Dimension. Eine kohärente SI-Einheit wird bei Verwendung eines SI-Präfixes zu einer nicht kohärenten SI-Einheit. Die kohärente Form obiger Einheitengleichung kann auch als entsprechende Dimensionsgleichung dargestellt werden:

dim Q = Lα · Mβ · Tγ · Iδ · Θε · Nζ · Jη

Die Basis jeder Potenz ist in dieser Darstellung die Dimension einer Basisgröße. Der Exponent wird Dimensionsexponent dieser Basisgröße bzw. der entsprechenden Basiseinheit genannt. Jeder Dimensionsexponent α, β, γ, δ, ε, ζ und η ist entweder Null, eine positive oder negative, im Allgemeinen kleine ganze Zahl. „Klein“ bedeutet, dass der Betrag des Exponenten in der Regel kleiner als 10 ist.

Beispiele für kohärente SI-Einheiten (n = 0):

m (α = 1; alle übrigen Dimensionsexponenten gleich 0) als Basiseinheit der Länge m² (α = 2; alle übrigen Dimensionsexponenten gleich 0) als Einheit der Fläche m · s−1 = m/s (α = 1 und γ = −1; alle übrigen Dimensionsexponenten gleich 0) als Einheit der Geschwindigkeit m · kg · s−2 = m·kg/s2 = N (α = 1; β = 1 und γ = −2; alle übrigen Dimensionsexponenten gleich 0) als Einheit der Kraft

4) Durch diese Definition wurde die molare Masse von 12C auf exakt 12 × 10−3 kg/mol (= 12 g/mol) festgelegt. 5) Wellenlänge: ca. 555 nm

7

Beispiele für nicht kohärente SI-Einheiten:

mm (n = −3 ≠ 0)

Ein Vorteil der ausschließlichen Verwendung kohärenter SI-Einheiten in Gleichungen liegt darin, dass keine Umrechnungsfaktoren zwischen Einheiten benötigt werden.

Abgeleitete SI-Einheiten mit besonderem Namen

22 kohärenten abgeleiteten SI-Einheiten wurden eigene Namen und Einheitenzeichen (Symbole) zugeordnet, die selbst wieder mit allen Basis- und abgeleiteten Einheiten kombiniert werden können. So eignet sich zum Beispiel die SI-Einheit der Kraft, das Newton ( = kg·m/s²), um die Einheit der Energie, das Joule als Newton mal Meter (N·m) auszudrücken. Die folgende Tabelle listet diese 22 Einheiten in derselben Reihenfolge wie Tabelle 3 der SI-Broschüre (8. Auflage).

Größe Einheit Einheiten-zeichen

in anderen SI-Einheiten

ausgedrückt

in SI-Basiseinheiten ausgedrückt1)

ebener Winkel Radiant2) rad 1 m0

Raumwinkel Steradiant2), 3) sr 1 m0

Frequenz Hertz Hz 1/s s−1

Kraft Newton N kg·m/s2 m·kg·s−2

Druck Pascal Pa N/m2 m−1·kg·s−2

Energie, Arbeit Joule J N·m m2·kg·s−2

Leistung Watt W J/s m2·kg·s−3

elektrische Ladung Coulomb C A·s s·A

elektrische Spannung (elektrische Potentialdifferenz)

Volt V W/A m2·kg·s−3·A−1

elektrische Kapazität Farad F C/V m−2·kg−1·s4·A2

elektrischer Widerstand Ohm Ω V/A m2·kg·s−3·A−2

elektrischer Leitwert Siemens S 1/Ω m−2·kg−1·s3·A2

magnetischer Fluss Weber Wb V·s = J/A m2·kg·s−2·A−1

magnetische Flussdichte, Induktion

Tesla T Wb/m2 kg·s−2·A−1

Induktivität Henry H Wb/A m2·kg·s−2·A−2

Celsius-Temperatur Grad Celsius4) °C K


Der Grad Celsius darf - aus Sicht des SI - zusammen mit SI-Vorsätzen benutzt werden. Einheitenzeichen wie m°C mögen ungewohnt erscheinen und in der Praxis selten sein; in Deutschland dürfen nach Einheitenrecht Vorsätze nicht auf den Grad Celsius angewendet werden.

Nicht-SI-Einheiten Neben den SI-Einheiten gibt es (vor allem in der Elektrodynamik) noch einige weitere gebräuchliche Einheiten, die nicht zum SI gehören, insbesondere das sogenannte Gaußsche- oder cgs-System.

Schreibweise von Größen, Einheiten und Werten Nationale und Internationale Normen, wie die ISO 1000 oder entsprechende EWG-Richtlinien, haben das SI übernommen. In Deutschland wurden die darin festgelegten Einheiten mit dem Gesetz über Einheiten im Messwesen (Einheitengesetz, 1969) als gesetzliche Einheiten für den amtlichen und geschäftlichen Verkehr eingeführt. Die Ausführungsverordnung zu diesem Gesetz (1970) verweist in ihrer aktuellen Ausgabe auf die Norm DIN 1301-1. Danach gibt es etliche Ausnahmen der Art, dass auch Nicht-SI-Einheiten in Deutschland gesetzlich erlaubte Einheiten sein können, wie z. B. die Millimeter-Quecksilbersäule zur Angabe des Blutdrucks. In der Schweiz heißt diese Einheit „Millimeter Quecksilbersäule“ ohne Bindestrich und ist für die Angabe des Blutdruckes und des Druckes anderer Körperflüssigkeiten zulässig. Aber auch das SI-Regelwerk listet explizit Nicht-SI-Einheiten, deren Verwendung zusammen mit dem SI akzeptiert ist (siehe

Lichtstrom Lumen lm cd·sr cd

Beleuchtungsstärke Lux lx lm/m2 m−2·cd

Radioaktivität Becquerel Bq 1/s s−1

Energiedosis Gray Gy J/kg m2·s−2

Äquivalentdosis Sievert Sv J/kg m2·s−2

katalytische Aktivität Katal5) kat mol/s s−1·mol1) In der Reihenfolge der offiziellen Basiseinheiten-Definitionen (m, kg, s, A, K, mol, cd). 2) Radiant (rad) und Steradiant (sr) kann alternativ statt der Einheit 1 für den ebenen Winkel bzw. für den Raumwinkel verwendet werden, um die Bedeutung des dazugehörigen Zahlenwertes hervorzuheben. Diese beiden Einheiten wurden 1995 (von der 20. CGPM) zu abgeleiteten Einheiten erklärt; davor bildeten sie eine eigene Klasse – die „Ergänzenden Einheiten“. Nach dem Einheitenrecht der Schweiz sind Radiant und Steradiant weiterhin (Stand: Oktober 2007) keine „abgeleiteten“, sondern „ergänzende“ Einheiten. 3) In der Lichttechnik wird der Steradiant üblicherweise ausdrücklich hingeschrieben, also nicht durch 1 ersetzt. 4) Für eine Temperaturdifferenz gilt: 1 °C = 1 K. Für die Umrechnung der Celsius-Temperatur t in die thermodynamische Temperatur T gilt: t/°C = T/K − 273,15 5) Das Katal ist in der Schweiz und in Deutschland keine gesetzliche Einheit und auch nicht in DIN 1301-1, Ausgabe Oktober 2002, genormt.

ISO 1000

Titel SI-Einheiten

Bereich Messtechnik

RegeltSI-Einheiten, Empfehlungen für deren Größenordnungen und einige andere Einheiten

Erscheinungsjahr Aktuelle Fassung: 1992/Amd.1:1998

Nationale Ausgaben DIN 1301-1:2002-10

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Maßeinheit aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Eine Maßeinheit (auch: Größeneinheit) ist eine Größe mit einem eindeutigen (in der Praxis feststehenden, wohldefinierten) Wert, die als Vergleichsgröße zur quantitativen Bestimmung des Wertes anderer Größen der gleichen Art verwendet wird.

Eigenschaften Maßeinheiten können für alle Größenarten definiert werden. Nicht-physikalische Einheiten sind z. B. wahrnehmungsbezogene Größen wie die Tonheit oder Lautheit.

Zur Verdeutlichung der Maßeinheit 1 für dimensionslose Größen werden dieser häufig zusätzliche Namen verliehen, beispielsweise rad oder Steradiant, siehe Hilfsmaßeinheiten, obwohl diese Einheit auch weggelassen werden kann. Für Anteile der Maßeinheit 1 sind z. B. %, ‰ oder ppm (parts per million) gebräuchlich.

Einheitensysteme Einheiten können zu Einheitensystemen zusammengefasst werden, in denen Basiseinheiten definiert werden, aus denen sich durch Ableitung weitere Einheiten ergeben.

Einheitenzeichen Einheitenzeichen werden stellvertretend für die Einheitennamen verwendet. Sie sind meistens lateinische Buchstaben oder Buchstabengruppen, aber auch griechische Buchstaben oder sonstige Zeichen. Für alte Maßeinheiten waren auch Einheitenzeichen gebräuchlich, die keinem Alphabet angehören. Einheitenzeichen werden nicht-kursiv gesetzt – auch dann nicht, wenn der umgebende Text kursiv ist. Bei Maßangaben steht zwischen der Zahl und dem Einheitenzeichen ein Leerzeichen, jedoch kein Zeilenumbruch.

Geschichte In früheren Zeiten wurden Maßeinheiten meistens über Referenzkörper (sogenannte „Maßverkörperungen“) definiert, die die entsprechende Eigenschaft hatten. Gut geeignet sind dazu Längenmaße, Volumen, Massen, die über Metallstäbe, Kugeln oder Hohlgefäße darstellbar sind. An

Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Einheitensysteme 3 Einheitenzeichen 4 Geschichte 5 Beispiele 6 Siehe auch 7 Weblinks


repräsentativer Stelle befestigt, häufig in der Fassade des Rathauses eingemauert, ermöglichte es ein solches Maß jedem, seine eigenen Messgeräte zu kalibrieren. Im Einheitensystem SI ist das Kilogramm derzeit die einzige Maßeinheit, die auf diese Weise definiert ist. Maßeinheiten wurden früher sehr willkürlich und oft ohne Beziehung zueinander, aber nach praktischen Gesichtspunkten, wie Längenabmessungen am menschlichen Körper festgelegt.

Abstraktere Maßeinheiten hatten zu der Zeit im Alltag nur eine untergeordnete Bedeutung. Derartige Einheiten muss man über Messvorschriften definieren, die vergleichsweise einfach mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren sind. Im fachlichen Bereich unterscheidet man jedoch zwischen „Definition“ und „Realisierungsvorschrift“; die geeigneten Realisierungsverfahren unterscheiden sich oft von dem in der Definition festgelegten Verfahren. Welches Verfahren geeignet ist, hängt von den Genauigkeits-Anforderungen ab. Beispielsweise kann für die „Darstellung“ einer Maßeinheit als nationales Normal viel höherer Aufwand betrieben werden als beim Eichen von Handelswaagen. Je nach Genauigkeitsanforderung können auch heute noch verkörperte Maße aktuell sein.

Siehe auch: Geschichte von Maßen und Gewichten

Beispiele Im SI-Einheitensystem ist das Kilogramm definiert durch die Masse des Urkilogramms in Paris (auch Internationaler Prototyp genannt). Alle Massen werden als Vielfache dieser Masse angegeben, z. B. bedeutet die Angabe „5,1 kg“ soviel wie „5,1 mal so große Masse wie die Masse des Urkilogramms in Paris“. Durch Vergleichsmessungen mit nationalen Kopien des Urkilogramms hat man festgestellt, dass es mit der Zeit Masse verliert, was natürlich nicht im Sinne der Erfinder lag. Wissenschaftler in aller Welt suchen nun nach einer exakt reproduzierbaren Darstellungsweise des Kilogramms durch Teilchenzählung.

Die Geschwindigkeitseinheit Meter/Sekunde ist im SI eine von den Basiseinheiten Meter und Sekunde abgeleitete Einheit. Hingegen ist die Geschwindigkeitseinheit Mach nicht von anderen Einheiten abgeleitet und nicht in ein Einheitensystem eingebunden; als Pendant im SI kann die Mach-Zahl - sie hat die Dimension 1 - benutzt werden. Man sagt dann: "Die Mach-Zahl beträgt 1,25" statt: "Die Geschwindigkeit ist Mach 1,25".

Weitere Beispiele von Einheiten, von denen einige veraltet sind:

Einheitenzeichen Einheitenname

a Jahr

a Ar

A Ampere

Å Ångström

Ein öffentliches Längenmaß als Referenzkörper am Altstadt-Rathaus von Braunschweig

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a acre

AE Astronomische Einheit

asb Apostilb

at technische Atmosphäre

atm physikalische Atmosphäre

b Barn

bar Bar

bl barrel

Bq Becquerel

BRT Bruttoregistertonne

bsh, bu bushel

BTU British thermal unit

C Coulomb

°C Grad Celsius

cal Kalorie

cd Candela

ch chain

Ci Curie

cm Zentimeter

cwt.l long hundredweight

cwt.sh short hundredweight

d Tag

dr.av dram

dr.tr., dr.ap auch drachm

dwt pennyweight

dyn Dyn

erg Erg

eV Elektronenvolt

F Farad

°F Grad Fahrenheit

fl.dr fluid dram

fl.oz fluid ounce

fm Fermi, Femtometer


fm. fathom

ft (') Fuß (Einheit)

ft.lb foot-pound

fur furlong

G Gauß

g Gramm

gal Gallone

gi gill

gr grain

Gy Gray

h Stunde

H Henry

ha Hektar

hl Hektoliter

hp horsepower

hph horsepower-hour

Hz Hertz

in ('') Zoll/inch

J Joule

K Kelvin

kbl cable length

kg Kilogramm

km² Quadratkilometer

kWh Kilowattstunde

l, L Liter

L Langmuir

lb pound

lb.p.sq.ft pound per square foot

lb.p.sq.in pound per square inch

lb.t, lb.at pound

li link

Lj, ly Lichtjahr

lm Lumen

13

lmh Lumenstunde

lx Lux

m Meter

M Maxwell

M Molarität

min Minute

min minimum

mkp Meterkilopond

mmHg Millimeter-Quecksilbersäule

mmWS Millimeter Wassersäule

mol Mol

N Newton

n.m nautical mile

Oe Oersted

oz ounce

oz.ap ounce

°P Grad Plato/Stammwürze

p Pond

Pa Pascal

Pc Parsec

ph Phot

pk peck

ppb parts per billion

ppm parts per million

PS Pferdestärke

psi pound per square inch

pt pint

qr quarter

qr.l long quarter

qr.sh short quarter

qt quart

rad Rad

rd rod


Beispiele von alten Einheiten:

Pferdestärke (PS): Leistung, die benötigt wird, um 75 kg im Schwerefeld der Erde in einer Sekunde einen Meter zu heben. Torr (bzw. mm Hg): Druck, der einer Quecksilbersäule von 1 mm entspricht Kilopond (kp): Gewichtskraft der Masse 1 kg im Schwerefeld der Erde

Siehe auch das Maß

rem Rem

rm Raummeter

ro rood

s Sekunde

S Siemens

s.ap scruple

sb Stilb

st stone

stat.mi statute mile

Sv Sievert

T Tesla

t Tonne

t.l long ton

t.sh short ton

tn.p.sq.in long ton per square inch

tn.sh.p.sq.in short ton per square inch

Torr Torr

u units - atomare Masseneinheit

V Volt

VA Voltampere

var Var

W Watt

Wb Weber

yd yard

μ Mikron

Ω Ohm

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Vorsätze für Maßeinheiten aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Vorsätze für Maßeinheiten, auch Einheitenvorsätze, Einheitenpräfixe oder kurz Präfixe oder Vorsätze genannt, dienen dazu, Vielfache oder Teile von Maßeinheiten zu bilden, um Zahlen mit vielen Stellen zu vermeiden.

SI-Präfixe Die SI-Präfixe basieren auf Zehnerpotenzen mit ganzzahligen Exponenten und werden im Internationalen Einheitensystem (SI) und darüber hinaus verwendet. Es wird – ebenso wie bei Einheiten – zwischen ihrem Namen und ihrem Symbol (Zeichen) unterschieden.

Die SI-Präfixe sind laut DIN 1301 folgendermaßen definiert:

Inhaltsverzeichnis 1 SI-Präfixe 2 Einheitenvorsätze für binäre Vielfache3 Kontext 4 Weblinks 5 Quellen

Symbol Name Ursprung Wert

Y Yotta ital. otto = acht

(103)8 = 1024

1.000.000.000.000.000.000.000.000 Quadrillion

Z Zetta ital. sette = sieben

(103)7 = 1021

1.000.000.000.000.000.000.000 Trilliarde

E Exa

gr. exa: über alles / gr. εξάκις, hexákis = sechsmal

(103)6 = 1018

1.000.000.000.000.000.000 Trillion

P Peta

gr. petanünnein: alles umfassen / gr. πεντάκις, pentákis = fünfmal

(103)5 = 1015

1.000.000.000.000.000 Billiarde

T Teragr. τέρας, téras = Ungeheuer / τετράκις,

(103)4 =

1.000.000.000.000 Billion

[1]

Gesichtet (+/−)


tetrákis = viermal

1012

G Giga gr. γίγας, gígas = Riese

(103)3 = 109 1.000.000.000 Milliarde

M Mega gr. μέγα, méga = groß

(103)2 = 106 1.000.000 Million

k Kilogr. χίλιοι, chílioi = tausend

(103)1 = 103 1.000 Tausend

h Hektogr. εκατόν, hekatón = hundert

102 100 Hundert

da Deka gr. δέκα, déka = zehn 101 10 Zehn

Einheit 100 1 Eins

d Dezi lat. decimus = zehnter 10−1 0,1 Zehntel

c Zenti lat. centesimus = hundertster 10−2 0,01 Hundertstel

m Milli lat. millesimus = tausendster

(10−3)1 = 10−3

0,001 Tausendstel

μ Mikro gr. μικρός, mikrós = klein

(10−3)2 = 10−6

0,000.001 Millionstel

n Nanogr. νάνος, nános und ital. nano = Zwerg

(10−3)3 = 10−9

0,000.000.001 Milliardstel

p Piko ital. piccolo = klein

(10−3)4 = 10−12

0,000.000.000.001 Billionstel

f Femtoskand. femton/femten = fünfzehn

(10−3)5 = 10−15

0,000.000.000.000.001 Billiardstel

a Atto skand. atten = achtzehn

(10−3)6 = 10−18

0,000.000.000.000.000.001 Trillionstel

z Zeptolat. septem = (10−3)

0,000.000.000.000.000.000.001 Trilliardstel

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Die Zeichen für Teile einer Einheit werden als Kleinbuchstaben geschrieben, während die meisten Zeichen für Vielfache einer Einheit als Großbuchstaben geschrieben werden. Ausnahmen von dieser Systematik sind aus historischen Gründen die Zeichen für Deka (da), Hekto (h) und Kilo (k).

Für die Verwendung der SI-Präfixe gelten folgende Regeln:

Die Einheitenvorsatzzeichen werden wie die Einheitenzeichen in aufrechter (nicht kursiver) Schrift geschrieben, unabhängig von der Schriftart des umgebenden Textes. Einheitenvorsatzzeichen und Einheitenvorsatznamen können nicht alleine, sondern nur zusammen mit Einheitenzeichen und Einheitennamen verwendet werden. Auf die abgeleitete SI-Einheit 1 (für dimensionslose Größen) werden keine Vorsätze angewendet. Auf das Kilogramm werden keine Vorsätze angewendet; stattdessen geht man vom Gramm aus. Zwischen Einheitenvorsatzzeichen und Einheitenzeichen wird kein Zwischenraum geschrieben. Die Zusammensetzung aus Einheitenvorsatzzeichen und Einheitenzeichen bildet ein neues, untrennbares Einheitenzeichen, das ein Vielfaches oder einen Teil der betreffenden Einheit bezeichnet. Bei der Potenzierung gilt der Exponent für das Vorsatzzeichen mit, Beispiel: 1 cm2 = (10−2 m)2 = 10−4 m2 und nicht 10−2 (m2). Der Name eines Einheitenvorsatzes bildet mit dem zugehörigen Einheitennamen ein zusammengesetztes Wort, z. B. „Millimeter“, „Megagramm“. Die Aneinanderreihung mehrerer Einheitenvorsatznamen oder Einheitenvorsatzzeichen ist nicht zulässig. Einheitenvorsätze werden nicht mit den Zeiteinheiten Minute (min), Stunde (h) und Tag (d) verwendet. (Vermeidung von Verwechslungen: „cd“ könnte 1/100 Tag oder Candela bedeuten.) Weitere Einschränkungen enthält das deutsche Einheitenrecht. In manchen Fällen lassen sich nur durch Verwendung von Klammern oder Multiplikationspunkten Mehrdeutigkeiten vermeiden. Beispiel: Soll die aus Newton und Meter multiplikativ zusammengesetzte Einheit Newtonmeter (Nm) mit vertauschten Faktoren gebildet werden – Meternewton (m·N) –, schließt der Multiplikationspunkt eine Verwechslung mit Millinewton (mN) aus.

Umgangssprachlich wird häufig „Kilo“ als Abkürzung für „Kilogramm“ (kg) verwendet. Im Österreichischen wird die Abkürzung „Deka“ alleine umgangssprachlich nahezu ausschließlich für die Masseeinheit „Dekagramm“ (Einheitenzeichen: dag) verwendet.

Bis 1960 waren in Frankreich die Vorsätze „Myria“ (gr. μύριοι, mýrioi = zehntausend) mit dem Zeichen „ma“ für das 10+4-fache und „dimi“ mit Zeichen „dm“ für das 10−4-fache genormt.

Früher war auch die Vorsilbe Myrio für das 10-4-fache üblich

Früher waren in Deutschland auch das Symbol „D“ und in Großbritannien „dk“ für „Deka“ üblich, in Österreich war noch Mitte der 1950er Jahre das Zeichen „dk“ hierfür gesetzlich.

sieben 7 = 10−21

y Yokto lat. octo = acht

(10−3)8 = 10−24

0,000.000.000.000.000.000.000.001 Quadrillionstel


In DIN 1301 Teil 1 vom Dezember 1993 wurde der SI-Vorsatz „Yokto“ mit „c“ geschrieben; diese Schreibweise wurde in der Ausgabe vom Oktober 2002 in das gesetzliche „Yokto“ korrigiert.

Einheitenvorsätze für binäre Vielfache In der Datenverarbeitung werden Anzahlen von Bits und Bytes je nach Verwendungszweck häufig als binäre Vielfache (Vielfache von Zweierpotenzen, z. B. 210, 220, 230 usw.) angegeben. Die für die Normung in der Elektrotechnik zuständige International Electrotechnical Commission hat für die Bezeichnung dieser Zweierpotenzen in der Norm IEC 60027-2 besondere, an die SI-Einheiten angelehnte, Binärpräfixe definiert (z. B. 210 B = 1 KiB [Kibibyte], 220 B = 1 MiB [Mebibyte] usw.). Das für die SI-Präfixe zuständige Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) empfiehlt ebenfalls die Anwendung dieser Norm und rät von einer nicht standardkonformen Verwendung der SI-Präfixe ausdrücklich ab.

Dennoch werden immer noch häufig normwidrig die nächstliegenden SI-Präfixe verwendet, z. B. 1 kB = 210 B = 1024 B, 1 Mbit = 220 bit = 1 048 576 bit. Statt des Kleinbuchstabens „k“ wird zur Bezeichnung von 1024 Einheiten auch der Großbuchstabe „K“ geschrieben und als „kah“ gesprochen, was ebenfalls nicht korrekt ist, da „K” bereits für Kelvin vergeben ist.

Siehe auch: Einheiten für große Mengen Bytes

Kontext Internationales Einheitensystem (SI) Maßeinheit Binärpräfixe Wissenschaftliche Notation Zahlennamen

Siehe auch: Femtozelle beschreibt eine Funkzelle im Mobilfunk.

Weblinks Das internationale Einheitensystem – SI – Information der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (http://www.ptb.de/de/wegweiser/einheiten/si/) The International System of Units (SI) – Informationen des BIPM zum internationalen Einheitensystem (http://www.bipm.org/en/si/) BIPM SI prefixes Informationen des NIST zu SI-Präfixen – engl. (http://physics.nist.gov/cuu/Units/prefixes.html) NIST IEEE Information for Authors, Appendix I „Table of Units and Quantity Symbols“ – engl. – pdf (http://www.ieee.org/portal/cms_docs/pubs/transactions/auinfo03.pdf) Weitere, nicht standardisierte Präfixe von 10−64 über 1063 – Tabelle (http://www.mg4.de/mggoogol.htm)

Quellen

1. ↑ BIPM – SI-Broschüre, 8. Auflage, März 2006, Abschnitt 3.1: SI-Präfixe. [1] (http://www.bipm.org/en/si/si_brochure/chapter3/prefixes.html)

2. ↑ BIPM – SI-Broschüre, 8. Auflage, März 2006, Abschnitt 3.1: SI-Präfixe. Randnotiz. http://www.bipm.org/en/si/si_brochure/chapter3/prefixes.html]

[2]

19

Elementarladung aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die Elementarladung ist die kleinste frei existierende elektrische Ladung. Der Wert dieser physikalischen Naturkonstanten wird meistens mit e bezeichnet und beträgt gemäß der aktuellen vom NIST publizierten CODATA 2006 -Empfehlung

e = 1,602 176 487 (40) × 10-19 C

wobei C für die Maßeinheit Coulomb steht, 1 C = 1 A . 1 s.

Positive wie negative Ladungen treten stets als ganzzahlige Vielfache der Elementarladung auf. Ein Elektron hat die Ladung −e. Ein Proton hat die Ladung +e. Die Quarks des Standardmodells besitzen zwar Ladungen von e/3 oder 2e/3, werden aber nur in Kombinationen beobachtet, die insgesamt ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung haben. In der Welt der Superstringtheorien sind noch weitergehende Unterteilungen der Elementarladung möglich.

Der Wert der Elementarladung ist maßgeblich für die Stärke der Elektromagnetischen Wechselwirkung. Genauer gesagt fließen – neben im SI-System fixen Größen – die Elementarladung und das Plancksche Wirkungsquantum in die Feinstrukturkonstante, die Kopplungskonstante der elektromagnetischen Wechselwirkung, ein.

Experimentell wurde die Größe der Elementarladung erstmals präzise von dem Physiker Robert Andrews Millikan in dem nach ihm benannten Öltröpfchenversuch bestimmt. Unter anderem für diese Arbeit erhielt Millikan 1923 den Nobelpreis. Moderne Bestimmungen der Feinstrukturkonstanten und damit der Elementarladung bedienen sich z. B. des Quanten-Hall-Effektes.

Berechnung der Elementarladung Die Elementarladung kann unter anderem durch Division der Faraday-Konstante durch die Avogadro-Konstante ermittelt werden. (Siehe auch: Elektrochemie)

Quellen

1. ↑ CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants (http://physics.nist.gov/constants) 2006

2. ↑ NIST: The fine-structure constant and quantum Hall effect (http://physics.nist.gov/cuu/Constants/alpha.html)

Weblinks

Wiktionary: Elementarladung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants (http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html) beim NIST

[1]

[2]


Die Permittivität ε (v. lat.: permittere = erlauben, überlassen, durchlassen), auch dielektrische Leitfähigkeit, gibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder an. Auch dem Vakuum ist eine Permittivität zugewiesen, da sich im Vakuum auch elektrische Felder einstellen oder elektromagnetische Felder ausbreiten können.

Die Permittivitätszahl (relative Permittivität) εr = ε/ε0 ist das Verhältnis von ε zu der elektrischen Feldkonstante ε0 (Permittivität des Vakuums). Die dimensionslose Größe εr kennzeichnet die feldschwächenden Effekte der dielektrischen Polarisation innerhalb elektrisch isolierender Materialien und hängt eng mit der elektrischen Suszeptibilität χ zusammen.

Die Bezeichnung Dielektrizitätskonstante für Permittivität gilt als veraltet und sollte nicht mehr verwendet werden.

Erläuterung der Permittivität am Beispiel isolierender Stoffe

Physikalische Größe

Name dielektrische Leitfähigkeit oder Permittivität

Größenart Tensor

Formelzeichen der Größe

Größen- und Einheitensystem Einheit Dimension

SI

M−1·L−3·T4·I2

Inhaltsverzeichnis 1 Erläuterung der Permittivität am Beispiel isolierender Stoffe 2 Permittivität des Vakuums 3 Einheit der Permittivität 4 Relative Permittivität

4.1 Relative Permittivität in kristallinen Strukturen 4.2 Frequenzabhängigkeit der relativen Permittivität 4.3 Komplexwertige relative Permittivität 4.4 Temperaturabhängigkeit

5 Relative Permittivität ausgewählter Materialien 6 Verallgemeinerungen zur Dispersion, Richtungsabhängigkeit und Magnetfeld 7 Siehe auch 8 Einzelnachweise 9 Literatur

Permittivität aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

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Als Permittivität bezeichnet man eine Materialeigenschaft elektrisch isolierender, polarer oder unpolarer Stoffe, die auch Dielektrika genannt werden. Diese Eigenschaft äußert sich bei der Beaufschlagung der Stoffe mit elektrischen Feldern, wie zum Beispiel in einem Kondensator. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes an einen mit Material gefüllten Kondensator orientieren sich die Ladungsträger des Isolationsmaterials am elektrischen Feldvektor und bilden ein Polarisationsfeld, das dem äußeren Feld entgegenwirkt und dieses schwächt. Dieses Phänomen der Feldschwächung lässt sich bei Annahme eines gegebenen elektrischen Erregungsfeldes dadurch beschreiben, dass dem isolierenden Material ein Faktor εr zur elektrischen Feldkonstante ε0 (Permittivität des Vakuums) zugewiesen wird. Aus der äußeren elektrischen Erregung D, auch als elektrische Flussdichte bezeichnet, ergibt sich das elektrische Feld E mit der Permittivität ε zu:

Man sieht, dass bei gleicher elektrischer Erregung D und steigenden Werten von εr die elektrische Feldstärke E abnimmt. Auf diese Weise wird der feldschwächende Effekt bei gleicher elektrischer Erregung erfasst, d. h. bei vorgegebener elektrischer Flußdichte oder vorgegebener elektrischer Ladung. Unter der Einwirkung einer an den Kondensatorplatten angelegten fixen Spannung U und dem elektrischen Feld E=U/d (Plattenabstand d) ergibt sich die elektrische Erregung D mit der Permittivität ε zu:

Die elektrische Suszeptibilität χ ist mit der relativen Permittivität über:

verknüpft. Die Suszeptibilität ist dabei ein Maß für die im Isolationsmaterial Dichte gebundener Ladungsträger bezogen auf die Dichte freier Ladungsträger. Mehr dazu steht im Beitrag elektrische Suszeptibilität.

In der Elektrodynamik und auch in der Elektrostatik wird die Permittivität zur Beschreibung der o. a. Phänomene als Proportionalitätsfaktor im Zusammenhang zwischen elektrischer Erregung und elektrischer Feldstärke verwendet:

In Materie stellt diese Gleichung nur die niedrigste Ordnung eines im allgemeinen nichtlinearen Zusammenhangs dar: Im Falle großer Feldstärken fasst man entweder die Permittivität als feldstärkeabhängig auf und schreibt ε(E), oder man führt neben ε=ε(1) weitere Taylor-Koeffizienten ein, ε(2) usw., die die Feldstärkeabhängigkeit von D beschreibt:

Im Vakuum als Referenzmaterial eines Isolierstoffes gilt die relative Permittivität


Die Permittivität ist ein Proportionalitätsfaktor zwischen der Raumladungsdichte ρ und der zweiten partiellen Ableitung des Potenzialfelds Φ. Sie lässt sich aus der Poisson-Gleichung der Elektrostatik errechnen.

Permittivität des Vakuums Die Permittivität des Vakuums ε0 heißt auch elektrische Feldkonstante, entsprechend dem derzeitigen deutschsprachigen Entwurf des Internationalen Größensystems. Weitere Bezeichnungen lauten:

elektrische Konstante (vor allem aus der Übersetzung der im englischen Sprachraum allgemein üblichen Bezeichnung electric constant) Dielektrizitätskonstante des Vakuums (nicht mehr empfohlen) Influenzkonstante (veraltet)

Im Vakuum besteht zwischen der Permeabilität μ0, der Permittivität des Vakuums ε0 und der Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 folgender von Maxwell vorhergesagte und 1857 von Wilhelm Eduard Weber und Rudolf Kohlrausch experimentell bestätigte Zusammenhang:

.

Mit den (durch Definition) exakt bekannten Naturkonstanten und

sowie der Kreiszahl Pi mit π = 3,141592654..., lässt sich daraus die

Permittivität des Vakuums mit beliebiger Genauigkeit berechnen:

Dieser Wert gilt in erster Näherung auch für Luft, da sich Luft nur geringfügig polarisieren lässt. Neben dem Coulomb-Gesetz, dem ampèreschen Gesetz und dem faradayschen Induktionsgesetz stellt dieser Zusammenhang eine weitere Verknüpfung elektromagnetischer und mechanischer Einheiten dar, die bei der Wahl eines elektromagnetischen Einheitensystems zu berücksichtigen ist.

Einheit der Permittivität In Einheitensystemen, die die elektromagnetischen Größen explizit auf mechanische Basisgrößen zurückführen, namentlich den verschiedenen Varianten des CGS-Einheitensystems, wird ε0 als dimensionslose Zahl gewählt:

23

somit die relative Permittivität bei Temperaturerhöhung.

Relative Permittivität ausgewählter Materialien

Tabellierte, umfassende Übersichten frequenz- und temperaturabhängiger, komplexer relativer Permittivitäten vieler Materialien finden sich in und vor allem in

Verallgemeinerungen zur Dispersion, Richtungsabhängigkeit und Magnetfeld Aus den Maxwell-Gleichungen folgt ein Zusammenhang zwischen der Brechzahl, der elektrischen Permittivität und der magnetischen Permeabilität,

Hier sind ε und μ bei der einschlägigen optischen Frequenz (größenordnungsmäßig im Bereich 1015 Hz) gemeint. Für gasförmige, flüssige und feste Materie ist εr größer eins. Allerdings gibt es in anderen Materiezuständen, z. B. im Plasma (sog. „vierter Aggregatzustand“), auch Werte, die kleiner

Relative Permittivität einiger Stoffe bei 18 °C und einer Frequenz von 50 Hz, sofern nicht anders angegeben

Medium εr Medium εr

Vakuum 1,0 Luft 1,00059

Acrylbutadienstyrol (ABS) (30 °C) 4,3 Aluminiumoxid (Tonerde) 7

Ammoniak (0 °C) 1,007 Bariumtitanat 103–104

Benzol 2,28 Trockene Erde 3,9

Feuchte Erde 29 Glas 6–8

Glycerin 42,5 Gummi 2,5–3

darrtrockenes Holz 2–3,5 Kaliumchlorid 4,94

Metallkontakte an speziellen Keramiken bis 10.000 Methanol 32,6

Petroleum 2 Polyethylen (PE) (90 °C) 2,4

Polypropylen (PP) (90 °C) 2,1 Porzellan 2–6

Propanol 18,3 Paraffin 2,2

Papier 1–4 Polytetrafluorethylen (PTFE oder auch Teflon) 2

Pertinax FR4 (Epoxidharz) 4,3–5,4 Polystyrol-Schaum (Styropor ® BASF) 1,03

Tantalpentoxid 27 Wasser 80,1

Wasser (f = 2,54 GHz) 77 Wasser (sichtbarer Bereich) 1,77

Eis (−20 °C) ≈ 100 Eis (−20 °C, f > 100 kHz) 3,2

[1] [2]


25

Kapitel 2

Grundlagen der Elektrotechnik

Elektrotechnik aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Physik, der sich ingenieurwissenschaftlich mit der Forschung und der technischen Entwicklung sowie der Produktionstechnik von Geräten oder Verfahren befasst, die zumindest anteilig auf elektrischer Energie beruhen. Hierzu gehört der Bereich der Wandler, elektrischen Maschinen, Bauelemente sowie Schaltungen für die Steuer-, Mess-, Regelungs-, Nachrichten- und Computertechnik bis hin zur technischen Informatik.

Aufgabengebiete Die klassische Einteilung der Elektrotechnik war die Starkstromtechnik, die heute in der Energietechnik und der Antriebstechnik auftaucht und die Schwachstromtechnik, die sich zur Nachrichtentechnik formierte. Als weitere Gebiete kamen die elektrische Messtechnik und die Regelungstechnik sowie die Elektronik hinzu. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei vielfach fließend. Mit zunehmender Verbreitung der Anwendungen ergaben sich zahllose weitere Spezialisierungsgebiete. In unserer heutigen Zivilisation werden fast alle Abläufe und Einrichtungen elektrisch betrieben oder laufen unter wesentlicher Beteiligung elektrischer Geräte und Steuerungen.

Energietechnik

Energietechnik (früher Starkstromtechnik) befasst sich mit Gewinnung, Übertragung und Umformung elektrischer Energie und auch der Hochspannungstechnik. Elektrische Energie wird in den meisten Fällen durch Wandlung aus mechanisch-rotorischer Energie mittels Generatoren erzeugt. Zur klassischen Starkstromtechnik gehören außerdem der Bereich der Verbraucher elektrischer Energie sowie die Antriebstechnik.

Antriebstechnik

Antriebstechnik, früher ebenfalls als „Starkstromtechnik“ betrachtet, setzt elektrische Energie mittels elektrischer Maschinen in mechanische Energie um. Klassische elektrische Maschinen sind

Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabengebiete

1.1 Energietechnik 1.2 Antriebstechnik 1.3 Nachrichtentechnik 1.4 Elektronik 1.5 Automatisierungstechnik 1.6 Theoretische Elektrotechnik

2 Geschichte, Entwicklungen und Personen der Elektrotechnik3 Elektrotechnik als Studienfach 4 Siehe auch 5 Literatur 6 Weblinks

Übertragungsleitung

Elektrotechnik aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Physik, der sich ingenieurwissenschaftlich mit der Forschung und der technischen Entwicklung sowie der Produktionstechnik von Geräten oder Verfahren befasst, die zumindest anteilig auf elektrischer Energie beruhen. Hierzu gehört der Bereich der Wandler, elektrischen Maschinen, Bauelemente sowie Schaltungen für die Steuer-, Mess-, Regelungs-, Nachrichten- und Computertechnik bis hin zur technischen Informatik.

Aufgabengebiete Die klassische Einteilung der Elektrotechnik war die Starkstromtechnik, die heute in der Energietechnik und der Antriebstechnik auftaucht und die Schwachstromtechnik, die sich zur Nachrichtentechnik formierte. Als weitere Gebiete kamen die elektrische Messtechnik und die Regelungstechnik sowie die Elektronik hinzu. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei vielfach fließend. Mit zunehmender Verbreitung der Anwendungen ergaben sich zahllose weitere Spezialisierungsgebiete. In unserer heutigen Zivilisation werden fast alle Abläufe und Einrichtungen elektrisch betrieben oder laufen unter wesentlicher Beteiligung elektrischer Geräte und Steuerungen.

Energietechnik

Energietechnik (früher Starkstromtechnik) befasst sich mit Gewinnung, Übertragung und Umformung elektrischer Energie und auch der Hochspannungstechnik. Elektrische Energie wird in den meisten Fällen durch Wandlung aus mechanisch-rotorischer Energie mittels Generatoren erzeugt. Zur klassischen Starkstromtechnik gehören außerdem der Bereich der Verbraucher elektrischer Energie sowie die Antriebstechnik.

Antriebstechnik

Antriebstechnik, früher ebenfalls als „Starkstromtechnik“ betrachtet, setzt elektrische Energie mittels elektrischer Maschinen in mechanische Energie um. Klassische elektrische Maschinen sind

Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabengebiete

1.1 Energietechnik 1.2 Antriebstechnik 1.3 Nachrichtentechnik 1.4 Elektronik 1.5 Automatisierungstechnik 1.6 Theoretische Elektrotechnik

2 Geschichte, Entwicklungen und Personen der Elektrotechnik3 Elektrotechnik als Studienfach 4 Siehe auch 5 Literatur 6 Weblinks

Übertragungsleitung

26 2 Grundlagen der Elektrotechnik

Synchron-, Asynchron- und Gleichstrommaschinen, wobei vor allem im Bereich der Kleinantriebe viele weitere Typen bestehen. Aktueller ist die Entwicklung der Linearmotoren, die elektrische Energie direkt in mechanisch-lineare Bewegung umsetzen, ohne "Umweg" über Rotationsbewegung. Antriebstechnik spielt eine große Rolle in der Automatisierungstechnik, da hier oft eine Vielzahl von Bewegungen mit elektrischen Antrieben zu realisieren sind. Für die Antriebstechnik wiederum spielt Elektronik eine große Rolle; zum einen für die Steuerung und Regelung der Antriebe, zum anderen werden Antriebe oft mittels Leistungselektroniken mit elektrischer Energie versorgt. Auch hat sich der Bereich der Lastspitzenreduzierung und Energieoptimierung im Bereich der Elektrotechnik erheblich weiterentwickelt.

Nachrichtentechnik

Mit Hilfe der Nachrichtentechnik, auch Informations- und Kommunikationstechnik (früher Schwachstromtechnik) genannt, werden mittels elektrischer Impulse oder elektromagnetischer Wellen Informationen von einer Informationsquelle (dem Sender) zu einem oder mehreren Empfängern (der Informationssenke) übertragen. Dabei kommt es darauf an, die Informationen so verlustarm zu übertragen, dass sie beim Empfänger erkannt werden können. (Siehe auch Hochfrequenztechnik, Amateurfunk.) Wichtiger Aspekt der Nachrichtentechnik ist die Signalverarbeitung, zum Beispiel mittels Filterung, Kodierung oder Dekodierung.

Elektronik

Die Elektronik befasst sich mit der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von elektronischen Bauelementen wie zum Beispiel Kondensatoren und Spulen oder Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren. Die Mikroelektronik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise. Die Entwicklung der Leistungshalbleiter (Leistungselektronik) spielt in der Antriebstechnik eine immer größer werdende Rolle, da Frequenzumrichter die elektrische Energie wesentlich flexibler bereitstellen können, als dieses beispielsweise mit Transformatoren möglich ist.

Die Digitaltechnik lässt sich insoweit der Elektronik zuordnen, als die klassische Logikschaltung aus Transistoren aufgebaut ist. Andererseits ist die Digitaltechnik auch Grundlage vieler Steuerungen und damit der Automatisierungstechnik verbunden. Die Theorie ließe sich auch der theoretischen Elektrotechnik zuordnen.

Automatisierungstechnik

In der Automatisierungstechnik werden mittels Methoden der Mess-, Steuerungs-, Regelungs- (zusammenfassend MSR-Technik genannt) einzelne Arbeitsschritte eines Prozesses automatisiert bzw. überwacht. Heute wird üblicherweise die MSR-Technik durch Digitaltechnik gestützt. Eines der Kerngebiete der Automatisierungstechnik ist die Regelungstechnik. Regelungen sind in vielen technischen Systemen enthalten. Beispiele sind die Regelung von Industrierobotern, Autopiloten in Flugzeugen und Schiffen, Drehzahlregelungen in Motoren, die Stabilitätskontrolle (ESP) in Automobilen, die Lageregelung von Raketen und die Prozessregelungen chemischer Anlagen. Einfache Beispiele des Alltags sind die Temperaturregelungen in Bügeleisen und Kühlschränken. (Siehe auch Sensortechnik.)

Theoretische Elektrotechnik

Integrierter Schaltkreis

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Die Basis der Theorie und Bindeglied zur Physik der Elektrotechnik sind die Erkenntnisse aus der Elektrizitätslehre. Die Theorie der Schaltungen befasst sich mit den Methoden der Analyse von Schaltungen aus passiven Bauelementen. Aufgebaut auf den Maxwellschen Gleichungen ist die Theorie der Felder und Wellen, kurz: die Theoretische Elektrotechnik.

Geschichte, Entwicklungen und Personen der Elektrotechnik Die Anfänge der Elektrotechnik sind sicher in der Physik zu suchen, die sich aber spätestens zur Zeit von George Westinghouse und Werner von Siemens zu einer eigenen Disziplin entwickelt hat. Im Anfang standen Entdeckungen rund um die Elektrizität. 1752 erfand Benjamin Franklin den Blitzableiter und veröffentlichte 1751-53 die Resultate seiner Experiments and Observations on Electricity. 1792 machte Luigi Galvani sein legendäres Froschschenkel-Experiment. Von diesen Experimenten angeregt, baute Alessandro Volta

um 1800 die so genannte Volta'sche Säule, eine erste funktionierende Batterie. 1820 machte Hans Christian Ørsted Versuche zur Ablenkung einer Magnetnadel durch elektrischen Strom. André MarieAmpère führte diese Experimente weiter und wies 1820 nach, dass zwei stromdurchflossene Leiter eine Kraft aufeinander ausüben. Ampère erklärte den Begriff der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes und legte die Stromrichtung fest.

Michael Faraday leistete einen großen Beitrag auf dem Gebiet der elektrischen und magnetischen Felder, von ihm stammt auch der Begriff der "Feldlinie". Die Erkenntnisse Faradays waren die Grundlage für James Clerk Maxwells Arbeiten. Er vervollständigte die Theorie des Elektromagnetismus zur Elektrodynamik und deren mathematische Formulierung. Die Quintessenz seiner Arbeit, die 1864 veröffentlichten maxwellschen Gleichungen sind eine der grundlegenden Theorien in der Elektrotechnik.

Philipp Reis erfindet 1860 am Institut Garnier in Friedrichsdorf das Telefon und damit die elektrische Sprachübermittlung. Allerdings wurde seiner Erfindung keine große Beachtung geschenkt, so dass erst 1876 Alexander Graham Bell in den USA das erste wirtschaftlich verwendbare Telefon konstruierte und auch erfolgreich vermarktete.

Zu den Wegbereitern der "Starkstromtechnik" gehört Werner von Siemens, der 1866 mittels des dynamoelektrischen Prinzips den ersten elektrischen Generator entwickelte. Elektrische Energie war das erste Mal in großer, nutzbarer Menge vorhanden. 1879 erfand Thomas Alva Edison die Kohlefadenglühlampe und brachte damit das elektrische Licht zu den Menschen. In der Folge hielt Elektrizität Einzug in immer größere Bereiche des Lebens. Zur gleichen Zeit wirkten Nikola Tesla und Michail von Dolivo-Dobrowolsky, die Pioniere des Wechselstroms waren und durch ihre bahnbrechenden Erfindungen die Grundlagen der heutigen Energieversorgungssysteme schufen.

Erasmus Kittler begründete 1883 an der TH Darmstadt (heute TU Darmstadt) den weltweit ersten Studiengang für Elektrotechnik. Der Studiengang dauerte vier Jahre und schloss mit einer Prüfung zum Elektrotechnik-Ingenieur ab. 1885 und 1886 folgten das University College London (UK) und die University of Missouri (USA), die weitere eigenständige Lehrstühle für Elektrotechnik einrichteten. Die so ausgebildeten Ingenieure waren erforderlich, um eine

Luigi Galvani Werner von

Siemens

James Clerk Maxwell

Nikola Tesla


großflächige Elektrifizierung zu ermöglichen.

Heinrich Rudolf Hertz gelang 1884 der experimentelle Nachweis der Maxwellschen Gleichungen. Er wies die Existenz elektromagnetischer Wellen nach, er ist somit der Begründer der Grundlagen der drahtlosen Informationsübertragung und damit auch der Nachrichtentechnik.

1896 führt Guglielmo Marconi über 3 km die weltweit erste drahtlose Funkübertragung aus. Basierend auf seinen Arbeiten sind ab 1900 erste Sende- und Empfangsanlagen kommerziell verfügbar. John Ambrose Fleming erfindet 1905 die erste Radioröhre, die Diode. 1906 entwickeln Robert von Lieben

und Lee De Forest unabhängig voneinander die Verstärkerröhre, Triode genannt, die der Funktechnik einen wesentlichen Impuls gab.

John Logie Baird baute 1926 mit einfachsten Mitteln den ersten mechanischen Fernseher auf Grundlage der Nipkow-Scheibe. 1928 folgte der erste Farb-Fernseher. Im selben Jahr gelang ihm die erste transatlantische Fernsehübertragung von London nach New York. Bereits 1931 war seine Erfindung jedoch veraltet, Manfred von Ardenne führte damals die Kathodenstrahlröhre und damit das elektronische Fernsehen ein.

1942 stellt Konrad Zuse den weltweit ersten funktionsfähigen Computer, den Z3, fertig. Im Jahr 1946 folgt der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) von John Presper Eckert und John Mauchly. Die erste Phase des Computerzeitalters begann. Die so zur Verfügung stehende Rechenleistung ermöglicht es den Ingenieuren und der Gesellschaft, völlig neue Technologien zu entwickeln und Leistungen zu vollbringen. Ein frühes Beispiel sind das Apollo-Programm und die Mondlandung der NASA.

Die Erfindung des Transistors 1947 in den Bell Laboratories (USA) durch William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain und der gesamten Halbleitertechnologie erschloss der Elektrotechnik sehr weite Anwendungsgebiete, da nun viele Geräte sehr kompakt gebaut werden konnten. Ein weiterer wesentlicher Schritt in diese Richtung war die Entwicklung der Mikrointegration, der Integrierten Schaltkreise (IC) und damit der heutigen Prozessorchips.

1958 erfinden und bauen G.C. Devol und J. Engelberger in den USA den weltweit ersten Industrieroboter. Ein solcher Roboter wird 1960 bei General Motors erstmals in der industriellen Produktion eingesetzt. Industrieroboter sind heute in verschiedensten Industrien, wie z. B. der Automobilindustrie, ein wichtiger Baustein der Automatisierungstechnik.

Gerhard Sessler und J. E. West erfinden 1962 das Elektretmikrofon, das heute das häufigst produzierte Mikrofon weltweit ist. Es ist z.B. Bestandteil von Handys und Kassettenrekordern.

Im Jahr 1968 erfindet Marcian Edward Hoff, bekannt als Ted Hoff, bei der Firma Intel den Mikroprozessor und läutet damit die Ära des PCs ein. Zugrunde lag Hoffs Erfindung ein Auftrag einer japanischen Firma für einen Desktop-Rechner, den er möglichst preisgünstig realisieren wollte. Die erste Realisierung eines Mikroprozessors war 1969 der Intel 4004, ein 4 Bit Prozessor. Aber erst der Intel 8080, ein 8-Bit-Prozessor, aus dem Jahr 1973 ermöglichte den Bau des ersten PCs, des Altair 8800.

Die Firma Philips erfindet 1978 die Compact Disc (CD) zur Speicherung digitaler Informationen. 1982 resultiert dann aus einer Kooperation zwischen Philips und Sony die Audio-CD. 1985 folgt die

Heinrich Hertz

Guglielmo Marconi

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Elektrische Ladung aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die elektrische Ladung (auch Elektrizitätsmenge) ist eine physikalische Größe, die unter anderem für die Stärke der Coulombkraft zwischen Ladungen verantwortlich ist.

Bewegte Ladungen sind elektrischer Strom und führen in Magnetfeldern zur Lorentzkraft.

Elektrische Ladungen sind immer an das Vorhandensein von Ladungsträgern gebunden, der Begriff „Ladung“ wird jedoch sowohl für diese absoluten Ladungen bzw. deren Anzahl als auch für Ladungsmengen-Differenzen, die zwischen zwei Polen eines Bauteils (zum Beispiel eines Kondensators oder einer Batterie) vorhanden sind, verwendet.

Die kleinste mögliche Ladung ungleich null ist die Elementarladung. Die absolute Ladung jeglicher Körper oder Stoffmengen ergibt sich als Summe aller in ihr enthaltenen Elementarladungen. Es gibt genau zwei einander entgegengesetzte elektrische Elementarladungen, die man durch ein unterschiedliches Vorzeichen kennzeichnet und dementsprechend als positive oder negative Ladungen bezeichnet. Die Wahl der Vorzeichen ist prinzipiell willkürlich. Georg Christoph Lichtenberg hat sie – bei Untersuchungen zur Reibungselektrizität – so festgelegt, dass Protonen positive und Elektronen negative Ladung haben.

Ungleichnamige (positive und negative) Ladungen ziehen einander an, gleichnamige Ladungen stoßen einander ab.

Das Formelzeichen der elektrischen Ladung ist Q oder q (von lat. quantum). Die Ladung wird im Internationalen Einheitensystem in der Einheit Coulomb mit dem Einheitenzeichen C gemessen, die von den Basiseinheiten Ampere und Sekunde mittels abgeleitet ist.

Die Ladung ist also gleichbedeutend mit der Strommenge (Integral des Stromes über die Zeit), die in einen Körper hinein- oder herausgeflossen ist. Für die relative Ladung zwischen zwei Polen eines Bauteils ist die Grenze des Integrationsbeginns oft nicht entscheidend - eine Batterie ist leer oder voll (geladen oder ungeladen), unabhängig davon, welche Ladung sie als Ganzes möglicherweise besitzt.

Weiterhin ist die in einem Kondensator enthaltene Ladungsmenge abhängig von der Potentialdifferenz (der elektrischen Spannung U). Sie hängt über die elektrische Kapazität C mit dieser zusammen:

Unzutreffenderweise wird das Ladungs-Speichervermögen von Batterien oder Akkumulatoren (Einheit Amperestunde) oft als deren Kapazität bezeichnet, obwohl sie lediglich die Ladungsmenge beschreibt, nicht aber die elektrische Kapazität. Das Energie-Speichervermögen eines Akkumulators hängt zusätzlich von dessen Klemmenspannung ab.


Name elektrische Ladung

Formelzeichen der Größe


SI C (A·s) I·T

CGS Fr I·T


Geschichte Vermutlich wurden schon im antiken Griechenland Experimente durchgeführt, bei denen die von elektrischer Ladung ausgehenden Kräfte beobachtet werden konnten. Beispielsweise wurde eine anziehende Kraft von einem Stück Bernstein auf ein paar leichte Vogelfedern festgestellt, nachdem der Bernstein an einem trockenen Fell gerieben wurde. Deswegen hat man sich entschlossen, derartige Phänomene nach dem griechischen Wort ηλεκτρόν (gesprochen elektron, griechisch für Bernstein) „elektrisch“ zu nennen. Zugleich lieferte das Wort elektron die Bezeichnung für den Träger der negativen Elementarladung, das später entdeckte Elektron - auch der Bernstein nahm eine negative Ladung an.

Quantencharakter Der experimentelle Nachweis von Elektronen gelang erstmals im Jahre 1897 durch den Briten Joseph John Thomson. Dies kann als erster Hinweis darauf gesehen werden, dass die elektrische Ladung nur in ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung auftreten kann. Der präzise experimentelle Nachweis, dass elektrisch geladene Materie tatsächlich immer mit einem ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung geladen ist, gelang jedoch erst 1910 Robert Andrews Millikan mit dem nach ihm benannten Millikan-Versuch.

Inzwischen wurden die Ladungen von allen bekannten Elementarteilchen experimentell vermessen, mit dem Ergebnis, dass alle Leptonen und ihre Antiteilchen immer ganzzahlige Vielfache der Elementarladung (e = 1,602 · 10-19 C) tragen, während Quarks immer ganzzahlige Vielfache eines Drittels der Elementarladung tragen. Quarks treten jedoch niemals frei auf, sondern immer nur in gebundenen Zuständen, den sogenannten Hadronen, welche wiederum immer ganzzahlige Vielfache der Elementarladung tragen. Alle frei auftretenden Teilchen tragen also ganzzahlige Vielfache der Elementarladung.

Dies liegt theoretisch im elektroschwachen Modell begründet, in dem die elektrische Ladung auf die schwache Hyperladung und den schwachen Isospin zurückgeführt werden. Warum jedoch die schwache Hyperladung und der schwache Isospin nur bestimmte Werte annehmen, wird durch das Modell nicht erklärt. Daher ist grundsätzlich auch die Ursache der beobachteten Ladungsquantisierung bislang ungeklärt.

Erzeugung von Ladungen Viele Elementarteilchen sind mit bestimmten Ladungen versehen, die sich nicht ändern können. Daher kann keine Ladung per sé erzeugt werden. Mit Ladungserzeugung ist in Wirklichkeit

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Quantencharakter 3 Erzeugung von Ladungen 4 Von Ladungen erzeugte Felder

4.1 Feld unbeweglicher Ladungen4.2 Feld bewegter Ladungen

5 Ladungsverteilung 6 Anwendungen 7 Weblinks

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Ladungstrennung gemeint. Ladungstrennung kann zum Beispiel durch Reibung (siehe Reibungselektrizität) erzielt werden, indem man zum Beispiel eine Katze gegen den Strich streichelt, einen Luftballon an einem Pullover reibt oder allgemein indem man verschiedene Stoffe aneinander reibt. Dabei werden Elektronen von einem Material auf das andere übertragen, so dass die Ladungen von Elektronen und Atomkernen getrennt werden.

In Batterien und Akkumulatoren wird eine chemische Reaktion ausgenutzt, um dabei frei werdende Ladungsträger (Elektronen und Ionen) der Reaktionsteilnehmer zu trennen. Die Menge an Ladung, die dabei getrennt wird, ist zwar größer als bei der Reibungselektrizität aber gemessen an anderen Methoden dennoch sehr gering.

Ladungstrennung kann auch durch elektromagnetische Wellen, zum Beispiel Licht, hervorgerufen werden: Lässt man Licht auf eine Metalloberfläche treffen und platziert im Vakuum eine zweite Metallplatte in der Nähe, entsteht eine Ladungsdifferenz zwischen ihnen, weil durch das Licht Elektronen aus der ersten Platte herausgelöst werden, die sich teilweise zur zweiten Platte bewegen (Äußerer Fotoelektrischer Effekt).

Ein weiteres Beispiel von getrennten Ladungen ist eine Spannungsquelle; bei Stromentnahme durch Verbinden einer Gleichspannung mit den zwei Platten eines Kondensators werden die Platten unterschiedlich geladen, die Zahl gleichnamiger Ladungen in ihnen weicht voneinander ab.

Elektrische Felder rufen in Isolierstoffen Ladungstrennung (Polarisierung) hervor: Platziert man ein Stück Isolierstoff zwischen den Platten eines geladenen Kondensators, wandert ein kleiner Teil dessen Ladungen zu den Platten und umgekehrt. Eine Seite des Isolierstoffs lädt sich negativ auf und die andere Seite wird positiv. Entlädt man einen solchen isolierstoffgefüllten Kondensator, wird seine Plattenspannung null. Auch danach bewegt sich jedoch noch ein Teil der verschobenen Ladungen wieder in Richtung ihrer Herkunft. Dadurch können Kondensatoren nach vollständiger Entladung und Aufheben des Kurzschlusses „von selbst“ wieder eine erhebliche Ladung annehmen. Große Kondensatoren werden daher kurzgeschlossen transportiert. Diese Art der Ladungstrennung ist in Elektreten dauerhaft realisierbar.

In jedem Fall muss man Energie aufwenden, um die entgegengesetzten Ladungen, die sich gegenseitig anziehen, zu trennen. Diese Energie wird zu elektrischer Feldenergie. Zieht man die Platten eines Plattenkondensators auseinander, steigt die Spannung zwischen den Platten an. Ein weiteres Beispiel dafür ist der Bandgenerator.

Von Ladungen erzeugte Felder

Feld unbeweglicher Ladungen

Eine einzelne unbewegliche punktförmige Ladung erzeugt ein elektrisches Feld, das mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt. Da man hier nur eine Ladung hat, spricht man von einem Monopolfeld (das bedeutet 1-Pol-Feld). Zwei gleich große Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen (zum Beispiel von Elektron und Proton) am selben Ort heben sich auf. Als elektrisch neutral bezeichnet man Objekte oder Teilchen, die zur Umgebung kein elektrisches Monopolfeld erzeugen, beziehungsweise deren Ladungen sich gegenseitig aufheben. Übertragen auf einen Körper, bezeichnet eine positive Ladung den Überschuss an positiven Ladungsträgern und dementsprechend eine negative Ladung den Überschuss an negativen Ladungsträgern.

Ein Körper, der auf der einen Seite positiv und auf der anderen Seite ebenso stark negativ geladen ist, hat keine positive oder negative Nettoladung, also erzeugt er kein Monopolfeld. Er ist daher


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elektrisch neutral. Aufgrund der Ladungsverteilung erzeugt er jedoch ein sogenanntes Dipolfeld (2-Pol-Feld). Als Beispiel dafür kann man ein Wassermolekül oder eine Batterie betrachten.

Durch noch kompliziertere Ladungsverteilungen entstehen Quadrupolfelder (4-Pol-Feld), Oktopolfelder (8-Pol-Feld) und so weiter. Der Überbegriff für Monopol, Dipol, Quadrupol und so weiter ist Multipol, was "Vielpol" bedeutet.

Feld bewegter Ladungen

Bewegte elektrische Ladungen werden als elektrischer Strom bezeichnet. Da Ladungen sich entsprechend der elektrischen Kraft bewegen, muss ein elektrisches Feld, nämlich eine Spannung angelegt werden, damit ein Strom fließen kann. Der elektrische Strom in einem Körper, der ohne Stromfluss kein Multipolfeld aufweist (das heißt, ein elektrischer Leiter), erzeugt kein elektrisches Multipolfeld, da in ihm auch bei Stromfluss keine inhomogene Ladungsverteilung vorhanden ist. Stattdessen wird ein Magnetfeld erzeugt.

Ein elektrischer Multipol, der sich relativ zum Beobachter bewegt, erzeugt also aus dessen Sicht weiterhin sein elektrisches Multipolfeld und zusätzlich ein Magnetfeld. Ein mitbewegter Beobachter, für den der Multipol also ruht, wird nur ein elektrisches Feld und kein Magnetfeld messen. Das ist ein klarer Hinweis darauf, dass elektrisches und magnetisches Feld nur zwei Formen desselben Feldes sind, das man als elektromagnetisches Feld bezeichnet.

Die allgemeine Formel für den Zusammenhang zwischen Ladung und Strom lautet

I(t): Stromstärke zum Zeitpunkt t dQ/dt: Infinitesimale zeitliche Veränderung der Ladung Q: Ladung dt: Infinitesimale Veränderung der Zeit C: Konstante

Für einen zeitlich konstanten Strom vereinfacht sich der Zusammenhang zwischen Ladung und Strom zu

Anhand dieser Gleichung wird auch besonders einfach klar, dass die Einheit Coulomb sich als 1C = 1As darstellen lässt.

Ladungsverteilung Die Gesamtladung eines Raumgebietes (Raumladung) kann durch folgende Beziehung beschrieben werden:

Die folgenden Größen werden zur Beschreibung von Ladungsverteilungen verwendet:

Elektrischer Strom aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel von Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum. Ruhende Ladungsträger können durch unterschiedliche Kräfte in Bewegung gesetzt werden, meist sind das Coulomb- oder Lorentzkräfte. Einmal in Bewegung, können sich die Ladungsträger auch in feldfreien Räumen weiterbewegen. Ein Beispiel dafür ist die Elektronenbewegung in einer Elektronenröhre.

Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch „Strom“ genannt. Manchmal ist damit die Übertragung oder Bemessung von elektrischer Energie gemeint, was jedoch physikalisch nicht korrekt ist. Auch wird die physikalische Größe der Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet.

Das Formelzeichen für die zeitlich konstante elektrische Stromstärke ist I. Die zeitabhängige Stromstärke wird mit i oder auch als i(t) bezeichnet. Gemessen wird die Stromstärke in Ampere, benannt nach dem französischer Physiker und Mathematiker André Marie Ampère. Das Einheitenzeichen ist das A. Das Ampere ist SI-Basiseinheit.

Geschichte Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichten zunächst die Leistung von Batterien aus. Um 1866 fand Werner von Siemens das dynamoelektrische Prinzip und nutzte es bei der Entwicklung des ersten elektrischen Generators, den er als Zündmaschine für die Zündung von Sprengladungen vermarkten konnte. Ab 1880 entwickelten sich diese Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, um den Strombedarf der immer größer werdenden Stromnetze befriedigen zu können. In erster Linie dienten diese Netze zur Bereitstellung von elektrischem Strom für die

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Physikalische Zusammenhänge

2.1 Beispiel 2.2 Entstehung des Stromflusses 2.3 Messung des elektrischen Stromes 2.4 Stromleitung in Metallen 2.5 Ionenleiter

3 Technische Stromarten 3.1 Gleichstrom 3.2 Wechselstrom 3.3 Mischstrom

4 Eingeprägter Strom 5 Technische Nutzung des elektrischen Stroms 6 Stromstärketabelle 7 Körperliche Auswirkungen des elektrischen Stromes8 Siehe auch 9 Literatur 10 Einzelnachweise 11 Weblinks

Schuko-Steckdose beim Endverbraucher als ein

Symbol für elektrischen Strom


Beleuchtung mit Bogen- und Glühlampen in der Öffentlichkeit und den ersten Privathaushalten. Eine weitere Anwendung des elektrischen Stromes bestand in seinem Einsatz in Leuchttürmen, da die Bogenlampe eine wesentlich höhere Lichtstärke besitzt als die zuvor verwendeten Kerzen oder Petroleumlampen. Infolgedessen entstanden die ersten Kraftwerke, die zunächst noch mit einfachen Wasserturbinen und Dampfmaschinen angetrieben wurden. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts stehen leistungsfähige Dampfturbinen zur Verfügung, die bis in die Gegenwart als Kraftmaschinen bei der Stromerzeugung dominieren.

In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts fiel nach dem so genannten Stromkrieg die Entscheidung zwischen Gleichstrom- und Wechselstromsystem zugunsten des Wechselstroms. Ausschlaggebend für die heutige Form der elektrischen Energieverteilung waren unter anderem folgende Punkte:

Die Transformierbarkeit des Wechselstromes auf beliebige Werte von beispielsweise 6 V für Ladegeräte bis 500.000 V für Röntgengeräte. Bei der Leistung eines typischen Großkraftwerkes mit 1000 MW Leistung und einer bei Kleinverbrauchern üblichen Niederspannung von 230 V würde sich eine Stromstärke von etwa 4,5 MA ergeben. Dieser hohe Strom lässt sich unmöglich in einem Verteilernetz handhaben. Mit Netztransformatoren lassen sich diese Leistungen mittels Hochspannungen in den so genannten Verbundnetzen verteilen. Dies erzwingt aber Wechselstrom. Die Drehstrommaschine ist robust und benötigt keinen Kommutator, der sich abnutzen kann, funktioniert aber nur mit Wechselstrom.

Die Nachteile sind die schwankende Spannung, die z. B. zur Folge hat, dass alle elektronischen Geräte über Gleichrichter gespeist werden, und die daraus resultierende Leistungsschwankung, die als Blindleistung in Erscheinung tritt und seit der Mitte des vergangenen Jahrhunderts zum Einsatz der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung ( HGÜ ) geführt hat.

Die Speicherung des Gleichstromes in Akkumulatoren versprach zunächst Vorteile und mit den gleichzeitig gebauten Straßenbahnnetzen war ein interessanter Markt für diese Stromart vorhanden. Aus heutiger Sicht wären auch extrem große Akuumulatoren erheblich zu klein, um nennenswerte Ladungen zu speichern. Und durch die Entwicklung der Leistungselektronik lassen sich beide Stromarten problemlos ineinander umwandeln, wie moderne Mehrsystemfahrzeuge beweisen.

Physikalische Zusammenhänge Der elektrische Strom (bzw. genauer die elektrische Stromstärke) kann in der Physik formal ausgehend von der elektrischen Ladung durch folgende Differentialgleichung definiert werden:

Der Strom I zu einem bestimmten Zeitpunkt gibt die pro infinitesimalen Zeitabschnitt dt fließende infinitesimale Ladung dQ an. Ist der Strom konstant, so kann man auch schreiben:

Gleichwertig dazu kann der elektrische Strom auch über die Stromdichte J in einem Strömungsfeld mittels folgender vektoriellen Intergralgleichung definiert werden:

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Die Stromstärke I ist somit gleich dem Flächenintegral der Stromdichte J in einem elektrischen Leiter. Diese Definition ist dann sinnvoll anzuwenden, wenn man von der Beschreibung eines Vektorfeldes ausgeht und nicht von der Ladung Q.

Durch diese Festlegungen wird nur der sogenannte Leiterstrom beschrieben – dies ist jener elektrische Strom, welcher in einem elektrischen Leiter durch den Fluss von elektrischen Ladungsträgern getragen wird. Darüber hinaus gibt es noch den elektrischen Verschiebungsstrom welcher durch die zeitliche Änderungsrate des elektrischen Flusses dominant in einem Isolator bzw. im Vakuum vorhanden ist und beispielsweise den Strom durch einen Kondensator darstellt. Erst diese beiden Stromkomponenten, der Leitungsstrom und der Verschiebungsstrom, ergeben zusammen den wahren elektrischen Strom (engl. true current oder total current), welcher in der Elektrodynamik eine wesentliche Rolle spielt. Dieser Artikel handelt nur vom Leitungsstrom, weil innerhalb von elektrischen Leitern der Verschiebungsstrom bis zu sehr hohen Frequenzen im Röntgenbereich vernachlässigt werden kann.

Beispiel

Hier nun ein Beispiel zur Verwendung der ersten Definition:

Da in metallischen Leitern die Ladungsträger des elektrischen Stroms, die Elektronen, alle exakt dieselbe Elementarladung e transportieren, kann man aus I auch die Anzahl n der fließenden Elektronen abschätzen. n fließende Elektronen transportieren die Ladung

Fließt durch einen beliebigen Punkt einer elektrischen Schaltung ein konstanter Strom von 1 Ampereso strömen pro Sekunde

also etwa 6 Trillionen Elektronen durch den Punkt der Schaltung.

Entstehung des Stromflusses

Am Beispiel einer elektrischen Batterie lässt sich das Prinzip des Stromflusses veranschaulichen. Elektrochemische Prozesse in der Batterie bewirken eine Ladungstrennung; die Elektronen werden auf einer Seite gesammelt (Minuspol), auf der anderen Seite abgezogen (Pluspol). Hierdurch entsteht eine Potentialdifferenz, eine elektrische Spannung zwischen den Polen. Dieses Spannungsgefälle übt mechanische Kräfte auf die Ladungsträger aus. Diesen besonderen Zustand, in dem mechanische Kräfte auf Ladungsträger ausgeübt werden, bezeichnet man als elektrisches Feld, und dieses existiert immer dann, wenn zwischen beliebigen Raumpunkten elektrische Spannungen bestehen.

Ladungsträger, die diesem elektrischen Feld ausgesetzt sind, erfahren durch die mechanischen Kräfte im geschlossenen Stromkreis über einen elektrischen Widerstand eine Beschleunigung: Ein elektrischer Strom fließt. Die Trennung der Ladungen erforderte (in diesem Beispiel chemische) Energie, die wieder frei wird, wenn der Strom fließt.


In vielen Leitermaterialien ist die elektrische Stromstärke bei konstanter Temperatur proportional zur Spannung. Zur Beschreibung der Abhängigkeit dient die materialabhängige Stoffkonstante der elektrischen Leitfähigkeit. Diese Erfahrungstatsache findet dann etwas vereinfacht als ohmsches Gesetz Anwendung:

In einem Stromkreis mit einer Spannungsquelle bestimmt somit die aufgebaute elektrische Spannung, abgekürzt U, und die Größe des elektrischen Widerstandes R erst die konkrete Stromstärke I. Hingegen wird bei Verwendung einer Stromquelle die elektrische Spannung U am Widerstand R festgelegt. In der Praxis kommen allerdings Spannungsquellen viel häufiger als Stromquellen vor, wie beispielsweise in Stromversorgungen, weshalb sich der konkrete Wert des elektrischen Stromes nach dem elektrischen Widerstand (auch Verbraucher genannt) richtet.

Messung des elektrischen Stromes

Der elektrische Strom kann direkt mit einem Strommesser gemessen werden. Heutzutage wird die Messung meist mit einem Digitalmultimeter vorgenommen, welches neben einem Strommesser auch noch einen Spannungsmesser zur Messung der elektrischen Spannung und auch die Messung des elektrischen Widerstandes bietet.

Für die Messung von sehr großen Strömen misst man die Spannung über einem Messwiderstand. BeiWechselströmen von ca. 10 A aufwärts kommen auch Stromwandler zum Einsatz. Zur unterbrechungsfreien Messung zu Prüfzwecken eignen sich Zangenstrommesser.

Stromleitung in Metallen

In Metallen, man spricht auch von Leitern erster Klasse, kommt der Stromfluss dadurch zustande, dass im Atomverbund immer eine bestimmte Anzahl freier Elektronen, die sogenannten freien Leitungselektronen (Valenzelektronen) vorkommen. Die Gesamtheit dieser Leitungselektronen in einem Metall wird auch als Elektronengas bezeichnet – die Elektronen verhalten sich ähnlich wie Gasmoleküle und führen ungeordnete Bewegungen aus, welche stark von der Temperatur des Metalls abhängen.

Die eigentliche Stromleitung im Metall kommt durch eine überlagerte Driftbewegung dieser freien Elektronen zustande. Diese Driftbewegung der Ladungsträger im Metall ist dabei vergleichsweise langsam: Die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger beträgt beispielsweise bei Kupfer, welches ca. 1023 Leitungselektronen pro cm3 aufweist, und bei einer typischen Stromdichte von 10 A/mm2, nur rund 0,735 mm/s.

Da die Stromleitung in Metallen durch die Elektronen erfolgt und es dabei zu keiner stofflichen Änderung des elektrischen Leiters kommt, spricht man auch von elektronischer Stromleitung.

Ionenleiter

Bei Ionenleitern, man spricht von Leitern zweiter Klasse, kommt es im Gegensatz zu Metallen im Regelfall zu einer stofflichen Veränderung des elektrischen Leiters, ein Effekt, welcher bei der Elektrolyse ausgenutzt wird. Der Stromtransport ist dabei an einen stofflichen Transport von beweglichen, elektrisch geladene Atomen (Ionen) gebunden. Da die geladenen Atome zum

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Stromtransport beweglich sein müssen, kommen als Ionenleiter vor allem ionisierte Gase und elektrisch leitfähige Flüssigkeiten in Frage. Man nennt diese Ionenleiter Elektrolyte. Festkörper können in speziellen Fällen auch Ionenleiter sein.

Die chemischen Vorgänge im Elektrolyten verändern dabei allmählich die Beschaffenheit des Leiters und es kommt zu einer allmählichen Erschöpfung der elektrischen Leitfähigkeit. Es liegt daher keine elektronische Stromleitung vor.

Technische Stromarten

Gleichstrom

Als Gleichstrom (engl. Direct Current, abgekürzt DC) wird jener elektrische Strom bezeichnet, welcher über die Zeit nicht seine Richtung und Stärke ändert, also zeitlich konstant ist.

Praktisch alle elektronischen Geräte im Haushalt wie Radio- und Fernsehempfänger, Computer oder auch die Steuerungen heutiger Waschmaschinen benötigten für ihre Stromversorgung Gleichstrom. Aber auch in der Energietechnik werden Gleichströme eingesetzt, beispielsweise in der Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung, für gut drehzahlregelbare Gleichstrommotoren (inzwischen zunehmend durch Stromrichter und Asynchronmotoren ersetzt), als Zwischenkreis in Stromrichtern, in Sendeanlagen und in Kraftfahrzeug-Bordnetzen.

Gleichstrom kann durch Gleichrichtung aus Wechselstrom gewonnen werden. Gleichrichter werden daher überall dort eingesetzt, wo Gleichstrom aus dem mit Wechselstrom betriebenen öffentlichen Stromnetz gewonnen werden soll. Weiters gibt es auch direkte Gleichstromquellen, wie z. B. galvanische Zellen und photovoltaische Zellen. Darüber hinaus gibt es auch elektrische Maschinen, welche direkt ohne Gleichrichter mittels der Unipolarinduktion Gleichstrom herstellen können. Ihre technische Bedeutung ist heute jedoch gering.

Wechselstrom

Bei Wechselstrom (engl. Alternating Current, abgekürzt AC) kommt es zu einer laufenden, meist periodischen Änderung der Stromrichtung. Diese periodische Änderung wird als eine Frequenz ausgedrückt und gibt an, wie oft sich die Stromrichtung pro Sekunde ändert. Der technische Vorteil von Wechselstrom ist seine leichte Umwandelbarkeit zwischen verschiedenen Spannungen mit Hilfe eines Transformators. Daher findet Wechselstrom vor allem in öffentlichen Stromversorgungsnetzen Anwendung. In Europa und vielen anderen Ländern der Welt beträgt die Netzfrequenz der Stromversorgung 50 Hz. In Nordamerika und Teilen von Japan kommen hingegen Netzfrequenzen von 60 Hz zum Einsatz.

Eine besondere Form von Wechselstrom ist der Dreiphasenwechselstrom (umgangssprachlich Stark-, Dreh- oder Kraftstrom), wie er in öffentlichen Stromnetzen zur elektrischen Energieverteilung großer Leistungen Verwendung findet. Diese Stromart ermöglicht besonders einfach gebaute und robuste Elektromotore.

Mischstrom

Eine Kombination aus Wechselstrom und Gleichstrom wird Mischstrom genannt. Dabei kommt es nicht unbedingt zu einer kompletten Richtungsänderung des Mischstromes, sondern der zeitlich konstante Gleichstromanteil wird durch den zusätzlich aufgebrachten Wechselstrom in seiner Stärke laufend und meist periodisch


geändert (pulsierender Gleichstrom). Dieser Mischstrom tritt beispielsweise bei Gleichrichtern auf und wird mit Kondensatoren in Netzteilen geglättet. Diese elektrische Spannung wird als Brummspannung bezeichnet.

Technische Nutzung des elektrischen Stroms Elektrischer Strom ist eines der Verfahren des Energietransports. So wird heute die gesamte Beleuchtung, die meisten Haushaltsgeräte und die gesamte Elektronik und Rechnertechnik mit elektrischer Energie betrieben. Autos mit elektrischem Antrieb werden als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen benzinbetriebenen Gefährten propagiert. Auch medizinische Geräte vom Röntgenapparat über den Kernspintomographen bis hin zum Zahnarztbohrer werden mit elektrischer Energie betrieben.

Elektrische Energie wird zumeist zentral in Kraftwerken erzeugt und über das Stromnetz an die Haushalte verteilt. Aus ökologischen Gründen wird aber auch zunehmend dezentrale elektrische Energiewandlung, z. B. mittels Photovoltaikanlagen auf privaten Dächern, gefördert. Wichtige Einrichtungen (z. B. Krankenhäuser) sind mit Notstromaggregaten ausgestattet, damit auch bei einem Stromausfall elektrische Energie zur Verfügung steht. Ist eine permanente Verbindung mit dem Stromnetz nicht möglich, z. B. bei Autos oder mobilen Geräten, so muss die elektrische Energie entweder zwischengespeichert oder direkt im Gerät erzeugt werden (z. B. mittels kleiner Solarzellen für

Arten des Gleichstroms oben: reiner Gleichstrom

darunter pulsierender Gleichstrom (Mischstrom)

Graffiti zum Thema Energie

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Taschenrechner, oder mittels Brennstoffzellen). Eine direkte Speicherung der elektrischen Energie im großen Maßstab ist derzeit nur durch Wandlung in eine andere Energieform möglich, z. B. mittels Akkumulatoren oder in noch größerem Maßstab z. B. bei Pumpspeicherkraftwerken. Für eher kleinere Energiemengen werden Kondensatoren und Spulen verwendet.

Der umgangssprachliche Ausdruck „Strom verbrauchen“ ist technisch gesehen nicht richtig, da der Strom, der in ein Gerät hineinfließt, auch wieder hinausfließt. In der Tat ist es beim üblichen Haushaltsstrom sogar so, dass die Elektronen nur im Leiter ein kleines Stück hin- und her „wackeln“, ohne dass tatsächlich eine nennenswerte Anzahl von Elektronen aus der Leitung ins Gerät fließt. Was tatsächlich „fließt“, ist elektrische Energie. Diese wird ebenfalls nicht verbraucht, wie sich das umgangssprachlich eingebürgert hat, sondern wird umgewandelt, z. B. in mechanische Energie (Motor), Wärme (Haartrockner) und chemische Energie (z. B. beim Aufladen von Handy-Akkus). Die dabei verrichtete Arbeit (das Produkt aus Spannung, Stromstärke und Zeit) wird durch einen sog. Stromzähler ermittelt. Deswegen wird der „Stromverbrauch“ auch in der Energieeinheit Kilowattstunde, und nicht in der Stromeinheit Ampere gezählt.

Neben der Energieversorgung spielt der elektrische Strom auch für die technische Kommunikation eine wesentliche Rolle. So basiert das Telefonnetz zumindest am Teilnehmeranschluss bis heute auf elektrischer Signalübertragung. Dies gilt auch für moderne Datenübertragungstechniken wie DSL. Allerdings wird das eigentliche Telefonnetz heutzutage immer mehr auf Glasfaser umgestellt. Ebenfalls auf elektrischen Signalen basiert das Kabelfernsehen.

Die Kommunikation mittels elektromagnetischer Wellen basiert zwar nicht direkt auf elektrischem Strom, aber das Aussenden und Empfangen der Wellen ist prinzipiell nur über elektrische Anlagen möglich.

Stromstärketabelle Strom bei einer LED: ca. 0,02 A = 20 mA Strom bei einer Taschenlampe: ca. 0,2 A = 200 mA Strom bei einem Ventilator: ca. 0,12 A = 120 mA Strom einer Zimmerbeleuchtung: ca. 0,2 A bis 1 A (200 mA bis 1.000 mA) Strom zum Betrieb einer Elektrolokomotive: über 300 A Strom in einem Blitz: ca. 100.000 A bis 1.000.000 A

Körperliche Auswirkungen des elektrischen Stromes Elektrische Wechselströme im Bereich der Netzfrequenz sind ab 0,5 mA für den menschlichen Organismus spürbar und bei höheren Stromstärken über 10 mA, welche länger als 2 s einwirken, gefährlich. Gleichströme sind ab 2 mA spürbar und ab 25 mA, welche länger als 2 s einwirken, gefährlich. Man spricht dann auch von einem Stromschlag.

Die folgende Tabelle gibt die Gefährlichkeit von Wechselstrom von 50–60 Hz nach IEC 60479-1 wieder:

Stromstärke Dauer physiologische Auswirkungen

unter 0,5 mA beliebig lange

Wahrnehmbarkeitsschwelle: Unter diesem Wert sind elektrische Wechselströme für den Menschen nicht wahrnehmbar.

unter 10 mA über 2 sEs treten im allgemeinen keine pathophysiologische Wirkungen auf.

[1]


Durch den elektrischen Strom kommt es dabei zu einer störenden Beeinflussung der auch durch elektrische Signale an bestimmten Nervenenden (Synapsen) übertragenen Steuerimpulse. Für längere Durchströmungsdauern von 10 s und Ströme über 1 A sinkt die Wahrscheinlichkeit von Herzkammerflimmern, da der Herzmuskel infolge Atemstillstand nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden kann.

Bei elektrischen Energieversorgungsnetzen und im Bereich von höheren Spannungen kommen auch Stromunfälle infolge der Lichtbogenwirkung vor. Der Stromunfall mit Lichtbogeneinwirkung ist fast ausnahmslos mit Verbrennungen verbunden und es entstehen in der Brandwunde meist toxische Verbrennungsprodukte. So kommt es bei Stromunfällen in Hochspannungsanlagen und im Bereich der elektrischen Oberleitungen bei der Bahn, und selten auch bei direkten Blitzschlägen, zu Verbrennungen am menschlichen Körper bei dem Stromeintritts- und Stromaustrittspunkt. Ab ca. 15 % verbrannter Körperoberfläche nimmt die Letalität zufolge der Verbrennung stark zu.

Siehe auch Elektrizität Elektrostatik Strom-Spannungs-Kennlinie Kraftwerksmanagement Liste der größten Stromproduzenten Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen Stromunfall

Literatur Karl Küpfmüller: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik. 14. Auflage. Springer Verlag, ISBN 3-540-56500-0.

Einzelnachweise

1. ↑ IEC Report 60479-1 (Hrsg.): Effects of current on human beings and livestock. 3. Auflage. IEC, Genf 1994.

2. ↑ Gottfried Biegelmeier et al: Schutz in elektrischen Anlagen. 2. Auflage. 1, VDE-Verlag, Berlin 2003, ISBN 3-8007-2603-3, S. 226-227.

unter 200 mA

unter 10 ms

unter 100 mA

über 500 ms Starke unwillkürliche Muskelreaktionen, welche zu dauerhaften

Schäden führen können.unter 1 A unter

200 ms

über 100 mA über 500 ms Zusätzlich zu starken unwillkürliche Muskelreaktionen, welche zu

dauerhaften Schäden führen können, tritt Herzkammerflimmern mit Wahrscheinlichkeit von über 1 % auf.über 1 A unter

200 ms

[2]

41

Elektrische Spannung aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit bzw. Energie nötig ist, um ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung entlang eines elektrischen Feldes zu bewegen. Spannung ist also das spezifische Arbeitsvermögen der Ladung. Sie ist eine Feldgröße, die um viele Größenordnungen schwanken kann.

Das Formelzeichen der Spannung ist U – abgeleitet vom lat. urgere (drängen, treiben, drücken). Die SI-Einheit ist das Volt (V), benannt nach Alessandro Volta.

Auf „natürliche“ Weise entsteht elektrische Spannung zum Beispiel durch Reibungselektrizität, bei Gewittern und bei Redoxreaktionen. Zur technischen Nutzung werden Spannungen meistens durch elektromagnetische Induktion sowie durch Elektrochemie erzeugt.

Die umgangssprachliche Bezeichnung „Stromspannung“ ist fachlich inkorrekt und sollte bei eindeutigem Zusammenhang durch „Spannung“ und sonst durch „elektrische Spannung“ bzw. „Netzspannung“ ersetzt werden.


Name Elektrische Spannung

Formelzeichen der Größe U - lat. urgere


SI Volt (V) M•L2•A−1•T−3

CGS Statvolt (StatV) M½•L½•T−1

Siehe auch: Mechanische Spannung

Inhaltsverzeichnis 1 Definition 2 Elektrisches Potential

2.1 Mathematische Beschreibung 3 Richtungs- und Bezugssinn 4 Zusammenhänge

4.1 Elektrische Spannung mit Strom 4.2 Elektrische Spannung mit Leistung und Energie 4.3 Elektrische Spannung nach Kirchhoff 4.4 Elektrische Spannung nach Strom- und Spannungsteiler

4.4.1 Spannungsteiler 4.4.2 Stromteiler

5 Messung von elektrischer Spannung 6 Klassifizierung

6.1 Zeitabhängige Spannungen 6.2 Zeitunabhängige Spannungen 6.3 Spannungshöhe 6.4 Eingeprägte Spannung

7 Wechselspannungstechnik 7.1 Kennwerte

Alessandro Volta, früher Elektrotechniker und

Namensgeber der Einheit der Spannung


Definition Die elektrische Spannung ist der Quotient aus der zur Verschiebung einer Ladung Q erforderlichen Arbeit

und dieser Ladung.

Aus den Zusammenhängen:

und

ergibt sich für die Spannung:

Q = Ladung; F = Kraft; E = elektrische Feldstärke; s = Abstand; WAB = Verschiebungsarbeit

Der hier und in Folge verwendete Begriff der Ladung Q versteht sich als Mengeneinheit für den Überschuss an negativ bzw. positiv geladenen Elementarteilchen (Elektronen bzw. Protonen).

Elektrisches Potential Das elektrische Potential (eng. electrical potential) ist eine Spannungsangabe, bezogen auf einen festgelegten Bezugspunkt. Das Formelzeichen für das Potential ist Φ.

Wenn ein elektrisches Feld ein Potentialfeld ist (vgl. konservatives System), so ist die Arbeit, die auf dem Weg zwischen zwei Orten an einer Ladung verrichtet wird, wegunabhängig. Hieraus folgt, dass die elektrische Spannung zwischen diesen Orten eindeutig als die Differenz der jeweiligen Potentiale definiert ist. In diesem Fall wird die elektrische Spannung häufig

7.2 Mittelwerte 7.3 Bewertungsfaktoren 7.4 Harmonische Wechselspannung

7.4.1 Mathematische Beschreibung 7.4.2 Mittelwerte

8 Gefahren 9 Spannung in der Chemie und Kernphysik 10 Siehe auch 11 Literatur 12 Weblinks

Definition Spannung

Darstellung elektrisches Potential anhand einer Punktladung

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Potentialdifferenz oder Galvanispannung genannt.

Eine positive Spannung zeigt bei Potentialfeldern vom Ort höheren Potentials zum Ort niedrigeren Potentials. Positive Ladungsträger bewegen sich in Richtung der negativen Spannung, während negativ geladene Objekte sich in Richtung der positiven Spannung bewegen.

Die Spannung uAB des Punktes A bezüglich des Punktes B ist gleich dem Integral des elektrischen Feldes über den Weg zwischen diesen beiden Punkten (Potentialdifferenz).

Diese Beziehung gilt für alle elektrischen Felder, für Wirbelfelder und für wirbelfreie (Potential-) Felder. Bei Wirbelfeldern hängt die Spannung jedoch vom Weg ab.

Ein Potential ist vom Widerstand und vom Strom unabhängig, während die Potentialdifferenz, die durch den fließenden Strom durch einen Widerstand hervorgerufen wird, als Spannungsabfall bezeichnet wird.

Mathematische Beschreibung

ΦA = uA0: Potential im Punkt A gegenüber dem Bezugspunkt 0

ΦB = uB0: Potential im Punkt B gegenüber dem Bezugspunkt 0

Potentialdifferenz

im radialen Feld einer Punktladung gilt:

Q = Ladung, E = elektrische Feldstärke, s = Abstand, r = Radius, = elektrische Feldkonstante

Weiterführende Artikel: Elektrostatik, Äquipotentiallinien, Potential, Potentialfeld, Konservative Kraft

Richtungs- und Bezugssinn Hauptartikel: Zählpfeil

Als Richtungssinn der Spannung U ist die Richtung von A nach B definiert, wenn das elektrische Feld an einer positiven Ladung positive Arbeit verrichtet spricht man von einem Spannungsabfall. Im umgekehrten Falle, also bei einer Energiezufuhr, von einer Quellenspannung. Zu beachten ist, dass die Spannung eine skalare Größe darstellt, die in den Darstellungen verwendeten Spannungspfeile legen lediglich das Vorzeichen fest. Dabei ist eine Spannung, die entgegen dem Umlaufsinn einer Masche zeigt, als negativ und eine in Richtung des Umlaufsinnes als positiv anzunehmen, der Umlaufsinn kann dabei willkürlich festgelegt werden. Die in den Darstellungen verwendeten Pfeile für die Stromrichtung zeigen dabei, wenn nicht anderes angegeben, die technische Stromrichtung an.


Zusammenhänge

Elektrische Spannung mit Strom

Hauptartikel: Ohmsches Gesetz

Die elektrische Spannung kann bei bestimmten Leitern direkt mit dem elektrischen Strom verknüpft werden, wobei der Proportionalitätsfaktor als elektrischer Widerstand bezeichnet wird. Wenn zwischen zwei Punkten eine elektrische Spannung herrscht, existiert stets ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf Ladungsträger bewirkt. Sind die Ladungsträger frei beweglich, wie z. B. in einem elektrischen Leiter, so bewirkt eine Spannung, dass die Ladungsträger in Bewegung gesetzt werden und ein elektrischer Strom zu fließen beginnt. Diese Zusammenhänge sind für bestimmte Leiter (z. B. den meisten Metallen) durch das ohmsche Gesetz definiert.

Widerstand als Proportionalitätskonstante:

Bezeichnung Formelzeichen Schaltzeichen Beschreibung

Quellenspannung

Die Trennung elektrischer Ladungen ist die Ursache für das Auftreten einer elektrischen Quellenspannung zwischen den Polen der entstehenden Spannungsquelle. Die Quellenspannung ist vom Plus zum Minuspol gerichtet und dem angetriebenen Strom entgegen gerichtet. Ein Zweig mit Quellenspannungen repräsentiert einen aktiven Zweipol

Spannungsabfall

Wird beim Fließen des Stromes in einem Leiter die zur Trennung der Ladungen benötigte Energie Wab, meist in Form von Wärme, wieder frei, spricht man von einem Spannungsabfall. Der Spannungsabfall hat die gleiche Richtung wie der fließende Strom. Ein Zweig ohne Quellenspannungen repräsentiert einen passiven Zweipol

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Messung von elektrischer Spannung Hauptartikel: Spannungsmessgerät

Um eine Spannung zu messen, verwendet man einen Spannungsmesser und, um einen zeitlichen Spannungsverlauf aufzuzeichnen, in der Regel ein Oszilloskop oder einen Messschreiber. Um die Funktionsweise dieser Geräte zu verstehen, sollte man sich die entsprechenden Hauptartikel durchlesen. In diesem Artikel soll es darum gehen, wie man ein Messgerät richtig in eine Schaltung integriert und was man dabei misst.

Allgemein kann man sagen, dass man, um eine Spannung zu messen, die oben beschriebene Stromteiler-Schaltung benutzt. Um den Messbereich gegebenenfalls zu erweitern, benutzt man die Spannungsteiler-Schaltung.

Je nach Messgerät ist das, was man eigentlich misst, der Spannungsabfall an Ri (Innenwiderstand des Messgerätes) oder der Strom durch Ri, der ein Maß für den Spannungsabfall ist. Da jedes Messgerät einen beschränkten Messbereich hat, in dem es innerhalb seiner Fehlergrenzen arbeitet, und einen Bereich der Belastbarkeit, in dem es spannungsfest ist, kann man über einen vorgeschalteten Rv (Vorwiderstand) durch Spannungsteilung den Messbereich erweitern. Hierbei ist zu beachten, dass Ri + Rv im Vergleich zum Widerstand R1 sehr groß sein muss, damit der Großteil des Stromes durch R1 fließt und somit der Gesamtwiderstand der Messschaltung annähernd unverändert bleibt. Das ist wichtig, damit die Messschaltung nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die restliche Schaltung nimmt.

Mathematisch:

Maschengleichungen. Es ist bei der zweiten Maschzu achten, dass sie nur aus passiven Bauelementendurch den Stromfluss der ersten Masche aktiv wirdSpannungsabfall wird zur Quellenspannung

für R1.

Zur („Quellen“)Spannung gehört somit der zur („Quellen“)Spannung der Strom iR2, waumgekehrte Abhängigkeit der Widerstände vom Stzwei Maschengleichungen lauten:

Es ergeben sich somit die Zusammenhänge aus dem

Digitales Vielfachmessgerät


Um herauszufinden, wie groß Ri + Rv im Vergleich zu R1 sein muss, damit bleibt, bzw. damit Rges nur um einen kleinen Betrag von R1 abweicht, nimmt man folgenden Ansatz.

Daraus folgt

Überträgt man den Begriff des relativen Messabweichung f auf diese Schaltung, so erhält man

Fordert man, dass | f | < 1% sein soll, so muss x > 99 sein. Wenn Ri + Rv 100-mal so groß wie R1 ist, ist Rges um 1 % kleiner als R1.

Falls der Strom von A nach B aus einer Konstantstromquelle kommt, wird die Spannung mit einer relativen Abweichung f = -1 % gemessen.

Falls zwischen A und B eine Konstantspannungsquelle anliegt, ist f = 0. Bei jeder anderen Speisung liegt die Messabweichung dazwischen.

Klassifizierung

Zeitabhängige Spannungen

Zeitabhängige Spannungen, sind Spannungen, die ihren Wert über die Zeit verändern, als Formelzeichen wird im deutschsprachigen Raum verwendet. Ändern sich die Werte in einem

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Elektrisches Feld aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Das elektrische Feld ordnet jedem Raumpunkt die richtungsabhängige Größe der elektrischen Feldstärke

zu. Diese ist definiert durch die Kraft , die auf eine in dem Punkt befindliche Ladung Q wirkt:

Die Feldstärke ist also, anders gesagt, die Kraft pro Ladungseinheit. Das elektrische Feld ist ein Vektorfeld.

Allgemeines Die SI-Einheit von ist Newton pro Coulomb oder Volt pro Meter, denn es gilt:

Elektrische Felder gehen von elektrischen Ladungen aus oder entstehen im elektrodynamischen Fall durch zeitlich veränderliche magnetische Flussdichten. Elektromagnetische Wellen wie Licht bestehen aus miteinander verketteten elektrischen und magnetischen Feldern. Aufgrund der engen Beziehung zwischen elektrischem und magnetischem Feld fasst man beide in der Elektrodynamik zum elektromagnetischen Feld zusammen.

Wenn Richtung und Betrag der elektrischen Feldstärke in jedem Punkt gleich sind, die Feldlinien also parallele Geraden sind, heißt das Feld homogen, sonst inhomogen. Das Feld im Inneren eines Plattenkondensators ist näherungsweise homogen (siehe unten). Zeitlich unveränderliche Felder heißen auch stationäre Felder. Die Elektrostatik behandelt stationäre elektrische Felder.

Das elektrische Feld in allgemeiner Form ist sowohl orts- als auch zeitabhängig, . Es ist über die maxwellschen Gleichungen und die spezielle Relativitätstheorie eng mit dem magnetischen Feld verknüpft. In der speziellen Relativitätstheorie werden seine Vektorkomponenten daher untrennbar mit denen des magnetischen Feldes zu einem Tensor zusammengefasst. Je nachdem, in welchem Bezugssystem man sich als Beobachter befindet, d. h. in welcher relativen Bewegung zu eventuell


Name Elektrische Feldstärke

Formelzeichen der Größe E


SI V·m-1 M·L·I-1·T-3

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Homogenes elektrisches Feld 3 Elektrostatisches Feld 4 Literatur 5 Siehe auch

Elektrisches Feld einer positiven Punktladung.

Elektrisches Feld eines Dipols.

Gesichtet (+/−)


vorhandenen Raumladungen, wird so über die Lorentz-Transformation das elektrische Feld in ein magnetisches Feld transformiert und umgekehrt.

Homogenes elektrisches Feld Die Stärke des E-Feldes zwischen zwei (streng genommen unendlich großen) planparallelen Kondensatorplatten beträgt

. Dabei ist d der Abstand zwischen den Platten und U die

Spannung zwischen den beiden Platten.

Die Ladungen Q auf den Kondensatorplatten verteilen sich dabei

gleichmäßig auf den einander zugewandten Plattenaußenseiten. Hier gilt: , σ ist die

Flächenladungsdichte, angegeben in , Q ist die Ladung in C und A die Fläche in m². Diese

Flächenladungsdichte wird auch als elektrische Flussdichte mit D bezeichnet. Die Einheit ist die

selbe wie .

Da die Flächenladungsdichte als ( : Vakuumpermittivität (veraltet: Dielektrizitätskonstante), : dielektrische Funktion) bestimmbar ist, sieht man, dass Kondensatorflächenladungsdichte σ und Feldstärke E direkt proportional miteinander zusammenhängen.

Elektrostatisches Feld Elektrostatische Felder existieren in der nichtleitenden Umgebung ruhender Ladungen, beispielsweise in der Nähe elektrisch aufgeladener Isolierstoffe. Es fließen keine Ströme und sie sind wirbelfrei. Ihre Ursache sind elektrische Ladungen mit der Quellendichte

divD(r) = p(r)

und sie gehören zur Klasse der Quellenfelder.

Literatur Adolf J. Schwab: Begriffswelt der Feldtheorie. Springer, ISBN 3-540-42018-5.

Siehe auch Elektrische Arbeit Elektrostatisches Feld der Erde

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrisches_Feld“

Potential eines elektrischen Dipols.

Kategorien: Theoretische Physik | Elektrodynamik | Elektrotechnik

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Elektrische Leitfähigkeit aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die elektrische Leitfähigkeit, auch als Konduktivität bezeichnet, mit dem Formelzeichen σ (griech. sigma) oder auch als κ oder γ, ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Stoffes angibt, elektrischen Strom zu leiten. Die abgeleitete SI-Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist S/m (Siemens pro Meter). Den Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit nennt man Spezifischer Widerstand.

Die elektrische Leitfähigkeit ist definiert als die Proportionalitätskonstante zwischen der Stromdichte und der elektrischen Feldstärke in der allgemeinen Form des ohmschen Gesetzes:

Leitfähigkeit als Tensor Im speziellen Fall eines homogenen (ortsunabhängigen), isotropen (richtungsunabhängigen) und linearen (feldgrößenunabhängigen) Mediums ist die elektrische Leitfähigkeit ein Skalar (eindimensionaler Wert). Nur in diesem einfachen Fall erfolgt daher die Stromleitung im Leiter proportional und in gleicher Richtung wie das die Stromleitung verursachende elektrische Feld.

Im allgemeinen Fall, wenn eine der obigen Bedingungen nicht zutrifft, ist die elektrische Leitfähigkeit ein Tensor 2. Stufe (Dyade), also ein mehrdimensionaler Wert. Ein Beispiel für ein Material mit solchen Eigenschaften ist der Graphit mit seiner Schichtstruktur.

Herkunft und Kehrwert Es ist zu beachten, dass diese Gleichung – sie zählt zu den drei fundamentalen Materialgleichungen – sich nicht aus den maxwellschen Gleichungen ableiten lässt. Die Maxwellschen Gleichungen mit den Kontinuitätsgesetzen und den Materialgleichungen stellen gemeinsam das Fundament der nicht relativistischen elektrodynamischen Feldtheorie dar.


Name elektrische Leitfähigkeit

Größenart Tensor

Formelzeichen der Größe σ


SI

M−1·L−3·T3·I2

Siehe auch: spezifischer Widerstand, elektrischer Leitwert

Inhaltsverzeichnis 1 Leitfähigkeit als Tensor 2 Herkunft und Kehrwert 3 Formelzeichen und Einheiten 4 Messung 5 Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe 6 Warum ist ein Stoff elektrisch leitfähig? 7 Ursache des elektrischen Widerstandes 8 Temperaturabhängigkeit 9 Quellen 10 Weblinks


Der Leitwert ist der Kehrwert des Widerstandes. Der Leitwert eines normiert dimensionierten Stückes eines leitfähigen Materials ist folglich der Kehrwert des spezifischen Widerstands ρ (griech. rho) und wird als dessen spezifischer Leitwert σ bezeichnet (Leitfähigkeit = spezifischer Leitwert). Beide sind über die Formel

verknüpft.

Formelzeichen und Einheiten Das Formelzeichen für die elektrische Leitfähigkeit ist der griechische Buchstabe σ (sigma). Weitere häufig verwendete Formelzeichen für die elektrische Leitfähigkeit sind κ (kappa) und γ (gamma).

Die abgeleitete SI-Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist S/m (Siemens pro Meter), also A/(V·m). Sehr gebräuchlich sind zudem S/cm, m/Ω·mm² und S·m/mm², wobei die Zusammenhänge 1 S/cm = 100 S/m und 1 m/Ω·mm² = S·m/mm² = 106 S/m gelten. Eine weitere besonders in den USA gebräuchliche Einheit ist IACS. Hier wird die Leitfähigkeit als Prozentwert der Leitfähigkeit reinen geglühten Kupfers ausgedrückt (sogenannter International Annealed Copper Standard). 100 % IACS entsprechen 58 MS/m.

Messung Ein veraltetes Messgerät zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit stammt von Jean-Jacques Rousseau und heißt Diagometer.

Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe Nach der elektrischen Leitfähigkeit unterteilt man Stoffe in

Leiter (insbesondere alle Metalle)

Typischerweise (bei 25 °C): > 106 S/m. Die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle hat Silber.

Isolatoren oder Nichtleiter (die meisten Nichtmetalle sowie Kohlenwasserstoffe und viele organische Verbindungen)

Typischerweise < 10-8 S/m.

Halbleiter (beispielsweise Silizium, Germanium)

Elektrische Leitfähigkeit ausgewählter Materialien bei 300 K

Material „Einordnung“ σ in S/m

Silber Metall 61,39·106

Kupfer Metall ≥ 58,0·106

Gold Metall 44,0·106

Aluminium Metall 36,59·106

Wolfram Metall 18,38·106

Messing (CuZn37) Metall ~15,5·106

Eisen Metall 10,02·106

Chrom Metall 8,74 · 106

Blei Metall 4,69·106

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Bei Halbleitern hängt die Leitfähigkeit von Faktoren, wie Temperatur, Druck oder Belichtung ab. Die Leitfähigkeit liegt im Bereich zwischen Leitern und Isolatoren. Diese Einteilung stammt noch aus der Zeit, als man die Eigenschaften spezieller Halbleiter wie Germanium und Silizium noch nicht kannte. Bei diesen lässt sich die Leitfähigkeit gezielt durch Dotierung (Einlagerung von Fremdatomen) verändern. Diese Stoffgruppe ist vor allem deshalb interessant, weil sich damit spezielle Bauelemente der Elektronik wie z. B. Transistoren herstellen lassen.

Supraleiter (viele Metalle, verschiedene Legierungen, einige wenige Keramiken und manche Fullerene)

Unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur ist die Leitfähigkeit quasi „unendlich“, der elektrische Widerstand verschwindet vollständig.

Bei Elektrolytlösungen spricht man von einer elektrolytischen Leitfähigkeit. Hierbei bezieht man die spezifische Leitfähigkeit auf den Widerstand einer 1- Elektrolytlösung zwischen zwei Elektroden von einem Abstand l = 1 cm und einem Querschnitt von q = 1 cm² , früher bei 18 °C, nach DIN/E-Norm bei 25 °C. Zur auf seine Konzentration bezogenen Leitfähigkeit eines Elektrolyten siehe Molare Leitfähigkeit.

Warum ist ein Stoff elektrisch leitfähig? Die Leitfähigkeit eines Stoffes oder Stoffgemisches hängt von der Verfügbarkeit von beweglichen Ladungsträgern ab. Dies können locker gebundene Elektronen, wie beispielsweise in Metallen, aber auch Ionen oder delokalisierte Elektronen in organischen Molekülen sein. Letztere werden häufig durch mesomere Grenzstrukturen beschrieben.

Wässrige Lösungen zeichnen sich durch eine geringe Leitfähigkeit aus. Sie steigt, wenn dem Wasser Ionen, also Salze, Säuren oder Basen hinzugefügt werden. Dementsprechend hat Meerwasser eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Süßwasser. Reines Wasser (destilliertes oder demineralisiertes) hat eine äußerst geringe Leitfähigkeit und wird gelegentlich bereits als Nichtleiter bezeichnet.

In Halbleitern nutzt man gezielte Verunreinigungen, um die Leitfähigkeit zu beeinflussen (Dotierung). Durch Elektronendonatoren werden sie n-dotiert, durch Elemente, die weniger Elektronen als das Trägermetall haben, p-dotiert. Durch die p-Dotierung entstehen Elektronenfehlstellen, auch Löcher genannt, die die Leitfähigkeit ebenso erhöhen wie überzählige Elektronen in n-dotierten Halbleitern.

Ein Modell zur Veranschaulichung und Erklärung der Leitfähigkeit eines Kristalls ist durch das Bändermodell gegeben.

Ursache des elektrischen Widerstandes

Titan (bei 273 K) Metall 2,56·106

Gadolinium Metall 0,74·106

Germanium Halbleiter 1,45

Silizium Halbleiter 2,52 · 10-4

Edelstahl (1.4301) Metall 1,36 · 106

Tellur – 200

Meerwasser – ~ 5

Leitungswasser – ~ 0,05

reines Wasser – 5 · 10-6

[2]


Elektrische Kapazität aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die elektrische Kapazität oder Kapazitanz (Formelzeichen C, v. lat. capacitas = Fassungsvermögen; Adjektiv kapazitiv) ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines zu diesem Zweck gebauten Kondensators oder einer elektrische Leiteranordnungen definiert, elektrische Ladung zu speichern. Die elektrische Kapazität wird als Verhältnis der zugeführten Ladungsmenge Q zur entstandenen Spannung U bestimmt:

.

Einheit Die elektrische Kapazität wird in der abgeleiteten SI-Einheit Farad gemessen. Ein Farad (1 F) ist die Kapazität eines Kondensators, der beim Anlegen einer Spannung von 1 Volt eine Ladungsmenge von 1 Coulomb (As) speichert:

Die SI-Einheit Farad, genannt zu Ehren des englischen Physikers und Chemikers Michael Faraday, hat sich heutzutage international überall durchgesetzt.

Veraltete Einheit

Bis Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die Kapazität von Kondensatoren allerdings häufig mit der Kapazitätseinheit cm beschriftet. Diese ist keine Längenangabe, sondern rührt daher, dass die Kapazität im heute praktisch kaum noch gebrauchten elektrostatischen CGS-Einheitensystem in der Längendimension


Name Elektrische Kapazität

Formelzeichen der Größe C


SI Farad (F) M−1·L−2·T4·I2

CGS Zentimeter (cm) Länge (L)

Inhaltsverzeichnis 1 Einheit

1.1 Veraltete Einheit 1.2 Umgangssprachliche Begriffsverwendung

2 Kapazitiver Widerstand 3 Zeitkonstante

3.1 Beispiel 4 Kapazität bestimmter Leiteranordnungen 5 Allgemeine Formel

53

ausgedrückt wird.

Die nebenstehende Abbildung zeigt einen Papierkondensator der Firma SATOR aus dem Jahr 1950 mit einer Kapazität laut Aufdruck von „5000 cm“ bei einer Prüfspannung von „2000 V“. Dies wäre eine Kapazität von ca. 5,6 nF im heute üblichen SI-Einheitensystem. Eine Kapazität von 1 cm im CGS-Einheitensystem entspricht 1,1 pF im SI-Einheitensystem, der Umrechnungsfaktor ist 4πε0.

Umgangssprachliche Begriffsverwendung

Der Begriff „Kapazität“ wird unter Elektrotechnikern und Elektronikern häufig auch synonym für das elektrische Bauelement Kondensator (engl.: capacitor) verwendet. Hierbei handelt es sich aber um eine umgangssprachliche, streng genommen unzutreffende Vereinfachung, ein ähnlicher Fall wie der des elektrischen Widerstandes. Siehe auch: "Kapazitätsnormal".

Beim Akkumulator benutzt man einen an seine Eigenschaften angepassten Begriff für die Angabe seiner „Kapazität“. Vordergründig handelt es sich um eine zumeist in Amperestunden angegebene Ladungsmenge. Man legt dabei aber stillschweigend den Betriebsspannungbereich des Akkumulators zugrunde (z.B. 44 Ah/3V), womit es sich qualitativ um eine Kapazität im herkömmlichen Sinne handelt.

Kapazitiver Widerstand für den kapazitiven Widerstand ZC bei der Frequenz f gilt

Zeitkonstante Das Bild zeigt die typische Anwendung einer Kapazität als Teil einer elektrischen Schaltung. Die Spannung Vin wird zum Zeitpunkt t = 0 an die Reihenschaltung eines Widerstandes R und eines Kondensators C gelegt. Nach den Gesetzmäßgkeiten von Reihenschaltungen gelten für die Spannung die Zusammenhänge

Die Differentialgleichung liefert die Lösungen

Papierkondensator mit der Kapazität 5000 cm.

Reihenschaltung eines Widerstandes R und eines

Kondensators C

Spannung VC an der Kapazität als Funktion der Zeit


Das Produkt RC nennt man Zeitkonstante τ (griechisch: tau), die angibt

zu welchem Zeitpunkt nach dem Einschalten die Spannung VC an der Kapazität 63,2 % der Anfangsspannung Vin erreicht hat zu welchem Zeitpunkt nach dem Einschalten der (Lade-)Strom IC durch die Kapazität auf 36,8 % des Anfangswertes Vin/R gesunken ist.

Die Zeitkonstante ist Ursache, dass bei großen Kapazitäten geraume Zeit vergehen kann, bis die Spannung VC ihren Nennwert erreicht.

Beispiel

Ein Kondensator mit C = 100 µF wird über einen Widerstand R = 20 kΩ an eine Spannung Vin = 40 V gelegt. Aus der Zeitkonstante τ = RC = 2 s und den Zeitangaben im Bild folgt, dass nach 3τ = 6 s die Spannung am Kondensator erst 95% des Endwertes 40 V erreicht.

Kapazität bestimmter Leiteranordnungen Kondensatoren als Bauelemente, die wegen ihrer Kapazität eingesetzt werden, sind ausführlich im Artikel Kondensator (Elektrotechnik) dargestellt. Bei einer Reihe von -übersichtlichen- Leiteranordnungen lässt sich die Kapazität exakt bestimmen. Sie liegen häufig den als Kondensator verwendeten Bauelementen zugrunde. Die folgende Tabelle zeigt einige Beispiele:

Hierin bezeichnet ggf. A die Fläche der Leiter, d deren Abstand, l deren Länge, R1 sowie R2 deren Radien. In der schematischen Darstellung sind die Leiter hellgrau bzw. dunkelgrau und das Dielektrikum blau gefärbt.

Bezeichnung Kapazität Schematische Darstellung

Plattenkondensator

Zylinderkondensator

Kugelkondensator

Kugel

Parallele Zylinder (Lecher-Leitung)

Strom IR = IC durch Widerstand und Kapazität als

Funktion der Zeit

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Kondensator (Elektrotechnik) aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein Kondensator („Verdichter“, von lat.: condensus: „dichtgedrängt“, bezogen auf die elektrischen Ladungen) ist ein passives elektrisches Bauelement mit der Fähigkeit, elektrische Ladung und damit zusammenhängend Energie zu speichern. Er besteht aus zwei elektrisch leitenden Flächen in meist geringem Abstand, den Elektroden. Dazwischen befindet sich immer ein Bereich mit isolierender Eigenschaft, ein Dielektrikum, im einfachsten Fall Luft.

Die einfachste Bauform des Kondensators besteht aus zwei glatten, parallelen Platten mit elektrischen Anschlüssen. Neben dem Kondensator zeigt jedes reale elektrische Bauelement ebenfalls kapazitive Effekte.

Wird eine konstante Spannung an die Anschlüsse eines ungeladenen Kondensators angelegt, so fließt kurzzeitig ein elektrischer Strom; er lädt eine Elektrode positiv, die andere negativ auf. Diese elektrische Ladung des Kondensators bleibt erhalten, wenn er von der Spannungsquelle getrennt wird: Der Kondensator behält seine Spannung bei. Entnimmt man dem Kondensator Ladung bzw. einen Strom, sinkt seine Spannung wieder.

Die gespeicherte Ladung ist proportional zur Spannung zwischen den Elektroden des Kondensators. Die Proportionalitätskonstante wird als Kapazität bezeichnet, sie ist das wesentliche Merkmal eines Kondensators. Je größer die Kapazität ist, desto mehr Ladung kann ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichern. Die Gleichung

fasst dies zusammen, Q bezeichnet die Ladung in Coulomb (C) oder Amperesekunden (As), C die Kapazität in Farad (F) und U die Spannung in Volt (V).

Die Maximalspannung, die ein Kondensator zwischen seinen Elektroden ertragen kann, ist daher ein weiteres Merkmal.

Als Kapazitätsnormal wird ein elektrischer Kondensator bezeichnet, der zur Normierung dient.

Kondensatoren sind passive lineare Bauelemente und werden in vielen Anlagen der Elektrik und in nahezu jedem elektronischen Gerät eingesetzt. Sie realisieren beispielsweise elektrische Energiespeicher, Blindwiderstände oder frequenzabhängige Widerstände; spezielle Bauformen werden als Sensor verwendet.

Begrifflich abgegrenzt werden Anordnungen, bei denen die kapazitive Kopplung zweier Elektroden nicht das unmittelbare Ziel oder sogar unerwünscht ist. Begriffe dieser sogenannten parasitären oder begleitenden Kapazitäten sind z. B. „Streukapazität“, „kapazitive Störeinkopplung“ oder „Leitungskapazität“. Ebenfalls nicht zu den Kondensatoren gezählt werden eine Reihe von Aktoren wie piezoelektrische Wandler, elektrostatische Lautsprecher, Ablenkplatten und Bauelemente der Elektrooptik. Diese haben zwar einen ähnlichen Aufbau, der aber unmittelbar nur der Erzeugung eines elektrischen Feldes dient.

Prinzipdarstellung eines Kondensators mit Dielektrikum


Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 1.2 Weiterentwicklung 1.3 Kondensatoren im CGS-Einheitensystem

2 Physikalische Grundlagen 3 Anwendungen

3.1 Energie- und Ladungsspeicher 3.2 Informationsspeicher 3.3 Frequenzabhängiger Widerstand

3.3.1 Energietechnik 3.3.2 Filteranwendungen

3.4 Wandler 3.5 Kondensatoren als Sensor

3.5.1 Änderung der Elektrodengeometrie 3.5.2 Änderung des Dielektrikums

4 Bauarten und Bauformen 4.1 Kondensatoren mit fester Kapazität, Festkondensatoren

4.1.1 Bauformen 4.2 Kondensatoren mit veränderbarer Kapazität 4.3 Kennzeichnungen 4.4 Schaltzeichen

5 Elektrotechnische und systemtheoretische Beschreibung 5.1 Feldenergie 5.2 Zeitbereich 5.3 Phasenverschiebung und Blindwiderstand

6 Beispiel 6.1 Impedanz 6.2 Spektralbereich 6.3 Parallel- und Reihenschaltung

7 Material- und bauartbedingte Merkmale 7.1 Spannungsfestigkeit 7.2 Nichtlineares Verhalten 7.3 Frequenzabhängigkeit 7.4 Temperaturabhängigkeit 7.5 Isolationswiderstand und Selbstentladung 7.6 Verlustfaktor und Erwärmung 7.7 Induktivität und Reihenwiderstand 7.8 Dielektrische Absorption 7.9 Streu- bzw. Parasitärkapazität

8 Quellen und Fußnoten 9 Literatur 10 Weblinks

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Weiterentwicklung

Eine neuere Entwicklung sind Silizium-Kondensatoren. Diese resultieren aus der großen Erfahrung der Halbleiterindustrie mit der Strukturierung von Silizium und bieten dem Anwender frequenzstabile Kapazitätswerte bis in den Gigahertz-Bereich.

In den letzten Jahren erfolgte bei allen dafür geeigneten Kondensatorarten eine Entwicklung zu immer kleinerem Bauvolumen und hin zu oberflächenmontierbaren (SMD) Kondensatoren.

Kondensatoren werden in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt, sie hatten 1998 ein Marktvolumen von 9,2 Milliarden Dollar, wobei 38 % Keramikkondensatoren und 28 % Elektrolytkondensatoren einnahmen. Der Rest verteilte sich überwiegend auf Folien- und Papierkondensatoren.

Kondensatoren im CGS-Einheitensystem

Mitte des 20. Jahrhunderts wurden vor allem Papierkondensatoren, welche in den damals aufkommenden ersten Röhrenempfängern für den Rundfunkempfang eingesetzt wurden, häufig mit der Einheit „cm“ beschriftet, der Kapazitätseinheit im heute kaum noch gebrauchten elektrostatischen CGS-Einheitensystem.

Die nebenstehende Abbildung zeigt einen Papierkondensator der Firma SATOR aus dem Jahr 1950 mit einer Kapazität laut Aufdruck von „5.000cm“ bei einer Prüfspannung von „2.000 V“. Dies wäre eine Kapazität von ca. 5,6 nF im heute üblichen SI-Einheitensystem. Eine Kapazität von 1 cm im CGS-Einheitensystem entspricht 1,1 pF im SI-Einheitensystem, der Umrechnungsfaktor ist 4 πε0.

Physikalische Grundlagen

Die Miniaturisierung in der Elektronik wurde nicht zuletzt auch durch Miniaturisierung

bei den Kondensatoren erreicht. Die Volumeneffizienz eines Keramikkondensators beispielsweise konnte durch Weiterentwicklung in der Fertigungstechnik hin zu MLCC-Keramikkondensatoren bei gleichem C/V-Wert um etwa den Faktor 500

gesteigert werden.

[3]

Papierkondensator mit der Kapazität „5.000cm“.


Bereits Michael Faraday machte darauf aufmerksam, dass zwischen einem gewöhnlichen Leiter und einer Leidener Flasche kein prinzipieller Unterschied besteht. Wird ein Leiter frei in der Luft gehalten und beispielsweise positiv geladen, so werden an den umgebenden Leitern durch Influenz die negativen Ladungen angezogen. Diese Kondensator-Eigenschaft ist zu spüren, wenn man beispielsweise beim Berühren einer Türklinke einen elektrischen Schlag erhält.

Aus physikalischer Sicht unterscheiden sich diese Beispiele hinsichtlich der Anordnung der Elektroden und dem dazwischen liegenden Isolator, der auch als Dielektrikum bezeichnet wird. Bei der Leidener Flasche besteht der Isolator aus Glas, bei dem in der Luft befindlichen Körper isoliert die umgebende Luft. Den Einfluss des Isolators auf den so genannten Verschiebungsstrom, der zwischen den beiden Platten des Kondensator fließt, erfasst ε, das Produkt aus der materialspezifischen Dielektrizitätszahl εr und der Dielektrizitätskonstante ε0 des Vakuums:

.

Da eine scheinbare Stromleitung im Dielektrikum eines idealen Kondensators nur durch den Verschiebungsstrom erfolgt (ein wirklicher Leitungsstrom wird durch das – zwischen den elektrisch leitfähigen Kondensatorplatten liegende – elektrisch isolierende Dielektrikum verhindert), wird die Dielektrizitätszahl daher auch als dielektrische Leitfähigkeit bezeichnet. Sie besitzt für den Verschiebungsstrom im Dielektrikum des Kondensators eine ähnliche Bedeutung wie die elektrische Leitfähigkeit für den Leitungsstrom in den metallischen Zuleitungen bzw. in den metallischen Platten des Kondensators.

Für eine Reihe von idealisierten Elektrodenanordnungen lässt sich das elektrische Feld und die Kapazität des Kondensators exakt bestimmen. In der folgenden Tabelle sind einige wichtige Anordnungen aufgeführt; die Kapazität wird durch C symbolisiert, die Feldstärke im Inneren des Kondensators durch E:

Hierin bezeichnet ggf. A die Elektrodenfläche, d deren Abstand, l deren Länge, R1 sowie R2 deren Radien. In der schematischen Darstellung sind die Elektroden hellgrau bzw. dunkelgrau und das Dielektrikum blau gefärbt. Anzumerken ist hierbei, dass bei den Anordnungen Plattenkondensator und Zylinderkondensator nur der Kapazitätsanteil durch dieses blau dargestellte Dielektrikum berechnet wird. Da auch Felder außerhalb des dargestellten Dielektrikums existieren – die bildlich

Bezeichnung Kapazität Elektrisches Feld SchematischeDarstellung

Plattenkondensator

Zylinderkondensator

Kugelkondensator

Kugel

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gesprochen seitlich herausquellen –, stellen die gegebenen Formeln nur Näherungen dar, die umso besser werden, je geringer der Abstand der Elektroden im Vergleich zu ihrer Länge ist.

Plattenkondensatoren erlauben in einer modifizierten Ausführung sehr hohe Kapazitäten pro Volumen: Indem man die jeweils mit einem Potential verbundenen Elektroden abwechselnd aufeinanderstapelt, werden sie doppelt wirksam. Die Abbildung des Vielschichtkondensators verdeutlicht dies. Sind die Platten als Metallfolie oder -film ausgeführt, können sie bei einem geeigneten Isolator auch aufgewickelt werden, auch dabei verdoppelt sich die Wirkung. Aufgrund seiner kompakten Bauform ist dies der gebräuchlichste Kondensator.

Zylinderkondensatoren werden meist nur bei speziellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise als Vakuum- oder Durchführungskondensator. Die für die Bauform angegebene Gleichung ist aber auch hilfreich, um den Kapazitätsbelag einer Koaxialleitung zu bestimmen.

Bei Kugelkondensatoren ist insbesondere der Spezialfall, von Bedeutung, die Kapazität einer freistehenden Kugel. Hier wird die Gegenelektrode durch die Umgebung gebildet, sie liegt deshalb gewöhnlich auf Erdpotenzial. Die Kapazitäten dieser Bauform sind sehr gering, der Durchmesser einer solchen Kugel entspricht dem Maß ihrer Kapazität im weiter oben besprochenen CGS-Einheitensystem. So hat eine Kugel mit 30 cm Durchmesser, wie sie im Van-de-Graaff-Generator zur Ladungsspeicherung oder in Tesla-Spulen zur Bildung eines LC-Schwingkreises eingesetzt wird, eine Kapazität von 30 pF. Da auf der Kugeloberfläche das elektrische Feld sehr homogen ist, können diese jedoch auf mehrere Millionen Volt aufgeladen werden, bevor es zu einer Funkenentladung kommt.

Die physikalische Herleitung der Enteladedifferentialgleichung befindet sich im Artikel RC-Glied.

Anwendungen

Energie- und Ladungsspeicher

Die gespeicherte Energie hängt nur von der Kapazität C und der Spannung U ab und lässt sich mit folgender Formel berechnen:

Charakteristisch für diese Anwendung ist, dass sich die Spannung bei Energieentnahme verringert. Wenn sich die Spannung nur wenig ändern soll, muss man sehr grosse Kapazitäten C verwenden. Die folgenden Abschnitte geben hierfür konkrete Beispiele.

Eine typische Anwendung in der Leistungselektronik bilden Zwischenkreiskondensatoren in Schaltnetzteilen und Umrichtern. Hierbei übernimmt eine Schaltung (z. B. Gleichrichter, Vierquadrantensteller) die Gleichrichtung von Wechselstrom, dieser Schaltungsteil agiert als Stromquelle. Ein zweiter Schaltungsteil agiert als Senke (z. B. Wechselrichter). Der Zwischenkreiskondensator hat die Aufgabe, den pulsierenden Strom aus dem Gleichrichter aufzunehmen und dem Wechselrichter eine möglichst konstante Spannung zuzuführen. Seine

Aufbau eines Vielschichtkondensators: Das Dielektrikum ist blau, die mit

einem Potentialanschluss verbundenen Elektroden sind dunkelgrau, mit dem anderen

hellgrau dargestellt.


Kapazität ist deshalb so groß, dass der Puls des Ladestroms sowie die Stromentnahme dazwischen nur eine kleine Spannungsänderung bewirken. Die gleiche Funktion haben auch die Glättungskondensatoren am Ausgang von Gleichspannungswandlern und in Gleichspannungsnetzteilen, sie halten deren Brummspannung möglichst klein.

In ähnlicher Weise können Kondensatoren zeitlich begrenzt hohe Leistung bereitstellen (siehe hierzu auch Doppelschichtkondensator). Diese werden auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und können dann Verbraucher mit hohem kurzzeitigem Leistungsbedarf antreiben. Beispiele hierfür sind die Hochspannungs-Kondensatorzündung bei Verbrennungsmotoren und in der Waffentechnik der „exploding-bridgewire detonator“ .

Eine typische Anwendung findet man in Blitzlichtgeräten. Ein Kondensator wird mit Hilfe eines Spannungswandlers innerhalb von einigen Sekunden aus einer Batterie bis etwa 400 V aufgeladen. Nach Zündung der Blitzröhre entlädt sich der Kondensator innerhalb einiger Mikrosekunden und liefert dabei eine Leistung von einigen Kilowatt. Die Batterie selbst kann wegen ihres hohen Innenwiderstandes unmöglich so viel Leistung zur Verfügung stellen.

Stützkondensatoren dienen zur Stabilisierung der Versorgungsspannung in hochfrequenten und komplexen digitalen Schaltungen. Hier werden zu jedem IC oder Schaltungsabschnitt ein oder mehrere Kondensatoren parallel zur Versorgungsspannung geschaltet, die als Spannungs- oder Energiequelle in Momenten hohen Strom- bzw. Leistungsbedarfs wirken. Durch ihre niedrige Impedanz bei hohen Frequenzen verringern sie die Impedanz der übergeordneten Spannungsversorgung oder deren Zuleitung und verhindern eine gegenseitige Beeinflussung der Energieversorgung von Teilschaltungen. Umgekehrt können Kondensatoren störende, zeitlich begrenzte Überspannungen in elektronischen Schaltungen aufnehmen und so ihre Ausbreitung und schädliche Wirkung verhindern. Man nennt dies Glätten oder Abblockung und bezeichnet jene Kondensatoren als Glättungs- oder Blockkondensator. Entstehen die Überspannungen durch Schaltvorgänge an Relais oder Leistungshalbleitern, werden die Kondensatoren speziell als Lösch- bzw. Snubberkondensatoren bezeichnet.

Des Weiteren werden Verschaltungen von mehreren Kondensatoren zum Herauf-, Herabsetzen und zum Invertieren von Versorgungsspannungen genutzt. Hierbei werden Kondensatoren zyklisch auf ein Potential aufgeladen, mit einem anderen Potential verbunden und dort entladen. Gebräuchliche Schaltungen sind die Ladungspumpe und deren spezielle Ausführung als Hochspannungskaskade.

Kondensatoren sind als Energiespeicher in der allgemeinen Stromversorgung für Haushalt und Industrie nicht geeignet, da der Energieinhalt auch bei sehr großen Kondensatoren für diese Zwecke vernachlässigbar ist. Zur Verdeutlichung dieser Aussage kann beispielsweise ein Kondensator mit der für industrielle Kondensatoren schon sehr großen Kapazität von 1 F (1 000 000 µF) dienen. Bei einer Spannungsfestigkeit von 230 V hat dann ein voll geladener Elektrolytkondensator, der für diese Kapazität schon die Abmessungen eines größeren Schuhkartons hat, einen Energieinhalt von 26450 Ws oder 6317 Kalorien. Diese Energiemenge lässt, bei geeigneter Transformation, eine 75 W-Glühlampe nur etwa 6 Minuten lang leuchten oder man kann damit 1 Liter Wasser um 6,3 °C erwärmen. Dieser Vergleich macht deutlich, dass die Speicherung größerer Energiemengen im GWh-Bereich nicht von Kondensatoren bewerkstelligt werden kann.

Informationsspeicher

Der Ladungszustand eines Kondensators kann Information in digitaler oder analoger Form repräsentieren. Zur Speicherung von großen Informationsmengen können einige Milliarden Kondensatoren in einer integrierten Schaltung zusammengefasst werden. Beispiele hierfür sind dynamisches RAM (DRAM), Eraseable Programmable Read Only Memory (EPROM) usw.

[4]

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Elektrotechnische und systemtheoretische Beschreibung Für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche sind eine Reihe von Beschreibungen entwickelt worden, die bestimmte Aspekte des Verhaltens eines Kondensators hervorheben.

Feldenergie

Ein geladener Kondensator speichert elektrische Energie in dem elektrischen Feld, das zwischen den geladenen Platten besteht. Ist ein Kondensator der Kapazität C auf die Spannung U geladen, so enthält sein Feld die Energie W gemäß:

Zum Laden eines Kondensators werden elektrische Ladungen von der einen Platte zur anderen transportiert. Je weiter der Kondensator während dieses Vorgangs bereits aufgeladen ist, desto stärker ist das bereits zwischen seinen Platten herrschende elektrische Feld E, desto mehr Kraft wird ausgeübt, um die Ladung von einer Platte zur anderen zu bringen. Mit steigender Spannung des Kondensators wird daher zunehmend mehr Arbeit für eine weitere Spannungserhöhung verrichtet. Am Schluss ist die während des Aufladens verrichtete Gesamtarbeit als Feldenergie gespeichert. Beim Entladen wird diese wieder frei.

Zeitbereich

Eine Beziehung zwischen Strom und Spannung ergibt sich durch die zeitliche Ableitung der Elementgleichung des Kondensators Q=CU:

Dies bedeutet, dass der Strom durch den Kondensator proportional der Spannungsänderung am Kondensator ist. Die Aussage, dass der Strom proportional der zeitlichen Ableitung der Spannung ist, lässt sich umkehren: Die Spannung ist proportional zum zeitlichen Integral des Stroms. Legt man beispielsweise einen konstanten Strom an, so folgt daraus eine konstante Spannungsänderung, die Spannung steigt linear an.

Das Aufladen und Entladen eines Kondensators durch eine Spannungsquelle über einen Widerstand resultiert in einen exponentiell abflachenden Spannungsverlauf. Es wird ausführlich unter RC-Glied behandelt.

Phasenverschiebung und Blindwiderstand

Eine kosinusförmige Wechselspannung mit der Amplitude US und der Frequenz f bzw. der Kreisfrequenz ω=2π f, also

an einem Kondensator bewirkt den Stromfluss

Phasenverschiebung


Man sieht, dass für den (idealen) Kondensator der Wirkwiderstand RC gleich 0 ist und der Blindwiderstand XC automatisch das negative Vorzeichen bekommt.

Durch diese Betrachtungsweise werden Differentialgleichungen vermieden. Anstelle der Ableitung tritt eine Multiplikation mit 1/jω = -j/ω (mathematisch negativer Drehsinn).

Spektralbereich

Eine Beschreibung im Bildbereich der Laplace-Transformation vermeidet die Beschränkung auf harmonische Schwingung. Ähnlich gilt:

Wobei s=σ+jω die komplexe Koordinate des Bildbereich ist; σ charakterisiert die exponentielle Einhüllende, ω wiederum die Kreisfrequenz.

Parallel- und Reihenschaltung

Kondensatoren sind in einer elektrischen Schaltung als Parallelschaltung miteinander verbunden, wenn dieselbe Spannung an allen Bauteilen anliegt. In diesem Fall addieren sich die Kapazitäten der einzelnen Bauteile zur Gesamtkapazität:

Der gesamte Stromfluss Iges verteilt sich auf den k-ten Kondensator gemäß:

Neben einer Erhöhung der Kapazität und Strombelastbarkeit der Schaltung, reduzieren sich durch parallelgeschaltete Kondensatoren auch deren unerwünschte Eigenschaften wie parasitäre Induktivität und Reihenwiderstand.

Eine Reihenschaltung liegt vor, wenn durch zwei oder mehr Kondensatoren derselbe elektrische Strom fließt. Dann addiert sich der Kehrwert der Kapazität der einzelnen Bauteile zum Kehrwert der Gesamtkapazität:

Diese Schaltung wird beispielsweise angewendet, um eine hohe Spannung auf mehrere Kondensatoren mit geringerer Spannungsfestigkeit zu verteilen, wenn kein Einzel-Bauteil für diese

Parallelschaltung von Kondensatoren

Reihenschaltung von Kondensatoren

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Spannung verfügbar ist. In der Regel wird bei dieser Anwendung den Kondensatoren noch ein definierter hochohmiger Widerstand parallel geschaltet, da der Isolationswiderstand der einzelnen Kondensatoren so stark schwankt, dass die Spannungsaufteilung entsprechend den Isolationswiderständen nicht mit der kapazitiven Spannungsaufteilung übereinstimmt. Das kann zum Defekt von Kondensatoren führen.

Material- und bauartbedingte Merkmale

Spannungsfestigkeit

Reale Kondensatoren können nicht bis zu einer beliebigen Spannung aufgeladen werden. Überschreitet man die zulässige Spannung bis zur „Durchschlagsspannung“, so schlägt der Kondensator durch, das heißt, es fließt plötzlich ein erheblich größerer Strom über eine Funkenstrecke oder auf eine ähnliche Art ab. Meist führt das zur Zerstörung des Kondensators (z. B. Kurzschluss oder gar eine Explosion) und zu weitergehenden Zerstörungen an den Geräten. Manche Kondensatoren besitzen die Fähigkeit zur Selbstheilung, der Durchschlag führt zur lokalen Verdampfung der hierzu besonders dünnen Elektroden. Die Isolation bleibt dann zwar erhalten, der Kondensator verliert jedoch einen bestimmten Teil seiner Kapazität. Die zulässige Höchstspannung ist abhängig von der Einwirkzeit und u.a. von der Temperatur, bei Wechselspannungsanwendungen auch von der Frequenz.

Nichtlineares Verhalten

Besonders Elektrolyt-, Tantal- und ferroelektrische Keramikkondensatoren zeigen einen spannungsabhängige, nichtlinearen Verlauf der Kapazität. Daraus resultiert z.B. bei Anwendungen im Audiobereich ein Klirrfaktor. Dort werden bei hohen Qualitätsanforderungen deshalb oft Folienkondensatoren eingesetzt.

Formal lässt sich ein nichtlinearer Kondensator durch eine von der Momentanspannung u abhängige Dielektrizitätszahl beschreiben. Diese relative Dielektrizitätszahl ist also nicht konstant, sondern ist als Funktion der am Kondensator anliegenden Spannung u zu betrachten. Beispielsweise ist bei einem nichtlinearen Kondensator die spannungsabhängige Kapazität gegeben als:

Die Funktion ist werkstoffabhängig.

Kondensatoren mit ferroelektrischem Dielektrikum weisen bereits bei Nennspannung oft einen Abfall der Kapazität auf einen Bruchteil derjenigen bei Spannung null auf.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren können aufgrund des flüssigen Elektrolyten Störspannungen verursachen, die sich aus dessen schwankender Verteilung ergeben. Sie werden daher bei hohen Anforderungen im Audiobereich nicht als Koppelkondensatoren eingesetzt.

Spannungsfestigkeit und Kapazität verschiedener Kondensator-Technologien


Elektrischer Widerstand aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Der elektrische Widerstand ist in der Elektrotechnik ein Maß dafür, welche elektrische Spannung erforderlich ist, um einen bestimmten elektrischen Strom durch einen elektrischen Leiter fließen zu lassen. Als Formelzeichen für den elektrischen Widerstand wird in der Regel R – wahrscheinlich abgeleitet vom Lateinischen resistere für „widerstehen“ (evtl. auch von den französischen oder englischen Entsprechungen, genaue Herkunft unbekannt) verwendet. Der Widerstand hat die SI-Einheit Ohm, sein Einheitenzeichen ist das große Omega (Ω).

Verwandt mit dem Widerstand ist der spezifische elektrische Widerstand (Formelzeichen ρ). Bei diesem Wert handelt es sich um eine temperaturabhängige Materialkonstante, die eine von der geometrischen Form des ausgeführten Leiters unabhängige Beschreibung der Widerstandseigenschaft ermöglicht.

Geschichte Die elektrische Ladung war seit Coulomb bekannt, die elektrische Spannung seit Volta und die Wirkung des elektrischen Stromes seit Ampère. Ohm kannte die Kraftwirkung der elektrischen Spannung, deshalb konnte er Spannungen durch Kraftmessungen bestimmen. Die Stärke von


Name Elektrischer Widerstand

Formelzeichen der Größe R, Z, X


SI Ohm (Ω) M·L2/(I2·T3)

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Ohmscher Widerstand 3 Gleichstromwiderstand

3.1 Berechnung des Widerstands eines Leiters 3.2 Temperaturabhängigkeit

4 Wechselstromwiderstand 4.1 Zusammenhänge

4.1.1 Wirkwiderstand ist Null 4.1.2 Blindwiderstand ist Null

4.2 Induktiver Widerstand und kapazitiver Widerstand5 Beispiel

5.1 Schwingkreis 6 Der elektrische Widerstand im Teilchenmodell 7 Reihen- und Parallelschaltung

7.1 Reihenschaltung 7.2 Parallelschaltung

8 Differentieller Widerstand 8.1 Negativer differentieller Widerstand 8.2 Positiver differentieller Widerstand

9 Supraleitung 10 Weblinks 11 Quellen

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Strömen konnte er anhand chemischer Prozesse quantitativ bestimmen. Man wusste, dass elektrische Ströme etwas mit der Bewegung der coulombschen Ladungen zu tun haben. Die gesetzmäßigen Zusammenhänge zwischen Spannung und Stromstärke waren unbekannt.

Erste Versuche ließen keine klaren Gesetzmäßigkeiten erkennen. Erst als Ohm begann, einen langen und sehr dünnen stromdurchflossenen Draht auf möglichst konstanter Temperatur zu halten, erkannte er die Proportionalität zwischen Spannung und Stromstärke:

Diese Proportionalität zwischen Spannung und Stromstärke wird durch das von ihm formulierte und nach ihm benannte ohmsche Gesetz beschrieben:

Der von U und I unabhängige Proportionalitätsfaktor R ist der elektrische Widerstand. Dieses einfach erscheinende Gesetz wurde zu einer Zeit gefunden, als es noch keine „richtigen“ Spannungsquellen gab, geschweige denn Spannungs- oder Strommesser. Zudem waren die Messungen von anderen physikalischen Effekten überlagert. Auch waren die Begriffe Spannung, Stromstärke und Widerstand noch nicht allgemein etabliert. Erst vor diesem Hintergrund kann man seine wissenschaftliche Leistung würdigen.

Ohm war aber in Deutschland kein angesehener Wissenschaftler, Professuren wurden ihm zunächst verweigert. Das änderte sich erst, als ihm zahlreiche Würdigungen aus dem Ausland zuteil wurden.

Ohmscher Widerstand Ein ohmscher Widerstand ist ein spezieller elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert (zumindest innerhalb gewisser Grenzen) unabhängig von der Spannung, der Stromstärke und der Frequenz ist. Daher gilt an einem ohmschen Widerstand das ohmsche Gesetz für beliebige Spannungen, Ströme und Frequenzen. Wenn man bei einem solchen ohmschen Widerstand in Form eines U-I-Diagramms die Stromstärke über der Spannung aufträgt, so erhält man eine Ursprungsgerade, der Zusammenhang ist direkt proportional - oder gleichbedeutend:

Näherungsweise und mit Einschränkungen kann ein ohmscher Widerstand durch ein Bauelement − im einfachsten Fall ein Metalldraht − realisiert werden, das üblicherweise auch einfach Widerstand genannt wird.

Gleichstromwiderstand In Gleichstromkreisen gilt für viele wichtige Leiter (z. B. Metalldrähte, Elektrolytlösungen) das ohmsche Gesetz, das heißt die Stromstärke I ist proportional zur angelegten Spannung U. Der Proportionalitätsfaktor heißt elektrischer Leitwert G des Leiters. Er ist der Kehrwert des elektrischen Widerstands R.

Es gilt:

[1]


U = elektrische Spannung I = elektrische Stromstärke

Die Konstante R wird als Gleichstromwiderstand bezeichnet.

Berechnung des Widerstands eines Leiters

Der elektrische Widerstand eines Körpers lässt sich über seine geometrischen Abmessungen und eine materialspezifische Konstante, den spezifischen Widerstand ρ, berechnen.

Für einen in Längsrichtung durchflossenen geraden Leiter mit konstanter Querschnittsfläche A und der Länge l gilt:

Die Querschnittsfläche A berechnet sich für runde Drähte mit dem Durchmesser d nach der Formel:

Bei der Berechnung sollte aber beachtet werden, dass der spezifische Widerstand von der Temperatur abhängig ist.

Temperaturabhängigkeit

Der elektrische Widerstand eines Leiters ist im Wesentlichen von seiner Temperatur und der Frequenz der Spannung abhängig.

Die Frequenzabhängigkeit kann man leicht umgehen, wenn man Gleichstrom verwendet. Dafür wird auch der Begriff Gleichstromwiderstand verwendet. Wie oben beschrieben, berechnet sich der Gleichstromwiderstand eines geraden Leiters durch:

Beispiele für spezifischen Widerstand und Temperaturkoeffizient bei 20 °CMaterial ρ20 in (Ω·mm²)/m α20 in 1/K

Silber 1,587 · 10-2 3,8 · 10-3

Kupfer 1,786 · 10-2 3,9 · 10-3

Silizium 2,3 . 109 -7,5 · 10-2

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Dieses gilt aber nur für die Temperatur, für die der angegebene spezifische Widerstand gilt. Wenn nicht anders angegeben, gilt dieses für eine Ausgangstemperatur von 20 °C. Darauf weist auch die 20 im Index von R hin.

Grundsätzlich ist aber der Widerstand temperaturabhängig. Dieses gilt für alle Materialien.

Dieses Verhalten ist materialabhängig und wird mit dem Linear-Temperaturkoeffizienten α und der Bestimmung des Temperaturunterschieds (ΔT = T − T0) berechenbar. Im allgemeinen beschreibt man diese Änderung durch eine Linearisierung

bei

Für die meisten Materialien und Anwendungen mit nicht zu großen Temperaturbereichen reicht diese lineare Näherung aus, da die Temperaturkoeffizienten höherer Ordnungen dann vernachlässigbar klein sind.

Je nachdem, ob der Widerstandswert mit steigender Temperatur größer oder kleiner wird, unterscheidet man zwischen Kaltleitern oder PTC (Widerstandswert steigt, prinzipiell bei allen Metallen; PTC: positive temperature coefficient) und Heißleitern oder NTC (Widerstandswert sinkt; NTC: negative temperature coefficient).

In der Technik wird die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ausgenutzt, zum Beispiel beim Thermostaten und Widerstandsthermometer (Beispiel: Thermometer mit Pt100-Fühlern) oder bei Thermo-Anemometern (Windmessgeräten).

Es gibt auch verschiedene spezielle Metall-Legierungen, die sich durch einen über weite Temperaturbereiche annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand auszeichnen, → Messwiderstand.

Wechselstromwiderstand An einem linearen, rein ohmschen Widerstand R, der von Wechselstrom durchflossen wird, sind Spannung und Strom in Phase. Wenn allerdings kapazitive oder/und induktive Komponenten X hinzukommen, bewirkt dies eine frequenzabhängige Phasenverschiebung und Widerstandsänderung, da der Betrag des Blindanteils frequenzabhängig ist. Der Quotient aus den Amplituden oder Effektivwerten von Spannung und Strom wird als Scheinwiderstand oder Impedanz Z bezeichnet. In der komplexen Wechselstromrechnung wird der Scheinwiderstand mit dem Phasenverschiebungswinkel φ als Impedanz zusammengefasst. Durch Zerlegung in rechtwinklige Komponenten ergeben sich der Wirkwiderstand R und der Blindwiderstand X, der durch Kapazitätenbeziehungsweise Induktivitäten verursacht wird (siehe Beispiel). Der Wirkwiderstand, welcher nicht frequenzabhängig ist, wird auch als ohmscher Anteil der Impedanz bezeichnet.


Elektronen durch das elektrischen Feld in Richtung der Feldlinien beschleunigt. Es fließt ein elektrischer Strom.

Auf ihrem Weg durch das Metall kommt es zu elastischen Stößen der Elektronen mit anderen Elektronen, den Atomrümpfen und Phononen. Dabei geben die Elektronen Energie an ihre Stoßpartner ab, werden gestreut und wieder durch das elektrische Feld beschleunigt. Die Elektronen werden durch diese Wechselwirkung dauernd abgebremst und es stellt sich eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit ein.

Die bei diesen Stößen an die Atomrümpfe beziehungsweise Phononen übertragene Energie führt zu einer größeren Eigenschwingung um ihre Gleichgewichtslage, ihre Temperatur erhöht sich. Durch die stärkeren Schwingungen erhöht sich die Querschnittsfläche für mögliche Stöße, deren Anzahl mit steigender Temperatur zunimmt und den Widerstand steigen lässt (Kaltleiter). Der Leitungsvorgang in Heißleitern kann mit diesem Modell nicht vollständig erklärt werden, da es hier mit steigender Temperatur zu einer deutlichen Ladungsträgergeneration kommt, die den eben beschriebenen Vorgang überlagern.

Bei sehr hohen Temperaturen, bei denen die Atome des Materials ionisiert werden (Plasma), ist jeder Stoff elektrisch leitend, da die vorher gebundenen Elektronen nun für den Ladungstransport zur Verfügung stehen. Umgekehrt sind Metalle und Oxide bekannt, für die der elektrische Widerstand bei sehr niedrigen Temperaturen unterhalb der so genannten Sprungtemperatur verschwindet: Supraleiter.

Durch die thermische Bewegung der Elektronen entsteht ein temperaturabhäniger Rauschstrom, der als Widerstandsrauschen bezeichnet wird.

Reihen- und Parallelschaltung

Reihenschaltung

Werden n Widerstände in Reihe geschaltet, so addieren sich die Widerstände:

Veranschaulichen kann man sich dieses an zwei Widerständen, die sich nur in der Länge unterscheiden.

Die Reihenschaltung ergibt einen Widerstandskörper der Länge l1 + l2. Dann gilt:

Parallelschaltung

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Bei der Parallelschaltung von n Widerständen addieren sich die Leitwerte beziehungsweise die reziproken Widerstände:

alternative Schreibweise:

Formel für zwei parallele Widerstände:

Schreibweise als Leitwerte:

Der Leitwert ist der Kehrwert des Widerstandes, seine SI-Einheit ist das reziproke Ohm, das auch den besonderen Namen Siemens führt.

Man veranschaulicht sich diesen Zusammenhang an der Parallelschaltung zweier Widerstände, die sich nur in ihrer Querschnittsfläche A unterscheiden.

Man erhält einen Widerstand vom Gesamtquerschnitt A1 + A2, also gilt:

und daher

Sind in einer Parallelschaltung nur Widerstände eines gleichen Wertes vorhanden, () so kann der Gesamtwiderstand errechnet werden, indem man den


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Einzelwiderstand durch die Anzahl der Widerstände in der Schaltung dividiert.

Rn = Einzelwiderstand

n = Anzahl der Widerstände

Differentieller Widerstand Bei nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinien - wie zum Beispiel von Dioden - ist der Quotient für jedes Strom-Spannungspaar unterschiedlich. In diesem Fall gilt das ohmsche Gesetz nicht und man kann nicht von einem ohmschen Widerstand R sprechen. Kleine Spannungsänderungen sind jedoch näherungsweise proportional zu kleinen Stromänderungen. Der Quotient aus kleiner Spannungsänderung und zugehöriger Stromänderung bei einer bestimmten Spannung wird als differentieller Widerstand r bezeichnet. In einem Diagramm, in dem U über I aufgetragen wird, entspricht er der Steigung der Tangente am betrachteten Punkt der Kennlinie.

Negativer differentieller Widerstand

Der differentielle Widerstand kann in einem Teil der Kennlinie negativ sein, so dass die Stromstärke bei steigender Spannung sinkt beziehungsweise die Stromstärke bei sinkender Spannung steigt. Im Bild ist das im Bereich VP < V < VV der Fall. Ein negativer differentieller Widerstand kann zum Anregen (Entdämpfen) von Schwingkreisen oder zur Erzeugung von Kippschwingungen verwendet werden (Oszillator). Der negative differentielle Widerstand tritt zum Beispiel bei Gasentladungen, Bauteilen wie Avalanche- oder Tunneldioden auf, aber auch bei komplexeren Modulen wie z.B. Schaltnetzteilen auf der Eingangsseite.

Positiver differentieller Widerstand

Bei positiven differentiellen Widerständen nimmt der Strom mit zunehmender Spannung zu. Alle real existierenden Schaltungselemente besitzen in einem Teil ihrer Kennlinie, jedoch stets für sehr große Werte, einen positiven differentiellen Widerstand. Die meisten Elemente in der Schaltungstechnik besitzen einen ausschließlich positiven differentiellen Widerstand.

Beispiele: realer Widerstand, Diode, Zener-Diode, alle halbleitenden Keramiken.

Supraleitung

Strom- Spannungscharakteristik einer Tunneldiode

Widerstand (Bauelement) aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein Widerstand ist ein zweipoliges passives elektrisches Bauelement zur Realisierung eines ohmschen Widerstandes in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Hauptanwendungen sind:

Einstellen eines bestimmten elektrischen Stromes bei einer gegebenen elektrischen Spannung (Vorwiderstand) Einstellen einer bestimmten elektrischen Spannung durch einen gegebenen elektrischen Strom (Arbeitswiderstand, Shuntwiderstand) Teilen einer elektrischen Spannung in einem bestimmten Verhältnis (Spannungsteiler). Dazu werden mindestens zwei oder mehr Widerstände in Reihe geschaltet (Reihenschaltung). Teilen eines elektrischen Stromes in einem bestimmten Verhältnis (Stromteiler). Dazu werden mindestens zwei oder mehr Widerstände parallel geschaltet (Parallelschaltung). Erzeugung eines definierten Pegels für den Fall, dass ein Anschluss eines elektrischen Bauteils (z.B. IC) nicht beschaltet bzw. über einen elektrischen Leerlauf mit dem Rest der Schaltung verbunden ist (z.B. Pullup- bzw. Pulldown-Widerstand)

Allgemeines Ein elektrisches Bauteil, mit dessen Hilfe sich ein beliebiger Widerstandswert zwischen zwei Grenzwerten einstellen lässt, heißt Potentiometer, im Fachjargon auch Poti genannt. Es besitzt drei Anschlüsse, die des einfachen Bauteils Widerstand und einen dritten Schleifer-Anschluss für das Abgreifen des eingestellten Widerstandswertes.

Schaltzeichen für

elektrischen Widerstandnach DIN EN 60617

Schaltzeichen für

elektrischen Widerstandnach ANSI

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Kenngrößen 3 Einteilung 4 Bauformen und Materialien 5 Festwiderstände

5.1 Abstufung der Widerstandswerte 5.2 Angaben auf Widerständen

5.2.1 Alphanumerische Beschriftung 5.2.2 Angaben auf SMD-Widerständen 5.2.3 Farbcodes von Widerständen

6 Parameterabhängige Widerstände 6.1 Temperaturabhängige Widerstände 6.2 Fotowiderstände 6.3 Spannungsabhängige Widerstände 6.4 Druck- und dehnungsabhängige Widerstände

7 Verstellbare Widerstände 8 Siehe auch 9 Weblinks


Ein linearer Widerstand, dies sind alle Widerstände deren Widerstandswert von keinen weiteren Parameter abhängt, stellt einen elektrischen Strom proportional zur angelegten elektrischen Spannung und umgekehrt ein. Er dient so als Strom-Spannungs-Wandler oder als Spannungs-Strom-Wandler und kann nicht den Strom wie eine elektrische Sicherung lediglich begrenzen.

Kenngrößen Neben dem Widerstandswert sind für einen Widerstand folgende weitere Werte kennzeichnend:

maximale Verlustleistung Temperaturkoeffizient (TK-Wert, angegeben in der Form TKxxx mit xxx = ppm delta R pro Kelvin) Spannungsfestigkeit Stabilität über die Lebensdauer, oft bei einer bestimmten Spannung parasitäre Induktivität (induktionsarme Widerstände) parasitäre Kapazität Rauschen (das Rauschen steigt nicht nur mit dem Widerstandswert, sondern ist auch material- und spannungsabhängig) Impuls-Belastbarkeit (kurzzeitige Überlastbarkeit)

Einteilung Elektrische Widerstände als Bauelement lassen sich nach verschiedenen Kriterien gruppieren, zum Beispiel:

Bauform Leistung Widerstandsmaterial

Eine weitere Einteilung ist die nach der Verwendung (von oben nach unten sinkende Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität):

Präzisionswiderstände (<0,1%, in analogen Schaltungen mit Operationsverstärkern) Messwiderstände (<0,5%, siehe auch Shunt) Spannungsteiler, Stellwiderstände (fest oder variabel in Form eines Potentiometers oder Trimmwiderstandes) Arbeitswiderstand, Vorwiderstand, allgemeine Anwendungen in elektronischen Schaltungen (1…5%, Massenware), Abschlusswiderstand (siehe Dummyload) Pullup- / Pulldown-Widerstand, digitale Schaltungen (>10%, oft als Widerstandsarrays)

Bauformen und Materialien Die bekannteste Widerstands-Bauform ist der zylindrische keramische Träger mit axialen Anschlussdrähten. Diese Anschlussdrähte werden z.B. durch Löcher in Platinen geführt und mit den dort angeordneten Leiterbahnverbindungen verlötet. Ein keramischer Träger ist mit dem Widerstandsmaterial beschichtet, das entweder durch seine Zusammensetzung, Schichtdicke oder durch Einkerbungen (Wendelung) seinen gewünschten Widerstandswert erhält. Die maximale Verlustleistung liegt

73

Ohmsches Gesetz aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Als ohmsches Gesetz – benannt nach seinem Entdecker Georg Simon Ohm – wird die bei bestimmten elektrischen Leitern vorliegende lineare Abhängigkeit des Spannungsabfalls U vom hindurchfließenden elektrischen Strom I bezeichnet. Also:

Die Proportionalitätskonstante wird dabei als elektrischer Widerstand des Bauteils bezeichnet und mit R notiert, womit sich die Gleichung

ergibt. Um die Proportionalität von Spannung und Stromstärke bei konstantem Widerstand zu betonen, schreibt man auch

Durch diese Gleichung wird der ohmsche Widerstand, der dem elektrischen Widerstand entspricht, definiert.

Feldstärke und Stromdichte Den Widerstand eines Materials kann man bezüglich der geometrischen Abmessungen des Materials darstellen:

wobei l die Länge und A die Querschnittsfläche des betrachteten Leiters und ρ der spezifische elektrische Widerstand ist. Zusätzlich gilt:

wobei der Einheitsvektor in Betrachtungsrichtung und bzw. die Vektoren der Breite bzw. Höhe des betrachteten Flächenelements ist (siehe Abbildung).

Inhaltsverzeichnis 1 Feldstärke und Stromdichte 2 Mikroskopische Betrachtungsweise / maxwellsche Materialgleichung 3 Gültigkeitsbereich 4 Weblinks

Entdeckung des ohmschen Gesetzes (Deutsche Bundespost 1994)

Zusammenhänge im ohmschen Gesetz


Dadurch lässt sich das ohmsche Gesetz folgendermaßen ausdrücken:

Mit

( bezeichnet jeweils den Einheitsvektor in die im Index angegebene Richtung) folgt daraus die Gleichung:

mit ρ = σ − 1

Hierbei ist E die elektrische Feldstärke, J die elektrische Stromdichte und σ der spezifische elektrische Leitwert. Die elektrische Stromdichte wird hierbei in der Literatur auch mit j oder S bezeichnet.

Der spezifische elektrische Leitwert σ – und folglich auch der spezifische elektrische Widerstand ρ –sind von der Feldstärke E bzw. der Stromdichte J abhängig. Ist diese Abhängigkeit im Betriebsbereich des Materials vernachlässigbar gering, so spricht man von einem linearen Leiter bzw. einem linear wirkenden Leiter.

Mikroskopische Betrachtungsweise / maxwellsche Materialgleichung In einer mikroskopischen Betrachtung wird das ohmsche Gesetz durch die lineare Abhängigkeit zwischen dem Stromdichte-Vektorfeld und dem elektrischen Feldstärke-Vektorfeld beschrieben, also

.

In isotropen Materialien ist der Tensor σmn durch einen Skalar approximierbar und es gilt:

.

Wenn man die Bewegung freier Elektronen wie die ungeordnete Molekülbewegung eines Gases betrachtet, kann man Konstanz der elektrischen Leitfähigkeit plausibel machen. Die Zähldichte n der Elektronen ist dann innerhalb des Leiters konstant. Die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen ist

.

Die mittlere Wegstrecke λ zwischen zwei Stößen an Ionen im Metall wird in einer typischen Zeit τs zurückgelegt:

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Wirkungsgrad aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von abgegebener Leistung (Pab = Nutzen) zu zugeführter Leistung (Pzu = Aufwand).

Die dabei entstehende Differenz von zugeführter und abgegebener Leistung bezeichnet man als Verluste oder genauer Verlustleistung. Der Gütegrad beschreibt im Gegensatz dazu nur die inneren Verluste einer Maschine und fällt meistens erheblich besser aus.

Der Wirkungsgrad wird verwendet, um die Effizienz von Energiewandlungen, aber auch von Energieübertragungen zu beschreiben. Neben der allgemeinen Definition haben sich auch weitere Begriffe, wie beispielsweise Nutzungsgrad oder Arbeitszahl etabliert, die je nach Fachbereich bestimmte Randbedingungen und Besonderheiten des Energieflusses in den betrachteten Systemen berücksichtigen.

Der Wirkungsgrad wird mit η (Eta) bezeichnet. Er ist eine dimensionslose Größe und hat einen Wert zwischen 0 und 1 oder, in Prozent ausgedrückt, zwischen 0 und 100 %.

Pab ist beispielsweise die Leistung, die ein Elektromotor an der Welle abgeben kann; Pzu ist die elektrische Leistung, die man dem Motor zuführen muss. Die momentane aufgenommene oder abgebene Leistung kann unabhängig vom Wirkungsgrad sehr unterschiedlich sein, wenn Energieaufnahme und -abgabe zeitlich versetzt auftreten, etwa beim Auf- und Entladen eines Akkumulators, oder bei der Aufnahme solarer Energie durch Pflanzen und späterer Energiefreisetzung durch Verbrennen.

Der Wirkungsgrad elektrischer Maschinen oder Vorrichtungen enthält folgende Verluste: mechanische, elektrische, Eisen- und Kupferverluste.

Inhaltsverzeichnis 1 Wertebereich 2 Mechanischer Wirkungsgrad 3 Wärme-Wirkungsgrade

3.1 Thermischer Wirkungsgrad/Prozesswirkungsgrad3.2 Feuerungstechnischer Wirkungsgrad 3.3 Kesselwirkungsgrad 3.4 Isentroper Wirkungsgrad 3.5 Anlagenwirkungsgrad 3.6 Jahresnutzungsgrad 3.7 Normnutzungsgrad

4 Wirkungsgrade größer 100 % 5 Beispiele

Darstellung des Wirkungsgrads einer

Glühbirne in einem Sankey-Diagramm


Beispiele

Wirkungsgrad, Beispiele

Maschine, Prozess Aufgewandte Energie Nutzenergie Wirkungsgrad / %

Bereitstellung von Nutzenergie

GuD-Kraftwerk (Erdgas) chemisch elektrisch 55-60

Leichtwasserreaktor nuklear elektrisch 33

MHD-Generator thermisch elektrisch <30

Solarzelle Strahlung (Sonnenlicht) elektrisch 5-22 (40)

Thermoelement thermisch elektrisch < 30

Wärmekraftwerk (Kohle) chemisch elektrisch 25-45

Wärmekraftwerk oder Motor mit Kraft-Wärme-Kopplung (5)

chemisch elektrisch & thermisch bis 98

Wasserkraftwerk mechanisch elektrisch 80-90

Windkraftanlage mechanisch mechanisch bis 50

Maschinen und Geräte

Brennstoffzelle chemisch elektrisch 20-70

Dampfmaschine chemisch mechanisch 3-44

Dieselmotor (11) chemisch mechanisch bis zu 45

Zweitaktdieselmotor (bei Resonanzdrehzahl) chemisch mechanisch 55

Elektromotor elektrisch mechanisch 20 - 99,5

Fahrraddynamo (7) mechanisch elektrisch 20 - 60

Generator (6) mechanisch elektrisch 95 - 99,5

Glühlampe (keine Halogenlampe) elektrisch elektromagnetisch

(Licht) 3-5

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (9) elektrisch elektrisch 95

Lautsprecher (8) elektrisch akustisch 0,1-40, typ. 0,3 für Hifi

LED elektrisch elektromagnetisch (Licht) 5-25

Ottomotor (10) chemisch mechanisch bis zu 37

Schaltnetzteil (für elektrische oder elektrisch elektrisch 50-95

77

Bemerkungen:

(1) Gesamtwirkungsgrad, d. h. auch einschließlich Energie, die zur Bereitstellung der Reaktionsmoleküle erforderlich ist.

elektronische Geräte)

Sendeanlage elektrisch elektromagnetisch (Radiowellen) 30-80

Thermoelement (12) thermisch elektrisch 3-8

Transformator elektrisch elektrisch 50-99,8

Turbinentriebwerk (zivile Luftfahrt) chemisch mechanisch 40

Wechselrichter elektrisch elektrisch 93-98

Zahnradpumpe mechanisch mechanisch bis 90

Wärmeproduktion

Gaskocher chemisch thermisch 80-90

Gaskocher (Kochstelle) (3) chemisch thermisch 20-75

Kohleofen (Haushalt) chemisch thermisch 30-50

Kohleofen (Industrie) chemisch thermisch 80-90

Glühlampe (keine Halogenlampe) elektrisch thermisch

(Heizung!) 95-97

Lagerfeuer (3) chemisch thermisch 80-90 (?)

Lagerfeuer (Kochstelle) (3) chemisch thermisch < 15

Offener Kamin chemisch thermisch 10-30

Sonnenkollektor elektromagnetisch (Sonnenstrahlung) thermisch < 85

Natürliche Prozesse

Photosynthese-Reaktion elektromagnetisch (Sonnenlicht) chemisch 35

Glühwürmchen (Leuchtreaktion) chemisch elektromagnetisch

(Licht) < 95

Umfangreichere Prozesse

Kohle-Abbau (Abbau von Kohle und anschließende Verbrennung) (2)

chemisch thermisch 30-60 (?)

Photosynthese (Erzeugung von Biomasse und anschließende Verbrennung) (1)

elektromagnetisch (Sonnenlicht) chemisch 0,1-2,5


(2) Wirkungsgrad der Kohleförderung: Wieviel Tonnen Braun/Steinkohle muss ich fördern und für die Produktionsanlagen verstromen, um eine Tonne verkaufen zu können? (3) Ein Lagerfeuer setzt den Heizwert des Brennstoffs mit hohem Wirkungsgrad in Wärme um (Unterscheidung zwischen Brenn- und Heizwert beachten). Aber nur ein geringer Teil der Wärme erhitzt einen Topf, der über dem Feuer hängt. Der größte Teil erwärmt die umgebende Luft. (5) Mit Berücksichtigung der Wärme spricht man häufiger vom Nutzungsgrad. Der Wirkungsgrad zur Erzeugung von Strom ist bei Auskopplung von Wärme geringer, als ohne Wärmeentnahme. (6) Gas-, Dampf- bzw. Wasserturbinen besitzen einen Wirkungsgrad über 95 %. Es ist die Bereitstellung der Prozessmittel (strömendes Gas, Wasser) aus (4), und die Umform- und Leitungsverluste, die den Wirkungsgrad bis zur Steckdose auf unter 30 % begrenzen. (7) Bei fast allen Fahrraddynamos ist der Wirkungsgrad bei ca. 20 % anzutreffen, besonders effektive Dynamos mit Reiberädchen erreichen 25-30 %. 60 % lassen sich nur durch alternative Bauarten im optimalen Geschwindigkeitsbereich erreichen. (8) Anders als bei Bühnenlautsprechern ist bei Heim-Lautsprechern und Studio-Monitoren die klangneutrale Wiedergabe wichtiger als "lauter" Wirkungsgrad. Bei Lautsprechern wird in den Daten häufig der sogenannte "Wirkungsgrad" angegeben, der gar keiner ist. Was man dort findet ist der Kennschalldruckpegel in dB/W/m (dB pro Watt in einem Meter Abstand), was unwissenderweise gerne mit Wirkungsgrad bezeichnet wird. (9) ohne Leitungsverluste (10) siehe (11). (11) Bei Volllast im mittleren Drehzahlbereich (etwa 2.000 1/min) haben heutige Verbrennugsmotoren den höchsten Wirkungsgrad. Sowohl bei Teillast wie bei Verlassen der optimalen Drehzahl verringert sich der Wirkungsgrad. Am stärksten bei Otto-Saugmotoren, deutlich weniger bei Otto-Einspritzmotoren, am wenigsten bei Dieselmotoren. Bei Betrachtung des Wirkungsgrads bezogen auf die Transportleistung werden bei geringen Geschwindigkeiten weiterhin die zusätzlichen Verbraucher an Bord eines KFZs immer dominanter, so daß sich im Stand ein Transportwirkungsgrad von 0% ergibt. (12) Thermoelemente werden für manche Zwecke auch zur Bereitstellung von Nutzenergie verwendet.

Beispiele für den Wirkungsgrad von Lichtquellen siehe: Lichtausbeute.

Angabe des Wirkungsgrades bei Lautsprecherdaten Akustischer Wirkungsgrad η (Eta) eines Lautsprechers:

Pak = abgegebene akustische Leistung

Pe = zugeführte elektrische Leistung Die Definition des akustischen Wirkungsgrads stimmt mit der des akustischen Umsetzungsgrads überein.

In den Lautsprecherdaten wird nie der sehr niedrige Wirkungsgrad in Prozent angegeben, sondern der Kennschalldruckpegel in dB/W/m, der unrichtig mit "Wirkungsgrad" bezeichnet wird. Der Wirkungsgrad liegt zwischen 0,002 und 0,02 - also nur zwischen 0,2 und 2 Prozent. Er kann in den Kennschalldruck umgerechnet werden:

79

Reihenschaltung aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die Reihenschaltung beschreibt in der Elektrotechnik und Elektronik die Hintereinanderschaltung zwei oder mehrerer Bestandteile in einem Schaltkreis.

Bei der Reihenschaltung werden die Bestandteile des Schaltkreises in Reihe geschaltet. Zwei Schaltkreiselemente sind in Reihe geschaltet, wenn deren Verbindung keine Abzweigung aufweist. Damit werden beide vom selben Strom durchflossen. Die Reihenschaltung wird auch als Hintereinanderschaltung oder Serienschaltung bezeichnet. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Elemente ist beliebig.

Bei der Serienschaltung in der Elektroinstallation handelt es sich nicht um eine Reihenschaltung.

Eigenschaften einer elektrischen Reihenschaltung

Die Reihenschaltung mehrerer Bauteile hat folgende Eigenschaften:

Alle Elemente werden vom selben Strom durchflossen. Die Reihenschaltung von Spannungsquellen ermöglicht es, bei richtiger Polung höhere Gesamtspannungen zu erzeugen. Dies wird z. B. in Batterien und Solarzellen angewandt. Die Reihenschaltung ist anfällig für Ausfälle. Wenn ein einzelnes Element ausfällt oder

Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften einer elektrischen Reihenschaltung

1.1 Analoga in der Verfahrenstechnik

2 Gesetzmäßigkeiten von Reihenschaltungen

2.1 Strom 2.2 Spannung 2.3 Leistung

3 Reihenschaltungen 3.1 Spannungsquellen 3.2 Widerstände

3.2.1 Spannungsteiler 3.3 Kapazitäten 3.4 Induktivitäten 3.5 Memristivitäten 3.6 Dioden 3.7 Transistoren 3.8 Gasentladungen 3.9 Glühlampen

4 Siehe auch 5 Weblinks

Reihenschaltungen zweier Schaltkreiselemente

Reihenschaltungen von Lampen bzw. Widerständen


entfernt wird, fällt die komplette Reihe aus (Beispiel: Lampen in der Lichterkette). Aus diesemGrund sind auch Sicherungen in Reihe zum Verbraucher geschaltet.

Analoga in der Verfahrenstechnik

In der Verfahrenstechnik ermöglicht die Reihenschaltung von Modulen zum Trennen oder Filtern das Erreichen höherer Trennziele. Durch mehrere hintereinandergeschaltete Stufen in Turbokompressoren werden höhere Gesamt-Druckdifferenzen erzielt.

Gesetzmäßigkeiten von Reihenschaltungen Bei Gleichspannung bzw. bei ohmschen Widerständen gilt das Ohmsche Gesetz: , dabei ist U die Spannung in Volt, R der Widerstand in Ohm und I die Stromstärke in Ampere.

Der Gesamtwiderstand einer Reihenschaltung nimmt mit jedem weiteren Verbraucher zu. Der Gesamtwiderstand ist also stets größer, als der größte Einzelwiderstand. Ausnahme ist ein Reihenschwingkreis an Wechselspannung.

Strom

Der Strom I, manchmal auch als I0 bezeichnet, ist für alle Verbraucher in der Frequenz, Phase und Amplitude identisch.

I = I1 = I2 = ... = In

Spannung

Bei der Reihenschaltung verteilt sich die Spannung nach der Kirchhoffschen Maschenregel auf die einzelnen Verbraucher. Die Summe der Teilspannungen ist bei Gleichspannung bzw. bei ohmschen Verbrauchern gleich der Gesamtspannung Uges, manchmal auch als U0 oder einfach nur U bezeichnet.

Bei Wechselspannung und Teilspannungen, die an sich unterschiedlich reaktiv verhaltenden Elementen (Widerstände, Spulen, Kondensatoren) abfallen, addieren sich die Teilspannungen vektoriell zur Gesamtspannung. Die einfache Addition der Beträge liefert eine zu hohe Gesamtspannung. In Einzelfällen kann die Teilspannung an einer Komponente der Reihenschaltung die Gesamtspannung sogar übersteigen.

Leistung

Die Gesamtleistung ist die Summe der Leistungen eines jeden Verbrauchers:

mit ergibt sich

81

da folgt

Reihenschaltungen

Spannungsquellen

Die bei der Reihenschaltung von galvanisch getrennten Spannungsquellen (z.B. Batterien) sich bildende Gesamtspannung ist die Summe der Teilspannungen, deren Vorzeichen nach der Maschenregel zu beachten ist.

Werden ungleichnamige Pole miteinander verbunden, entsteht eine höhere Gesamtspannung, beim Verbinden gleichnamiger Pole entsteht die Differenzspannung.

Die Innenwiderstände der Spannungsquellen summieren sich.

Widerstände

Ein Beispiel ist die Anreihung von Glühlampen in einer Lichterkette. Eine Unterbrechung des Stromkreises an einer Stelle (z.B. Durchbrennen einer Lampe) unterbricht den Strom für alle Teile der Kette. Lichterketten-Lampen sind daher manchmal mit zusätzlichen Elementen ausgerüstet, die in Folge der nach dem Durchbrennen auftretenden höheren Spannung einen Kurzschluss herstellen.

Für die an den einzelnen Komponenten abfallenden Spannungen gilt die Kirchhoff'sche Maschenregel, nach der die Summe der Teilspannungen gleich der Gesamtspannung ist. Die Abbildung rechts zeigt dies am Beispiel von zwei Widerständen.

Bei der Reihenschaltung fließt durch alle Widerstände der gleiche Strom I. Daraus ergibt sich nach dem ohmschen Gesetz für die Spannungen:

und

.

Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung ist (die Summe aller

Schematische Darstellung von zwei in Reihe geschalteten

Widerständen


Einzelwiderstände):

.

Analog dazu berechnet sich der Strom zu:

Allgemein geschrieben ergibt sich somit folgende Gleichung:

Sind statt der Widerstandswerte die Leitwerte gegeben, so werden die Rechengesetze von parallelgeschalteten Widerstände angewendet.

Spannungsteiler

Der Spannungsteiler ist eine spezielle Anwendung der Reihenschaltung von Widerständen. Er besitzteinen Abgriff (Abzweig) an der Verbindungsstelle; der dort entnommene Strom ist in der Regel jedoch so klein, dass die Widerstände weiterhin als Reihenschaltung berechnet werden können.

Spannungsteiler sind bei Wechselspannung auch mit Kondensatoren und Induktivitäten realisierbar.

Kapazitäten

Bei der Reihenschaltung von Kondensatoren ist die Gesamtkapazität gleich dem Kehrwert der Summe der Kehrwerte der Einzelkapazitäten:

bringt man die Gleichung auf einen gemeinsamen Nenner erhält man folgende Gleichung N parallelgeschalteten Kondensatoren ohne Doppelbruch (da in dem Produkt im Nenner mit Cj gekürzt wird).

Schaltschema eines Spannungsteilers

Reihenschaltung von Kondensatoren

83

Die Formel entspricht einer Reihenschaltung der Leitwerte (s.o).

Das In-Reihe-Schalten mehrerer gleichartiger Kondensatoren erfordert bei Gleichspannung eine Symmetrierung, um die gleichmäßige Aufteilung der Gesamtspannung auf die einzelnen Kondensatoren zu erreichen. Dazu schaltet man jedem Kondensator einen Widerstand parallel.

Induktivitäten

Bei der nicht magnetisch gekoppelten Reihenschaltung von Induktivitäten (Spulen) ist die Gesamtinduktivität wie bei Widerständen die Summe der einzelnen Induktivitäten:

Bei magnetisch eng gekoppelten Induktivitäten (zum Beispiel eines Transformators) erhöht sich die Gesamtinduktivität mit dem Quadrat der Windungszahl-Zunahme. Zwei gleiche Induktivitäten auf einem gemeinsamen Kern liefern daher bei Reihenschaltung die vierfache Gesamt-Induktivität.

Memristivitäten

Bei Memristivitäten gilt in Reihenschaltung der Zusammenhang

Dioden

Durch gleichsinnige Reihenschaltung von Dioden lässt sich die Gesamt-Sperrspannung erhöhen. Voraussetzung ist die statische und dynamische Symmetrierung (gleiche Spannungsaufteilung) - es sei denn, die Dioden gestatten durch ihr Durchbruchverhalten eine Reihenschaltung ohne zusätzliche Maßnahmen (kotrollierter Durchbruch, Avalanche-Durchbruch). Beispiele sind Hochspannungsgleichrichter mit Selen-Platten (Selenstab) oder auch mit Siliziumdioden-Chips (Gleichrichter in Hochspannungskaskaden für Bildröhren oder in Spannungsverdoppler-Schaltungen in Mikrowellen).

Bei der Reihenschaltung von Dioden summieren sich deren Flussspannungen.

Transistoren

Durch Reihenschaltung von Transistoren lässt sich die Gesamt-Sperrspannung beziehungsweise deren Schaltspannung erhöhen. Voraussetzung ist die statische und dynamische Symmetrierung, um gleiche Spannungsaufteilung zu erreichen und unterschiedliche Schaltzeitpunkte abzufangen. Das gelingt mit Widerständen und Kondensatoren.


Spannungsteiler aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Der Spannungsteiler ist eine Reihenschaltung aus Zweipolen, durch die eine angelegte elektrische Spannung aufgeteilt wird. Für Gleichspannungen werden als Zweipole elektrische Widerstände eingesetzt (ohmscher Spannungsteiler), gegebenenfalls auch Potentiometer. Bei Wechselspannungenkönnen auch Kondensatoren (Kapazitäten, daher kapazitiver Spannungsteiler) und Spulen (Induktivitäten, daher induktiver Spannungsteiler) verwendet werden. Bei Gleichspannung sind die einzelnen Teilspannungen immer kleiner als die Gesamtspannung, bei Wechselspannung können sie an Kondensatoren und Spulen durch Resonanz größer als die Gesamtspannung werden.

Mittels Transformatoren, insbesondere Spartransformatoren realisierte Spannungsteiler zu Mess- und Stromversorgungszwecken in Hochspannungsnetzen werden als Spannungswandler bezeichnet.

Grundlagen Der Standardaufbau eines Spannungsteilers besteht aus einer Reihenschaltung zweier Widerstände R1 und R2.

Die Spannung U wird an die Gesamtschaltung angelegt; die an den Widerständen R1 und R2 messbaren Spannungen U1 und U2 sind nach dem 2. kirchhoffschen Gesetz in Summe gleich der gesamten angelegten Spannung, man sagt, die Gesamtspannung teilt sich auf die einzelnen Widerstände auf.

Dann gilt für den unbelasteten Spannungsteiler (für dieses spezielle Beispiel) die Spannungsteilerformel:

Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen 2 Belasteter Spannungsteiler 3 Anwendung 4 Siehe auch 5 Weblinks

85

Etwas allgemeiner gefasst besagt die Spannungsteilerregel folgendes: In einer Reihenschaltung sind die Spannungsabfälle proportional zu den Widerständen, an denen sie abfallen.

Die Teilspannung U2 verhält sich zur Gesamtspannung U wie der Teilwiderstand R2 zum Gesamtwiderstand R1+R2:

Wenn zum Beispiel R1 = R2 ist, dann gilt:

Jedes Verhältnis zwischen 0 und 1 ist möglich.

Bei einem einstellbaren Widerstand (Potentiometer) kann der Abgriff (Schleifer) für U2 auf einem durchgehenden Widerstandskörper verschoben werden, d. h. das Teilungsverhältnis ist dann variabel.

Belasteter Spannungsteiler Schaltet man dem Widerstand R2 einen Verbraucher mit dem Widerstand Rv parallel, so sinkt die Spannung U2 gegenüber der oben dargestellten Leerlaufspannung ab. Bei der Berechnung muss nun statt R2 der kleinere Widerstand der Parallelschaltung aus R2 und Rv verwendet werden:

Die Spannung unter Belastung ergibt sich damit zu

Um stabile Verhältnisse zu bekommen, wählt man R1 und R2 in der Praxis so, dass der Strom durch R2 (Querstrom Iq) um den Faktor 10 größer ist, als der Strom, der durch U2 verursacht wird (Laststrom IL).

Anwendung Die Anwendungsbeispiele überschneiden sich mit den Anwendungen von Potentiometern (einstellbare Spannungsteiler). Spannungsteiler werden verwendet:

zur Pegelanpassung


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in Dämpfungsgliedern, z. B. auch zur Lautstärkeregelung zur Spannungsmessung; Vielfachmessgeräte besitzen einen umschaltbaren Spannungsteiler für die Messung in verschiedenen Bereichen. in Messspitzen für Oszilloskope: hier sind meist Spannungsteiler mit Teilerverhältnissen von 10 zu 1 oder 100 zu 1 zu finden. Diese Messspitzen (engl. probes) besitzen zusätzlich zum Widerstands-Spannungsteiler eine Frequenzkompensation, die die Leitungs- und Eingangskapazität bei Wechselspannungsmessungen ausgleicht. Die Kompensation ist oft einstell- bzw. abgleichbar. Sie stellt einen parallel liegenden kapazitiven Spannungsteiler dar. zur Hochspannungsmessung (Hochspannungs-Messspitzen bzw. -tastköpfe); Teilerverhältnisse von 1000:1 oder größer. Eingangsspannungen bis etwa 40 kV sind gängig. Der obere Teilwiderstand beträgt ca. 1…100 GOhm, oft ist der Eingangswiderstand des Messgerätes (z. B. 1 oder 10 MOhm) berücksichtigt. Hochspannungs-Messspitzen gibt es unkompensiert für Gleichspannungsmessungen, aber auch frequenzkompensiert für Wechselspannungsmessungen. induktive und resistive Spannungsteiler werden zur Positions- und Winkelbestimmung sowie in Beschleunigungsaufnehmern verwendet. Die hierbei eingesetzten induktiven Spannungsteiler arbeiten ohne Kontakte mit einem verschiebbaren weichmagnetischen Kern wie ein doppeltes Variometer. induktive Spannungsteiler liefern in der Messtechnik hochpräzise Spannungsverhältnisse, die fast ausschließlich vom Windungszahlenverhältnis des verwendeten Transformators abhängig sind. Induktive Spannungsteiler sind sowohl mit festen Spannungsverhältnissen als auch als einstellbare Dekaden im Einsatz. zur Erstellung einer Brückenschaltung durch Kombinierung von Spannungsteilern.

Siehe auch Stromteiler

Weblinks Rechner für belasteten und unbelasteten Spannungsteiler (http://www.sengpielaudio.com/Rechner-spannungsteiler.htm) Das Elektronik-Kompendium: Spannungsteiler (http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0201111.htm) Spannungsteiler mit Offset (http://www.mikrocontroller.net/articles/Spannungsteiler) Übungsaufgaben zur Spannungsteilerregel (http://www.gdanielak.de/Tutorium/ET_I/2_Spannungsteilerregel/A_Spannungsteilerregel.pdf)

Wikibooks: Spannungsteiler – Lern- und Lehrmaterialien

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsteiler“ Kategorien: Elektrische Schaltung | Elektrische Spannung

87

Parallelschaltung aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die Parallelschaltung beschreibt in der Elektrotechnik und Elektronik, aber auch in der Verfahrenstechnik eine Art der Schaltung der Elemente (Zweipole) in einem Schaltkreis: Bauteile sind parallel geschaltet, wenn alle ihre gleichnamigen Pole (oder Anschlüsse, Ein- oder Auslässe) jeweils miteinander verbunden sind. Die Anzahl der parallelgeschalteten Elemente ist beliebig.

Sind (zum Beispiel bei Dioden) die ungleichnamigen Pole miteinander verbunden, spricht man auch von Antiparallel-Schaltung.

Bei ungepolten passiven Bauteilen ist die Polarität der Zusammenschaltung beliebig.

Eigenschaften einer Parallelschaltung Die Parallelschaltung mehrerer Elemente hat folgende Merkmale:

An allen Elementen einer Parallelschaltung liegt der gleiche Potential-Unterschied (Spannung). Daher kann man durch Parallelschalten mehrerer elektrischer Verbraucher die Gesamtleistung erhöhen (Beispiel: zwei parallele 60-Watt-Lampen verbrauchen zusammen 120 W). An allen Verbrauchern liegt die gleiche Spannung - auch wenn deren Stromaufnahme

Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften einer Parallelschaltung

1.1 Analogien in der Verfahrenstechnik2 Gesetzmäßigkeiten im Stromkreis

2.1 Spannung 2.2 Strom 2.3 Leistung

3 Parallelschaltungen 3.1 Spannungsquellen

3.1.1 Gesamtspannung 3.1.2 Gesamtstrom 3.1.3 Gesamtinnenwiderstand

3.2 Widerstände 3.3 Kapazitäten 3.4 Induktivitäten 3.5 Memristivitäten 3.6 Dioden

3.6.1 Gleichsinnig parallel 3.6.2 Antiparallel

3.7 Bipolartransistoren 3.8 MOSFET und IGBT 3.9 Gasentladungslampen


Parallelschaltung zweier Schaltkreiselemente

Schaltpläne verschiedener Parallelschaltungen


unterschiedlich ist. In der Parallelschaltung können einzelne Elemente hinzugefügt oder entfernt werden (z. B. durchbrennen), ohne dass die anderen Elemente ausfallen.

Ein typisches Beispiel ist die Netzspannungsversorgung (im Haushalt 230 V). Alle Geräte werden - unabhängig von deren Leistungsaufnahme - für diese Spannung ausgelegt.

Analogien in der Verfahrenstechnik

Druck- und Temperaturdifferenzen sind physikalische Analoga zur elektrischen Spannung. Es können so zum Beispiel für Kühlkreisläufe oder Wärmeübergänge elektrische Ersatzschaltbilder gebildet werden, um deren Eigenschaften nach den Regeln der Elektrotechnik zu berechnen.

So liefern mehrere parallel arbeitende Pumpen einen größeren Durchfluss, nicht jedoch einen größeren Druckunterschied.

Der Durchfluss (analog zum Stromfluss) in parallel geschalteten Einzelelementen eines Wärmetauscher-Systems (zum Beispiel eine Heizungsanlage) richtet sich nach deren Strömungswiderstand.

Gesetzmäßigkeiten im Stromkreis Bei Gleichspannung beziehungsweise bei ohmschen Verbrauchern an Wechselspannung gilt das Ohmsche Gesetz:

,

dabei ist U die Spannung in Volt, R der Widerstand in Ohm und I die Stromstärke in Ampere.

Der Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung nimmt mit jedem weiteren Verbraucher ab. Der Gesamtwiderstand ist also stets kleiner, als der kleinste Einzelwiderstand.

Eine Ausnahme ist ein Parallelschwingkreis an Wechselspannung - sein Scheinwiderstand ist größer als derjenige der Einzelelemente.

Spannung

Die Spannung U, manchmal auch als U0 bezeichnet, ist für alle Teilzweige in der Frequenz, Phase und Amplitude identisch.

Strom

Bei der Parallelschaltung verteilt sich der Gesamtstrom I nach der Kirchhoffschen Knotenregel auf die einzelnen Zweige. Die Summe der Teilströme ist gleich dem Gesamtstrom.

89

Bei Wechselspannung und gemischten induktiven, kapazitiven oder ohmschen Elementen müssen die Teilströme vektoriell addiert werden, ansonsten ergibt sich ein zu großer Gesamtstrom. Der Strom innerhalb einer Parallelschaltung aus Kondensator und Induktivität kann den außen gemessenen Gesamtstrom wesentlich übersteigen.

Leistung

Die Gesamtleistung ist die Summe der Leistungen eines jeden Verbrauchers:

mit ergibt sich

da folgt

Durch einsetzen des ohmschen Gesetzes ergibt sich

Parallelschaltungen

Spannungsquellen

Die Parallelschaltung von Spannungsquellen wird angewendet, um den verfügbaren maximalen Strom zu erhöhen. Alle parallelgeschalteten Spannungsquellen müssen:

die gleiche Spannung liefern, mit gleichnamigen Polen zusammengeschaltet werden (gleiche Polung), erd- bzw. potenzialfrei sein oder am gleichen Pol geerdet sein. Bei mehreren Verbindungspunkten können geringe Differenzströme fließen (siehe Brummschleife). Wechselspannungsquellen müssen gleichphasig zusammengeschaltet werden.

Werden diese Punkte nicht beachtet, führt dies zu Ausgleichsströmen zwischen den Quellen, die (zum Beispiel bei Falschpolung) einem Kurzschluss gleichkommen.

Spannungsquellen (Netzteile) müssen neben gleicher Nennspannung für Parallelschaltung spezifiziert sein, ansonsten ist die gleichmäßige Stromaufteilung zwischen ihnen nicht sicher


gegeben. Aus Gründen der Fehlerredundanz parallelgeschaltete Stromquellen müssen diese oft mit Dioden entkoppelt werden (Ohrring-Diode).

Gesamtspannung

Die Gesamtspannung von mehreren parallel geschalteten Spannungsquellen ist, sofern man den Verlust über den Innenwiderstand außer Acht lässt, gleich der Spannung der einzelnen Spannungsquellen. Können die Innenwiderstände der Spannungsquelle nicht außer Acht gelassen werden, so muss auf die Schaltung das Superpositionsprinzip (Überlagerungsprinzip) angewendet werden.

Gesamtstrom

Haben alle Quellen gleiche Spannung und den gleichen Innenwiderstand, ist der Maximalstrom gleich der Summe der Maximalströme der einzelnen Spannungsquellen. Zur genauen Bestimmung des Gesamtstromes gilt hier die Knotenregel. In der Praxis führen geringe Abweichungen zwischen den Spannungsquellen dazu, dass der Gesamtstrom um ca. 10 % des theoretischen Gesamtstroms vermindert werden muss.

Gesamtinnenwiderstand

Der Gesamtinnenwiderstand bzw. -quellwiderstand der zusammengeschalteten Spannungsquellen lässt sich aus der Parallelschaltung der Teil-Innenwiderstände bestimmen:

(Gilt nur, wenn die Leerlaufsspannung identisch ist)

Widerstände

Der resultierende Gesamtwiderstand Rges einer parallelen Anordnung von N Einzelwiderständen Rn ist immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand und ergibt sich zu

wobei zunächst ausgenutzt wurde, dass sich die Stromstärken in der Parallelschaltung addieren . Für die einzelnen Stromstärken wurde sodann das Ohmsche

Gesetz angewandt und schließlich noch von der Eigenschaft der Parallelschaltung

Gebrauch gemacht, dass an den einzelnen Widerständen jeweils die gleiche Spannung −nämlich die Gesamtspannung− anliegt .

Für zwei Widerstände gilt daher:

Schematische Darstellung von zwei parallel geschalteten

Widerständen

91

Der resultierende Widerstand einer Parallelschaltung ergibt sich aus dem harmonischen Mittel Rharmder Einzelwiderstände Rn - die Schaltung hätte den gleichen Gesamtwiderstand, wenn alle Einzelwiderstände den Wert des harmonischen Mittels besäßen. Daraus folgt:

Der Gesamtwiderstand von N parallelgeschalteten Widerständen mit dem gleichen Widerstandswert errechnet sich daher durch

Die durchschnittliche Stromstärke in der Parallelschaltung ist das arithmetische Mittel Iarit der Einzelstromstärken In. Die Gesamtstromstärke folgt daraus durch Multiplikation dieses Wertes mit der Anzahl N. Der Gesamtstrom von N parallelgeschalteten Widerständen mit dem gleichen Widerstandswert errechnet sich daher durch

mit

Alternativ lässt sich die Formel auch herleiten, wenn man an Stelle des Widerstandes R mit dem Leitwert G rechnet. Hierbei ergibt sich der Gesamtleitwert aus

beziehungsweise für zwei Widerstände

als Summe der Teilleitwerte. Durch erneute Kehrwertbildung erhält man den Gesamtwiderstand:

Bringt man die Gleichung auf einen gemeinsamen Nenner, erhält man folgende Gleichung für n parallelgeschaltete Widerstände ohne Doppelbruch (in den Produkten des Nenners Rj kürzen):


Für zwei Widerstände analog:

Für den Spezialfall zweier parallel geschalteter Widerstände kann man die Gleichung wie folgt umformen:

Eine alternative, einfache Schreibweise erlaubt der Parallelitätsoperator:

Kapazitäten

Bei der Parallelschaltung von Kondensatoren ist die Gesamtkapazität gleich der Summe der Einzelkapazitäten:

Dies kann etwas komplexer mit dem Parallelitätsoperator als

notiert werden um die Parallelität explizit darzustellen.

Induktivitäten

Bei der Parallelschaltung von nicht gekoppelten Induktivitäten ist die Gesamtinduktivität gleich dem Kehrwert der Summe der Kehrwerte der Einzelinduktivitäten (Berechnung analog zu jener für parallele Widerstände):

Parallelschaltung von Kondensatoren

93

Stromteiler aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Zur Aufteilung eines elektrischen Stromes oder eines magnetischen Flusses in mehrere Teilströme/-flüsse werden Parallelschaltungen von elektrischen bzw. magnetischen Widerständen verwendet. Solche Schaltungen werden als Stromteiler bezeichnet.

Stromteiler für Wechselstrom können auch mit Transformatoren realisiert werden, sie heißen dann Stromwandler.

Allgemeine Stromteilerregel Zur einfachen Berechnung der Teilströme bietet sich die Stromteilerregel an. Diese Regel gilt nur, wenn alle Zweige, auf die sich der Gesamtstrom aufteilt, passiv sind. Sobald aktive Bauelemente wie Quellen vorkommen, muss auf das Maschenstromverfahren zurück gegriffen werden. Anwendung findet die Stromteilerregel auch bei Berechnung eines Netzwerkes mit Hilfe des Überlagerungsverfahrens.

Die Stromteilerregel lautet:

bzw. mit Leitwerten ausgedrückt:

mit

Verallgemeinert auf n parallele Zweige (i = 1...n) ergeben sich für den Strom in Zweig k:

für Ohm'sche Schaltungen

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeine Stromteilerregel

1.1 Herleitung der Regel für ein einfaches Beispiel1.2 Beispiel mit mehrfach Anwendung 1.3 Beispiel für magnetische Schaltung

2 Anwendung 3 Siehe auch 4 Weblinks


mit dem Gesamtwiderstand und dem Gesamtleitwert

für komplexe Schaltungen

mit der Gesamtimpedanz und der Gesamtadmittanz

für magnetische Schaltungen

mit dem Gesamtwiderstand und dem Gesamtleitwert

Die Widerstände eines jeden Zweiges müssen zunächst zu einem Widerstand pro Zweig zusammengefasst werden, um den Gleichungen in der oben abgebildeten Form zu entsprechen. Der Gesamtwiderstand bezieht sich nur auf die betrachtete Parallelschaltung. Eventuelle Widerstände, die vor oder nach der Parallelschaltung in Reihe liegen, werden nicht berücksichtigt. Bei komplexeren Schaltungen mit mehrfachen Verzweigungen, muss die Formel eventuell mehrmals angewendet werden, um den gesuchten Teilstrom zu erhalten.

In manchen Quellen wird die Regel etwas modifiziert ausgedrückt. Anfangs wirkt diese Variante etwas schwieriger, doch fällt sie geübten Anwendern mit der Zeit ebenso leicht wie die erste Variante. Sie lautet folgendermaßen:

Herleitung der Regel für ein einfaches Beispiel

Laut den Kirchhoffschen Regeln teilt sich der Gesamt-Strom auf die beiden Zweige auf:

Da über den beiden parallel geschalteten Widerständen die gleiche Spannung abfällt, gilt nach dem Ohmschen Gesetz:

95

Löst man diese Gleichung nach I2 auf

und setzt das Ergebnis in I = I1 + I2 ein, ergibt sich:

Dividiert man durch I1 und bildet auf beiden Seiten den Kehrwert, ergibt sich das selbe Ergebnis wie für die Stromteilerregel:

bzw. für den anderen Zweig mit dem

Gesamtwiderstand

Der Gesamtstrom sowie die Werte der Widerstände sind im Allgemeinen bekannt.

Beispiel mit mehrfach Anwendung

Gesucht wird der Strom durch R32. Dazu wird zunächst der Strom I3 im untersten Zweig berechnet. Die Stromteilerregel ergibt die Gleichung:

mit und

Der Teilstrom I3 fließt durch die Parallelschaltung aus R32 und R33. Durch nochmalige Anwendung der Stromteilerregel, wird der Strom durch R32 abhängig von I3 ermittelt:

Werden beide Gleichungen miteinander multipliziert, ergibt sich eine Gesamtgleichung in der I32 direkt von I abhängig ist:

Beispiel für magnetische Schaltung

In magnetischen Schaltungen wird

Stromteiler aus zwei parallel geschalteten ohmschen

Widerständen

Stromteiler aus drei Zweigen mit einer inneren Verzweigung im untersten Zweig



die Regel genauso angewendet. Für die Teilflüsse durch und ergeben sich die Gleichungen:

bzw. für den

anderen Zweig

mit dem Gesamtwiderstand

Anwendung Stromteiler werden insbesondere zur Messung hoher Ströme verwendet, sie heißen dann Shunt, wobei das Messgerät einen der Strompfade bildet. Im wesentlichen misst es jedoch die am Hauptpfad abfallende Spannung, da es nur von einem sehr kleinen Teilstrom durchflossen wird. In Vielfachmessgeräten befinden sich umschaltbare Stromteiler zur Strommessung in verschiedenen Bereichen.

Siehe auch Spannungsteiler

Weblinks Übungsaufgaben zur Stromteilerregel (http://www.gdanielak.de/Tutorium/ET_I/3_Stromteilerregel/A_Stromteilerregel.pdf) Weitere Webseite mit Stromteilerregel (http://ola.cti.ac.at/pinkafeld/para/para.htm)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Stromteiler“

magnetischer Flussteiler aus zwei Zweigen

Kategorien: Elektrische Schaltung | Elektrischer Strom

97

Kirchhoffsche Regeln aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die zwei kirchhoffschen Regeln wurden 1845 von Gustav Robert Kirchhoff formuliert. (Weitere Entdeckungen siehe Kirchhoffsches Strahlungsgesetz von 1859). Sie beschreiben jeweils den Zusammenhang zwischen mehreren elektrischen Strömen und zwischen mehreren elektrischen Spannungen in elektrischen Netzwerken.

Der Knotenpunktsatz (Knotenregel) − 1. Kirchhoffsches GesetzDie Summe der zufließenden Ströme in einem elektrischen Knotenpunkt ist gleich der Summe der abfließenden Ströme. Versieht man zufließende Ströme mit anderem Vorzeichen als abfließende Ströme, lässt sich allgemein sagen:

Die Summe aller Ströme in einem Knotenpunkt ist null.

In Netzwerken mit reinen Gleichströmen kann vereinfachend für einen Knoten mit n Strömen gesagt werden:

.

In Wechselstromnetzwerken muss die Summe der komplexen Effektivwerte oder Amplituden des Stroms betrachtet werden:

.

Ein Netzwerk mit n Knoten hat (n-1) linear unabhängige Knotengleichungen. Die Knotenregel gilt nicht nur für einzelne Knoten, sondern auch für ganze Schaltungen. Allerdings wird davon ausgegangen, dass der Knoten elektrisch neutral bleibt. Möchte man z.B. nur eine Kondensatorplatte betrachten (und nicht den ganzen Kondensator), ist dies nicht mehr erfüllt und man muss das 4. maxwellsche Gesetz benutzen:

.

Inhaltsverzeichnis 1 Der Knotenpunktsatz (Knotenregel) − 1. Kirchhoffsches Gesetz

1.1 Beispiel eines Knotens 1.2 Beispiel eines Netzwerkknotens

2 Der Maschensatz (Maschenregel) − 2. Kirchhoffsches Gesetz 3 Hintergrund 4 Siehe auch 5 Weblinks


Beispiel eines Knotens

Wie auf dem Bild zu erkennen ist, fließen die Ströme I1 und I3 in den Knoten hinein und die Ströme I2, I4 und I5 aus dem Knoten heraus. Nach der Knotenregel ergibt sich folgende Formel:

oder umgeformt

.

Beispiel eines Netzwerkknotens

Auch ganze Netzwerke können als Knoten angesehen werden. Im Beispiel fließen die Wechselströme I1 und I2 in den Knoten hinein und der Strom I3 aus dem Knoten heraus.

Es gilt also:

.

Sind für die zufließenden Ströme folgende komplexe Effektivwerte gegeben:

.

So ergibt sich für den abfließenden Strom aus der Knotenregel:

.

Der Maschensatz (Maschenregel) − 2. Kirchhoffsches Gesetz Alle Teilspannungen eines Umlaufs bzw. einer Masche in einem elektrischen Netzwerk addieren sich zu Null. In einem Umlauf mit n Teilspannungen eines elektrischen Gleichstromnetzes gilt folgende Formel:

99

Diese Seite wurde zuletzt am 30. Mai 2008 um 12:10 Uhr

.

In Wechselstromnetzwerken muss die Summe der komplexen Effektivwerte oder komplexen Amplituden der Spannung betrachtet werden:

.

Ein Netzwerk mit n unabhängigen Knotengleichungen hat n+1 unabhängige Maschengleichungen. Die Maschenregel ist ein Spezialfall des 3. maxwellschen Gesetzes und darf nur bei Abwesenheit zeitlich ändernder Magnetfelder angewandt werden.

Hintergrund Beide kirchhoffschen Regeln sind Schlussfolgerungen aus physikalischen Erhaltungssätzen, der 1. und 3. Maxwellschen Gleichung, jeweils in ihrer stationären, d.h. zeitlich konstanten, Form: Der ersten Regel liegt die Erhaltung der elektrische Ladung zu Grunde. Die zweite ist eine Schlussfolgerung aus dem Induktionsgesetz.

Bei der Anwendung der kirchhoffschen Gleichungen ist zu beachten, dass davon ausgegangen wird, dass alle Verbindungen zwischen den einzelnen Stromkreiselementen ideal leitend sind. Außerdem muss beachtet werden, dass die Stromkreiselemente als konzentrierte Elemente angesehen werden. Konzentrierte Stromkreiselemente sind Elemente, deren elektrisches Verhalten sich vollständig durch die an den Anschlüssen fließenden Ströme und anliegenden Spannungen beschreiben lässt. Sollten in der zu untersuchenden Schaltung nicht konzentrierte Elemente vorkommen, so müssen diese durch Ersatzschaltungen konzentrierter Stromkreiselemente ersetzt werden.

Siehe auch Reihenschaltung Parallelschaltung Netzwerkanalyse (Elektrotechnik)

Weblinks Auf Deutsch:

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/grundwissen/06_kirchhoff/kirchhoff.htm

Auf Englisch:

http://www.wisc-online.com/objects/index_tj.asp?objID=DCE5203 http://www.wisc-online.com/objects/index_tj.asp?objID=DCE5303

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffsche_Regeln“ Kategorie: Theoretische Elektrotechnik


101

102 3 Elektronische Schaltnetzwerke

Kapitel 3

Elektronische Schaltnetzwerke

Schaltnetz aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Der Begriff Schaltnetz (engl.: combinational circuit oder combinatorial circuit) wird in der technischen Informatik verwendet. Er bezeichnet ein Netz aus elementaren logischen Schaltgliedern (Gattern), die heutzutage technisch mit Transistoren realisiert werden (mehrere Transistoren für jedes Gatter) und theoretisch mit Hilfe der Booleschen Algebra untersucht werden können.

Ein Schaltnetz stellt die schaltungstechnische Realisierung einer Booleschen Funktion dar. Jede Boolesche Funktion kann mittels eines Schaltnetzes dargestellt werden. Umgekehrt können nicht alle Eigenschaften (zum Beispiel Zeitverzögerung) eines Schaltnetzes, das aus elektronischen Bauteilen aufgebaut wurde, durch eine Boolesche Funktion dargestellt werden.

Das Schaltnetz verknüpft also Boolesche Eingangsvariablen (zusammengefasst im Eingangsvektor x), welche die Werte 1 oder 0 (wahr oder falsch) annehmen können, durch eine Boolesche Funktion (f). Die Variablenwerte werden für das Schaltnetz durch Spannungswerte an den Eingangsleitungen dargestellt (zum Beispiel 5V für 1 und Masse für 0). An den Ausgangsleitungen liegen dann Werte (Ausgangsvektor y) an, die abhängig von den Eingangswerten und der Booleschen Verknüpfungsfunktion sind. Das Bild (rechts) zeigt ein allgemeines Schaltsymbol für ein Schaltnetz, welches die Boolesche Funktion y = f (x) realisiert.

Eigenschaften Liegt zu einem Zeitpunkt ein Wert x am Eingang des Schaltnetzes an, dann hängt der Wert y am Ausgang nur zu diesem Zeitpunkt von x ab. Die Zeitverzögerung wird auf der logischen Ebene vernachlässigt, da ein Schaltnetz keine Speicherglieder (Flip-Flops) enthält. Bei einem Schaltnetz können innere Zustände von außen nicht unterschieden werden.

Zusammenfassung Ein Schaltnetz wird durch eine logische Schaltung realisiert. Schaltketten sind durch Übergangsvektoren hintereinandergeschaltete Schaltnetze. Fügt man einem Schaltnetz zeitverzögerte Rückkopplungen hinzu, so erhält man ein Schaltwerk (welches nicht mehr Schaltnetz genannt wird). Logische Schaltglieder: NOT-Gatter, AND-/NAND-Gatter, OR-/NOR-Gatter, XOR-/XNOR-Gatter. Ein Schaltkreis ist kein Schaltnetz, obwohl ein Schaltnetz durch einen Schaltkreis realisiert werden kann.

Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Zusammenfassung 3 Siehe auch 4 Literatur

Schaltnetz: y = f(x)

103

Schaltnetz aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Der Begriff Schaltnetz (engl.: combinational circuit oder combinatorial circuit) wird in der technischen Informatik verwendet. Er bezeichnet ein Netz aus elementaren logischen Schaltgliedern (Gattern), die heutzutage technisch mit Transistoren realisiert werden (mehrere Transistoren für jedes Gatter) und theoretisch mit Hilfe der Booleschen Algebra untersucht werden können.

Ein Schaltnetz stellt die schaltungstechnische Realisierung einer Booleschen Funktion dar. Jede Boolesche Funktion kann mittels eines Schaltnetzes dargestellt werden. Umgekehrt können nicht alle Eigenschaften (zum Beispiel Zeitverzögerung) eines Schaltnetzes, das aus elektronischen Bauteilen aufgebaut wurde, durch eine Boolesche Funktion dargestellt werden.

Das Schaltnetz verknüpft also Boolesche Eingangsvariablen (zusammengefasst im Eingangsvektor x), welche die Werte 1 oder 0 (wahr oder falsch) annehmen können, durch eine Boolesche Funktion (f). Die Variablenwerte werden für das Schaltnetz durch Spannungswerte an den Eingangsleitungen dargestellt (zum Beispiel 5V für 1 und Masse für 0). An den Ausgangsleitungen liegen dann Werte (Ausgangsvektor y) an, die abhängig von den Eingangswerten und der Booleschen Verknüpfungsfunktion sind. Das Bild (rechts) zeigt ein allgemeines Schaltsymbol für ein Schaltnetz, welches die Boolesche Funktion y = f (x) realisiert.

Eigenschaften Liegt zu einem Zeitpunkt ein Wert x am Eingang des Schaltnetzes an, dann hängt der Wert y am Ausgang nur zu diesem Zeitpunkt von x ab. Die Zeitverzögerung wird auf der logischen Ebene vernachlässigt, da ein Schaltnetz keine Speicherglieder (Flip-Flops) enthält. Bei einem Schaltnetz können innere Zustände von außen nicht unterschieden werden.

Zusammenfassung Ein Schaltnetz wird durch eine logische Schaltung realisiert. Schaltketten sind durch Übergangsvektoren hintereinandergeschaltete Schaltnetze. Fügt man einem Schaltnetz zeitverzögerte Rückkopplungen hinzu, so erhält man ein Schaltwerk (welches nicht mehr Schaltnetz genannt wird). Logische Schaltglieder: NOT-Gatter, AND-/NAND-Gatter, OR-/NOR-Gatter, XOR-/XNOR-Gatter. Ein Schaltkreis ist kein Schaltnetz, obwohl ein Schaltnetz durch einen Schaltkreis realisiert werden kann.

Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Zusammenfassung 3 Siehe auch 4 Literatur

Schaltnetz: y = f(x)

Schaltwerk (Technische Informatik) aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein Schaltwerk (engl.: sequential circuit) verarbeitet verschiedene Eingangswerte (boolesche Variablen) entsprechend der festgelegten Schaltmatrix zu einem Ausgangswert. Im Gegensatz zu Schaltnetzen, bei welchen definitionsgemäß keine Rückkopplungen vorliegen, ist bei einem Schaltwerk mindestens einer der Ausgänge auf mindestens einen der Eingänge rückgekoppelt, wodurch die Schaltung einen speichernden Charakter (ein Gedächtnis) erhält.

Ein Schaltwerk heißt synchron wenn die Eingänge und Rückkopplungen durch Taktsignale synchronisiert sind, andernfalls heißt es asynchron.

Grundlagen

Asynchron-Schaltwerk

Um Eingangswerte entsprechend einer Vorgabe zu einem Ausgangswert zu verknüpfen gibt es viele Verfahren. Die Verknüpfung durch ein Schaltnetz ist ein vergessliches Verfahren, da zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Ausgangswert immer nur vom zu diesem Zeitpunkt angelegten Eingangswert abhängt. Um aber Aufgaben zu lösen, die nicht nur von einer Momentaufnahme abhängig sind, benötigt man Schaltungen mit Gedächtnis, also eine Schaltung, die Eingangswerte zu einem bestimmten Zeitpunkt mit vor diesem Zeitpunkt entstandenen Werten verknüpft.

Das Asynchron-Schaltwerk ist die Grundform dieser Schaltungen. Es stellt die schaltungstechnische Realisierung eines booleschen Automaten dar, und lässt sich, wie im Bild gezeigt, als Zusammenschaltung von zwei Schaltnetzen betrachten, welche die booleschen Funktionen f und g realisieren. Die Funktion f nimmt die Eingangswerte x und die Zustandswerte u, die zu einem Zeitpunkt t existieren und verknüpft diese zu einem neuen Zustandsvektor ud. Der Vektor u stellt dabei das zeitverzögerte, also im Gedächtnis gespeicherte vorherige Ergebnis der Funktion f dar. Die Zeitverzögerung (engl. delay) ist getrennt von dem Schaltnetz f durch das graue Kästchen dargestellt. Gleichzeitig werden zum Zeitpunkt t die Werte x und u durch die Funktion g zum Ausgangsvektor y verknüpft. Das graue Kästchen wird in Synchron-Schaltwerken (s.u.) durch Flipflops ersetzt.

Synchron-Schaltwerk

Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen

1.1 Asynchron-Schaltwerk1.2 Synchron-Schaltwerk

2 Realisierung 3 Anwendungen 4 Literatur

Asynchron-Schaltwerk


Diese Seite wurde zuletzt am 10. Juni 2008 um 15:49 Uhr geändert.

In der Realität erzeugt jedes Schaltnetz sein Ergebnis erst nach einer gewissen Zeit, die von seinem Aufbau abhängt. Um also zu einem bestimmten Zeitpunkt anliegende Eingangswerte mit den richtigen zwischengespeicherten Werten zu verknüpfen, werden die Eingangssignale und die rückgekoppelten Ausgänge oft mit Hilfe von Flipflops und einem Taktsignal synchronisiert. Dieses Signal pulsiert in einer festgelegten Frequenz. Immer nach dem regelmäßigen Auftreten einer gleichen Sequenz im Signal ist eine Zeiteinheit vergangen. Die Abstände dieser Sequenzen werden so groß gewählt, dass in der Zwischenzeit alle Schaltnetze im Schaltwerk ihre Berechnungen abschließen können, d. h. alle beteiligten Gatterlaufzeiten, ggf. auch nacheinander (nämlich bei entsprechender Relevanz von Zwischenergebnissen), verstrichen sind. Dann liegt zum Beispiel zum Zeitpunkt 3 das Ergebnis y am Ausgang an, welches durch die Verknüpfung der Werte x und u, die zum Zeitpunkt 2 an g anlagen, zustande gekommen ist. Aus den gleichen Werten x und u zum Zeitpunkt 2 stellt sich zum Zeitpunkt 3 auch der neue, über Flipflops jedoch zurückgehaltene Wert ud an f ein. Der Wert u zum Zeitpunkt 2 ergab sich durch Taktung der Flipflops aus dem Wert ud zum Zeitpunkt 1 der sich wiederum aus den Werten x und u ergab, die zum Zeitpunkt 0 an f anlagen.

Realisierung Schaltwerke werden durch logische Schaltungen realisiert, die mit einzelnen Transistoren gebaut oder auf Wafern gefertigt werden. In den Anfängen der Computertechnik wurden anstelle der Transistoren Elektronenröhren verwendet.

In der Digitaltechnik werden Synchron-Schaltwerke häufig mit Schieberegistern realisiert. Ein solches Schieberegister stellt für sich schon ein Synchron-Schaltwerk dar. In Schaltungen mit Prozessoren werden Schaltwerke oft als Programm realisiert und der Speicher der vorhergehenden Eingänge ist als Ringstruktur angelegt.

Anwendungen Fast jedes Gerät zur elektronischen Datenverarbeitung (Computer) verwendet in seinen Chips Schaltwerke. Auch in der Datenübertragung sind Schaltwerke wichtig, zum Beispiel basiert jede serielle Schnittstelle auf einem Schaltwerk. Insbesondere die Empfängerseite muss alle einzelnen Bits nacheinander einsammeln, damit nach 8 Zyklen ein komplettes Byte zur Verfügung steht.

Literatur Hans Liebig, Stefan Thome: Logischer Entwurf digitaler Systeme. 3. Auflage, Springer, Heidelberg 1996, ISBN 3-540-61062-6 Wolfram Schiffmann, Robert Schmitz: Technische Informatik 1. Grundlagen der digitalen Elektronik. 5. Auflage, Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-40418-X Heinz-Dietrich Wuttke, Karsten Henke: Schaltsysteme - Eine automatenorientierte Einführung. Pearson Studium, München 2003, ISBN 3-8273-7035-3 Clemens Hackl, Schaltwerk- und Automatentheorie, de Gruyter, Berlin Bd. I: 1972, ISBN 3-11-003948-6; Bd. II: 1973, ISBN 3-11-004213-4

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Schaltwerk_%28Technische_Informatik%29“ Kategorien: Rechnerarchitektur | Hardware | Digitaltechnik

105

Transistor-Transistor-Logik aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) ist eine Schaltungstechnik (Logikfamilie) für logische Schaltungen (Gatter), bei der als aktives Bauelement der Schaltung planare npn-Bipolartransistoren verwendet werden. Hierbei wird meist ein Multi-Emitter-Transistor eingesetzt, so dass für mehrere Eingänge nur ein Transistor erforderlich ist.

Standard-TTL Standard-TTL-Schaltkreise sind für einen Betrieb an einer Versorgungsspannung von 5 Volt mit einer Abweichung von 5% ausgelegt. Kurzzeitig dürfen als absoluter Grenzwert bis zu 7 Volt Betriebsspannung anliegen. Gegenüber zu niedriger Betriebsspannung reagiert die TTL-Technik relativ tolerant, so dass meist auch der Betrieb beispielsweise an einer 4,5-Volt-Flachbatterie möglich ist. Noch niedrigere Werte wirken sich beispielsweise auf die Belastbarkeit der Ausgänge aus (Fanout), so dass in der Regel kein stabiler Betrieb mehr garantiert ist.

Eine hohe Spannung ist als High-Pegel (in positiver Logik eine logische 1) definiert, eine niedrige Spannung wird als Low-Pegel bezeichnet (in positiver Logik eine logische 0). Die Schaltkreise sind so dimensioniert, dass Eingangsspannungen UE < 0,8 V als Low-Pegel, und UE > 2,0 V als High-Pegel erkannt werden. Die Ausgangsspannung UA beträgt typisch < 0,4 V für den Low-Pegel und > 2,4 V für den High-Pegel bei der zulässigen Last. Der statische Störabstand beträgt somit sowohl für High- als auch für Low-Pegel 0,4 V.

Logische Bausteine in TTL-Technik haben den Vorteil, dass sie unempfindlicher gegenüber elektrostatischen Entladungen sind als CMOS-Bausteine. Der Nachteil der TTL-Bausteine liegt wegen der stromgesteuerten Transistoren in einer im Vergleich zu CMOS deutlich höheren Leistungsaufnahme (Stromverbrauch) bei statischem Betrieb.

Die am weitesten verbreitete Familie der Standard TTL-Schaltkreis erkennt man an einer Bezeichnung der Form 74xx bzw. 74xxx, wobei "74" auf die Logikfamilie und xx/xxx auf den

Inhaltsverzeichnis 1 Standard-TTL

1.1 Funktionsweise 2 Varianten

2.1 Low-Power-Schottky-TTL2.2 Low-Voltage-TTL


Ein 7400er-TTL-IC

Aufbau eines NAND-Gatters in Standard-TTL-Technik Type: 7400; PV=10mW;

tpd=10ns


Gatter-Typ (z. B. xx = "00" entspricht NAND) verweist. Die meisten Bausteine gibt es auch als 54xx für den militärischen Temperaturbereich bzw. als 84xx für den industriellen Temperaturbereich. In TTL-Technik aufgebaut sind auch die wenig verbreitete 49xx-Serie sowie die 75xx-Serie, die in erster Linie Interface-, Pegelwandler- und andere Anpassschaltungen umfasst.

Weiterführende Informationen: 74er-Reihe

Das nebenstehende Bild zeigt den Aufbau eines TTL-NAND-Gatters. V1 ist der Multi-Emitter-Transistor, U1 und U2 sind die Eingangsspannungen. Eine Besonderheit der TTL-Schaltung besteht darin, dass unbeschaltete Eingänge wirken, als lägen sie auf einem High-Pegel. Praktisch sollen unbenutzte Eingänge der TTL-Schaltkreise auf ein festes Potential gelegt werden, damit sichergestellt werden kann, dass der Schaltkreis korrekt arbeitet. Unbeschaltete Eingänge können die passive Störsicherheit einer Schaltung massiv verschlechtern.

Funktionsweise

TTL-Gatter arbeiten im Prinzip wie DTL-Gatter. Ein Unterschied besteht lediglich in der Ausführung des Dioden-Gatters sowie des Verstärkers. Der Verstärker besteht aus dem Ansteuertransistor V2 und einer Gegentakt-Endstufe (Totem-Pole-Schaltung).

Die Ansteuerung erfolgt, indem U1 und U2 auf einen Low-Pegel (bzw. Masse) gelegt werden. Hierdurch wird V1 leitend, da nun ein Basisstrom über R1 fließt. Die Basis von V2 wird hierdurch nahezu auf Masse (UV1Sat) gelegt, wodurch V2 sperrt. Damit liegt die Basis von V3 auf High, die von V4 auf low. V3 leitet also und legt den Ausgang auf high. Sind die Eingänge nicht oder mit high beschaltet, so wird V2 über die Basis-Kollektor-Strecke von V1 mit Strom versorgt und leitend. V3 wird gesperrt und V4 leitend. Nur in diesem Zustand liegt der Ausgang auf low.

In der „open collector“-Ausführung (offener Kollektor) fehlt V3, der Kollektor von V4 wird also offen zum Ausgang geführt. In diesem Fall muss an Stelle von R4 ein externer „pull up“-Widerstand angeschlossen werden. Diese Bauform ermöglicht es, mehrere Ausgänge parallel zu schalten zu einem so genannten „Wired-AND“ (verdrahtetes UND). Jedes der so parallel geschalteten Gatter kann den Strom eines nachfolgenden Gatters aufnehmen, ohne von den anderen beeinflusst zu werden und so den folgenden Eingang auf low schalten.

Varianten

Low-Power-Schottky-TTL

Um die Sättigung der Transistoren zu verhindern, können den Transistoren Schottky-Dioden in der Basis-Kollektor-Strecke parallel geschaltet werden, sodass die Spannung der Basis nie mehr als 0,3 V über den Kollektorpotential liegen kann. Dadurch ergibt sich ein so genannter Schottky-Transistor. Diese Parallelschaltung verhindert ein Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung unter 0,3 V. Die Dimensionierung kann für diesen Schaltungstyp wesentlich hochohmiger ausgelegt werden, wodurch sich auch eine wesentlich geringere statische Leistungsaufnahme ergibt. Auf die Gatterlaufzeit hat dies keinen Einfluss. Die zur Potentialverschiebung notwendige Diode wurde in diesem Beispiel durch eine Darlington-Schaltung ersetzt.

NAND-Gatter in Low-Power-Schottky-TTL Bauweise

107

Diese Seite wurde zuletzt am 16. Mai 2008 um 09:23 Uhr geändert. Ihr Text steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Wikipedia® ist eine eingetragene Marke der Wikimedia Foundation Inc.

Low-Voltage-TTL

Die Low-Voltage-TTL (LVTTL) ist eine besondere Form der Transistor-Transistor-Logik (Logikfamilie), bei der die Versorgungsspannung von 5 V auf 3,3 V reduziert ist.

Siehe auch

Widerstands-Transistor-Logik Langsame störsichere Logik

Weblinks EIA/JEDEC Inferface-Standard für 3,3-V-Logik (PDF-Datei) (http://www.jedec.org/download/search/jesd8c.pdf)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Transistor-Transistor-Logik“

Low-Voltage-TTL-LogikpegelSymbol Parameter min max

UIH High-Level Input Voltage 2 V UDD + 0,3 V

UIL Low-Level Input Voltage -0,3 V 0,8 V

UOH High-Level Output Voltage 2,4 V

UOL Low-Level Output Voltage 0,4 V

Type: 74LS00; PV=2 mW; tpd=10 ns

Schottky TTL Bauweise

Übertragungskennlinie eines Low-Power-Schottky-TTL-

Inverters

Kategorie: Digitaltechnik


Complementary Metal Oxide Semiconductor aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS, dt. komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) ist ein Begriff aus der Elektronik.

CMOS-Bausteine sind Halbleiterbauelemente, bei denen sowohl p-Kanal- als auch n-Kanal-MOSFETs auf einem gemeinsamen Substrat verwendet werden. Die CMOS-Technologie stellt heutzutage die meist genutzte Logikfamilie dar und wird hauptsächlich für integrierte Schaltkreise genutzt.

Technik Das Grundprinzip der CMOS-Technik in der Digitaltechnik ist die Kombination von p-Kanal- und n-Kanal-Feldeffekttransistoren. Dabei wird die gewünschte Logikoperation zum einen in p-Kanal-Technik (als Pull-Up-Pfad) und zum anderen in n-Kanal-Technik (als Pull-Down-Pfad) entwickelt und in einem Schaltkreis zusammengeführt. Durch die gleiche Steuerspannung jeweils zweier komplementärer Transistoren (einmal n-Kanal, einmal p-Kanal) sperrt immer genau einer und der andere ist leitend. Eine negative Spannung am Eingang E des Inverters entspricht dabei der logischen „0“. Sie sorgt dafür, dass nur die p-Kanal-Komponente Strom leitet und somit die Versorgungsspannung mit dem Ausgang A verbunden ist. Die logische „1“ entspricht einer positiven Spannung und bewirkt, dass nur die n-Kanal-Komponente leitet und somit die Masse mit dem Ausgang A verbunden ist.

Es muss dafür zwar immer die doppelte Anzahl Transistoren auf einen Chip aufgebracht werden, dies lässt sich aber leichter in ICs integrieren als Widerstände – auf Widerstände kann in der CMOS-Technik im Gegensatz zur NMOS-Technik verzichtet werden. Der entscheidende Vorteil ist aber, dass Strom (von der Versorgungsspannung zur Masse) nur im Umschaltmoment fließt. Die Stromaufnahme bzw. die Verlustleistung ist also – abgesehen vom wesentlich kleineren Kriechstrom – nur von der

Inhaltsverzeichnis 1 Technik 2 Eigenschaften 3 Spezielle Arten

3.1 HCT-CMOS 3.2 BiCMOS

4 Anwendungsgebiete 5 Sonstiges 6 Siehe auch 7 Weblinks

Inverter in CMOS-Technik

109

Umschalthäufigkeit (Taktfrequenz) und dem Störabstand abhängig. Aus diesem Grund werden die meisten digitalen ICs (Prozessoren, Arbeitsspeicher) zurzeit in dieser Technik hergestellt. Die Verlustleistung ist darüber hinaus linear von der Taktfrequenz und quadratisch vom Störabstand abhängig (siehe Grafik).

Bei analogen Anwendungen werden die hohe Integrierbarkeit und die kapazitive Steuerung genutzt, die die MOSFETs ermöglichen. Durch das Einsparen der Widerstände und die Benutzung von Aktiven Lasten (Stromspiegel als Quellen oder Senken) können Rauschabhängigkeiten und andere unerwünschte Effekte auf ein Minimum reduziert werden. Durch die große Frequenz-Bandbreite der Bauteile bei hohen Integrationen können sehr breitbandige Schaltkreise erstellt werden.

Eigenschaften Die Verlustleistung im Ruhezustand beträgt im Allgemeinen ca. 10 nW, die Verlustleistung beim Schalten liegt frequenz- und betriebsspannungsabhängig je nach Bautyp bei Standardbaureihen bei ca. 1 mW/MHz (integrierte Gatter: ca. 10 µW/MHz).

Im Gegensatz zu Logikbausteinen der TTL-Familie, die nur mit 5 V arbeiten, liegt die typische Betriebsspannung zwischen 0,75 und 15 V.

CMOS-Eingänge sind relativ empfindlich gegenüber statischen Aufladungen und Überspannungen, weshalb vor CMOS-Eingänge im Allgemeinen Schutzschaltungen (zum Beispiel Dioden) gesetzt werden.

Weiterhin besteht bei CMOS-Schaltungen und bei Überspannungen an den Eingängen das Problem des so genannten „Latch-Up“.

Spezielle Arten

HCT-CMOS

Unter HCT-CMOS-Technik versteht man die Anpassung der CMOS-Transistorstruktur an die Eingangsspannungspegel der TTL-Schaltungstechnik bei voller Pin-Kompatibilität zu diesen, ein Austausch von TTL-Schaltkreisen mit HCT-CMOS-Schaltkreisen ist somit möglich.

BiCMOS

Unter der BiCMOS-Technik versteht man eine Schaltungstechnik, bei der Feldeffekttransistoren mit Bipolartransistoren kombiniert werden. Dabei wird sowohl der Eingang als auch die logische Verknüpfung in CMOS-Technik realisiert – mit den entsprechenden Vorteilen. Für die Ausgangsstufe werden aber Bipolartransistoren eingesetzt. Dies bringt eine hohe Stromtreiberfähigkeit mit sich und eine geringe Abhängigkeit von der kapazitiven Last. Dafür werden in Logikschaltkreisen im Allgemeinen zwei weitere Transistoren und zwei Widerstände in der Schaltung benötigt. Das Eingangsverhalten entspricht einem CMOS-Schaltkreis, das Ausgabeverhalten einem TTL-Schaltkreis.

Qualitative Darstellung der Verlustleistung in Abh. von

Takt und Störabstand

Inverter in BiCMOS-Technik



Mit BiCMOS gelingt es weiterhin, Logikschaltungen mit leistungselektronischen Schaltungsteilen auf einem Chip zu vereinen. Beispiele sind Schaltregler, die direkt an der gleichgerichteten Netzspannung betrieben werden können.

Anwendungsgebiete Die CMOS-Technologie eignet sich durch ihren geringen Leistungsbedarf besonders für die Herstellung von integrierten Schaltungen. Diese finden Verwendung in allen Bereichen der Elektronik, zum Beispiel Digitaluhren oder in der Kfz-Elektronik. Des Weiteren werden mit ihr Speicherelemente, Mikroprozessoren und Sensoren (zum Beispiel Fotodetektoren in Form von CMOS-Sensoren für die Digitalfotografie oder Spektroskopie) gefertigt.

Sonstiges In der PC-Branche hat sich (bedingt durch nachlässige Übersetzung aus dem Englischen) der Begriff CMOS auch für das batteriegepufferte SRAM, in dem die BIOS-Parameter gespeichert werden, eingebürgert.

Zur Verdrahtung von CMOS-Bausteinen siehe: Thermokompressionsverfahren

Siehe auch HMOS PMOS

Weblinks JavaApplet wie CMOS-ICs intern aus Transistoren aufgebaut sind (http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/cmos/cmos_dt.html) Zahlreiche Applets für den Themenbereich Halbleiter. (http://jas.eng.buffalo.edu/)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Complementary_Metal_Oxide_Semiconductor“ Kategorien: Mikroelektronik | Digitaltechnik

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Transistor aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement zum Schalten und Verstärken von elektrischen Signalen ohne mechanische Bewegungen.

Transistoren sind, teilweise als elementare Komponenten integrierter Schaltungen, Bestandteil der Nachrichtentechnik (Funk, Radio), der Automatisierungstechnik und in Computersystemen.

Der Begriff „Transistor“ ist eine Kurzform für eine der englischen Bezeichnungen Transfer Varistor, Transformation Resistor oder Transfer Resistor , also einen durch Spannung oder Strom steuerbaren elektrischen Widerstand.

Geschichte Die ersten Patente zum Prinzip des Transistors wurden von Julius Edgar Lilienfeld (US-Physiker österreichisch-ungarischer Abstammung) im Jahr 1925 angemeldet . Lilienfeld beschreibt in seiner Arbeit ein elektronisches Bauelement, das Eigenschaften einer Elektronenröhre aufweist und im weitesten Sinne mit dem heute als Feldeffekttransistor bezeichneten Bauelement vergleichbar ist. Zu seiner Zeit war es allerdings technisch nicht möglich, Feldeffekttransistoren praktisch zu realisieren .

Im Jahr 1934 konstruierte der deutsche Physiker Oskar Heil den ersten Feldeffekttransistor, der mit heute üblichen Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) vergleichbar ist . Die ersten praktisch realisierten JFET mit einem p-n-Übergang (positiv-negativ) und einem sogenannten Gate als Steuerelektrode gehen auf Herbert F. Mataré, Heinrich Welker und parallel dazu William B. Shockley und Walter H.

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Typen

2.1 Bipolartransistor 2.2 Feldeffekttransistor

2.2.1 Sperrschicht-FET 2.2.2 MISFET 2.2.3 Schutz vor elektrostatischen Entladungen

2.3 Spezielle Transistortypen 3 Werkstoffe und Aufbau 4 Anwendungsbereiche

4.1 Digitale Schaltungstechnik 4.2 Analoge Schaltungstechnik 4.3 Leistungselektronik

5 Einzelnachweise 6 Literatur 7 Weblinks

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Eine Auswahl an diskreten Transistoren in verschiedenen

Gehäuseformen

Nachbau des ersten Transistors von

Shockley, Bardeen und Brattain von 1947/48 im Nixdorf-Museum

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Brattain aus dem Jahr 1945 zurück. Der Feldeffekttransistor wurde also vor dem Bipolartransistor realisiert. Damals bezeichnete man diese Bauelemente noch nicht als Transistor; der Begriff „Transistor“ wurde erst in den Jahren nach 1948 durch Shockley geprägt.

In den USA wurde der erste funktionierende Bipolartransistor (Spitzentransistor) bei den Bell Laboratories entwickelt und am 23. Dezember 1947 bei einer internen Demonstration erstmals präsentiert. Zur gleichen Zeit entwickelten die deutschen Forscher Mataré und Welker den ersten funktionsfähigen „französischen Transistor“ in der kleinen nicht mit Westinghouse Electric verbundenen Firma Compagnie des Freins & Signaux Westinghouse in Aulnay-sous-Bois bei Paris und reichten dafür am 13. August 1948 eine Patentanmeldung ein. Am 18. Mai 1949 wurde diese europäische Erfindung als „Transistron“ der Öffentlichkeit präsentiert.

Unterlagen beweisen, dass Shockley und Pearson funktionierende Transistoren gebaut haben, die auf den Patenten von Lilienfeld und Heil basieren. Sie unterließen es, diese grundlegenden Lilienfeld-Patente in ihren Veröffentlichungen, späteren Forschungsberichten oder historischen Berichten zu erwähnen. Die an der Erfindung des Transistors beteiligten William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain erhielten dafür 1956 den Nobelpreis für Physik.

In den 1950er-Jahren gab es einen Wettlauf zwischen der Elektronenröhre und den damals üblichen Bipolartransistoren, in dessen Verlauf die Chancen des Bipolartransistors häufig eher skeptisch beurteilt wurden. Feldeffekttransistoren spielten im Gegensatz zu den ersten Bipolartransistoren in den 1950er bis in die späten 1960er-Jahre kaum eine Rolle. Sie ließen sich mit den damaligen Kenntnissen nicht wirtschaftlich fertigen und waren umständlich zu handhaben. Zur Lösung der bei bipolaren Transistoren auftretenden Probleme wie Leistungsbedarf und Anforderungen für integrierte Schaltungen beschäftigte man sich ab ca. 1955 eingehender mit den Halbleiteroberflächen und entwickelte in Folge Fertigungsverfahren wie die Planartechnik, die die Feldeffekttransistoren in dem Folgejahrzehnt zur Serienreife brachten.

Die ersten handelsüblichen Bipolartransistoren wurden aus dem Halbleitermaterial Germanium hergestellt und ähnlich wie Elektronenröhren in winzige Glasröhrchen eingeschmolzen. Seit den späten 1960er-Jahren kommen großteils Metall- oder Kunststoffgehäuse zur Anwendung. Als Basismaterial wurde nun verstärkt das technisch vorteilhaftere Silizium eingesetzt.

Der erste auf Galliumarsenid basierende Feldeffekttransistor (MESFET) wurde 1966 von Carver Mead entwickelt . Dünnschichttransistoren (engl. thin film transistor, abgekürzt TFT) wurden bereits 1962 von P. Weimer entwickelt, konnten aber erst rund 30 Jahre später im Bereich heute üblicher farbiger TFT-Displays einen Anwendungsbereich finden .

Wenn man alle Transistoren in sämtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen (Arbeitsspeicher, Prozessoren usw.) zusammenzählt, ist der Transistor inzwischen diejenige technische Funktionseinheit, die von der Menschheit in den höchsten Gesamtstückzahlen produziert wurde.

Typen Unterschieden werden zwei große Arten von Transistoren, der Bipolartransistor und der Feldeffekttransistor, die sich grundsätzlich durch die Art der Ansteuerung voneinander unterscheiden.

Bipolartransistor

Bipolare Transistoren werden durch einen elektrischen Strom

Transistoren aus den 1960er-Jahren mit entferntem TO5-

Gehäuse [5]

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[11]

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angesteuert. Die Anschlüsse werden mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet. Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke führt zu Veränderungen der Raumladungszonen im Inneren des Bipolartransistors und kann dadurch einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern. Je nach Dotierungsfolge im Aufbau unterscheidet man zwischen npn (negativ-positiv-negativ) und pnp-Transistoren (positiv-negativ-positiv). Dotierung bedeutet in diesem Zusammenhang das Einbringen von Fremdatomen bei dem Herstellungsprozess in eine Schicht des hochreinen Halbleitermaterials, um die Kristallstruktur zu verändern.

Die Bezeichnung bipolar leitet sich bei diesem Transistor von dem Umstand ab, dass der Ladungsträgertransport im Transistor sowohl durch bewegliche negative Ladungsträger, die Elektronen, als auch durch positive Ladungsträger, nämlich die ortsfesten Ladungsträger des Atomverbandes, die in einem Halbleiter als Defektelektronen bezeichnet werden, gebildet wird. Bipolare Transistoren sind grundsätzlich immer selbstsperrend: Ohne Ansteuerung mittels eines kleinen Stromes durch die Basis-Emitter-Strecke sperrt der Transistor auf der Kollektor-Emitter-Strecke.

Im Schaltsymbol ist der Anschluss Emitter (E) in beiden Fällen mit einem kleinen Pfeil versehen: Bei einem npn-Transistor zeigt dieser vom Bauelement weg, beim pnp-Transistor weist er zu dem Bauelement hin. Der Pfeil beschreibt die elektrische Stromrichtung am Emitter. Der Anschluss in der Mitte wird Basis (B), der dritte Anschluss Kollektor (engl.: collector, C) genannt. In frühen Jahren wurde bei den damals oft eingesetzten diskreten Transistoren zur Kennzeichnung des Transistorgehäuses ein Kreis um das jeweilige Symbol gezeichnet. Die Kreissymbole sind durch den heutigen vorherrschenden Einsatz integrierter Schaltungen unüblich geworden.

Eine spezielle Form der Verschaltung zweier Bipolartransistoren wird als Darlington-Transistor oder als Darlington-Schaltung bezeichnet. Damit kann eine besonders hohe Stromverstärkung erreicht werden. Weitere Details zu den Besonderheiten und Ansteuerungen finden sich in dem eigenen Artikel über Bipolartransistoren und in der mathematischen Beschreibung des Bipolartransistors. Einfache Schaltungsbeispiele finden sich in dem Artikel über Transistorgrundschaltungen und bei den Ersatzschaltungen des Bipolartransistors.

Feldeffekttransistor

Feldeffekttransistoren, abgekürzt FET, oder auch als unipolare Transistoren bezeichnet, werden durch eine Spannung gesteuert. Besonders für FET ist ein sehr hoher Eingangswiderstand im statischen Betrieb und die daher fast leistungslose Ansteuerung typisch.

Die Anschlüsse werden als Gate (dt. Tor, Gatter), das der Steueranschluss ist, Drain (dt. Abfluss) und Source (dt. Quelle) bezeichnet. Bei MOSFETs (Metalloxidschicht) kommt noch ein weiterer Anschluss, das so genannte Bulk (dt. Substrat) hinzu, das meist mit dem Source-Anschluss verbunden wird. Der Widerstand und somit der Strom der Drain-Source-Strecke wird durch die Spannung zwischen Gate und Source und das dadurch entstehende elektrische Feld gesteuert. Die Steuerung ist im statischen Fall fast stromlos. Der gesteuerte Strom im Drain-Source-Kanal kann, im Gegensatz zum Kollektorstrom von Bipolartransistoren, in beiden Richtungen fließen.

Die Klasse der Feldeffekttransistoren unterteilt sich in Sperrschicht-FETs (JFETs) und in die FETs, die mit einem durch einen Isolator getrennten Gate (MISFET, MOSFET) versehen sind. Unterschieden wird bei Feldeffekttransistoren darüber hinaus je nach Dotierung des Halbleiters zwischen n- und p-FETs, die sich bei den MOSFETs weiter in selbstleitende und selbstsperrende

Schaltsymbole bipolarer Transistoren Alternatives Modell eines

Bipolartransistors.


Typen aufteilen.

Bei den Unipolartransistoren ist immer nur eine Ladungsträgerart, negativ geladene Elektronen oder positiv geladene Defektelektronen, am Ladungsträgertransport durch den Transistor beteiligt.

Sperrschicht-FET

Bei Sperrschicht-FETs, abgekürzt JFET (engl. junction FET), wird die elektrisch isolierende Schicht zu dem Gate durch eine in Sperrrichtung betriebene Diode und deren unterschiedlich große Raumladungszone gebildet. Sperrschicht-FETs sind immer selbstleitende Transistoren: ohne Spannung am Gate sind sie zwischen Source und Drain leitend. Durch das Anlegen einer Gate-Spannung geeigneter Polarität wird die Leitfähigkeit zwischen Source und Drain reduziert.

Auch JFETs gibt es in zwei Arten: n-Kanal und p-Kanal. Im Schaltsymbol wird bei einem n-Kanal der Pfeil zu dem Transistor gezeichnet und auf dem Gate-Anschluss eingezeichnet, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Beim p-Kanal Typ ist die Pfeilrichtung umgekehrt. Sperrschicht-FETs finden wegen der etwas komplizierteren Ansteuerung nur in speziellen Anwendungen, wie beispielsweise Mikrofonverstärkern, Anwendung.

MISFET

Die andere große Gruppe sind Feldeffekttransistoren mit einem durch einen Isolator getrennten Gate (IGFET, MISFET). Der eher ungebräuchliche Überbegriff MISFET leitet sich von der englischen Bezeichnung Metal-Insulator-Semiconductor-Field-Effect-Transistor ab. Dabei wird, wie der Name schon andeutet, das Gate durch einen Isolator vom stromführenden Kanal zwischen Source und Drain elektrisch isoliert. Die größte und bekannteste Gruppe daraus stellen die Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistoren, abgekürzt MOSFETs, dar. Die Isolierschicht zwischen Gate und Drain-Source-Kanal wird durch ein Metalloxid gebildet. Gerade bei Silizium als Basiswerkstoff lassen sich technologisch sehr einfach gut isolierende Siliziumdioxydstrukturen zwischen dem Gate und dem darunter liegenden Kanal erzeugen. Da im Betrieb keine Raumladungszone als Trennschicht, wie beim Sperrschicht-FET mit entsprechender Ansteuerungspolarität, gebildet werden muss, kann der Gate-Anschluss in bestimmten Bereichen mit sowohl positiven als auch negativen Spannungen gegen den Source-Anschluss beaufschlagt werden.

Je nach Dotierung des Grundmaterials lassen sich sowohl n- und p-Kanal-MOSFETs herstellen. Diese lassen sich auch in Form von selbstleitenden oder selbstsperrenden Typen im Rahmen der Herstellungsprozesses konfigurieren. Die Schaltsymbole umfassen damit vier mögliche Variationen wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die selbstleitenden MOSFETs, auch als Verarmungs-Typ bezeichnet, eine durchgezogene Linie zwischen den Anschlüssen Drain und Source aufweisen. Diese Linie ist bei den selbstsperrenden Typen, auch Anreicherungs-Typ bezeichnet, unterbrochen. Der Pfeil wird bei diesen Transistoren am Bulk-Anschluss eingezeichnet und bei einem n-Kanal Typ zu dem Transistorsymbol orientiert, bei einem p-Kanal vom Transistor weg gezeichnet. Der Bulk-Anschluss ist meistens fix mit dem Source-Anschluss direkt am Halbleiter verbunden.

Schaltsymbole von JFETs

Schaltsymbole von MOSFETs

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Wegen der größeren Vielfalt und der leichteren elektrischen Steuerbarkeit sind MOSFETs die heute mit großem Abstand am meisten produzierten Transistoren. Möglich wurde dies vor allem durch die sogenannten CMOS-Technologie, bei der n- und p-MOSFETs kombiniert werden. Der Einsatz dieser Technologie erlaubte erst die Realisierung von hochkomplexen, integrierten Schaltungen mit einer deutlich reduzierten Leistungsaufnahme, die mit anderen Transistortypen nicht möglich wäre.

Schutz vor elektrostatischen Entladungen

MOSFETs weisen durch die sehr hochohmige Isolierung des Gates vom Source-Kanal eine große Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen (abgekürzt ESD) auf. Dies führt bei unsachgemäßer Handhabung von elektronischen Bauteilen, die aus Feldeffekttransistoren bestehen, zu einem Durchbruch der Gate-Isolierschicht und damit zur Zerstörung der Feldeffekttransistoren. Die daraus resultierenden Schwierigkeiten bei der Handhabung waren einer der Gründe, warum Feldeffekttransistoren sich gegenüber Bipolartransistoren erst einige Jahrzehnte später am Markt durchsetzen konnten.

Heutige diskrete Feldeffekttransistoren und integrierte Schaltungen weisen meist zusätzlich eingebaute Schutzdioden und entsprechende Halbleiterstrukturen an den Anschlussleitungen auf, welche die Auswirkungen von elektrostatischen Entladungen auf die empfindliche Isolierschicht minimieren. Trotzdem müssen bei der Handhabung von Feldeffekttransistoren immer noch besondere Vorsichtmaßnahmen zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen getroffen werden. So sind beispielsweise Arbeits- und Fertigungsbereiche, in denen mit Feldeffekttransistoren gearbeitet wird, durch ESD-Warnschilder gekennzeichnet.

Spezielle Transistortypen

Neben den Transistorgrundtypen gibt es einige weitere Varianten für spezielle Anwendungsbereiche wie den Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode, abgekürzt IGBT. Diese Transistoren finden seit Ende der 1990 Jahre vor allem in der Leistungselektronik Anwendung und stellen eine Kombination aus MOS- und Bipolartechnologie in einem gemeinsamen Gehäuse dar. Da diese Leistungstransistoren Sperrspannungen bis zu 6 kV aufweisen und Ströme bis zu 3 kA schalten können, ersetzen sie in der Leistungselektronik zunehmend Thyristoren.

Fototransistoren sind optisch empfindliche bipolare Transistoren, wie sie unter anderem in Optokopplern Verwendung finden. Die Steuerung dieser Transistoren erfolgt nicht durch einen kleinen Basis-Emitter-Strom, sondern durch den Einfall von Licht. Licht hat in der Raumladungszone des p-n-Überganges des Bipolartransistors eine ähnliche Wirkung wie der Basisstrom. Deswegen sollten herkömmliche Transistoren, bei welchen dieser Effekt unerwünscht ist, in einem lichtundurchlässigen Gehäuse untergebracht sein.

Ein heute kaum noch verwendeter Transistor ist der Unijunctiontransistor, abgekürzt UJT. Er ähnelt in seiner Funktion eher Thyristoren bzw. den Diacs, wird historisch aber zu den Transistoren gezählt.Seine Funktion, beispielsweise in Sägezahngeneratoren, wird heute großteils durch integrierte Schaltungen realisiert.

In manchen Flüssigkristallbildschirmen, den meist farbfähigen TFT-Displays, kommen pro Pixel im aktiven Bildbereich bis zu drei Dünnschichttransistoren zu Anwendung. Diese Feldeffekttransistoren sind praktisch durchsichtig. Sie werden zur Ansteuerung der einzelnen Pixel verwendet und

Gefahrenzeichen für elektrostatisch gefährdete Bauteile wie MOSFETs


ermöglichen im Vergleich zu den transistorlosen, farbfähigen LC-Displays einen höheren Kontrast. Je nach Größe des TFT-Display können pro Bildschirm bis zu einigen Millionen Dünnfilmtransistoren eingesetzt werden.

In elektrisch programmierbaren Festwertspeichern wie EPROMs und EEPROMs finden spezielle MOSFET mit einem so genannten Floating Gate als primäres Speicherelement Anwendung. Durch die im Floating Gate gespeicherte elektrische Ladung ist der Transistor permanent ein- bzw. ausgeschaltet und kann den Informationsgehalt von einem Bit speichern. Das Beschreiben, und bei einigen Typen auch das Löschen, wird mittels des quantenmechanischen Tunneleffektes ermöglicht.

Werkstoffe und Aufbau Bipolare Transistoren wurden in der Anfangszeit aus dem Halbleiter Germanium gefertigt, während heute überwiegend der Halbleiter Silizium sowohl bei Feldeffekttransistoren als auch Bipolartransistoren verwendet wird. Der schrittweise Ersatz von Germanium durch Silizium im Laufe der 1960er und 1970er Jahre geschah aus folgenden Gründen:

1. Silizium besitzt ein stabiles, nichtleitendes Oxid (Siliziumdioxid), das sehr gute Haftungseigenschaften auf Silizium besitzt. Dies ist bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren besonders wichtig.

2. Silizium ist wie Germanium ein Elementhalbleiter, dessen Gewinnung und Handhabung vergleichsweise einfacher als von Germanium ist. Silizium ist, im Gegensatz zu den giftigen Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid, auch nicht giftig.

3. Für Silizium stehen eine Vielzahl von Dotierungsmaterialien zur Verfügung. 4. Die Herstellung von Silizium-Einkristallen ist deutlich kostengünstiger als bei Germanium.

Für Spezialanwendungen werden weitere Materialien eingesetzt. So besitzen einige Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid bessere Eigenschaften für hochfrequente Anwendungen, sind aber teurer zu fertigen und benötigen andere Fertigungseinrichtungen. Um diese praktischen Nachteile von Galliumarsenid zu umgehen, existieren auch verschiedene Halbleiterkombinationen wie Siliziumgermanium, die für höhere Frequenzen verwendbar sind. Für Hochtemperaturanwendungen kommen für die Herstellung von Transistoren spezielle Halbleitermaterialien wie Siliciumcarbid (SiC) zur Anwendung. Diese Transistoren können beispielsweise direkt an einem Verbrennungsmotor bei Temperaturen bis zu 600 °C eingesetzt werden. Bei siliziumbasierenden Halbleitern liegt die maximale Betriebstemperatur im Bereich von 150 °C.

Nachfolgend sind als Schnittdarstellung durch den Halbleiter die unterschiedlichen Dotierungen im Aufbau von bipolaren und unipolaren Transistoren dargestellt. Dabei markieren Bereiche, die mit p gekennzeichnet sind, positiv dotierte Zonen im Halbleiter und p+ besonders stark positiv dotierte Bereiche. In diesen Bereichen überwiegen positive Ladungsträger (Defektelektronen). In n bzw. n++ dotierten Bereichen überwiegen negative Ladungsträger.

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117

Anwendungsbereiche Transistoren werden heutzutage in nahezu allen elektronischen Schaltungen verwendet. Der Einsatz als einzelnes (diskretes) Bauelement spielt dabei eine nebensächliche Rolle. Sogar in der Leistungselektronik werden zunehmend mehrere Transistoren auf einem Substrat gefertigt, dies geschieht hauptsächlich aus Kostengründen.

Digitale Schaltungstechnik

Ausgehend von der Zahl der gefertigten Bauelemente ist das Hauptanwendungsgebiet von Transistoren in der Digitaltechnik der Einsatz in integrierten Schaltungen, wie Speicher (z. B. RAM-Speicher oder Flash-Speicher), Mikrocontroller und Mikroprozessoren und Logikgattern. Dabei befinden sich bis zu einigen 100 Millionen Transistoren auf einem Substrat, welches meistens aus Silizium besteht, mit einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern. Die im Jahr 2007 noch exponentiell wachsende Steigerungsrate bei der Bauelementeanzahl pro integriertem Schaltkreis wird auch als Mooresches Gesetz bezeichnet.

Die Größe der Transistoren (Gate-Länge) beträgt beispielsweise bei hochintegrierten Chips im Jahr Mitte 2007 oft nur noch 65 nm und wird in den kommenden Jahren noch weiter sinken. In nachfolgender Tabelle ist beispielhaft die Anzahl der auf einigen Mikroprozessoren eingesetzten Transistoren angegeben:

Analoge Schaltungstechnik

Prozessortyp Anzahl der Transistoren Entwicklungsjahr

Intel 4004 2300 1971

Pentium 4 42.000.000 2000

Intel Itanium 2 Montecito 1.720.000.000 2006

Schematischer Aufbau eines

pnp-dotierten Bipolartransistors in

Epitaxial-Planartechnik

Prinzipieller Aufbau eines n-Kanal MOSFETs im Querschnitt.


In der analogen Schaltungstechnik finden sowohl Bipolartransistoren als auch Feldeffekttransistoren in Schaltungen wie dem Operationsverstärker, Signalgenerator oder als hochgenaue Referenzspannungsquelle Anwendung. Als Schnittstelle zu digitalen Anwendungen fungieren Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Analog-Umsetzer. Die Schaltungen sind dabei im Umfang wesentlich kleiner. Die Anzahl der Transistoren pro Chip bewegen sich im Bereich von einigen 100 bis zu einigen 10.000 Transistoren.

In Transistorschaltungen zur Signalverarbeitung (z. B. Vorverstärker, ADC-Eingangsstufen) ist das Rauschen eine wesentliche Störgröße. Es spielt vor allem das thermische Rauschen und das Schrotrauschen (z. B. Basis- bzw. Kollektorstromes) sowie das 1/f-Rauschen eine Rolle. Beim MOS-Feldeffekttransistor ist beispielsweise das 1/f-Rauschen (bereits unter ca. 1 MHz) besonders groß. Das unterschiedliche Rauschverhalten bestimmt ebenfalls die möglichen Einsatzbereiche der Transistortypen, beispielsweise in Niederfrequenzverstärkern oder in speziellen rauscharmen Hochfrequenzumsetzern.

In der analogen Schaltungstechnik werden auch heute noch diskrete Transistoren unterschiedlichen Typs eingesetzt und mit anderen elektronischen Bauelementen auf Leiterplatten verbunden, so es für diese Anforderungen noch keine fertigen integrierten Schaltungen bzw. Schaltungsteile gibt.

Leistungselektronik

Transistoren werden in unterschiedlichen Bereichen der Leistungselektronik eingesetzt. Im Bereich von Leistungsverstärkern finden sie sich in Endstufen. Im Bereich der geregelten Stromversorgungen wie bei Schaltnetzteilen finden Leistungs-MOSFETs oder IGBTs Anwendung – sie werden dort als Wechselrichter und synchroner Gleichrichter verwendet. IGBT und Leistungs-MOSFETs dringen zunehmend in Bereiche vor, die bisher größeren Thyristoren vorbehalten waren, beispielsweise in Wechselrichtern oder Motorsteuerungen. Der Vorteil von Leistungstransistoren gegenüber Thyristoren ist die Möglichkeit, Transistoren jederzeit ein- oder ausschalten zu können. Herkömmliche Thyristoren können zwar jederzeit eingeschaltet (gezündet) werden, aber nicht bzw. nur mit zusätzlichem Schaltungsaufwand wieder ausgeschaltet werden. Ein Umstand, der vor allem bei Gleichspannungsanwendungen von Nachteil ist.

Aufgrund der in der Leistungselektronik auftretenden Verlustleistungen kommen meist größere Transistorgehäuse wie TO-220 oder TO-3 zur Anwendung, die zusätzlich eine gute thermische Verbindung zu Kühlkörpern ermöglichen.

Einzelnachweise

1. ↑ The First Transistor (http://nobelprize.org/educational_games/physics/transistor/function/firsttransistor.html) Information zur Herkunft des Wortes „Transistor“ auf der Webseite der The Nobel Foundation

2. ↑ Patent US 1745175 (http://v3.espacenet.com/textdoc?DB=EPODOC&F=0&IDX=US1745175) Julius Edgar Lilienfeld: „Method and Apparatus For Controlling Electric Currents“ Erstanmeldung am 22. Oktober 1925 (Canada)

3. ↑ Reinhold Paul: Feldeffekttransistoren – physikalische Grundlagen und Eigenschaften. Verlag Berliner Union [u. a.], Stuttgart 1972, ISBN 3-4085-3050-5

4. ↑ Patent GB 439457 (http://v3.espacenet.com/textdoc?DB=EPODOC&F=0&IDX=GB439457) Oskar Heil: „Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices“ Erstanmeldung am 02.03.1934 (Deutschland)

5. ↑ Walter H. Brattain: Laboraufzeichnungen vom 24. Dezember 1947 (http://www.porticus.org/bell/pdf/brattain_lab_notebook.pdf) (PDF; 2,2 MB)

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Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor aus Wikipedia, der freien EnzyklopädieDer Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (englisch: metal oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET auch MOS-FET, selten MOST) ist der zur Zeit meistverwendete Feldeffekttransistor für analoge und digitale integrierte Schaltungen.

Ähnlich wie beim Bipolartransistor kann auch der MOSFET in die zwei grundlegenden Varianten p-Typ (auch p-leitend oder PMOS) und n-Typ (auch n-leitend oder NMOS) eingeteilt werden. Werden, beispielsweise in integrierten Digitalschaltungen, beide Typen gemeinsam verwendet, spricht man auch von CMOS (= Complementary MOS). Zusätzlich gibt es von beiden Varianten jeweils zwei Formen, die sich im inneren Aufbau und in den elektrischen Eigenschaften unterscheiden:

1. selbstleitend (engl.: depletion) – auch normal-an, normal leitend, Verarmungstyp

2. selbstsperrend (engl.: enhancement) – auch normal-aus, normal sperrend, Anreicherungstyp

Geschichte Historisch gesehen ist das Funktionsprinzip des MOSFETs wesentlich länger bekannt als das des

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Aufbau und Funktionsweise

2.1 Grundsätzlicher Aufbau am Beispiel eines n-Kanal-MOSFETs 3 Bauformen 4 Vor- und Nachteile 5 Leckströme 6 Anmerkungen zum Namen dieser Transistorform 7 Siehe auch 8 Weblinks 9 Literatur 10 Einzelnachweise

Schaltsymbole von MOSFETs


Bipolartransistors. Die ersten Patentanmeldungen stammen aus den Jahren 1926 von Julius Edgar Lilienfeld und 1934 von Oskar Heil. Die ersten MOSFETs wurden allerdings erst 1960 gefertigt, als mit dem Silicium/Siliciumdioxid ein Materialsystem zur Verfügung stand, mit dem sich eine reproduzierbar gute Halbleiter-Isolator-Grenzfläche herstellen ließ. Damit verbunden war die Abkehr vom Germanium als Basismaterial und steigende Anforderungen an die Fertigungsbedingungen (Reinräume, strenges Temperaturregime).

Aufbau und Funktionsweise Ein MOSFET ist ein aktives Bauelement. Er arbeitet wie ein spannungsgesteuerter Widerstand. Er besitzt drei Anschlüsse (Elektroden): G (Gate, dt. Steuerelektrode), D (Drain), S (Source). Bei einigen Bauformen wird ein zusätzlicher Anschluss B (bulk, Substrat) nach außen geführt. Meistens ist das Bulk jedoch intern mit dem Source verbunden. Mit MOSFETs, die einen separaten Bulkanschluss besitzen, lassen sich zwischen Source und Drain kleinere Wechselspannungen steuern und schalten, wenn der Substratanschluss – im Falle von n-Kanal-MOSFET – negativer als die Wechselspannung gehalten wird.

Der Schlüssel zum Verständnis der MOS-Struktur liegt in der Entstehung eines leitenden Kanals unter dem Gate. Dieser Kanal stellt eine leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen Drain und Source her.

Grundsätzlicher Aufbau am Beispiel eines n-Kanal-MOSFETs

Als Grundmaterial dient ein schwach p-dotierter Siliziumeinkristall (Substrat). In dieses Substrat sind zwei stark n-dotierte Gebiete eingelassen, die den Source- bzw. Drainanschluss erzeugen. Zwischen den beiden Gebieten befindet sich weiterhin das Substrat, wodurch eine npn-Struktur entsteht, die vorerst keinen Stromfluss zulässt (vgl. npn-Transistor: ohne Basisstrom ist der Transistor gesperrt). Genau über diesem verbleibenden Zwischenraum wird nun eine sehr dünne, widerstandsfähige Isolierschicht (meist Siliziumdioxid) aufgebracht. Den Gate-Anschluss des Transistors bildet eine leitende Schicht, die auf diesem Dielektrikum (Isolator) oberhalb des zukünftigen Kanals aufgetragen wird. Verwendung fand hier früher Aluminium, heute n+ bzw. p+ dotiertes (entartetes) Polysilizium (Abkürzung für polykristallines Silizium).

Durch diesen Aufbau bilden Gate-Anschluss, Dielektrikum und Bulk-Anschluss einen Kondensator, der beim Anlegen einer Spannung zwischen Gate und Bulk aufgeladen wird. Durch das elektrische Feld wandern im Substrat Minoritätsträger (bei p-Silizium Elektronen) an die Grenzschicht und rekombinieren mit den Majoritätsträgern (bei p-Silizium Defektelektronen). Dies wirkt sich wie eine Verdrängung der Majoritätsträger aus und wird „Verarmung“ genannt. Ab einer bestimmten Spannung Uth (engl. threshold voltage, Schwellspannung) ist die Verdrängung der Majoritätsladungsträger so groß, dass sie nicht mehr für die Rekombination zur Verfügung stehen. Es kommt zu einer Ansammlung von Minoritätsträgern wodurch das eigentlich p-dotierte Substrat nahe an der Isolierschicht n-leitend wird. Dieser Zustand wird starke „Inversion“ genannt. Der entstandene dünne n-leitende Kanal verbindet nun die beiden n-Gebiete Source und Drain, wodurch Ladungsträger (beinahe) ungehindert von Source nach Drain fließen können.

Prinzipiell sind Source- und Drainanschluss zunächst gleichwertig, meist ist der Aufbau aber nicht symmetrisch, um ein besseres Verhalten zu erzielen. Außerdem wird bei den meisten Bauformen Bulk intern mit Source verbunden, da ein Potentialunterschied zwischen Source und Bulk die

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Prinzipieller Aufbau eines n-Kanal-MOSFETs im

Querschnitt.

121

Eigenschaften des Transistors (vor allem die Schwellenspannung) negativ beeinflusst (body effect). Auf die grundlegende Funktion hat die Verbindung keinen Einfluss. Allerdings entsteht nun zusätzlich eine Diode zwischen Source- und Drainanschluss, die parallel zum eigentlichen Transistorliegt (Bulk mit dem p-dotierten Substrat und Drain mit dem n-Gebiet bilden den p-n-Übergang). Diese sogenannte Body-Diode ist als Pfeil im Schaltsymbol des MOSFETs dargestellt und zeigt beim n-Kanal-MOSFET vom Bulkanschluss zum Kanal. Bei der Anwendung ist die Body-Diode in der Regel in Sperrrichtung gepolt, bei manchen Schaltanwendungen kann sie jedoch genutzt werden, um Inversbetrieb zu verhindern.

siehe auch: Feldeffekttransistor.

Bauformen Im Wesentlichen ist zwischen lateralen (also parallel zu der Oberfläche ausgerichteten) und vertikalen Bauformen zu unterscheiden. Während laterale Transistoren vorwiegend in der Nachrichtentechnik zum Einsatz kommen, findet sich die vertikale Bauform überwiegend in der Leistungselektronik wieder. Der Vorteil der vertikalen Struktur liegt in der höheren möglichen Sperrspannung der Bauelemente.

Vor- und Nachteile Ein prinzipieller Nachteil der MOSFET-Technologie ist die geringe Oberflächenbeweglichkeit der Ladungsträger im Kanal. Elektronen besitzen dabei eine höhere Beweglichkeit als Defektelektronen, daher haben n-Kanal-MOSFET geringfügig bessere Eigenschaften als p-Kanal-Typen. Durch die Verkleinerung der Bauelementstrukturen lässt sich dieser Nachteil jedoch ausgleichen und die Schaltgeschwindigkeit erhöht sich. Dadurch gelingt es einerseits, schnellere Einzeltransistoren herzustellen, andererseits lassen sich durch feine Wabenstrukturen auch schnelle MOSFET für große Ströme herstellen. Durch Skalierung in den Submikrometerbereich wird der MOSFET für integrierte digitale Anwendungen mit Taktfrequenzen oberhalb von 1 GHz verwendbar. MOSFET sind wegen ihres einfachen Herstellungsprozesses (CMOS-Prozess) und der lateralen Struktur besonders für integrierte Schaltungen geeignet.

Da bei IGFETs im Gegensatz zum Bipolartransistoren die Steuerung nicht über einen Stromfluss (Basisstrom) sondern über eine Steuerspannung erfolgt, werden sie fälschlicherweise als „stromlos“ bezeichnet. Im statischen Betrieb, d. h., die Gate-Spannung bleibt konstant, fließt über das Gate kaum bis theoretisch kein Strom. Allerdings ist zur Umladung der Gate-Kapazität ein teilweise erheblicher Lade- und Entladestrom notwendig − in der Leistungselektronik bis über 10 A. Diese Ströme verursachen zusammen mit Gate-Leckströmen, die bei heutigen Mikroprozesseren nicht mehr vernachlässigbar sind, die hohe Leistungsaufnahme moderner integrierter Schaltkreise.

In Leistungsanwendungen ist der sogenannte Leistungs-MOSFET hinsichtlich kurzer Schaltzeiten und geringer Schaltverluste den Bipolartransistoren und IGBTs überlegen. Er erreicht jedoch nicht deren hohe Sperrspannungen. Gegenüber bipolarer Technik besitzt die Drain-Source-Strecke des MOSFET eine reine Widerstandscharakteristik, die den statischen Spannungsabfall und die statische Verlustleistung im Betrieb bestimmt. Erst dadurch werden die hohen Wirkungsgrade von leistungselektronischen Schaltungen besonders bei niedrigen Spannungen und Batteriebetrieb möglich (vgl. Synchrongleichrichter).

Im Gegensatz zu bipolaren Transistoren besitzt der Kanalwiderstand der Drain-Source-Strecke des MOSFET einen positiven Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, dass bei steigender Temperatur auch der Widerstand steigt. Dadurch kann man in einigen Anwendungen mehrere MOSFET ohne


zusätzliche symmetrierende Maßnahmen parallelschalten, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen und den Spannungsabfall zu verringern. Sobald einer der MOSFETs durch zu viel Strom zu heiß wird, steigt sein Widerstand, er leitet weniger Strom und kann sich wieder abkühlen.

Leistungs-MOSFETs auf Silizium-Basis werden vorteilhaft beim Schalten von Spannungen bis ca. 800 V und Strömen von bis zu mehreren 100 A eingesetzt. Einsatzgebiete sind u. a. Schaltnetzteile, Synchrongleichrichter, getaktete Strom- und Spannungsregler und auch starke Hochfrequenzsender bis in den UKW-Bereich. In Sonderanwendungen werden Schaltzeiten von nur einigen Nanosekunden bei Spannungen von mehreren Kilovolt durch Reihenschaltung realisiert.

Leckströme Bei den Leckströmen handelt es sich um unerwünschte Stromflüsse innerhalb der Transistoren. Diese treten sowohl im gesperrten als auch im leitenden Zustand des Transistors auf. Momentan (Stand 2008) sind hierbei vor allem der Subthreshold-Leakage (frei übersetzt: Unterschwellspannungs-Leckstrom), Junction-Leakage als auch der Gate-Oxid-Leckstrom dominierend.

In aktuellen CMOS-Technologien mit Gate-Längen von weniger als 100 nm stellen die Leckströme eines der Hauptprobleme im Chip-Entwurf dar . Studien sagen voraus, dass in aktuellen und zukünftigen Prozessoren die Leckströme bis zur Hälfte des Gesamtenergieverbrauchs verursachen.

Anmerkungen zum Namen dieser Transistorform Da derzeit (noch) Polysilizium als Gate-Material eingesetzt wird, ist der Begriff nicht mehr korrekt. Die Bezeichnung stammt noch aus der Zeit (bis Anfang der 1980er), als Aluminium (ein Metall) als Gate-Material verwendet wurde. In der Halbleitertechnologie gibt es allerdings derzeit Bestrebungen das Polysilizium gegen andere Materialien wie Übergangsmetalle auszutauschen. Des Weiteren wird in modernen integrierten Schaltkreisen nicht nur Siliziumdioxid als Gate-Dielektrikum eingesetzt, daher ist es günstiger die neutrale Bezeichnung MISFET (Metall-Nichtleiter-Halbleiter-FET) oder IGFET (FET mit isoliertem Gate) zu verwenden.

Siehe auch RADFET

Weblinks Genaue Erklärung der MOS-Struktur (http://olli.informatik.uni-oldenburg.de/weTEiS/weteis/mos1.htm) Java-Applet zum NMOS (http://olli.informatik.uni-oldenburg.de/weTEiS/weteis/transistor.htm) SEMIKRON-Handbuch – Funktion und Anwendungshinweise (http://www.semikron.com/internet/index.jsp?language=de&sekId=229) ELektronik-KOmpendium - MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET) (http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0510161.htm)

Literatur Hans-Joachim Fischer, Wolgang E. Schlegel: Transistor- und Schaltkreistechnik. 4. Auflage.

[2] [3][4]

123

Inverter aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Als Inverter bezeichnet man in der Technik verschiedene Schaltungen bzw. Geräte, die eine Inversion, also eine Umkehrung oder Umwandlung vornehmen.

Digitaltechnik In der Digitaltechnik ist ein Inverter ein elektronisches Schaltelement zur Ausführung der NOT-Funktion, das das Eingangssignal invertiert: 0 am Eingang liefert 1 am Ausgang, 1 am Eingang liefert 0 am Ausgang. Damit entspricht der Inverter der Negation in der Booleschen Algebra. In Analogtechnik entspricht das einer Phasenverschiebung eines Sinussignals um 180°.

Die einfachste Schaltung für einen Inverter stellt ein Transistor in Emitterschaltung dar.

Inverter werden für verschiedene Einsatzbereiche benötigt. Zum einen werden häufig zwei Inverter als Signalverstärker hintereinandergeschaltet. In der CMOS-Technik sind alle Ergebnisse invertiert, so dass in der kleinsten Bauart mit 4 Transistoren nur NAND-Gatter und NOR-Gatter entstehen und man für UND- bzw. ODER-Gatter einen Inverter dahinter schalten muss.

Zwei hintereinandergeschaltete Inverter wurden auch manchmal als Sicherung verwendet um ein teureres Bauteil zu schützen, da Inverter sehr preiswert in der Herstellung sind und sich somit quasi als „Sollbruchstelle“ gut eignen.

Inhaltsverzeichnis 1 Digitaltechnik 2 Energietechnik 3 Funktechnik 4 Bildverstärker

Schaltzeichen eines Inverters in der Digitaltechnik


Energietechnik In der Energietechnik bezeichnet man als Inverter einen Wechselrichter, der Gleichstrom in ein- oder mehrphasigen Wechselstrom umwandeln kann. Im Gegensatz zum Umformer geschieht dies ohne mechanische Zwischenenergie.

Anwendung findet der Inverter zum Beispiel in modernen Frequenzumrichtern zum Betrieb von Drehstrom-Asynchronmaschinen und Drehstrom-Synchronmaschinen, in Schweißstromquellen, in Wechselrichtern zum Einspeisen von Solarstrom ins allgemeine Stromnetz oder in unterbrechungsfreien Stromversorgungen zur Umwandlung der Akku-Gleichspannung in Wechselspannung.

Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Inverter für Kaltkathodenleuchten (CCFL), die häufig für Modding im PC und als Hintergrundbeleuchtung für TFT-Flachbildschirme (engl. Display Inverter oder Backlight Inverter) verwendet werden, sowie für batterie- oder akkubetriebene Leuchtstofflampen. Diese kleinen Inverter wandeln Gleichspannungen in höhere Wechselspannungen mit einer relativ hohen Frequenz um, z. B. um 400 Hertz für Elektrolumineszenz-Folien oder in einem Bereich von 30 bis 100 kHz für CCFL-Röhren. Das nebenstehende Bild zeigt eine Gegentaktstufe mit anschließendem Resonanztransformator Cr/Lr, die aus 12 V Gleichspannung etwa 700 V Wechselspannung für die Leuchtröhre herstellt.

Invertertechnik wird auch im Klimaanlagen- bzw. im Wärmepumpenbau zur Drehzahlregelung der Verdichter und Ventilatoren eingesetzt.

Funktechnik In der Funktechnik bezeichnet man ein Sprachumwandlungsgerät zur Wahrung des Fernsprechgeheimnisses auf Funkverbindungen als Inverter.

Einfache Ausführung eines Inverters (Transistor in Emitterschaltung)

Inverter in CMOS-Technik

Inverterschaltng für eine Leuchtröhre

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Flipflop aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein Flipflop (engl. flip-flop), auch bistabile Kippstufe, bistabiles Kippglied oder bistabiler Multivibrator genannt, ist eine elektronische Schaltung, die zwei stabile Zustände einnehmen und diese speichern kann.

Das Flipflop ist eine einfache elektronische Schaltung, welche eine Datenmenge von einem Bit über eine lange Zeit speichern kann. Es ist fundamentaler Bestandteil vieler elektronischer Schaltungen (sequentieller Schaltkreise) – von der Quarzuhr bis zum Mikroprozessor. Daneben ist es in vieltausend- bis milliardenfacher Ausführung in Computerspeicherchips (statischen Speicherbausteinen) enthalten.

Entstehung Entwickelt wurde die Flipflop-Schaltung auf der Suche nach Zählschaltungen von den Engländern William Henry Eccles und F. W. Jordan an rückgekoppelten Radioröhren-Verstärkern (Radio Review. Dez. 1919, S. 143 ff), und erhielt ursprünglich die Bezeichnung Eccles-Jordan-Schaltung.

Charakteristik Flipflops unterscheiden sich in der Art der Eingänge, der Reaktion auf Taktsignale, der verwendeten Schaltgatter und in anderen Eigenschaften. Gemeinsam ist jedoch allen, dass sie zwei stabile Zustände haben, welche an einem Ausgang gemessen werden können. Diese Zustände werden „gesetzt“ (set) und „zurückgesetzt“ (reset) genannt. Zwischen diesen Zuständen kann durch Signale an den Eingängen umgeschaltet werden. Üblicherweise ist neben dem Ausgang Q ein weiterer Ausgang Q vorhanden, an dem der negierte Wert von Q anliegt.

Inhaltsverzeichnis 1 Entstehung 2 Charakteristik 3 Klassifizierung anhand von Taktabhängigkeit

3.1 Taktzustands- und taktflankengesteuerte Flipflops4 Flipflop-Typen

4.1 RS-Flipflop 4.2 JK-Flipflop 4.3 D-Flipflop 4.4 T-Flipflop

5 Schaltzeichen verschiedener Flipflop-Typen 6 Verwendung von Flipflops 7 Weblinks

Schaltzeichen eines Flipflop nach DIN 40900

Teil 12

Bistabile Kippstufe mit Transistoren


Wird ein Flipflop zum Beispiel in Transistor-Transistor-Logik (TTL) aufgebaut, dann entspricht der Zustand „gesetzt“ einer Spannung von 5 Volt am Ausgang Q. An dem negierten Ausgang Q liegen dann 0 Volt an. Bei der Verwendung von positiver Logik wird dieser Zustand als Q = 1 und Q = 0 interpretiert. In dem Zustand „zurückgesetzt“ liegen die Werte vertauscht an den Ausgängen an (Q = 0 und Q = 1).

Das einfachste Flipflop ist das ungetaktete RS-Flipflop, welches die zwei Eingänge S und R besitzt. Der Eingang S setzt den Ausgang des Flipflops, versetzt das Flipflop also in den Zustand „gesetzt“. Der Eingang R setzt den Ausgang zurück, versetzt das Flipflop also in den Zustand „zurückgesetzt“. Die Eigenschaften des RS-Flipflops und anderer Flipflop-Arten werden weiter unten detaillierter erläutert.

Durch das Zusammenschalten mehrerer Flipflops entstehen komplexe Systeme wie Zähler (asynchron oder synchron), Datenspeicher (Halbleiterspeicher) und Mikroprozessoren. Flipflops sind Grundbausteine für die gesamte Digitaltechnik und Mikroelektronik von heute, einschließlich des Computers.

Klassifizierung anhand von Taktabhängigkeit Das oben eingeführte ungetaktete SR-Flipflop ändert seinen Zustand direkt bei Änderung der Eingangssignale S oder R. Da diese nur in bestimmten Zeitabschnitten stabil anliegen, ist es oft gewünscht, dass ein Flipflop nur zu bestimmten Zeiten die Eingangssignale berücksichtigt. Dieses Verhalten kann durch Verwendung eines Taktsignals realisiert werden, welches die Steuereingänge des Flipflops zu bestimmten Zeiten freischaltet. Das Berücksichtigen eines Taktsignals ermöglicht auch Synchronität mit anderen Schaltungsteilen. Hier gilt es zu unterscheiden, auf welche Weise ein Flipflop Taktsignale berücksichtigt. Das folgende Bild zeigt diesbezüglich, wie verschiedene Flipflop-Typen voneinander abhängen.

Taktzustands- und taktflankengesteuerte Flipflops

Flipflops lassen sich in zustandsgesteuerte (auch „pegelgesteuert“) und flankengesteuerte Flipflops einteilen.

Ungetaktetes RS-Flipflop aus zwei NAND-Gattern

Klassifizierung von Flipflops anhand ihrer Reaktion auf Taktsignale

127

Zustandsgesteuerte Flipflops reagieren während der gesamten aktiven Taktphase auf die Spannungen, welche an den Eingängen angelegt werden. Sie arbeiten asynchron. Zustandsgesteuerte Flipflops werden auch (transparente) Latches genannt. Strenggenommen werden als „Flipflop“ nur flankengesteuerte Bausteine bezeichnet. Pegelgesteuerte Bausteine werden vor allem in der englischsprachigen Literatur als „Latch“ bezeichnet.

Taktflankengesteuerte Flipflops können den Zustand nur an einer Taktflanke ändern. Genauer gesagt, reagiert das Flipflop nur während einer sehr kurzen Zeit nach der Taktflanke auf die Spannungen, welche an den Eingängen anliegen. In der übrigen Zeit zwischen den Flanken bleibt der vorher eingestellte Zustand gespeichert und ändert sich, im Gegensatz zu taktzustandsgesteuerten Flipflops, auch dann nicht, wenn sich die Eingangsspannungen ändern. Man unterscheidet vorderflankengesteuerte (Wechsel bei steigender (positiver) Taktflanke) und rückflankengesteuerte (Wechsel bei fallender (negativer) Taktflanke) Flipflops. Zweiflankengesteuerte Flipflops werden auch „Master-Slave-Flipflops“ genannt. Sie bestehen aus zwei hintereinander geschalteten Flipflops. Die erste Flanke setzt nur den Master, die zweite den Slave. Dieser ist mit dem Ausgang verbunden, so dass der Ausgang erst bei der zweiten Flanke reagiert. Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungen.

Flipflop-Typen Im Folgenden sind einige typische Flipflops dargestellt, welche sich durch die vorhandenen Steuereingänge unterscheiden.

RS-Flipflop

Ein RS-Flipflop ist die einfachste Art eines Flipflops. Mit einem Signal am „Setz“-Eingang (S) wird der Ausgang auf 1 gesetzt und mit dem „Rücksetz“-Eingang (R) zurückgesetzt. RS-Flipflops zählen zu der Gruppe der nicht taktgesteuerten Flipflops und stellen eine asynchrone Schaltung dar. Diese Flipflops gibt es ebenfalls flankengesteuert.

Besondere Aufmerksamkeit muss dem Eingangszustand gewidmet werden, bei dem sowohl R- als auch S-Eingang aktiv sind (R = S = 1 beim RS-Flipflop aus NOR-Gattern bzw. R = S = 0 beim RS-Flipflop aus NAND-Gattern). Dabei nimmt das zustandgesteuerte Flipflop einen dritten Zustand an, bei dem beide Ausgänge gleichen Pegel führen und der nicht gespeichert werden kann. Ein gleichzeitiger bzw. annähernd gleichzeitiger Wechsel beider Eingänge zum inaktiven Pegel führt zu einem undefinierten metastabilen Zustand (race condition), bei dem das Flipflop, salopp formuliert, nicht weiß, in welchen Zustand es wechseln soll. Er kann im Prinzip beliebig lange andauern, in der Praxis wird er meist in einen der beiden stabilen Zustände fallen, deshalb sollte ein solcher Wechsel vermieden werden. Ein flankengesteuertes RS-Flipflop kann durch (annähernd) gleichzeitiges Takten beider Eingänge ebenfalls in einen undefinierten Zustand gelangen. Man kann jedoch einen Eingang dominierend schalten und somit den dritten Zustand vermeiden. Solche Flipflops werden am dominierenden Eingang mit einer 1 nach dem Buchstaben gekennzeichnet.

In der folgenden Gegenüberstellung ist die erste Ausführung in negativer Logik ausgeführt. Das heißt, dass der Ruhezustand der Eingangssignale durch den 1-Pegel gebildet wird, und der aktive,

Impulsverläufe eines zustandsgesteuerten und eines

vorderflankengesteuerten SR-Flipflops im Vergleich


schaltende Zustand durch 0-Pegel der Eingänge. Dies ist durch den Aufbau des Flipflops aus NAND-Gattern bedingt und durchaus auch in der Praxis üblich. Bei der zweiten Ausführung ist den Eingängen praktisch eine zusätzliche Inverterstufe vorgeschaltet, so dass hier wieder in positiver Logik gearbeitet wird.

Ein RS-Flipflop mit nur einem Eingang, der gleichzeitig Setz- und negierter Rücksetz-Eingang ist, wird D-Flipflop (D für Delay, nach anderer Definition auch für Daten) oder Latch genannt. Solange der Takteingang (C für Clock) aktiv ist, nimmt das Flipflop den Zustand an, der am Eingang anliegt. Der Vorteil des D-Flipflops ist, dass der illegale Zustand R = S = 1 vermieden wird. Sowohl RS- als auch D-Flipflop haben den (allerdings nur in bestimmten Schaltungen bedeutsamen) Nachteil, dass der Eingangswert sofort am Ausgang sichtbar wird, solange der Takt vorliegt (C = 1).

JK-Flipflop

Eine weitere Klasse von Flipflops, die primär in diskreten digitalen Schaltungen Anwendung findet, sind die JK-Flipflops. Sie wurden wahrscheinlich nach Jack Kilby benannt, werden aber oft Jump-/Kill-Flipflops genannt, da bei der Eingangsbeschaltung J = 1 eine 1 und bei K = 1 eine 0 gespeichert wird. Sie sind fast immer als flankengesteuertes Bauelement ausgeführt. Der Eingang C kann für steigende Flanken (Wechsel von 0 auf 1) oder für fallende Flanken (Wechsel von 1 auf 0) ausgelegt

Name Schaltsymbol Impulsdiagramm Ersatzschaltbild

RS-Flipflop

Impulsdiagramm SR-Flipflop in

negativer Logik

RS-Flipflop mit Taktpegelsteuerung

Impulsdiagramm (SR-Latch)

Logik-Scheines RS-Faus zwei N

Gatter(ungetak

Logik-Schaltung eines geRS-Flip-Flops aus vier NGattern (taktpegelgeste

129

werden. Der Zustand J = K = 1 ist erlaubt. In diesem Fall wechselt der Ausgangspegel mit jeder wirksamen Flanke des Taktsignals, was dem Verhalten eines Toggle-Flipflops entspricht. Für J = K = 0 bleibt der Zustand erhalten.

Bei JK-Flipflops muss als wesentliche Einschränkung beachtet werden, dass sich bei aktivem Taktzustand (C = 1) die Zustände der beiden Eingänge J und K nicht mehr ändern dürfen. Es liegt also kein rein taktflankengesteuertes Flipflop vor. Dieser Nachteil ist auch der primäre Grund, warum JK-Flipflops in komplexen Digitalschaltungen nur noch selten verwendet werden und primär durch einflankengetriggerte D-Flipflops ersetzt werden, die diesen Nachteil nicht aufweisen.

Viele der erhältlichen Flipflops vereinen verschiedene Bauformen in sich und sind so vielseitiger einsetzbar.

D-Flipflop

Eine in komplexeren integrierten Schaltungen wie Field Programmable Gate Array (FPGAs) und ASICs anzutreffende taktflankengesteuerte Klasse von Flipflops sind die D-Flipflops. Diese besitzen einen Daten- (D) und einen Clock-Eingang (C, oft dargestellt als ">", siehe Grafik). Oft ist noch ein sogenannter Clock-Enable-Eingang (CE) vorhanden, mit dem der Takteingang in seiner Funktion freigeschaltet werden kann (engl. enable für Freigabe). Als Ausgang kommt Q und nur selten der dazu invertierte Ausgang vor.

Das D-Flipflop speichert bei freigeschaltetem Takteingang und aktiver Taktflanke den logischen Zustand des Eingangs und gibt seinen Wert in Folge auf Q aus. Liegt keine aktive Taktflanke an oder ist der Clock-Enable-Eingang deaktiviert, erfolgt keine Übernahme des Eingangswertes.

Aus diesem elementaren Flipflop lassen sich durch externe Beschaltung alle weiteren taktflankengesteuerten Typen von Flipflops und komplexere Schaltungen wie Synchronzähler, Taktteiler oder auch Schieberegister realisieren.

T-Flipflop

Ein T-Flipflop kann durch ein D-Flipflop gebildet werden, wenn dessen Ausgang Q invertiert auf den Eingang D zurückgeführt wird. Damit entsteht ein T-Flipflop. T steht dabei für englisch toggle - Hin- und herschalten. Vor allem bei diskreten Digitalschaltungen wird zur Realisierung eines T-

Name Schaltsymbol Impulsdiagramm Wahrheitstabelle

JK-Flipflop

Impulsdiagramm (vorderflankengesteuertes

JK-Flipflop)

während des Taktes nach Taktflanke

J K Q

0 0 Zustand bleibt erhalten

0 1 0 (Flipflop zurückgesetzt)

1 0 1 (Flipflop gesetzt)

1 1 Zustand wechselt (toggle)

D-Flipflop


Flipflops manchmal auch das oben beschriebene JK-Flipflop verwendet. Dabei müssen beide Eingänge des JK-FF auf logisch "1" gelegt werden.

Ein T-Flipflop funktioniert ähnlich wie ein Druckkugelschreiber oder ein Stromstoßrelais (Stromstoßschalter). Wegen der oben schon erwähnten Eigenschaft des mit halber Frequenz des Taktsignals wechselnden Ausgangspegels dienen diese Flipflops vor allem als Frequenzteiler und alsGrundelement in digitalen Zählern. Man verwendet sie auch, um ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von exakt 1:1 zu gewinnen.

Schaltzeichen verschiedener Flipflop-Typen

bgc Q0 01 10 11 0

Zeitverhalten eines echten T-FF. 0 , 1. links=Takt, rechts=Q. Die Leitungen sind an den Kreuzungen isoliert.

131

Verwendung von Flipflops Flipflops können als 1-Bit-Speicher betrachtet werden. Aus ihnen können Register verschiedener Wortbreiten zusammengesetzt werden, wie sie beispielsweise in Mikroprozessoren Verwendung finden.

Auch die einzelnen Speicherzellen von statischen RAMs bestehen aus Flipflop-Schaltungen. Beim Dynamischen RAM hingegen besteht eine Speicherzelle nur aus einem Kondensator und einem Transistor.

Weblinks Flipflops interaktiv (http://www-ihs.theoinf.tu-ilmenau.de/~sane/projekte/flipflop/embed_flipflop.html) Interaktive Simulation von verschiedenen Flipflop-Typen mit dem Hades simulation framework (http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/webdemos/16-flipflops/10-srff/chapter.html) Interaktive LogiFlash-Animationen (Rubrik "2 Speicherglieder") (http://www.ti.cs.uni-frankfurt.de/wwr/ce_rm_1_l_de/index.xhtml) Ideale Impulsglieder ohne Einsatz von RC-Gliedern und nicht getaktete JK-Flipflops (http://www.hpc-berlin.de/dokumente/flipflop_3.pdf)


Register (Computer) aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein Register ist in der Digitaltechnik eine nach Funktion zusammengefasste Gruppe von einzelnen Speicherzellen – oft Flipflops, manchmal auch DRAM-Zellen – innerhalb eines Prozessors oder Peripheriebausteins.

Die Gesamtheit aller Register eines solchen Bausteins bezeichnet man als dessen Registersatz. Register werden allgemein für die Wahl der Betriebsmodi, im Prozessor zusätzlich zum Zwischenspeichern von Befehlen, Speicheradressen, Rechenoperanden und in Peripheriebausteinen auch zum Zwischenspeichern von Ein- und Ausgabewerten benutzt.

Registertypen in der CPU In CPUs stehen Register an der Spitze der Speicherhierarchie und sind daher die schnellste Möglichkeit, Daten zu manipulieren, da der Zugriff unabhängig vom Daten- oder Adressbus erfolgt.

Die Registersätze verschiedener Arten von Prozessoren unterscheiden sich in der Art, der Anzahl und der Größe der zur Verfügung stehenden Register.

Datenregister, Akkumulator

Datenregister werden benutzt, um Operanden für die ALU und deren Resultate zu speichern. Bei älteren Prozessoren gab es teilweise nur ein einziges solches Register, den Akkumulator. Prozessoren neuerer Generation besitzen oft mehrere Datenregister mit Akkumulatorfunktion.

In der Regel ist die Größe des Datenregisters zusammen mit der Breite des Datenbusses mit ausschlaggebend für die Einordnung des Prozessors als 8-, 16-, 32- oder 64-Bit-Prozessor. Prozessoren mit 8-Bit-Datenbus und 8-Bit-Datenregistern werden als 8-Bit-Prozessoren bezeichnet, z. B. MOS Technology 6502 oder Zilog Z80. Prozessoren mit unterschiedlicher Größe von Datenbus und Datenregistern werden häufig auch entsprechend bezeichnet, z. B. der Motorola 68000, der mit 16-Bit-Datenbus und 32-Bit-Datenregistern als 16-/32-Bit-Prozessor bezeichnet wird. Die derzeit (2007) neuesten Prozessoren sind meistens 64-Bit-Prozessoren, z. B. AMD Opteron, oder Intel-Prozessoren mit EM64T sowie Itanium und nur noch selten Alpha AXP.

Bei 8-Bit-Prozessoren waren Adressbus und Adressregister meistens 16 Bit groß. Bei den meisten heutigen Prozessoren sind die Adressregister genauso groß wie die Datenregister, der Adressbus

Inhaltsverzeichnis 1 Registertypen in der CPU

1.1 Datenregister, Akkumulator1.2 Adressregister 1.3 Frei verwendbare Register 1.4 Spezialregister 1.5 Stackregister

2 Ein-/Ausgaberegister 3 Elektrische Registertypen 4 Geschichte

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meistens gleich groß oder kleiner.

Meistens sind die Datenregister nur mit der ALU verbunden, nicht jedoch mit der FPU. Das heißt, in den meisten Prozessoren können Datenregister nicht als Operanden für FPU-Operationen verwendet werden. In diesem Fall müssen Operanden für die FPU in speziell dafür vorgesehenen Registern, den Fließkommaregistern, gespeichert werden.

Adressregister

Die Adressregister spielen eine wichtige Rolle in der Adressarithmetik. Adressregister werden für die Berechnung von Speicheradressen eines Operanden oder Befehls genutzt. Sie haben Verbindung mit dem internen Datenbus und dem Adressbus.

Bei indizierter Adressierung, z. B. beim Intel 8086, werden zwei Typen von Adressregistern unterschieden, die Indexregister und die Basisadressregister (auch Segmentregister), auf die bei den Spezialregistern eingegangen wird. Indexregister speichern den Offset zu einer Basisadresse, der oft vorzeichenbehaftet ist.

Für das Indexregister berechnet ein spezieller Addierer die Summe aus dem Indexregisterwert und einem Offset, der auf dem internen Datenbus anliegt. Die sich ergebende Summe wird auf dem Adressbus ausgegeben.

Bei linearer Adressierung, z. B. beim Motorola 68000, gibt es keine solche Unterscheidung bei den Adressregistern, auch wenn indirekte Adressierungsarten unter Umständen unterstützt werden.

Frei verwendbare Register

Moderne CPUs, z. B. PowerPC, besitzen frei verwendbare Register (engl. GPR für General Purpose Register). Diese Register lassen sich beliebig je nach Bedarf als Datenregister oder als Adressregister einsetzen.

Spezialregister

Spezialregister sind nur teilweise vom Anwender programmierbar. Sie speichern den Betriebszustand des Prozessors, außerdem erfüllen sie Hilfsfunktionen für den Prozessor.

Bei den meisten Architekturen sind folgende Spezialregistertypen anzutreffen:

Befehlszählregister, auch Programmzähler oder Befehlszähler, (englisch Instruction Pointer (IP (16-Bit)) bzw. Extended Instruction Pointer (EIP (32-Bit)) oder program counter (PC)): das Befehlszählregister enthält je nach Systemarchitektur die Speicheradresse des derzeitigen oder des nächsten auszuführenden Befehls – ein Sprungbefehl setzt dieses Register direkt; Befehlsregister (Instruction register): speichert den aktuellen Befehl; Basisregister, z. B. für die Basisvektortabelle, es kann von einem Benutzerprogramm neu gesetzt werden; Segmentregister, eine Spezialität der x86-Plattform, die die oberen 16 Bit einer 20-Bit-Adresse enthalten, ihr Inhalt muss also mit 16 multipliziert und dann zu einem segmentinternen Offset addiert werden, um den endgültigen Speicherplatz zu erreichen (auf diese Weise konnten mit reinen 16-Bit-Registerladebefehlen 20 Bit Adressraum abgedeckt werden, also 1 MB); Statusregister (englisch: Condition Code Register, CCR oder auch Processor Status Word, PSW): geben bestimmte Zustände nach Ausführung eines Befehls an (bspw. Zero-Flag, Vorzeichen-Flag etc.) – ein Benutzerprogramm initialisiert einzelne Flags z. B. vor arithmetischen Operationen;


Interrupt-Steuerregister (englisch: Interrupt Control Register): Bei komplexeren CPUs, wo diese Funktionalität nicht mit einem oder zwei Bits im Statusregister (s. o.) abgehandelt werden kann, kann hierüber sehr differenziert vorgegeben werden, auf welche Interrupts überhaupt bzw. mit welcher Priorität reagiert werden soll. Durch Lesen kann die Software herausfinden, welcher der verschiedenen Interrupts überhaupt vorliegt. Durch Schreiben kann sie (temporär) z. B. einzelne Interrupts sperren, die während einer bestimmten Operation stören würden.

Einige Mikrocontroller (z. B. Intel-MCS-51-Familie sowie Siemens-C167-Familie) organisieren diese Spezialregister und die Register zur Kontrolle der internen I/O-Ports in Form einer Registerbank, die sich mittels Memory Mapped I/O mit den gewöhnlichen Befehlen für den Arbeitsspeicherzugriff ansprechen lässt. Der durch diese Registerbank verdeckte Arbeitsspeicher lässt sich entweder gar nicht oder nur indirekt ansprechen.

Stackregister

Die Stackregister (englisch stack pointer (SP)) sind Adressregister zur Verwaltung von Stapelspeichern. Ein Stapelspeicher, auch Kellerspeicher oder nur Stack genannt, wird von einem Stackregister nach dem LIFO-Prinzip organisiert und kann mit Push- bzw. Pop-Operationen gefüllt bzw. geleert werden. Dabei zeigt das Stackregister immer auf die Speicheradresse am Ende des Stacks, je nach Architektur auf oder zumeist hinter das letzte Element. Auf den meisten Architekturen existiert ein System-Stack und ein Anwender-Stack. Das Betriebssystem nutzt den System-Stack zur Sicherung und Restauration des Prozessorstatus bei der Prozessumschaltung. Der Anwender-Stack kann vom Programmierer frei genutzt werden. Bei Aufruf eines Unterprogramms (Prozedur, Subroutine) wird typischerweise dynamisch ein separater Stackbereich für dessen Variablen angelegt, der bei Beendigung sofort wieder freigegeben wird.

Ein-/Ausgaberegister Neben Pufferplätzen in der Zentraleinheit des Rechnersystems können Register auch in der Elektronik angeschlossener Peripheriegeräte oder -chips auftreten, aber auch die CPU selbst kann über integrierte Ein-/Ausgaberegister verfügen. Sie lassen sich in der Regel in die gleichen Unterkategorien einteilen wie die obige Liste für reine CPU-Register. Ein paar repräsentative Beispiele:

Die Statusregister der Steuerwerke der externen Massenspeicher umfassen neben Zustands- und Datenregistern in der Regel Adressregister, die sich auf Adressangaben des Massenspeichers beziehen, heute meistens Sektornummern. In Video-Chips steuern die Bits in den Zustandsregistern z. B. die verschiedenen Video-Modi, Datenregister können z. B. Sprite-Daten enthalten. Bei einer parallelen Schnittstelle enthält ein Datenregister die eigentlichen Druckdaten und ein Zustandsregister die Handshake-Bits. Oft gibt es hier zusätzlich ein Zustandsregister namens DDR (für data direction register), über das die Datenrichtung (Ein- oder Ausgang) der Datenleitungen programmiert werden kann (z. B. bei bidirektionaler Verwendung).

Diese I/O-Register sind häufig über Portnummern als I/O-Ports auch vom Programm der Zentraleinheit erreichbar, oder werden in den Adressraum des Hauptspeichers eingeblendet (Memory Mapped I/O). Je nach Sichtweise hat sich dabei dennoch die begriffliche Unterscheidung von Speicherplätzen in den RAM-Speicherbanken und Registerplätzen an Logikbausteinen erhalten.

Elektrische Registertypen

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Die oben aufgeführten verschiedenen Registertypen sind nach ihrer Anwendungsfunktion kategorisiert. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die elektrische Typisierung der verschiedenen Register.

Die meisten Register (z. B. Statusregister, Parallel-I/O-Datenregister) sind einfache Latches, die einzelne Bits speichern können und sie zum Lesen ausgeben.

Der Programmzähler, das Stackregister und Timer-Register sind Beispiele für Mehrbit-Zählerregister, die auf einen Impuls hin ihren Inhalt um 1 vergrößern oder verkleinern.

Schieberegister kommen vor allem in der ALU einer CPU oder einem numerischen Koprozessor vor, dort erfüllen sie u. a. Teilfunktionen bei Multiplikationen und Divisionen.

Geschichte Die Begriffsbildung der Register ist eng verknüpft mit der technischen Entwicklung des Arbeitsspeichers der frühesten elektronischen Computer: die ersten Computer hatten gar keinen Arbeitsspeicher im heutigen Sinne. Sämtliche Daten und das Programm selbst waren auf gänzlich anderen Medien, wie zum Beispiel Lochkarten und magnetischen Trommelspeichern, abgelegt. Damit das Rechenwerk eine Operation ausführen konnte, mussten vom nichtelektrischen Massenspeicher einige Worte in elektrische Pufferschaltungen übertragen werden, die einen Spannungswert in die Schaltlogik abgeben konnten. Der am Ausgang der Schaltlogik entstehende Wert musste wieder gepuffert werden, bis er auf den Massenspeicher ausgeschrieben werden konnte. Eben diese Pufferplätze nannte man Register (englisch Eintragung aus Erfassung).

Schon früh erkannte man, dass der Programmablauf optimiert werden konnte, wenn man Zwischenwerte auch über einige wenige Operationen hinweg puffern konnte, und etwa in der übernächsten Operation aufaddieren konnte. So wurden aus Einzelregistern ein Registersatz, die zuerst ebenfalls noch aus Röhren oder Relais bestanden, mit fortschreitender technischer Entwicklung dann aber durch Ferritkernspeicher ersetzt wurden. Die damit mögliche Adressberechnung für den Kernspeicher führte zu einer Aufspaltung der Begriffe – die Nennung als Register meint weiterhin Pufferplätze, deren Ort im Befehlscode des Rechenwerks hart codiert ist, während der Kernspeicher über Indexregister indirekt adressiert wird.

Zur Zeit der Kernspeicher waren die Datenwerte im Arbeitsspeicher noch direkt mit dem Rechenwerk verknüpft. Ein Befehlscode enthielt neben Rechenregistern, deren Wert direkt in die Rechenlogik einging, die codierte Angabe von Indexregistern, deren Wert auf die Adressleitungen des Kernspeichers gelegt wurde, und der ausgehende Wert der Ferritkerne dann in die Rechenlogik geführt wird. Der Kernspeicher konnte dabei einige tausend Plätze umfassen. Mit immer schnellerem Rechenwerk und dem Übergang zu billigerem aber langsameren Hauptspeicher auf Basis von Kondensatoren (dynamischer RAM) wurden wieder Pufferplätze notwendig, bei dem Werte aus dem Hauptspeicher erst in Registerplätze am Rechenwerk kopiert werden, um von dort verarbeitet zu werden.

8-Bit-Register, aus D-Flipflops zusammengesetzt


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Kapitel 4

MOS - Speicher

Halbleiterspeicher aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Halbleiterspeicher ist ein Datenspeicher, der aus einem Halbleiter besteht, in dem mittels der Halbleitertechnologie integrierte Schaltkreise realisiert werden. Die Daten werden in Form von binären elektronischen Schaltzuständen in den integrierten Schaltungen gespeichert. Vorgänger waren Kernspeicher, die erst in den frühen Siebziger Jahren von den Halbleiterspeichern abgelöst wurden.

Speicherzelle Eine Speicherzelle ist die physikalische Realisierung der kleinsten Einheit eines Speichers von logischen Zuständen. Der Begriff bezeichnet je nach Kontext entweder die Realisierung der kleinstmöglichen Einheit, dem 1-Bit-Speicherelement, oder die Realisierung der kleinsten adressierbaren (das heißt bei einem Zugriff les- bzw. schreibbaren) Einheit, einem sogenannten Wort oder Datenwort, das aus n Bit besteht (n ≥ 1).

Personal Computer arbeiten heutzutage mit einer Wortlänge (auch „Wortbreite“ genannt) von 32 oder 64 Bit. Früher, zum Beispiel bei den ersten Taschenrechnern, waren Speicherzellen 4 Bit (ein Halbbyte bzw. Nibble) groß. Die ersten PCs dagegen hatten 8 Bit breite Speicherzellen. Für einfache Steuerungen (siehe: Mikrocontroller) werden auch heute noch 8 Bit verwendet.

Bei früheren Computern waren auch Wortbreiten von 6 oder 7 Bit gebräuchlich, da man mit 64 bzw. 128 speicherbaren Zeichen eine alphanumerische Bearbeitung durchführen konnte. Diese Speicher waren jedoch noch nicht als Halbleiterspeicher ausgeführt. Die Hollerith-Lochkarte hatte eine Wortbreite von 12 Bit.

Eingeteilt werden die Speicherzellen in flüchtige und nichtflüchtige Speicherzellen. In nichtflüchtigen Speicherzellen bleibt die Information auf Dauer erhalten, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Bei flüchtigen Speicherzellen geht die Information in solch einem Fall verloren.

Realisierung in Halbleitertechnologie

Das 1-Bit-Speicherelement ist mittels weniger Transistoren und Kondensatoren realisierbar. Bei analogen Speicherzellen ist das elementare Speicherbauteil der Kondensator, und bei digitalen Speicherzellen werden ein (1-T-DRAM) oder mehrere Transistoren benötigt wie z.B. bei statischem RAM oder bei rückgekoppelten Transistoren, den sogenannten Flipflops.

Inhaltsverzeichnis 1 Speicherzelle

1.1 Realisierung in Halbleitertechnologie1.1.1 Wahlfreier Zugriff 1.1.2 Sequentieller Zugriff

2 Halbleiterspeichertypen 3 Produktübersicht und Umsatzzahlen 4 Hersteller von RAM-Chips und -Modulen 5 Weblinks

138 MOS - Speicher

Halbleiterspeicher aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Halbleiterspeicher ist ein Datenspeicher, der aus einem Halbleiter besteht, in dem mittels der Halbleitertechnologie integrierte Schaltkreise realisiert werden. Die Daten werden in Form von binären elektronischen Schaltzuständen in den integrierten Schaltungen gespeichert. Vorgänger waren Kernspeicher, die erst in den frühen Siebziger Jahren von den Halbleiterspeichern abgelöst wurden.

Speicherzelle Eine Speicherzelle ist die physikalische Realisierung der kleinsten Einheit eines Speichers von logischen Zuständen. Der Begriff bezeichnet je nach Kontext entweder die Realisierung der kleinstmöglichen Einheit, dem 1-Bit-Speicherelement, oder die Realisierung der kleinsten adressierbaren (das heißt bei einem Zugriff les- bzw. schreibbaren) Einheit, einem sogenannten Wort oder Datenwort, das aus n Bit besteht (n ≥ 1).

Personal Computer arbeiten heutzutage mit einer Wortlänge (auch „Wortbreite“ genannt) von 32 oder 64 Bit. Früher, zum Beispiel bei den ersten Taschenrechnern, waren Speicherzellen 4 Bit (ein Halbbyte bzw. Nibble) groß. Die ersten PCs dagegen hatten 8 Bit breite Speicherzellen. Für einfache Steuerungen (siehe: Mikrocontroller) werden auch heute noch 8 Bit verwendet.

Bei früheren Computern waren auch Wortbreiten von 6 oder 7 Bit gebräuchlich, da man mit 64 bzw. 128 speicherbaren Zeichen eine alphanumerische Bearbeitung durchführen konnte. Diese Speicher waren jedoch noch nicht als Halbleiterspeicher ausgeführt. Die Hollerith-Lochkarte hatte eine Wortbreite von 12 Bit.

Eingeteilt werden die Speicherzellen in flüchtige und nichtflüchtige Speicherzellen. In nichtflüchtigen Speicherzellen bleibt die Information auf Dauer erhalten, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Bei flüchtigen Speicherzellen geht die Information in solch einem Fall verloren.

Realisierung in Halbleitertechnologie

Das 1-Bit-Speicherelement ist mittels weniger Transistoren und Kondensatoren realisierbar. Bei analogen Speicherzellen ist das elementare Speicherbauteil der Kondensator, und bei digitalen Speicherzellen werden ein (1-T-DRAM) oder mehrere Transistoren benötigt wie z.B. bei statischem RAM oder bei rückgekoppelten Transistoren, den sogenannten Flipflops.

Inhaltsverzeichnis 1 Speicherzelle

1.1 Realisierung in Halbleitertechnologie1.1.1 Wahlfreier Zugriff 1.1.2 Sequentieller Zugriff

2 Halbleiterspeichertypen 3 Produktübersicht und Umsatzzahlen 4 Hersteller von RAM-Chips und -Modulen 5 Weblinks

Wahlfreier Zugriff

Speicherzellen werden in einer 2R×2C-Matrix angeordnet. Über Wortleitungen und Bitleitungen werden die Speicherzellen adressiert und beschrieben bzw. ausgelesen. Hierzu sind ein Reihen- und ein Spaltendekodierer notwendig. Dadurch ist ein direkter Zugriff auf beliebige Speicherzellen (wahlfreier Zugriff) möglich. Daher wird diese Anordnung als Random Access Memory (RAM) bezeichnet.

Sequentieller Zugriff

Hier erfolgt die Adressierung über Befehle, ähnlich wie bei Festplatten. Die Bauformen CompactFlash (CF) und PCMCIA verwenden z.B. den bei Festplatten bewährten ATA/ATAPI-Befehlssatz.

Diese Adressierungsart benötigt weniger Kontaktierungsflächen auf dem Chip, dadurch ist ihre Herstellung preisgünstiger.

Siehe auch: Speicherkarte, sequentieller Zugriff

Halbleiterspeichertypen

Stammbaum der Halbleiterspeicher

Tabellenspeicher Flüchtige Speicher (RAM)

SRAM Asynchrones SRAM

Low-Power SRAM Synchrones SRAM

Burst SRAM Pipelined Burst

SRAM ZBT SRAM

QDR-SRAM DRAM

Asynchrones DRAM Standardisiert

FPM-DRAM BM-DRAM EDO-DRAM

Nicht standardisiert WRAM VRAM

Synchrones DRAM (SDRAM) Standardisiertes SDRAM

SDR-SDRAM DDR-SDRAM QDR-SDRAM

(DDR2-SDRAM) ODR-SDRAM

139

(DDR3-SDRAM) GDDR-SDRAM

Nicht standardisiertes SDRAM

Embedded DRAM Customized DRAM Cache DRAM

(CDRAM) Enhanced DRAM

(ESDRAM) Virtual Channel

DRAM (VC DRAM) Reduced Latency

DRAM (RLDRAM) DRAM mit niedriger Leistung

Mobile RAM COSMO-RAM

Pseudo Static RAM (PSRAM)

Cellular RAM

Protokollbasierte DRAM

Synclink DRAM (SLDRAM) Direct Rambus DRAM (DRDRAM) XDR DRAM

Nichtflüchtige Speicher Ausgereiftes Material

ROM MROM1) PROM

One-Time Programmable ROM (OTP) Erasable Programmable ROM (EPROM)

Ultra-Violet Erasable PROM (UV-EPROM)

Electrically Erasable PROM (EEPROM)

Bedeutung der wichtigsten Abkürzungen

RAM Random Access Memory

ROM Read Only Memory

SRAM Statischer RAM

DRAM Dynamischer RAM

PRAM Phase-change RAM

M… Masken-programmiert

P… Programmierbar

EP… Lösch- und programmierbar

EEP…Elektrisch lösch- und programmierbar

SD Synchronous Dynamic (RAM)

DDR Double Data Rate (RAM)

QDR Quad Data Rate (RAM)

ODR Octo Data Rate (RAM)

GDDR Graphics DDR (RAM)

RDRAM Rambus DRAM

ZBT SRAM

Zero Bus Turnaround SRAM

140 MOS - Speicher

Flash NAND

Single Level Cell (SLC)

Standard NAND

Assisted Gate AND (AG-AND)

Multi-Level Cell (MLC)

Standard NAND

Multibit Twin Flash (NROM)

NOR Single Level Cell (SLC)

Standard NOR

Multi-Level Cell (MLC)

Strata Flash Multibit

Mirror Bit (NROM)

Innovatives Material Ferro-electric RAM (FRAM, FeRAM) Magneto-resistive RAM (MRAM)

Phase Change Memory (PCM) Phase Change RAM (PCRAM) Chalcogenide RAM (C-RAM) Ovonic Unified Memory (OUM)

Programmable Metallization Cell (PMC) Organic RAM (ORAM) Conductive Bridge RAM (CBRAM) Nanotube RAM (NRAM)

1) ein PLE entspricht einem MROM und umgekehrt

in ProduktionProduktion eingestelltin Entwicklung

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Festwertspeicher aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Unter Nur-Lese-Speicher oder Festwertspeicher (engl. auch Read-Only-Memory, ROM) versteht man einen Datenspeicher, der nur lesbar ist, im normalen Betrieb aber nicht beschrieben werden kann und nicht flüchtig ist, das heißt: Er hält seine Daten auch in stromlosem Zustand. Das prädestiniert ihn zur Aufnahme von „fest verdrahteten“ Computerprogrammen wie z. B. dem BIOS. Das Einschreiben von Daten in ein ROM wird als Programmierung des Bausteins bezeichnet und ist nicht mit den Schreibzugriffen in einem Schreib-Lese-Speicher (Random Access Memory, Festplatte) vergleichbar. Zu unterscheiden ist zwischen Bausteinen mit reversibler und irreversibler Programmierung. ROM ermöglicht wie RAM einen wahlfreien Zugriff auf die Daten.

Ursprünglich wurden ROMs nur bei der Fertigung „fest verdrahtet“. Da diese Verdrahtung mit einer „Maske“ (einer Art Filmnegativ) auf den rohen Chip direkt aufbelichtet wird, spricht man hierbei von einem maskenprogrammierten ROM oder kurz Masken-ROM. Da sich dieses Verfahren allerdings nur in Großfertigung rechnet, wurde eine – ständig wachsende – Familie weiterer Speicherbausteine dieses Typs entwickelt, die auch nach der Fertigung mit Informationen befüllt werden können.

Inzwischen gibt es eine recht große Anzahl verschiedener Arten von ROM:

Masken-ROM – nur zum Fertigungszeitpunkt programmierbar, die preisgünstigste Version beiMassenfertigung Programmable Read Only Memory (PROM), einmalig programmierbar Eraseable Programmable Read Only Memory (EPROM), löschbar mit UV-Licht Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM)

Als Ersatz für das ROM wird heute meist Flash-Speicher verwendet – als FLASH-EEPROM auch mit wahlfreier Adressierung erhältlich.

Siehe auch Schreib-Lese-Speicher Speicherzugriff WORM CD-ROM

Weblinks Früher gefädelter Festwertspeicher (http://www.technikum29.de/de/geraete/gefaedeltes-rom.shtm), noch immer in Benutzung in einem Museum

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Festwertspeicher“

Ein PROM-Chip für einen PDA

Kategorien: Speichertechnologie | Speichermodul

142 MOS - Speicher

Dekodierer aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Unter einem Dekodierer oder Decoder versteht man in der Regel einen Umsetzer, Konverter oder Wandler für digitale oder analoge Signale. Er kann mit einem Umsetzer bzw. einer Kodiereinheit auch Kodierer oder Encoder genannt eine logische Einheit bzw. eine Funktionskette bilden. Eine Einrichtung die aus Ausgangssignalen des Dekodierers die ursprünglichen Eingangssignale für den Dekodierer erzeugen kann, ist der Kodierer.

Das folgende Bild stellt ein Kodierer(Encoder) / Dekodierer(Decoder)-System dar:

In der Kryptographie werden Personen und Hilfsmittel zum Entschüsseln von Nachrichten häufig als Decodierer bezeichnet.

Man unterscheidet je nach Signalart analoge und digitale Dekodierer.

Zur Umwandlung von analogen in digitale Signale werden in der Regel als AD-Wandler und umgekehrt als DA-Wandler bezeichnet. Wesentliche Kenngrößen dieser Wandler sind die Genauigkeit, Liniarität und Geschwindigkeit der Umsetzung.

Die digitale Signalverarbeitung kann auch zum Aufbau von Dekodierern verwendet werden.

Analoge Dekodierer Der bekannteste Decoder für analoge Signale ist der für den Stereoempfang verwendete Dekodierer in den UKW FM-Receivern.

Digitale Dekodierer Die Realisierung von Dekodierern kann durch reine Hardware, reine Software zum Beispiel in Codecs oder in DSPs erfolgen.

Inhaltsverzeichnis 1 Analoge Dekodierer 2 Digitale Dekodierer

2.1 Beispiele für digitale Dekodierer in der Schaltungstechnik2.2 Beispiel eines Schaltnetzwerk als digitalen Dekodierer 2.3 1 aus n Dekodierer

3 Siehe auch

143

Digitale Dekodierer können mit:

Schaltern Relais elektrischen Röhren Dioden Transistoren TTL-Bausteinen Read-Only-Memorys digitalen Signalprozessoren DSPs

aufgebaut werden.

In den Multimediaanwendungen dienen Dekodierer und Codecs häufig zum Rekonstruieren von Daten nach einer Übertragung oder Komprimierung.

Typische Anwendungsfälle von digitalen Dekodierern in der Technik sind Umwandlungen von Signalen für Messgeräte, Ansteuerung von digitalen Zählern mit unterschiedlichen Zähllogiken sowie Umsetzung von Signalen von parallelen Übertragungsverfahren für eine sequenzielle Datenübertragung z. B. für die RS-232-Schnittstelle.

Beispiele für digitale Dekodierer in der Schaltungstechnik

Ein Dekodierer kann ein Schaltnetz sein, das, je nach Realisierung, aus n Eingängen 2n (oder weniger) Min- bzw. Maxterme erzeugt. Jede Funktion lässt sich durch diese Terme ausdrücken und daher ist der Dekodierer dazu geeignet, beliebige Schaltfunktion zu realisieren, indem die auftretenden Terme ausgangsseitig verknüpft werden.

Beispiel eines Schaltnetzwerk als digitalen Dekodierer

Eingänge: s0, s1, s2 Ausgänge: Minterme m0, m1, ..., m7

s2 s1 s0 m0 m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7

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144 MOS - Speicher

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1 aus n Dekodierer

Der 1-aus-n-Dekodierer schaltet genau einen von n Ausgängen auf 1, wobei n eine Potenz von 2 ist, da n in Binärdarstellung an den Eingängen anliegen muss. Bei den Eingängen e0, e1, e2, e3 mit 0 1 1 0 bin = 6 dez würde der Ausgang y6 = 1 und alle anderen y0, y1, ..., y5, y7, y8, ...y15 = 0.

Mit Hilfe von 1 aus n Dekodierern werden beispielsweise die einzelnen Flip-Flops in einem Speicher ausgewählt in die geschrieben werden soll, indem die Adresse an die Eingänge des 1 aus n Dekodierers gelegt wird und die Ausgänge y0, ..., yn und die Flip-Flop Eingänge f0, ..., fn mit einem UND verschaltet werden.

Realisierung von Dekodiererschaltungen mit Mintermen / Maxtermen:

Siehe auch Code Codec Konverter Multiplexer Minterm Maxterm Kryptographie

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Dekodierer“

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1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1

Minterm Maxterm

0 NOR-Gatter UND-Gatter

1 OR-Gatter NAND-Gatter


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Erasable Programmable Read Only Memory aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein EPROM (Erasable Programmable Read-Only-Memory, wörtlich: Löschbarer, programmierbarer Nur-Lese-Speicher) ist ein nichtflüchtiger, elektronischer Speicherbaustein, der vor allem in der Computertechnik eingesetzt wird.

Dieser Bausteintyp ist mit Hilfe spezieller Programmiergeräte („EPROM-Brenner“ genannt, wie heutige CD- oder DVD-Brenner) programmierbar und lässt sich mittels UV-Licht löschen und danach neu programmieren. Nach etwa 100-200 Löschvorgängen hat das EPROM das Ende seiner Lebenszeit erreicht. Das zur Löschung nötige Quarzglas-Fenster (normales Glas ist nicht UV-durchlässig) macht das Gehäuse relativ teuer, daher gibt es auch Bauformen ohne Fenster, die nur einmal beschreibbar sind (One Time Programmable, OTP).

Ein EPROM enthält eine Matrix aus Speicherzellen, in denen jeweils ein Transistor ein Bit repräsentiert. Eine Speicherzelle besteht aus einem MOSFET-Transistor mit einer isolierten Hilfselektrode, dem Floating Gate. Beim Programmieren wird eine erhöhte Spannung angelegt, so dass durch den Tunneleffekt das Floating Gate geladen wird. Dadurch verschiebt sich die Ansteuerspannung, bei welcher der Transistor einschaltet. Die Daten lassen sich nun beliebig oft auslesen, wobei die Lesespannung unterhalb der Programmierspannung liegt.

Das zum Löschen verwendete UV-Licht bewirkt eine großflächige Ionisation des Halbleitermaterials, so dass die vorher aufgebrachte elektrische Ladung das Floating Gate des Transistors wieder verlassen kann. Das Bitmuster ist dadurch gelöscht und das EPROM in seinem ursprünglichen Zustand zurückversetzt.

Ein konventioneller Löschvorgang dauert ca. 10 bis 30 Minuten. Da die Ionisation nach dem Ausschalten der Lichtquelle nicht sofort wieder abgeklungen ist und die Bausteine je nach Bauart des Löschgerätes auch über die für das Programmieren zulässige Temperatur hinaus erhitzt werden, kann das Programmieren erst nach einer weiteren Wartezeit erfolgen. Die Zeiten können durch den Einsatz von Löschgeräten mit Blitzlicht-Technik deutlich verkürzt werden. Statt einer kontinuierlichen Bestrahlung werden dabei die Bausteine mehreren intensiven Lichtblitzen ausgesetzt. Falls die Vorgaben des Bausteinherstellers für das Löschen nicht korrekt eingehalten werden, kann eine scheinbar richtige Programmierung mit verkürzter Datenlebensdauer die Folge sein.

Das Quarzglas-Fenster sollte nach dem Programmieren mit einem lichtundurchlässigen Aufkleber geschützt werden. Ein ungeschütztes EPROM kann nach ca. 90 Tagen direkter Sonneneinstrahlung gelöscht sein. Die Beleuchtung der Speicherzellen mit einem gewöhnlichen Fotoblitzgerät kann kurzzeitige Datenverfälschung und damit Computerausfälle verursachen.

Zwei 256-Kbit-EPROM im 28-poligen DIP: Oben im

Keramikgehäuse (mit Quarzfenster, löschbar), unten

im Plastikgehäuse (OTP))

Ein EPROM TMS2516 im aufwändigen Keramikgehäuse, der Chip entspricht den 2716-EPROMs anderer Hersteller und hat 16 Kbit = 2 KByte

146 MOS - Speicher

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Eine Weiterentwicklung des EPROM ist das elektrisch löschbare EEPROM (Electrically Erasable PROM) und das Flash-PROM. Flash-PROM haben mittlerweile das EPROM weitgehend vom Markt verdrängt.

Weblinks

Perfekte Fotos und Technische Daten von vielen Intel-EPROMs (http://www.cpu-galaxy.at/CPU/Eproms%20Ram%20Rom.htm)

Referenzen

Grundlagen und Aufbau der Bezeichnungen bei EPROMs (http://www.progshop.com/versand/know-how/eprom-programmierung.html)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Erasable_Programmable_Read_Only_Memory“

Der Chip eines 27C256-EPROM

Fokus auf den Anschlussbereich der Bonddrähte

Fokus auf den Speicherbereich (Speicherzellen sind schwach zu erkennen)

Kategorien: Speichermodul | Digitaltechnik | Hardware

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Electrically Erasable Programmable Read Only Memory aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, wörtlich: elektrisch löschbarer, programmierbarer Nur-Lese-Speicher, auch E2PROM genannt) ist ein nichtflüchtiger, elektronischer Speicherbaustein, der unter anderem in der Computertechnik und dort hauptsächlich in eingebetteten Systemen eingesetzt wird. Ursprünglich wurde dieser Bausteintyp mittels eines Programmiergerätes mit beliebigen Daten gefüllt, inzwischen kann dies auch von der angeschlossenen CPU im System bewerkstelligt werden.

Funktionsweise Ein EEPROM besteht aus einer Feldeffekt-Transistorenmatrix mit isoliertem Floating Gate, in welcher jeder Transistor ein Bit repräsentiert. Beim Programmiervorgang wird auf dem Gate eine Ladung gespeichert (der Transistor sperrt). Beim Löschen wird diese Ladung wieder entfernt, indem durch einen hohen Spannungspuls die Ladung der Sperrschicht in den Ursprungszustand versetzt wird. Dieser Löschvorgang kann entweder durch ein Programmiergerät oder auch direkt im System erfolgen. Bei EPROMs ist hingegen zum Löschen eine UV-Lampe nötig. Um den gesamten Inhalt eines EEPROMs zu löschen werden deshalb nur einige Sekunden benötigt - verglichen mit 10 bis 30 Minuten beim EPROM.

Nach dem „Brennvorgang“ des EEPROMs werden die geschriebenen Daten durch ein Bitmuster geladener/ungeladener Transistoren repräsentiert. Diese Daten lassen sich nun beliebig oft auslesen. Die Lesespannung liegt dabei unterhalb der Programmierspannung. Die Anzahl der möglichen Schreibvorgänge ist allerdings begrenzt. Die Hersteller garantieren typischerweise mindestens 1.000.000 Schreibzyklen (Stand 2006). Früher war zum Programmieren eine höhere Spannung erforderlich, diese wird inzwischen bausteinintern erzeugt.

Anwendungsgebiete EEPROMs können wie Flash-Speicher byteweise beschrieben werden. Ein Nachteil von Flash-Speicher ist allerdings, dass er vor dem Schreiben nur blockweise gelöscht werden kann (wobei die Blockgröße variiert). EEPROMs können hingegen auch byteweise gelöscht werden. Andererseits kann Flash-Speicher deutlich schneller beschrieben werden: Ein Schreibzyklus benötigt hier nur zwischen 1 µs und 1 ms, im Gegensatz zu 1 ms bis 10 ms bei EEPROMs. EEPROMs verwendet man deshalb bevorzugt, wenn einzelne Datenbytes in größeren Zeitabständen verändert und netzausfallsicher gespeichert werden müssen (zum Beispiel Konfigurationsdaten oder Betriebsstundenzähler).

Die Nachfolge des EPROM anzutreten, ist im Gegensatz zum Flash Speicher dem EEPROM aufgrund der deutlich höheren Herstellungskosten nie gelungen. Statt dessen haben EEPROMs eine

Ein Flash-EEPROM (links) und ein EPROM (rechts).

148 MOS - Speicher


Nische gefunden in Anwendungen in denen kleinere Datenmengen die sich häufiger verändern gespeichert werden müssen. So besaßen denn auch die Mehrzahl der bis zum Jahre 2005 erschienenen Mikrocontroller einen kleinen EEPROM Speicher für veränderliche, nichtflüchtige Daten. Bis gegen Ende des Jahres 2007 hat sich diese Entwicklung umgekehrt und die Mehrzahl aller neu erschienenen Controller hat kein EEPROM mehr. Begünstigt durch die fallenden Preise konnte der in den Mikrocontrollern ebenfalls enthaltene Flashspeicher erheblich vergrößert werden. Ursprünglich nur für Programm- und statische Daten zuständig, kann dieser auch nun für die veränderlichen Daten verfügbar gemacht werden. Hierzu wird ein Teilbereich des inzwischen vergrößerten Flashspeichers reserviert und mit neuen Algorithmen , beschrieben und gelesen. Hierbei muss eine Page vor der Löschung ebenso wie der gesamte reservierte Bereich erst komplett ausgenutzt sein, bevor neu beschrieben wird. Dieses Verfahren macht in vielen Fällen das EEPROM in Microcontrollern überflüssig.

Allerdings lässt sich EEPROM nicht in allen Anwendungen durch Flash ersetzen. Momentan ist es noch nicht möglich Flash über einen so weiten Temperaturbereich wie EEPROM zuverlässig zu schreiben, allerdings macht hier die Prozesstechnik Fortschritte und Temperaturkompensation beim Schreiben verbessert das Verhalten. Zudem kann es in bestimmten Anwendungen problematisch sein eine nicht deterministische Schreibzeit zu haben, die sich bei EEPROM Emulation mittels Flash ergeben kann wenn eine Page gelöscht werden muss.

Quellen

1. ↑ Algorithmus zum Ersatz von EEPROM durch Flash Speicher (http://www.microchip.com/Stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1824&appnote=en530593)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Electrically_Erasable_Programmable_Read_Only_Memory“

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Electrically Erasable Programmable Read Only Memory aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, wörtlich: elektrisch löschbarer, programmierbarer Nur-Lese-Speicher, auch E2PROM genannt) ist ein nichtflüchtiger, elektronischer Speicherbaustein, der unter anderem in der Computertechnik und dort hauptsächlich in eingebetteten Systemen eingesetzt wird. Ursprünglich wurde dieser Bausteintyp mittels eines Programmiergerätes mit beliebigen Daten gefüllt, inzwischen kann dies auch von der angeschlossenen CPU im System bewerkstelligt werden.

Funktionsweise Ein EEPROM besteht aus einer Feldeffekt-Transistorenmatrix mit isoliertem Floating Gate, in welcher jeder Transistor ein Bit repräsentiert. Beim Programmiervorgang wird auf dem Gate eine Ladung gespeichert (der Transistor sperrt). Beim Löschen wird diese Ladung wieder entfernt, indem durch einen hohen Spannungspuls die Ladung der Sperrschicht in den Ursprungszustand versetzt wird. Dieser Löschvorgang kann entweder durch ein Programmiergerät oder auch direkt im System erfolgen. Bei EPROMs ist hingegen zum Löschen eine UV-Lampe nötig. Um den gesamten Inhalt eines EEPROMs zu löschen werden deshalb nur einige Sekunden benötigt - verglichen mit 10 bis 30 Minuten beim EPROM.

Nach dem „Brennvorgang“ des EEPROMs werden die geschriebenen Daten durch ein Bitmuster geladener/ungeladener Transistoren repräsentiert. Diese Daten lassen sich nun beliebig oft auslesen. Die Lesespannung liegt dabei unterhalb der Programmierspannung. Die Anzahl der möglichen Schreibvorgänge ist allerdings begrenzt. Die Hersteller garantieren typischerweise mindestens 1.000.000 Schreibzyklen (Stand 2006). Früher war zum Programmieren eine höhere Spannung erforderlich, diese wird inzwischen bausteinintern erzeugt.

Anwendungsgebiete EEPROMs können wie Flash-Speicher byteweise beschrieben werden. Ein Nachteil von Flash-Speicher ist allerdings, dass er vor dem Schreiben nur blockweise gelöscht werden kann (wobei die Blockgröße variiert). EEPROMs können hingegen auch byteweise gelöscht werden. Andererseits kann Flash-Speicher deutlich schneller beschrieben werden: Ein Schreibzyklus benötigt hier nur zwischen 1 µs und 1 ms, im Gegensatz zu 1 ms bis 10 ms bei EEPROMs. EEPROMs verwendet man deshalb bevorzugt, wenn einzelne Datenbytes in größeren Zeitabständen verändert und netzausfallsicher gespeichert werden müssen (zum Beispiel Konfigurationsdaten oder Betriebsstundenzähler).

Die Nachfolge des EPROM anzutreten, ist im Gegensatz zum Flash Speicher dem EEPROM aufgrund der deutlich höheren Herstellungskosten nie gelungen. Statt dessen haben EEPROMs eine

Ein Flash-EEPROM (links) und ein EPROM (rechts).

150 MOS - Speicher


Nische gefunden in Anwendungen in denen kleinere Datenmengen die sich häufiger verändern gespeichert werden müssen. So besaßen denn auch die Mehrzahl der bis zum Jahre 2005 erschienenen Mikrocontroller einen kleinen EEPROM Speicher für veränderliche, nichtflüchtige Daten. Bis gegen Ende des Jahres 2007 hat sich diese Entwicklung umgekehrt und die Mehrzahl aller neu erschienenen Controller hat kein EEPROM mehr. Begünstigt durch die fallenden Preise konnte der in den Mikrocontrollern ebenfalls enthaltene Flashspeicher erheblich vergrößert werden. Ursprünglich nur für Programm- und statische Daten zuständig, kann dieser auch nun für die veränderlichen Daten verfügbar gemacht werden. Hierzu wird ein Teilbereich des inzwischen vergrößerten Flashspeichers reserviert und mit neuen Algorithmen , beschrieben und gelesen. Hierbei muss eine Page vor der Löschung ebenso wie der gesamte reservierte Bereich erst komplett ausgenutzt sein, bevor neu beschrieben wird. Dieses Verfahren macht in vielen Fällen das EEPROM in Microcontrollern überflüssig.

Allerdings lässt sich EEPROM nicht in allen Anwendungen durch Flash ersetzen. Momentan ist es noch nicht möglich Flash über einen so weiten Temperaturbereich wie EEPROM zuverlässig zu schreiben, allerdings macht hier die Prozesstechnik Fortschritte und Temperaturkompensation beim Schreiben verbessert das Verhalten. Zudem kann es in bestimmten Anwendungen problematisch sein eine nicht deterministische Schreibzeit zu haben, die sich bei EEPROM Emulation mittels Flash ergeben kann wenn eine Page gelöscht werden muss.

Quellen

1. ↑ Algorithmus zum Ersatz von EEPROM durch Flash Speicher (http://www.microchip.com/Stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1824&appnote=en530593)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Electrically_Erasable_Programmable_Read_Only_Memory“

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Random Access Memory aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Random access memory (das; dt.: Speicher mit wahlfreiem Zugriff), abgekürzt RAM, ist ein Speicher, der besonders bei Computern als Arbeitsspeicher Verwendung findet. Die gängigsten Formen gehören zu den Halbleiterspeichern. RAMs werden als integrierte Schaltkreise hauptsächlich in Silizium-Technologie realisiert. RAM wird in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt.

Charakteristik Die Bezeichnung des Speichertyps als „wahlfrei“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Speicherzelle über ihre Speicheradresse direkt angesprochen werden kann, der Speicher also nicht sequentiell oder in Blöcken ausgelesen werden muss (bei großen Speicherbausteinen erfolgt die Adressierung jedoch nicht über die einzelnen Zellen, sondern über ein Wort, dessen Breite von der Speicherarchitektur abhängt). Das unterscheidet den RAM von blockweise zu beschreibenden Speichern, den so genannten Flash-Speichern.

Der Begriff „random access memory“ (RAM, „Speicher mit wahlfreiem Zugriff“ oder „Direktzugriffsspeicher“) wird heute immer im Sinne von „read-write random access memory“ (RWRAM, „Schreib-Lese-RAM“) verwendet. Der Begriffsinhalt des Speichers mit wahlfreiem Zugriff trifft auch auf andere Speicherformen zu, insbesondere Speicherbausteinen vom Typ Read Only Memory (ROM, Nur-Lese-Speicher). Da die Bezeichnung RAM missverständlich ist, wurde zeitweise versucht, den Begriff „read-write memory“ (RWM, Schreib-Lese-Speicher) zu etablieren, der sich jedoch nicht durchsetzen konnte.

Geschichte Die Entstehung des Begriffs geht in die Anfangszeit der modernen Computer zurück, bei denen alle Daten auf sequentiell zu lesenden Speicherformen wie Lochkarten und magnetischen

Inhaltsverzeichnis 1 Charakteristik 2 Geschichte 3 Ansteuerung von RAM-Chips

3.1 Synchrone oder asynchrone Ansteuerung3.2 Adressierung 3.3 Steuerleitungen 3.4 Datenleitungen

4 Versorgungsspannung 5 Arten von RAMs

5.1 Statisches RAM (SRAM) 5.2 Dynamisches RAM (DRAM) 5.3 Phase-change RAM (PRAM)

6 Einzelnachweise und Fußnoten 7 Weblinks

Prinzipielle Anordnung der Speicherzellen in Reihen und

Spalten (Matrix) in einem RAM. Die Adresscodierer

befinden sich auf dem gleichen Chip. Der Schreib-/Leseschaltkreis schaltet die

Informationsrichtung um und verstärkt die schwachen Signale der adressierten

Speicherzellen.

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152 MOS - Speicher

Trommelspeichern vorlagen, die zur Verarbeitung in schnelle Rechenregister geladen wurden. Um Zwischenergebnisse schneller als diese blockorientierten Geräte bereitzuhalten, wurden zeitweise Verzögerungsleitungen (engl.: delay line) für Zwischenwerte eingesetzt, bis dann die Ferritkernspeicher eingeführt wurden. Diese schreibbaren Speicher hatten schon die Form des Matrixzugriffes, wie sie auch heutige RAM haben. Zu jener Zeit waren die schnellen Speichertypen alle schreibbar und die wesentliche Neuerung bestand in dem wahlfreien Zugriff der magnetischen Kernspeicher und der nachfolgend auf Halbleiterspeichern aufsetzenden RAM-Bausteine.

Ansteuerung von RAM-Chips

Synchrone oder asynchrone Ansteuerung

Je nach Typ von RAM-Speicherbaustein erfolgt die Ansteuerung synchron zu einem Taktsignal oder asynchron ohne Takt. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der asynchronen Variante die Daten erst nach einer bestimmten, bausteinabhängigen Laufzeit zur Verfügung stehen bzw. geschrieben sind. Diese, unter anderem materialabhängigen zeitlichen Parameter weisen Exemplarstreuungen auf und sind von verschiedenen Einflüssen abhängig, weshalb bei asynchronen Speichern der maximale Durchsatz stärker als bei synchronen Speicheransteuerungen limitiert ist. Bei synchronen Speichern wird die zeitliche Ausrichtung der Steuersignale durch ein Taktsignal festgelegt, wodurch sich deutlich höhere Durchsatzraten ergeben.

Synchrone RAM-Speicher können sowohl statische als auch dynamische RAMs sein. Beispiele für synchrone SRAMs sind Burst SRAMs oder ZBTRAMs. Asynchrone SRAMs sind meist langsamere Low-Power SRAMs, welche beispielsweise bei kleineren Mikrocontrollern Anwendung als externer Datenspeicher finden. Bei den dynamischen RAMs sind die seit Ende der 1990er Jahre üblichen synchronen SDR-SDRAMs und deren Nachfolger, die DDR-SDRAMs, als Beispiel zu nennen, während die davor üblichen DRAMs wie EDO-DRAMs asynchrone DRAM-Bausteine darstellen.

Adressierung

Um Bits in einer Bank zu adressieren, sendet die Speichersteuerung die Adressinformation über entsprechende Adressbusleitungen an die entsprechende Bank. Bei DRAMs wird der Adressbus normalerweise gemultiplext und in zwei Hälften über identische Pins in den Baustein geführt, einmal als RAS (engl.: row adress strobe) und einmal als CAS (engl.: column adress strobe). Dagegen wird bei SRAMs zwecks höherer Geschwindigkeit meist der komplette Adressbus an Pins geführt, so dass der Zugriff in einer einzigen Operation erfolgen kann.

Steuerleitungen

Eine Steuerleitung gibt dem Chip vor, ob gelesen oder geschrieben werden soll. Meist heißt der Pin R/W.

Oft gibt es eigene Chip-Select-Pins CS und/oder Output-Enable-Pins OE. Wenn einer dieser Pins den Chip auf inaktiv setzt, werden vor allem die Datenleitungen (s. u.) auf hochohmig (Tri-State) geschaltet, um die Bussignale der anderen, jetzt aktiven Chips nicht zu stören.

Wenn es sich um DRAMs handelt, gibt es einen eigenen Pin zur Unterscheidung zwischen RAS- und CAS-Adressteil (s. o.). Meist heißt der Pin RAS/CAS.

Datenleitungen

153

Ein RAM-Chip weist mindestens eine bidirektionale (nämlich durch den R/W-Pin gesteuerte) Datenleitung auf. Oft findet man auch 4, 8 oder 16 Datenpins, je nach Auslegung. Die Kapazität eines Chips in Bits ergibt sich dann durch die Datenbusbreite mal der Anzahl der möglichen Adresswerte (2Datenbusbreite) bzw. bei DRAMs (22×Datenbusbreite).

Versorgungsspannung Der Energiebedarf der flüchtigen RAM-Typen steigt und fällt mit dem Spannungsniveau: je höher die Spannung, desto höher der Energiebedarf, und zwar quadratisch mit der Spannung steigend. Die Hersteller von Speicher versuchen kontinuierlich, den Energiebedarf zu senken, denn der Energiebedarf kann je nach Arbeitsspeichergröße mehrere Watt betragen und sich bei Notebooks negativ auf die Akkulaufzeit auswirken. Die Versorgungsspannung von DDR2-SDRAM liegt bei 1,8Volt. Der Vorgänger DDR-SDRAM benötigt 2,5 Volt, noch ältere Speicher wie SDR-SDRAM benötigen 3,3 Volt. Bei DDR3-SDRAM soll die Spannung auf 1,5 Volt gesenkt werden.

Arten von RAMs Es gibt verschiedene technische Umsetzungen von RAMs. Die heute gängigsten werden hauptsächlich in Computern eingesetzt und sind „flüchtig“ (auch: volatil), das heißt, die gespeicherten Daten gehen nach Abschaltung der Stromzufuhr verloren. Es gibt allerdings auch RAM-Typen, die ihre Information auch ohne Stromzufuhr erhalten (nicht volatil). Diese werden NVRAM genannt.

Statisches RAM (SRAM)

SRAM steht für statisches RAM und bezeichnet einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern als Cache eingesetzt wird und als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil; en. volatile), das heißt, die gespeicherte Information geht bei Abschaltung der Betriebsspannung verloren. Die Informationen werden durch Zustandsänderung von bistabilen Kippstufen (Flipflops) gespeichert. Dies macht die Speicherzelle zwar extrem schnell, aber auch verhältnismäßig groß (über 100 F²) und verbraucht viel Strom. SRAMs werden heutzutage als 6-Transistor-Zelle in CMOS-Technologie hergestellt. Der Aufbau einer Kippstufe mit Widerständen als Lastelementen wird nicht mehr eingesetzt; statt der Lastwiderstände werden heute CMOS-Transistorpaare verwendet (siehe Bild). Mit weiteren zwei Transistoren zur Ankopplung an

Random access memory (RAM) flüchtiges (volatiles) RAM

Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM)

Synchronous Dynamic Random Access Memory Nicht flüchtiges RAM (non volatile RAM)

ferroelektrischer RAM (FRAM, FeRAM) magnetischer RAM (MRAM) Phasenwechsel-RAM (PCRAM)

6-Transistor-Zelle in CMOS-Technologie

154 MOS - Speicher

Diese Seite wurde zuletzt am 3. Juni 2008 um 12:03 Uhr

die Spalten- bzw. Zeilenauswahlleitungen ergibt sich die besagte 6-Transistor-Zelle wie im Bild anbei.

Dynamisches RAM (DRAM)

Hauptartikel: Dynamisches RAM

DRAM steht für dynamisches RAM und bezeichnet einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird und als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil), das heißt, die gespeicherte Information geht nach Abschaltung der Betriebsspannung schnell verloren, kann unter günstigen Bedingungen aber auch länger erhalten bleiben. Die Informationen werden in Form des Ladezustandes eines Kondensators gespeichert. Dieser sehr einfache Aufbau macht die Speicherzelle zwar sehr klein (6 bis 10 F²), allerdings entlädt sich der Kondensator bei den eingesetzten Kapazitäten durch die auftretenden Leckströme schnell, und der Informationsinhalt geht verloren. Daher müssen die Speicherzellen regelmäßig wiederaufgefrischt werden. Im Vergleich zum SRAM ist der DRAM billiger, weshalb man ihn vornehmlich für den Arbeitsspeicher verwendet.

Phase-change RAM (PRAM)

Hauptartikel: Phase-change random access memory

PRAM steht für phase-change RAM und befindet sich u. a. bei Samsung noch in der Entwicklung. Er soll als Ersatz von S- und DRAM dienen und Vorteile gegenüber NOR-Flash-Speicher haben, zum Beispiel sollen Schreibzugriffe wesentlich schneller sein und die Anzahl der Schreib-/Lese-Zyklen soll um ein Vielfaches höher sein, als NOR-Flash-Speicher. Dabei belegt er weniger Fläche und ist einfacher in der Herstellung.

Intel hat angekündigt, den ersten in Großserie gefertigten PRAM-Chip bis Ende 2007 auf den Markt zu bringen, welcher sich nach außen ähnlich wie ein NOR-Flashspeicher verhalten soll.

Einzelnachweise und Fußnoten

1. ↑ Stefan Ram. Erklärung des Begriffs „RAM“ (http://www.purl.com/stefan_ram/pub/ram) 2. ↑ Lest We Remember: Cold Boot Attacks on Encryption Keys (http://citp.princeton.edu/memory/)

Weblinks Heise News: IDF: 128-MBit-Phasenwechsel-Speicherchip noch 2007 (http://www.heise.de/newsticker/meldung/88461%20Alderstone)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Random_Access_Memory“

Prinzipieller Aufbau einer DRAM-Speicherzelle

[2]

Aufbau einer PRAM-Speicherzelle

Kategorie: Speichermodul

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Dynamic Random Access Memory aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Dynamic Random Access Memory (DRAM), oder der halb eingedeutschte Begriff Dynamisches RAM, bezeichnet eine Technologie für einen elektronischen Speicherbaustein mit wahlfreiem Zugriff (Random Access Memory, RAM), der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird, jedoch auch in anderen elektronischen Geräten wie zum Beispiel Druckern zur Anwendung kommt. Das speichernde Element ist dabei ein Kondensator, der entweder geladen oder entladen ist. Über einen Schalttransistor wird er zugänglich und entweder ausgelesen oder mit neuem Inhalt beschrieben. Der Speicherinhalt ist flüchtig (volatil), das heißt die gespeicherte Information geht bei fehlender Betriebsspannung oder zu später Wiederauffrischung verloren.

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Aufbau

2.1 Aufbau einer Speicherzelle 2.2 Aufbau einer Speicherzeile („Page“) 2.3 Aufbau eines Zellenfeldes 2.4 Adressdekodierung

3 Interne Abläufe 3.1 Ausgangszustand 3.2 Aktivierung einer Speicherzeile 3.3 Lesen von Daten 3.4 Schreiben von Daten 3.5 Deaktivierung einer Speicherzeile 3.6 Timingparameter der internen Abläufe

3.6.1 tRCD 3.6.2 CL 3.6.3 tRAS 3.6.4 tRP 3.6.5 tRC

4 DRAM-spezifische Eigenschaften 4.1 Adressmultiplex

4.1.1 Adressierung 4.1.1.1 RAS 4.1.1.2 CAS

4.2 Burst 4.3 Refresh 4.4 Bank 4.5 Prefetch 4.6 Redundanz

5 Module 6 Geschichte

6.1 Produktgenerationen von DRAMs 7 Anwendung

7.1 Arbeitsspeicher 7.2 Spezialanwendungen

8 Bauarten 9 Siehe auch 10 Quellen

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Einleitung Ein Kennzeichen des DRAM ist die Kombination aus einer sehr hohen Datendichte auf einer kleinen Chipfläche, verbunden mit sehr preiswerten Herstellungskosten. Er findet deswegen vor allem dort Verwendung, wo große Speichermengen bei mittlerer Datenrate (100–1600 Mbit/s/pin) zur Verfügung gestellt werden müssen.

Diesem Vorteil des DRAM gegenüber dem SRAM steht der Nachteil gegenüber, dass sich die im Kondensator gespeicherte Ladung und damit die gespeicherte Information aufgrund von Leckströmen mit der Zeit verflüchtigt, wenn sie nicht periodisch wieder aufgefrischt wird. Dies ist normalerweise in Abständen von einigen Millisekunden erforderlich. Das Auffrischen des Speichers wird zeilenweise bewerkstelligt. Dazu wird jeweils eine Speicherzeile in einem Schritt in einen auf dem Chip befindlichen Zeilenpuffer übertragen und von dort verstärkt wieder zurück in die Speicherzeile geschrieben. Daher rührt die Bezeichnung „dynamisch“. Bei statischen Speichern wie dem SRAM kann man demgegenüber alle Signale anhalten, ohne dass Datenverlust eintritt. Das Auffrischen des DRAMs verbraucht außerdem auch im Ruhezustand eine gewisse Menge von Energie. Deshalb bevorzugt man in Anwendungen, bei denen es auf geringen Ruhestrom ankommt, das SRAM.

Die Hersteller von Speicher versuchen kontinuierlich, den Energiebedarf zu senken, um so genannte Leckströme zu minimieren. Die Versorgungsspannung von DDR2-SDRAM liegt bei 1,8 Volt, während DDR-SDRAM noch mit 2,5 Volt versorgt wird. Bei dem im Jahre 2007 eingeführten DDR3-SDRAM wurde die Spannung auf 1,5 Volt gesenkt.

Ein DRAM ist entweder als eigenständiger integrierter Schaltkreis ausgeführt oder als Speicherzelle Teil eines größeren Chips. Beispielsweise sind bei vielen Mikroprozessoren die Register als dynamische Speicherzellen ausgeführt.

Das „Random“ in Random Access Memory steht dabei für den wahlfreien Zugang auf den Speicherinhalt bzw. die einzelnen Speicherzellen, im Gegensatz zum sequenziellen Zugriff wie beispielsweise bei (hardwareseitig organisierten) FIFO- oder LIFO-Speichern.

Aufbau Ein DRAM besteht nicht wie im Artikel Halbleiterspeicher vereinfacht gezeigt aus einer einzigen zweidimensionalen Matrix. Stattdessen sind die Speicherzellen, die auf der Oberfläche eines Dies angeordnet und verdrahtet sind, in einer ausgeklügelten hierarchischen Struktur unterteilt. Während die innere Struktur herstellerspezifisch aufgebaut ist, ist die von außen sichtbare logische Struktur vom Industriegremium JEDEC normiert. Dadurch wird sichergestellt, dass sich Chips unterschiedlicher Hersteller und verschiedener Größen nach dem immer gleichen Schema ansprechen lassen.

Aufbau einer Speicherzelle

Der Aufbau einer einzelnen DRAM-Speicherzelle ist sehr einfach, sie besteht nur aus einem Kondensator und einem Transistor. Heute verwendet man einen MIS-Feldeffekttransistor. Die Information wird als elektrische Ladung im Kondensator gespeichert. Jede Speicherzelle speichert ein Bit. Während früher meist Kondensatoren in Planartechnologie Verwendung fanden, werden

11 Weblinks

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aktuell zwei andere Technologien verwendet:

Bei der Stapel-Technologie (engl. stack) wird der Kondensator über dem Transistor aufgebaut.Bei der Graben-Technologie (engl. trench) wird der Kondensator durch Ätzen eines ca. 5–10 Mikrometer tiefen Loches (oder Grabens) in das Substrat erzeugt.

Der in der nebenstehenden Abbildung eingezeichnete obere Anschluss wird entweder auf die Bit-Leitungsspannung VBL aufgeladen oder entladen (0 V). Der untere Anschluss aller Kondensatoren wird gemeinsam an eine Spannungsquelle angeschlossen, welche idealerweise eine Spannung von VPl= 1/2 * VBL besitzt. Dadurch lässt sich die Maximalfeldstärke im Dielektrikum des Kondensators halbieren.

Der Transistor (auch Auswahltransistor genannt) dient als Schalter zum Lesen und Schreiben der Information aus der Zelle. Dazu wird über die Word-Leitung (engl. wordline) an den Gate-Anschluss „G“ des n-MOS-Transistors eine positive Spannung VWL angelegt werden. Dadurch wird eine leitende Verbindung zwischen den Source- („S“) und den Drain-Gebieten („D“) hergestellt, welche den Zellkondensator mit der Bit-Leitung (engl. bitline) verbindet. Der Substrat-Anschluss „B“ ("Bulk") des Transistors ist entweder an das Massepotential oder an ein leicht negatives Potential VSub zur Unterdrückung von Leckströmen angeschlossen.

Durch ihren sehr einfachen Aufbau brauchen die Speicherzellen nur sehr wenig Chipfläche. Die konstruktionsbedingte Größe einer Speicherzelle wird gern als das Vielfache der Quadratfläche F² der kleinsten fertigbaren Strukturlänge („minimum Featuresize“ oder abgekürzt F) angegeben: Eine DRAM-Zelle benötigt heute 6 oder 8 F², während eine SRAM-Zelle mehr als 100 F² benötigt. Daher kann ein DRAM bei gegebener Chipgröße eine wesentlich größere Zahl von Bits speichern. Daraus resultieren weitaus niedrigere Herstellungskosten pro Bit als beim SRAM. Unter den heute üblichen elektronischen Speicherarten hat nur der NAND-Flash eine kleinere Speicherzelle mit ungefähr 4,5 F² (bzw. 2,2 F² pro Bit für Multilevel-Cells).

Aufbau einer Speicherzeile („Page“)

Durch Anschließen weiterer Speicherzellen an eine Wortleitung

Schematischer Aufbau der grundlegenden Technologien für DRAM-Zellen (Querschnitte)

Planartechnologie Stapeltechnologie Grabentechnologie mit Poly-Si-Platte

Prinzipieller Aufbau einer Speicherzelle aus einem

Transistor und einem Kondensator (1T1C-Zelle)

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erhält man eine Speicherzeile, die üblicherweise als „page“ ("Seite") bezeichnet wird. Das Charakteristische an einer Zeile ist die Eigenschaft, dass alle zugehörigen Zellen bei der Aktivierung einer Wortleitung (rot dargestellt) ihren gespeicherten Inhalt gleichzeitig auf die ihnen zugeordnete Bitleitung (blau dargestellt) ausgeben. Eine übliche Pagegröße liegt bei 1 K, 2 K, 4 K (...) Zellen (1 K = 1024).

Aufbau eines Zellenfeldes

Die Speicherzellen sind in einer Matrixanordnung verschaltet: 'Wortleitungen' verbinden alle Steuerelektroden „G“ der Auswahltransistoren in einer Zeile, 'Bitleitungen' verbinden alle Drain-Gebiete „D“ der Auswahltransistoren einer Spalte. Am unteren Rande der Matrix sind die Bitleitungen mit den (primären) Schreib-/Lese-Verstärkern („sense-amplifier“) verbunden. Da sie in das enge Raster des Zellenfeldes passen müssen, sind sie in der einfachsten Form als zwei gegengekoppelte CMOS-Inverter aus nur 4 Transistoren aufgebaut. Ihre Versorgungsspannung ist gerade gleich der Bitleitungsspannung VBL. Neben ihrer Funktion als Verstärker des ausgelesenen Zellsignals haben sie noch den Nebeneffekt, dass ihr Aufbau dem eines einfachen statischen Speichers ("Latch") entspricht. Der primäre Leseverstärker dient somit gleichzeitig als Speicher einer kompletten Speicherzeile.

Die über den Leseverstärkern eingezeichneten Schalter dienen im inaktiven Zustand zur Vorladung der Bitleitungen auf einen Pegel von 1/2 * VBL, welcher gerade den Mittelwert der Spannung einer aufgeladenenen und einer entladenen Zelle darstellt.

Auf einem Speicher-Chip sind eine Vielzahl dieser Speichermatrizen zu einem zusammenhängenden Speicherbereich verschaltet, der Chip ist also (transparent nach außen) intern in Submatrizen gegliedert. Dabei werden je nach Auslegung sämtliche Datenleitungen zu einem einzigen Datenpin nach außen geführt oder auf 4 (oft) oder sogar 8 (selten) Datenpins verteilt. Dies ist dann die Datenbreite des einzelnen DRAM-Chips. Je nach ihrem Wert braucht man z. B. 8, 2 oder 1 Chip(s) für eine Datenbusbreite von 8 Bit bzw. das Vierfache davon für 32 Bit und das Achtfache für 64 Bit.

Adressdekodierung

Das benachbart abgebildete Diagramm zeigt den prinzipiellen Aufbau der Adressdekodierung für ein einzelnes Zellenfeld. Die Zeilenadresse wird über n Adressleitungen dem Zeilendekoder zugeführt. Dieser wählt aus den an ihn angeschlossenen 2n Wortleitungen genau eine einzelne aus und aktiviert diese, indem er ihr Potential auf die Wortleitungsspannung VWL anhebt. Die dadurch im Zellenfeld aktivierte Speicherzeile ("page") gibt ihren Dateninhalt nun auf die Bitleitungen aus. Das resultierende Signal wird von den (primären) Leseverstärkern verstärkt, gespeichert und gleichzeitig wieder in die Zelle zurückgeschrieben.

Die Dekodierung der Spaltenadresse und die Auswahl der

Zusammenschaltung mehrerer Speicherzellen zu einer Speicherzeile ("page")

Zweidimensionale Zusammenschaltung von Speicherzellen zu einem

Zellenfeld

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160 MOS - Speicher

auszulesenden Daten ist ein zweistufiger Prozess. In einem ersten Schritt werden die m Adressleitungen der Spaltenadresse dem Spaltendekoder zugeführt. Dieser wählt aus den üblicherweise 2m angeschlossenen Spaltenauswahlleitungen eine aus und aktiviert diese. Damit werden je nach „Breite“ des Speichers k Bitleitungen gleichzeitig aktiviert. In einem zweiten Schritt wird im Block Spaltenauswahl diese Untermenge von k Bitleitungen aus der Menge der insgesamt k * 2m Bitleitungen mit den k Datenleitungen Richtung Außenwelt verbunden. Diese werden abschließend von einem weiteren Schreib-/Leseverstärker (nicht eingezeichnet) verstärkt.

Um das Übersprechen zwischen benachbarten Speicherzellen und ihren Zuleitungen zu begrenzen, werden die Adressen bei der Dekodierung üblicherweise „verwürfelt“, und zwar nach einer standardisierten Regel, so dass sie nicht in der Reihenfolge ihrer binären Wertigkeit in der physischen Anordnung wiederzufinden sind.

Interne Abläufe

Ausgangszustand

Im Ruhezustand eines DRAMs befindet sich die Wortleitung auf niedrigem Potential (VWL = 0V). Die Zelltransistoren sind dadurch nichtleitend, die in den Kondensatoren gespeicherte Ladung bleibt - abgesehen von unerwünschten Leckströmen - erhalten.

Beide in dem Diagramm des Zellenfeldes über den Leseverstärkern skizzierten Schalter sind geschlossen. Durch sie werden die beiden Bitleitungen welche gemeinsam an einem Leseverstärker angeschlossen sind, auf gleichem Potential (½ * VBL) gehalten.

Die Spannungsversorgung der Leseverstärker (VBL) ist abgeschaltet.

Aktivierung einer Speicherzeile

Aus der bei einem Activate übergebenen Bank- und Zeilenadresse (vgl. Diagramme zum 'Burst Read'-Zugriff) wird zunächst ermittelt in welcher Bank und ggf. in welchem Speicherblock sich die angegebene Zeile befindet. Die Schalter zur 'Bitleitungsvorladung' werden geöffnet. Die bis dahin auf halbe Bitleitungsspannung aufgeladenen Bitleitungen sind damit von jeder Spannungsquelle abgekoppelt. An die Wortleitung wird eine positive Spannung angelegt. Die Transistoren des Zellenfeldes werden somit leitend. Durch die langen Wortleitungen kann dieser Vorgang mehrere Nanosekunden andauern und ist somit einer der Gründe für die „Langsamkeit“ eines DRAMs. Es findet ein Ladungsaustausch zwischen dem Zellkondensator und einer der beiden an einem Leseverstärker angeschlossenen Bitleitungen statt. Am Ende des Ladungsaustausches haben sich die Zelle und Bitleitung auf eine Spannung von

aufgeladen. Das Vorzeichen der Spannungsänderung (±) hängt davon ab, ob zuvor in der Zelle eine '1' oder eine '0' gespeichert war. Aufgrund der hohen Bitleitungskapazität CBL / C = 5 … 10 (bedingt durch die Leitungslänge) liegt die Spannungsänderung in einer

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Größenordung von nur 100 mV. Dieser Umladungsvorgang dauert aufgrund der hohen Bitleitungskapazität ebenfalls einige Nanosekunden.

Gegen Ende dieses Umladungsvorganges wird die Versorgungsspannung (VBL) der primären Leseverstärker eingeschaltet. Diese beginnen mit der Verstärkung des kleinen Spannungsunterschiedes zwischen beiden Bitleitungen und laden eine davon auf VBL auf und entladen die andere auf 0 V.

Lesen von Daten

Zum Lesen von Daten muss nun vom Spaltendekoder die Spaltenadresse dekodiert werden.

Die zur Spaltenadresse korrespondierende Spaltenauswahlleitung („Column Select Line“, CSL) wird aktiviert und verbindet ein oder mehrere Bitleitungen am Ausgang der primären Leseverstärker mit Datenleitungen, die aus dem Zellenfeld herausführen. Aufgrund der Länge dieser Datenleitungen müssen die Daten am Rande des Zellenfeldes erneut mit einem (sekundären) Leseverstärker verstärkt werden.

Die ausgelesenen Daten werden in ein Schieberegister parallel eingelesen, dort mit dem externen Takt ("Clock") synchronisiert und verstärkt ausgegeben.

Schreiben von Daten

Die in den DRAM einzuschreibenden Daten werden nahezu zeitgleich mit der Spaltenadresse eingelesen.

Die Spaltenadresse wird vom Spaltendekoder dekodiert und die entsprechende Spaltenauswahlleitung wird aktiviert. Dadurch wird wieder die Verbindung zwischen einer Datenleitung und einer Bitleitung hergestellt.

Parallel zur Decodierung der Spaltenadresse treffen die Schreibdaten am Spaltenauswahlblock an und werden zu den Bitleitungen weitergeführt. Die (schwachen) primären Leseverstärker werden dabei überschrieben und nehmen nun einen den Schreibdaten entsprechenden Zustand an.

Die Leseverstärker unterstützen nun das Umladen der Bitleitungen und der Speicherkondensatoren im Zellenfeld.

Deaktivierung einer Speicherzeile

Die Wortleitungsspannung wird auf 0 V oder einen leicht negativen Wert verringert. Dadurch werden die Zelltransistoren nichtleitend und koppeln die Zellkondensatoren von den Bitleitungen ab.

Die Spannungsversorgung der Leseverstärker kann nun abgeschaltet werden.

Die die beiden Bitleitungen verbindenden Schalter zur Bitleitungsvorladung werden geschlossen. Damit stellt sich auf den Bitleitungen wieder der Ausgangszustand (V = ½ VBL) ein.

Timingparameter der internen Abläufe

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tRCD

Der Parameter „tRCD“ („RAS-to-CAS delay“, „Row-to-Column delay“) beschreibt bei einem DRAM die Zeit, die nach der Aktivierung einer Wortleitung („Activate“) verstrichen sein muss, bevor ein Lesekommando („Read“) gesendet werden darf. Der Parameter ist dadurch bedingt, dass das Verstärken der Bitleitungsspannung und das Rückschreiben des Zellinhaltes abgeschlossen sein muss, bevor die Bitleitungen mit den Datenleitungen weiterverbunden werden dürfen.

CL

Der Parameter „CL“ („CAS Latency“, auch tCL) beschreibt die Zeit, welche zwischen der Absendung eines Lesekommandos („Read“) und dem Erhalt der Daten vergeht.

Siehe auch: Column Address Strobe Latency

tRAS

Der Parameter „tRAS“ („RAS pulse width“, „Active Command Period“, „Bank Active Time“) beschreibt die Zeit, die nach der Aktivierung einer Zeile (bzw. einer Zeile in einer Bank) verstrichen sein muss, bevor ein Kommando zum Deaktivieren der Zeile („Precharge“, Schließen der Bank) gesendet werden darf. Der Parameter ist dadurch gegeben, dass die Verstärkung der Bitleitungsspannung und das Rückschreiben der Information in die Zelle vollständig abgeschlossen sein muss, bevor die Wortleitung deaktiviert werden darf.

tRP

Der Parameter „tRP“ („Row Precharge Time“) beschreibt die Zeit, die nach einem Precharge-Kommando mindestens verstrichen sein muss, bevor ein erneutes Kommando zur Aktivierung einer Zeile in der gleichen Bank gesendet werden darf. Diese Zeit ist durch die Bedingung definiert, dass alle Spannungen im Zellenfeld (Wortleitungsspannung, Versorgungsspannung der Leseverstärker) abgeschaltet sind und die Spannungen aller Leitungen (insbesondere die der Bitleitungen) wieder auf ihrem Ausgangsniveau angekommen sind.

tRC

Der Parameter „tRC“ („Row Cycle Time“) beschreibt die Zeitdauer, die zwischen zwei aufeinander folgenden Aktivierungen zweier beliebiger Zeilen in derselben Bank verstrichen sein muss. Der Wert entspricht weitgehend der Summe der Parameter tRAS und tRP und beschreibt somit die minimal notwendige Zeit, um eine Speicherzeile aufzufrischen.

DRAM-spezifische Eigenschaften

Adressmultiplex

Adressierung

Veranschaulichung der Definition der Timing-

Parameter tRAS, tRP und tRC

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Adressierung eines DRAM-Bausteins

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Die Adressleitungen eines DRAMs sind üblicherweise gemultiplext, d. h. es sind nur etwa halb so viele physisch vorhanden wie insgesamt benötigt werden. (Dagegen wird bei SRAMs zwecks höherer Geschwindigkeit meist der komplette Adressbus an Pins geführt, so dass der Zugriff in einer einzigen Operation erfolgen kann.)

Asynchrone DRAMs (EDO, FPM) besitzen zwei Eingangspins RAS (Row Address Select / Strobe) und CAS (Column Address Select / Strobe), um die Benutzung der Adressleitungen zu definieren: bei einer fallenden Flanke von RAS wird die an den Adressleitungen anliegende Adresse als Zeilenadresse interpretiert, bei einer fallenden Flanke von CAS wird sie als Spaltenadresse interpretiert.

RAS

Row Address Strobe, dieses Steuersignal liegt während einer gültigen Zeilenadresse an. Der Speicherbaustein legt diese Adresse in einem Zwischenspeicher ab.

CAS

Column Address Strobe, dieses Steuersignal liegt während einer gültigen Spaltenadresse an. Der Speicherbaustein legt diese Adresse in einem Zwischenspeicher ab.

Synchrone DRAMs (SDRAM, DDR-SDRAM) besitzen ebenfalls die Steuereingänge RAS und CAS, jedoch haben sie hier ihre unmittelbare Funktion verloren. Stattdessen werden bei synchronen DRAMs die Kombination aller Steuersignale (CKE, RAS, CAS, WE, CS) bei steigender Clock-Flanke ausgewertet um zu entscheiden, ob und in welcher Form die Signale auf den Adressleitungen interpretiert werden müssen.

Dem Vorteil der Einsparung von externen Adressleitungen steht ein scheinbarer Nachteil in Form einer verzögerten Verfügbarkeit der Spaltenadresse gegenüber. Die Spaltenadresse wird jedoch erst nach der Dekodierung der Zeilenadresse, der Aktivierung einer Wortleitung und dem Bewerten des Bitleitungssignals benötigt. Dieser interne Vorgang benötigt jedoch ca. 15 ns, so dass sich die verzögert erhaltene Spaltenadresse nicht negativ auswirkt.

Burst

In den nebenstehenden Bildern ist für einen asynchronen und einen synchronen DRAM jeweils ein Lesezugriff im sogenannten Burst-Modus dargestellt. Das charakteristische Element eines Burst-Zugriffs (beim Lesen oder Schreiben) ist die unmittelbare Aufeinanderfolge der Daten („Data1“, …, „Data4“). Die Daten

'Burst Read' eines asynchronen (EDO-)DRAMs. Hier musste noch für jedes Burst-Bit die zugehörige Spaltenadresse (Col) vorgegeben werden.

'Burst Read' eines synchronen (SDR-)DRAMs

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gehören zur gleichen Zeile des Zellenfeldes, besitzen dadurch die gleiche Zeilenadresse („Row“), aber unterschiedliche Spaltenadressen („Col1“, …, „Col4“). Die benötigte Zeitdauer für die Bereitstellung des nächsten Datums innerhalb des Bursts ist sehr gering verglichen mit der Zeitdauer für die Bereitstellung des ersten Datums gemessen ab der Aktivierung („Activate“) der Zeile.

Während bei asynchronen DRAMs noch alle Spaltenadressen innerhalb des Bursts angegeben werden mussten („Col1“, …, „Col4“), wird bei synchronen DRAMs (SDR, DDR) nur noch die Startadresse angegeben. Die für den restlichen Burst benötigten Spaltenadressen werden danach durch einen internen Zähler erzeugt.

Die hohe Datenrate innerhalb eines Bursts erklärt sich dadurch, dass innerhalb eines Bursts nur noch lesend (oder schreibend) auf die Leseverstärker zugegriffen werden muss. Die aus 2 CMOS-Invertern (4 Transistoren) aufgebauten Leseverstärker entsprechen dem Grundaufbau der Zelle eines statischen RAMs (vgl. nebenstehende Diagramme). Zur Bereitstellung des nächsten Burst-Datums ist somit lediglich die Spaltenadresse zu dekodieren und die entsprechende Spaltenauswahlleitung zu aktivieren (diese korrespondiert mit den Anschlussleitungen zum „Gate“-Anschluss der Transistoren M5 und M6 einer SRAM-Zelle).

Refresh

Die in kurzen Zeitabständen notwendige Wiederauffrischung (von engl.: „refresh“; zu dt.: „auffrischen“) des Speicherinhalts wird allgemein mit dem englischen Terminus Refresh bezeichnet. Die Notwendigkeit ergibt sich aus dem Auftreten unerwünschter Leckströme, welche die in den Kondensatoren gespeicherte Ladungsmenge verändern. Die Leckströme besitzen eine exponentielle Temperaturabhängigkeit: die Zeit, nach der der Inhalt einer Speicherzelle nicht mehr korrekt bewertet werden kann (retention time), halbiert sich jeweils bei einer Temperaturerhöhung um 15 bis 20 °C. Kommerziell erhältliche DRAMs besitzen meist eine vorgeschriebene Refreshperiode von 32 ms oder 64 ms.

Technisch sind dazu im Speicherchip die primären Leseverstärker (siehe Abbildung oben) mit der Funktion eines Latch-Registers ausgestattet. Sie sind als SRAM-Zellen ausgeführt, also als Flip-Flops. Wenn eine bestimmte Zeile (engl.: „page“; zu dt.: „Seite“) ausgewählt wurde, wird die komplette Zeile in die Latches des Leseverstärkers kopiert. Da die Ausgänge des Verstärkers gleichzeitig auch mit dessen Eingängen verbunden sind, werden die verstärkten Signale direkt wieder in die dynamischen Speicherzellen der ausgewählten Zeile zurückgeschrieben, sie sind damit aufgefrischt.

Es gibt verschiedene Verfahren dieser Refresh-Steuerung:

Zellenfeld eines DRAMs mit primären Leseverstärkern

(unten)

Ein DRAM-Leseverstärker ist analog zu den Transistoren M1, M2, M3 und M4 einer

solchen 6-Transistor-SRAM-Zelle aufgebaut

166 MOS - Speicher

RAS-only-Refresh Diese Methode beruht auf der Tatsache, dass das Aktivieren einer Zeile automatisch mit einer Bewertung und einem Rückschreiben des Zellinhaltes verbunden ist. Zu diesem Zweck muss der Speichercontroller extern die Zeilenadresse der aufzufrischenden Zeile anlegen und über die Steuersignale eine Aktivierung der Zeile bewirken (vgl. Diagramm zum RAS-only-Refresh beim EDO-DRAM).

CAS-before-RAS-Refresh Diese Refreshmethode erhielt ihren Namen von der Ansteuerung asynchroner DRAMs, ist aber auch bei synchronen DRAMs unter der Bezeichnung Auto-Refresh erhalten geblieben. Die Namensgebung beruhte auf der ansonsten illegale Signalfolge, dass eine fallende CAS-Flanke vor einer fallenden RAS-Flanke erzeugt wurde (vgl. Diagramm zum CBR-Refresh beim EDO-DRAM). Als Reaktion auf die Signalfolge führte der DRAM einen Refreshzyklus durch, ohne dass er auf eine externe Adresse angewiesen war. Stattdessen wurde die Adresse der aufzufrischenden Zeile in einem internen Zähler bereitgestellt und nach erfolgter Ausführung automatisch erhöht.

Self-Refresh Diese Methode war bei speziellen Bauformen asynchroner DRAMs eingeführt worden und wurde erst mit synchronen DRAMs verbindlich implementiert. Bei dieser Methode wird weitestgehend auf externe Steuer- oder Adresssignale (für den Refresh) verzichtet (vgl. Diagramm zum Self-Refresh beim EDO-DRAM). Der DRAM befindet sich dabei in einem Stromsparzustand („power-down“), in dem er auf externe Signale nicht reagiert (eine Ausnahme stellen natürlich die Signale dar, die ihm das Verbleiben im Stromsparzustand anzeigen). Zum Erhalt der gespeicherten Information wird ein DRAM-interner Zähler verwendet, der in vorgegebenen Zeitabständen einen Auto-Refresh (CAS-before-RAS-Refresh) initiiert.

Je nach Schaltungsumgebung muss für den Refresh der Normalbetrieb unterbrochen werden, z. B. kann der Refresh in einer regelmäßig aufgerufenen Interrupt-Routine ausgelöst werden. Sie kann z. B. mit einer eigenen Zählvariablen einfach irgendeine Speicherzelle in der jeweiligen Zeile auslesen und damit diese Zeile auffrischen. Andererseits gibt es auch Situationen (vor allem in Videospeichern), in denen der gesamte Speicherbereich sowieso in kurzen Abständen angesprochen wird, so dass gar kein separater Refresh-Betrieb stattfinden muss. Manche Mikroprozessoren wie der Z80 oder aktuelle Prozessor-Chipsätze erledigen den Refresh vollautomatisch.

Bank

Vor der Einführung synchroner DRAMs musste ein Speichercontroller warten, bis die Informationen einer aktivierten Zeile zurückgeschrieben waren und die zugehörige Wortleitung deaktiviert war. Es konnte jeweils nur genau eine Zeile im DRAM aktiviert sein. Da die Länge eines kompletten Schreib- oder Lesezyklusses (row cycle time, tRC) etwa 80 ns betrug, war der Zugriff auf Daten verschiedener Zeilen recht zeitaufwändig.

Mit der Einführung synchroner DRAMs wurden zunächst 2 (16 M SDRAM), dann 4 (64 M SDRAM, DDR-SDRAM), 8 (DDR-3 SDRAM) oder sogar 16 und 32 (RDRAM) Speicherbänke eingeführt. Speicherbänke zeichnen sich dadurch aus, dass sie jeweils eigene Adressregister und Leseverstärker besitzen, so dass nun jeweils pro Bank eine Zeile aktiviert sein konnte. Durch den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Bänke kann man hohe Latenzzeiten vermeiden, denn während eine Bank gerade Daten liefert, darf der Speichercontroller bereits Adressen für eine andere Bank senden.

Prefetch

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Die im Vergleich zu einem SRAM deutlich geringere Geschwindigkeit eines DRAMs liegt in der Struktur und Funktionsweise des DRAMs begründet. (Lange Wortleitungen müssen aufgeladen werden, eine ausgelesene Zelle kann ihre Ladung nur langsam auf die Bitleitung ausgeben, der ausgelesene Inhalt muss bewertet und zurückgeschrieben werden.) Eine Verkürzung dieser Zeiten istzwar generell über einen intern modifizierten Aufbau möglich, jedoch würde die Speicherdichte sinken und damit der Platzbedarf und somit der Herstellungspreis ansteigen.

Stattdessen wird ein Trick angewendet, um die externe Datentransferrate zu steigern, ohne die interne Geschwindigkeit erhöhen zu müssen. Bei dem so genannten Prefetching werden pro Adressierung die Daten von mehreren Spaltenadressen ausgelesen und in einen Parallel-Seriell-Wandler (Schieberegister) geschrieben. Von diesem Puffer aus werden die Daten mit der höheren (externen) Taktrate ausgegeben. Dadurch erklären sich auch die mit synchronen DRAMs eingeführten Daten-Bursts und insbesondere ihre jeweilige minimale Burstlänge (sie entspricht gerade der Länge des als Parallel-Seriell-Wandlers eingesetzten Schieberegisters und damit dem Prefetch-Faktor):

beim Single-Data-Rate(SDR)-SDRAM wird pro Leseanforderung 1 Datenbit pro Datenpin ausgelesen: Prefetch = 1 beim DDR-SDRAM werden pro Leseanforderung 2 Datenbits pro Datenpin ausgelesen und in einem Datenburst der Länge 2 ausgegeben: Prefetch = 2 beim DDR2-SDRAM werden pro Leseanforderung 4 Datenbits pro Datenpin ausgelesen und in einem Datenburst der Länge 4 ausgegeben: Prefetch = 4 beim DDR3-SDRAM werden pro Leseanforderung 8 Datenbits pro Datenpin ausgelesen und in einem Datenburst der Länge 8 ausgegeben: Prefetch = 8

Entsprechendes gilt für das Beschreiben des DRAMs.

Redundanz

Mit der Erhöhung der Speicherdichte (d. h. der Anzahl der Speicherzellen pro Chip) erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eine Speicherzelle eine Fehlfunktion aufweist. Um die Ausbeute an funktionsfähigen DRAMs bei der Produktion zu erhöhen, werden sogenannte redundante Elemente in das Chipdesign integriert. Dabei handelt es sich um zusätzliche Zeilen- und Spaltenleitungen mit entsprechenden Speicherzellen. Wird nun bei dem die Produktion abschließenden Test eine fehlerhafte Speicherzelle festgestellt, so wird die betroffene Wort- oder Zeilenleitung deaktivert. An ihre Stelle tritt eine (oder mehrere) Wort- oder Zeilenleitung aus der Menge der ansonsten unbenutzten redundanten Elemente.

Um diese Konfigurationsänderung dauerhaft im DRAM abzuspeichern, bedarf es einer permanenten Schaltungsmodifikation. Zwei Verfahren sind derzeit im Einsatz:

Mit Hilfe eines fokussierten Laserpulses werden entsprechend vorbereitete Kontakte in den Dekodierungschaltungen der Zeilen- oder Spaltenadresse verdampft (laser-fuse). Mit Hilfe eines elektrischen Überspannungspulses werden elektrische Kontakte entweder geöffnet (e-fuse) oder (z. B. durch Zerstören einer dünnen isolierenden Schicht) geschlossen (anti e-fuse).

In beiden Fällen werden diese permanenten Veränderungen benutzt, um die Adresse der zu ersetzenden Leitung und die Adresse der dafür zu verwendenden redundanten Leitung einzuprogrammieren.

168 MOS - Speicher

Die Anzahl der in einem DRAM-Design eingebauten redundanten Elemente ist mit nur ca. 1 % überraschend gering. Mit einem höheren Anteil an redundanten Elementen könnten zwar größere Defekte (Speicherblöcke) repariert werden, jedoch wäre dies mit Nachteilen verbunden. Üblicherweise verringert sich die Anzahl der Defekte eines Speicherbauelementes mit fortschreitender Verbesserung des Fertigungsprozesses. Die dann nicht mehr benötigten redundanten Elemente würden nur noch Chipfläche beanspruchen (erhöhte Herstellungskosten), ohne eine nennenswerte Steigerung der Ausbeute zu erzielen.

Die Verwendung redundanter Elemente zur Korrektur fehlerhafter Speicherzellen darf nicht mit der aktiven Fehlerkorrektur auf der Basis von Paritätsbits oder fehlerkorrigierenden Codes verwechselt werden. Die hier beschriebene Fehlerkorrektur über redundante Elemente erfolgt in der Regel einmalig vor der Auslieferung des Speicherbauelementes an den Kunden. Nachträglich auftretende Fehler (Degradation des Bauelementes oder Übertragungsfehler im System) können damit nicht beseitigt werden.

Module Oftmals werden ganze Speichermodule mit den eigentlichen Speicherchips verwechselt. Die Unterscheidung spiegelt sich in der Größenkennzeichnung wider: DIMMs misst man in Mega- oder Gigabyte, den einzelnen Modulchip auf dem DIMM dagegen in Giga- oder Megabit. Mittlerweile können die Hersteller immer mehr Speicherzellen auf die einzelnen Chips pressen, so dass 512-MBit-Bausteine problemlos verfügbar sind. Erst durch die Zusammenschaltung von einzelnen SDRAM-Chips entsteht ein Speicherbaustein, welcher dem Standard entspricht.

Geschichte Der erste kommerziell erhältliche DRAM-Chip war 1970 der von Intel vorgestellte Typ 1103. Er enthielt 1024 Speicherzellen (1 KiB). Das Prinzip der DRAM-Speicherzelle wurde 1966 von Robert H. Dennard am Thomas J. Watson Research Center von IBM entwickelt.

Seither wurde die Kapazität eines DRAM-Chips um den Faktor 1 Million gesteigert und die Zugriffszeit auf ein Zehntel verkürzt. Heute (2006) besitzen DRAM-Chips Kapazitäten von bis zu 2 GByte und Zugriffszeiten von 10 ns. Die Produktion von DRAM-Speicherchips gehört zu den umsatzstärksten Segmenten der Halbleiterindustrie. Mit den Produkten wird spekuliert; es existiert ein Spotmarkt.

Anfangs wurden DRAM-Speicher aus einzelnen Speicherbausteinen (Chips) in DIL-Bauform aufgebaut. Für 16 KiB Arbeitsspeicher (zum Beispiel im Atari 600XL oder CBM 8032) wurden 8 Speicherbausteine vom Typ 4116 gebraucht. Für 64 KiB wurden 8 Bausteine vom Typ 4164 (C64-I) oder 2 Bausteine vom Typ 41464 (C64-II) gebraucht. IBM-Personal-Computer wurden anfangs mit 64 KiB als minimale Speicherausstattung verkauft. Hier wurden allerdings 9 Bausteine vom Typ 4164 gebraucht; der neunte Baustein speicherte die Paritätsbits.

Bevor die SIMM-Speichermodule auf den Markt kamen, gab es zum Beispiel 80386er-Mainboards, die mit 8 MB Arbeitsspeicher bestückt werden konnten, der aus einzelnen Chips aufgebaut war. Dafür mussten 72 einzelne Chips vom Typ 411000 (1 MBit) in die Sockel gedrückt werden. Dies war eine langwierige und fehleranfällige Prozedur. Sollte dieses Mainboard mit nur 4 MB

Zwei SIMM-Speichermodule mit jeweils 9

Speicherbausteinen

169

Arbeitsspeicher bestückt werden, wobei zeitweise die erheblich preiswerteren Chips vom Typ 41256 (256 Kibit) anstelle des Typs 411000 verwendet wurden, dann mussten sogar 144 einzelne Chips auf das Mainboard gesteckt werden: 9 Chips ergeben 256 KiB, 16 solcher Gruppen mit jeweils 9 Chips ergaben 4 MiB.

Dieses Mainboard entsprach allerdings nicht mehr dem AT-Formfaktor. Es war mehr als doppelt so groß wie ein Baby-AT-Mainboard und passte nur in ausgewählte BigTower-Gehäuse, die sechs oder noch mehr 5¼"-Laufwerkseinschübe halber Bauhöhe besaßen und heute nicht mehr üblich sind.

Produktgenerationen von DRAMs

Anwendung

Arbeitsspeicher

Normalerweise wird das DRAM in Form von Speichermodulen als Arbeitsspeicher des Prozessors benutzt. DRAMs werden häufig nach der Art der Baustein-Schnittstelle eingeteilt. In den Hauptanwendungen haben sich in zeitlicher Reihenfolge die Schnittstellentypen 'Fast Page Mode DRAM' (FPM), 'Extended Data Output RAM' (EDO), 'Synchronous DRAM' (SDR), 'Double-Data-Rate-Synchronous DRAM' (DDR) entwickelt. Die Eigenschaften dieser DRAM-Typen sind durch das 'JEDEC'-Consortium genormt. Daneben existiert parallel zu SDR/DDR die 'Rambus-DRAM'-Schnittstelle, das hauptsächlich bei Speicher für Server eingesetzt wird.

Spezialanwendungen

Spezieller RAM wird als Bild- und Texturspeicher für Grafikkarten eingesetzt, zum Beispiel GDDR3 (Graphics Double Data Rate SDRAM).

Durch die Beschränkung auf ein Spezialgebiet kann die Wiederauffrischung der Speicherzellen optimiert werden, so kann man dies zum Beispiel bei einem Bildspeicher in die Zeit des Zeilenrücklaufs legen. Auch ist es u. U. tolerierbar, wenn ein einzelnes Pixel zeitweise die falsche Farbe zeigt, man ist so nicht darauf angewiesen, auf die schlechteste Speicherzelle des Chips Rücksicht zu nehmen. Daher lassen sich - trotz gleicher Herstellungstechnologien - bedeutend schnellere DRAMs fertigen.

Für spezielle Anwendungen wurden weitere Typen entwickelt: das Graphics-DRAM (auch

Art Jahr der Einführung

FPM DRAM / Fast Page Mode DRAM 1987

EDO RAM / Extended Data Output RAM 1995

SDRAM / Synchronous Dynamic Random Access Memory 1997

RDRAM / Rambus Dynamic Random Access Memory 1999

DDR-SDRAM / Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory 2000

DDR2-SDRAM 2004

DDR3-SDRAM 2007

170 MOS - Speicher

Synchronous Graphics RAM - SGRAM) ist zum Beispiel durch höhere Datenbreiten für den Einsatz auf Grafikkarten optimiert, wobei jedoch auf die prinzipielle Funktionsweise zum Beispiel eines DDR-DRAMs zurückgegriffen wird. Die Vorläufer des Graphics-RAM waren das Video RAM (VRAM) - ein auf Grafikanwendungen optimiertes Fast Page Mode RAM mit zwei Ports statt einem - und danach das Window RAM (WRAM), das EDO-Features und einen dedizierten Display-Port aufzuweisen hatte.

Für die Anwendung in Netzwerkkomponenten optimierte DRAM-Typen haben von verschiedenen Herstellern die Namen 'Network-RAM', 'Fast-Cycle-RAM' und 'Reduced Latency RAM' erhalten. In mobilen Applikationen, wie Mobiltelefonen oder PDAs, ist ein geringer Energieverbrauch wichtig - hierfür werden 'mobile DRAMs' entwickelt, bei denen durch besondere Schaltungstechnik und Herstellungstechnologie die Stromaufnahme abgesenkt wird. Eine Zwitterrolle nimmt das 'Pseudo-SRAM' (bei anderen Herstellern auch 'cellular RAM' oder '1T-SRAM' = '1-Tranistor-SRAM') ein: der Speicher selbst ist ein DRAM, das sich nach außen wie ein SRAM verhält. Das wird erreicht, indem eine logische Schaltung den SRAM-typischen Zugriffsmechanismus auf die DRAM-Steuerung umsetzt und die bei dynamischen Speichern grundsätzlich notwendige regelmäßige Auffrischung der Speicherinhalte ('refresh') durch im Baustein enthaltene Schaltungen vorgenommen wird.

In der Anfangszeit der DRAMs, als diese oft noch in ein Keramik-DIL-Gehäuse eingebaut wurden, gab es Bastellösungen, sie als Bildsensoren für Selbstbaukameras zu benutzen. Dazu wurde der Metalldeckel auf dem Keramikgehäuse vorsichtig entfernt, darunter lag dann direkt – ohne jede Vergussmasse – der Die. Davor wurde ein Objektiv angeordnet, welches das Bild präzise auf die Die-Oberfläche abbildete. Wenn der Chip zu Beginn der Belichtung komplett mit '1' gefüllt wurde, also alle Speicherkondensatoren geladen waren, wurden die Ladungen durch Lichteinfall je nach Intensität verschieden schnell entladen. Nach einer gewissen (Belichtungs-)Zeit wurden die Zellen ausgelesen und dann in 1-Bit-Auflösung das Bild interpretiert. Für Graustufen musste man das selbe Bild mehrfach mit verschiedenen Belichtungszeiten aufnehmen. Eine zusätzliche Verkomplizierung kam dadurch zustande, dass die Speicherzellen aus Gründen der Übersprechvermeidung nicht einfach nach ihren binären Adressen angeordnet sind, sondern diese Adressbits gezielt „verwürfelt“ werden. Daher mussten die Bilddaten nach dem Auslesen zunächst mit dem inversen Muster in die richtige Anordnung gebracht werden. Mit heutigen Chips geht das kaum noch, da sie normalerweise in Plastik-Vergussmasse eingebettet sind; außerdem sind Digitalkameras heute allgemein zugänglich und bezahlbar.

Bauarten Es gibt eine Vielzahl von DRAM-Bauarten, die sich historisch entwickelt haben:

FPM-RAM EDO-RAM SDRAM DDR-SDRAM RDRAM

Derzeit sind eine Reihe von nichtflüchtigen RAM-Technologien (NVRAM) in der Entwicklung, wie:

FeRAM MRAM PCRAM

171

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Die Speicherkapazität wird in Bit und Byte angegeben.

Als Arbeitsspeicher verwendetes RAM wird häufig in Form von Speichermodulen eingesetzt:

SIMM/PS/2-SIMM DIMM/SO-DIMM MicroDIMM

Siehe auch Halbleiterspeicher - Produktübersicht und Umsatzzahlen Single-Sided/Double-Sided Chipentwurf

Quellen Christof Windeck, Riegel-Reigen (http://www.heise.de/kiosk/archiv/ct/2006/7/238_Riegel-Reigen), c't 7/2006 SIEMENS Memory Components Data Book, Ordering No. B 166-H6557-G3-X-7600

Weblinks Deutsch

MRAM/PRAM-Memory Speicher (http://www.mram-memory.eu/) – News und Infos über die MRAM-Speicher-Technologie Kompakter Arbeitsspeicher dank Z-RAM (http://www.heise.de/newsticker/meldung/94327) – Artikel von heise online, vom 15. August 2007

Englisch

Memory 1997 (http://smithsonianchips.si.edu/ice/cd/MEMORY97/title.pdf) (PDF, ca. 167 kB) – Dokument von Integrated Circuit Engineering Corporation, ISBN 1-877750-59-X

Section 7. DRAM Technology (http://smithsonianchips.si.edu/ice/cd/MEMORY97/sec07.pdf) (PDF, ca. 770 kB) – 7. Kapitel von „Memory 1997“

The evolution of IBM CMOS DRAM Technology (http://www.research.ibm.com/journal/rd/391/adler.html) – Artikel von IBM, vom 25. Juli 1994 II. Dielectric Materials (http://artus.et7.tu-harburg.de/~et7www/phpsite/lehre/pdf_dateien/werkstoffemikroelektronik/2_Dielectric_Mater(PDF, ca. 3,9 MB) – Dokument über Dielektrika und Integrierte Schaltungen, von TUHH DDR3 SDRAM Standard (http://www.jedec.org/download/search/JESD79-3.pdf) (PDF, ca. 14,2 MB) – Spezifikation von JEDEC, vom Juni 2007

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Dynamic_Random_Access_Memory“ Kategorien: Speichermodul | Mikroelektronik | Speichermedium

172 MOS - Speicher

Synchronous Dynamic Random Access Memory aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

SDRAM ist die Abkürzung für „Synchronous Dynamic Random Access Memory“, eine Art des Arbeitsspeichers in Computern.

Die Kurzform SDRAM wird häufig verwendet und bezeichnet eine mit SDRAM bestückte DIMM-Leiterplatte. SDRAM (Synchroner DRAM) ist eine getaktete DRAM-Technologie. Der Takt wird durch den Systembus vorgegeben, ggf. auch durch einen separaten, am Systembus angeschlossenen Speicherbus. Die Taktung erfolgt über die Verwendung von Registern für Adresseingänge, Steuerinformationen sowie die Ein-/Ausgabedaten, indem Wertänderungen in den Registern nur mit den Taktflanken durchgeführt werden. Wenn Wertänderungen sowohl bei positiven wie auch bei negativen Taktflanken möglich sind, so spricht man auch von DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM). Durch die Verwendung eines Taktes zur Synchronisierung entfällt die bei asynchronen Verfahren notwendige Kommunikation (etwa über Handshake-Verfahren). Zudem können durch die Verwendung der Register Puffer- und Pipelining-Techniken genutzt werden, so dass sich insgesamt ein deutlicher Zeitgewinn ergibt. SDRAM ist etwa doppelt so schnell wie EDO-DRAM und wird dabei mit 3,3 Volt betrieben.

Verschiedene Typen Die als Arbeitsspeicher verbreiteten Typen sind:

PC-66 SDRAM: Von Intel definierter Standard, bei welchem das SDRAM idealerweise mit einer Geschwindigkeit von 66 MHz betrieben wird. Die aufgelöteten Speicherchips haben eine Zugriffszeit von 12 ns (selten) oder 10 ns.

PC-100 SDRAM: Von Intel definierter Standard, bei welchem das SDRAM idealerweise mit einer Geschwindigkeit von 100 MHz betrieben wird. Abwärtskompatibel zu PC-66-Hauptplatinen (Betrieb mit 66 MHz ist möglich). Die aufgelöteten Speicherchips haben eine Zugriffszeit von 8 ns.

Inhaltsverzeichnis 1 Verschiedene Typen 2 Registered SDRAM 3 Buffered / unbuffered SDRAM4 Siehe auch 5 Weblinks

SDRAM-Modul

SDRAM-Speichermodule auf einer Hauptplatine

173

PC-133 SDRAM: Mit der Takterhöhung des Front Side Bus auf 133 MHz forcierte VIA das mit derselben Geschwindigkeit operierende PC-133 SDRAM, um den Geschwindigkeits-Vorteil der Takterhöhung voll auszunutzen. Abwärtskompatibel zu PC-66/-100-Hauptplatinen (Betrieb mit 66 MHz oder 100 MHz möglich). Die aufgelöteten Speicherchips haben eine Zugriffszeit von 7,5 ns (Kennzeichnung auf den Chips selten -7.5, meist aber etwas irritierend -75) oder 7,0 ns.

PC-150/166 SDRAM: Besonders leistungsfähiger SDRAM, das sich je nach Herstellerangaben in den namensgebenden MHz-Bereichen betreiben lässt.

PC-66, PC-100 und PC-133 sind vom zuständigen JEDEC-Gremium als Standards spezifiziert worden. Demgegenüber sind die PC-150 und PC-166 Module lediglich übertaktete PC-133 Module, die vom Hersteller für den Betrieb mit 150 MHz bzw. 166 MHz freigegeben wurden.

PC-133 SDRAM aus jüngerer Produktion ist jedoch oft inkompatibel zu älteren Mainboards. So kommt es öfter vor, dass neuere PC-133-Module auf älteren Mainboards nicht funktionieren, obwohl die Module von ihrer Speicherkapazität, Organisation und Anzahl der aufgelöteten Chips innerhalb der Speicherspezifikationen des Mainboards liegen. Ein typisches Beispiel sind 256 MiB PC-133-Module, doppelseitig bestückt mit acht Chips pro Seite und double-sided organisiert, auf Super-Sockel 7-Mainboards. Während baugleiche ältere Module auf diesen Mainboards fehlerfrei arbeiten, funktionieren neuere Module gar nicht oder werden nur als 128 MiB-Module erkannt. Single-sided-256 MiB-Module sowie 512 MiB- und 1024 MiB-Module funktionieren auf Super-Sockel-7-Mainboards normalerweise gar nicht.

SDRAM-Module wurden in den Speicherkapazitäten 16 MiB, 32 MiB, 64 MiB, 128 MiB, 256 MiB, 512 MiB und 1024 MiB (selten) produziert. 16 MiB-Module kommen praktisch nur als single-sided-Module vor, 32 MiB- und 1024 MiB-Module praktisch nur als double-sided-Module. Alle anderen Größen gibt es sowohl als single-sided- als auch als double-sided-Module.

Zudem gibt es Module mit einer CAS Latency von zwei (CL2) und einer von drei (CL3), wobei Letztere geringfügig langsamer arbeiten. CL3-Module erlauben außerdem oft einen Betrieb mit CL2 bei niedrigerer Taktfrequenz. So können dafür geeignete PC-100-CL3-Module bis maximal 66 MHz Taktfrequenz mit CL2 betrieben werden, entsprechend PC-133-CL3-Module bis maximal 100 MHz Taktfrequenz mit CL2. PC-133-CL2-Module sind meist mit Speicherchips mit einer Zugriffszeit von 7,0 ns bestückt.

Eine technische Weiterentwicklung von SDRAM ist DDR-SDRAM.

Registered SDRAM Dies hat nichts mit der Registrierung der SDRAM DIMM Daten Spezifikation im SPD-EEPROM (Serial Presence Detect) auf dem Speichermodul zu tun, mit dessen Funktion "registered" häufig verwechselt wird. Mehr dazu siehe unter Registered-Modul.

Als "Registered SDRAM" werden SDRAM-Module bezeichnet, die mit einem Register für die Adress- und Steuerleitungen ausgestattet sind. Registered SDRAM DIMMs verringern somit die Last (Fan-Out), die DIMMs für das Motherboard bewirken, so dass größere und mehr DIMM-Module auf einem Mainboard verwendet werden können. Dies ist eine bei Servern weit verbreitete Technik, um die maximal mögliche Arbeitsspeichergröße zu erhöhen. Auf ein Registered SDRAM DIMM kann etwas langsamer zugegriffen werden, als auf entsprechende, ungepufferte Module (unbuffered).

174 MOS - Speicher


Buffered / unbuffered SDRAM SDRAM DIMMs höchster Leistung enthalten eine Vielzahl von Bausteinen (Chips) und besitzen aus diesem Grunde bei den heute üblichen hohen Taktraten höhere kapazitive und induktive Lasten auf den Adress- und Steuerleitungen im Vergleich zu SDRAM DIMMs mit kleinerer Speichergröße. Daher setzten einige Platinen-Designer doppelte Treiberpuffer auf das SDRAM DIMM Modul, um so die Signale auf den Leitungen zu verstärken und die Systemlast im Vergleich zu sonst gleichen Speichermodulen mit diesen zusätzlichen Ausgangspuffern zu verringern. Diese Puffer verursachen aber eine kleine Zeitverzögerung der elektrischen Impulse, so dass das Hinzufügen solcher Puffer zu einem normal dicht besetzten Modul ohne Puffer zu einer Verlangsamung der Signale im Vergleich zum gleichen Modul mit Ausgangspuffern führt. Dies ist eine ebenfalls hauptsächlich im Bereich der Server verbreitete Technik, um die maximal mögliche Arbeitsspeichergröße auf einer Systemplatine (Mainboard) zu erhöhen.

Siehe auch LP-SDRAM Halbleiterspeicher RAM

Weblinks JEDEC - das Standardisierungsgremium für SDRAM (http://www.jedec.org/) Ram-Speicher-FAQ: Fragen & Antworten zu RAMs (http://www.eastcomp.de/speicherfaq1.htm)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Synchronous_Dynamic_Random_Access_Memory“ Kategorie: Speichermodul

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DDR-SDRAM aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

DDR-SDRAM („Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory“) ist ein Typ eines Random Access Memory (RAM). Verwendet werden sie hauptsächlich für Speichermodule des DIMM-Standards als Arbeitsspeicher in PCs.

Geschichte Als die von Intel unterstützte Direct-Rambus-DRAM-Technik (RDRAM-Technik) Mitte 1999 durch einen Fehler im i820-Chipsatz Probleme bekam und durch den P3-FSB ihre Leistungsfähigkeit trotz hoher Preise nicht ausspielen konnte, setzte die Computerindustrie wieder auf die Weiterentwicklung von SDRAM in Form der DDR-Speichertechnik.

Erste Speicherchips sowie Mainboards mit Unterstützung für DDR-SDRAM kamen Ende 1999 auf den Markt. Erst Ende 2001 bis Anfang 2002 konnten sie sich jedoch auf dem europäischen Endverbrauchermarkt durchsetzen.

Arbeitsweise

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Arbeitsweise

2.1 DDR-SDRAM 2.1.1 Spezifikationen

2.2 DDR2-SDRAM 2.3 DDR3-SDRAM 2.4 Allgemeine Formel zur Berechnung der Datenrate von SDRAM

3 „Mythos“ der Langsamkeit von DDR2-SDRAM 4 Latenzzeiten im Vergleich

4.1 Abweichungen von der Spezifikation 5 SDRAM – ein Ergebnis der JEDEC-Spezifikationen 6 Siehe auch 7 Literatur 8 Weblinks

2 DDR-SDRAM-Module – oben 512MiB mit sogenanntem „Heatspreader“ und beidseitig bestückt, unten 256MiB einseitig

bestückt

176 MOS - Speicher

DDR-SDRAM

Während „normale“ SDRAM-Module bei einem Takt von 133 MHz eine Datenübertragungsrate von 1,06 GB/s bieten, arbeiten Module mit DDR-SDRAM nahezu mit der doppelten Datenrate. Möglich wird das durch einen relativ simplen Trick: Sowohl bei der auf- als auch bei der absteigenden Flanke des Taktsignals wird ein Datenbit übertragen, anstatt wie bisher nur bei der aufsteigenden.

Damit das Double-Data-Rate-Verfahren zu einer Beschleunigung führt, muss die Anzahl zusammenhängend angeforderter Daten (= „Burst-Length“) immer gleich oder größer als die doppelte Busbreite sein. Da das nicht immer der Fall sein kann, ist DDR-SDRAM im Vergleich zu einfachem SDRAM bei gleichem Takt nicht exakt doppelt so schnell. Ein weiterer Grund ist, dass Adress- und Steuersignale im Gegensatz zu den Datensignalen nur mit einer Taktflanke gegeben werden.

DDR-SDRAM-Speichermodule (DIMM) besitzen 184 Kontakte/Pins (DDR2-SDRAM DIMM/DDR3-SDRAM DIMM: 240, SDRAM DIMM: 168 Kontakte).

Spezifikationen

²) Geschwindigkeit der Anbindung an den Speichercontroller von CPU oder Mainboard ³) Effektiver Takt im Vergleich zu SDR-SDRAM (theoretisch) PC-XXXX: Das XXXX berechnet sich durch (2× Speichertakt ×Bitbreite)/8 (Bitbreite = 64 bit) und entspricht der Datenrate in MB/s.

DDR-200 bis DDR-400 sowie die damit aufgebauten PC-1600- bis PC-3200-Speichermodule sind von der JEDEC als JESD79 standardisiert. Alle davon abweichenden Module orientieren sich zwar von den Bezeichnungen her an den Standards, aber jeder Hersteller setzt bei den elektrischen Eigenschaften – der oft als „Übertakter-Speicher“ angebotenen Module – seine eigenen Spezifikationen und arbeitet oft mit exzessiver Überspannung.

Einen zusätzlichen Sicherheitsgewinn bringen die oft bei Servern eingesetzten Speichermodule mit ECC (Error Checking and Correction) oder auch Registered-Module mit Signalpuffer. Solche Speichermodule sind in allen standardisierten Taktfrequenzen erhältlich und an der zusätzlichen Bezeichnung R, ECC oder R ECC erkennbar, z.B. PC-1600R, PC-2100 ECC oder PC-2700R ECC.

DDR2-SDRAM

Chip Modul Speichertakt I/O-Takt ²

Effektiver Takt ³

Übertragungsrate pro Modul

Übertragungsrate Dual-Channel

DDR-200

PC-1600 100 MHz 100 MHz 200 MHz 1,6 GB/s 3,2 GB/s

DDR-266


DDR-333


DDR-400


PC-3200-Modul mit DDR-400 Speicherchips

…und die Rückseite

177

DDR2-SDRAM ist eine Weiterentwicklung des Konzeptes von DDR-SDRAM, bei dem statt mit einem Zweifach-Prefetch mit einem Vierfach-Prefetch gearbeitet wird.

DDR2-SDRAM Speichermodule (DIMM) besitzen 240 Kontakte/Pins (DDR3-SDRAM DIMM: ebenfalls 240, DDR-SDRAM DIMM: 184, SDRAM DIMM: 168 Kontakte). DDR2 Module sind nicht kompatibel mit DDR Modulen und benötigen unterschiedliche Slots.

Die Abmessungen der fertig verpackten Speicherchips sind kleiner (126 mm² statt bisher 261 mm²). Erreicht wird dies durch eine andere Verpackungstechnik: FBGA (Fine-Pitch Ball Grid Array) statt TSOP (Thin Small Outline Package).

Bei DDR2-SDRAM taktet der I/O-Puffer mit der zweifachen Frequenz der Speicherchips. Hier erhält man wie bei dem älteren DDR-Standard jeweils bei steigender als auch bei fallender Flanke des Taktsignals gültige Daten. Beim DDR-SDRAM werden mit einem Read-Kommando (mindestens) zwei aufeinanderfolgende Adressen gelesen, bei DDR2-SDRAM vier. Dies ist bedingt durch die Prefetch-Methode des jeweiligen Standards. Aus einem 128 Bit breiten DDR-Modul werden also pro Read 256 Bit gelesen, aus einem vergleichbaren DDR2-Modul 512. Die absolute Datenmenge bleibt bei gleichem I/O-Takt von zum Beispiel 200 MHz aber identisch, da das DDR2-Modul zwei anstelle von einem Takt benötigt, um die Daten zu übertragen. DDR2 unterstützt nur 2 mögliche Burst-Längen (Anzahl an Datenwörtern, die mit einem einzelnen Kommando gelesen oder geschrieben werden können), nämlich vier (bedingt durch Vierfach-Prefetch) oder acht, DDR hingegen unterstützt zwei, vier oder acht.

Zur Erhöhung der Taktraten und zur Senkung der elektrischen Leistungsaufnahme wurde die Signal-und Versorgungsspannung von DDR2-SDRAM auf 1,8 Volt verringert (bei DDR-SDRAM sind es 2,5 V). Nebenbei führt die verringerte Spannung zu einer geringeren Wärmeentwicklung.

DDR2-SDRAM Chips arbeiten mit „On-Die Termination“ (ODT). Der Speicherbus muss also nicht mehr auf der Modulplatine (oder dem Board) terminiert werden. Die Terminierungsfunktion wurde direkt in die Chips integriert, was Platz und Kosten spart. ODT arbeitet wie folgt: Der Speicher-Controller sendet ein Signal auf den Bus aus, das alle inaktiven DDR2-SDRAM-Chips dazu veranlasst, auf Terminierung umzuschalten. Somit befindet sich nur das aktive Signal auf der Datenleitung, Interferenzen sind so gut wie ausgeschlossen.

Um DDR2-SDRAMs nicht versehentlich in einen DDR-SDRAM Steckplatz zu stecken, was bei Inbetriebnahme den DDR2-SDRAM-Riegel wegen der höheren Spannung zerstören würde, wurde die Einkerbung mehr zur Mitte des Moduls verschoben.

Spezifikationen

Chip Modul Speichertakt I/O-Takt ²

Effektiver Takt ³

Übertragungsrate pro Modul

ÜbertragungsrateDual-Channel

DDR2-400

PC2-3200 100 MHz 200 MHz 400 MHz 3,2 GB/s 6,4 GB/s

DDR2-533


PC2-4200 Speichermodul mit 512 MiB Kapazität. Die Chips

sind hier in einem BGA-Gehäuse untergebracht. Die Bezeichnung der Chips ist 32M8CEC. Dies bedeutet 32MiBit x 8 = 256

Mibit oder 32MiByte Speicherkapazität pro Chip.

178 MOS - Speicher

²) Geschwindigkeit der Anbindung an den Speichercontroller von CPU oder Mainboard ³) Effektiver Takt im Vergleich zu SDR-SDRAM (theoretisch) PC2-XXXX: Das XXXX berechnet sich durch (4 × Speichertakt × Bitbreite)/8 (Bitbreite = 64 bit) und entspricht der Datenrate in MB/s.

DDR2-400 bis DDR2-800 sowie die damit aufgebauten PC2-3200- bis PC2-6400-Speichermodule sind von der JEDEC standardisiert. Alle davon abweichenden Module orientieren sich zwar von den Bezeichnungen her an den Standards, aber jeder Hersteller setzt bei den elektrischen Eigenschaften –der oft als „Übertakter-Speicher“ angebotenen Module – seine eigenen Spezifikationen und arbeitet oft mit exzessiver Überspannung. Wie bei DDR1-SDRAM gibt es auch bei DDR2-SDRAM Registered-Module mit oder ohne ECC.

DDR3-SDRAM DDR3-SDRAM ist eine Weiterentwicklung des Konzeptes von DDR2-SDRAM, bei dem statt mit einem Vierfach-Prefetch (4 bit) mit einem Achtfach-Prefetch (8 bit) gearbeitet wird.

Die neuen Chips mit einer Kapazität von 512 MiBit sollen Daten mit 8.500 MiBps verarbeiten und sind damit deutlich schneller als DDR-400- oder auch DDR2-667-SDRAM. Allerdings ist die CAS-Latenz höher. Darüber hinaus benötigt DDR3-SDRAM auch nur noch 1,5 Volt statt 1,8 Volt und ist damit gerade für den mobilen Einsatz besser geeignet, bei dem es auf lange Akkulaufzeiten ankommt. DDR3-SDRAM wird seit dem 5. Juli 2006 bei Samsung in 80-nm-Prozesstechnologie hergestellt. Man erwartet, dass die neue Speichergeneration bis 2009 einen Marktanteil von 65 % am gesamten DRAM-Markt erreichen wird.

DDR3-SDRAM-Speichermodule (DIMM) besitzen 240 Kontakte/Pins (DDR2-SDRAM-DIMM: ebenfalls 240, DDR-SDRAM-DIMM: 184, SDRAM-DIMM: 168 Kontakte), SODIMM-Module für Notebooks haben 204 Kontakte gegenüber 200 Kontakten als DDR2-Variante.

Im Bereich des Video-RAMs wird schon seit längerem GDDR3 eingesetzt. Dieser basiert aber auf DDR2-Speicherchips, lediglich die Spannung wurde abgesenkt (Spannung VDD, VDDQ = 1,5 V, 1,5 V anstatt 2,5 V, 1,8 V). Die Bezeichnung GDDR3 besitzt keine offiziellen Spezifikationen, sondern wurde aus Marketing-Gründen gewählt (um sich von den weniger erfolgreichen GDDR2 abzugrenzen).

DDR2-667


DDR2-800


DDR2-1066


Spezifikationen

Chip Modul Speichertakt I/O- Effektiver Datenrate pro Datenrate

179

DDR3-800 bis DDR3-1600 sowie die damit aufgebauten PC3-6400- bis PC3-12800-Speichermodule sind von der JEDEC standardisiert. Alle davon abweichenden Module orientieren sich zwar von den Bezeichnungen her an den Standards, aber jeder Hersteller setzt bei den elektrischen Eigenschaften –der oft als „Übertakter-Speicher“ angebotenen Module – seine eigenen Spezifikationen und arbeitet oft mit exzessiver Überspannung. Wie bei DDR1-SDRAM gibt es auch bei DDR3-SDRAM Registered-Module mit oder ohne ECC.

Allgemeine Formel zur Berechnung der Datenrate von SDRAM

Um den theoretisch maximal möglichen Speicherdurchsatz zu berechnen, wird folgende Formel verwendet:

Datenrate (in MBit/s) = I/O-Takt (in MHz) × Breite der Zugriffs-Ports × Anzahl der Zugriffs-Ports

Beispielrechnungen anhand von

DDR-400: 200 MHz × 16 Bit · 1 = 3200 MBit/s (~3,2 GB/s) DDR2-800 im Dual-Channel-Modus: 400 MHz × 16 Bit · 2 = 12.800 MBit/s (~ 12,8 GB/s) DDR3-1600 im Triple-Channel-Modus: 800 MHz × 16 Bit · 3 = 38.400 MBit/s (~ 38,4 GB/s)

Diese Berechnung empfiehlt sich generell vor jedem Speicherkauf - egal ob es sich um einen Neukauf oder eine bloße Speicheraufstockung handelt. Das Ergebnis sollte ungefähr mit der maximal theoretisch erreichbaren Datenrate der CPU übereinstimmen (evtl. mit leichtem Überhang auf Speicherseite). Ansonsten lohnt sich eine Anschaffung (wie z. B. aktuell beim DDR3) nur in den seltensten Fällen, da der Prozessor gar nicht so viel verarbeiten kann wie der RAM bietet.

„Mythos“ der Langsamkeit von DDR2-SDRAM Im Zusammenhang mit DDR2-SDRAM wurde oft von einem Nachteil im Bereich Zugriffszeit gegenüber DDR-SDRAM-Modulen gesprochen. Das ist aber nur zum Teil richtig. Praktisch ist die

Takt ² Takt ³ Modul Dual-Channel

DDR3-800


DDR3-1066


DDR3-1333


DDR3-1600


²) Geschwindigkeit der Anbindung an den Speichercontroller von CPU oder Mainboard

³) Effektiver Takt im Vergleich zu SDR-SDRAM (theoretisch)

PC3-XXXX: Das XXXX berechnet sich durch (Speichertakt × Bitbreite) (Bitbreite = 64 bit) und entspricht der Datenrate in MB/s.

180 MOS - Speicher

Latenz vom realen Takt und der Zugriffzeit vom RAM abhängig. Da ein mit 667 MHz spezifiziertes DDR2-Modul mit einem realen Takt von 166 MHz arbeitet, kann es mit einem DDR400-Modul nicht in jedem Bereich konkurrieren. Die theoretische maximale Datenrate des DDR2-Moduls ist zwar höher, dennoch fehlen 33 MHz Takt, was die Latenz beim Zugriff auf den RAM erhöht, womit der Vorteil der höheren Datenrate zu einem großen Teil verfällt. Da ein DDR2-Modul vier Datenpakete pro Takt verschickt, aber nicht unbedingt alle später auch verwendet werden (es werden zu dem angeforderten Paket einfach die nachfolgenden drei mit ausgelesen) ist die erhöhte Datenratezudem nicht voll nutzbar. Bei Erscheinen des DDR2-Speichers kam zudem die Problematik hinzu, dass die frühen Module allgemein sehr langsame Zugriffszeiten hatten, was den „Mythos“ noch verstärkte.

Deswegen ist es sinnvoll, von DDR400 auf DDR2-800 oder höher zu wechseln. Ein DDR2-800 DDR-SDRAM kann von der Latenz her gleichziehen und zudem auch noch die theoretisch doppelte Datenrate liefern. Besonders hervorzuheben ist, dass die realen Taktraten der SDRAM-Speicher seit geraumer Zeit nicht weiter steigen.

Latenzzeiten im Vergleich Die Leistung von Speichermodulen misst sich vor allem in der „absoluten Latenz“. Die absolute Latenz ergibt sich aus den Faktoren (effektiver) Takt und Timing.

Beispiele

Da der Speicherbus in allen drei folgenden Fällen mit jeweils exakt 200 MHz arbeitet, jedoch die Timings auf den effektiven Takt (400 MHz, 800 MHz und 1600 MHz) bezogen sind, bleiben die Latenzzeiten (im Bereich einiger Nanosekunden = 10 − 9 Sekunden) identisch, obwohl sich die Timings unterscheiden. Es verdoppelt sich jeweils auch die theoretische Datenrate aufgrund der Tatsache, dass der I/O-Bus jeweils mit 200, 400 bzw. 800 MHz arbeitet:

Berechnung

Die Latenz lässt sich – wie aus den eben genannten Beispielen ersichtlich – wie folgt berechnen:

Beispielwerte für Latenzzeiten unterschiedlicher Speichergenerationen

Speichertyp Timingwerte CAS TRCD TRP tRAS

DDR400 CL2-2-2-6 10 ns 10 ns 10 ns 30 ns

DDR2-800 CL4-4-4-12 10 ns 10 ns 10 ns 30 ns

DDR3-1600 CL8-8-8-24 10 ns 10 ns 10 ns 30 ns

Vergleichwerte für Latenzzeiten unterschiedlicher Speichergenerationen

Speichertyp Timingwerte CAS TRCD TRP tRAS

DDR500 CL3-3-2-8 12 ns 12 ns 8 ns 32 ns

DDR2-667 CL4-4-4-12 12 ns 12 ns 12 ns 36 ns

DDR2-667 CL5-5-5-15 15 ns 15 ns 15 ns 45 ns

DDR2-800 CL5-5-5-15 12,5 ns 12,5 ns 12,5 ns 37,5 ns

DDR2-1066 CL4-4-4-12 7,5 ns 7,5 ns 7,5 ns 22,5 ns

DDR2-1066 CL5-5-5-15 9,38 ns 9,38 ns 9,38 ns 28,13 ns

181

wobei die erste 2 im Zähler daher kommt, dass 2 mal pro Takt ausgelesen wird (daher der Name DDR = Double Data Rate). Also gilt für DDR400 mit einem Timing von 2 die Gleichung:

Latenz. Für DDR2-800 mit einem Timing von 4 die Gleichung: Latenz. Und für DDR3-1600 mit einem Timing von 8 die Gleichung: Latenz.

Abweichungen von der Spezifikation

Einige Speicherhersteller halten die offiziellen Spezifikationen der JEDEC nicht ein und bieten Module mit weitaus höheren Taktraten oder besseren Timings an. Während DDR3-1600 CL9-9-9 einer offiziellen Spezifikation unterliegt, handelt es sich bei DDR2-1066 CL4-4-4-12 nicht um standardkonforme Speichermodule. Diese schnellen Speicher werden oft als Speichermodule für Übertakter bezeichnet. Aufgrund der Neuheit von DDR3 ist zu erwarten, dass in Folge der stetigen Verbesserung der Fertigungsverfahren in naher Zukunft deutlich schnellere Speichermodule angeboten werden. Diese werden anfangs jedoch außerhalb der offiziellen Spezifikation arbeiten. Die JEDEC könnte diese Speichermodule in die offizielle Spezifikation aufnehmen, allerdings geschieht dies oft erst Jahre nach der ersten Verfügbarkeit.

SDRAM – ein Ergebnis der JEDEC-Spezifikationen Der SDRAM-Standard wird in der JEDEC, einem offenen Industrieforum, weiterentwickelt. Da sich alle einstimmig für eine Weiterentwicklung in eine Richtung entscheiden müssen, laufen Entwicklungen nur äußerst langsam. Die Umsetzung von Entwicklungen in die Praxis dauert noch länger, da kein Hersteller wegen der Charakteristik von DRAM als standardisiertem Massenprodukt einen wirtschaftlichen Vorteil daraus ziehen kann, einen neuen DRAM-Speichertyp allein zu produzieren. Ohne Unterstützung in den Speichercontrollern der DRAM-Kunden wird sich ein neuer DRAM-Typ nur schwerlich verkaufen. Und neue Controllertypen werden nur gebaut, wenn auch die entsprechenden Speicherchips am Markt etabliert und günstig verfügbar sind.

Siehe auch Fully Buffered DIMM Dual Channel

Literatur Christof Windeck: Merkzellen. c't 6/2006 S. 278ff; Riegel-Reigen c't 7/2006 S. 238ff; High-Speed versus Standard. c't 8/2006 S. 210ff – Artikelserie über Aufbau und Funktionsweise von DDR2-Speichermodulen

DDR3-1333 CL8-8-8 12 ns 12 ns 12 ns

DDR3-1600 CL7-7-7 8,75 ns 8,75 ns 8,75 ns

DDR3-1600 CL9-9-9 11,25 ns 11,25 ns 11,25 ns

182 MOS - Speicher

Festplatte aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Eine Festplatte (englisch hard disk drive = HDD) im engeren historischen Sinne ist ein ferromagnetisches Speichermedium der Computertechnik, welches binäre Daten auf die Oberfläche einer rotierenden Scheibe schreibt. Dazu wird die hartmagnetische Beschichtung der rotierenden Plattenoberfläche entsprechend der aufzuzeichnenden Information magnetisiert. Durch die Remanenz erfolgt die Speicherung der Information. Das Auslesen der Information erfolgt durch Abtastung der Magnetisierung der Plattenoberfläche mittels des Lesekopfes. Im weiteren Sinne werden mit vergleichbaren Speicherkapazitäten auch Flash-Speicher und Hybridspeicher funktionsgleich als „Festplatten“ angeboten.

Im Gegensatz zu Disketten bestehen die Scheiben von Festplatten aus starrem Material.

Auf einer Festplatte können beliebige Daten gespeichert werden: Sowohl Dateien des Betriebssystems des Computers oder auch andere, etwa durch Anwendungsprogramme erzeugte persönliche Daten, welche dauerhaft gespeichert werden.

In Abgrenzung zu sequentiell adressierbaren Speichermedien wie Magnetband oder Lochstreifen werden Festplatten den direktadressierbaren Speichermedien (engl. direct access storage devices, DASD) zugerechnet, da auf die Daten direkt zugegriffen werden kann (Vergleich: Tonband ↔ Schallplatte).

Speichermedium

Allgemeines

Name Hard Disk Drive

Abkürzung HDD

Typ magnetisch

Ursprung

Erfindungsjahr 1956

Erfinder IBM

Daten

Größe3,5″, 2,5″ oder 1,8″. Historisch weitere

Gewichtetwa 0,6 kg (3,5″)

Drehzahlbis zu 15.000 min−1

Speicherkapazitätbis zu 1.000 GB (Stand: Januar 2008)

Puffergrößebis zu 32 MiB (Stand: Januar 2008)

Schnellste Übertragungsrate

etwa 120 MB/s (Server-Festplatten mit Perpendicular Recording)

Minimale

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeine technische Daten

1.1 Speicherkapazität 1.2 Baugrößen

1.2.1 Überblick über die Speicherkapazitäten der verschiedenen Baugrößen

2 Aufbau und Funktion 2.1 Physikalischer Aufbau der Einheit

2.1.1 Technischer Aufbau und Material der Scheiben 2.1.2 Achsen-Lagerung und Drehzahlen (U/min) 2.1.3 Die Schreib-Lesekopfeinheit 2.1.4 Festplatten-Gehäuse

183

Allgemeine technische Daten

Speicherkapazität

Die Speicherkapazität einer Festplatte ist die Gesamtzahl an Bits (0 oder 1), die durch die ansteuernde Software, also meist das Betriebssystem oder vielmehr dessen Gerätetreiber, adressiert werden können. Die Kapazität wird normalerweise in Byte gemessen, 8 Bit bilden 1 Byte. Bei der Aufzeichnung erfolgt durch den gewöhnlich im Festplattengehäuse eingebauten Controller eine weitere Kodierung der Daten, weshalb kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den gespeicherten Daten und der daraus folgenden Magnetisierung der Plattenoberfläche besteht.

Der Übersichtlichkeit halber wird die Anzahl Bits in Kilo-, Mega-, Giga- und Terabit bzw. -byte angegeben. Vor allem Festplattenhersteller definieren bei der Angabe der Kapazität ein Gigabyte mathematisch nach Potenzen zur Basis 10, also als 109 Byte = 10003 Byte = 1.000.000.000 Byte. Dem gegenüber steht die Umrechnung von Computerprogrammen, die auf dem traditionellen System, den Potenzen zur Basis 2, basierte: ein Gigabyte wird hier meist als 230 Byte =10243 Byte = 1.073.741.824 Byte behandeln. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Größenangaben für die Speicherkapazität lassen sich anhand von Binärpräfixen unterscheiden.

Die derzeit (Stand: Mitte 2007) größten Festplatten mit einer Kapazität von 1 Terabyte (1000 GB)

Betriebstemperatur (typ.) 5 °C

Maximale Betriebstemperatur (typ.)

60 °C

Minimale Luftfeuchtigkeit etwa 5 %

Maximale Luftfeuchtigkeit etwa 95 %

Lebensdauer

mehrere Jahre (hängt von vielen Faktoren ab, durchschnittlich 5–8 Jahre)

2.2 Speichern (Schreiben) und Lesen der Daten

2.2.1 Logischer Aufbau der Scheiben 2.2.2 Partitionen als Laufwerke

2.3 Lärmvermeidung 3 Schnittstellen, Bussystem und Jumperung

3.1 ATA (IDE) 3.2 SCSI 3.3 SATA 3.4 FireWire und USB als Schnittstellen für externe Laufwerke 3.5 Serial Attached SCSI 3.6 Fibre-Channel-Interface 3.7 Queuing im SCSI-, SATA oder SAS-Datentransfer 3.8 Vorläufer der seriellen High-Speed-Schnittstellen

4 Datensicherheit 4.1 Ausfallrisiken und Lebensdauer 4.2 Vorbeugende Maßnahmen 4.3 Datenschutz 4.4 Langzeitarchivierung

5 Geschichte 5.1 Chronologische Übersicht

6 Siehe auch 7 Quellen 8 Weblinks

Zeitliche Entwicklung der Speicherkapazität,

logarithmische Skalierung

184 MOS - Speicher

sind 3,5-Zoll-Modelle der Hersteller Hitachi, Samsung Electronics, Western Digital und Seagate. Die zeitliche Entwicklung der maximalen Festplattenkapazität zeigt einen annähernd exponentiellen Verlauf, vergleichbar mit der Entwicklung der Rechenleistung nach dem Mooreschen Gesetz. Die Kapazität hat sich in etwa alle 5 Jahre verzehnfacht.

Baugrößen

Die physikalische Größe von Festplatten wird traditionell in Zoll angegeben und ist keine exakte Größenangabe, sondern ein Formfaktor. So sind beispielsweise 3,5″-Festplatten exakt 100 mm breit, was knapp 4 Zoll entspricht. Die Größe der Scheiben in diesem 100 mm breiten Gehäuse liegt aber um die 3,5 Zoll, wobei Serverplatten häufig etwas kleiner sind, weil dadurch höhere Rotationsgeschwindigkeiten möglich sind.

Mit der Zeit sind Festplatten immer kleiner geworden, so hatten die ersten Modelle einen Formfaktor von 24″, heute wird nichts größeres als 3,5″ mehr angeboten. Kleinere Festplatten werden zunehmend durch verschleißfreie und stromsparende Solid State Drives ersetzt.

24″-Baugröße hatte die erste Festplatte, IBM 350 von 1956. 8″-Baugrößen kamen Mitte der 1970er Jahre auf. Sie wurden jedoch recht schnell abgelöst von den wesentlich „handlicheren“ und vor allem leichteren 5,25″-Festplatten. 5,25″-Baugrößen wurden 1980 von Seagate eingeführt, jedoch ist diese Gattung seit 1997 ausgestorben. Einige SCSI-Server-Platten sowie die LowCost-ATA-Platte BigFoot von Quantum waren die letzten Vertreter dieser Spezies. Man unterscheidet Geräte mit voller Bauhöhe (3,5″ bzw. ca. 88 mm), die zwei Steckplätze belegen, und halber Bauhöhe (1,75″ bzw. ca. 44 mm). Andere Höhen gibt es auch, die bereits erwähnte BigFoot beispielsweise hat in der 4-GB-Version eine Bauhöhe von nur 0,75″ (etwa 19 mm). Die Breite beträgt 146 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 200 mm liegen. 3,5″-Baugrößen wurden ca. 1990 eingeführt und sind derzeit (2007) Standard in Desktop-Computern und Servern. Die meisten Platten haben halbe Bauhöhe (1″ bzw. ca. 25 mm). Im Serverbereich gibt es auch Platten bis 1,8″ Höhe (1,8″ bzw. ca. 44 mm). Die Breite beträgt 100 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 150 mm liegen. 2,5″-Baugrößen finden Verwendung in Notebooks oder Spezialrechnern. Die traditionelle Bauhöhe war 0,5″ (12,7 mm), mittlerweile gibt es mit 0,375″ (9,5 mm) und 0,25″ (6,35 mm) flachere Festplatten – und auch Notebooks, die diese flachen Varianten benötigen. Die Breite beträgt 68 mm, die Tiefe 100 mm. Der Anschluss ist gegenüber den größeren Bauformen modifiziert, bei ATA wird z. B. ein 44-poliger Anschluss verwendet, der gleichzeitig die Betriebsspannung von +5 Volt zuführt (Pin 1 ist meist auf der Seite der Jumper). Im Gegensatz zu den größeren Platten kommen diese Platten auch ohne 12-Volt-Betriebsspannung (zusätzlich zu der 5-Volt-Spannung) aus. Seit 2006 bietet Seagate und im

handelsübliche 3,5″-Festplatte (250 GB)

Formfaktor 2,5″ (links) und 5,25″ (volle Bauhöhe, rechts)

1 GB IBM MicroDrive (1″)

185

Weiteren auch andere Hersteller zudem auch 2,5″-Festplatten für den Einsatz in Servern an, die weniger Strom verbrauchen, Platz sparen und die Ausfallsicherheit erhöhen sollen. Weitere Hersteller sind Toshiba, IBM, Hitachi und Fujitsu. Seit April 2008 wird von Western Digital mit der Velociraptor auch eine 2,5"-Festplatte (allerdings mit 15mm Bauhöhe) mit 3,5"-Einbaurahmen als Desktop-Festplatte vermarktet. 1,8″-Baugrößen werden seit 2003 bei Sub-Notebooks sowie diversen Industrieanwendungen verwendet. Ebenso in großen MP3-Playern. Hitachi kündigte Ende 2007 an, keine 1,8″-Festplatten mehr herzustellen, da Flash-Speicher diese Baugröße verdränge. 1″-Baugrößen sind seit 1999 unter dem Name MicroDrives im Einsatz. Die meisten MicroDrives wurden bis Mitte 2004 als „verkleidete“ CompactFlash-Typ-II-Speichereinheiten für Digitalkameras eingesetzt. Im Laufe des Jahres 2007 wurden MicroDrives nahezu vollständig durch günstigeren Flash-Speicher verdrängt, der darüber hinaus auch wesentlich robuster, schneller, leichter, leiser, energiesparender ist und eine Datendichte bis zu 104 GB/cm3 (microSD) erreicht. 0,85″-Baugrößen waren ab Januar 2005 nur in begrenzten Mengen über die Firma Toshiba verfügbar, welche diese Baugröße im März 2004 mit einer Kapazität von 4 GB (3,73 GiB) zum ersten Mal vorgestellt hat. Sie wurde durch Flash-Speicher wie zum Beispiel der SD Memory Card verdrängt, die bereits ab Januar 2007 mit 8 GB erhältlich waren.

Überblick über die Speicherkapazitäten der verschiedenen Baugrößen

Jahr 5,25″ 3,5″ 2,5″ 1,8″ 1,0″ 0,85″ typ. Modell(e) mit hoher Kapazität Quelle

1981 10 MB - - - - - Seagate ST-412 (Aus dem IBM PC

XT)

1988 360 MB 20 MB - - - - Maxtor XT-4380E (5,25″) bzw. Fuji

FK309-26

1990 676 MB

106 MB - - - - Maxtor XT-8760E (5,25″) bzw.

Conner CP3104

1992 2 GB 426 MB

120 MB - - -

Digital (DEC) DSP-5200S ('RZ73', 5,25″), Seagate ST1480A (3,5″) bzw. Conner CP2124 (2,5″)

1995 9,1 GB

1,6 GB

422 MB - - -

Seagate ST410800N (5,25″ FH), Conner CFS1621A (3,5″) bzw. Conner CFL420A (2,5″)

1997 12 GB

16,8 GB

4,8 GB - - -

Quantum Bigfoot (12 GB, 5,25″), Nov. 1997, IBM Deskstar 16GP (3,5″) bzw. Fujitsu MHH2048AT (2,5″)

2001 # 80 GB 40 GB - 340

MB - Seagate mit 80 GB

2005 # 500 GB

120 GB

60 GB

8 GB

6 GB

Hitachi Deskstar 7K500 (500 GB, 3,5″), Juli 2005

[1]

[2]

[3]

[4]

186 MOS - Speicher

Anmerkungen:

Die beispielhaften Angaben beziehen sich immer auf die im jeweiligen Jahr größte käuflich erhältliche Festplatte, unabhängig von ihrer Drehzahl oder Schnittstelle. Die Festplattenhersteller bedienen sich der SI-Präfixe, d. h. ein Gigabyte ist definiert als 10003

Byte = 109 Byte = 1.000.000.000 Byte, ein Megabyte als 10002 Byte = 106 Byte. Dies hat für die Hersteller unter anderem den Vorteil, dass die Zahlenangaben größer erscheinen. * unter Verwendung von Perpendicular Recording # Baugröße veraltet; nicht mehr in Gebrauch

Aufbau und Funktion

Physikalischer Aufbau der Einheit

Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauelementen:

einer oder mehreren drehbar gelagerten Scheiben (auch Platter genannt (eng.: Platters)) einem Elektromotor als Antrieb für die Scheibe(n) bewegliche Schreib-/Leseköpfe (Heads) jeweils ein Lager für Platter (meistens hydrodynamische Gleitlager) sowie für die Schreib-/Leseköpfe (auch Magnetlager) einem Antrieb für die Schreib-/Leseköpfe der Steuerelektronik für Motor- und Kopfsteuerung Hochleistungs-DSP für die Schreib/Leseköpfe. der Schnittstelle zur Verbindung mit dem Festplattencontroller (auf der Hauptplatine) einem Festplattencache von derzeit 2 bis 32 MiB Größe

Technischer Aufbau und Material der Scheiben

Die Scheiben bestehen meistens aus oberflächenbehandelten Aluminium-Legierungen, vereinzelt auch aus Glas. Sie müssen formstabil sein und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um die Größe der Wirbelströme gering zu halten. Da die magnetisierbare Schicht besonders dünn sein soll, darf das Material der Scheiben selbst jedoch keine magnetischen Eigenschaften besitzen und dient nur als Träger der Magnetschicht. Auf die Scheiben wird eine Eisenoxid- oder Kobaltschicht von ungefähr einem Mikrometer Stärke aufgetragen. Diese wird

2006 # 750 GB *

200 GB

80 GB

8 GB #

Western Digital WD5000KS, Seagate Barracuda 7200.10 750 GB, u. a.

2007 # 1.000 GB *

320 GB *

160 GB

8 GB #

Hitachi Deskstar 7K1000 (1.000 GB, 3,5″), Januar 2007

2008 # 1.000 GB *

500 GB *

160 GB # #

Hitachi Travelstar 5K500 (500 GB, 2,5″, allerdings 12,5 mm hoch und nicht 9,5 mm)

[5]

[6]

[7]

Skizze einer Festplatte

Geöffnete Festplatte aus den

187

zusätzlich von einer Schutzhülle aus Graphit ummantelt, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Zusätzlich wurde eine Steigerung der Datendichte durch besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.

In älteren Desktopfestplatten von IBM (Deskstar 75GXP/40GV DTLA-30xxxx, Deskstar 60GXP/120GXP IC35Lxxxx) aus den Jahren 2000 bis 2002 kam Glas als Material für die Scheiben zum Einsatz. Neuere Modelle der Festplattensparte von IBM (2003 übernommen durch Hitachi) verwenden jedoch wieder Aluminium, mit Ausnahme der Festplatten für den Serverbereich. In dem Festplattengehäuse befindet sich eine oder mehrere übereinander liegende rotierende Scheiben. Verbaut wurden bisher ein bis zwölf Scheiben, üblich sind ein bis vier. Eine höhere Scheibenanzahl geht in der Regel mit höherem Energieverbrauch und größerer Geräuschentwicklung einher. Manchmal werden aus Platzgründen nicht alle Scheibenoberflächen genutzt, so dass Festplatten mit ungerader Schreib-/Lesekopfanzahl entstehen. Um die Nachfrage nach Festplattenmodellen mit kleinerer Kapazität zu befriedigen, können die Hersteller ebenfalls auf diese Weise die Kapazität künstlich beschränken bzw. verkleinern. Eine neuere Entwicklung (seit 2004) ist das Perpendicular Recording, um die Datendichte weiter zu steigern. Seit Erscheinen der ersten 3,5" HD mit dieser Technik im Jahre 2006, der Cheetah 15K.5 von Seagate, wurde die Technik schnell von weiteren großen Herstellern übernommen und ist häufig in den 2008 käuflichen Festplatten implementiert.

Achsen-Lagerung und Drehzahlen (U/min)

In Arbeitsplatzrechnern oder Privat-PCs verwendete Festplatten – momentan zum größten Teil Platten mit ATA- oder SATA-Schnittstelle – rotieren mit Geschwindigkeiten von 5.400 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute. Vor der Zeit der ATA-Festplatten und im Bereich der Hochleistungsrechner und Server wurden bisher überwiegend Festplatten mit den technisch überlegenen SCSI-, FC- oder SAS-Schnittstellen verwendet, die inzwischen in der Regel 10.000 oder 15.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Bei den 2,5-Zoll-Festplatten, die hauptsächlich in Notebooks zum Einsatz kommen, liegen die Geschwindigkeiten im Bereich von 4.200 bis 7.200 Umdrehungen pro Minute. Die Achsen der Scheiben früherer Festplatten (bis 2000) waren kugelgelagert; heute (2006) werden überwiegend hydrodynamische Gleitlager (engl. „fluid dynamic bearing“ – FDB) verwendet. Diese zeichnen sich durch eine höhere Lebensdauer, geringere Geräuschentwicklung und geringere Herstellungskosten aus.

Die Schreib-Lesekopfeinheit

Der Schreib-/Lesekopf (Magnetkopf) des Schreibfingers, im Prinzip ein winziger Elektromagnet, magnetisiert winzige Bereiche der Scheibenoberfläche unterschiedlich und schreibt somit die Daten auf die Festplatte. Die Schreib-/Leseköpfe schweben durch ein – durch Reibung der Luft an der rotierenden Scheibenoberfläche erzeugtes – Luftpolster über der Plattenoberfläche (vgl. Bodeneffekt). Die Schwebehöhe liegt heutzutage (2006) im Bereich von etwa 20 Nanometern, sodass die Luft innerhalb des Festplattengehäuses keinerlei Verunreinigungen enthalten darf. Bei neuesten Festplatten mit Perpendicular-Recording-Technik schrumpft dieser Abstand auf 10 Nanometer. Der Bodeneffekt ist in diesem Zusammenhang sehr nützlich zur Einhaltung der richtigen Flughöhe des Schreib-/Lesekopfes über der rotierenden Scheibe. Zum Vergleich: Ein Haar ist etwa 0,05 mm = 50 µm = 50.000 nm dick. Die Herstellung von Festplatten erfolgt deshalb wie die von Halbleitern in Reinräumen. Die Daten wurden bis ca. 1994 durch Induktion des Magnetfelds der magnetisierten

1980er Jahren

Einzelteile einer Festplatte

Schreib-/Lesekopf einer Festplatte

188 MOS - Speicher

Fläche in der Spule des Schreib-/Lesekopfes ausgelesen. Über die Jahre wurden jedoch aufgrund der steigenden Datendichte die Flächen, auf denen einzelne Bits gespeichert werden, immer kleiner. Um diese Daten auszulesen, werden kleinere und empfindlichere Leseköpfe benötigt. Diese wurden nach 1994 entwickelt: MR-Leseköpfe sowie einige Jahre später GMR-Leseköpfe (Riesenmagnetowiderstand). Der GMR-Lesekopf ist eine Anwendung der Spintronik.

In der Anfangszeit der Festplatten wurden die Schreib-/Leseköpfe mit Schrittmotoren angesteuert, dadie Spurabstände noch groß waren. Bei den zur Zeit üblichen Schreibdichten sorgen Tauchspulsysteme mit Lageregelung für die Positionierung. Bei der Hitachi Deskstar 7K500 beträgt die Anzahl der Spuren pro Zoll (tpi) z. B. 135.000, während die Bitdichte in der Spur (bpi) 872.000 beträgt.

Zum Schutz der Scheiben-Oberflächen vor dem Aufsetzen der Schreib-/Leseköpfe fahren diese, noch bevor sich beim Ausschalten der Festplatte die Umdrehungsgeschwindigkeit merklich verringert hat, in die so genannte „Landezone“ („landing zone“), in der sie fixiert werden. Diese Parkposition kann sich außerhalb der Scheiben befinden oder im Innenbereich der Platten. Dabei setzt der Schreib-/Lesekopf auf einem vordefinierten Bereich der Festplatte auf, der keine Daten enthält. Die Oberfläche dieses Bereichs ist besonders vorbehandelt, um ein Festkleben des Kopfes zu vermeiden und so einen späteren Wiederanlauf der Festplatte zu ermöglichen. Die Fixierung geschieht z. B. über einen kleinen Magneten, der den Lesekopf festhält.

Bei älteren Festplatten wurden die Schreib-/Leseköpfe bei fast allen Modellen aus den Plattenstapel herausgefahren. Später (1990er, 2000er) wurde zunehmend die Parkposition im Innenbereich bevorzugt. Heutzutage (2008) kommen beide Verfahren vor, sowohl bei Notebook-Platten als auch bei Desktop-Platten. Bei Notebook-Platten bietet die Parkposition außerhalb des Plattenstapels zusätzlichen Schutz vor Beschädigung der Oberfläche der Scheiben bei Transport (Erschütterung) der Festplatte.

Bei älteren Festplatten mussten die Köpfe explizit vor dem Ausschalten per Befehl vom Betriebssystem geparkt werden. Das Parken erhöht auch die Stoßfestigkeit der Festplatten für einen Transport oder Umbau. Doch auch moderne Festplatten müssen mitunter explizit geparkt werden, da der beschriebene automatische Parkmechanismus nach Wegfall der Versorgungsspannung zu einem erhöhten Verschleiß führen kann. Heutzutage wird dieser Befehl automatisch beim Herunterfahren des Systems vom Gerätetreiber abgesetzt.

Bei modernen Laptops sorgt ein Beschleunigungssensor für das Parken des Festplattenfingers noch während eines eventuellen freien Falls, um so den Schaden beim Sturz eines Rechners zu begrenzen.

Festplatten-Gehäuse

Das Gehäuse einer Festplatte ist sehr massiv, es ist meist ein aus einer Aluminiumlegierung bestehendes Gussteil und mit einem Edelstahl-Blechdeckel versehen.

Es ist staub-, aber nicht luftdicht abgeschlossen: Durch eine mit einem Filter versehene kleine Öffnung konnte bei Temperaturänderungen oder anders verursachten Luftdruckschwankungen Luft ein- oder austreten, um so die

Parkposition des Lesekopfs außerhalb des Plattenstapels

[8]

Lüftungsloch

189

Druckunterschiede auszugleichen. (Diese Öffnung – siehe nebenstehende Abbildung – darf nicht verschlossen werden, vor allem wegen der Wärmeausdehnung der im Plattengehäuse vorhandenen Luft.) Da der Luftdruck im Gehäuse mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel abnimmt, zum Betrieb aber ein Mindestdruck erforderlich ist, durften diese Festplatten nur bis zu einer bestimmten, maximalen Höhe betrieben werden. Diese ist in der Regel im zugehörigen Datenblatt vermerkt. Die Luft ist erforderlich, um die direkte Berührung von Lesekopf und Festplatte zu verhindern, siehe oben bei Die Schreib-Lesekopfeinheit.

Bei neueren Laufwerken wurde der Filter durch eine elastische Membran ersetzt, die das System durch Aufwölben in die eine oder andere Richtung an wechselnde Druckverhältnisse anpassen kann.

Wird eine Festplatte in normaler, verunreinigter Luft geöffnet, sorgen bereits kleinste Staub-/Rauchpartikel, Fingerabdrücke etc. für wahrscheinlich irreparable Beschädigungen der Plattenoberfläche und der Schreib-/Leseköpfe.

Speichern (Schreiben) und Lesen der Daten

Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster – vom Schreibfinger angesteuerter – Flächen der permeablen Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarität (Nord/Süd) den elektronisch-binär interpretierten Wert 0 oder 1 annehmen. Beim Lesen der jeweiligen Sequenzen von 0- und 1-Werten werden die Informationen dekodiert und an das Betriebssystem übergeben. Sie werden vom Prozessor des Computers ausgewertet und weiterverarbeitet. Entsprechend umgekehrt geht das Schreiben der vorher vom Prozessor erstellten Daten vonstatten.

Vor dem Schreiben werden die Daten mittels spezieller Verfahren, wie den früher üblichen GCR, MFM, RLL und heute üblichen PRML oder EPRML, kodiert. Ein Bit der Anwenderdaten entspricht daher physikalisch nicht unmittelbar einem magnetischen Flusswechsel auf der Plattenoberfläche. Die Kodierung muss der Festplattencontroller vornehmen, zusammen mit dem Verwalten der Daten (Organisation der Daten in Blöcke) und dem Führen des Schreib-/Lesekopfes über die Spuren.

Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block der Schreib-/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte dieser Block unter dem Kopf vorbeigeführt wird. Diese mechanisch bedingten Verzögerungen liegen heutzutage bei ca. 5–10 ms, was nach Maßstäben anderer Computerhardware eine kleine Ewigkeit ist. Daraus ergibt sich die extrem hohe Latenzzeit von Festplatten im Vergleich zu RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik berücksichtigt werden muss.

Um eine hohe Leistung zu erreichen, muss eine Festplatte, soweit möglich, immer große Mengen von Daten in aufeinander folgenden Blöcken lesen oder schreiben, weil dabei der Schreib-/Lesekopf nicht neu positioniert werden muss.

Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass möglichst viele Operationen im RAM durchgeführt und auf der Platte die Positionierung der Daten auf die Zugriffsmuster abgestimmt werden. Dazu dient vor allem ein großer Cache als Teil der Festplattenelektronik, auf dessen Inhalt mit RAM-Geschwindigkeit zugegriffen werden kann. Die Firmware der Festplatte sorgt für die korrekte Verwaltung und Aktualisierung des Cache-Inhalts. Zusätzlich zum Hardware-Cache gibt es in allen modernen Betriebssystemen noch einen Disk Cache oder VCache genannten Cache im Arbeitsspeicher.

Lesekopf einer Festplatte in der Nahaufnahme

190 MOS - Speicher

Neben der Verwendung eines Caches gibt es weitere Software-Strategien zur Performance-Steigerung. Sie werden vor allem in Multitasking-Systemen wirksam, wo das Festplattensystem mit mehreren bzw. vielen Lese- und Schreibanforderungen gleichzeitig konfrontiert wird. Es ist dann meist effizienter, diese Anforderungen in eine sinnvolle neue Reihenfolge zu bringen. Die Steuerungerfolgt durch einen Festplatten-Scheduler. Das einfachste Prinzip hierbei verfolgt dabei dieselbe Strategie wie eine Fahrstuhlsteuerung: Die Spuren werden zunächst in einer Richtung angefahren und die Anforderungen beispielsweise nach monoton steigenden Spurnummern abgearbeitet. Erst wenn diese alle abgearbeitet sind, kehrt die Bewegung um und arbeitet dann in Richtung monoton fallender Spurnummern usw.

Auf einer tieferen Ebene optimiert man den Datenzugriff durch Interleaving, was bei modernen Festplatten aber nicht mehr notwendig ist.

Logischer Aufbau der Scheiben

Die Magnetisierung der Beschichtung der Scheiben ist der eigentliche Informationsträger. Sie wird vom Schreib/Lesekopf auf kreisförmigen, konzentrischen Spuren aufgebracht, während die Scheibe rotiert. Eine Scheibe enthält typischerweise einige tausend solcher Spuren, meist auch auf beiden Seiten. Die Gesamtheit aller gleichen, d. h. übereinander befindlichen, Spuren der einzelnen Platten(oberflächen) nennt man Zylinder. Jede Spur ist in kleine logische Einheiten unterteilt, die man Blöcke nennt. Ein typischer Block enthält 512 Byte an Nutzdaten (Anwenderdaten). Jeder Block verfügt dabei über Kontrollinformationen (Prüfsummen), über die sichergestellt wird, dass die Information auch korrekt geschrieben oder gelesen wurde. Die Gesamtheit aller Blöcke, die die gleichen Winkelkoordinaten auf den Platten haben, nennt man Sektor. Der Aufbau eines speziellen Festplattentyps, das heißt, die Anzahl der Spuren, Oberflächen und Sektoren, wird auch als Festplattengeometrie bezeichnet. Verwirrenderweise wird der Begriff Sektor häufig fälschlicherweise auch synonym für Block verwendet.

Da manche Betriebssysteme zu früh an Grenzen stießen, als die Nummerierung der Blöcke bei steigenden Festplattenkapazitäten die Wortgrenze (16 Bit) überstieg, führte man Cluster ein. Das sind Gruppen von jeweils einer festen Anzahl an Blöcken (z. B. 32), die sinnvollerweise physisch benachbart sind. Das Betriebssystem spricht dann nicht mehr einzelne Blöcke an, sondern verwendet auf seiner (höheren) Ebene diese Cluster als kleinste Zuordnungseinheit. Erst auf Hardwaretreiber-Ebene wird dieser Zusammenhang aufgelöst.

Bei modernen Festplatten ist normalerweise die wahre Geometrie, also die Anzahl an Sektoren, Köpfen und Zylindern, die vom Festplatten-Controller verwaltet werden, nach außen (d. h. für den Computer bzw. den Festplattentreiber) nicht sichtbar. Der Computer, der die Festplatte benutzt, arbeitet dann mit einer virtuellen Festplatte, die völlig andere Geometriedaten aufweist. Dies erklärt, warum zum Beispiel eine Festplatte, die real nur vier Köpfe aufweist, vom Computer mit 255 Köpfen gesehen wird. Ein Grund für dieses virtuelle Konzept ist, dass man Begrenzungen von PC-kompatibler Hardware überwinden wollte. Weiterhin kann der Festplatten-Controller dadurch defekte Blöcke ausblenden, um dann einen Block aus einem Reserve-Bereich einzublenden. Für den Computer sieht es immer so aus, als wären alle Blöcke defektfrei und nutzbar. Es wird vermutet, dass besagter Reserve-Bereich bzw. Reserve-Spuren ca. 10–20 % des auf der Festplatte angegebenen Speicherplatzes ausmachen. Dieser Speicherplatz lässt sich durch spezielle Firmware-Varianten nutzen, was dann aber logischerweise die Lebensdauer der Festplatte (bzw. die Datensicherheit) reduziert. Heute übliche Festplatten teilen weiterhin die Platten in Zonen auf, wobei eine Zone mehrere Spuren mit jeweils der gleichen Anzahl an Blöcken enthält.

Partitionen als Laufwerke

191

Aus Sicht des Betriebssystems können Festplatten durch Partitionierung in mehrere Bereiche unterteilt werden. Das sind keine echten Laufwerke, sondern werden vom Betriebssystem als solche dargestellt. Man kann sie sich als virtuelle Festplatten vorstellen, die durch den Festplattentreiber dem Betriebssystem gegenüber als getrennte Geräte dargestellt werden. Abgesehen von zeitlichen Effekten sowie dem Verhalten im Falle des Festplattenausfalls ist nicht erkennbar, ob es sich um eine physikalisch getrennte Festplatte oder lediglich um ein logisches Laufwerk handelt.

Jede Partition wird vom Betriebssystem gewöhnlich mit einem Dateisystem formatiert. Unter Umständen werden, je nach benutztem Dateisystem, mehrere Blöcke zu Clustern zusammengefasst, die dann die kleinste logische Einheit für Daten sind, die auf die Platte geschrieben werden. Das Dateisystem sorgt dafür, dass Daten in Form von Dateien auf die Platte abgelegt werden können. Ein Inhaltsverzeichnis im Dateisystem sorgt dafür, dass Dateien wiedergefunden werden und hierarchisch organisiert abgelegt werden können. Der Dateisystem-Treiber verwaltet die belegten, verfügbaren und defekten Cluster. Ein Beispiel für ein Dateisystem ist das (von MS-DOS und Windows 9x ausschließlich unterstützte) FAT-Dateisystem.

Lärmvermeidung

Um die Lautstärke der Laufwerke beim Zugriff auf Daten zu verringern, unterstützen die meisten für den Desktop-Einsatz gedachten ATA- und SATA-Festplatten „Automatic Acoustic Management“ (AAM). Wird die Festplatte in einem leisen Modus betrieben, werden die Schreib/Leseköpfe weniger stark beschleunigt, so dass die Zugriffe leiser sind. Das Laufgeräusch des Plattenstapels sowie die Daten-Transferrate wird davon nicht verändert, jedoch verlängert sich die Zugriffszeit.

Schnittstellen, Bussystem und Jumperung Als Schnittstelle der Festplatte zum Computer wird heute im Desktop-Bereich hauptsächlich die serielle SATA (oder S-ATA)-Schnittstelle eingesetzt. Bis vor kurzem war hier noch die parallele ATA (oder IDE, EIDE)-Schnittstelle üblich. Bei professionellen Servern und Workstations sind SCSI (parallel), Fibre-Channel und SAS (beide seriell) üblich.

Ältere, heute nicht mehr erhältliche, Schnittstellen sind ST506 (mit den Modulationsstandards MFM, RLL und ARLL) und ESDI.

Die Mainboards waren lange Zeit mit meist zwei ATA-Schnittstellen versehen, inzwischen - teilweise zusätzlich, teilweise stattdessen - mit bis zu 10 SATA-Schnittstellen.

Ein vergleichbarer Wandel ist im Bereich der Server bzw. Speicher-Subsysteme zu erkennen. Neben den noch oft verwendeten SCSI-Festplatten werden mehr und mehr serielle Typen wie Fibre-Channel- oder SAS-Festplatten eingesetzt.

Ein prinzipielles Problem bei parallelen Übertragungen ist, dass es mit zunehmender Geschwindigkeit immer schwieriger wird, unterschiedliche Laufzeiten der einzelnen Bits durch das Kabel zu korrigieren. Daher stoßen die parallelen Schnittstellen mittlerweile an ihre Grenzen; diese Einschränkung fällt bei seriellen Übertragungstechniken weg, womit höhere Übertragungsraten möglich werden.

ATA (IDE)

192 MOS - Speicher

Bei einer ATA-Festplatte wird durch Jumper festgelegt, ob sie das Laufwerk mit Adresse 0 oder 1 der ATA-Schnittstelle ist (Device 0 bzw. 1, oft auch mit Master bzw. Slave bezeichnet). Manche Modelle erlauben auch eine Beschränkung der an das Betriebssystem bzw. BIOS gemeldeten Kapazität des Laufwerks, wodurch die Festplatte im Falle von Inkompatibilitäten dennoch (unter Verschenkung des nicht gemeldeten Plattenplatzes) in Betrieb genommen werden kann.

Durch die Festlegung der ATA-Bus-Adresse können zwei Festplatten an einer ATA-Schnittstelle des Mainboards angeschlossen werden. Die meisten Mainboards haben zwei ATA-Schnittstellen, genannt primary ATA und secondary ATA, also „erste“ und „zweite ATA-Schnittstelle“. Daher können insgesamt bis zu vier Festplatten an beide ATA-Schnittstellen der Hauptplatine angeschlossen werden. Ältere BIOS von Hauptplatinen erlauben es nur, den Computer von der ersten ATA-Schnittstelle zu starten, und auch nur, wenn die Festplatte als Master gejumpert ist.

Die ATA-Schnittstellen werden jedoch nicht nur von Festplatten, sondern auch von CD-ROM- und DVD-Laufwerken genutzt. Somit ist (ohne Zusatzkarte) die Gesamtzahl von Festplatten plus ladbaren Laufwerken (CD-ROM, DVD) auf vier begrenzt (Diskettenlaufwerke haben eine andere Schnittstelle). Es gibt sogar Adapter, mit denen Compact-Flash-Karten angeschlossen und wie eine Festplatte verwendet werden können.

Bei Erweiterungen sind einige Dinge zu beachten:

Das erste Laufwerk ist als „Master“ zu jumpern – in der Regel die Voreinstellung von Laufwerken; erst ein eventuell zweites Laufwerk an einem Kabel wird auf „Slave“ gejumpert. Einige Laufwerke haben noch die dritte Option „Single Drive“. Diese wird dann benutzt, wenn das Laufwerk alleine am Kabel hängt; kommt ein „Slave“-Laufwerk dazu, muss man das erste als „Master“ jumpern. Diese Option heißt dann zur Erläuterung oftmals „Master with Slave present“. Wo Master oder Slave sitzen (am Ende des Kabels oder „mittendrin“), spielt keine Rolle (außer, beide Laufwerke sind auf Cable Select gejumpert). „Slave allein“ funktioniert zwar meistens, gilt aber nicht als sauber konfiguriert und ist oft störanfällig. Ausnahme: Bei den neueren 80-poligen Kabeln sollte der Slave in der Mitte angeschlossen werden; die Stecker sind dementsprechend beschriftet.

Die ideale Verteilung der Laufwerke auf die einzelnen Anschlüsse ist disputabel. Zu beachten ist, dass sich traditionell zwei Geräte am selben Kabel die Geschwindigkeit teilen und dass stets das langsamste unterstützte Busprotokoll verwendet wird. Das gilt jedoch nicht mehr für moderne Controller/Mainboards. Außerdem dauert das Kopieren von Daten zwischen den Platten sehr viel länger, wenn beide Festplatten am selben Kabel hängen. Neben den Jumpern existiert ein automatischer Modus für die Bestimmung der Adressen („Cable-Select“), der aber in der Praxis kaum Verwendung findet.

SCSI

SCSI-Festplatten kennen nicht nur zwei, sondern, je nach verwendetem Controller, acht oder sechzehn Adressen. Daher finden sich an älteren SCSI-Laufwerken drei oder vier Jumper zur Bestimmung der Adressen – ID-Nummern genannt –, die es erlauben, bis zu sieben bzw. 15 Geräte

Festplatten-Konfigurations-Jumper

193

zu adressieren (der Controller belegt eine eigene Adresse). Alternativ erfolgt die Adresseinstellung auch durch einen kleinen Drehschalter. Bei modernen Systemen werden die IDs automatisch vergeben (nach der Reihenfolge am Kabel), und die Jumper sind nur noch relevant, wenn diese Vergabe beeinflusst werden soll.

Dazu kommen noch andere Jumper wie der (optionale) Schreibschutzjumper, der es erlaubt, eine Festplatte gegen Beschreiben zu sperren. Weiterhin können je nach Modell Einschaltverzögerungen oder das Startverhalten beeinflusst werden.

SATA

Hauptartikel: Serial ATA

Seit 2002 werden Festplatten zusätzlich mit einer Serial ATA (S-ATA oder SATA)-Schnittstelle angeboten. Die Vorteile gegenüber ATA sind der höhere mögliche Datendurchsatz und die vereinfachte Kabelführung. Erweiterte Versionen von SATA verfügen über weitere, vor allem für professionelle Anwendungen relevante, Funktionen, wie etwa die Fähigkeit zum Austausch von Datenträgern im laufenden Betrieb (Hot-Plug). Inzwischen hat sich SATA praktisch durchgesetzt, die neuesten Festplatten werden nicht mehr als IDE-Versionen angeboten, seit die bei IDE theoretisch möglichen Transferraten nahezu erreicht sind.

Im Jahr 2005 wurden erste Festplatten mit Serial Attached SCSI (SAS) als potentieller Nachfolger von SCSI für den Server- und Storagebereich vorgestellt. Dieser Standard ist teilweise zu SATA abwärtskompatibel.

FireWire und USB als Schnittstellen für externe Laufwerke

Es werden universelle Schnittstellen wie FireWire oder USB für den Anschluss von externen Festplatten verwendet. Hierbei sind jedoch die eingebauten Festplatten selbst mit herkömmlichen (meist ATA- oder SATA-)Schnittstellen ausgestattet. Die Signale werden mittels eines speziellen Wandlers im externen Gehäuse in FireWire- bzw. USB-Signale übersetzt und über die FireWire- bzw. USB-Schnittstelle nach außen geführt. Eine reine USB-Festplatte, das heißt mit eigener USB-Schnittstelle, wird von keinem Hersteller angeboten.

Serial Attached SCSI

Die SAS-Technik basiert auf der etablierten SCSI-Technik, sendet die Daten jedoch seriell. Neben der höheren Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlicher SCSI-Technik können theoretisch über 16.000 Geräte in einem Verbund angesprochen werden. Ein weiterer Vorteil ist die maximale Kabellänge von 10 Metern. Die Steckverbindungen von SATA sind zu SAS kompatibel, ebenso SATA-Festplatten; SAS-Festplatten benötigen jedoch einen SAS-Controller.

Fibre-Channel-Interface

Die Kommunikation via Fibre-Channel-Interface ist noch leistungsfähiger und ursprünglich vor allem für die Verwendung in Speichersubsystemen entwickelt. Die Festplatten werden, wie bei USB, nicht direkt angesprochen, sondern über einen FC-Controller, FC-HUBs oder FC-Switches.

Queuing im SCSI-, SATA oder SAS-Datentransfer

194 MOS - Speicher

Vor allem bei SCSI-Platten und auch bei neueren SATA-Festplatten werden sogenannte Queues (Warteschlangen) eingesetzt. Dies sind Software-Verfahren als Teil der Firmware, die die Daten zwischen dem Anfordern von Computerseite und physikalischem Zugriff auf die Speicherscheibe verwalten und ggf. zwischenspeichern. Beim Queuing reihen sie die Anfragen an den Datenträger in eine Liste und sortieren sie entsprechend der physikalischen Position auf der Scheibe und der aktuellen Position der Schreibköpfe, um so möglichst viele Daten mit möglichst wenigen Umdrehungen und Kopfpositionierungen zu lesen. Der festplatteneigene Cache spielt hierbei eine große Rolle, da die Queues in diesem abgelegt werden (siehe auch: Tagged Command Queuing, Native Command Queuing).

Vorläufer der seriellen High-Speed-Schnittstellen

Die ersten verbreiteten seriellen Schnittstellen für Festplatten waren SSA (Serial Storage Architecture, von IBM entwickelt) und Fibre-Channel in der Variante FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop). SSA-Festplatten werden heute praktisch nicht mehr hergestellt, aber Fibre-Channel-Festplatten werden weiterhin für den Einsatz in großen Speichersystemen gebaut. Fibre Channel bezeichnet dabei das verwendete Protokoll, nicht das Übertragungsmedium. Deshalb haben diese Festplatten trotz ihres Namens keine optische, sondern eine elektrische Schnittstelle.

Datensicherheit

Ausfallrisiken und Lebensdauer

Zu den typischen Ausfallrisiken gehören:

Die Anfälligkeit von Festplatten ist besonders bei den neuen, sehr schnell drehenden Systemen vorwiegend auf thermische Probleme zurückzuführen. Beim mechanischen Aufsetzen des Schreib-Lesekopfes kann die Festplatte beschädigt werden (Head-Crash). Der Kopf schwebt im Betrieb über der Platte und wird nur durch ein Luftpolster am Aufsetzen gehindert, das durch die von der drehenden Scheibe mitgerissene Luft entsteht. Im laufenden Betrieb sollte die Festplatte daher möglichst nicht bewegt werden und keinen Erschütterungen ausgesetzt sein. Äußere Magnetfelder können die Sektorierung der Festplatte irreversibel zerstören. Eine Löschung mit einem Magnetfeld macht neuere Festplatten unbrauchbar. Fehler in der Steuerelektronik oder Verschleiß der Mechanik führen zu Ausfällen. Umgekehrt kann auch längerer Stillstand dazu führen, dass die Mechanik in Schmierstoffen stecken bleibt und die Platte gar nicht erst anläuft („sticky disk“). Dieses Problem trat akut in den 1990er Jahren auf, scheint seitdem aber durch bessere Schmierstoffe einigermaßen im Griff zu sein.

Die durchschnittliche Zahl an Betriebsstunden, bevor eine Festplatte ausfällt, wird bei irreparablen Platten als MTTF (Mean Time To Failure) bezeichnet. Bei Festplatten, die repariert werden können, wird ein MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) angegeben. Alle Angaben zur Haltbarkeit sind ausschließlich statistische Werte. Die Lebensdauer einer Festplatte kann daher nicht im Einzelfall vorhergesagt werden, denn diese hängt von vielen Faktoren ab:

Vibrationen und Stöße: Starke Erschütterungen können zu einem vorzeitigen (Lager-)Verschleiß führen und sollten daher vermieden werden.

Lüfter für 3,5″-Festplatten

195

Unterschiede zwischen verschiedenen Modellreihen eines Herstellers: Abhängig vom jeweiligen Modell lassen sich bestimmte Baureihen ausmachen, die als besonders zuverlässig oder fehleranfällig gelten. Um statistisch genau Angaben zu der Zuverlässigkeit machen zu können, sind allerdings eine große Anzahl von baugleichen Platten notwendig, die unter ähnlichen Bedingungen betrieben werden. Systemadministratoren, die viele Systeme betreuen, können so im Laufe der Jahre durchaus einige Erfahrungen sammeln, welche Festplatten eher zu auffälligem Verhalten und damit vorzeitigem Ausfall neigen. Anzahl der Zugriffe (Lesekopfbewegungen): Durch häufige Zugriffe verschleißt die Mechanik schneller, als wenn die Platte nicht genutzt wird und sich nur der Plattenstapel dreht. Wenn die Festplatte über der von Hersteller genannten Betriebstemperatur, meist 40–50 °C, betrieben wird, leidet die Lebensdauer. Nach einer Studie von Google (die ihre internen Festplattenausfälle analysiert haben) gibt es auch am oberen Ende des zulässigen Bereiches keine vermehrten Ausfälle.

Allgemein sind schnelldrehende Server-Festplatten für eine höhere MTTF ausgelegt als typische Desktop-Festplatten, so dass sie theoretisch eine höhere Lebensdauer erwarten lassen. Dauerbetrieb und häufige Zugriffe können jedoch dazu führen, dass sich dies relativiert und die Festplatten nach wenigen Jahren ausgetauscht werden müssen.

Notebook-Festplatten werden durch die häufigen Transporte besonders beansprucht und sind dementsprechend trotz robusterer Bauart mit einer kleineren MTTF als Desktop-Festplatten spezifiziert.

Eine genaue Haltbarkeit der gespeicherten Daten wird von den Herstellern nicht angegeben. Sie dürfte sich aber wie auch bei Magnetbändern im Bereich von etwa 10 bis 30 Jahren bewegen, da magnetische Umwelteinflüsse (schon leicht wechselndes Magnetfeld der Erde) zu einer Entmagnetisierung führen. Lediglich magneto-optische Verfahren erreichen 50 Jahre und mehr.

Vorbeugende Maßnahmen

Als vorbeugende Maßnahmen gegen Datenverlust werden daher häufig folgende Maßnahmen ergriffen:

Von wichtigen Daten sollte immer eine Sicherungskopie (Backup) auf einem anderen Datenträger (beachte den Hinweis zum Ausfall oben unter Partionierung) existieren. Systeme, die zwingend hochverfügbar sein müssen und bei denen ein Festplattenfehler keine Betriebsunterbrechung verursachen darf, verfügen meistens über ein RAID. Eine Konfiguration ist zum Beispiel das Mirrorset (RAID 1), bei dem die Daten auf zwei Festplatten gespiegelt werden und sich somit die Ausfallsicherheit erhöht. Effizientere Konfigurationen sind RAID 5 und höher. Ein Stripeset (RAID 0) aus zwei Festplatten erhöht zwar die Geschwindigkeit, jedoch steigt auch das Ausfallrisiko. RAID 0 ist deshalb keine Maßnahme, um Datenverlust zu verhindern oder die Verfügbarkeit des Systems zu erhöhen. ATA-Festplatten verfügen seit ca. Ende der 1990er Jahre über S.M.A.R.T., eine interne Überwachung der Festplatte auf Zuverlässigkeit. Der Status kann von außen abgefragt werden. Ein Nachteil ist, dass S.M.A.R.T. kein Standard ist. Jeder Hersteller definiert seine Fehlertoleranz selbst, d. h. S.M.A.R.T. ist nur als allgemeines Richtmittel anzusehen. Außerdem gibt es Festplatten, deren S.M.A.R.T.-Funktion selbst dann noch nicht vor Problemen warnt, wenn diese sich bereits im Betrieb durch nicht mehr lesbare Blöcke bemerkbar gemacht haben. Man sollte sich also nicht auf S.M.A.R.T. verlassen. Um durch Überhitzung der Festplatte bedingte Ausfälle zu verhindern, muss diese entsprechend ihrer maximal erlaubten Betriebstemperatur (in der Regel 40-50 °C) gekühlt werden. In Servern kommen dazu mit Lüftern versehene Wechselrahmen und Backplanes zum Einsatz. Bei Desktop-Festplatten ist hingehen eine Kühlung meist unnötig.

196 MOS - Speicher

Datenschutz

Unabhängig vom verwendeten Speichermedium (in diesem Fall eine Festplatte) wird beim Löschen einer Datei lediglich im Dateisystem vermerkt, dass der entsprechende Datenbereich nun frei ist. Die Daten selbst verbleiben jedoch physisch auf der Festplatte, bis der entsprechende Bereich mit neuen Daten überschrieben wird. Mit Datenrettungsprogrammen können gelöschte Daten daher oft zumindest zum Teil wiederhergestellt werden. Das wird auch häufig in der Beweissicherung zum Beispiel bei den Ermittlungsbehörden (Polizei etc.) eingesetzt.

Beim Partitionieren oder gewöhnlichen Formatieren wird der Datenbereich nicht überschrieben, sondern lediglich die Partitionstabelle oder die Beschreibungsstruktur des Dateisystems. Bei einer Low-Level-Formatierung dagegen wird der gesamte adressierbare Bereich einer Festplatte überschrieben.

Um ein sicheres Löschen von sensiblen Daten zu garantieren, bieten verschiedene Hersteller Software an, sogenannte Eraser, die beim Löschen den Datenbereich überschreibt. Meistens kann aber auf eine (fast) beliebige und kostenlose Unix-Distribution zurückgegriffen werden, wie zum Beispiel Knoppix oder FreeSBIE, die praktischerweise direkt von CD gestartet werden kann. Außerdem gibt es für diesen Zweck neben universellen Programmen wie dd und badblocks speziell für das Löschen verschiedene Opensource-Programme, beispielsweise Darik's Boot and Nuke (DBAN). In Apples MacOS X sind entsprechende Funktionen („Papierkorb sicher löschen“ und „Volume mit Nullen überschreiben“) bereits enthalten. Wurde die Datei bereits gelöscht, ohne die Daten zu überschreiben, kann auch der komplette freie Speicher der Festplatte überschrieben werden. Siehe dazu auch Gutmann-Methode.

Alternativ bietet sich bei der Verschrottung des Computers die mechanische Vernichtung der veralteten Festplatte (bzw. der Scheiben) an. Deshalb werden in manchen Unternehmen beim Umstieg auf eine neue Computergeneration alle Festplatten in einem Schredder in kleine Teile zermahlen und die Daten so vernichtet.

Verschiedene Festplatten bieten die Möglichkeit an, den kompletten Festplatteninhalt per Passwort direkt auf Hardwareebene zu schützen. Da diese im Grunde nützliche Eigenschaft jedoch kaum bekannt ist und die meisten BIOS die Funktion zum Setzen des Passworts nicht selbsttätig ausschalten, besteht rein theoretisch für Schadprogramme wie Viren die Chance, dem Benutzer durch Setzen dieses Passworts auf einen unbekannten Wert massiv zu schaden. Danach bestände keine Möglichkeit mehr, noch auf Inhalte der Festplatte zuzugreifen. Für weitere Informationen bzgl. ATA-Festplatten siehe Passwortschutz unter ATA.

Langzeitarchivierung

Die Archivierung digitaler Informationen über längere Zeiträume (10 bis mehrere hundert Jahre) wirft Probleme auf, da nicht nur die Informationen evtl. verloren gegangen sind, sondern weil auch die Computer, Betriebssysteme und Programme zum Bereitstellen dieser Informationen nicht mehr verfügbar sind. Ansonsten sind die Daten in sich ständig wiederholenden Zyklen neu zu archivieren.

Nur analoge Verfahren, wie Mikrofilm oder Druck auf spezielles Papier, bieten zur Zeit die Möglichkeit, auch über sehr lange Zeiträume auf Informationen zugreifen zu können.

Siehe dazu auch: Archiv#Bestandserhaltung.

Geschichte

197

Vorläufer der Festplatte war die Magnettrommel ab 1932. Außerhalb von Universitäten und Forschungseinrichtungen kam dieser Speicher ab 1958 als „Hauptspeicher“ mit 8192 Worten à 32 Bit in der Zuse Z22 zum Einsatz. Die erste kommerziell erhältliche Festplatte, die IBM 350, wurde von IBM 1956 als Teil des IBM 305 RAMAC-Rechners („Random Access Method of Accounting and Control“) angekündigt.

Chronologische Übersicht

September 1956 : IBM stellt das erste magnetische Festplattenlaufwerk mit der Bezeichnung „IBM 350“ vor (5 MB, 24 Zoll, 600 ms Zugriffszeit, 1200 rpm, 500 kg, 10 kW). Die Schreib-/Leseköpfe wurden elektronisch-pneumatisch gesteuert, weshalb die schrankgroße Einheit auch einen Druckluft-Kompressor enthielt. Das Laufwerk wurde nicht verkauft, sondern für ca. 10.000 DM pro Monat an Unternehmen vermietet. Ein Exemplar der IBM350 befindet sich im Museum des IBM-Clubs in Sindelfingen.

1973: IBM startet das „Winchester“-Projekt, das sich damit befasste, einen rotierenden Speicher mit einem fest montierten Medium zu entwickeln (IBM 3340, 30 MB Speicherkapazität, 30 ms Zugriffszeit). Beim Starten und Stoppen des Mediums sollten die Köpfe auf dem Medium aufliegen, was einen Lademechanismus überflüssig machte. Namensgeber war die Stadt Winchester in Südengland, in deren IBM-Werk das Laufwerk entwickelt wurde. Diese Technik setzte sich in den folgenden Jahren durch. Bis in die 1990er Jahre war deshalb für Festplatten die Bezeichnung Winchester-Laufwerk gebräuchlich.

1979: Vorstellung der ersten 8″-Winchester-Laufwerke. Diese waren jedoch sehr schwer und teuer (ca. 1000 Euro/MB); trotzdem stieg der Absatz kontinuierlich.

1980: Verkauf der ersten 5-1/4″-Winchester-Laufwerke durch die Firma Seagate Technology („ST506“, 6 MB, 3600 rpm, Verkaufspreis ca. 1000 $). Diese Modellbezeichnung (ST506) wurde auch über viele Jahre hinaus der Name für diese neue angewendete Schnittstelle, welche alle anderen Firmen als neuen Standard im PC-Bereich übernommen hatten. Zur gleichen Zeit kam neben den bereits bestehenden Apple-Microcomputern der erste PC von IBM auf den Markt, dadurch stieg die Nachfrage nach diesen – im Vergleich zu den Winchester-Laufwerken kompakten – Festplatten rasant an.

1986: Spezifikation von SCSI, eines der ersten standardisierten Protokolle für eine Festplattenschnittstelle.

1989: Standardisierung von IDE, auch bekannt als AT-Bus.

1997: Erster Einsatz des Riesen-Magnetowiderstands (englisch Giant Magnetoresistive Effect (GMR)) bei

[9]

[10]

Alte IBM-62PC-Festplatte, ca. 1979, 6 × 8″ Scheiben mit insgesamt ca. 65 MB

Speicher

198 MOS - Speicher

Festplatten, dadurch konnte die Speicherkapazität stark gesteigert werden. Eine der ersten Festplatten mit GMR-Leseköpfen brachte IBM im November 1997 heraus (IBM Deskstar 16GP DTTA-351680, 3,5″, 16,8 GB, 0,93 kg, 9,5 ms, 5400 rpm).

2004: Erste SATA-Festplatten mit Native Command Queuing von Seagate.

2005: Prototyp einer 2,5-Zoll-Hybrid-Festplatte (Kurzbezeichnung H-HDD), die aus einem magnetisch-mechanischen Teil und einem zusätzlichen NAND-Flash-Speicher aufgebaut ist, der als Puffer für die Daten dient. Erst wenn der Puffer voll ist, werden die Daten aus dem Puffer auf das Magnetmedium der Festplatte geschrieben.

2006: Erste 2,5-Zoll Notebook-Festplatte („Momentus 5400.3“, 2,5″, 160 GB, 0,1 kg, 5,6 ms, 5400 rpm, 2 Watt) von Seagate mit senkrechter Aufzeichnungstechnik (Perpendicular Recording). 3,5-Zoll-Festplatten erreichen mit derselben Aufzeichnungstechnik im April eine Kapazität von 750 GB.

2007: Die erste Terabyte-Festplatte von Hitachi. (3,5″, 1 TB, 0,7 kg, 8,5 ms, 7200 rpm, 11 Watt)

Siehe auch Diskettenlaufwerk Filecard Umdrehungsgeschwindigkeiten von Laufwerken Master Boot Record Kategorie:Festplatten-Hersteller

Quellen

1. ↑ [1] (http://www.heise.de/newsticker/meldung/106783) 2. ↑ heise online – Hitachi will keine Mini-Festplatten mehr produzieren

(http://www.heise.de/newsticker/meldung/101157) 3. ↑ heise online – Billige IDE-Platten bis 12 GByte (http://www.heise.de/newsticker/meldung/1628) 4. ↑ heise online – Festplatten speichern ein halbes Terabyte Daten

(http://www.heise.de/newsticker/meldung/60364) 5. ↑ heise online – Notebook-Festplatte mit 160 GByte und Perpendicular Recording

(http://www.heise.de/newsticker/meldung/68426) 6. ↑ Hitachi kündigt Festplatte mit 1 TByte Kapazität an – PCtipp.ch – News

(http://www.pctipp.ch/webnews/wn/35275.asp) 7. ↑ [2] (http://allround.es-shops.de/eshop.php?

action=article_detail&s_supplier_aid=1398315&rid=froogle) 8. ↑ Kap. 11.4.2 „Emergency unload“, Hard Disk Drive Specification Hitachi Travelstar 80GN

(http://www.hitachigst.com/tech/techlib.nsf/techdocs/85CC1FF9F3F11FE187256C4F0052E6B6/$file/80GNSpec2.0.pdf)

9. ↑ Je nach Quelle 04.09.1956, 13.09.1956 oder 14.09.1956 10. ↑ IBM Archives: IBM 350 disk storage unit (http://www-

03.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/storage_350.html) 11. ↑ [3]

(http://www.hitachigst.com/portal/site/en/template.MAXIMIZE/menuitem.368c8bfe833dee8056fb11f0aajavax.portlet.tpst=74ef8e8d695bcd876ccf7be1cf4362b4_ws_MX&javax.portlet.prp_74ef8e8d695bcd876c

Festplattenbaugrößen

[11]

199

Optischer Speicher aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Unter optischen Speichern (auch oft optische Platten) versteht man auswechselbare Massenspeicher, die durch optische Abtastung (meist mittels Laser) gelesen und/oder beschrieben werden können.

Die bekanntesten optischen Speichermedien heutzutage sind die CD/CD-ROM und deren Weiterentwicklung, die DVD. Daneben wurden jedoch noch diverse andere Medien und auch die Hybridvariante der Magneto-optischen Speicher entwickelt. Diese haben jedoch heute in der Praxis eine geringere Bedeutung. Nur einmal beschreibbare optische Speichermedien werden WORM (Write once, read many) genannt und in der Archivierung von digitalen Informationen eingesetzt.

Typen Es gibt viele verschiedene Formate optischer Platten:

Vorteile geringe Abnutzung durch berührungsloses Lesen geringe Medienkosten

Nachteile Einige beschreibbare und wiederbeschreibbare Medien - hier vor allem CD-R, CD-RW,

Inhaltsverzeichnis 1 Typen 2 Vorteile 3 Nachteile 4 Geschichte 5 Weblinks

Blu-ray Disc (BD) Compact Disc (CD) Digital Multilayer Disk (en) Digital Versatile Disc (DVD) Enhanced Versatile Disc (EVD) Fluorescent Multilayer Disc (en) GD-ROM

High Density DVD (HD DVD) Holographic Versatile Disc (HVD) Laserdisc (LD) Magneto Optical Disk (MOD) MiniDisc (MD) Phasewriter Dual (PD) Professional Disc for Data (PDD)

Protein-coated Disc (PCD) TeraDisc Ultra Density Optical (UDO) Universal Media Disc (UMD) Versatile Multilayer Disc (VMD)

GCN (GameCube) und Wii Optical Disc, optische

Speicher für Spielkonsolen

200 MOS - Speicher


DVD±R und DVD±RW - haben eine Art 'Verfallsdatum'. Bei unsachgemäßer Lagerung können Probleme während des Lesevorganges auftreten. Begrenzte Zahl an Schreibzyklen bei wiederbeschreibbaren Medien (DVD-RAM max. 1.000.000, andere CD/DVD-Formate: max. 1.000, in der Realität meistens deutlich weniger).

Geschichte Die Firma Foto-mem wurde 1967 gegründet, mit dem Ziel, Massenspeicher für Computer zu entwickeln, die im Gegensatz zu den damals üblichen Verfahren Daten nicht magnetisch auf Trommeln, Bändern oder Platten speichern, sondern auf optischen Medien. Anfang der 70er Jahre gelang es Foto-Mem, eines seiner FM 360 Systeme an die New-York Times zu verkaufen, die damit Inhalte alter Ausgaben archivieren wollte Schließlich ging Foto-Mem das Geld aus und die Firma musste 1973 Konkurs anmelden, ohne je ein vollständig funktionierendes Gerät installiert zu haben.

Weblinks Optical Storage Technology Association (OSTA) (http://www.osta.org/)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Optischer_Speicher“ Kategorien: Speichermedium | Laseranwendung

201

CD-ROM aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

CD-ROM (auch CDROM) ist die Abkürzung für Compact Disc Read-Only Memory, ein physikalischer Permanentspeicher für digitale Daten. Sie ist nach der Audio-CD die zweite Anwendung der Compact Disc.

Einleitung

Eine CD-ROM speichert zwischen 650 MB (entspricht 74

Speichermedium

Allgemeines

NameCompact Disc Read-Only Memory

Abkürzung CD-ROM

Ursprung

Erfindungsjahr 1979

Erfinder Philips + Sony

Lesegeschwindigkeit (1x)

153,6 KB⁄s (Nutzdaten, bei CD-ROM Mode 1) 176,44 KB⁄s (Audiodaten bei CD-DA)

Daten

Größe 12 cm × 1,2 mm

Speicherkapazität 650 MB bis 879 MB

Schnellste Lesegeschwindigkeit

72× (11,32 MB⁄s)

Lebensdauer (in Jahren) 10 bis 50

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Aufbau des Datenträgers 3 Lebensdauer 4 Herstellung 5 Normen und Standards 6 Spezielle Arten und Formate 7 Multimedia-Computerspiele 8 Sonstiges 9 Fußnoten 10 Weblinks

[1]

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[2][2]

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[2]

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202 MOS - Speicher

Minuten Musik – den herkömmlichen Audio-CDs) und 879 MB (100-Minuten-CDs, die aber nicht in allen CD-Brennern beschrieben und nicht in allen CD-Laufwerken gelesen werden können). Je nach Qualität und Art des Rohlings und nach Brenner kann auch noch außerhalb des standardisierten Bereichs gebrannt werden (überbrennen). Dies kann jedoch zu Fehlern oder Verlust der Daten in diesem Bereich führen.

Fast alle heutigen Computersysteme verfügen über ein CD-ROM-Laufwerk, mit dem die Daten gelesen werden können. Die CD-ROM ist eines der wenigen Speichermedien, die von verschiedenen Computersystemen gelesen werden können, vorausgesetzt die Daten wurden nach der ISO-9660-Norm aufgezeichnet. Andere verbreitete Dateisysteme für CD-ROM sind zum Beispiel Rockridge (UNIX) und Joliet (Windows). Unterstützt eine CD-ROM die El-Torito-Spezifikation, so ist sie ein bootfähiges Medium. Alle diese Spezifikationen setzen jedoch auf der ISO 9660-Norm auf.

Die erste CD wurde 1979 auf einer Messe in Tokio vorgestellt. Die CD-ROM ist das zur Zeit am weitesten verbreitete Medium zum Verteilen von Daten und Software.

Die CD-ROM ist eines der offiziellen CD-Formate, die in den so genannten „Bunten Büchern“ (Rainbow Books) spezifiziert sind, im Falle von CD-ROM im „Yellow Book“ (= Daten-CDs) und „Orange Book“ (= beschreibbare CD-Formate mit Multisession-Fähigkeit). Nur wenn die dort beschriebenen Spezifikationen eingehalten werden, darf die CD-ROM das von Philips vergebene offizielle Compact-Disc-Logo tragen. Es existieren weitere spezielle Formate, z. B. CD-ROM XA, CD-Extra, CD-i usw. Da bei der Herstellung von CD-ROM (und deren Derivate) bestimmte Patente von Philips und/oder Sony genutzt werden, ist zu prüfen, ob dafür von den Patentrechtsinhabern Lizenzgebühren verlangt werden. Die Herstellung und der Vertrieb von unlizenzierten CD-ROMs kann in Deutschland oder anderen Ländern durch die Patentinhaber oder staatliche Stellen verfolgt oder verboten werden.

Aufbau des Datenträgers Als Trägermedium verwendet man hier eine Kunststoffscheibe (aus Polycarbonat) mit einem Durchmesser von 12 cm und einer Stärke von 1,2 mm. Auf dieser Scheibe befindet sich, analog zur Schallplatte, eine spiralförmig verlaufende Datenspur. Die Informationsträger sind auch hier kleine Vertiefungen, die sogenannten „Pits“ und „Lands“, welche im Maßstab gegenüber der Schallplatte jedoch um ein Vielfaches verkleinert wurden, unterschiedlich lang sind und so konzipiert wurden, dass sie mit Hilfe eines Laserstrahls ausgelesen werden können. Der Wechsel von „Pit/Land“ bzw. „Land/Pit“ bildet eine 1, gleich bleibende Struktur „Land/Land“ oder „Pit/Pit“ eine 0. Da die „Pits“ und „Lands“ bei aufeinanderfolgenden Einsen zu kurz würden, muss dieser Fall ausgeschlossen werden. Daher ist eine Umkodierung notwendig, welche mit der 8-zu-14-Modulation realisiert wird. (Mit weiteren 3 Merge-Channelbits getrennt ergeben sich 17 Kanalbits für ein Datenbyte.) Die „Tonspur“ (Datenspur) verläuft hier von innen nach außen. Am Anfang der Datenspur ist ein Inhaltsverzeichnis gespeichert. Bei Musik-CDs gibt dieses Inhaltsverzeichnis die Anzahl der Musiktitel, die Einspieldauer und die Gesamtspieldauer an. Bei Daten-CDs sind dort nicht die Positionen der Dateien und Verzeichnisse gespeichert, sondern nur die Positionen der Tracks, welche ihrerseits normalerweise ein Dateisystem (mit Positionen der Dateien und Verzeichnisse) enthalten. (Siehe auch Dateisystem oder CDFS.)

Die Drehzahl wird abhängig von der Stellung des Abtastsystems auf der spiralförmigen Spur reguliert, um eine gleich bleibende Datenabtastung zu gewährleisten. So wird bei 1-facher

Rohling-Datenschicht CD-Brenner CD-ROM-Mechanik

203

Lesegeschwindigkeit vom Abtastsystem innen die Drehzahl etwa auf 520 U/min und außen etwa auf 210 U/min eingestellt. Dabei werden Nutzdaten mit einer Geschwindigkeit von etwa 153,6 KB⁄s (CD-ROM Mode 1) bis 176,44 KB⁄s (Audio-CD) ausgelesen. Dazu kommen noch Zusatzinformationen für Fehlerkorrektur, Codierung und Synchronisation.

Lebensdauer Die Frage, wie lange die Daten effektiv gelesen werden können, ist offen. Schätzungen schwanken zwischen 10 und 50 Jahren, wobei die Alterung sehr stark von Temperaturschwankungen abhängig ist; auch Sonnenlicht lässt die Medien sehr viel schneller altern. Sicher ist, dass Daten auf CD-ROM bedeutend kürzer als auf Papier oder Pergament halten. Man geht davon aus, dass eine optimale Lebensdauer durch Lagerung bei konstant 20 Grad Celsius in absoluter Dunkelheit erreicht werden kann.

Herstellung Eine CD-ROM besteht aus einem Kunststoffträgermaterial mit Aluminiumbeschichtung. Die digitaleInformation wird auf einer spiralförmigen Spur aufgebracht. Es werden stellenweise Vertiefungen in die Beschichtung gepresst, so genannte Land. Diese reflektieren etwas früher als die unbeschädigten reflektierenden Stellen, die Pits genannt werden, da die CD-ROM von der Oberseite gepresst werden und von der Unterseite gelesen werden. Somit sind die Pits von der Lese-Seite nicht als Vertiefungen sichtbar, sondern als Hügel. Die Übergänge von Land zu Land, und umgekehrt, reflektieren das Licht nicht. Beim Lesen tastet ein schwacher Laserstrahl die gespeicherte Information ab.

Die industrielle Herstellung einer CD-ROM beginnt mit dem Premastering. Dabei werden die auf einer CD-ROM zu speichernden Daten zusammengestellt, der dazugehörige Fehlererkennungscode (EDC/Fehlerkorrektur) wird berechnet. Der Fehlererkennungscode dient zum Beseitigen von Fehlern beim Lesen einer CD-ROM durch ein spezielles Korrekturverfahren (CIRC, Cross-Interleaved Reed-Solomon Code). Beim Premastering werden den eigentlichen Nutzdaten auch noch Synchronisationsbytes und Headerinformationen vorangestellt.

Beim nächsten Produktionsschritt, dem Mastering, werden mit Hilfe eines starken Laserstrahles die Daten vom Premastering auf eine photoresistente Schicht übertragen, ausgewaschen und versilbert. Das Negativ einer CD-ROM, ein so genannter Glasmaster, entsteht. In den meisten Fällen wird der Glasmaster vor der CD-ROM-Herstellung mit Nickel galvanisiert, der so genannte „Vater“ entsteht.

Die eigentliche CD-ROM-Herstellung (Pressung) erfolgt in einem Spritzgussverfahren (genau: Spritzprägen). Das Ausgangsmaterial, flüssiges Polycarbonat, wird mit Hilfe des Masters in eine Form gepresst, anschließend mit Aluminium beschichtet und versiegelt. Meist wird noch ein CD-Label im Siebdruckverfahren auf die Oberseite der CD-ROM aufgetragen.

Siehe auch: Presswerk (Optische Datenträger)

Normen und Standards ISO/IEC 10149, basiert auf dem Standard ECMA-130 (http://www.ecma-international.org/publications/standards/Stnindex.htm#DataInterchange).

Spezielle Arten und Formate

[1][1]

204 MOS - Speicher

Verschiedene Arten von Medien:

CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) – die industriell hergestellte, also „gepresste“ und unzählig vervielfältigte, klassische Compact Disc CD-R (Compact Disc Recordable) – übliche, einmal beschreibbare CD CD-RW (Compact Disc ReWritable) – mehrfach lösch- und wiederbeschreibbare CD DVD (Digital Versatile Disc) – Nachfolger der CD mit vielfacher Speicherkapazität

Verschiedene Formate und Dateisysteme respektive mögliche Inhalte auf den genannten Medien:

CD-DA (Compact Disc Digital-Audio) – klassische Audio-CD CD-i (Compact Disc Interactive) – inzwischen veraltetes Multimedia-Format MiniDVD – Standard-CD, die mit DVD-konformen Daten beschrieben wurde CD-MRW (Compact Disc Mount Rainier Read/Write) – Verwendung von Standard-CD-R(W)-Medien zum Beschreiben in MRW-fähigen Laufwerken ISO 9660 – bei der CD-ROM übliches Dateisystem UDF (Universal Disk Format) – plattformunabhängiges Dateisystem für optische Medien, welches ISO 9660 ergänzt oder ersetzt

Multimedia-Computerspiele 1991 erschienen die ersten Multimedia-Computerspiele auf CD-ROM, zuvor wurden mehrere Disketten für ein Spiel benötigt. Das erste derartige Spiel für den PC war Sherlock Holmes: Consulting Detective. Die ersten Spielkonsolen mit CD-ROM-Laufwerk waren FM Town Marty von Fujitsu (1991, eingebautes Laufwerk) und die PC Engine (ab 1988, jedoch externes Gerät). Frühe Spiele waren oft identisch mit den Diskettenversionen oder hatten zusätzlich erweiterte Zwischensequenzen und Musik, die während des Spiels direkt von der CD abgespielt wurde.

Sonstiges Ursprünglich sollte die Kapazität nach Planung der Erfinder 60 Minuten Musik betragen und somit einen Durchmesser von genau 10 Zentimeter haben, die CD-ROM könnte somit in die Brusttasche eines Hemdes gesteckt werden. Die willkürlich erscheinenden 74 Minuten entstanden aber nicht, weil der Chef der Entwicklungsfirma gerne die 9. Sinfonie von Ludwig van Beethoven hörte, die jedoch 74 Minuten lang ist, und deshalb nicht auf einer Audio-CD Platz gefunden hätte. Vielmehr wurde der für die Spieldauer entscheidende CD-Durchmesser durch die Philips-Führung folgendermaßen begründet: Die Compact Cassette war ein großer Erfolg, die CD sollte nicht viel größer sein. Die Compact Cassette hatte eine Diagonale von 11,5 cm, die Ingenieure machten die CD 0,5 cm größer.

Das Loch in der Mitte der CD-ROM hat seinen Ursprung in der Größe einer alten niederländischen

Die CD-ROM kann leicht die ganzen Texte und Bilder eines Lexikons oder Atlanten enthalten - und auch Audio- und

Videostreams

205

Compact Disc aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die Compact Disc (kurz: CD, englisch für kompakte, kleine Scheibe) ist ein optischer Speicher, der Anfang der 1980er Jahre zur digitalen Speicherung von Musik von Philips und PolyGram in Zusammenarbeit mit dem Chemiekonzern Bayer eingeführt wurde (Audio-CD) und die Schallplatte ablösen sollte.

Später wurde das Format der Compact Disc erweitert, um nicht nur Musik abspeichern zu können. Als CD-ROM wird sie seitdem auch zur Speicherung von Daten für Computer eingesetzt.

Geschichte In den 1970er Jahren experimentierten Techniker vieler Elektronikkonzerne mit digitaler Audio-Aufzeichnung. Die ersten Prototypen basierten auf magnetischen Speichermedien, wie etwa der klassischen Audiokassette. Das erste Gerät auf dem Markt war im Jahr 1977 eine Erweiterung des Betamax-Videorekorders der Firma Sony um einem Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandler (PCM-Modulator bzw. -Demodulator). Dabei wird durch den Videorekorder statt eines Video-Signals das PCM-Signal aufgezeichnet, das – durch entsprechende Kodierung in „Zeilen“ bzw. „Bilder“ (Frames) organisiert – aus der Sicht eines Videorekorders wie ein Videosignal aussieht. Das klobige Gerät und die Störgeräusche bei der Aufnahme konnten die Konsumenten nicht überzeugen. Sony entwickelte spezielle Verfahren, um die Störgeräusche zu eliminieren. Um diese Verfahren zu testen, wurden heimlich bei einer Probe eines Konzertes von Herbert von Karajan im September 1978 Aufnahmen gemacht. Karajan wurde später von Sony eingeladen, die Aufnahmen zu beurteilen.

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Funktionsweise

2.1 Aufbau einer CD 2.2 Lesevorgang 2.3 Fehlerkorrektur und Fehlerverdeckung

3 CD-Formate 3.1 Physische Formate 3.2 Datenformate

4 Kopierschutz 5 Herstellerangaben und Produktionsstätten 6 Beschreibbare CDs 7 Labelaufdruck 8 Umweltschutz 9 Vernichtung der Daten

9.1 Nicht empfehlenswerte Verfahren 9.2 Empfehlenswerte Verfahren

10 Literatur 11 Siehe auch 12 Quellenangaben 13 Weblinks

Compact Disc (CD-R)

Gepresste CD betrachtet mit Raster-Elektronen-Mikroskop

(Schutzlack entfernt)

206 MOS - Speicher

Zur gleichen Zeit arbeitete man bei der Firma Philips an der optischen Aufzeichnung von Bildsignalen, die die Videotechnik revolutionieren sollte. Bald entwickelte sich die Idee, diese Technologie auch für digitale Klänge zu nutzen. Beide Firmen standen plötzlich vor einem Problem. Sie hatten die neuen optischen Datenträger (LaserDisc), ähnlich der Schallplatte, mit einem Durchmesser von 30 cm geplant. Bei der Aufzeichnung von bewegten Bildern konnten sie darauf etwa 30 Minuten Videomaterial unterbringen. Bei Audiodaten reichte aber die Kapazität für 13 Stunden und 20 Minuten. Sony war klar, dass das Geschäftsmodell der Musikindustrie zusammenbrechen würde, wenn sie solche Mengen an Musik an die Verbraucher vermarkten sollte. Nachdem die Compact Cassette (Audiokassette) 1963 von der Firma Philips allein entwickelt worden war, versuchten beide Firmen hier, einen gemeinsamen Standard herbeizuführen. Der für die Spieldauer entscheidende Durchmesser der CD wurde durch die Philips-Führung folgendermaßen begründet: Die Compact Cassette war ein großer Erfolg, die CD sollte nicht viel größer sein. Die Compact Cassette hatte eine Diagonale von 11,5 cm, die Ingenieure machten die CD 0,5 cm größer. Es ranken sich allerlei moderne Legenden um die Festlegung dieser Parameter; eine der schönsten und populärsten ist folgende:

Nach einigen Differenzen schlug Sony vor, dass die neue CD zumindest Ludwig van Beethovens Neunte Sinfonie in voller Länge erfassen sollte. Dieser Vorschlag hing mit Sonys damaligem Vizepräsidenten Norio Ohga zusammen, der ein ausgebildeter Opernsänger war und sich schon immer wünschte, Beethovens Neunte ohne störendes Wechseln des Tonträgers hören zu können. Ohgas Lieblingsversion, dirigiert von Herbert von Karajan, dauert 66 Minuten, die Techniker hielten sich an die damals längste zur Verfügung stehende Version von Wilhelm Furtwängler. Die Aufnahme aus dem Jahre 1951 dauert exakt 74 Minuten. 74 Minuten bedeuteten 12 cm Durchmesser des optischen Datenträgers. Die Entwickler von Philips reagierten mit Skepsis, da eine so große Scheibe nicht in die Anzugtaschen passen würde. Daraufhin maßen Sony-Entwickler Anzüge aus aller Welt aus, mit dem Ergebnis, dass für 12 cm überall Platz ist. Damit hatte Beethoven einen neuen Standard festgelegt.

Eine ähnliche Version der Geschichte wird von Philips offiziell verbreitet ; der Einfluss von Beethoven auf die CD-Spieldauer wird jedoch teilweise auch bestritten .

1980 wurde von Philips und Sony für Audioaufnahmen der „Red Book“-Standard festgelegt. Der Durchmesser des Innenloches der CD (15 mm) wurde eher durch Zufall durch die niederländischen Philips-Entwickler bestimmt. Als Maßstab diente hierfür das im übrigen seinerzeit weltweit kleinste Geldstück, das niederländische 10-Cent-Stück (das so genannte „Dubbeltje“), das ein Entwickler bei der Festlegung des Durchmessers dabei hatte. Auf der Funkausstellung 1981 in Berlin wurde die CD erstmals öffentlich vorgestellt. Im Jahr darauf, am 17. August 1982, begann in Langenhagen bei Hannover, in den Produktionsstätten der damaligen Polygram, die weltweit erste industrielle Produktion des letzten ABBA-Albums The Visitors , und zwar noch bevor am 1. Oktober 1982 der erste in Serie produzierte CD-Spieler auf dem Markt angeboten werden konnte. 1988 wurden weltweit bereits 100 Millionen Audio-CDs produziert. Ab 1988 gab es Systeme mit denen CD gebrannt werden konnten (und nicht wie dahin gepresst werden mussten).

Funktionsweise

Lichtbeugung an einer Compact Disc

[1][2]

[3]

[4][5]

207

Aufbau einer CD

Bei einer CD werden Daten mit Hilfe einer von innen nach außen laufenden Spiralspur gespeichert (also umgekehrt wie bei der Schallplatte). Die Spiralspur besteht aus Pits (Gruben) und Lands (Flächen), die auf dem Polycarbonat aufgebracht sind. Die Pits haben eine Länge von 0,833 bis 3,054 µm (1 µm=10-6m = 1 Millionstel Meter) und eine Breite von 0,5 µm. Die Spiralspur hat etwa eine Länge von 6 Kilometern. Je nachdem, wie die CD erstellt wird, entstehen die Pits. Bei der industriellen Herstellung werden ein Glas-Master und ein Stamper (Negativ) gefertigt. Anschließend wird damit in Presswerken eine Polycarbonatscheibe geprägt und die Reflexions- und Schutzschicht angefügt.

Eine CD besteht demnach zum größten Teil aus Polycarbonat. Die Reflexionsschicht darüber besteht aus einem Aluminiumfilm. Das Laserlicht wird an den Lands einfach reflektiert, jedoch tritt an den Pits Auslöschung durch destruktive Interferenz auf. Daher werden biniarisierte Daten ausgelesen.

Zwischen dem Aufdruck und der Aluminiumschicht (Dicke der Reflexionsschicht: 50–100 nm) befindet sich noch eine Schutzschicht, die dazu da ist, das Aluminium vor äußeren Einflüssen zu schützen. Als Abschluss kommt dann noch der Aufdruck, der mit dem Siebdruckverfahren (bis zu 6 Farben) aufgebracht wird. Alternativ kann auch das Offsetdruckverfahren eingesetzt werden.

CD-RW (Rewritable)

Ein CD-RW-Medium besitzt im Prinzip die gleichen Schichten wie ein CD-R-Medium. Die reflektierende Schicht ist jedoch eine Silber-Indium-Antimon-Tellur-Legierung, die im ursprünglichen Zustand eine polykristalline Struktur und reflektierende Eigenschaften besitzt. Beim Schreiben benutzt der Schreibstrahl seine maximale Leistung und erhitzt das Material auf 500 bis 700 Grad Celsius. Dieses führt zu einer Verflüssigung des Materials. Beim Löschen des Datenträgers wird die Legierung wieder in ihren Ursprungszustand versetzt und ist damit wieder beschreibbar.

Lesevorgang

Das Abtasten einer CD erfolgt mittels einer Laserdiode

(Wellenlänge 780 nm), wobei die CD von unten gelesen wird. Der Laserstrahl wird an der CD reflektiert und mit einem halbdurchlässigen Spiegel in eine Photodiode

Geometrischer Aufbau einer CDMerkmal CD mit Loch Loch CD ohne Loch

Radius 60 mm 7,5 mm

Durchmesser 120 mm 15 mm

Umfang 377 mm

Randhöhe 1,2 mm

Oberfläche 111,33 cm² 1,77 cm² 113,10 cm²

Volumen 13,360 cm³ 0,212 cm³ 13,572 cm³

Masse 15,9 g

Schematischer Querschnitt einer CD

208 MOS - Speicher

gebündelt. Der Spiegel muss nur deswegen halbdurchlässig sein, weil der Laserstrahl auf seinem Weg zur CD dort hindurch muss. Die Photodiode registriert Schwankungen in der Helligkeit. Die Helligkeitsschwankungen kommen von destruktiver Interferenz des Laserstrahls mit sich selbst: Immer, wenn der Laser sowohl auf Pit als auch auf Land trifft, kommen zwei Teilwellen zurück, die einen

leicht unterschiedlichen Laufweg haben. Der Höhenunterschied zwischen Pit und Land ist so gewählt, dass der Laufzeitunterschied genau eine halbe Wellenlänge beträgt (siehe auch Abschnitt "Funktionsweise"). Die Photodiode registriert also nur dann eine Helligkeitsschwankung, wenn von Pit auf Land umgeschaltet wird.

Da die CDs von der Oberseite gepresst werden, sind die Pits (Vertiefungen) auf der Unterseite als Hügel zu erkennen, die Lands (Erhöhungen) als Vertiefungen (siehe Grafik).

Die Optik mit dem Laser bewegt sich beim Abspielen vom ersten zum letzten Track im Gegensatz zur Schallplatte von innen nach außen. Außerdem hat die CD keine feste Winkelgeschwindigkeit; diese wird der momentanen Position des Lesekopfs angepasst, so dass die Bahngeschwindigkeit (CLV) und nicht, wie bei der Schallplatte, die Winkelgeschwindigkeit (CAV) konstant ist. Wenn derLesekopf weiter außen auf der CD liest, wird die CD also langsamer gedreht. Auf diese Weise kann überall auf der CD mit voller Aufzeichnungsdichte gearbeitet werden, und es ist ein konstanter Datenstrom gewährleistet, wie er bei Audio-CDs benötigt wird. Im Red Book sind zwei verschiedene Geschwindigkeiten festgelegt, 1,2 m/s und 1,4 m/s. Somit sind entsprechend Spielzeiten von 74:41 Min. bzw. 64:01 Min., unter maximaler Ausnutzung aller Toleranzen 80:29 Min. möglich. Dieses entspricht einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 500 min-1 am Anfang der CD (innere Spuren) bis 200 min-1 am Außenrand der CD. Die Umdrehungsgeschwindigkeit wird durch einen Regelkreis anhand des Füllstandes eines FIFO-Puffers geregelt. Daher muss keine Umschaltung (weder manuell noch automatisch) je nach benutzter Linear-Geschwindigkeit erfolgen. Durch den genannten Puffer wirken sich Schwankungen der Drehzahl nicht auf die Wiedergabegeschwindigkeit aus.

Viele moderne CD-ROM-Laufwerke, ab etwa einer 32-fachen Lesegeschwindigkeit, lesen Daten-CDs hingegen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, um das zeitraubende Beschleunigen und Abbremsen der CD beim Hin- und Herspringen der Leseposition zu vermeiden. Dadurch hängt bei Daten-CDs die Datenrate von der Position des Lesekopfes ab. Die auf der Verpackung angegebene Geschwindigkeit ist fast immer die maximale, nicht die durchschnittliche.

Durch die mechanische Festigkeit der CD sind der Steigerung der Lesegeschwindigkeit durch Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit Grenzen gesetzt. Sogenannte „52-fach“-Laufwerke drehen die CD mit bis zu 10000 min-1. Bei diesen Geschwindigkeiten führen selbst kleinste Unwuchten der CD zu starken Vibrationen, die einerseits deutlich hörbar sind und zum anderen auf Dauer sowohl Laufwerk als auch Medium beschädigen können.

Lichtmikroskopische Aufnahme im Randbereich der

Daten

Mikroaufnahme von Pits und Lands einer CD

Auslesevorgang bei einer CD

209

Fehlerkorrektur und Fehlerverdeckung

Damit sich Kratzer nicht negativ auf die Lesbarkeit der Daten auswirken, sind sie mittels Paritätsbits gesichert, so dass Bitfehler erkannt und korrigiert werden können. Weiterhin sind aufeinanderfolgende Datenbytes per Interleaving auf eine größere Fläche verteilt. Der Cross Interleaved Reed-Solomon-Code (CIRC) ist dadurch in der Lage, einen Fehler von bis zu 3500 Bit (das entspricht einer Spurlänge von etwa 2,4 mm) zu korrigieren und Fehler von bis zu 12000 Bit (etwa 8,5 mm Spurlänge) bei der Audio-CD zu kompensieren. Bei sehr starker Verkratzung des Datenträgers von der Unterseite ist jedoch die Lesbarkeit eingeschränkt oder ganz unmöglich.

CD-Formate

Physische Formate

CDs gibt es in zwei verschiedenen Größen, am weitesten verbreitet ist die Version mit einem Durchmesser von 120 mm und 15 Gramm Gewicht, seltener die Mini-CD mit einem Durchmesser von 80 mm und 30 % der Speicherkapazität.

Daneben gibt es auch CDs, die eine andere Form als eine runde Scheibe haben. Diese sogenannten Shape-CDs haben aber aufgrund von Abspielproblemen (eventuelle Unwucht, kein Einzug in Slot-Laufwerke) nur eine geringe Verbreitung.

Datenformate

Die Format-Spezifikationen der Audio-CD (kurz CD-DA), bekannt als „Red Book“-Standard, wurde von der niederländischen Elektronikfirma Philips entworfen. Philips besitzt auch das Recht der Lizenzierung des „Compact Disc Digital Audio“-Logos. Die Musikinformationen werden in 16-Bit-Stereo und einer Abtastrate von 44,1 kHz gespeichert.

Übliche CD-Größen

Typ / Bezeichnung Anz. SektorenKapazität Daten 2048 Byte/Sektor

Kapazität Audio 2352 Byte/Sector

in MB in MiB in MB in MiB in min

Visitenkarten-CD ca. 20–100

8 cm 94 500 193,536 ≈ 184,6 222,264 ≈ 212,0 23

„540 MB“ 283 500 580,608 ≈ 553,7 666,792 ≈ 635,9 63

„640 MB“ 333 000 681,984 ≈ 650,3 783,216 ≈ 746,9 74

„700 MB“ 360 000 737,280 ≈ 703,1 846,720 ≈ 807,4 80

„800 MB“ 405 000 829,440 ≈ 791,0 952,560 ≈ 908,4 90

„900 MB“ 445 500 912,384 ≈ 870,1 1047,816 ≈ 999,3 99

Mini-CD

210 MOS - Speicher

Die Spezifikationen der CD-ROM sind im „Yellow Book“-Standard festgelegt. Ein plattformübergreifendes Dateisystem der CD-ROM wurde von der ISO im Standard ISO 9660 festgeschrieben. Sein Nachfolger lautet UDF.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Audio-CD-Inhalte und CD-ROM-Inhalte auf einer Scheibe zu kombinieren. Die einfachste Möglichkeit ist, einen Datentrack mit dem CD-ROM-Inhalt als ersten Track auf die CD zu bringen (Mixed Mode CD, von einigen Herstellern auch "Enhanced CD" genannt). Dem heutzutage praktisch nichtigen Vorteil, dass der CD-ROM-Teil auch in ausschließlichsinglesession-fähigen CD-ROM-Laufwerken gelesen werden kann, steht der vergleichsweise große Nachteil der Sichtbarkeit dieses Daten-Tracks für normale Audio-CD-Spieler entgegen – insbesondere, da manche ältere CD-Spieler auch eine Wiedergabe der CD-ROM-Daten als Audio-Daten ermöglichen. Das äußert sich je nach Lautstärke-Einstellung in ohrenbetäubendem und für die Lautsprecher potentiell gefährlichem Krach.

Als Weiterentwicklung wurde der Datentrack mit einer Index-Position von 0 versehen, wodurch dieser nicht ohne Weiteres vom CD-Spieler angefahren wird (i-Trax). Das Audiomaterial beginnt, wie bei einfachen Audio-CDs, an Index-Position 1 von Track 1. (Problematisch für die Abspielkompatibilität könnte die Tatsache sein, dass innerhalb des Tracks der Modus von CD-ROM Mode 1 auf Audio wechselt.)

Heutzutage werden zu diesem Zwecke praktisch ausschließlich Multisession-CDs benutzt – die Audio-Daten liegen in der ersten Session, während die CD-ROM-Daten in einer zweiten Session enthalten sind, die nicht von Audio-CD-Spielern gelesen wird (CD-Extra, CD-Plus). Natürlich wirdfür den CD-ROM-Teil ein multisession-fähiges CD-ROM-Laufwerk benötigt.

Eine Mischform ist die CD+G (CD+Graphics). Diese CD stellt zeitgleich zur Musik grafische Daten, wie beispielsweise den Liedtext, auf einem Bildschirm dar. Häufigste Anwendung dieses Formats ist Karaoke. In einem normalen CD-Spieler ist die CD+G als normale Audio-CD abspielbar. Auf speziellen Geräten (in jüngerer Zeit auch auf einigen DVD-Playern) ist zur Musik auch die Grafik auf dem Bildschirm sichtbar. Die zusätzlichen Daten sind im Subcode der CD gespeichert, d. h. sie sind im Gegensatz zum Inhalt von Datentracks nicht ohne weiteres für ein Betriebssystem sichtbar.

Deutlich häufiger anzutreffen sind dagegen CDs mit CD-Text. Dabei werden im Subcode der CD (meistens im Lead-In) zusätzliche Informationen, wie Titel und Künstler, gespeichert. Diese Informationen werden dann von entsprechenden Playern während des Abspielens der CD angezeigt.

Weitere CD-Formate sind:

CD-i CDTV Photo-CD Video-CD

Daneben gibt es noch sogenannte HDCD-CDs. Diese sind mit echten 20 Bit Musik-Information kodiert (anstatt mit 16) und sollen in Verbindung mit entsprechenden CD-Playern besser klingen. HDCD-CDs sind vollständig kompatibel mit „normalen“ CD-Spielern.

Weiterentwicklungen der CD sind die DVD-Audio und die Super Audio Compact Disc. DVD-Medien bieten wesentlich größere Speicherkapazitäten von 4,7 GB (single-layer) bis 8,5 GB (double/dual-layer). Der Hauptvorteil ist dabei nicht eine längere Spielzeit, sondern dass die Audiodaten in 5.1-Sound vorliegen. Während die Super-Audio-CD und DVD Audio ausschließlich

211

für Audiodaten verwendet werden, sind bei der DVD verschiedene Datenarten möglich (DVD Data, DVD-Video, DVD-Audio, DVD-ROM, DVD+/-R(W)). Allerdings hat sich die DVD im Audiobereich noch nicht durchgesetzt.

Eine von Sony weiterentwickelte Variante der CD war die Double Density Compact Disc (DDCD). Die Speicherkapazität beträgt das doppelte der Speicherkapazität der 640 MB CD. Sie war in zwei Varianten erhältlich, eine beschreibbare (DDCD-R) und eine wiederbeschreibbare (DDCD-RW). Sie konnte sich jedoch nicht gegen die DVD durchsetzen.

CD Video ist (im Gegensatz zur Video-CD) keine Compact Disc, sondern eine LV/LD (Bildplatte) mit analogen Videodaten und digitalen Audio-Daten.

Kopierschutz Seit 2001 werden in Deutschland auch Medien verkauft, die einen sogenannten „Kopierschutz“ enthalten, der das digitale Auslesen der Audiodaten (und damit das Kopieren der Daten) verhindern soll. Sie wurden zwar teils ebenfalls als Audio-CD bezeichnet, entsprechen aber nicht den Bestimmungen des Red Book und sind daher in diesem Sinne keine echten Audio-CDs. Diese CDs werden daher auch als „Un-CDs“ (Nicht-CDs) bezeichnet.

Der Kopierschutz wird realisiert, indem Fehler oder eine zweite fehlerhafte Session eingebracht werden. Auch Abweichungen vom Red-Book-Standard sind möglich, aber eher selten. Es ist dadurch ein „Abspielschutz“, da die Fehler bewirken sollen, dass sich die Scheiben nicht mehr in dem CD-Laufwerk eines PCs abspielen lassen. Dies soll so das Kopieren verhindern. Manche CD-Laufwerke und die meisten DVD-Laufwerke lassen sich davon aber nicht beeindrucken und können die Daten trotzdem lesen, wodurch die Idee des „Kopierschutzes“ nutzlos wird.

Stattdessen verursachen die Fehler auf der „kopiergeschützten“ CD Probleme auf zahlreichen normalen Audio-CD-Spielern und vielen Autoradios mit integrierter CD-Einheit. Diese können diese Medien entweder gar nicht oder nur teilweise abspielen, teilweise entstehen sogar ernsthafte Hardware-Defekte, etwa wenn die Firmware des CD-Spielers abstürzt und sich das Medium nicht mehr auswerfen lässt. Außerdem leidet oft die Tonqualität und die Lebensdauer des Abspielgerätes unter dem Kopierschutz.

Seit dem 1. November 2003 sind die Hersteller in Deutschland durch § 95d UrhG gesetzlich verpflichtet, kopiergeschützte Medien als solche zu kennzeichnen. Solchen Kennzeichnungen ist jedoch kaum zu entnehmen, welche Probleme im Einzelfall mit Autoradios, MP3-CD-Spielern, DVD-Spielern und anderen Geräten auftreten können.

Da der Kopierschutz in der Praxis kaum wirksam ist und immer wieder zu Problemen beim Abspielen führt, haben inzwischen (2005) einige Labels das Konzept „kopiergeschützte CD“ wieder aufgegeben und veröffentlichen wieder gewöhnliche, ungeschützte Red-Book-CDs, zumal sich so außerdem Lizenzgebühren für den Kopierschutz einsparen lassen.

Herstellerangaben und Produktionsstätten Die meisten CDs sind auf dem Innenring der Abtastseite mit Angaben zum Hersteller, dem Produktionsland (zum Beispiel Made in Germany by EDC, Made in France by PDO oder Mastered by DADC Austria) und weiteren Kennungen (zum Beispiel Katalog-Nr., IFPI-Kennung, Source Identification Code (SID)) versehen. Diese Identifizierungs-Merkmale befinden sich i. d. R. auf einem etwa 5 mm breiten Kreis und sind

212 MOS - Speicher

mit dem bloßen Auge nur schwer zu erkennen. Eine Lupe und gutes Licht schaffen aber Abhilfe.

Gerade für Sammler von CDs sind solche Hinweise teilweise sehr wichtig, da man daran zum einen die legal hergestellte CD von einer illegalen Schwarzkopie unterscheiden und zum anderen „Sonderpressungen“ erkennen kann. Oftmals werden CDs eines Interpreten mit gleichem Inhalt in verschiedenen Ländern produziert. Die Auflagen können unterschiedlich hoch und dementsprechend wertvoll für Sammler und Fans sein.

Siehe auch: Liste der CD-Presswerke

Beschreibbare CDs

Beschreibbare CDs gibt es in einer einmal beschreibbaren Variante (CD-R: CD recordable) und in einer mehrfach wiederbeschreibbaren Variante (CD-RW: CD rewritable). Während die Reflexionseigenschaften einer CD-R denen einer normalen CD nahezu gleichen und diese somit auch in älteren CD-Laufwerken gelesen werden können sollte, ist das Lesekopf-Ausgangssignal einer CD-RW weitaus schwächer, so dass diese Medien nur von entsprechend ausgestatteten (neueren) Laufwerken bzw. Spielern gelesen werden können.

Zum Beschreiben einer CD kann kein gewöhnlicher CD-Spieler benutzt werden. Hierfür ist ein sogenannter CD-Brenner (bzw. ein CD-Rekorder) notwendig. CD-Brenner können CDs nicht nur beschreiben, sondern auch lesen. Daher sind reine CD-ROM-Lesegeräte für Computer inzwischen praktisch vom Markt verschwunden.

Das ISO-9660-Dateiformat einer CD-ROM gestattet keine nachträglichen Änderungen. Außerdem können beschreibbare CDs – im Gegensatz zu Festplatten – nicht blockweise beschrieben werden. Deshalb muss erst ein Speicherabbild angelegt werden, das eine exakte Kopie der auf die CD zu brennenden Daten enthält. Dieses Abbild kann dann (als eine Spur) in einem Durchgang auf die CD „gebrannt“ werden. Dafür sind spezielle CD-Brennprogramme nötig. Aktuelle Brennprogramme beherrschen das Erstellen des Abbildes „on-the-fly“, das heißt, das ISO-Abbild wird während des Schreibens erzeugt.

Allerdings ist es möglich – solange die CD nicht abgeschlossen („finalisiert“) wurde –, mit einem weiteren Schreibvorgang nachträglich in einem weiteren Track (das heißt normalerweise in einer weiteren Session) der CD ein neues Dateisystem zu erzeugen. Die Verzeichnisse dieses neuen Dateisystems können auch auf Dateien in den älteren Tracks referenzieren. Da beim normalen Betrieb immer das Dateisystem des letzten Tracks benutzt wird, ist es möglich, Dateien hinzuzufügen, umzubenennen, zu „löschen“ und zu „überschreiben“. Natürlich kann der belegte Platz nicht erneut benutzt werden. Mit spezieller Software [zum Beispiel Isobuster (Windows) oder

Rückseite einer handelsüblichen Compact Disc mit verschiedenen

Identifizierungs-Merkmalen 1 = Label (hier EMI)

2 = CD-Presswerk (hier Uden)3 = Katalog-Nr. (hier

8937272) 4 = IFPI-Kennung (hier L047)5 = Ländercode (hier NL für

Niederlande)

[6]

Datenschicht eines Rohlings

213

ISO Master (Linux)] kann auch auf die älteren Dateisysteme zugegriffen werden, das heißt, die „gelöschten“ Dateien bzw. die älteren Versionen „überschriebener“ Dateien sind damit noch erreichbar (Multisession-CD).

Alternativ können die Dateisysteme in den Tracks einer CD (analog zu Partitionen einer Festplatte) als unterschiedliche virtuelle Laufwerke betrachtet werden (Multivolume-CD). Dieses Verfahren wurde zum Beispiel beim MacOS in den Versionen 8 und bis 9 eingesetzt, ist jedoch sonst kaum verbreitet.

CD-RWs können theoretisch blockweise beschrieben werden. Das muss auch vom CD-Brenner unterstützt werden. Da das auf CD-ROMs verwendete ISO-9660-Dateiformat keine nachträglichen Änderungen an Dateien unterstützt, wurde hierfür ein eigenes Dateisystem namens UDF eingeführt, das auch auf DVDs verwendet wird. Dieses Format erlaubt es, wie zum Beispiel bei einer Diskette, direkt Dateien auf der CD zu speichern.

Labelaufdruck Für den Labelaufdruck bei der CD stehen, ebenso wie bei der DVD, verschiedene Drucktechniken zur Auswahl:

Siebdruck: Im Siebdruck sind bis zu sechs Labelfarben möglich, es können Schmuckfarben (HKS oder Pantone) gewählt werden. Siebdruck ist derzeit die gängigste Variante, um CDs oder DVDs zu bedrucken, wird aber mehr und mehr vom Offsetdruck verdrängt. Der Siebdruck ist geeignet für gepresste CDs und DVDs, auch die Rohlingsbedruckung im Siebdruck ist möglich. Im Siebdruck sind die Farben sehr brillant. Trockenoffsetdruck: Im Trockenoffset sind vier Labelfarben möglich (CMYK), kombiniert mit dem Siebdruck bis zu sechs Labelfarben (CMYK im Offset und zusätzlich weiß Vollfläche und eine Schmuckfarbe im Siebdruck). Auf Grund der höheren Auflösung als im Siebdruck ist der Offsetdruck ideal für fotorealistische Darstellungen. Seit Anfang 2004 ist der Offsetdruck nicht nur für gepresste CDs und DVDs, sondern auch für CD-Rohlinge und DVD-Rohlinge möglich. Thermotransferdruck: Bei diesem Druckverfahren wird mit einem speziellen Drucker Farbe von einem Farbband durch Erhitzen des Druckkopfes auf die CD oder DVD übertragen. Technisch bedingt ist das Druckverfahren eher für Schriften und Logos geeignet. In der Praxis wird dieses Verfahren bei kleinen Auflagen (selbst gebrannte CDs und DVDs) angewendet. Thermoretransferdruck: Der Thermoretransferdruck ist die Weiterentwicklung des Thermotransferdrucks. Das Labelmotiv wird im Thermotransferdruckverfahren auf ein Übertragungsband gedruckt und davon dann eine Folie auf die CD aufgebracht. Durch diese Technik ist eine bessere Auflösung möglich. So kann bereits bei Kleinauflagen ein fotorealistischer Druck erreicht werden. Tintenstrahldruck: Einige Hersteller bieten Rohlinge mit papierähnlich beschichteter Oberfläche an. Derartige Rohlinge, die meistens mit „printable“ o. ä. bezeichnet werden, können in geeigneten Tintenstrahldruckern mit recht ansehnlichen Ergebnissen vollfarbig bedruckt werden. Fotorealistische Bildwiedergabe ist die Regel.

Lightscribe-Verfahren: Bei diesem Verfahren brennt der Laser eines Lightscribe-fähigen CD-Brenners auf die Vorderseite entsprechender Rohlinge eine beliebige Graustufengrafik, die mittels entsprechender Software entworfen und an den Brenner übertragen wird. Der Brennvorgang dauert zirka 15 Minuten. Neuerdings sind auch farbige Rohlinge vorhanden.

Umweltschutz

214 MOS - Speicher

Die Compact-Disc besteht hauptsächlich aus dem wertvollen Kunststoff Polycarbonat. Ein sortenreines Recycling lohnt sich zwar nicht für die Herstellung neuer Compact Discs, jedoch kann der sehr hochwertige Rohstoff in der Medizin, der PC- und der Autoindustrie verwendet werden. Die Firma Remedia bietet ein Sammelsystem an. Sammelsäcke werden kostenlos bereitgestellt und abgeholt, wenn die Säcke voll sind. Sammelstellen (zum Beispiel Betriebe oder Kommunen) haben keinerlei Risiko, sondern müssen nur eine entsprechende Fläche für den Sammelsack vorhalten. Dieser Service wird bisher nur von wenigen Kommunen genutzt, u. a. der Stadt Mainz.

Vernichtung der Daten Da eine CD auch vertrauliche Daten enthalten kann, muss es sichere Verfahren geben, um diese Daten vor der Entsorgung unleserlich zu machen, sei es, weil die Daten nicht mehr benötigt werden oder weil sie gelöscht werden müssen.

Nicht empfehlenswerte Verfahren

Bemalen ist praktisch wirkungslos. Zerkratzen auf der Unterseite ist, wenn die Kratzer nicht sehr tief sind, nahezu wirkungslos. Selbst bei vielen und tiefen Kratzern können jedoch mit Spezialprogrammen und -werkzeugen oft beachtliche Teile der Daten wiederhergestellt werden. Zerkratzen auf der Oberseite hilft, aber auch dort können nicht zerkratzte Teilbereiche mit speziellen Verfahren noch gelesen werden. Mikrowellenherd oder Verbrennen – funktioniert sowohl bei gepressten als auch bei selbstgebrannten CDs. Dabei wird die Metallschicht aufgrund der Hitzeentwicklung durch die elektromagnetischen Wellen bzw. des Feuers zerstört. Dieses Verfahren ist im Grunde sehr effektiv und im Notfall durchaus geeignet, allerdings entstehen dabei gesundheitsschädliche Dämpfe und das Magnetron der Mikrowelle wird bei diesem Vorgang erheblich belastet, was dessen Lebenszeit drastisch verkürzen kann. Darüber hinaus besteht die Gefahr eines Brandes.

Empfehlenswerte Verfahren

Zerbrechen (evtl. mit Hammer) ist eine relativ sichere Methode, wobei die Sicherheit umso höher ist, je kleiner die Teile sind. Es besteht aber Verletzungsgefahr für Hände und Augen, weshalb man eine Schutzbrille tragen und die CD in einen Umschlag oder Beutel stecken sollte. Zerschneiden oder Schreddern – Für extrem sensible Daten existieren spezielle CD-Schredder, die CDs und andere optische Datenträger in so kleine Stücke häckseln, dass die Datenträger als zuverlässig vernichtet gelten können, wobei die Recyclingfähigkeit des Datenträgers erhalten bleibt. Auch manche herkömmliche Papierschredder können CDs zerkleinern. Die Tauglichkeit eines bestimmten Modells für diesen Zweck ist der Gebrauchsanweisung zu entnehmen. Reiben – Man reibt die Labelseite der CD solange an einer rauhen Fläche (z. B. einer Raspel oder einem Ziegelstein o.Ä.), bis die CD vollständig durchsichtig ist und dadurch unbrauchbar.CD-Brenner – Seit einiger Zeit bieten diverse Hersteller von CD-Brennern auch Zusatzfunktionen in den Laufwerken an, mit denen ein bereits beschriebenes CD-R-Medium erneut „überbrannt“ werden kann, um die darauf gespeicherten Daten endgültig zu vernichten. Dieses funktioniert allerdings nicht mit gepressten CDs.

Mit Lightscribe beschriftete CD

[7]

[8]

215

DVD aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die DVD ist ein digitales Speichermedium, das einer CD ähnelt, aber über eine deutlich höhere Speicherkapazität (z. B. 4,38 GB ) verfügt. Sie zählt zu den optischen Datenspeichern. Das Backronym „DVD“ ging auf die Abkürzung von Digital Video Disc und später Digital Versatile Disc (engl. für digitale vielseitige Scheibe) zurück, ist seit 1999 aber nach Angaben des DVD-Forums ein eigenständiger Begriff ohne Langform. In der Alltagssprache wird der Ausdruck „DVD“ im Zusammenhang mit Filmen häufig im Sinne des logischen Formats DVD-Video verwendet.

DVD

Typ: Optischer Massenspeicher

Kapazität: 4,38 GB (einschichtig) bis 15,83 GB (doppelseitig, -schichtig)

Lesen: 1x@11,32 Mbit⁄s ,

Schreiben:

Gebrauch: Datenspeicher, digitale Filme, Archivierung

Encoder: MPEG-1, MPEG-2

Entwickler: DVD Forum (1995)

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte und Verbreitung 2 DVD-Formate

2.1 DVD-Datenstrukturen 2.1.1 Physische Hybrid-DVD

2.2 Beschreibbare DVD-Formate

2.2.1 Formate mit zwei Datenschichten 2.2.2 Klassifikation von beschreibbaren DVDs

3 Geschwindigkeit 4 Technik der DVD

4.1 Lebensdauer 4.2 Speicherkapazität und Zugriffstechnik

4.2.1 Neue Technologien4.2.2 Datenkodierung 4.2.3 Brenner

4.3 Duplikationsverfahren 4.4 Serienanfertigung 4.5 DVD-Brennen 4.6 Labelaufdruck / Beschriftung

5 DVD-Alternativen und Nachfolger 5.1 Einweg-DVD 5.2 DivX und DIVX

6 Siehe auch 7 Literatur 8 Weblinks

[1][1]

[2]

DVD-R, beschreib- und lesbare Seite

DVD-R mit purpurroter Färbung, 4,38 GB . Der [1]

[1]

216 MOS - Speicher

Geschichte und Verbreitung Mitte der 1990er Jahre konnte sich die Compact-Disc als Massenspeicher-Medium bei Computern durchsetzen. Dadurch wuchsen nicht nur die Anwendungsfelder, sondern auch die Bedürfnisse der Verbraucher und der Unterhaltungsindustrie. Gewünscht wurde ein Medium, mit dem Videos ähnlich komfortabel gehandhabt werden konnten wie Musik- und Sprachaufnahmen mit der CD. Zwar gab es dies bereits als Video-CD (VCD) und LaserDisc (LD), jedoch konnten auf der VCD maximal 74 Minuten und auf der LD maximal 128 Minuten Videomaterial in knapper VHS-Qualität untergebracht werden. Dies führte bei Spielfilmen dazu, dass die VCD/LD mitten im Film gewechselt/umgedreht werden musste, ähnlich wie früher bei der Musikkassette oder der Langspielplatte.

Die Unterhaltungsindustrie arbeitete daran, die Speicherkapazität der CD weiter zu erhöhen. Hierbei gab es zwei unterschiedliche Konzepte: Sony und Philips betrieben die Entwicklung der Multimedia-CD (MMCD), Toshiba und Time Warner favorisierten die Super Density CD (SD). Auf Druck der Filmindustrie, die nicht mehr, wie bei der Markteinführung der Videorekorder, mehrere Standards unterstützen wollte, einigten sich die Konkurrenten Ende 1995 auf einen gemeinsamen Standard. Da die DVD zunächst als reines Speichermedium für Videodaten gedacht war, stand DVD anfangs für „Digital Video Disc“. Dies wurde jedoch geändert, als andere Verwendungsmöglichkeiten abzusehen waren. Als Alternative wurde „Digital Versatile Disc“ (versatile =vielseitig) ins Spiel gebracht, konnte sich aber nicht durchsetzen. Der aktuelle offizielle Standpunkt des DVD-Forums ist, dass DVD einfach drei Buchstaben ohne exakt festgelegte Bedeutung sind.

Ein Jahr später kamen die ersten Abspielgeräte und DVD-Medien in den Handel. Zuvor mussten Unstimmigkeiten bezüglich des Verschlüsselungs-Verfahrens (CSS) ausgeräumt werden. Zudem gelang es der Filmindustrie, mit einem Regionalcode Marktkontrolle zu gewinnen. Mit dem Code soll verhindert werden, dass zum Beispiel eine DVD aus den USA auf einem europäischen Gerät abspielbar ist. Die Filmindustrie fürchtete hier Umsatzeinbußen, da Filme in den USA oft schon auf dem Videomarkt erhältlich sind, während sie in Europa noch gar nicht im Kino gezeigt wurden. Als Vertriebstrategie der Anbieter ist auch bekannt, dass durch die regionale Beschränkung der Anwendbarkeit in unterschiedlichen Regionen unterschiedliche Preise („Marktpreise“) erzielt werden können.

Sowohl der verwendete Wiedergabeschutz Content Scrambling System als auch der Regionalcode sind mittlerweile leicht zu umgehen. Die Industrie reagierte darauf einerseits mit rechtlichen Maßnahmen und andererseits mit dem Druck auf die Hersteller von DVD-Laufwerken, die Abfrage des Regionalcodes gerätetechnisch zu implementieren.

1999 kamen die ersten DVD-Brenner in den Handel, die Preise lagen jedoch bei weit über 2.500 €.

Mittlerweile wird Blu-ray Disc als Nachfolger der DVD beworben. Dabei wird durch Abtastung der noch enger gesetzten Pits und Lands mit einem blau-violetten Laserstrahl noch höhere Datenmengen untergebracht. Sie sollen vor allem hochaufgelöste Videoinhalte speichern, die eine wesentliche höhere Speicherkapazität benötigen, als eine DVD bieten kann.

DVD-Formate Die DVD gibt es in zahlreichen Varianten, welche als DVD-Formate bezeichnet werden:

9 Einzelnachweise beschriebene Bereich ist aufgrund seiner veränderten Reflexionseigenschaften gut

zu erkennen.

217

Spezielle DVD-Formate, die für bestimmte Verwendungszwecke optimierte Datenstrukturen aufweisen (und ursprünglich nur Lesezugriff erlaubten): DVD-Video, DVD-Audio, DVD-ROM und Hybrid-DVD Für den Konsumenten beschreibbare DVD-Formate: DVD-RAM, DVD-R, DVD+R, DVD-RW, DVD+RW, DVD-R DL, DVD+R DL

Besonders die einmal beschreibbaren Formate und die DVD-RAM lassen sich mit dem bloßen Auge von den gepressten anhand ihrer Rückseite unterscheiden, da diese aufgrund ihrer Legierungen Farben wie etwa blau, violett oder braun aufweisen. Die DVD-RAM hat außerdem charakteristisch sichtbare Sektormarken.

DVD-Datenstrukturen

Die DVD wird für folgende drei Verwendungszwecke eingesetzt, für die jeweils eigene DVD-Formate für spezielle Datenstrukturen geschaffen wurden:

DVD-Video ermöglicht die Wiedergabe von Bewegtbildern und Ton mit DVD-Video-fähigen Abspielgeräten. DVD-Audio ermöglicht die Wiedergabe von Standbildern und Ton in sehr hoher Qualität mit DVD-Audio-fähigen Abspielgeräten. DVD-ROM ermöglicht das Lesen von allgemeinen Daten (Computerdaten).

Der AUDIO_TS-Ordner spielt bei Audio-DVDs eine zentrale Rolle. Bei der DVD-Video sind jedoch auch die Audiodaten im VIDEO_TS-Ordner zu finden, genauso wie die diversen Sprachversionen, Untertitel, Kapitelinformationen und Sonderfeatures (alle innerhalb so genannter „VOB-Containerdateien“). Das bei DVDs üblicherweise eingesetzte Kompressionsformat ist MPEG-2, nach dem DVD-Standard ist jedoch auch noch das qualitativ weit unterlegene MPEG-1-Format vorgesehen, das ansonsten vor allem bei Video-CDs Anwendung findet. Der MPEG-2-Videostream (das Videobild) wird bei der Erstellung einer Video-DVD gemeinsam mit dem Audiostream und gegebenenfalls mit anderen Datenblöcken verwoben („gemuxt“, s. Multiplexing) und in einer .VOB-Datei („Video Object“) angelegt, die laut DVD-Standard nie größer als 1 Gigabyte sein darf. Wird diese Datenmenge überschritten, wird in den Programmen zur DVD-Erstellung (DVD Authoring Software) automatisch eine neue .VOB-Datei angelegt. Die .VOB-Datei dient also als „Containerdatei“ aller Programmströme.

Beim Wechsel der Dateien ist der Übergang wegen des in den DVD-Playern integrierten Buffers nicht wahrnehmbar. Beim Abspielen werden abwechselnd Video-, Audio- und gegebenenfalls Steuerungsinformationen ausgelesen, zwischengespeichert und wiedergegeben. Der VIDEO_TS-Ordner enthält außerdem die .IFO-Datei mit der Menüführung und meist mehrere .BUP-Dateien, die jedoch nur als Backup der .IFO-Datei dienen.

Als Tonspuren sind mehrere Formate zugelassen; neben dem datenintensiven – weil unkomprimierten – LPCM-Verfahren gibt es noch mehrere Komprimierungsverfahren: mp2 (meist 192–256 kbit/sec.) in beliebigen Bitraten, AC3-Komprimierung bei Dolby Surround/Mehrkanalton (meist 448 kbit/sec.) oder DTS bei 6.1 Surround Sound. Auch SDDS ist für die DVD spezifiziert, es gibt jedoch für den Heimbereich weder entsprechende Decoder noch DVDs mit SDDS-Tonspur.

Insgesamt stehen für den gesamten Datenstrom 10,08 Mbit/sec. zur Verfügung, für den Audiostrom maximal 6144 kbit/sec. Die Bildqualität der Video-DVD hängt nicht so sehr von der Bandbreite des

Die beiden grundsätzlichen DVD-Gruppen lassen sich

anhand der Farbe ihrer Rückseite unterscheiden.

218 MOS - Speicher

Video-Streams als vielmehr von der Effizienz der Komprimierung ab. Oft wird mittels MPEG-Encoder in mehreren Durchläufen kodiert, um ein Höchstmaß an Effizienz zu erreichen. Bei MPEG-2 können die Datenströme im VBR-Verfahren komprimiert werden, d. h., dass die Bandbreite an verschiedenen Stellen des Films stark abweichen kann (variable Bitrate).

Die Bitrate hängt dabei von der gerade anfallenden Datenmenge ab, so dass zum Beispiel bei bewegungsarmen Szenen Bandbreite und damit Speicherplatz auf der DVD gespart werden kann. Bei MPEG-2 werden bei aufeinanderfolgenden Bildern in der Regel nur die Unterschiede zum vorausgehenden Bild gespeichert (P- oder B-Frames), um auf der Disc Platz zu sparen. Mehr Informationen dazu im Artikel DVD-Video.

Daten-DVDs (DVD-ROM) sind anders als Video-DVDs keinen Restriktionen unterworfen und können beliebige Ordner und Dateien enthalten. Als Dateisysteme werden entweder die im Computerbereich vorherrschenden Formate ISO 9660 und ISO/Joliet oder UDF verwendet; beide Systeme können innerhalb des UDF Bridge-Formates (ISO 9660 Level 3 Layer) kombiniert werden. Ebenso wie CDs können auch DVDs in mehreren Sessionen (Sitzungen) beschrieben werden (Multiborder, analog zu Multisession bei CDs). Einige ältere Betriebssysteme oder DVD-Player können jedoch nur auf die erste Session zugreifen, weshalb es sich in diesem Fall empfiehlt, die DVD in einem Zug zu beschreiben. Zum Auslesen der restlichen Sessions dienen Zusatzprogramme wie IsoBuster, die auch unter älteren Betriebssystemen laufen.

Physische Hybrid-DVD

Daneben gibt es auch die Hybrid-DVD, die die Eigenschaften einer DVD-Video, DVD-Audio oder DVD-ROM in einer DVD kombiniert. Eine solche Hybrid-DVD enthält Videos, Musik und Computerdaten und präsentiert im DVD-Spieler, DVD-Rekorder oder DVD-Laufwerk des Computers die jeweils abspielbaren Inhalte.

Technisch lässt sich eine Hybrid-DVD sehr einfach realisieren, weil die DVD-Video und DVD-Audio auf der DVD-ROM basieren. Die DVD-ROM speichert alle Inhalte als Dateien nach dem UDF-Dateisystem ab. Für die DVD-Video und DVD-Audio müssen nur zwei weitere Festlegungen vorgenommen werden: Die erlaubten Dateiformate und der Ablageort auf der DVD. Für die Hybrid-DVD ist besonders der Ablageort interessant. Wird eine DVD-Video oder Hybrid-DVD zum Beispiel in einen DVD-Rekorder eingelegt, so sucht dieser die Filmdateien im Unterverzeichnis VIDEO_TS. Nach dem gleichen Schema sucht ein DVD-Player die Audiodaten im Unterverzeichnis AUDIO_TS. Im DVD-Laufwerk eines Computers sind hingegen alle Dateien einer DVD ersichtlich, weil dieser jede DVD als eine DVD-ROM behandelt.

Beschreibbare DVD-Formate

Der Endbenutzer kann nicht nur käufliche DVDs abspielen (die im Presswerk hergestellt wurden), sondern er kann mit einem DVD-Brenner auch eigene DVD-Videos, DVD-Audio oder DVD-ROMs erstellen. DVD-Brenner sind beispielsweise in Computern und Hifi-DVD-Rekordern eingebaut und benötigen beschreibbare DVD-Formate. Historisch haben sich aus Kostengründen die fünf verschiedenen DVD-Formate DVD-R, DVD+R, DVD-RW, DVD+RW und DVD-RAM mit einfacher und doppelter Speicherkapazität (DL - Double Layer) entwickelt. Sie werden nach folgender Systematik bezeichnet:

Sony DCR-DVD201E HDV-Camcorder mit direkter

Aufzeichnung auf eine 8 cm DVD

219

Die drei DVD-Formate, die vom DVD-Forum stammen, werden auch als Minus-Standard bezeichnet. Nur diese Formate dürfen auch das offizielle DVD-Logo tragen. Entsprechend werden die zwei DVD-Formate von der DVD+RW-Allianz mit einem „+“ auch als Plus-Standard bezeichnet. Die DVD-Formate nach dem Plus-Standard sind technisch einfacher aufgebaut, wodurch zum Beispiel die DVD+RW andere Schreibmethoden als die DVD-RW unterstützt. Auch sind die Lizenzgebühren für die Patentnutzung bedeutend niedriger. Diese anfänglichen Preisvorteile des Plus-Standards gibt es inzwischen durch den harten Wettbewerb mit dem Minus-Standard nicht mehr.

Die Formatvielfalt führte anfangs zu einer Kaufzurückhaltung bei den Konsumenten, da unklar war, welches beschreibbare DVD-Format die größere Investitionssicherheit aufweist. Die Industrie reagierte seit 2003 darauf mit (preisgünstigen) Multi-Brennern, die sowohl das Minus- als auch das Plus-Format unterstützten.

Formate mit zwei Datenschichten

Seit 2004 werden auf dem Massenmarkt auch beschreibbare DVDs mit zwei anstatt nur einer Datenschicht angeboten. Sie werden mit „DL“ bezeichnet, was im Minus-Format für „Dual Layer“ (DVD-R DL), im Plus-Format dagegen für „Double Layer“ (DVD+R DL) steht. Beiden Formaten gemein sind die zwei übereinandergeklebten Schichten auf derselben Seite der Platte, die gewisse Veränderungen im Aufbau der DVD notwendig machten. Nur so kann auch die zusätzliche Schicht beschrieben und gelesen werden. Die DVD±R DL bietet 7,92 GB Fassungsvermögen pro Medium, also etwa das 1,8-fache einer Singlelayer-DVD. Ihre zusätzliche Kapazität reicht oftmals aus, um große Einzeldateien (etwa hochauflösende Videos) auf einen einzigen Datenträger zu

Logo DVD Die Bezeichnung DVD tragen alle Scheiben der DVD-Familie.

– Am „–“ sind alle DVD-Formate erkennbar, welche vom DVD Forum

stammen. Nur bei diesem Format kann Time Search verwendet werden.

+

Am „+“ sind alle DVD-Formate erkennbar, welche von der DVD+RW Alliance stammen und einige Sonderfunktionen im Videobereich unterstützen.

± Mit einem „±“ wird ausgedrückt, dass hier sowohl die DVD-Formate des DVD Forums wie der DVD+RW Alliance gemeint sind.

R „Recordable“, das heißt einmal beschreibbar.

RW „Rewritable“, das heißt wiederbeschreibbar (gewöhnlich bis ca. 1000-mal veränderbar/korrigierbar).

RAM „Random Access Memory“, das heißt freier, direkter Schreib-/Lesezugriff auf

alle Daten (Details siehe Text).

DL Dual (-) bzw. Double (+) Layer, das heißt zwei Datenschichten pro Seite.

[1]

220 MOS - Speicher

brennen, anstatt sie auf zwei herkömmliche DVDs aufzuteilen und ohne die Daten dafür erneut komprimieren zu müssen. Für RW-Medien dagegen sind diese Änderungen hin zum DL-Datenträger derzeit (Stand April 2007) nicht möglich. Zu geringe Reflexionseigenschaften verhindern die zuverlässige Nutzung der zweiten Datenschicht.

Daneben existieren auch noch doppelseitige Medien in den Formaten DVD-R, DVD+R und DVD-RAM. Diese fassen tatsächlich 2x 4,38 GB , also 8,75 GB pro Medium, da sie im Prinzip aus zwei einzelnen DVDs bestehen. Nachteilig wirkt sich dies besonders bei großen Dateien aus, da diese nicht wie bei ±DL-DVDs zusammenhängend gespeichert werden können. Jede Seite repräsentiert einen eigenständigen Datenträger, und um auf den jeweils anderen Datenbestand zugreifen zu können, muss die DVD entnommen und gewendet werden. Laufwerke, die beide Seitengleichzeitig nutzen können (Schreib-/Lesezugriff), existieren nicht. Da die Doublelayer/Duallayer-DVDs trotz geringerer Gesamtkapazität diverse Vorteile bieten (höhere maximale Dateigröße, Platz für ausführliche Beschriftung etc.), sind doppelseitige DVD±R-Rohlinge völlig vom Markt verschwunden. Lediglich doppelseitige DVD-RAM sind noch erhältlich, da auch bei ihnen derzeit keine DL-Medien verfügbar sind.

Klassifikation von beschreibbaren DVDs

Die beschreibbaren DVD-Formate lassen sich nach ihrer Veränderbarkeit und Datensicherheit unterscheiden.

1. Einerseits lassen sie sich nach ihrer Veränderbarkeit in zwei Gruppen unterteilen:

DVD-Rohlinge, die nur einmal beschreibbar sind: DVD-R und DVD+R. Bei diesen Medien wird die Information in einen Dye geschrieben. Dies ist ein organischer Farbstoff, meist violetter Farbe. DVD-Medien, die nachträglich veränderbar sind: DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM. Die RW-Medien verwenden als funktionelle Schicht anstatt des bei den DVD-Rohlingen verwendeten Dyes eine metallische Schicht. Bei den DVD-Medien ist die DVD-RAM 100-mal öfter wiederbeschreibbar (circa 100.000-mal) als die DVD-RW bzw. DVD+RW, die etwa 500 bis 1.000 Schreibvorgänge überstehen.

2. Weiterhin ist die Datensicherheit ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal der einzelnen beschreibbaren DVD-Formate:

Die DVD±R reagiert aufgrund ihrer organischen Farbstoffe viel empfindlicher auf Sonnenlicht und Hitze als die DVD±RW. Wird sie der unmittelbaren Sonneneinstrahlung oder starkem UV-Licht ausgesetzt, kann dies zu einem schnellen Verlust der Daten führen. Die DVD±RW hingegen reagiert sensibler auf extreme Temperaturschwankungen; durch leichte Materialdeformationen können die Daten Schaden nehmen. Die DVD-RAM weist von allen beschreibbaren DVD-Formaten die höchste Datensicherheit auf, weil sie zusätzlich folgende zwei Eigenschaften aufweist:

1. Sektorierung: DVD-RAM-Medien besitzen eine eingeprägte Sektorierung, die sich visuell als ein Muster von kleinen verstreuten Rechtecken auf der Unterseite einer DVD-RAM zeigen (siehe Abbildung). Sie dienen einer höheren Lese- und Schreibgenauigkeit.

2. Defektmanagement Die DVD-RAM besitzt dasselbe bewährte Defektmanagement wie Festplatten. Jede geschriebene Information wird von der Hardware kontrollweise gelesen (verifiziert) und ggf. verbessert. Es gibt daher keine

[1] [1]

Eine DVD-RAM ist mit dem bloßen Auge unmittelbar von

anderen DVD-Formaten anhand der vielen kleinen

verstreuten Rechtecke, die von ihrer typischen Sektorierung herrühren (erkennbar in der

Vergrößerung), unterscheidbar. Die

Sektorierung dient einer höheren Datensicherheit.

221

versteckten Schreibfehler wie bei der DVD±R oder DVD±RW.

Geschwindigkeit Die Standard-Datenrate 1x entspricht bei DVDs einer Geschwindigkeit von 1,35 MByte/s. bzw. 10,8 MBit/s. und damit in etwa einem CD-Laufwerk mit dem Geschwindigkeitsfaktor 9x. Aktuelle DVD-Laufwerke schaffen Brenngeschwindigkeiten bis zu 20x und Lesegeschwindigkeiten bis zu 18x.

Technik der DVD DVDs benötigen zum Abspielen einen eigenen DVD-Spieler. Zur Unterscheidung zu normalen CD-ROM-Laufwerken ist dieser auf der Vorderseite mit dem DVD-Emblem gekennzeichnet. Im Vergleich zu den CDs wird bei DVDs mit Lasern kürzerer Wellenlänge gearbeitet, und wegen der gleichzeitig kürzeren Strahlengänge der Fokussierungsoptiken resultieren daraus kleinere Laserspots, mit denen in den Datenträgerschichten entsprechend kleinere Strukturen gelesen und geschrieben werden können.

Lebensdauer

Der Medienhersteller Imation gewährt auf CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW, DVD+R, DVD+RW, DVD-RAM derzeit eine Garantie von zehn Jahren . Dies gilt allerdings nicht für die Daten, sondern beschränkt sich auf die haptischen Bauteile. Zur Langzeitarchivierung sind oben genannte DVD-Fomate bis auf eines nach einhelliger Expertenmeinung nicht geeignet. Verbatim bietet sogar eine lebenslange Garantie, die allerdings in Deutschland nicht gilt (aber sehr wohl in Österreich und der Schweiz). Diese gilt für alle von Verbatim hergestellten optischen Datenträger, deckt allerdings nur Herstellungsfehler ab, jedoch nicht normale Abnutzung und unsachgemäße Behandlung. Im ungünstigsten Fall können DVD±R und DVD±RW auch schon nach wenigen Monaten Datendefekte aufweisen. Lediglich die DVD-RAM muss ihrer Spezifikation zufolge eine

Typ Wellenlänge in nm

Durchmesser des

Laserspots in µm

Grafische Darstellung

des LaserspotsSchnittzeichnung der Strahlgeometrie

CD 780 2,1

DVD 650 1,3

[3]

222 MOS - Speicher

Datensicherheit von 30 Jahren garantieren.

Speicherkapazität und Zugriffstechnik

Die Spezifikationen sehen die folgenden DVD-Typen in der Version 2 vor. Auf die Darstellung der seltenen Version 1 wird verzichtet.

Angabe der Brutto-Speicherkapazität in GB statt in Byte. Die tatsächlich verwendbare Speicherkapazität hängt vom verwendeten Dateisystem der DVD ab.

Zwei Gründe erklären die im Vergleich zur herkömmlichen CD erheblich größere Speicherkapazität der DVD:

Zum einen sind die Datenspuren mit ihren Vertiefungen (Pits and Lands) schmaler und enger nebeneinander gereiht als auf einer CD. Zudem sind die möglichen Vertiefungslängen kleiner. Das bedeutet vor allem, dass auf weniger Raum mehr Daten gespeichert werden können, erhöht aber zugleich die Anfälligkeit gegenüber Kratzern oder anderen Verunreinigungen der Oberfläche. Zum anderen ist es möglich, auf einer (zweilagigen) DVD zwei Datenschichten übereinander zu lagern.

Neue Technologien

Zur Anwendung beider erweiterter Techniken braucht es höherfrequente (das heißt, die Farbe des Lasers ist in Richtung Blau verschoben) und genauere Laser als zum Auslesen einer CD. Um die

Format Kapazität Schichten Vorderseite/Rückseite Bemerkung

DVD-5 4,38 GB 1/0

DVD-9 7,92 GB 2/0Durch Neufokussieren des Lasers auf die zweite Schicht kann diese gelesen werden (Dual-Layer-DVD).

DVD-10 2 ×4,38 GB 1/1 Zweiseitig beschrieben, muss gedreht

werden (Flipper).

DVD-147,92 GB+ 4,38 GB 2/1 Eine Seite Dual Layer (zwei Schichten) und

eine Single Layer (eine Schicht).

DVD-18 2 ×7,92 GB 2/2 Beide Seiten werden in zwei Schichten

beschrieben. Selten.

DVD-plus (DualDisc)

4,38 GB+ 650 MB 1/1

DVD-5 wird mit einer normalen CD kombiniert. So kann der CD-Teil auf CD-Playern abgespielt werden. Die CD-Seite und die DVD-Seite sind unterschiedlich, die Medien sind nicht normgerecht, sondern zu dick; daher wird meist vom Abspielen solcher Medien in Laufwerken mit Einzugsschlitz, sogenannte Slot-In-Laufwerke, abgeraten. Wird von Sony unter dem Begriff DualDisc vermarktet.

[1]

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[1]

[1]

[1]

[1]

[1]

223

zweite Datenschicht lesen zu können, muss der Laser dazu noch leicht anwinkelbar sein. Zusammen mit der veränderten Laserfokussierung ist es so möglich, die untere („verdeckte“) Schicht lesen zu können.

Datenkodierung

Die Binärdaten auf einer DVD werden nach der „Eight-to-Fourteen-Modulation-plus” (EFMplus) geschrieben. Diese stellt sicher, dass alle 2 bis 10 Takte sich die Polarität des ausgelesenen Signals ändert. Das geschieht, wenn der Laser in der Spur einen Übergang von einer Vertiefung („pit”) zu einem Abschnitt ohne Vertiefung („land”) passiert oder umgekehrt.

Der Hintergrund ist hierbei folgender: Die Abschnitte mit Vertiefungen bzw. ohne Vertiefungen müssen lang genug sein, damit der Laser die Veränderung erkennen kann. Würde man ein Bitmuster direkt auf den Datenträger schreiben, würden bei einem alternierenden Signal (1010101010101010…) falsche Werte ausgelesen werden, da der Laser den Übergang von 1 nach 0 beziehungsweise von 0 nach 1 nicht verlässlich auslesen könnte. Die EFMplus-Modulation bläht das Signal von 8 Bit auf 14 Bit (daher 8-to-14) auf und wählt die Füllbits so, dass die oben erwähnte Forderung, dass alle 2 bis 10 Takte sich die Polarität ändert, also ein Übergang von 1 nach 0 oder umgekehrt geschieht, erfüllt wird.

Brenner

Nachdem die ersten DVD-Brenner (DVD-Schreiber) nur eine Datenmenge von 3,4 GiB auf einen einmal beschreibbaren DVD-Rohling speichern konnten, wurde die Kapazität später auf die volle Größe einer DVD-5 (4,38 GiB) angehoben und zusätzlich wiederbeschreibbare Medien mit diesem Fassungsvermögen vorgestellt. Seit Mitte 2004 beherrschen DVD-Brenner auch die Doppelschicht-Technik (dual layer), welche die Speicherung von Daten auf einem zweischichtigen Rohling ermöglicht. Die zweite Datenschicht besitzt weiter gesetzte Pits und Lands, um ein Lesen durch die untere Schicht hindurch zu ermöglichen, und ist somit kleiner. So fasst ein solcher Rohling statt 8,76 GiB (die Kapazität zweier DVD-5) lediglich ca. 7,95 GiB.

Duplikationsverfahren

DVD-Pressung: Die Herstellung einer DVD oder einer CD (ROM und Video) besteht aus vier Schritten nach Anlieferung der Master-DVD-R beziehungsweise eines Streamer-Tapes („DLT“-Format) an das Presswerk. Premastering: Zuerst wird geprüft, ob der Standard (das Book) erfüllt ist, das heißt, ob der Datenträger den Spezifikationen entspricht. Danach wird mit der Berechnung des EDC (Error Detection Code) und ECC (Error Correction Code) begonnen. Dies dauerte ursprünglich zwischen 5 und 16 Stunden. Anschließend werden Time-Code, Inhaltsinformation der Tracks und TOC (Table of contents) usw. generiert und ein Image der DVD/CD erstellt. Die Daten können nun dem Mastering zugeführt werden. Mastering: Die aufbereiteten Daten aus dem Premastering werden auf einen Glasmaster (eine Glasscheibe) übertragen, indem ein modulierter Laserstrahl die darauf aufgetragene Substratschicht (ein Farbstoff) von innen nach außen belichtet. Im Entwicklungsbad werden dann die belichteten Stellen ausgewaschen, die Pits entstehen. Anschließend wird der Glasmaster mit einer 100 nm dicken Silberschicht bedampft. Im Anschluss daran folgt ein erstes Auslesen als Qualitätsprüfung. Die Kosten für die Glasmasterproduktion (zwischen 300 € und etwa 3.000 €) werden bei geringen Auflagen von den meisten Presswerken in Rechnung gestellt. Galvanik: Es werden nun Negative des Glasmasters erstellt, die für die Pressung als Stempel verwendet werden können.

224 MOS - Speicher

Serienanfertigung

Generell werden die Discs aller DVD-Formate aus zwei einzelnen aus Polycarbonat gespritzten Kunststoffscheiben von etwa 0,6 mm Dicke hergestellt. Dabei hat die untere „Halbscheibe“ (Layer 0) einen Stapelring als Abstandshalter. Die obere „Halbscheibe“ (Layer 1) trägt bei dem Format DVD-5 keine nutzbaren Informationen und wird daher als „Dummy“ bezeichnet. Die eigentliche DVD entsteht, wenn beide Hälften mit unter UV-Licht aushärtendem Lack verklebt werden („bonden“; Schichtdicke etwa 50 µm). Um eine gleichbleibende Qualität der hergestellten Scheiben zu gewährleisten, sind in den Produktionsanlagen üblicherweise hochauflösende Kamerasysteme, so genannte Inline Scanner, integriert. Stichprobenartig kommen auch Offline-Messlaufwerke zum Einsatz, um die elektrischen Signale der DVD zu analysieren. Sollte sich beim Verkleben der zwei Layers Luft einschleichen (ein so genannter Bondingfehler), kann die DVD schnell Schaden nehmen. So kann beispielsweise beim Einlegen der DVD ein Teil eines Layers absplittern. Hierdurch kann eine Unwucht entstehen, die zu weiteren Schäden an der DVD oder sogar am Abspielgerät führen kann. Allerdings sind diese Fehler in der Regel nur ein optisches Problem und haben keinen Einfluss auf die Abspielbarkeit der DVD.

Beim Herstellvorgang gibt es große Unterschiede zwischen prerecorded discs („Kauf-Videos“) und recordable/rewritable discs („Rohlinge“). Die Formate DVD-5, -9 und -10 können meist auf derselben Maschine hergestellt werden. Dabei werden die Informationen mit Matrizen („Stamper“) in das heiße Polycarbonat gepresst (Spritzprägen). Um die Daten für die Laufwerke lesbar zu machen, werden die Halbscheiben mit Metall beschichtet („sputtern“). Bei DVD-5, DVD-10 und dem Layer 1 bei DVD-9 wird Aluminium vollreflektierend gesputtert (etwa 50 nm). Da bei DVD-9 beide Informationsschichten von einer Seite gelesen werden, wird die untere („Layer 0“) halb-transparent mit Gold, Silizium oder Silber-Legierungen beschichtet (etwa 10–15 nm). DVD-14 und DVD-18 erhält man, indem zwischen die Halbscheiben eine mit DVD-Strukturen versehene Folie eingebracht wird.

DVD-Brennen

Beim Brennen ist kein Glasmaster erforderlich, sondern nur ein Computer, ein DVD-Brenner und ein Brennprogramm.

Für das Brennen benötigt man DVD-Rohlinge, die in unterschiedlichen Qualitäten als DVD-R, DVD+R, DVD-RW und DVD+RW erhältlich sind. Durch die verschiedenen DVD-Formate und die Tatsache, dass diese z.T. erst nach der Definition des ursprünglichen DVD-Regelwerks spezifiziert wurden und Varianten desselben sind, besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass die gebrannte DVD auf einigen DVD-Playern nicht abspielbar sein wird. Deswegen sollte man sich nach der Kompatibilität des Brenners und der gewünschten Abspielgeräte vor dem Kauf der Rohlinge genau erkundigen. Einige DVD-Brenner bieten die Möglichkeit, DVD+R- und DVD+RW-Rohlinge mit dem Book Type DVD-ROM zu kennzeichnen und dadurch deren Akzeptanz durch ältere DVD-Abspielgeräte deutlich zu erhöhen.

Häufig müssen die DVDs nach dem Brennen finalisiert werden. Bei RWs soll dies nicht möglich sein

DVD mit Absplitterung eines Layers am Innenring

225

Labelaufdruck / Beschriftung

Für den Labelaufdruck bei der DVD stehen ebenso wie bei der CD verschiedene Drucktechniken zur Verfügung:

Siebdruck: Im Siebdruck sind bis zu 6 Labelfarben möglich, es können Schmuckfarben (HKS oder Pantone) gewählt werden. Siebdruck ist derzeit die gängigste Variante, um CDs oder DVDs zu bedrucken, wird aber zunehmend vom Offsetdruck verdrängt. Der Siebdruck ist geeignet für gepresste CDs und DVDs; auch die Rohlingsbedruckung im Siebdruck ist möglich. Im Siebdruck sind die Farben sehr brillant. Trockenoffsetdruck: Im Trockenoffset sind 4 Labelfarben möglich (CMYK), kombiniert mit dem Siebdruck bis zu 6 Labelfarben (CMYK im Offset und zusätzlich weiß Vollfläche und eine Schmuckfarbe oder Glanzlack im Siebdruck). Auf Grund der höheren Auflösung als im Siebdruck ist der Offsetdruck ideal für fotorealistische Darstellungen. Seit Anfang 2004 ist der Offsetdruck nicht nur für gepresste CDs und DVDs, sondern auch für CD-Rohlinge und DVD-Rohlinge möglich. Thermotransferdruck: Bei diesem Druckverfahren wird mit einem speziellen Drucker Farbe von einem Farbband durch Erhitzung des Druckkopfes auf die CD oder DVD übertragen. Technisch bedingt ist das Druckverfahren eher für Schriften und Logos geeignet. In der Praxis wird dieses Verfahren bei kleinen Auflagen (gebrannte CDs und DVDs) angewendet. ThermoREtransferdruck: Der ThermoREtransferdruck ist die Weiterentwicklung des Thermotransferdrucks. Das Labelmotiv wird im Thermotransferdruckverfahren auf ein Übertragungsband gedruckt und davon dann eine Folie auf die CD oder DVD aufgebracht. Durch diese Technik ist eine bessere Auflösung möglich. So kann bereits bei Kleinauflagen ein fotorealistischer Druck erreicht werden. Tintenstrahldruck: Es gibt spezielle DVD- bzw. CD-Rohlinge, welche gegenüber der Datenseite eine weiße Druckseite besitzen. Diese besteht aus einem speziellen, saugfähigen Material, welches ein Verlaufen der Tinte verhindern soll. Zum Bedrucken sind spezielle Drucker nötig, deren Technologie sich kaum von der unterscheidet, die zum Bedrucken von Papier genutzt wird. Entsprechend gibt es auch Drucker, die sowohl CDs, DVDs als auch Papier bedrucken können. Praktisch findet dieses Verfahren nur bei Heimanwendern und sehr kleinen Auflagen von gebrannten Medien eine Anwendung. Aufklebe-Label: Diese Methode ist für den Heimanwender nicht zu empfehlen. Wie bei einem Bimetall wölbt sich die DVD bei Temperaturunterschieden, da sich der Aufkleber und die Polycarbonat-Scheibe unterschiedlich stark ausdehnen. Im Gegensatz zu normalen CDs reichen bei einer DVD schon geringe Verzerrungen aus, dass der Player die Daten nicht mehr lesen kann. Dieser Effekt wird durch die Wärme im Inneren des DVD-Players noch verstärkt, so dass beklebte DVDs häufig erst nach einer gewissen Spieldauer ausfallen. Um dies zu verhindern, sind spezielle DVD-Aufkleber aus Kunststofffolie erhältlich, die sich gleichmäßig mit der Scheibe ausdehnen sollen. Nachteilig ist zudem, dass in der Regel durch den Aufkleber eine Unwucht entsteht. In DVD-Laufwerken kann diese Unwucht bei hohen Drehzahlen zu einer Ablösung des Aufklebers oder sogar einem Zerreißen der DVD führen. Manuelle Beschriftung: Mit Folienstiften, CD-Markern und anderen Schreibern für glatte Flächen können DVDs natürlich auch von Hand beschriftet und bemalt werden. Dies ist die günstigste und schnellste Methode. DVDs sind – anders als CDs – recht unempfindlich gegen Stifte, die die Oberfläche verkratzen oder chemisch angreifen, da ihre Datenschicht mittig liegt und somit von einer relativ dicken Kunststoffschicht geschützt ist. Laser-Label: Beschriftung des Datenträgers durch den Laser direkt im Laufwerk. Dies setzt einen speziellen Brenner und geeignete Rohlinge voraus, die ein solches Verfahren beherrschen.

Lightscribe: Das erste Laser-Beschriftungssystem hat Hewlett Packard unter dem Namen Lightscribe entwickelt, bei dem eine komplette bronzefarbene Beschriftung je nach Qualitätsstufe zwischen 17 und 32 Minuten dauert.

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Labelflash: An dieses Verfahren anknüpfend, hat Yamaha eine ähnliche Technologie namens Labelflash entwickelt. Auch mit ihr wird der Rohling im Brenner per Laser beschriftet, erzeugt jedoch einen blauen Aufdruck auf der Label-Seite. Die Beschriftungsdauer liegt bei 5 Minuten in der besten Qualität, welche 1000 dpi mit 256 Helligkeitsstufen bietet. Vorteile: Bedrucken auch in mobilen Betrieb, keine zusätzliche Investition für Drucker notwendig, Drucken in mehreren Sessions möglich (Lightscribe) Nachteile: technisch nur monochromer Druck möglich, geringe Qualität (Kontrast/Brillanz), langsamer Druck, teure Rohlinge

DVD-Alternativen und Nachfolger Die MiniDVD ist eine kleine Bauvariante der DVD Enhanced Versatile Disc (EVD) – aus China Finalized Versatile Disc (FVD) – aus Taiwan Blu-ray Disc (Blu-ray, Nachfolger) High Density Digital Versatile Disc (HD-DVD) – von der HD-DVD Promotion Group Professional Disc for Data (PDD) – von Sony (Entwicklung eingestellt) Professional Disc for Broadcast (PDB) – von Sony Ultra Density Optical (UDO) – von Plasmon Holographic Versatile Disc (HVD) Protein-basierte DVD (Protein-coated Disc) – Eine DVD, beschichtet mit dem veränderten Protein Bacteriorhodopsin, die bis zu 50 Terabyte Daten fassen soll (Serienproduktion NEC ab 2008). Versatile Multilayer Disc (VMD) – chin. Format ohne DRM (Digitale Rechteverwaltung)

Einweg-DVD

Seit Jahren hört man immer wieder in regelmäßigen Abständen von einer neuerfundenen Einweg-DVD, welche besonders den Spielfilmverleih von Videotheken revolutionieren soll. Dem Vorteil, dass man diese DVDs der Videothek nicht mehr zurückbringen muss und somit auch Verzugsgebühren kein Thema mehr sind, steht der Nachteil gegenüber, dass das Konzept nicht ökologisch ist. Sobald die DVD aus der luftdichten Hülle entfernt wird und mit Sauerstoff in Berührung kommt, erfolgt eine chemische Reaktion, welche die DVD innerhalb von acht bis 48 Stunden unbrauchbar macht. Nach Ablauf dieser Zeit kann die DVD vom Kunden einfach weggeworfen werden, weswegen diese DVDs auch Wegwerf-DVDs genannt werden.

Die Firma Flexplay hat eine solche Einweg-DVD unter dem Namen EZ-D herausgebracht. Diese wurde ab September 2003 von Buena Vista Home Entertainment am US-Markt getestet. Es erschienen Datenträger mit einem Film für etwa fünf bis sieben US-Dollar kurz vor der eigentlichen Premiere desselben. Das Produkt fand jedoch nicht genug Käufer, so dass dieses Anfang 2004 bereits wieder aus den Verkaufsregalen verschwand. Ein ähnliches Verfahren hatte auch schon die Firma SpectraDisc zuvor vorgestellt, nach deren Prinzip die Einweg-DVDs jedoch aufgrund von Lichtempfindlichkeit unbrauchbar wurden.

Eine andere Variante vertreibt die Firma DVD-Germany Ltd. Die Daten auf der DVD sind nach dem ersten Abspielen 48 Stunden lesbar, danach erscheint im Player "No disc". Die Datenzerstörung wird durch die Rotation im Abspielgerät gestartet, gelöscht wird dabei nach Angaben der Firma das Steuerungsmenü der DVD. Allerdings gibt es zur Ursache keine genaueren Angaben. Teilweise wird dies begründet mit Flüssigkeits-Tanks in der DVD, die durch die Rotation aufbrechen (Fliehkraft).

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HD DVD aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die HD DVD (High Density Digital Versatile Disc, zuvor: Advanced Optical Disc, kurz: AOD) ist ein Datenträgerformat und wurde zwischen 2005 und Februar 2008 neben Blu-ray Disc und VMD als ein mögliches Nachfolgeformat der DVD gehandelt.

Die AOD wurde durch das Advanced Optical Disc-Konsortium (AOD) spezifiziert, dem u. a. NEC, Microsoft, Toshiba, Intel, IBM und Hewlett Packard angehören. Mittlerweile hatten sich diese Firmen zur HD DVD Promotion Group zusammengeschlossen, um die HD DVD effizienter bekannt zu machen. Das DVD Forum hat am 19. November 2003 die HD DVD als HD-Nachfolger der DVD nach der HD-DVD-Spezifikationen für Read-Only-Discs bezeichnet. Für die HD DVD ist der Kopierschutz Advanced Access Content System (AACS) aus dem Bereich des Digital Rights Management (DRM) vorgesehen.

Am 31. März 2006 kam mit dem HD-XA1 von Toshiba der erste HD-DVD-Player in Japan auf den Markt. Am 14. August 2006 erschien mit Elephants Dream die erste HD DVD in deutscher Sprache.

Am 19. Februar 2008 erklärte Toshiba, dass man die Entwicklung, Herstellung und Vermarktung der Technologie Ende März 2008 einstellen werde.

HD DVD

Typ: Optischer Massenspeicher

Kapazität:15 GB (Single Layer), 30 GB (Dual Layer), 51 GB (dreilagig, 17 GB pro Schicht)

Gebrauch: Datenspeicher, hochauflösende Filme

Encoder: MPEG-2, H.264, und VC-1

Entwickler: HD DVD Promotion Group

Inhaltsverzeichnis 1 Physikalischer Aufbau 2 Logischer Aufbau

2.1 Dateiformat 2.2 Datenformat für HD-DVD-Video

2.2.1 Videocodecs 2.2.2 Audiocodecs 2.2.3 Web-Formate 2.2.4 Disktypen

2.3 3× DVD und Mini HD DVD 3 Kopierschutz 4 Produkte 5 Einstellung der Entwicklung 6 Siehe auch 7 Weblinks

HD-DVD-Player HBS-A-001 von Toshiba, daneben jeweils eine

zweischichtige HD DVD und eine Twin HD DVD mit HD-DVD-Schicht

und DVD-Schicht [1][2]

228 MOS - Speicher

Physikalischer Aufbau Die HD DVD basiert auf einem blau-violetten Laser mit 405 nm Wellenlänge. Die Dicke der Trägerschicht ist mit 0,6 mm identisch mit der der DVD. Die numerische Apertur (NA) beträgt dagegen 0,65 im Vergleich zu 0,6 bei der DVD und 0,85 bei der Blu-ray Disc.

Die HD DVD hat mit einer Schicht ausgestattet eine Speicherkapazität von

15 GByte (bei HD DVD-ROMs – gepresste Medien) bzw. 15 GByte (bei HD DVD-R/RWs – einmal und wiederbeschreibbare Medien) bzw. 20 GByte (bei HD DVD-RAM – wiederbeschreibbare Medien mit wahlfreiem Sektorzugriff)

und bei zwei Schichten eine Speicherkapazität von

30 GByte (bei HD DVD-ROMs – gepresste Medien - zwei Schichten)

Zusätzlich wurde am 31. August 2007 eine dreilagige Variante durch das DVD Forum verabschiedet, bei der pro Schicht 17 GB Platz finden und die somit eine Gesamtkapazität von 51 GB hat. Der endgültige Standard für Filme auf HD DVD umfasste zunächst die 15-GByte- und die 30-GByte-Variante, wobei für Filme fast immer die 30-GByte-Variante verwendet wird.

Außerdem haben die Entwickler der HD DVD einen Prototyp entwickelt, der auf Grundlage von Hologramm-Disks eine Kapazität von 1 TB (1024 GByte) aufweist.

Logischer Aufbau Beim logischen Aufbau der HD DVD sind zu unterscheiden:

Dateiformat Datenformat Kopierschutz

Dateiformat

Die Formate für die HD DVD werden sich wie auch bei CD und DVD in mehrere Kategorien aufteilen:

Daten: Es sind Datentracks wie nach ISO 9660/Joliet und UDF möglich. Video: Es sind spezielle Dateiformate, Speicherorte und Dateinamen für Videodaten vorgesehen, ähnlich wie es bei der Video-DVD der Fall ist (siehe Disktypen). Kopierschutz: Bestimmte Datenbereiche der HD DVD sind für Daten reserviert, die den Kopierschutz betreffen.

Datenformat für HD-DVD-Video

Videocodecs

MPEG-2 H.264/MPEG-4 AVC

8 Einzelnachweise

229

VC-1 (WMV9)

Audiocodecs

MPEG Dolby Digital Plus (abwärtskompatible Erweiterung von AC3, weshalb AC3-Playback auch möglich ist) Dolby TrueHD (verlustfreier 7.1-Audiocodec, Variante von Meridian Lossless Packing) DTS-HD LPCM

Web-Formate

Für interaktive Inhalte auf HD DVDs wird das HDi Interactive Format genutzt. HDi basiert auf Internettechnologien wie HTML, XML, CSS, SMIL und ECMAScript.

Disktypen

Bei der HD DVD Video sind drei Disktypen zu unterscheiden:

Type 1 (Standard Content – etwa: herkömmlicher Inhalt)

Type 1 ist eine Erweiterung des DVD-Videoformates. Die bekannten Strukturen werden großteils beibehalten. Die Unterschiede zu DVD-Video beschränken sich im Wesentlichen darauf, die Verwaltung der neuen Video- und Audiocodecs zu ermöglichen.

Type 2 (Advanced Content – etwa: erweiterter Inhalt)

Type 2 wurde definiert, um mehr Flexibilität im Vergleich zur DVD-Video-Navigationsstruktur zu gewährleisten. Eine der wichtigsten Neuerungen im Advanced Content ist, dass nun nicht mehr alle Daten auf der DVD liegen müssen, sondern Teile (über die Angabe einer URL) aus dem Internet, einem Netzwerk, einer Festplatte o. a. geladen werden können. Die flexiblere Navigationsstruktur zeigt sich dadurch, dass die Navigation nun nicht mehr über „Program Chains“ und „Navigation Commands“ geregelt wird. Stattdessen befinden sich auf der HD DVD ECMA-Script-Applikationen, welche über eine spezielle API (HDi Advanced Application) u. a. den Player steuern, auf Tastendruck reagieren, Menüs zeichnen oder Untertitel einblenden.

Type 3 (Standard & Advanced Content - etwa: herkömmlicher & erweiterter Inhalt)

Type 3 ist eine Kombination aus Type 1 und Type 2.

3× DVD und Mini HD DVD

Das HD-DVD-Format kann auch auf gegenwärtigen Rot-Laser-DVDs angewendet werden, welche eine kostengünstige Option für Distributoren darstellt. Diese Scheibentyp wird 3× DVD genannt, weil diese die dreifache Geschwindigkeit und damit Bandbreite einer normalen DVD-Video bereitstellt.

3× DVDs sind physikalisch mit den normalen DVDs identisch und somit sind die Kosten für das physische Medium geringer. Obwohl 3× DVDs denselben hochauflösenden Inhalt haben, ist deren Abspielzeit geringer. Es werden auch dieselbe Datenstruktur und Kopierschutz der HD DVD auf

230 MOS - Speicher

diesen Scheiben verwendet.

Eine ähnliche Kombination aus normaler DVD mit HD-DVD-Dateistruktur stellt die sogenannte Mini HD DVD oder auch HD DVD 9 dar. Diese umfasst allerdings nur die Dateistruktur aber nicht den Kopierschutz. Dieses ist eine für Heimanwender vorgesehene Lösung, allerdings keine von der HD DVD Promotion Group unterstützte Methode

Kopierschutz Alle HD DVD Video (auch -R und -RW-Formate) benutzen als Kopierschutz das AACS. Hierbei gibt es allerdings eine (im AACS verankerte) strengere Trennung von ungeschützten Daten und kopierschutzrelevanten oder -geschützten Daten: Während bei der DVD nur der Zugriff auf die CSS-Schlüssel für das Video durch Authentifizierung und Regionalcode geschützt ist, dehnt sich dieser Schutz bei der HD DVD auf alle geschützten Inhalte aus. Auf sämtliche geschützte Inhalte einer HD DVD Video dürfen nur authentifizierte Komponenten zugreifen. Unter einer „authentifizierten Komponente“ ist dabei entweder ein von der AACS LA zertifiziertes alleinstehendes Abspielgerät oder auf einem PC ein zertifiziertes Zusammenspiel von Betriebssystem, Gerätetreiber und Wiedergabeprogramm zu verstehen.

Bei Videodaten auf einer HD DVD, die von einem Standalone-Player wiedergegeben werden können, kommt automatisch das AACS als DRM-System zum Einsatz. Dies gilt auch für die beschreibbaren und wiederbeschreibbaren HD DVD-R Video bzw. HD DVD-RW Video. Diese Rohlinge enthalten zudem individuelle Schlüssel, die vom DRM-System beachtet und in die Verschlüsselung der Inhalte übernommen werden müssen, um eine brauchbare (d. h. funktionstüchtige) Aufzeichnung zu generieren.

Innerhalb des AACS sind verschiedene Möglichkeiten festgelegt, wie die für die Dekodierung der „geschützten“ (verschlüsselten) Inhalte nötigen Schlüssel generiert werden können:

Es gibt Schlüsselblöcke auf der HD DVD, die vom Laufwerk nach der Authentifizierung gelesen werden können und aus denen sich mit Schlüsseln des Players der für die Entschlüsselung nötige Schlüssel berechnet. Der Schlüssel ist nicht selbst auf der HD DVD enthalten, sondern wird über eine URL aus dem Internet geladen. Hierzu ist eine Internetverbindung beim Abspielen erforderlich und das anfragende Programm muss sich gegenüber der Schlüsselvergabestelle im Internet authentisieren können.

Der HD-DVD-Standard schreibt zudem auch vor, dass für die Ausgabe des Videos ein Schutz vorhanden sein muss, selbst wenn der Bereich der komprimierten Videodaten verlassen wird. Im Moment dürfte dafür nur HDCP in Frage kommen. Da bei HDCP in Verbindung mit geeigneten Steuersignalen (die die HD DVD im Datenstrom neben den komprimierten Audio- und Videodaten im Gegensatz zur DVD explizit enthalten kann) auch eine Einschränkung der analogen Bildausgabe von „HDTV-Auflösung analog“ über „SDTV-Auflösung analog“ bis hinunter auf „keine analoge Bildausgabe“ möglich ist, verzichten bis jetzt alle Hersteller bei der Präsentation ihrer HD-DVD-Player auf entsprechende analoge Bildausgänge. Die Geräte stellen als Ausgabemöglichkeit nur HDMI zur Verfügung; ein Punkt ist dabei auch, dass es für hochauflösende Videosignale – anders als für niedrig aufgelöste – keinen analogen Kopierschutz (in der Art von Macrovision) gibt. Da es insbesondere in den Schlüsselmärkten USA und Japan anteilmäßig nur wenige Bildschirmgeräte gibt, die mit HDCP-verschlüsselten Bildsignalen zurechtkommen, kann diese Einschränkung für die derzeitige Fassung des Standards zu einem ernstzunehmenden Problem werden; allerdings wäre es innerhalb des AACS auch möglich, Disks zu mastern, die zwar keine digitale Kopie erlauben, aber analoge Bildausgabe in HDTV-Qualität zulassen.

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231

In Europa versuchen die Hersteller von Bildschirmgeräten mit dem Label „HD ready“, den Kunden Bedenken hinsichtlich des „Kopierschutzes am Bildschirm“ zu nehmen. Allerdings gibt dieses Label keine Garantie dafür, dass die Wiedergabe von HDTV-Quellen tatsächlich problemlos funktioniert.

China wird ein anderes eigenständiges HD-DVD-Format erhalten. In erster Linie wird so der Vertrieb illegaler Kopien aus China in der ganzen Welt eingedämmt. Des weiteren, so heißt es, soll die eingesetzte Technik kostengünstiger sein, um sich auch der niedrigen Kaufkraftparität des Landes anzupassen. Die Spezifikation des Formates sollte Ende 2006 fertig sein, um mit der Produktion beginnen zu können . Bereits bei der DVD-Technologie gab es für den chinesischen Raum ein eigenes Format - die EVD.

Der Kopierschutz AACS ist nach Angaben des Hackers Muslix64 geknackt worden . Dabei handele es sich um ein Java-Programm mit dem Namen „BackupHDDVD“, mit dessen Hilfe sich die Daten von HD DVD in Originalauflösung auslesen und auf die Festplatte speichern ließen. Der Hack basiere auf einem Fehler einer japanischen Version des Programmes WinDVD 8 von InterVideo, welches den Title Key entschlüsselt auf Festplatte abspeichere; wie genau dieser Schlüssel gespeichert wird, wollte der Programmierer nicht offen legen, konnte jedoch inzwischen nachvollzogen werden. Das Programm benötige zwar bisher noch die zuvor ermittelten Schlüssel der DVDs, ab der nächsten Version soll es diese aber ermitteln können. Der Hack wurde aber bisher nur durch ein Video mit dem Titel „AACS is unbreakable“ dokumentiert, welches u. a. bei YouTubeveröffentlicht, nach Aufforderung von Warner Bros. aber wieder entfernt wurde. Nach eigenen Angaben benötigte der Hacker nur acht Tage, um den AACS-Schutz zu brechen . Anfang Februar 2007 hatte Muslix64 dann angeblich ein Programm entwickelt, welches bei Eingabe der Volume ID das Medium problemlos in bester Qualität kopieren lässt. Ein Programm, welches die Volume ID automatisch liest, soll in Kürze folgen .

Anfang März 2007 wurde auch ein so genannter Processing Key extrahiert und veröffentlicht, der zum Dekodieren aller bis dato auf HD-DVD-Medien erschienenen Filme herangezogen werden kann. In den USA initiierte das AACS-Konsortium daraufhin DMCA-Takedowns gegen mehrere Blogger sowie die Suchmaschine Google, welche deren Seiten indiziert hatte. Google hat bis heute (Stand: 2. Mai 2007) nicht auf diese Forderung reagiert.

Ferner existieren auch die Möglichkeiten, mit einer umgebauten Xbox oder dem PC-Programm AnyDVD (in einigen Staaten illegal) den AACS-Kopierschutz auf HD-DVD-Medien auszuhebeln. Seit Version 6.1.9.3 (einige Titel) / 6.2.0.1 (alle Titel) kann AnyDVD auch mit MKBv4 umgehen. Damit fiel auch der bislang letzte HD-Kopierschutz und – wie bereits der Kopierschutz der DVD namens Content Scrambling System – kann auch dieser komplett umgangen werden.

Produkte Auf der Consumer Electronics Show (CES) Anfang 2004 in Las Vegas stellte Toshiba den Prototypen eines HD-DVD-Recorders mit einer Speicherkapazität von 30 GByte vor. Diesem folgte im Mai 2005 auf der Media-Tech Expo in Las Vegas die Vorstellung einer dreilagigen HD DVD-ROM mit 45 GByte Speicherkapazität.

NEC wollte ab Dezember 2005 das erste HD-DVD-Laufwerk für PCs unter dem Namen HR-1100A auf den Markt bringen. Der HR 1100A soll dabei vollständig abwärtskompatibel sein und damit alle CD- und DVD-Varianten inklusive DVD-RAM lesen können. Recorder für den PC sollten dann 2006 folgen. Dies hat sich aber aufgrund von Verzögerungen bei der Verabschiedung des Kopierschutzstandards AACS nicht realisieren lassen, von dem es bis Januar 2006 nur eine vorläufige Version gab.

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Auf der CES Anfang 2006 wurden die ersten serienreifen Standalone-Player vorgestellt und für März 2006 angekündigt. Allerdings wurden nur sehr wenige Geräte überhaupt vorgeführt und zudem nur mit vorläufigen Medien, die vermutlich nicht den später im Handel erhältlichen entsprechen. Die Geräte verfügen über HDMI-Ausgänge für die Bildausgabe und einen Ethernet-Anschluss für den Internetzugang.

Die Anforderungen an die Rechenleistung und den Kopierschutz lassen die Bedingungen für die Ausgabe von HD-DVD-Video über den PC ähnlich problematisch erscheinen wie Ende der 90er Jahre die Ausgabe von DVD-Video über den PC: So reicht die Rechenleistung der derzeit lieferbaren Hardware nur knapp für eine Ausgabe in Echtzeit, ebenso stellt der Kopierschutz ein Problem für den Bildausgang dar.

Die ersten HD DVDs sind zweilagige 30 GByte-Scheiben, deren Inhalt mittels des VC-1-Verfahrens kodiert sind.

Am 31. März 2006 sind in Japan und am 18. April in den USA von Toshiba zwei HD-DVD-Player veröffentlicht worden: der Toshiba HD-A1 HD-DVD-Player für 500 Dollar und der Toshiba HD-XA1 HD-DVD-Player für 800 US-Dollar. Später kam mit Toshiba HD-A2 und Toshiba HD-XA2 eine zweite Generation auf den Markt. In Europa erfolgte die Markteinführung mit dem Toshiba HD-E1, einem Gerät der zweiten Generation, am 18. Dezember 2006. Außerdem ist als Ergänzung zur Spielekonsole Xbox 360 seit November 2006 das externe HD-DVD-Laufwerk von Microsoft für ca. 170 Euro erhältlich, der Stromverbrauch im Abspielbetrieb ist aber drei- bis viermal höher als bei einem Standalone-HD-DVD-Player.

Im Dezember 2006 verkündete die Pornoproduktionsgesellschaft Wicked Pictures, dass der Film Camp Cuddly Pines Powertool Massacre die erste HD DVD des Studios sein wird. Diese Version wird mit vier Disks erscheinen. Der Film wird in High Definition zu sehen sein und weiteres Bonus-Material in Standard Definition. Im Zuge der CES 2007 kristallisierte sich zudem heraus, dass die amerikanische Pornografieindustrie sich aufgrund der niedrigeren Produktionskosten auf die HD DVD konzentriert.

Einstellung der Entwicklung Am 4. Januar 2008 gab Time Warner bekannt, dass seine Studios Warner Bros. und New Line Cinema zukünftig keine weiteren Filme für die HD DVD veröffentlichen werden, sondern ausschließlich auf die Blu-ray Disc setzen. Dies wurde von einigen Medien als Entscheidung des Formatkrieges bezeichnet. In den nächsten Tagen folgten weitere Anbieter, so am 10. Januar der große europäische Filmverleih Constantin Film , am 12. Januar der US-Pornoanbieter Digital Playground und die deutsche Senator Film. Die US-Anbieter Universal Studios und Paramount Pictures dementierten hingegen Gerüchte, ihre Verträge mit HD DVD aufzugeben, sie galten als die letzten verbliebenen großen Anbieter. Nachdem Toshiba, von denen ein Großteil der HD-DVD-Player stammt, am 15. Januar die Preise der Geräte in den USA teilweise drastisch reduziert hatte, sprachen einige Medien von einem „Ausverkauf“ . Auf der anderen Seite nahm der Druck auf die HD DVD weiter zu: Anfang 2008 nahmen Märkte der Media-Saturn-Holding beim Kauf eines Blu-ray-Abspielgerätes den HD-DVD-Player in Zahlung. Weitere Rückschläge musste das Format im Februar 2008 hinnehmen. Die US-Elektronikkette Best Buy teilte am 12. Februar 2008 mit, sich zukünftig nur noch auf das Blu-ray-Format zu konzentrieren. Einen Tag zuvor kündigte schon der größte US-Online-Videoverleih Netflix an, dass er bis zum Jahresende die HD DVD aus dem Sortiment nehmen wird. Am 15. Februar 2008 kündigte zudem Wal-Mart, größterEinzelhändler der USA, an, HD-DVD-Bestände ausverkaufen und somit in Zukunft nur noch auf

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Blu-ray setzen zu wollen. Dies soll sowohl Hardware als auch Filme betreffen.

Am 19. Februar 2008 gab Toshiba eine Pressemitteilung heraus, in der bekannt gegeben wurde, dass die Entwicklung, Herstellung und Vertrieb der HD DVD sowie entsprechender Geräte nicht weiter vorangetrieben wird und somit Ende März 2008 endgültig eingestellt wird. Daraufhin gaben die Universal Studios noch am selben Tag bekannt, von der HD DVD auf das Blu-ray-Format zu wechseln. Nach dieser Entscheidung im Formatkrieg um die DVD-Nachfolge hat am 25. Februar 2008 schließlich auch Microsoft bekanntgegeben, die Produktion von externen HD-DVD-Laufwerken für die Spielkonsole Xbox 360 einzustellen.

Eine Folge des Produktionsstops war, dass viele Händler ihre Lager räumten und das externe Laufwerk der Xbox 360 stark reduziert im Angebot hatten. So verlangte zum Beispiel der Online-Händler amazon.de für das Laufwerk Anfang Mai 2008 kurzzeitig nur noch 10,- Euro.

Siehe auch Enhanced Versatile Disc (EVD) – Chinesische DVD-Alternative Finalized Versatile Disc (FVD) – Taiwanische DVD-Alternative Vergleich optischer Datenträger - Vergleich von CD, DVD, HD DVD und Blu-ray Disc

Weblinks www.hddvdprg.com (http://www.hddvdprg.com/) – Offizielle Website der HD DVD Promotion Group Informationen zu HD DVD und Blu-Ray (http://www.itwissen.info/definition/lexikon//_hd-dvdhd-dvd_hd-dvdhigh%20definition%20dvdhd-dvd_hd-dvdhd-dvd-disc.html)

Commons: HD DVD (http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:HD-DVD?uselang=de) – Bilder, Videos und Audiodateien

Wikinews: Kategorie: HD-DVD Promotion Group – Nachrichten

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.toshiba.co.jp/about/press/2008_02/pr1903.htm

2. ↑ http://www.heise.de/newsticker/meldung/103706 3. ↑ Mini-HD-DVD: Tutorial: Die offizielle AVS Anleitung für HD-DVD Authoring

(http://www.hdtvtotal.com/module-pagesetter-viewpub-tid-1-pid-983.html) von Joseph Clark auf HDTVTotal.com, 8. April 2007

4. ↑ China HD DVD: Raubkopien: China bekommt eigenes HD DVD-Format (http://www.winfuture.de/news,27906.html) von xylen für WinFuture.de, 11. Oktober 2006

5. ↑ http://www.gulli.com/news/aacs-verschluesselung-von-hd-2006-12-28/ 6. ↑ http://forum.doom9.org/showthread.php?t=119871&page=33 7. ↑ . http://www.heise.de/newsticker/meldung/83671 8. ↑ http://www.theinquirer.de/2006/12/28/aacs_entschlusselt.html 9. ↑ http://www.heise.de/newsticker/meldung/85258

10. ↑ http://www.spiegel.de/netzwelt/tech/0,1518,466346,00.html 11. ↑ http://www.golem.de/0704/51968.html 12. ↑ http://www.golem.de/0710/55684.html 13. ↑ http://www.computerbase.de/news/hardware/laufwerke/optische_speicher/2008/januar/new_line_blu-

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a b

234 MOS - Speicher

Optischer Speicher aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Unter optischen Speichern (auch oft optische Platten) versteht man auswechselbare Massenspeicher, die durch optische Abtastung (meist mittels Laser) gelesen und/oder beschrieben werden können.

Die bekanntesten optischen Speichermedien heutzutage sind die CD/CD-ROM und deren Weiterentwicklung, die DVD. Daneben wurden jedoch noch diverse andere Medien und auch die Hybridvariante der Magneto-optischen Speicher entwickelt. Diese haben jedoch heute in der Praxis eine geringere Bedeutung. Nur einmal beschreibbare optische Speichermedien werden WORM (Write once, read many) genannt und in der Archivierung von digitalen Informationen eingesetzt.

Typen Es gibt viele verschiedene Formate optischer Platten:

Vorteile geringe Abnutzung durch berührungsloses Lesen geringe Medienkosten

Nachteile Einige beschreibbare und wiederbeschreibbare Medien - hier vor allem CD-R, CD-RW,

Inhaltsverzeichnis 1 Typen 2 Vorteile 3 Nachteile 4 Geschichte 5 Weblinks

Blu-ray Disc (BD) Compact Disc (CD) Digital Multilayer Disk (en) Digital Versatile Disc (DVD) Enhanced Versatile Disc (EVD) Fluorescent Multilayer Disc (en) GD-ROM

High Density DVD (HD DVD) Holographic Versatile Disc (HVD) Laserdisc (LD) Magneto Optical Disk (MOD) MiniDisc (MD) Phasewriter Dual (PD) Professional Disc for Data (PDD)

Protein-coated Disc (PCD) TeraDisc Ultra Density Optical (UDO) Universal Media Disc (UMD) Versatile Multilayer Disc (VMD)

GCN (GameCube) und Wii Optical Disc, optische

Speicher für Spielkonsolen

235


DVD±R und DVD±RW - haben eine Art 'Verfallsdatum'. Bei unsachgemäßer Lagerung können Probleme während des Lesevorganges auftreten. Begrenzte Zahl an Schreibzyklen bei wiederbeschreibbaren Medien (DVD-RAM max. 1.000.000, andere CD/DVD-Formate: max. 1.000, in der Realität meistens deutlich weniger).

Geschichte Die Firma Foto-mem wurde 1967 gegründet, mit dem Ziel, Massenspeicher für Computer zu entwickeln, die im Gegensatz zu den damals üblichen Verfahren Daten nicht magnetisch auf Trommeln, Bändern oder Platten speichern, sondern auf optischen Medien. Anfang der 70er Jahre gelang es Foto-Mem, eines seiner FM 360 Systeme an die New-York Times zu verkaufen, die damit Inhalte alter Ausgaben archivieren wollte Schließlich ging Foto-Mem das Geld aus und die Firma musste 1973 Konkurs anmelden, ohne je ein vollständig funktionierendes Gerät installiert zu haben.

Weblinks Optical Storage Technology Association (OSTA) (http://www.osta.org/)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Optischer_Speicher“ Kategorien: Speichermedium | Laseranwendung

236 MOS - Speicher

237

238 Der Mikrocomputer

Kapitel 5

Der Mikrocomputer


Mikrocomputer aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Das Wort Mikrocomputer bezeichnete früher Computer, die einen Mikroprozessor als Zentraleinheit aufweisen. In einer engeren Definition verstand man darunter Computer einer bestimmten Leistungsklasse. Mikrocomputer waren kleiner, aber weniger leistungsfähig als Großcomputer und Minirechner. Sie wurden millionenfach als Heim- und Bürocomputer benutzt. Die Ausstattung war auf diese Anwendungen zugeschnitten. Stabilität und Wartungsfreundlichkeit spielten eine geringere Rolle als im gewerblichen Bereich.

Das Wort Workstations bezeichnete vielseitig einsetzbare Mikrocomputer, die zuverlässiger und leistungsfähiger als herkömmliche Mikrocomputer sind. Sie wurden vor allem im technisch-wissenschaftlichen Bereich verwendet und waren in der Regel permanent in ein Netzwerk eingebunden.

In der Alltagssprache hat der Gebrauch des Begriffs Mikrocomputer seit den 1980er-Jahren stark abgenommen und ist nicht mehr üblich. Der Begriff ist heute meistens assoziiert mit der ersten Welle der All-in-One 8-Bit Heim- und Bürocomputer. Obwohl - oder sogar weil - ein immer grösserer Kreis von modernen, mikroprozessor-basierten Geräten der Definition eines Mikrocomputers entspricht, werden sie in der Alltagssprache nicht mehr so genannt.

Heutzutage ist das Wort Mikrocomputer durch den Begriff Personal Computer oder auch PC ersetzt worden. Personal Computer (PC) ist eigentlich ein Handelsname der Firma IBM. Als PCs bezeichnet man in Fachkreisen IBM-kompatible Mikrocomputer (verbreitete Betriebssysteme: Microsoft Windows, Linux, verschiedene BSD-Derivate); nicht als PCs werden etwa die älteren Mikrocomputer von Apple (Macintosh mit Betriebssystem Mac OS) aufgrund von Unterschieden in der Architektur bezeichnet.

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Mikrocomputer“

Schema eines modernen Personal Computer.

Bestehend aus: 1. Monitor

2. Hauptplatine/Mainboard (Motherboard)3. Hauptprozessor 4. Arbeitsspeicher

5. PCI-Karten/Steckkarten 6. PC-Netzteil/Stromversorgung

7. Optisches Laufwerk 8. Festplatte

9. Computermaus 10. Tastatur

Kategorie: Mikrocomputer

Mikroprozessor aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein Mikroprozessor (griech. mikros für „klein“) ist ein Prozessor in sehr kleinem Maßstab, bei dem alle Bausteine des Prozessors auf einem Mikrochip vereinigt sind. Der erste Mikroprozessor wurde Anfang der 1970er Jahre von der Firma Texas Instruments auf der Basis der IC-Technik (Integrierte Schaltkreise) entwickelt.

Geschichte In den frühen 1960ern wurden die aus Röhren

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte

1.1 Beachtenswerte 8-Bit-Prozessoren 1.2 16-Bit-Prozessoren 1.3 32-Bit-Prozessoren 1.4 64-Bit-Prozessoren auf dem Desktop 1.5 RISC-Prozessoren

2 Aufbau 3 Befehlsbearbeitung

3.1 Ungeordnete Befehlsausführung (Out-of-order execution)

4 Adressierungsarten 4.1 Registeradressierung 4.2 Einstufige Adressierung 4.3 Zweistufige Adressierung

5 Microcontroller 6 Siehe auch 7 Literatur 8 Weblinks

Entwicklung der Transistoranzahl bei Mikroprozessoren

Prozessortyp Anzahl Transistoren Jahr Hersteller

Intel 4004 2300 1971 Intel

Intel 8008 2500 1972 Intel

Intel 8080 4500 1974 Intel

6502 5000 1975 MOS Technology

Intel 8088 29.000 1979 Intel

Motorola 68000 68.000 1979 Motorola

Intel-D4040-Mikroprozessor

IBM-PowerPC-601-Mikroprozessor

Intel-i860-Mikroprozessor

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bestehenden Prozessoren durch transistorierte Typen verdrängt. Anfangs wurden die Prozessoren diskret aus einzelnen Röhren aufgebaut. Ein Prozessor hatte das Volumen eines Wandschrankes, die Leistungsaufnahme lag bei einigen 1000 Watt. Von "Mikro" konnte dabei nicht gesprochen werden. Die Taktfrequenz lag bei 100 kHz.

Der technologische Sprung von der Röhrentechnik zur Transistortechnik hatte einen geringeren Platzbedarf, eine geringere Temperaturentwicklung, eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit, eine niedrigere Ausfallquote sowie einen geringeren Stromverbrauch von nur einigen 100 Watt zur Folge. Die Taktfrequenz stieg auf etwa 1 MHz. Durch die spätere Verkleinerung der Transistoren auf nur einige Mikrometer war es möglich, immer mehr Transistorfunktionen auf Integrierten Schaltkreisen (ICs) unterzubringen. Waren es zunächst nur einzelne Gatter, integrierte man immer häufiger auch ganze Register und Funktionseinheiten wie Addierer und Zähler, schließlich dann sogar Registerbänke und Rechenwerke auf einem Chip. Diese zunehmende Integration von immer mehr Transistor- und Gatterfunktionen auf einem Chip führte dann fast zwangsläufig zu dem, was heute als Mikroprozessor bekannt ist.

Intel 80286 134.000 1982 Intel

Intel 80386 275.000 1985 Intel

Intel 80486 1.200.000 1989 Intel

Pentium 3.100.000 1993 Intel

AMD K5 4.300.000 1996 AMD

Pentium II 7.500.000 1997 Intel

AMD K6 8.800.000 1997 AMD

Pentium III 9.500.000 1999 Intel

AMD K6-III 21.300.000 1999 AMD

AMD K7 22.000.000 1999 AMD

Pentium 4 42.000.000 2000 Intel

Itanium 25.000.000 2001 Intel

Barton 54.300.000 2003 AMD

Intel Pentium M 77.000.000 2003 Intel

AMD K8 105.900.000 2003 AMD

Itanium 2 220.000.000 2003 Intel

Itanium 2 (9 MB Cache) 592.000.000 2004 Intel

Cell 241.000.000 2006 Sony/IBM/Toshiba

Core 2 Duo 291.000.000 2006 Intel

Core 2 Quad 582.000.000 2006 Intel

G80 (GPU) 681.000.000 2006 NVIDIA

Power6 789.000.000 2007 IBM

Dual-Core Itanium 2 1.700.000.000 2006 Intel


Der erste Mikroprozessor wurde von Ray Holt und Steve Geller von der Firma Garrett AiResearch für die F-14 Tomcat der US Navy entwickelt und war 1970 fertig. Patentiert wurde der Mikroprozessor von Mitarbeitern der Firma Texas Instruments, die ihn 1971 vorstellten. Im selben Jahr präsentierte Intel mit dem 4004 die erste CPU auf einem Chip. Der Mikroprozessor war geboren. Mit nur 4 Bit breiten Registern und einer Taktfrequenz von bis zu 740 kHz war der 4004 aber nicht gerade besonders leistungsfähig. Seine im Vergleich mit den klassischen CPUs äußerst kompakte Bauform verhalf dem Mikroprozessor aber schließlich trotzdem zum Durchbruch. Ursprünglich war der 4004 eine Auftragsentwicklung für den japanischen Tischrechnerhersteller Busicom. Intels Projektleiter Ted Hoff hatte die Idee, das Herz dieses Tischrechners in Form eines programmierbaren Bausteins zu realisieren. Dass daraus die erste universell einsetzbare Einchip-CPU der Welt resultierte, war eigentlich nicht beabsichtigt. Da Busicom damals in finanziellen Schwierigkeiten steckte, bot man Intel den Rückkauf des 4004-Designs an, woraufhin Intel mit der Vermarktung des 4004 begann. Der 4004 wurde zum ersten kommerziellen Mikroprozessor der Welt.

Bereits zum Ende der 1960er Jahre gab es mit dem Parallel Processing System 4bit (PPS4) einen Mikroprozessor von Rockwell International, der allerdings nur für US-Rüstungsprojekte bei Raketensteuerungen Verwendung fand. Zunächst waren dies noch recht einfache Schaltungen. Die Mikroelektronik brachte neben der Miniaturisierung und der Kostenersparnis noch weitere Vorteile wie Geschwindigkeit, geringer Stromverbrauch, Zuverlässigkeit und später auch höhere Komplexität. Dies führte dazu, dass vergleichsweise billige Mikroprozessoren mit der Zeit die teuren Prozessoren der Minicomputer und teilweise sogar der Großrechner verdrängten. Gegen Ende des zwanzigsten Jahrhunderts hielt der Mikroprozessor Einzug in viele elektronische Geräte, vor allem als CPU von Personal-Computern (PCs). Auch als die Strukturgröße der Mikroprozessor-Chips auf einige hundert Nanometer (Nanoelektronik) weiter verkleinert wurde, blieb der Begriff Mikroprozessor bestehen.

Zur Realisierung eines kompletten Computers muss der Mikroprozessor noch um Speicher und Ein-/Ausgabe-Funktionen erweitert werden. Diese stehen in Form weiterer Chips zur Verfügung. Nur wenige Jahre nach der Einführung von Mikroprozessoren erschienen jedoch auch so genannte Mikrocontroller, die diese Funktionen auf einem Chip vereinigten.

Beachtenswerte 8-Bit-Prozessoren

Der 4004 wurde 1972 durch den 8008 abgelöst, den ersten 8-Bit-Mikroprozessor der Welt. Dieser Prozessor war der Vorläufer für den äußerst erfolgreichen Intel 8080 (1974) und weiterer 8-Bit-Prozessoren von Intel. Der konkurrierende Motorola 6800 war ab August 1974, im selben Jahr wie der 8080, erhältlich. Die Architektur des 6800 wurde 1975 für den MOS Technology 6502 kopiert und verbessert, der in den 1980er-Jahren in der Popularität mit dem Z80 wetteiferte.

Das Entwicklerteam des 8080 gründete die Firma Zilog und brachte 1976 den Z80 heraus, eine stark verbesserte und code-kompatible Weiterentwicklung. Der Z80 erlangte die größte Popularität aller 8-Bit-Prozessoren. Details siehe Zilog Z80.

Sowohl der Z80 als auch der 6502 wurden im Hinblick auf niedrige Gesamtkosten entwickelt. Das Gehäuse war klein, die Ansprüche an den Bus gering und es wurden Schaltungen eingebunden, die bisher in einem separaten Chip zur Verfügung gestellt werden mussten (der Z80 verfügte z. B. über einen eigenen Refresh Generator für dynamische RAM-Speicher DRAM). Diese Eigenschaften waren es schließlich, die dem Heimcomputer-Markt zu Beginn der 1980er Jahre zum Durchbruch verhalfen und in Maschinen resultierten, die für 99 Dollar erhältlich waren.

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Der SC/MP wurde von der Firma National Semiconductor Corporation aus Santa Clara Mitte der 1970er Jahre vertrieben. Verschiedene Einplatinencomputer wurden als Selbstbau- und Lehrcomputer auf Basis des SC/MP bis etwa 1980 realisiert.

Western Design Center (WDC) stellte den CMOS 65C02 1982 vor und lizenzierte das Design an verschiedene Firmen. Dieser Prozessor wurde das Herz der Apple IIc und IIe und wurde in Herzschrittmachern und Defibrillatoren, Autos sowie in industriellen Geräten und auf dem Verbrauchermarkt eingesetzt. WDC bereitete so den Weg vor für das Lizenzieren von Mikroprozessor-Technologie; dieses Geschäftsmodell wurde später durch ARM und anderen Herstellern in den 1990er Jahren übernommen.

Motorola übertrumpfte 1978 die gesamte 8-Bit-Welt mit der Vorstellung des Motorola 6809, eine der leistungsstärksten und saubersten 8-Bit-Architekturen und auch eine der komplexesten Mikroprozessor-Logiken, die je produziert wurden. Mikroprogrammierung ersetzte zu dieser Zeit die bisher festverdrahteten Logiken – gerade weil die Anforderungen der Designs für eine feste Verdrahtung zu komplex wurden.

Ein weiterer 8-Bit-Mikroprozessor war der Signetics 2650, der aufgrund seiner innovativen und leistungsfähigen Befehlssatz-Architektur kurzzeitig im Zentrum des allgemeinen Interesses stand.

Ein für die Raumfahrt wegweisender Mikroprozessor war der RCA 1802 (alias CDP1802, RCA COSMAC; vorgestellt 1976), der in den Voyager-, Viking- und Galileo-Raumsonden eingesetzt wurde. Der CDP1802 wurde verwendet, weil er mit sehr wenig Energie betrieben werden konnte und seine Bauart (Silicon on Sapphire) einen wesentlich höheren Schutz gegenüber kosmischer Strahlung und elektrostatischen Entladungen bot als jeder andere Prozessor zu dieser Zeit. Der CP1802 wurde als erster Strahlungs-gehärteter („radiation-hardened“) Prozessor bezeichnet.

16-Bit-Prozessoren

Der erste Mehrfach-Chip 16-Bit-Mikroprozessor war der IMP-16 von National Semiconductor, vorgestellt 1973. Eine 8-Bit-Version wurde ein Jahr später als der IMP-8 vorgestellt. 1975 stellte National Semiconductor den ersten Ein-Chip-Mikroprozessor vor, PACE, der später gefolgt wurde durch eine NMOS-Version, dem INS8900.

Andere Mehrfach-Chip-16-Bit-Mikroprozessoren waren der TMS 9900 von TI, der auch mit der hauseigenen TI 990-Minicomputer-Modellreihe kompatibel war. Der Chip besaß ein großes 64-Pin-DIP-Gehäuse, während die meisten 8-Bit-Prozessoren in das weiter verbreitete, kleinere und billigere 40-Pin-DIP-Gehäuse aus Kunststoff eingesetzt wurden. Ein Nachfolger wurde aus dem 9900 entwickelt, der TMS 9980, der ebenfalls ein billigeres Gehäuse besaß. Er sollte ein Konkurrent zum Intel 8080 darstellen. Der TMS9980 konnte 8 Datenbits zur gleichen Zeit kopieren, aber nur 16 KB adressieren. Ein dritter Chip, der TMS 9995, wurde neu entwickelt. Diese Prozessorfamilie wurde später mit dem 99105 und 99110 erweitert.

WDC machte seinen 65C02 16-Bit-tauglich und stellte diesen Prozessor als CMOS 65816 im Jahre 1984 vor. Der 65816 stellte den Kern der Apple IIgs und später des Super Nintendos dar, was ihn zu einem der beliebtesten 16-Bit-Designs machte.

Intel folgte einem anderen Pfad, keine Minicomputer zu emulieren, und „vergrößerte“ stattdessen ihr 8080-Design auf 16-Bit. Daraus entstand der Intel 8086, das erste Mitglied der x86-Familie, die heute in den meisten PCs zu finden ist. Intel stellte den 8086 als kostengünstigen Weg vor, Software von der 8080-Linie zu portieren, und machte damit gute Geschäfte. Nachfolger des 8080 und Intel


8088 wurde der 80186, der 80286 und 1985 der 32-Bit 80386, die alle rückwärtskompatibel waren und so die Marktvorherrschaft von Intel entscheidend stärkten.

32-Bit-Prozessoren

Der erste 32-Bit-Mikroprozessor in einem eigenen Gehäuse war der BELLMAC-32A von AT&T Bell Labs, von dem erste Stücke 1980 erhältlich waren, und der 1982 in Masse produziert wurde. Nach der Zerschlagung von AT&T 1984 wurde er in WE 32000 umbenannt (WE für Western Electric) und hatte zwei Nachfolger: Den WE 32100 und WE 32200. Diese Mikroprozessoren wurden in den folgenden Minicomputern von AT&T eingesetzt: 3B2, 3B5, 3B15, „Companion“ und „Alexander“.

Einer der bemerkenswertesten 32-Bit-Mikroprozessoren ist der MC68000 von Motorola, der 1979 vorgestellt wurde. Er wurde häufig auch als 68K bezeichnet und verfügte über 32-bittige Register, verwendete aber 16 Bit breite interne Busleitungen und einen ebenso breiten externen Datenbus, um die Anzahl benötigter Pins zu verringern. Motorola bezeichnete diesen Prozessor im allgemeinen als 16-Bit-Prozessor, obwohl er intern über eine 32-Bit-Architektur verfügte. Die Kombination aus einem schnellen und großen Speicher-Adressraum (16 Megabyte) und geringen Kosten machten ihn zum beliebtesten Prozessor seiner Klasse. Der Apple Lisa und die Macintosh-Reihe verwendeten den 68K; Mitte der 1980er Jahre wurde dieser Prozessor auch im Atari ST und Commodore Amiga eingesetzt.

Intels erster 32-Bit-Mikroprozessor war der iAPX 432, welcher 1981 vorgestellt wurde. Obwohl er über eine fortgeschrittene, objektorientierte Architektur verfügte, war ihm kein kommerzieller Erfolg beschieden – nicht zuletzt weil er in der Leistung gegenüber konkurrierenden Architekturen schlechter abschnitt.

Motorolas Erfolg mit dem 68K führte zur Vorstellung des MC68010, der die Technik der virtuellen Speicheradressierung unterstützte. Der MC68020 schließlich verfügte über 32 Bit breite interne und externe Busse. Dieser Prozessor wurde im Unix-Supermicrocomputer äußerst beliebt, und viele kleinere Firmen stellten Desktop-Systeme mit diesem Prozessor her. Der MC68030 integrierte die MMU in den Chip. Die meisten Computer, die nicht auf DOS liefen, setzten nun einen Chip der 68K-Familie ein. Dieser anhaltende Erfolg führte zum MC68040, der auch die FPU in den Chip integrierte und so die Geschwindigkeit arithmetischer Operationen erhöhte. Ein geplanter MC68050 erreichte nicht die erwünschten Verbesserungen und wurde nicht produziert, der MC68060 wurde auf ein Marktsegment geworfen, das bereits mit viel schnelleren RISC-Designs gesättigt war.

Der 68020 und seine Nachfolger wurden häufig in eingebetteten Systemen eingesetzt.

Während dieser Zeit (Anfang bis Mitte 1980) stellte National Semiconductor ähnlich wie Motorola einen 32-Bit-Prozessor mit einem 16-bittigen Pinout her, den NS 16032 (später umbenannt zu NS 32016). Die Version mit einem ebenfalls 32 Bit breiten Bus war der NS 32032. Sequent stellte basierend auf diesem Mikroprozessor Mitte der 1980er Jahre den ersten SMP-Computer vor.

Andere Systeme setzten den Zilog Z8000 ein, der aber zu spät im Markt ankam und bald wieder verschwand.

64-Bit-Prozessoren auf dem Desktop

Während 64-Bit-Prozessoren in verschiedenen Märkten schon seit den frühen 1990er Jahren im Einsatz waren, wurden sie erst nach 2000 auch auf dem PC-Markt eingesetzt. Im Juli 2003 stellte Apple auf der Entwicklerkonferenz (WWDC) den Power Mac G5 vor, Apples ersten 64-Bit-

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Desktop-Computer. Vorher hatte es bereits von Sun und anderen Herstellern 64-Bit-Rechner gegeben, die allerdings üblicherweise als Workstations und nicht als Desktop-Rechner bezeichnet werden, auch wenn kein technisches Merkmal diese Unterscheidung rechtfertigt.

Etwa gleichzeitig, mit AMDs Einführung der ersten 64-Bit Architektur AMD64 (zu IA-32 rückwärtskompatibel) im September 2003, begann die Ära der 64-Bit-Architekturen auch bei x86-Rechnern. AMD wurde bald gefolgt von Intel, das eigene x86-64-Prozessoren vorstellte. Beide x86-Prozessoren können die bisherige 32-Bit-Software wie auch die neue 64-Bit-Software ausführen. Mit dem 64-Bit-Windows XP und -Linux bewegt sich die Software nun auf die neue Architektur hin und nutzt das volle Potenzial dieser Prozessoren.

Speziell bei IA-32 ist der Wechsel zu 64-Bit mehr als nur die Erhöhung der Registerbreite, da auch die Anzahl der Register erhöht wurde.

Bei den PowerPC-Architekturen wurde der Wechsel auf 64-Bit schon in den frühen 1990er Jahren vorgesehen (tatsächlich ist der PPC-Prozessor von vornherein als 64-Bit konzipiert, mit einer 32-Bit-Teilmenge der Befehle). Die Registergrößen und interne Busse werden vergrößert, die arithmetischen und vektoriellen Recheneinheiten arbeiteten bereits vor dem Wechsel seit mehreren Jahren mit 64 oder mehr Bits (dies ist auch bei IA-32 der Fall). Es werden aber keine neuen Register eingefügt, dadurch ist die gewonnene Geschwindigkeit von 64 gegenüber 32-Bit geringer als bei IA-32.

RISC-Prozessoren

Mitte der 1980er bis in die frühen 1990er Jahre erschienen viele RISC-Mikroprozessoren (Reduced Instruction Set Computing), die anfänglich in spezialisierten Computern und UNIX-Workstations eingesetzt wurden, seither aber universell in den verschiedensten Aufgabengebieten genutzt werden, ausgenommen den Intel-Standard-Desktop-Computern.

Die erste kommerzielle Architektur stammte von MIPS Technologies, der 32-bittige R2000 (der R1000 wurde nicht verkauft). Der R3000 machte die Architektur erst richtig praktisch, der R4000 schließlich stellte die erste 64-Bit-Architektur der Welt dar. Konkurrierende Projekte brachten die IBM-POWER- und Sun-SPARC-Systeme hervor. Bald hatte jeder größere Hersteller ein RISC-Design im Angebot, z. B. den AT&T CRISP, AMD Am29000, Intel i860 und Intel i960, Motorola 88000, DEC Alpha und den HP PA-RISC.

Der Wettbewerb ließ bald die meisten dieser Architekturen verschwinden, wobei IBMs POWER und der davon abgeleitete PowerPC (als die Desktop-RISC-Architektur) und Sun SPARC (nur in Suns eigenen Systemen) blieben. MIPS bietet weiterhin SGI-Systeme an, die Architektur wird aber meist als eingebettetes Design verwendet, z. B. in den Routern von Cisco. Andere Firmen konzentrieren sich auf Nischenmärkte, allen voran ARM, die zuerst auf den Heimbenutzer-Markt abzielten, sich jetzt aber auf Prozessoren für eingebettete Systeme konzentrieren.

Aufbau Ein Mikroprozessor ist ein Prozessor, bei dem alle Bausteine des Prozessors auf einem Mikrochip vereinigt sind.

Alle komplexeren Mikroprozessoren sind interruptfähig, d. h. eine Unterbrechung des Programmablaufes wird durch ein externes Signal bewirkt. Einige (sehr einfach aufgebaute und damit sehr billige) Prozessoren haben keine Interruptfähigkeit, sondern müssen über Software


abfragen, ob ein äußeres Ereignis vorliegt. Diese Mikroprozessoren kommen bei extrem preissensitiven Bereichen wie Spielzeug und Ähnlichem zum Einsatz.

Befehlsbearbeitung Die Befehlsbearbeitung moderner Mikroprozessoren folgt dem Von-Neumann-Zyklus. Die wichtigsten Phasen sind dabei das Laden des Befehls (FETCH), seine Dekodierung (DECODE) und seine Ausführung (EXECUTE). Gelegentlich unterscheidet man auch noch eine Rückschreibphase, in welcher die Rechenergebnisse in bestimmte Register geschrieben werden. Da moderne Mikroprozessoren parallele Techniken wie etwa Pipelining und Superskalarität einsetzen, werden unter Umständen mehrere Befehle gleichzeitig in dieser Weise bearbeitet.

Ungeordnete Befehlsausführung (Out-of-order execution)

Die meisten modernen Hochleistungsprozessoren sind in der Lage, Befehle in ungeordneter, d. h. nicht strikt in der vom Programm vorgegebenen Reihenfolge auszuführen (Out-of-order execution). Die Motivation für eine Abweichung von der vorgegebenen Befehlsfolge besteht darin, dass aufgrund von Verzweigungsbefehlen der Programmlauf nicht immer sicher vorhergesehen werden kann. Möchte man Befehle bis zu einem gewissen Grad parallel ausführen, so ist es in diesen Fällen notwendig, sich für eine Verzweigung zu entscheiden und die jeweilige Befehlsfolge spekulativ auszuführen. Es ist dann möglich, dass der weitere Programmlauf dazu führt, dass eine andere Befehlsfolge ausgeführt werden muss, so dass die spekulativ ausgeführten Befehle wieder rückgängig gemacht werden müssen. In diesem Sinne spricht man von einer ungeordneten Befehlsausführung.

Die Grafik zeigt die wesentlichen Komponenten und das Grundprinzip einer ungeordneten Befehlsausführung. Zunächst erkennt man eine Harvard-Architektur, d. h. eine Trennung von Daten- und Befehlsspeicher, die ein paralleles Laden von Befehlen und ihren Operanden ermöglicht. Es existieren mehrere Rechenwerke, die parallel arbeiten können. Befehle und Operanden werden nun aber nicht direkt in die Rechenwerke eingespeist, sondern zunächst in sogenannte Reservierungs-Stationen. Dabei kann es sich um

Befehle handeln, die aufgrund einer Programmverzweigung möglicherweise gar nicht ausgeführt werden müssen. Sobald ein Rechenwerk frei ist, werden Befehl und Operanden aus der zugehörigen Reservierungs-Station geladen, der Befehl ausgeführt und das Ergebnis in einem sogenannten Umbenennungs-Register aufgefangen. Das Zurückhalten des Ergebnisses ist notwendig, da noch nicht klar ist, ob der ausgeführte Befehl überhaupt auszuführen war. Sobald klar ist, dass die Verzweigung korrekt vorhergesagt wurde, sorgt die Komplettierungseinheit dafür, dass die Umbenennungs-Register mit den Architektur-Registern synchronisiert werden. Die Architektur-Register sind die klassischen Prozessor-Register, von denen aus das Ergebnis (ggf. über einen Cache-Speicher) in den Hauptspeicher transportiert wird. Sollte sich herausstellen, dass die Befehle aufgrund einer falsch vorhergesagten Verzweigung nicht auszuführen waren, so werden die Umbenennungs-Register zurückgesetzt. Man spricht dann auch von Branch Recovery.

Grundprinzip der ungeordneten Befehlsausführung

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Adressierungsarten In modernen Mikroprozessoren werden verschiedene Adressierungsarten für die verwendeten Operanden verwendet. Dabei handelt es sich um verschiedene Methoden zur Berechnung der effektiven logischen Speicheradressen. Die Berechnung der physikalischen Adressen anhand der logischen Adressen ist davon unabhängig und wird in der Regel von einer Memory Management Unit durchgeführt. Das folgende Bild gibt einen Überblick über die wichtigsten Adressierungsarten.

Registeradressierung

Bei einer Registeradressierung steht der Operand bereits in einem Prozessorregister bereit und muss folglich nicht mehr aus dem Speicher geladen werden. Erfolgt die Registeradressierung implizit, so wird das Register über die Angabe des Opcodes mitadressiert (Beispiel: der Opcode bezieht sich implizit auf den Akkumulator). Bei expliziter Registeradressierung wird die Nummer des Registers im Registerfeld des Opcodes mitgegeben.

Einstufige Adressierung

Bei einstufigen Adressierungsarten kann die effektive Adresse durch eine einzige Adressberechnung ermittelt werden. Es muss also im Laufe der Adressberechnung nicht erneut auf den Speicher zugegriffen werden. Bei unmittelbarer Adressierung enthält der Befehl keine Adresse, sondern den Operanden selbst. Bei direkter Adressierung enthält der Befehl die logische Adresse selbst, es muss also keine Adressberechnung mehr ausgeführt werden. Bei Register-indirekter Adressierung ist die gesuchte logische Adresse bereits in einem Adressregister des Prozessors enthalten. Die Nummer dieses Adressregisters wird über den Opcode übergeben. Bei der indizierten Adressierung erfolgt die Adressberechnung mittels Addition: Der Inhalt eines Registers wird zu einer Basisadresse hinzugerechnet. Bei Programmzähler-relativer Adressierung wird die neue Adresse aus dem aktuellen Wert des Programmzählers und einem Offset ermittelt.

Zweistufige Adressierung

Bei zweistufigen Adressierungsarten sind mehrere Rechenschritte notwendig, um die effektive Adresse zu erhalten. Insbesondere ist im Laufe der Berechnung meist ein zusätzlicher Speicherzugriff notwendig. Als Beispiel sei hier die indirekte absolute Adressierung genannt. Dabei enthält der Befehl eine absolute Speicheradresse. Das Speicherwort, das unter dieser Adresse zu finden ist, enthält die gesuchte effektive Adresse. Es muss also zunächst mittels der absoluten Speicheradresse auf den Speicher zurückgegriffen werden, um die effektive Adresse zu ermitteln.

Übersicht der wichtigsten Adressierungsarten


Volladdierer aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein Volladdierer (engl. full adder) ist ein Schaltnetz, das üblicherweise als digitale Schaltung realisiert wird. Es besteht aus drei Eingängen (x, y und cin) und zwei Ausgängen (s und cout). Mit einem Volladdierer kann man drei einstellige Binärzahlen addieren. Dabei liefert der Ausgang s (engl. sum - Summe) die niederwertige Stelle des Ergebnisses, der Ausgang cout (engl. carry (output) - Übertrag (Ausgang)) die höherwertige. Die Bezeichner cin und cout legen hierbei eine Möglichkeit zur Überlaufbehandlung in Addiernetzen nahe.

Die folgende Wahrheitstabelle zeigt die Funktionsweise eines Volladdierers:

Daraus ergeben sich folgende Gleichungen:

und

Die linke Abbildung zeigt den Aufbau eines Volladdierers mittels Halbaddierern und einem Oder-Gatter.

x y cin cout s

0 0 0 0 0

0 0 1 0 1

0 1 0 0 1

0 1 1 1 0

1 0 0 0 1

1 0 1 1 0

1 1 0 1 0

1 1 1 1 1

Schaltsymbol

eines Volladdierers

Schaltsymbol eines Volladdierers nach DIN 40900

Aufbau eines Volladdierers mittels zweier Halbaddierer und eines Oder-Gatters nach DIN

40900

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Die rechte Abbildung zeigt ebenfalls den Aufbau eines Volladdierers, wobei die Halbaddierer jeweils in ein Und-Gatter und ein XOR-Gatter aufgetrennt wurden.

Der Volladdierer wird zum Aufbau von Addierwerken verwendet, oft in Kombination mit einem Halbaddierer.

Weblink 1-Bit-Volladdierer aus NAND-Gattern (http://torabi.de/physik/projektlabor/bin/PL%20268%201-Bit-Volladdierer.pdf)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Volladdierer“

Aufbau eines Volladdierers mit zwei UNDXOR- und einem ODER-Gatter nach DIN


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Carry-Ripple-Addierer aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Der Carry-Ripple-Addierer (von engl. carry - Übertrag, ripple - rieseln), auch ripple-through carry, ist ein Addiernetz, dient also der Addition mehrstelliger Binärzahlen.

Ein n-Bit-Carry-Ripple-Addierer kann zwei n-stellige Binärzahlen addieren, das Ergebnis hat dann n+1 Stellen. Das Schaltnetz hat also 2n Eingänge und n+1 Ausgänge.

Er setzt sich aus einem Halbaddierer und n-1 Volladdierern zusammen. Der Übertrags-Ausgang der Addierer wird jeweils an einen Eingang des nächsten Volladdierers angeschlossen. Der Übertrags-Ausgang des letzten Volladdierers bildet den (n+1)-ten Ausgang des Schaltnetzes.

Da Volladdierer nicht unendlich schnell arbeiten, kann es zu Verzögerungen bei der Berechnung des Endergebnisses kommen, da der Volladdierer das korrekte Ergebnis erst dann ausgeben kann, wenn der vorhergehende Volladdierer das Übertragsbit geliefert hat. Im schlechtesten Fall führt die Addition a0+b0 zu einem Übertrag, und für alle i>0 gilt: ai+bi≥1. Dann muss das Übertragsbit durch das gesamte Addiernetz wandern, bevor das richtige Ergebnis ausgegeben wird (Übertragspropagation).

Um diese langen Laufzeiten zu vermeiden, wurden beschleunigte Addiernetze entwickelt, etwa Carry-Skip, Carry-Look-Ahead ((Super)Ripple CLA und (Super)Block CLA), Conditional Sum Addition und Carry-Select-Addierer.

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Carry-Ripple-Addierer“

Aufbau eines 4-Bit-Carry-Ripple-Addierers


Addierwerk aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Das Addierwerk ist die Hauptkomponente des Rechenwerks einer CPU.

Das Addierwerk ermöglicht die Addition zweier mehrstelliger Binärzahlen. Da sich alle vier Grundrechenarten auf die Addition zurückführen lassen, bildet es das zentrale Element des Rechenwerks (ALU) eines Prozessors. Während das Addiernetz asynchron funktioniert, arbeitet das Addierwerk getaktet und puffert das Ergebnis mit Speicherbausteinen.

Ein Addierwerk kann auf verschiedene Arten realisiert sein, die bekanntesten Schaltungen sind das Paralleladdierwerk, das Serienaddierwerk und das Von-Neumann-Addierwerk. Alle drei verwenden Voll- und/oder Halbaddierer zur Durchführung der Addition.

Schaltungstypen

Paralleladdierwerk

In der Grundform wird der Carry-Ripple-Addierer als Addiernetz verwendet, wobei das Carry-Out mit Carry-In des nächsten Volladdieren verbunden wird. Zur Bildung der Summe muss das Signal im Worst-Case das Carry-Bit vom Niederwertigsten Addierer bis zum höchstwertigsten Addierer wandern. Daraus folgt bei großen Rechenwerken eine erhebliche Laufzeiten im Addiernetz, in der Folge wurden Schaltnetze mit reduzierter Laufzeit entwickelt.

Paralleladdierer mit Übertragsumleitung (Carry-Skip-Addierer), die Volladdierer werden zu Gruppen zusammengefasst und durch Zusatzlogik wird schnell ermittelt, ob ein Carry-In die Gruppe durchwandert (Bei allen Addierern liegt mindestens an einem Eingang eine 1, somit haben alle einzelnen Addierer eine Übertrag im Ergebnis.

Inhaltsverzeichnis 1 Schaltungstypen

1.1 Paralleladdierwerk 1.2 Serienaddierwerk 1.3 Von-Neumann-Addierwerk 1.4 Subtrahieren

2 Addition und Subtraktion von Gleitkommazahlen 3 Weblinks

Das Addiernetz bildet aus den Summanden a3..0 und b3..0 die Summe s3..0, carry_in

und carry_out ermöglichen die Kaskadierung des Schaltnetzes

Aufbau eines 4-Bit-Carry-Ripple-Addierers

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Paralleladdierer mit Übertragsvorausberechnung (Carry-Look-Ahead-Addierer), das Schaltnetz für eine Addierer Gruppe enthält eine aufwendige Logik, die deren Übertrag direkt ermittelt. Conditional-Sum-Addierer, berechnet für eine Addierergruppe das Ergebnis, sowohl mit als auch ohne Carry-In gesetzt. Eine Auswahl-Logik schaltet in Abhängigkeit vom Carry-In das entsprechende Ergebnis zu den Ausgängen.

Der Vorteil des Paralleladdierers liegt in der gleichzeitigen Arbeit aller beteiligten Addierer. Der Nachteil der Grundform sind die langen Signal-Laufzeiten, da sich der Übertrag im Extremfall von rechts nach links durch die Schaltung propagieren muss. Die Weiterentwicklungen benötigen eine große Zahl zusätzlicher Gatter, deren Zahl linear mit der Breite n der zu addierenden Stellen des Binärsystems steigt.

Serienaddierwerk

Das Serienaddierwerk benötigt einen Volladdierer sowie einen D-Flip-Flop zur Addition zweier n-stelliger Binärzahlen. In jedem Takt wird das äußerste rechte Bit der Binärzahlen aus den Schieberegistern sowie der Wert im D-Flip-Flop in den Volladdierer übertragen. Das Ergebnis wird in einem Register gespeichert und der Überlauf im D-Flip-Flop für den nächsten Takt gespeichert. Der Vorteil des Serienaddierwerks liegt in der geringen Anzahl der benötigten elektronischen Bauteile. Der Nachteil liegt in der seriellen Abarbeitung, so dass n Takte zur Addition zweier n-stelliger Binärzahlen nötig sind.

Die Kombination der Vorteile des Parallel- und Serienaddierers führt zum Von-Neumann-Addierwerk-

Von-Neumann-Addierwerk

Das Von-Neumann-Addierwerk benötigt n Halbaddierer zur Addition zweier n-stelliger Binärzahlen. Die Addition erfolgt durch folgenden Algorithmus

Wiederhole

1. Register A und P mit Summanden Laden

2. Addieren 3. Register A mit Summen ohne

Übertrag laden, in P Überträge laden

4. Aktion 2 und 3 solange

Serienaddierwerk berechnet die Summe Stelle für Stelle

4-Bit Von-Neumann-Addierwerk


wiederholen bis Register S Null ist

Das AND an P0 sorgt dafür, das nach dem ersten Addierdurchlauf P0 von da an mit 0 gesetzt wird.

Das Addierwerk benötigt im ungünstigsten Fall („worst-case“) n+1 Takte; die Erfahrung der Praxis zeigt, dass es im Mittel nur log2n + 1 sind.

Beispiel 13 + 11:

Subtrahieren

Die Subtraktion ist mit der Addition eng Verwandt und lässt sich durch Vorzeichenwechsel des Subtrahenden in eine Addition umwandeln. Ein Vorzeichenwechsel bei Dualzahlen ermöglicht das Zweierkomplement, umgesetzt als Einerkomplement (invertieren aller Bits) und danach mit 1 addiert. Die Erweiterung des Addierwerks zum Addier-/Subtrahierwerk ermöglicht die Vorschaltung von XOR-Verknüpfungen am Eingang des zweiten Operanden. Steht der Wahlschalter auf 1 invertiert das XOR das Eingangssignal und setzt das Carry-In-Bit, hierdurch entsteht das Zweierkomplement und aus der Addition wird eine Subtraktion.

Addition und Subtraktion von Gleitkommazahlen Viele Prozessoren verfügen über eine Gleitkommaeinheit für Berechnungen mit Kommazahlen. Bei Gleitkommazahlen werden Mantisse und Exponent getrennt verarbeitet. Dazu werden die Exponenten der Zahlen in einem Normierer angeglichen, die Zahlen mit Hilfe eines

Schritt S U P3...0 A3...0

0 0 0000b 0 0000b

1 1 0 1101b 13 1011b 11

2 1 1 0010b 2 0110b 22

3 1 1 0100b 4 0100b 20

4 1 1 1000b 8 0000b 16

5 0 1 0000b 0 1000b 24

Das XOR macht je nach Zustand des Selektors das Einerkomplement oder lässt

das Signal unverändert durch

251



Addierer/Subtrahierer addiert und schließlich wird das Ergebnis und der neue Exponent in einem Normierer zu einer neuen Gleitkommazahl – dem Ergebnis – verarbeitet.

Normierer

Zuerst muss der Exponent angeglichen werden. Dazu werden die beiden Exponenten subtrahiert und die Mantisse der Gleitkommazahl mit dem kleineren Exponenten mit einem Schieberegister um die durch die Subtraktion der Exponenten ermittelte Anzahl an Stellen (Bits) verschoben. Dadurch besitzen beide Zahlen den selben (größeren) Exponenten. Der größere Exponent wird über einen Multiplexer anhand des Vorzeichens des bei der Subtrakion entstandenen Wertes (Exponenten-Differenz) ausgewählt und direkt an den Normierer weitergeleitet.

Addierer/Subtrahierer

In der Addierer/Subtrahierer-Stufe arbeitet im Wesentlichen ein Addierer mit vorgeschalteten Invertern an den Eingängen. Die Inverter invertieren (negieren) die Mantisse, wenn das zugehörige Vorzeichen-Bit der jeweiligen Gleitkommazahl gesetzt ist. Anschließend können die beiden Zahlen addiert werden. Hierbei entsteht die neue Mantisse. Zudem wird das Prioritäts-Bit (Überlauf-Bit) desAddierers gesetzt, wenn die Summe der beiden Mantissen zu groß ist um in der neuen Mantisse gespeichert werden zu können.

Normierer

Im Normierer wird die Exponenten-Differenz um eins reduziert und das Ergebnis aus der Addierer/Subtrahierer-Stufe um eins nach links verschoben, falls das Prioritäts-Bit gesetzt ist. Anschließend wird das Ergebnis aus der Addierer/Subtrahierer-Stufe zur Mantisse – und die Exponenten-Differenz zum Exponenten – der Ergebnis-Gleitkommazahl.

Weblinks Additionsschaltung -- Hier wird die Entwicklung einer Additions- und Subtraktionschaltung näher erklärt (http://the.navigable.info/pub/da03_facharbeit.pdf) Schaltalgebra, Boolesche Algebra (http://www.informatik.hu-berlin.de/~apolze/LV/RA_LiN/Lection_2a/logik.html)

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Low Voltage Differential Signaling aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

LVDS ist eine Abkürzung für Low Voltage Differential Signaling. Es handelt sich um einen Schnittstellen-Standard für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. LVDS ist standardisiert nach ANSI/TIA/EIA-644-1995. Er beschreibt die physikalische Schicht, nicht die darauf aufsetzenden Protokolle. Wichtige Merkmale sind:

differenzielle Spannungspegel relativ geringe Spannungspegel (low voltage) die Signale werden mit einer Konstantstromquelle erzeugt

Spannungspegel Low voltage (niedrige Spannung) bedeutet, dass statt einer üblichen hohen Spannungen für digitale Systeme von 5 V oder 3,3 V eine niedrigere Spannung verwendet wird. Dies hat mehrere Vorteile. Bei klassischen Schnittstellen wie EIA-422 ist eine relativ hohe Leistung notwendig, um die Ladung des Kabels zu ändern. Die dabei auftretenden Spannungsänderungen (hohes dU/dt) und hochfrequenten Lade- und Entladeströme (hohes di/dt) gehen einher mit hochfrequenten elektrischen(E-Feld) und magnetischen Feldern (H-Feld), welche starke elektromagnetische Störungen darstellen. Die hochfrequenten Umladungsströme sorgen zusätzlich auf den Stromversorgungsleitungen für Probleme. Die immer weitere Strukturverkleinerung moderner Halbleiter bringt zudem eine Herabsetzung der Versorgungsspannungen mit sich. Bei hohen Datenraten kommt man daher an einer Verkleinerung des Signalpegels nicht vorbei. LVDS arbeitet mit einem Spannungshub von 0,3 V. Differenzielle Signalübertragung bedeutet, dass zwei Leitungen verwendet werden und die Differenz der Spannungen für den Logikzustand ausschlaggebend ist. Bei LVDS beträgt der Unterschied 0,3 V, während die absolute Spannung bei ca. 1,2 V liegt. Ein Logikwechsel wird durch Umpolen der Leitungen erzeugt. Dies wird als symmetrische Signalübertragung bezeichnet. Die Signalpegel auf den Einzelleitern haben immer entgegengesetztes Vorzeichen.

Funktionsprinzip Auf der Treiberseite erzeugt eine schaltbare Stromquelle einen konstanten Strom von 3,5 mA. Auf Empfängerseite fließt der Strom durch einen Abschlusswiderstand von 100 Ω. Dieser entspricht auch der Leitungsimpedanz und verhindert als Abschlusswiderstand Reflexionen auf der Leitung. Der Strom kann umgeschaltet werden, sodass die Leitungen z.B. bei einer Änderung der Signalinformation umgepolt werden. Der Signalstrom erzeugt dann am Empfänger eine Spannungsänderung von +350 mV zu −350 mV.

Inhaltsverzeichnis 1 Spannungspegel 2 Funktionsprinzip 3 Layout (Leiterbahnführung) 4 Datenraten 5 Anwendung 6 Weblinks

253

Layout (Leiterbahnführung) Die niedrigen Spannungspegel bewirken, dass LVDS-Signale gegenüber elektromagnetischen Störungen empfindlich sind. Ein geeignetes Layout kann der Störempfindlichkeit entgegenwirken.

Es empfiehlt sich Hin- und Rückleiter in großer Nähe zueinander zu führen, oder aber einen Leiter über einer Massefläche derart zu gestalten, dass sich durch die Geometrie und das Dielektrikum der Leiterplatte der Leitungswellenwiderstand einstellt. Durch die geringe Fläche, welche die dicht beieinander geführten Leiter aufspannen, kann auch ein nur geringer magnetischer Fluß eines elektromagnetischen Feldes eine Spannungsdifferenz als Gegentaktstörung auf die Leitung einprägen. Gegenüber Gleichtaktstörungen sind die Empfänger bei einer LVDS-Übertragung bis zu einem Volt tolerant.

Die eng beieinander geführten Leitungen bewirken auch eine nur geringe Abstrahlung des Gegentakt-Nutzsignals. Trotzdem können sich bei unzweckmäßiger Ausführung einer Schaltung auch entlang einer gut geführten Leitungsanordnung unerwünschte Gleichtaktsignale einstellen, die zur ungewollten Abstrahlung einer elektromagnetischen Welle führen. Diese lassen sich aber durch eine insgesamt EMV-gerechte Gestaltung der Schaltung und nicht nur durch die Leitungsführung beeinflussen.

Bei Übertragungsstrecken im GBit/s-Bereich sind Laufzeitunterschiede zwischen den Pfaden und eventuell auch zu anderen LVDS-Kanälen zu vermeiden. Gleiche Leiterlängen sind daher zu einer synchronen Signalübertragung erforderlich. Diese Bedingung kann ggf. mit mäandrierenden Leiterzügen erreicht werden.

LVDS wird z. B. für Ein- und Ausgangskanäle in FPGAs integriert. Hier geben Hersteller wie Xilinxdie Leitungslängen innerhalb der Gehäuse als so genannte Flight-Time an. Die Bezeichnung suggeriert zwar eine Zeitangabe, es handelt sich aber um die Leitungslänge in mm.

Datenraten Die maximale Datenrate einer LVDS-Schnittstelle hängt von der Kabelqualität ab. Mit Cat-5-Kabel UTP ist typischerweise eine Leitungslänge von etwa 2 m bei einer Datenrate von 200 MBit/s möglich. Nach dem derzeitigen Stand der Technik liegt die Grenze bei mehreren GBit/s.

Anwendung Ein Anwendungsgebiet einer LVDS-Schnittstelle ist die digitale Ansteuerung von Flüssigkristallbildschirmen. Bei Industrie-Systemen und hochintegrierten Komplett-Systemen (Mini-ITX, Nano-ITX und Pico-ITX) werden oft LVDS-Schnittstellen zur Verfügung gestellt um Displays anzusteuern. Der Vorteil liegt hier in der geringeren Größe der Stecker und in der geringeren Störanfälligkeit gegenüber unsymmetrischen und analogen Signalen.

Weblinks Tutorial zu LVDS (http://www.iec.org/online/tutorials/low_voltage/) (englisch) Einführung zu LVDS (http://www.national.com/appinfo/lvds/0,1798,100,00.html) (englisch)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Low_Voltage_Differential_Signaling“


Eingangswiderstand aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Der Eingangswiderstand Ra (auch Außenwiderstand, Lastwiderstand, Abschlusswiderstand, B

i,

Innnen- und Außenwiderstand eines elektrischen Gerätes

Die Impedanzen: Hier Ra-Betrachtung

ürdenwiderstand genannt) liegt am Eingang eines elektrischen Gerätes oder eines Bauteils und belastet das Gerät, das an diesen Eingang Energie liefert. Das gilt gleichermaßen für Gleichstromquellen sowie für Wechselstromquellen. Beispiele:

Ein Oszilloskop hat üblicherweise den Eingangswiderstand 1 MOhm, um den Meßpunkt nur wenig zu belasten. Durch Vorschalten eines Tastkopfes wird dieser Eingangswiderstand auf 10 MOhm erhöht. Wird einem hochfrequenztechnischen Gerät ein Signal per Kabel (z. B. LAN) zugeführt, muss dieses einen passenden Eingangswiderstand (oft 50 Ohm) besitzen, um Impulsreflexionen zu vermeiden. (siehe angepasste Leitung) Bei Tonregieanlagen nach IRT-Pflichtenheft 3/5 (1989) hat Ra (Eingangsscheinwiderstand) von Normalpegeleingängen innerhalb des gesamten

Frequenzbereichs (40 Hz bis 15 kHz) größer als 5 kΩ zu sein. Bei Mikrofonverstärker-Eingängen soll Ra(Eingangsimpedanz) größer als 1 kΩ sein. Die Abweichungen sollen im gesamten Frequenzbereich unter 20 % bleiben.

Bei Wechselstrom ist der Eingangswiderstand häufig ein komplexer Widerstand, der auch mit Induktivitäten und Kapazitäten aufgebaut ist. Komplexe Widerstände nennt man Impedanz.

Bei einem Verstärker wird der Abschlusswiderstand durch diesen passiven Widerstand, der Ra genannt wird, bestimmt (beispielsweise beim Operationsverstärker). Wie die nebenstehende Abbildung mit der Schnittstelle zeigt, kann eine vorhergehende Verstärkerschaltung, die den Ausgangswiderstand Ri bestimmt, als Quelle dienen.

Eingangswiderstände sind immer „passiv“, während Ausgangswiderstände überwiegend „aktiv“ sind, wie man hier in der Abbildung deutlich erkennt. Einen passiven Eingang kann man nicht „kurzschließen“ (kurzgeschlossene Quellen dienen lediglich als Modell). Der Innenwiderstand R

255



Ausgangswiderstand oder Quellwiderstand kann auch passiv sein, beispielsweise als Dämpfungs- und Impedanzanpassungsglieder.

Mit Abschlusswiderstand (auch Dummy-Load oder kurz "Abschluss") wird auch die technische Ausführung eines hochfrequenz-tauglichen Widerstands bezeichnet, der z. B. für Messzwecke als Last an eine Signalquelle oder Leitung angeschlossen wird. Für den Test von Sendern werden Abschlusswiderstände mit entsprechend hoher Leistung benötigt. ("künstliche Antenne")

Die Impedanzen und ihre unterschiedlichen Namen

Siehe auch Elektronische Last Lastbank

Weblinks Berechnung der Anpassungsdämpfung (http://www.sengpielaudio.com/Rechner-anpassungsdaempfung.htm) Benennung von Impedanzen, Widerstände und Schnittstelle - pdf (http://www.sengpielaudio.com/ImpedanzenWiderstaendeSchnittstelle.pdf) Anpassung in der Fernsprechübertragungstechnik - Leistungsanpassung (http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0212261.htm) Anpassung in der Tontechnik - Spannungsanpassung - pdf (http://www.sengpielaudio.com/AnpassungInDerTonstudiotechnik.pdf) Eine häufige Frage: Der 'richtige' Eingangswiderstand (Impedanz) bei Lautsprechern und Kopfhörern - pdf (http://www.sengpielaudio.com/AnpassenVonLautsprechern.pdf) Die Größe der Impedanzen in der Tontechnik - pdf (http://www.sengpielaudio.com/GroesseDerImpedanzen.pdf)

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Eingangswiderstand“

Ri Ra

Innenwiderstand Außenwiderstand

Quellwiderstand Lastwiderstand

Ausgangswiderstand Eingangswiderstand

- Abschlusswiderstand

Kategorien: Elektronik | Widerstand (Elektrotechnik) | Kommunikationstechnik | Nachrichtentechnik| Schnittstelle (Hardware) | Theoretische Elektrotechnik

Wellenimpedanz aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Als Wellenimpedanz – und, deutlich häufiger, Wellenwiderstand – wird eine Eigenschaft eines Mediums bezeichnet, in dem sich eine physikalische Welle ausbreitet. Man kann ihn sich anschaulich etwa als die Härte oder Weichheit vorstellen, die das Medium der sich ausbreitenden Welle entgegensetzt. Dadurch stehen z. B. Kraft und Bewegung (bei akustischen Wellen), Strom und Spannung (bei Wellen auf elektrischen Leitungen) oder elektrischer und magnetischer Feldanteil (bei elektromagnetischen Feldwellen) in einem bestimmten Verhältnis zueinander, das Wellenwiderstand genannt wird.

Elektromagnetische Wellen

Feldwellenwiderstand

In der Elektrodynamik unterscheidet man den Leitungswellenwiderstand und den Feldwellenwiderstand. Der Feldwellenwiderstand – engl. wave impedance – kennzeichnet das Verhältnis zwischen elektrischem und magnetischem Feldanteil einer sich transversal ausbreitenden elektromagnetischen Welle. Der Feldwellenwiderstand wird aus der Quadratwurzel des Quotienten gebildet, der sich aus der im allgemeinen komplexen Permeabilität μ, der im allgemeinen komplexen Permittivität ε und der elektrischen Leitfähigkeit σ zusammensetzt. Für das Material, durch das sich die Welle bewegt, erhält man den Feldwellenwiderstand aus:

Inhaltsverzeichnis 1 Elektromagnetische Wellen

1.1 Feldwellenwiderstand 2 Strom- und Spannungswellen auf Leitungen

2.1 Leitungswellenwiderstand 2.2 Leitungsabschluss und Eingangsimpedanz einer Leitung 2.3 Der Leitungsabschluss bei Spannungspulsen 2.4 Ersatzschaltbild einer elektrischen Leitung 2.5 Herleitung des Leitungswellenwiderstandes aus der Leitungsgleichung 2.6 Frequenzabhängigkeit des Leitungswellenwiderstandes

2.6.1 Der Leitungswellenwiderstand bei Gleichstrom 2.6.2 Der Leitungswellenwiderstand bei niedrigen Frequenzen 2.6.3 Der Leitungswellenwiderstand bei hohen und sehr hohen Frequenzen

2.7 Messen des Leitungswellenwiderstandes 3 Leitungs- und Feldwellenwiderstände ausgewählter Leitungsformen

3.1 Standardwerte 4 Akustische Wellen 5 Reflexionen durch Änderungen der Wellenimpedanz

5.1 Beispiele für abgeschwächte Reflexion 5.2 Beispiele für totale Reflexion 5.3 Beispiele reflexionsfreier Abschlüsse

6 Einzelnachweise 7 Literatur 8 Weblinks

257

Darin bezeichnet ω die Kreisfrequenz. Sofern die Welle sich nicht in elektrisch leitendem Material ausbreitet gilt:

Für eine elektromagnetische Welle in einem Vakuum heißt der Feldwellenwiderstand auch Freiraumwellenwiderstand. Er beträgt mit εr=1 und μr=1 im Vakuum und näherungsweise in Luft:

.

Der Feldwellenwiderstand ist nicht gleich dem aus der Leitungstheorie bekannten Leitungswellenwiderstand, mit dem er häufig verwechselt wird.

Strom- und Spannungswellen auf Leitungen

Leitungswellenwiderstand

Der Leitungswellenwiderstand - engl. characteristic impedance - ist eine Kenngröße längshomogener Leitungen; dazu gehören z. B. Kabel oder Einzeldrahtanordnungen, die aus wenigstens zwei elektrischen Leitern bestehen. Die Wellenimpedanz eines Hohlleiters wird hier nicht betrachtet. Der Leitungswellenwiderstand beschreibt das Verhältnis sich in eine gemeinsame Richtung ausbreitender Strom- und Spannungswellen zueinander. In einer elektrischen Leitung sind der Leitungswellenwiderstand Zl und der Feldwellenwiderstand Zw über die Geometrie der Leitungsberandung miteinander verknüpft. Oft wird der Leitungswellenwiderstand auch Kabelimpedanz oder Nennimpedanz einer Leitung genannt. Hier wird der in der Lehre gängige Begriff Leitungswellenwiderstand verwendet.

Darstellung einer am Ende leerlaufenden Koaxialleitung. Ankommende Spannungspulse werden gleichphasig reflektiert, Strompulse in

Darstellung einer am Ende kurzgeschlossenen Koaxialleitung. Ankommende Spannungspulse werden gegenphasig reflektiert,

Darstellung einer mit einer Impedanz oder einer reflexionsfrei mit ihrem Leitungswellenwiderstand abgeschlossenen Koaxialleitung.


Der Leitungswellenwiderstand und seine Änderung entlang einer Leitung beeinflusst das Signalausbreitungsverhalten besonders, wenn die übertragenen Signale hochfrequent sind im Vergleich zur Signallaufzeit auf der Leitung oder hochfrequente Anteile enthalten.

Das ist z. B. der Fall für

hohe Frequenzen (z. B. HF-Signale oder steilflankige Signale auf beliebigen Leitungen) lange Leitungen (z. B. 50-Hz-Hochspannungsleitungen über Kontinente hinweg) Schaltvorgänge auf Leitungen

Der Leitungswellenwiderstand homogener Hochfrequenzleitungen ist oft eine reelle Größe (z. B. 50 Ω bei gängigen Koaxialkabeln). Der Wellenwiderstand ist unabhängig von der Leitungslänge, jedoch ist er in der Regel leicht frequenzabhängig (Dispersion). Die Frequenzabhängigkeit wird durch das Dielektrikum des Kabels hervorgerufen und muss bei Breitband-Signalübertragungen berücksichtigt werden. Der Leitungswellenwiderstand ist nicht zu verwechseln mit dem ohmschen Leitungswiderstand, der die (Wärme-)Verluste beschreibt, wenn die Leitung von einem Strom durchflossen wird. Den Leitungswellenwiderstand kann man sich als Eingangswiderstand einer endlos langen, homogenen Leitung vorstellen, an der keine Reflexion entstehen kann.

Leitungsabschluss und Eingangsimpedanz einer Leitung

Den Leitungswellenwiderstand gibt es nicht im Sinne eines Bauteils. Der Sprachgebrauch „mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen“ bedeutet, dass am Ende der Leitung ein Abschlusswiderstand mit dem Widerstandswert des Leitungswellenwiderstandes angeschlossen ist. Das kann bei hohen Frequenzen ein ohmscher Widerstand sein, da dann der Wellenwiderstand der Leitung reell ist. Ist die Leitung nicht mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen, variiert die Eingangsimpedanz der Leitung allgemein in Abhängigkeit von Leitungslänge, Betriebsfrequenz, Abschlussimpedanz und Leitungswellenwiderstand. Bei einer sogenannten RC-Leitung, die bei Niederfrequenz betrieben wird, wird der Leitungswellenwiderstand komplexwertig. In diesem Fall ist auch der Eingangswiderstand einer Leitung bei Anpassung, d. h. Leitungsabschluss mit einer Schaltung aus Widerstand (R) und Kapazität (C) komplexwertig. Die Übereinstimmung der Impedanzen von Quelle, Last und Leitungswellenwiderstand ist fast immer erwünscht. Störende Reflexionen oder Echos entstehen dann nicht und die Signalübertragung erfolgt unter geringstmöglichen Verlusten. Die Eingangsimpedanz einer mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossenen Leitung nimmt den Wert des Leitungswellenwiderstands an.

Der Leitungsabschluss bei Spannungspulsen

Gegenphase. Am Leitungsende stellt sich der Gesamtstrom aus hin- und rücklaufender Welle I=0 ein.

Strompulse mit gleicher Phase. Am Leitungsende stellt sich der Gesamtstrom aus hin- und rücklaufender Stromwelle I=2·I(hinlaufende Welle) ein.

Ankommende Strom- oder Spannungspulse werden nicht reflektiert, wenn der Abschlusswiderstand den Wert des Leitungswellenwiderstands besitzt. Bei anderen Werten entspricht das Verhältnis zwischen hin- und rücklaufender Welle dem Reflexionsfaktor

259

Beaufschlagt man eine homogene Leitung, die am Ausgang nicht mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, mit einem Spannungsimpuls, entsteht am Ort der Abschlussimpedanz eine Reflexion – vergleichbar einem akustischen Echo. Durch die Fehlanpassung wird ein vom Leitungswellenwiderstand abweichendes Spannungs-Stromverhältnis erzwungen, das die anteilige Reflexion der ankommenden Welle bewirkt. Der reflektierte Pulsanteil hängt vom Grad der Fehlanpassung ab. Er läuft dem ankommenden Spannungspuls entgegen. Entspricht die Quellimpedanz der Signalquelle nicht dem Wellenwiderstand der Leitung, wird das Signal an der Quellimpedanz ebenfalls als Echo reflektiert. Der Impuls läuft dann mehrmals hin- und zurück, bis seine Energie in Wärme umgewandelt ist (siehe auch Zeitbereichsreflektometrie).

Eine mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossene Leitung (rechtes Bild) unterbindet die Reflexion von Spannungspulsen, soweit die Impedanz am Leitungsabschluss über das gesamte Frequenzspektrum des Pulses mit dem Leitungswellenwiderstand übereinstimmt.

Ersatzschaltbild einer elektrischen Leitung

Die folgende Abbildung zeigt das Ersatzschaltbild eines Leitungsabschnitts der infinitesimalen Länge dx:

Die darin enthaltenen Größen sind auf die Länge dx bezogene Beläge: Der Induktivitätsbelag L′, der Kapazitätsbelag C′, der Widerstandsbelag R′ und der Ableitungsbelag G′. Mit der Spannung U und dem Strom I an der Leitung lassen sich mit dieser Ersatzschaltung die beiden Differentialgleichungen der homogenen Leitung bestimmen.

Impulse bei offenem Kabelende

Impulse bei kurzgeschlossenem Kabel

Impulse bei richtig belastetem Kabel


Duplex (Nachrichtentechnik) aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Mit Duplex (Vollduplex), Halbduplex oder Simplex bezeichnet man in der Kommunikationstechnologie die Richtungsabhängigkeit von Kommunikationskanälen.

Simplex (SX) ist der gerichtete Betrieb. Das bedeutet ein Informationstransfer findet nur in eine festgelegte Richtung statt (nur Senden oder Empfangen von Nachrichten), z. B. Radio, Fernsehen oder Pager. Halbduplex (HX), auch Semiduplex genannt bedeutet wechselseitiger Betrieb. Hierbei können Informationen in beide Richtungen fließen, allerdings nicht gleichzeitig, z. B. Amateurfunk. Vollduplex (DX, manchmal auch FDX) ist der gleichzeitige Betrieb. Es lässt die Übertragung der Informationen in beide Richtungen zu gleicher Zeit zu, z. B. Telefonie.

Die in der DIN 44302 beschriebenen deutschen Begriffe sind nicht gebräuchlich:

Einseitige Datenübermittlung (one-way communication) Wechselseitige Datenübermittlung (half duplex transmission, two-way alternate communication) Beidseitige Datenübermittlung (both-way communication, two-way simultaneous communication) Wechselbetrieb (half duplex transmission) Gegenbetrieb (duplex transmission)

Beim Funk (z. B. BOS-Funk, Seefunk) findet die Bezeichnung Gegensprechen für Duplex- bzw. Wechselsprechen für Halbduplex-Betrieb Verwendung.

Werden Informationstransfers in beide Richtungen auf dem selben Kommunikationskanal vorgenommen, müssen die Informationen durch Duplex-Methoden zusammengeführt und getrennt werden. Davon gibt es viele Beispiele:

In der analogen Telefonie ist die Gabelschaltung dafür zuständig. In der digitalen Telefonie wird gewöhnlich das Echokompensationsverfahren verwendet. Zeitduplex (engl. time division duplex, TDD) wird z. B. im Mobilfunk angewendet. Hierbei nutzen Sende- und Empfangskanal die gleiche Frequenz sind aber zeitlich voneinander getrennt. Die Informationen werden mit Hilfe eines festgelegten Zeitgebers in kurzen Sequenzen zeitversetzt übertragen. Das Umschalten zwischen Sende- und Empfangsmodus geschieht so schnell, dass dem Nutzer die kurzzeitige Unterbrechung des Kanals nicht auffällt. Der DECT-Standard nutzt z. B. TDD. Ein weiteres Beispiel für TDD ist das bei Telefonanlagen verwendete Ping-Pong-Verfahren, das auch als Up0 bezeichnet wird. Frequenzduplex (engl. frequency division duplex, FDD) bedeutet, die Informationen für jede Richtung mit Hilfe einer anderen Trägerfrequenz zu übertragen. Es ermöglicht, dass ein Gerät gleichzeitig senden und empfangen kann. Es wird unter anderem im Mobilfunk (z. B. bei

Grundprinzip des Duplex-Verfahrens

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Serielle Datenübertragung aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Bei der seriellen Datenübertragung werden Daten, sofern sie digital sind, bitweise hintereinander über ein bestimmtes Medium übertragen. Es gibt verschiedene Standards, über die eine serielle Übertragung erfolgen kann. Die Auflistung einiger Standards ist unter Serielle Schnittstelle zu finden.

Hier liegt der Schwerpunkt in der Erklärung von Grundbegriffen, welche in den jeweiligen Standards nicht noch einmal erklärt werden müssen.

Die Übertragung über eine serielle Schnittstelle kann bitweise (je Zeitschritt ein Bit) oder auch in Bauds oder Baudrate erfolgen z. B. beim Modem. Hierbei ist nicht zwingenderweise 1 Baud mit 1 Bit per second gleichzusetzen (z. B. bei der 16-QAM ist 1 Baud = 4 Bit/s - siehe Modulationsarten).

Übertragungsmedien Als Medium der seriellen Datenübertragung wird meist ein Kabel verwendet, ebenso ist aber auch Glasfaser, drahtlose Verbindung (Funkübertragung) oder ein anderes Medium denkbar. Häufig werden auch Daten seriell gespeichert wie z. B. magnetisch bei Magnet-Bändern oder der Festplatte oder optisch bei der CD/DVD (nur ein Kopf pro Plattenoberfläche).

Die serielle Datenübertragung wurde immer dann angewendet, wenn das Übertragungsmedium (z. B. auf möglichst wenig Einzelleiter) begrenzt ist oder einen Kostenfaktor darstellt. Grundsätzlich geht das auf Kosten der Übertragungskapazität. Ist die Übertragungskapazität wichtiger, bot sich früher die parallele Datenübertragung an (siehe auch Bus-Systeme) z. B. PCI-Bus. Aufgrund der Fortschritte in der Halbleitertechnik gibt es mittlerweile derart schnelle kostengünstige Serial-Parallelwandler, z. B. UART (Universialer Asynchoner Receiver Transmitter) genannt, dass beispielsweise der Verkabelungsaufwand bei paralleler Datenübertragung immer mehr ins Gewicht fällt. Denn bei immer höheren Übertragungsraten wird es bei der parallelen Datenübertragung immer schwieriger den sogenannte Clock-Skew und das Übersprechen auf die benachbarte Leitung klein genug zu halten.

Clock-Skew Clock-Skew, engl. Zeitversatz, beschreibt aufgrund nicht identischer Leitungsparameter einen Zeitversatz welcher die Einzelsignale nicht mehr gleichzeitig am Empfänger an kommen lässt. Es ergeben sich Laufzeitunterschiede die erst abgewartet werden müssen bis das nächste Datum übertragen werden kann. Dies begrenzt u. A. die maximal erreichbare Übertragungsrate. Auf Leiterplatten mit hohen Datenraten versucht man durch mäanderförmige Leitungen den Clock-Skew zu minimieren.

Inhaltsverzeichnis 1 Übertragungsmedien 2 Clock-Skew 3 Merkmale 4 Begriffserklärungen


Merkmale Im folgenden werden einige Begriffe oder Merkmale aufgezählt, die grundsätzlich jedem seriellen Übertragungsstandard zuzuordnen sind. Des weiteren wird zwischen Eigenschaften der physikalischen Schnittstelle Hardware und den Protokollen unterschieden.

Differentielle (balanced) Übertragung oder nur eine Datenleitung (single-ended)? (siehe Symmetrische Signalübertragung und siehe unten) RZ-Code z. B. Manchester-Code oder NRZ-Code? gleichspannungsfrei oder mit Gleichanteil? (siehe NRZ) galvanische Trennung? (siehe NRZ oder allg. Galvanische Trennung) Datum in Form von Strom, Spannung, Phase, etc. übertragen? (siehe Modulationsarten) asynchrone oder synchrone Datenübertragung (siehe unten) Punkt zu Punkt Verbindung (P2P) oder Multipoint (serieller Bus) Bidirektional oder unidirektional halbduplex oder full-duplex Hardware-Handshake siehe Hardware-Protokoll oder Software-Handshake siehe Software-Protokoll Übertragungsfehlerbehandlung: Parität, CRC, Hamming-Distanz, etc. (siehe Kodierungstheorie) Bei Datenbussen Arbitrierung: Prioritätensteuerung über Token, CSMA, etc. Arbitrierung: Multimaster oder Masterslave Echtzeitfähigkeit? z. B. bei Feldbussen erforderlich

Es gibt verschiedene Standards zu seriellen Schnittstellen, über welche eine serielle Übertragung erfolgen kann.

Begriffserklärungen GND-Leitung (Masse): Ist ein Kabel oder Schirm zwischen verschiedenen Geräten um möglichst gleiches Potential zu gewährleisten. Fließt über das GND-Kabel ein Strom, entsteht durch den Innenwiderstand und die Induktivität ein Spannungsabfall, der das Nutzsignal stört.

single-ended (unbalanced): Bei einer single-ended Übertragung hat der Empfänger als Bezugspotential GND (in der Hoffnung, dass es beim Sender genauso ist). Werden die Signale über Leitungspaare geschickt, indem jedes Leitungspaar aus Schirm (meist GND) und Innenleiter (z. B. Datenleitung) wie bei Koaxialleiter besteht. Hier spricht man trotzdem von unbalanced transmission,weil der Schirm den Innenleiter vor äußeren Einflüssen schützt aber nicht umgekehrt.

Differentielle (balanced) Übertragung: Hier wird im Empfänger von 2 gleichwertigen Leitungen das Differenzsignal gebildet um das Nutzsignal zurück zu gewinnen. Gleichtaktstörungen heben sich somit heraus. Kleinere Potentialverschiebungen stören nicht die Übertragung.

Asynchron: Bei der asynchronen Datenübertragung wird nur dann ein Datenstrom zu einen beliebigen Zeitpunkt erzeugt, wenn Daten anfallen z. B. Tastendruck auf einen Terminal. Daraus folgt, dass jedes gesendete Datum Synchronisationsinformationen benötigt (z. B. Start-Bit, bekannte Baudrate, Stop-Bit, siehe RS232). Durch das Startbit wird eine Quasi-Synchronisation von Sender und Empfänger erzeugt. Werden viele gleiche Bits übertragen z. B. viele Nullen, hat der Empfänger keine Möglichkeit mehr, sich auf den Sender zu synchronisieren, außer durch seine hoffentlich gleiche interne Taktrate (Baudrate).

263



Synchron: Durch kontinuierliches Senden und geeignete Codierung der Nutzdaten, kann sich der Empfänger auf die Sendergeschwindigkeit stets synchronisieren. Die übertragenen Daten selbst reichen aus zur Synchronisation. Spezielle Synchronisations-Bits für jedes einzeln gesendete Datum sind dann nicht mehr nötig. Die Übertragung wird somit effizienter. Die Nutzdaten sind quasi in einen nicht abreißenden Informations-Strom eingebettet.

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Serielle_Daten%C3%BCbertragung“ Kategorie: Nachrichtentechnik

Streifenleitung aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Als Streifenleitung, englisch Microstrip, wird eine bestimmte Klasse von elektrischen Wellenleitern bezeichnet. Gemeinsam ist Streifenleitungen, dass sie aus einem oder mehreren dünnen, leitfähigen Streifen bestehen, die auf einem Dielektrikum aufgebracht sind. Streifenleiterstrukturen können z.B. aus in einer Ebene angeordneten Leitungsstreifen bestehen, sie sind oft isoliert in oder über einer metallischen Fläche angeordnet.

Ihr Einsatzgebiet ist die Hochfrequenztechnik und dort vor allem der Bereich der Mikrowellen – mit Streifenleitungen lassen sich kostengünstig und reproduzierbar definierte Impedanzen in Schaltungen zur Fortleitung, Kopplung und Filterung hoher Signalfrequenzen herstellen.

Auch die Speisung und die Strahlerelemente von Antennen können als Streifenleiter ausgebildet sein (siehe auch Panelantenne, Spiralantenne, Wendelantenne, Patchantenne).

Synonyme und Abgrenzung gegen andere Begriffe Häufig wird der englische Ausdruck Stripline verwendet, manchmal auch der Ausdruck Microstrip, der jedoch eine besondere Bauform bezeichnet. Der Begriff Streifenleitung und die Beschreibung der Bauform lässt zunächst vermuten, dass es sich allgemein bei gedruckten Schaltungen (Leiterplatten) um Streifenleitungen handelt. Vom Aufbau gleichen die Leiterbahnen grundsätzlich Streifenleitern, jedoch werden nur letztere als Wellenleiter dimensioniert und betrieben, was für gedruckte Schaltungen bzw. Leiterplatten nicht allgemein gilt.

Da die Bauform der Mikrostreifenleitung die weitaus häufigste ist, werden die Begriffe oft gleichgesetzt. Dabei werden aber andere Bauformen wie z.B. die Koplanarleitung ausgeklammert. Deshalb ist eine Trennung der Begriffe angebracht.

Eigenschaften als Wellenleiter

Inhaltsverzeichnis 1 Synonyme und Abgrenzung gegen andere Begriffe2 Eigenschaften als Wellenleiter 3 Bauformen

3.1 Mikrostreifenleitung 3.1.1 Leitungswellenwiderstand

3.2 Symmetrische Streifenleitung 3.3 Koplanarleitung

4 Bauelemente in Streifenleiterschaltungen 5 Quellen / Referenzen 6 Siehe auch

HF-Baugruppe (Verstärker) mit Streifenleiter-Strukturen

(u.a. zur Impedanzanpassung, als Bandpass, Bandsperre, Tiefpass); rechts unter der

Blechlasche befindet sich ein Zirkulator

Streifenleitungen als umschaltbare Phasenschieber

beziehungsweise Verzögerungsleitungen

(Radartechnik)

265

Streifenleitungen sind so dimensioniert, dass sich in der Regel nur Quasi-TEM-Wellen ausbreiten können. Diese lassen sich mit einigen Vereinfachungen nahezu wie TEM-Wellen betrachten: sowohl die elektrischen als auch die magnetischen Felder verlaufen fast ausschließlich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wie dies auch in Koaxialleitungen oder Zweidrahtleitungen der Fall ist. Bedingung ist hierfür, dass die Quer-Abmessungen der Leitungen klein gegenüber der Wellenlänge sind. Streifenleitungen werden nur für kurze Entfernungen innerhalb von Baugruppen eingesetzt.

Der Vorteil von Streifenleitungen besteht darin, dass sie sich preiswerter, reproduzierbarer und materialsparender fertigen lassen. Das ist besonders bei komplexen Schaltungen von Bedeutung, in denen auch weitere, aus Streifenleitungen bestehende, Bauelemente vorkommen. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringen Feldausbreitung außerhalb der planaren Struktur, weshalb nur eine geringe Abstrahlung von Wellen in den Raum auftritt. Daher können in Streifenleitertechnik gefertigte Hochfrequenzschaltungen oft auch ohne allseitig geschlossenes Gehäuse bzw. ohne einzelne, getrennte Kammern betrieben werden.

Die Wellenimpedanz einer Streifenleitung wird durch ihre Breite sowie durch die Dicke und die Dielektriziätszahl des Isolatorsubstrates festgelegt. Da die letzten beiden Größen in der Regel konstant sind, wird die Berechnung und Simulation von Streifenleiterschaltungen erleichtert. Ein Berechnungstool findet sich in .

Streifenleiterstrukturen werden außer für die Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen auch in bzw. als Antennen eingesetzt. Sie bilden dabei oft auf einem gemeinsamen Substrat sowohl die speisenden und anpassenden Komponenten als auch die strahlenden Elemente selbst. Beispiele sind die Patchantenne, die Spiralantenne, die Panelantenne und auch Dipolantennen. Alle diese Antennen können komplett aus planaren Streifenleiterstrukturen gefertigt werden. Auch Wendelantennen werden häufig aus Streifenleitern gefertigt, hier sind sie jedoch um einen Zylinder oder Kegel gewunden. In allen diesen Fällen werden die Phasenlagen und Impedanzen der leitungsgebundenen Wellen durch Variation der Länge und Breite der Streifenleitungen dazu gebracht, dass sich deren Felder so überlagern, dass eine (oft gerichtete) Abstrahlung als Funkwellen stattfindet.

Bauformen Es existiert eine Vielzahl an Bauformen, die unter Umständen auch kombiniert eingesetzt werden können. Dazu gehören:

Mikrostreifenleitung Symmetrische Streifenleitung Symmetrische und unsymmetrische Koplanarleitungen Ungeschirmte und geschirmte Schlitzleitungen; zu letzteren – auch Finleitungen genannt – gehören

unilaterale Finleitung bilaterale Finleitung antipodale Finleitung

Doppelbandleitung

Durch Streifenleiter gespeiste Strahlerelemente (Rechtecke)

einer Panelantenne; Die Streifenleiter haben definierte

Breiten und Längen zur Impedanz- und

Laufzeitanpassung

[1]


Mikrostreifenleitung

Als Mikrostreifenleitungen werden Streifenleitungen bezeichnet, die aus einem leitfähigen Streifen bestehen, der durch ein dielektrisches Substrat von einer leitfähigen Fläche getrennt sind. Sie werden meistens für den Transport und die Verarbeitung elektromagnetischer Wellen im Bereich zwischen einigen hundert Megahertz und etwa 20 Gigahertz eingesetzt.

Eine Mikrostreifenleitung besteht aus einem nicht leitenden Substrat (Leiterplatte), das auf der Unterseite vollständig metallisiert ist (Massefläche). Auf der Oberseite ist ein Leiter in Form eines Streifens (Leiterbahn), also mit definierter Querschnittsfläche, angeordnet. Dieser Streifen wird gewöhnlich durch Bearbeitung der oberen Metallisierung durch Ätzen oder Fräsen angefertigt.

Als Substrat dienen verschiedene Dielektrika. Sehr häufig eingesetzt wird glasfaserverstärktes PTFE (RT/Duroid). Für höhere Ansprüche wird Aluminiumoxid neben anderen keramischen Materialien verwendet. Das in der normalen Platinen-Herstellung übliche FR4 (glasfaserverstärktes Epoxidharz) ist bei Frequenzen ab etwa 500 MHz in der Regel ungeeignet, da dessen Verlustwinkel zu groß ist.

Das Signal breitet sich zum Einen in dem Zwischenraum zwischen dem Streifenleiter und der Massefläche aus. Zum Anderen treten die Feldlinien auch in den freien Raum über dem Streifenleiter ein, der in der Regel mit Luft gefüllt ist. Man muss daher von einem inhomogenen Dielektrikum sprechen.

Ist der Streifenleiter unterbrochen, kann das Signal die Lücke unter bestimmten Bedingungen überspringen und sich danach weiter ausbreiten.

Leitungswellenwiderstand

Für Mikrostreifenleitungen auf Leiterplatten lässt sich für bestimmte Fälle eine exakte Lösung für den Leitungswellenwiderstand (charakteristische Impedanz) angegeben, wobei die allgemeinste Form von H. Wheeler 1965 in folgender Form abgeleitet wurde :

weff ist die effektive Breite der Leitung inklusive eines Korrekturfaktors für die Dicke der Metallisierung. Diese effektive Breite ist gegeben durch folgende Gleichung:

Schnitt durch eine Mikrostreifenleitung. Der

Leiter (A) ist von der Massefläche (D) durch das Substrat (C) getrennt. Das obere Dielektrikum (B) ist

Luft.

[2]

267

mit

Z0 dem Freiraumwellenwiderstand ( ≈ 376,73 Ω ),

εr der Permittivitätszahl des Substrats, w der Breite der Mikrostreifenleitung, h der Dicke des Substrats und t der Dicke der Metallisierung

Obige Gleichung für den Leitungswellenwiderstand liefert unter folgenden Bedingungen asymptotisch exakte Werte:

1. w » h, bei beliebigen εr

2. w « h und εr = 1 3. w « h und εr » 1

Für alle anderen Fälle ist das Gleichheitszeichen in obiger Gleichung durch ein ≈ zu ersetzen und der Fehler der Näherung ist meistens kleiner 1 % und garantiert kleiner 2 %.

Darüber hinaus existieren in der Literatur noch eine Reihe weiterer, meist einfacherer Näherungsgleichungen mit eingeschränkten Gültigkeitsbereichen für den Leitungswellenwiderstand von Mikrostreifenleitungen.

Symmetrische Streifenleitung

Im Gegensatz zur Mikrostreifenleitung ist der Leiterstreifen bei der symmetrischen Streifenleitung oben wie unten von einem gleich dicken Dielektrikum bedeckt und verläuft parallel zu zwei leitfähigen Schichten (Masse), die auf den Dielektrika aufgebracht sind. Da die elektrischen Feldlinien durch die vollständige Bedeckung mit leitfähigem Material oben und unten nicht in den freien Raum treten können, kann von einem homogenen Dielektrikum gesprochen werden, was die Simulation von Schaltungen vereinfacht.

Symmetrische Streifenleitungen sind wegen der höheren Anzahl an Schichten schwieriger zu fertigen und werden daher selten alleine eingesetzt.

Koplanarleitung

Als Koplanarleitungen werden Streifenleiter bezeichnet, die sich in der selben Ebene befinden wie eine mit Masse verbundene metallisierte Fläche und von dieser nur durch eine Lücke getrennt sind. Alle leitfähigen Schichten liegen auf einer Seite eines durchgehenden Dielektrikums konstanter Dichte auf. Unter und über der Schaltung befindet sich Luft, durch die auch elektrische Feldlinien treten, weshalb das Medium als inhomogen betrachtet werden muss.

Viele Schaltungen bestehen aus Koplanarleitungen, unter deren Dielektrikum wie bei Mikrostreifenleitungen eine Massefläche vorhanden ist. Die obere, von Leitungen unterbrochene,


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sowie die untere, geschlossene Masseebene sind durch Durchkontaktierungen verbunden. Durch diese Kombination lassen sich Schaltungen herstellen, in denen nur geringe Wechselwirkungen zwischen den Leiterstrukturen sowie zur Umgebung auftreten.

Bauelemente in Streifenleiterschaltungen Einfache Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren und Spulen lassen sich direkt durch besonders dimensionierte Streifen erzeugen. So haben lange, dünne Leiter eine induktive und breite, kurze eine kapazitive Wirkung. Neben diesen klassischen Bauelementen lassen sich noch weitere für die Hochfrequenztechnik typische Bauelemente direkt mit Streifen realisieren. Dazu gehören:

Sumpf (reflexionsfreier Abschluss) Impedanzanpassung, induktive oder kapazitive Kopplung Reflektor, Reihenschwingkreis, Parallelschwingkreis

Aus diesen Grundelementen lassen sich komplexere Funktionseinheiten herstellen:

Richtkoppler Leistungsteiler Filter (Bandpass, Bandsperre, Hochpass, Tiefpass) Frequenzweichen Übertrager zur Aus- und Einkopplung, Potentialtrennung, Impedanz- oder Symmetrieanpassung

Diskrete Bauelemente, die auch auf normalen Platinen verwendet werden, können prinzipiell auch auf eine Mikrostreifenleiterschaltung gelötet werden, wenn man ihre Abmessungen und gegenseitige Beeinflussung berücksichtigt. Besonders geeignet sind SMD-Bauteile. Teilweise werden besonders gestaltete SMD-Bauformen eingesetzt. Das ist besonders bei aktiven Elementen wie Transistoren oder Dioden der Fall.

Quellen / Referenzen

1. ↑ http://www.microwaves101.com/encyclopedia/calmstrip.cfm Berechnungstools, u.a. für die Impedanz von Streifenleitungen

2. ↑ H. A. Wheeler, Transmission-line properties of parallel strips separated by a dielectric sheet in IEEE Tran. Microwave Theory Tech., Ausgabe MTT-13, Seiten 172-185, März 1965.

Siehe auch Lecherleitung Wellenimpedanz

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Streifenleitung“ Kategorien: Funktechnik | Elektrische Leitung | Wellenlehre | Elektrodynamik | Theoretische Elektrotechnik

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Wellenleiter aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Wellenleiter (englisch: waveguide), bezeichnet ein inhomogenes Medium, das durch seine physikalische Beschaffenheit eine Welle so bündelt, dass sie darin geführt wird.

Wellenleiter für elektromagnetische (Radio-)Wellen

Kabelform

Symmetrisch (sog. Zweidrahtleitung, 2 Litzen oder starre Drähte, teilweise auch im gemeinsamen Schirm) oder asymmetrisch (Koaxialkabel) aufgebaute Kabel sind zur Übertragung hoher Frequenzen im Ultrakurzwelle/UHF-/Dezimeterwellen-Bereich geeignet. Leiterquerschnitt und Isolierstoff beeinflussen die Dämpfung pro Länge. Je dünner das Kabel, desto höher ist in der Regel die Dämpfung. Knickstellen und Quetschungen, welche die Kabelgeometrie verändern, verursachen Reflexionen oder Abstrahlung.

Anwendung: Antennenkabel für Funksender und -Empfänger, Übertragung von Hochfrequenzleistungen bis in den UKW-Bereich; üblich bis 1 GHz, zwischen 1-10 GHz je nach Anwendung, darüber dann Hohlleiter.

Eindraht-Wellenleitung (auch Goubau-Leitung oder G-Leitung)

Auch auf einem einzelnen Draht kann sich eine elektromagnetische Welle ausbreiten. In einem Bereich von ca. 1/2 Wellenlänge um die Leitung dürfen sich jedoch keine dämpfenden oder leitenden Materialien befinden. Auch darf die Leitung keine Knicke aufweisen. Daher ist diese sehr verlustarme Art der Übertragung auf wenige Anwendungsfälle beschränkt: Früher versorgte man abgelegene Orte mit einer solchen, durch die ganze Siedlung führenden Leitung und ermöglichte bei geringer Sendeleistung Fernsehempfang - die Teilnehmer mussten nur ihre Antennen in die Nähe dieser Leitung bringen. Dazu befand sich idealerweise eine leistungsfähige Empfangsanlage auf einer Anhöhe bzw. einem anderen geeigneten erhöhten Standort. Von dieser wurde dann mit einer Goubau-Leitung über mehrere Kilometer hinweg das eigentliche Empfangsgebiet versorgt. Die Speisung und auch der reflexionsfreie Abschluss einer solchen Leitung erfolgt mit einem koaxialen Exponentialtrichter, der jedoch in Skelettbauweise auch nur aus mehreren Stäben bestehen kann.

Rohrform (Hohlleiter)

Inhaltsverzeichnis 1 Wellenleiter für elektromagnetische (Radio-)Wellen

1.1 Kabelform 1.2 Eindraht-Wellenleitung (auch Goubau-Leitung oder G-Leitung) 1.3 Rohrform (Hohlleiter) 1.4 Streifenleiter

2 Weitere Wellenleiter 2.1 Optik 2.2 Wellenleiter-Effekt im Ozean 2.3 Wellenleiter-Effekt in der Atmosphäre


Hohlleiter sind Metallrohre ohne Innenleiter mit rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt. Sie werden für höchste Frequenzen und Leistungen verwendet. Der Innenquerschnitt muss bestimmte Mindestmaße aufweisen, die von der größten zu übertragenden Wellenlänge abhängen. Metallische Gegenstände darin verursachen eine Fehlanpassung, welche gar eine Beschädigung der Innenwände durch Überschläge herbeiführen können. Metallische Hohlleiter können durch ein Koaxkabel, dessen Innenleiter in den Hohlleiter ragt, gespeist werden. Die Wellen sind im Metallhohlkörper „gefangen“ und breiten sich entlang des Leiters ab Einkopplung bis zum Austritt verlustarm und ohne Einfluss von/nach außen aus. Es gibt jedoch auch dielektrische "Hohl"-Leiter, bei denen die Welle wie in einem Lichtleitkabel geführt wird.

Metallische Hohlleiter werden im SHF-Frequenzbereich für hohe Leistungen verwendet. Für die Speisung ist daher meist ein Magnetron zuständig, welches oft selbst bereits einen Hohlleiter-Flansch besitzt.

Die Breite eines Rechteck-Hohlleiters muss > 1/2 der Wellenlänge (Lambda) sein. Häufigste Anwendung: Radargerät, Mikrowellenherd.

Streifenleiter

Wellenleiter können auch planar (flächig) als Streifenleitung (engl. strip line, microstrip line) ausgeführt sein, zum Beispiel als Mikrostreifen- oder Koplanarleiter. Dabei werden dünne Metallfilme auf nichtleitende (dielektrische) Materialien aufgebracht. Solche Leitungen finden sich zum Beispiel auf Leiterplatten für höchste Frequenzen (z. B. in Satelliten-Empfangsgeräten (LNBs)) und findet bei Strip-line-Antennen (auch als Panelantenne oder flat panel antenna bezeichnet) und manchen Wendelantennen Anwendung.

Streifenleitungen zur impedanz- und

laufzeitangepassten Speisung der Strahlerelemente in einer

Panelantenne für TV-Satellitenempfang

271

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Augendiagramm aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Das Augendiagramm ist ein Hilfsmittel um die Signalqualität einer digitalen Datenübertragung zu beurteilen. Dazu wird der Datenstrom in gleich lange Abschnitte unterteilt, die ein Vielfaches der Symboldauer lang sind. Diese werden mit Hilfe eines nachleuchtenden Oszilloskops oder Speicher-Oszilloskops übereinandergeschrieben. Auf dem Schirm entsteht ein Bild mit der Form eines Auges.

Die vertikale Augenöffnung zeigt, ob eine Übertragung überhaupt möglich ist und wie empfindlich die Übertragung gegenüber Störungen ist. Ist das Auge geschlossen, so ist keine Übertragung möglich, da die Bits (bzw. Symbole) nicht mehr unterschieden werden können.

Die horizontale Augenöffnung gibt den zeitlichen Bereich an, in dem eine Abtastung zulässig ist.

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Augendiagramm“

Übertragung über einen Tiefpass-Kanal mit zwei unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten

Augendiagramm angezeigt von einem Oszilloskop, bei relativ

hohem Phasenrauschen und bei weniger Phasenrauschen

Kategorien: Übertragungstechnik | Messdatenerfassung


Bitfehlerhäufigkeit aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Die Bitfehlerhäufigkeit (BFH) ist ein Maß für die Qualität

der Übertragung auf digitalen Übertragungsstrecken der Nachrichtentechnik und der Netzwerktechnik. der Speicherung von Daten auf Speichermedien und Massenspeichern.

Andere Bezeichnungen für Bitfehlerhäufigkeit sind Bitfehlerrate (BFR) und bit error rate (BER) (mit der Dimension "Anzahl von Fehler pro Zeiteinheit"). Das einheitenlose Bitfehlerverhältnis (engl.: bit error ratio) ist hingegen der Fehlerquotient, der aus der Anzahl der in einem beliebigen Zeitintervall fehlerhaft empfangenen Bits (Bitfehler) und der Anzahl im gleichen Zeitintervall insgesamt empfangener Bits berechnet wird. Handelt es sich um gespeicherte Bits auf einem Speichermedium, wird nicht ein definiertes Zeitintervall zugrunde gelegt, sondern eine definierte Speichergröße.

Beispiel: Eine Bitfehlerhäufigkeit von 3·10-6 bedeutet, dass von 1 Million übertragener oder gespeicherter Bits durchschnittlich 3 Bits falsch sein können. Die Messung zur Ermittlung der Bitfehlerhäufigkeit auf Übertragungsstrecken wird BER-Test oder BERT genannt. Sie wird gewöhnlich mit Hilfe von Prüfbitmustern durchgeführt, die von einem Messgerät gesendet und nach der Übertragung wieder empfangen und verglichen werden.

In vielen Veröffentlichungen wird in Anlehnung an den englischen Begriff bit error rate (BER) für eine Bitfehlerhäufigkeit der Begriff Bitfehlerrate bevorzugt. In vielen Dokumentationen (inklusive der Manuals von Antennenmeßgeräten) wird leider die Bitfehlerrate mit dem Bitfehlerverhältnis verwechselt. So bedeutet bei digitalen TV-Übertragungen "BER" grundsätzlich "Bit Error Ratio" und damit das Bitfehlerverhältnis.

Im Gegensatz zur Bitfehlerrate beschreibt die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (engl.: bit error probability, BEP) eine durch theoretische Überlegungen berechnete Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Bitfehlers. Geschlossene Berechnungen von Bitfehlerwahrscheinlichkeiten sind meist nur für idealisierte Szenarien möglich, werden aber häufig verwendet, um aufwendige Simulationen zu ersetzen und Grenzen der Leistungsfähigkeit von nachrichtentechnischen Systemen zu bestimmen.

Excessive Bit Error Rate, abgekürzt exBER, (engl.: sehr hohe Bitfehlerrate) ist eine Fehlerdefinition, die in der Synchronen Digitalen Hierarchie und der Plesiochronen Digitalen Hierarchie verwendet wird.

Sie ist für die Dienstgüte der Datenkommunikation das am meisten verbreitete quantitative Merkmal. Die genaue Definition des Fehlers ist von Technik und Bitrate abhängig. Beispielsweise ist es üblich, bei 1 Bitfehler auf 1000 übertragenen Bits den Fehler exBER als erreicht zu bezeichnen. Die Sekunden, in denen mindestens ein exBER aufgetreten ist, werden gewöhnlich in einer MIB aufgezeichnet und gezählt. Mit solchen Zählern kann die Qualität einer Datenkommunikation während der Benutzungszeit definiert gemessen werden.

Eine ähnliche Definition ist Signal degraded (SD). Die Fehlerschwelle von „Signal degraded“ wird gewöhnlich bei 1 Bitfehler auf 1 Million übertragene Bits erreicht. Bei Bitraten von 150 Mbit/s und höher liegen auch die Fehlerschwellen von exBER und SD um einige Zehnerpotenzen höher. Für Standleitungen in Deutschland ist der Fehler exBER das vertragsmäßig festgelegte Kriterium für einen Ausfall der Standleitung.

Beispiel

Bezieht man das Signal-Rauschverhältnis auf ein Informationsbit, erhält man das

Bitenergie-Rauschleistungsdichte-Verhältnis , das Verhältnis von der für ein

Informationsbit aufgewendete Energie Eb zu der spektralen Rauschleistungsdichte N0.

Mit steigendem Rauschen, d.h. abnehmendem Eb/N0, steigt die Bitfehlerrate. Weiterhin hängt BER vom Codierverfahren ab. 16-PSK oder 8-PSK besitzen eine höhere Informationsdichte als beispielsweise BPSK (2-PSK) und benötigen einen höheren Signal-Rauschabstand. Vorwärtsfehlerkorrekturverfahren senken die erforderliche Signalgüte. Bitfehlerhäufigkeit als Funktion von

Eb/N0.

273


275

Anhang A

Lizenzen

A.1 GNU GENERAL PUBLIC LICENSE

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Everyone is permitted to copy and distribute verbatim copies of this

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When we speak of free software, we are referring to freedom, not price. Our General PublicLicenses are designed to make sure that you have the freedom to distribute copies of freesoftware (and charge for them if you wish), that you receive source code or can get it ifyou want it, that you can change the software or use pieces of it in new free programs,and that you know you can do these things.

To protect your rights, we need to prevent others from denying you these rights or askingyou to surrender the rights. Therefore, you have certain responsibilities if you distributecopies of the software, or if you modify it: responsibilities to respect the freedom of others.

For example, if you distribute copies of such a program, whether gratis or for a fee, youmust pass on to the recipients the same freedoms that you received. You must make surethat they, too, receive or can get the source code. And you must show them these termsso they know their rights.

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Developers that use the GNU GPL protect your rights with two steps: (1) assert copy-right on the software, and (2) offer you this License giving you legal permission to copy,distribute and/or modify it.

For the developers’ and authors’ protection, the GPL clearly explains that there is nowarranty for this free software. For both users’ and authors’ sake, the GPL requires thatmodified versions be marked as changed, so that their problems will not be attributederroneously to authors of previous versions.

Some devices are designed to deny users access to install or run modified versions of thesoftware inside them, although the manufacturer can do so. This is fundamentally incom-patible with the aim of protecting users’ freedom to change the software. The systematicpattern of such abuse occurs in the area of products for individuals to use, which is preci-sely where it is most unacceptable. Therefore, we have designed this version of the GPLto prohibit the practice for those products. If such problems arise substantially in otherdomains, we stand ready to extend this provision to those domains in future versions ofthe GPL, as needed to protect the freedom of users.

Finally, every program is threatened constantly by software patents. States should notallow patents to restrict development and use of software on general-purpose computers,but in those that do, we wish to avoid the special danger that patents applied to a freeprogram could make it effectively proprietary. To prevent this, the GPL assures thatpatents cannot be used to render the program non-free.

The precise terms and conditions for copying, distribution and modification follow.

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280 Lizenzen

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A “User Product” is either (1) a “consumer product”, which means any tangible per-sonal property which is normally used for personal, family, or household purposes,or (2) anything designed or sold for incorporation into a dwelling. In determiningwhether a product is a consumer product, doubtful cases shall be resolved in favorof coverage. For a particular product received by a particular user, “normally used”refers to a typical or common use of that class of product, regardless of the statusof the particular user or of the way in which the particular user actually uses, orexpects or is expected to use, the product. A product is a consumer product regard-less of whether the product has substantial commercial, industrial or non-consumeruses, unless such uses represent the only significant mode of use of the product.

“Installation Information” for a User Product means any methods, procedures, au-thorization keys, or other information required to install and execute modifiedversions of a covered work in that User Product from a modified version of itsCorresponding Source. The information must suffice to ensure that the continuedfunctioning of the modified object code is in no case prevented or interfered withsolely because modification has been made.

If you convey an object code work under this section in, or with, or specifically foruse in, a User Product, and the conveying occurs as part of a transaction in whichthe right of possession and use of the User Product is transferred to the recipient inperpetuity or for a fixed term (regardless of how the transaction is characterized),the Corresponding Source conveyed under this section must be accompanied bythe Installation Information. But this requirement does not apply if neither younor any third party retains the ability to install modified object code on the UserProduct (for example, the work has been installed in ROM).

The requirement to provide Installation Information does not include a requirementto continue to provide support service, warranty, or updates for a work that has beenmodified or installed by the recipient, or for the User Product in which it has beenmodified or installed. Access to a network may be denied when the modificationitself materially and adversely affects the operation of the network or violates therules and protocols for communication across the network.

Corresponding Source conveyed, and Installation Information provided, in accordwith this section must be in a format that is publicly documented (and with animplementation available to the public in source code form), and must require nospecial password or key for unpacking, reading or copying.

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(d) Limiting the use for publicity purposes of names of licensors or authors of thematerial; or

(e) Declining to grant rights under trademark law for use of some trade names,trademarks, or service marks; or

(f) Requiring indemnification of licensors and authors of that material by anyonewho conveys the material (or modified versions of it) with contractual as-sumptions of liability to the recipient, for any liability that these contractualassumptions directly impose on those licensors and authors.

All other non-permissive additional terms are considered “further restrictions” wi-thin the meaning of section 10. If the Program as you received it, or any part of it,contains a notice stating that it is governed by this License along with a term thatis a further restriction, you may remove that term. If a license document contains afurther restriction but permits relicensing or conveying under this License, you mayadd to a covered work material governed by the terms of that license document,provided that the further restriction does not survive such relicensing or conveying.

If you add terms to a covered work in accord with this section, you must place, inthe relevant source files, a statement of the additional terms that apply to thosefiles, or a notice indicating where to find the applicable terms.

Additional terms, permissive or non-permissive, may be stated in the form of aseparately written license, or stated as exceptions; the above requirements applyeither way.

8. Termination.

You may not propagate or modify a covered work except as expressly providedunder this License. Any attempt otherwise to propagate or modify it is void, andwill automatically terminate your rights under this License (including any patentlicenses granted under the third paragraph of section 11).

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However, if you cease all violation of this License, then your license from a particularcopyright holder is reinstated (a) provisionally, unless and until the copyright holderexplicitly and finally terminates your license, and (b) permanently, if the copyrightholder fails to notify you of the violation by some reasonable means prior to 60days after the cessation.Moreover, your license from a particular copyright holder is reinstated permanentlyif the copyright holder notifies you of the violation by some reasonable means, thisis the first time you have received notice of violation of this License (for any work)from that copyright holder, and you cure the violation prior to 30 days after yourreceipt of the notice.Termination of your rights under this section does not terminate the licenses ofparties who have received copies or rights from you under this License. If yourrights have been terminated and not permanently reinstated, you do not qualify toreceive new licenses for the same material under section 10.

9. Acceptance Not Required for Having Copies.You are not required to accept this License in order to receive or run a copy of theProgram. Ancillary propagation of a covered work occurring solely as a consequenceof using peer-to-peer transmission to receive a copy likewise does not require accep-tance. However, nothing other than this License grants you permission to propagateor modify any covered work. These actions infringe copyright if you do not acceptthis License. Therefore, by modifying or propagating a covered work, you indicateyour acceptance of this License to do so.

10. Automatic Licensing of Downstream Recipients.Each time you convey a covered work, the recipient automatically receives a licensefrom the original licensors, to run, modify and propagate that work, subject to thisLicense. You are not responsible for enforcing compliance by third parties with thisLicense.An “entity transaction” is a transaction transferring control of an organization, orsubstantially all assets of one, or subdividing an organization, or merging organi-zations. If propagation of a covered work results from an entity transaction, eachparty to that transaction who receives a copy of the work also receives whateverlicenses to the work the party’s predecessor in interest had or could give under theprevious paragraph, plus a right to possession of the Corresponding Source of thework from the predecessor in interest, if the predecessor has it or can get it withreasonable efforts.You may not impose any further restrictions on the exercise of the rights grantedor affirmed under this License. For example, you may not impose a license fee,royalty, or other charge for exercise of rights granted under this License, and youmay not initiate litigation (including a cross-claim or counterclaim in a lawsuit)alleging that any patent claim is infringed by making, using, selling, offering forsale, or importing the Program or any portion of it.

11. Patents.A “contributor” is a copyright holder who authorizes use under this License of theProgram or a work on which the Program is based. The work thus licensed is calledthe contributor’s “contributor version”.


A contributor’s “essential patent claims” are all patent claims owned or controlledby the contributor, whether already acquired or hereafter acquired, that would beinfringed by some manner, permitted by this License, of making, using, or sellingits contributor version, but do not include claims that would be infringed only asa consequence of further modification of the contributor version. For purposes ofthis definition, “control” includes the right to grant patent sublicenses in a mannerconsistent with the requirements of this License.Each contributor grants you a non-exclusive, worldwide, royalty-free patent licenseunder the contributor’s essential patent claims, to make, use, sell, offer for sale,import and otherwise run, modify and propagate the contents of its contributorversion.In the following three paragraphs, a “patent license” is any express agreement orcommitment, however denominated, not to enforce a patent (such as an expresspermission to practice a patent or covenant not to sue for patent infringement).To “grant” such a patent license to a party means to make such an agreement orcommitment not to enforce a patent against the party.If you convey a covered work, knowingly relying on a patent license, and the Cor-responding Source of the work is not available for anyone to copy, free of chargeand under the terms of this License, through a publicly available network serveror other readily accessible means, then you must either (1) cause the Correspon-ding Source to be so available, or (2) arrange to deprive yourself of the benefit ofthe patent license for this particular work, or (3) arrange, in a manner consistentwith the requirements of this License, to extend the patent license to downstreamrecipients. “Knowingly relying” means you have actual knowledge that, but for thepatent license, your conveying the covered work in a country, or your recipient’s useof the covered work in a country, would infringe one or more identifiable patents inthat country that you have reason to believe are valid.If, pursuant to or in connection with a single transaction or arrangement, youconvey, or propagate by procuring conveyance of, a covered work, and grant apatent license to some of the parties receiving the covered work authorizing themto use, propagate, modify or convey a specific copy of the covered work, then thepatent license you grant is automatically extended to all recipients of the coveredwork and works based on it.A patent license is “discriminatory” if it does not include within the scope of itscoverage, prohibits the exercise of, or is conditioned on the non-exercise of one ormore of the rights that are specifically granted under this License. You may notconvey a covered work if you are a party to an arrangement with a third partythat is in the business of distributing software, under which you make payment tothe third party based on the extent of your activity of conveying the work, andunder which the third party grants, to any of the parties who would receive thecovered work from you, a discriminatory patent license (a) in connection with copiesof the covered work conveyed by you (or copies made from those copies), or (b)primarily for and in connection with specific products or compilations that containthe covered work, unless you entered into that arrangement, or that patent licensewas granted, prior to 28 March 2007.Nothing in this License shall be construed as excluding or limiting any implied

284 Lizenzen

license or other defenses to infringement that may otherwise be available to youunder applicable patent law.

12. No Surrender of Others’ Freedom.

If conditions are imposed on you (whether by court order, agreement or otherwise)that contradict the conditions of this License, they do not excuse you from theconditions of this License. If you cannot convey a covered work so as to satisfysimultaneously your obligations under this License and any other pertinent obliga-tions, then as a consequence you may not convey it at all. For example, if you agreeto terms that obligate you to collect a royalty for further conveying from those towhom you convey the Program, the only way you could satisfy both those termsand this License would be to refrain entirely from conveying the Program.

13. Use with the GNU Affero General Public License.

Notwithstanding any other provision of this License, you have permission to linkor combine any covered work with a work licensed under version 3 of the GNUAffero General Public License into a single combined work, and to convey theresulting work. The terms of this License will continue to apply to the part which isthe covered work, but the special requirements of the GNU Affero General PublicLicense, section 13, concerning interaction through a network will apply to thecombination as such.

14. Revised Versions of this License.

The Free Software Foundation may publish revised and/or new versions of theGNU General Public License from time to time. Such new versions will be similarin spirit to the present version, but may differ in detail to address new problems orconcerns.

Each version is given a distinguishing version number. If the Program specifies thata certain numbered version of the GNU General Public License “or any later version”applies to it, you have the option of following the terms and conditions eitherof that numbered version or of any later version published by the Free SoftwareFoundation. If the Program does not specify a version number of the GNU GeneralPublic License, you may choose any version ever published by the Free SoftwareFoundation.

If the Program specifies that a proxy can decide which future versions of the GNUGeneral Public License can be used, that proxy’s public statement of acceptance ofa version permanently authorizes you to choose that version for the Program.

Later license versions may give you additional or different permissions. However,no additional obligations are imposed on any author or copyright holder as a resultof your choosing to follow a later version.

15. Disclaimer of Warranty.

THERE IS NO WARRANTY FOR THE PROGRAM, TO THE EXTENT PER-MITTED BY APPLICABLE LAW. EXCEPT WHEN OTHERWISE STATED INWRITING THE COPYRIGHT HOLDERS AND/OR OTHER PARTIES PROVI-DE THE PROGRAM “AS IS” WITHOUTWARRANTYOF ANYKIND, EITHER


EXPRESSED OR IMPLIED, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IM-PLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PAR-TICULAR PURPOSE. THE ENTIRE RISK AS TO THE QUALITY AND PER-FORMANCE OF THE PROGRAM IS WITH YOU. SHOULD THE PROGRAMPROVE DEFECTIVE, YOU ASSUME THE COST OF ALL NECESSARY SER-VICING, REPAIR OR CORRECTION.

16. Limitation of Liability.IN NO EVENT UNLESS REQUIRED BY APPLICABLE LAW OR AGREEDTO IN WRITING WILL ANY COPYRIGHT HOLDER, OR ANY OTHER PAR-TY WHO MODIFIES AND/OR CONVEYS THE PROGRAM AS PERMITTEDABOVE, BE LIABLE TO YOU FOR DAMAGES, INCLUDING ANY GENE-RAL, SPECIAL, INCIDENTAL OR CONSEQUENTIAL DAMAGES ARISINGOUT OF THE USE OR INABILITY TO USE THE PROGRAM (INCLUDINGBUT NOT LIMITED TO LOSS OF DATA OR DATA BEING RENDERED INAC-CURATE OR LOSSES SUSTAINED BY YOU OR THIRD PARTIES OR A FAI-LURE OF THE PROGRAM TO OPERATE WITH ANY OTHER PROGRAMS),EVEN IF SUCH HOLDER OR OTHER PARTY HAS BEEN ADVISED OF THEPOSSIBILITY OF SUCH DAMAGES.

17. Interpretation of Sections 15 and 16.If the disclaimer of warranty and limitation of liability provided above cannot be gi-ven local legal effect according to their terms, reviewing courts shall apply local lawthat most closely approximates an absolute waiver of all civil liability in connectionwith the Program, unless a warranty or assumption of liability accompanies a copyof the Program in return for a fee.

End of Terms and Conditions

How to Apply These Terms to Your New Programs

If you develop a new program, and you want it to be of the greatest possible use tothe public, the best way to achieve this is to make it free software which everyonecan redistribute and change under these terms.To do so, attach the following notices to the program. It is safest to attach themto the start of each source file to most effectively state the exclusion of warranty;and each file should have at least the “copyright” line and a pointer to where thefull notice is found.

<one line to give the program’s name and a brief idea of what it does.>

Copyright (C) <textyear> <name of author>

This program is free software: you can redistribute it and/or modifyit under the terms of the GNU General Public License as published bythe Free Software Foundation, either version 3 of the License, or(at your option) any later version.

286 Lizenzen

This program is distributed in the hope that it will be useful,but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty ofMERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See theGNU General Public License for more details.

You should have received a copy of the GNU General Public Licensealong with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.

Also add information on how to contact you by electronic and paper mail.If the program does terminal interaction, make it output a short notice like thiswhen it starts in an interactive mode:

<program> Copyright (C) <year> <name of author>

This program comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY; for details type ‘show w’.This is free software, and you are welcome to redistribute itunder certain conditions; type ‘show c’ for details.

The hypothetical commands show w and show c should show the appropriate partsof the General Public License. Of course, your program’s commands might be dif-ferent; for a GUI interface, you would use an “about box”.You should also get your employer (if you work as a programmer) or school, if any, tosign a “copyright disclaimer” for the program, if necessary. For more information onthis, and how to apply and follow the GNUGPL, see http://www.gnu.org/licenses/.The GNU General Public License does not permit incorporating your program intoproprietary programs. If your program is a subroutine library, you may consider itmore useful to permit linking proprietary applications with the library. If this iswhat you want to do, use the GNU Lesser General Public License instead of this Li-cense. But first, please read http://www.gnu.org/philosophy/why-not-lgpl.html.

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Grundlagen der technischen Informatik Wikipedia-Skript · IV Autor: Prof. Dr.-Ing. Holger Heuermann LehrgebietfürHoch-undHöchstfrequenztechnik 1.Auﬂage2008 Dieses Skript stellt