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Analog-Digital-Umsetzer

Analog-Digital-Umsetzer

Ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU, auch: Analog-Digital-Wandler, A/D-Wandler oder englisch ADC f. Analog-to-Digital-Converter) wandelt nach unterschiedlichen Methoden analoge Eingangssignale in digitale Daten bzw. einen Datenstrom um, die dann weiterverarbeitet oder gespeichert werden können. Sein Gegenstück ist der Digital-Analog-Umsetzer oder DAC. Der ADU quantisiert ein kontinuierliches Spannungssignal sowohl in der Zeit als auch in der Amplitude. Jedes Signal ist dadurch nach der Wandlung treppenförmig. Die Hauptparameter eines ADUs sind seine Auflösung in Bits und seine Wandlungsgeschwindigkeit. Die Auflösung stellt gleichzeitig die Genauigkeitsgrenze für die Umwandlung dar. Die nutzbare Genauigkeit wird durch Nichtlinearitäten im analogen Schaltungsteil des ADUs verringert. Die Wandlungsgeschwindigkeit ist meistens eine Konstante, kann aber bei speziellen Wandlertypen vom Wert der anliegenden Spannung abhängen.

Funktionsprinzipien

Es gibt eine große Anzahl von Verfahren, die zur Umsetzung von analogen in digitale Signale benutzt werden können. Im Folgenden sind die wichtigsten Prinzipien aufgeführt.

Sägezahnverfahren

Nichtlinearität Beim Sägezahnverfahren wird ein Kondensator mit einem zur Eingangsspannung

U_e

umgekehrt proportionalen Strom aufgeladen. Die Spannung

U_c

am Kondensator, die mit der Zeit linear zunimmt wird mit einer Referenzspannung

U_0

verglichen. Solange

U_c < U_e

gilt, wird ein Zähler mit einem Taktsignal hochgezählt. Erreicht die Kondensatorspannung den Wert der Eingangsspannung, wird der Zähler angehalten und ausgelesen und der Kondensator durch Kurzschließen entladen. Je höher die Eingangsspannung ist um so länger dauert es bis der Kondensator die Referenzspannung erreicht und um so höher ist der Wert des Zählers. Die Wandlungszeit bei diesem ADU ist abhängig von der Eingangsspannung. Zeitlich schnell veränderliche Signale können mit diesem Typ nicht korrekt gewandelt werden. Wandler nach dem Sägezahnverfahren sind sehr ungenau und werden z.B. in Spielkonsolen eingesetzt um die Stellung eines Potentiometers, das durch einen Joystick oder ein Lenkrad bewegt wird zu digitalisieren.

Sukzessive Approximation

Ein ADU, der nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation arbeitet, grenzt das eingehende Signal mittels Intervallschachtelung ein. Dazu besitzt er ein Datenregister (successive approximation register, SAR), in dem zum Schluss der ermittelte digitale Wert steht, einen Digital-Analog-Umsetzer, der eine dem momentanen Digitalwert des Datenregisters entsprechende analoge Referenzspannung erzeugt, einen Komparator, der die erzeugte Referenzspannung mit der Eingangsspannung vergleicht und ein Steuerwerk. Für jedes Bit an Genauigkeit benötigt der ADU jeweils einen Taktzyklus Wandlungszeit. Derartige Wandler erreichen Auflösungen von 16 Bit bei einer Wandlungsrate von 1 MHz. Ein mögliches Aproximationsverfahren stellt das Wägeverfahren dar. Dabei werden zunächst alle Bits auf Null gesetzt. Beginnend beim MSB werden abwärts bis zum LSB nacheinander alle Bits des Digitalwerts ermittelt. In jedem Taktzyklus wird vom Steuerwerk jeweils das in Arbeit befindliche Bit probeweise gesetzt; der Digital-Analog-Umsetzer erzeugt die dem aktuellen Digitalwert entsprechende Referenzspannung. Der Komparator vergleicht die Referenzspannung mit der Eingangsspannung

U_e

und veranlasst das Steuerwerk, das in Arbeit befindliche Bit wieder zurückzusetzen, wenn die Referenzspannung höher ist als die Eingangsspannung. Wenn die Referenzspannung kleiner oder gleich der Eingangsspannung ist, bleibt das Bit gesetzt. So erfolgt eine schrittweise (sukzessive) Annährung der Referenzspannung an die Eingangsspannung. Während der Umsetzung darf sich das Eingangssignal

U_e

nicht ändern, da sonst die niederwertigen Bits auf Grundlage einer anderen Eingangsspannung gewogen werden würde. Deshalb ist dem Eingang eine Abtast-Halte-Schaltung vorgeschaltet.

Hybride Wandler

Hybride Wandler sind meist mehrstufige Analog-Digital-Umsetzer, die mehrere interne SAR- und FLASH-Stufen besitzen und in Pipeline-Architektur aufgebaut sind. Ein Korrektur-ROMs enthält Kalibrierungsdaten, die dazu dienen Fehler zu korrigieren, die in den einzelnen Digitalisierungsstufen entstehen. Bei manchen Ausführungen werden diese Korrekturdaten auch auf ein externes Signal hin generiert und in einem Random Access Memory abgelegt. Diese Wandler erreichen Auflösungen von 14 Bit bei einer Datenausgangsrate von 5 MHz.

Dual Slope- oder Rampenwandler

Diese bestehen im Wesentlichen aus einem Integrator und elektronischen Schaltern und laden/entladen einen externen, hochwertigen Kondensator mittels mehrerer Zyklen. Der Kondensator wird also durch die unbekannte Spannung über ein festes vorgegebenes Zeitintervall geladen und anschließend durch die Referenzspannung wieder entladen. Die benötigte Entladezeit wird gemessen und daraus der unbekannte Wert ermittelt. Derartige Slope-Wandler sind relativ langsam und werden oft in digitalen Voltmetern eingesetzt, da sie relativ immun gegen Rauschen sind. Klassische Slope-Wandler sind Dual-, Quad- und Multislope-Wandler.

Trackingwandler

Diese ähneln den Slope-Wandlern, nur werden die Rampen mittels eines Auf-/Abwärtszählers und eines nachgeschalteten DACs anstelle eines Integrators erzeugt. Oft sind die Rampen derartiger Wandler simpel und monoton; sie "fahren" dem Signal einfach nach, woraus sich erklärt, dass die Wandlungszeit derartiger ADCs vom Abstand des aktuellen Eingangssignals zum letzten gemessenen Zustand des Eingangssignals abhängt.

Modulationswandler

Diese sind die neuesten Typen von Wandlern und bieten ein Optimum an Genauigkeit und Geschwindigkeit. Hier wird das Eingangssignal, das grundsätzlich verstärkt vorliegen muss, zunächst an einen kleinen Kondensator geführt, dessen Genauigkeit eine untergeordnete Rolle spielt, und auf dessen Anschlüsse aus den Eingängen des ADCs austretende Hochfrequenz mittels elektronischer Schalter moduliert wird. Der Kondensator ist lediglich vonnöten, um die vorgeschalteten Verstärker nicht zu belasten bzw. relativ langsame und rauscharme Verstärker einsetzen zu können. Das Verhalten des so modulierten Eingangssignals wird schließlich über sich im ADC befindliche digitale Filter umgerechnet und ausgegeben. Derartige Wandler haben feste Wandlungszeiten und erreichen praktische Auflösungen von 20 Bit bei Datenausgangsraten von über 40 kHz, was nicht selten die Qualität der zu messenden Signale weit übertrifft.

Flash-Wandler

Die direkte Methode oder auch Flash-Wandlung basiert (ähnlich wie SAR-Wandler) auf Vergleichern (Komparatoren). Allerdings ist bei Flash-Wandlern für jeden möglichen Ausgangswert (bis auf den kleinsten bzw. größten) ein separat implementierter Komparator erforderlich. Ein 8-Bit-Flash-Wandler benötigt somit z. B. 2⁸−1 = 255 Komparatoren. Bei höheren Auflösungen steigt der erforderliche Aufwand drastisch an, weshalb Flash-Wandler typischerweise nur in kleinen Auflösungen von etwa 8 bis 12 Bit verfügbar sind. Das analoge Eingangssignal wird im Flash-Wandler gleichzeitig von allen Komparatoren mit den (über einen mehrstufigen Spannungsteiler erzeugten) Referenzgrößen verglichen. Anschließend erfolgt durch eine Kodierlogik die Umsetzung der 2ⁿ−1 Komparatorsignale in einen n bit breiten Binärcode (mit n: Auflösung in bit). Das Resultat steht damit nach den Durchlaufverzögerungen (Schaltzeit der Komparatoren sowie Verzögerung der Kodierlogik) sofort zur Verfügung. Flash-Wandler kommen normalerweise in allen Digitaloszilloskopen und bei der Digitalisierung von Videosignalen zur Anwendung. Als Beispiel ermöglicht der MAX108 bei einer Auflösung von 8 bit eine Abtastrate von 1,5 GHz.

Zählmethode

Bei der Zählmethode wird so lange der kleinste gewünschte Schritt (LSB) aufeinander addiert und an einen Komparator geliefert, bis der Wert gleich oder größer der angelegten analogen Referenzgröße ist. Die Schritte werden mit einem Zähler erzeugt, der dem Verfahren seinen Namen gibt. Der Schaltungsaufwand ist sehr gering, allerdings ist die Umsetzungszeit abhängig von der Eingangsgröße, im ungünstigsten Fall muss der Zähler alle Stufen durchlaufen.

Iterationsmethode (Wäge-Verfahren)

Die Iterationsmethode ist der Zählmethode ähnlich. Auch hier erfolgt eine schrittweise Annäherung an den Eingangswert, allerdings nicht linear in konstanten Zählschritten, sondern nach anderen, schnelleren Iterationsverfahren (siehe sukzessive Approximation). Dieses Verfahren bietet den besten Kompromiss aus Schaltungsaufwand und Geschwindigkeit.

Delta-Sigma-Verfahren oder auch Charge-Balance Verfahren (1-Bit Wandler)

Das zeitliche Eingangssignal kommt über einen analogen Subtrahierer zum Integrator und verursacht an dessen Ausgang ein Signal, das ein Komparator mit Eins oder Null bewertet. Der 1-Bit-Digital-Analog-Wandler erzeugt daraus eine positive oder negative Spannung, die über den Subtrahierer den Integrator wieder auf Null zurückzieht (Regelkreis). Das nachgeschaltete Digitalfilter setzt den seriellen und hoch-frequenten Bit-Strom in digitale also diskrete Werte um, welche den Analogwert am Eingang mit niedriger Erneuerungsrate aber hoher Auflösung wiedergeben. Das Ergebnis kann parallel oder seriell ausgegeben werden. Das Delta-Sigma-Verfahren ist von großer Bedeutung, da viele Geräte in der Consumer-Elektronik wie zum Beispiel MiniDisc oder DAT-Rekorder auf dieses extrem genaue Verfahren zurückgreifen. Auch bei Datenwandlern in der Kommunikationstechnik mit digitalen Filtern wird es eingesetzt.

Wichtige Kenngrößen

- Umsetzgeschwindigkeit (Conversion Speed) – Die Dauer einer Wandlung.
- Auflösung (Resolution) – Die Anzahl der Bits, die zur Darstellung des Eingangssignals verwendet werden. Dies bestimmt den Quantisierungsfehler. Für die Beurteilung der Genauigkeit des Analog-Digital-Umsetzer ist aber die Auflösung nur ein erster Anhaltspunkt, da weitere Fehlerquellen hinzukommen.
- Linearitätsfehler - Die Kennlinie weicht von der idealen Kennlinie ab.
- Nullpunktsfehler – Die Umsetzerkennlinie ist seitlich verschoben.
- Verstärkungsfehler – Der digitale Wert unterscheidet sich um einen konstanten Prozentsatz von der Eingangsspannung. Die mittlere Steigung der Umsetzerkennlinie weicht von 1 ab.
- Integrale Nichtlinearität – Der Fehler zwischen dem umgesetzen Wert und dem eigentlichen Wert. (Höhe)
- Differentielle Nichtlinearität – Nicht alle Quantisierungsschritte sind gleich breit.
- Signal-Rausch-Verhältnis in dB
- Dynamikumfang in dB
- Intermodulationsstörungen in dB
- Monotonie – Ist ein Analog-Digital-Umsetzer monoton, so ist ausgeschlossen, dass eine Vergrößerung des Eingangssignals einen kleineren Ausgangscode zur Folge hat. Diese Eigenschaft ist für einige Anwendungen wichtig, z. B. wenn der Analog-Digital-Wandler innerhalb eines Regelkreises arbeiten soll.

Beispiel: Dual-Slope ADC

Der Dual-Slope ADC war das erste leistungsfähige Konzept eines Analog-Digital-Umsetzers. Um das Patent zu umgehen, und später auch durch die bessere Flexibilität, wird heute meist der Bit-Stream-ADC verwendet. Der Dual-Slope ADC bleibt aber trotzdem ein einfaches Verfahren zum Einstieg in die ADUs. .------. | | Ux | |\ | Rint ----o-|-\ | ___ || Cint Uref | >-o-|___|-o----||----. ----|+/ | || | |/ | | | |\ | '---|-\ | |\ CMP | >---o------|-\ o---|+/ Uint | >---- | |/ INT o---|+/ | |/ GND GND
- Ux muss ein anderes Vorzeichen als Uref haben.
- Tint bzw. Tx wird durch den Integrator ermittelt. Die Spannung Uint stellt sich in einem Zeitdiagramm als Dreieck dar.
- Die Digitalisierung erfolgt durch Zählung der Zeiten mit festem Takt. Nint = Tint / fT Nx = Tx / fT Nx = (Nint / -Uref)
- Ux

Siehe auch

- Alias-Effekt
- Antialiasing
- Digital-analog-Umsetzer
- Nyquist-Theorem
- Quantisierungsrauschen
- Spiegelfrequenz

Weblinks

- [http://www.beis.de/Elektronik/DeltaSigma/DeltaSigma_D.html Eine Einführung in Delta-Sigma-Wandler]
- [http://www.vias.org/mikroelektronik/intf_basics.html AD-Wandler in „Angewandte Mikroelektronik“], ein frei zugängliches Lehrbuch
- [http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX108.pdf Datenblatt des Flash-Wandlers MAX108] Kategorie:Elektronik Kategorie:Elektrische Messtechnik Kategorie:Digitale Signalverarbeitung ja:アナログ-デジタル変換回路

Analog

Die Analogie, Adjektiv analog (griechisch αναλογία, analogía - die Proportionalität, Entsprechung, Verhältnismäßigkeit) hat je nach Kontext und Verwendung als Substantiv oder Adjektiv unterschiedliche Bedeutungen: # Etwas verhält sich analog also gleich oder entsprechend, zu etwas anderem, es bildet also eine Analogie, man kann per Analogieschluss Erkenntnisse gewinnen. # (mathematisch, vor allem adjektivisch) Eine Gleichung oder ein Beweis ist analog, wenn die gleichen mathematischen Beziehungen zu Grunde liegen. Siehe dazu Analogiebeweis. # Analogie (Philosophie) # (technisch, nur adjektivisch oder substantivisch in Zusammensetzungen) Von analogen Signalen oder Analogsignalen spricht man, wenn eine wert- und/oder zeitkontinuierliche Zuordnung von einer physikalischen Messgröße zu einer anderen (z.B. Temperatur zu Spannung, aber auch Eingangs- zu Ausgangsspannung) vorgenommen wird (Gegenteil: digital). # (biologisch, meist adjektivisch) Analoge Strukturen sind funktionsgleiche Strukturen, die sich nicht bis zu einen gemeinsamen Vorfahren zurückverfolgen lassen. Siehe dazu Analogie (Biologie). # (Rechtswissenschaft) Eine Rechtsnorm wird auf einen Sachverhalt analog angewandt, wenn ihre tatbestandlichen Voraussetzungen zwar nicht vorliegen, das Gesetz aber eine planwidrige Lücke enthält und eine vergleichbare Interessenlage gegeben ist. Siehe dazu Analogie (Recht). # analog (Kommunikationswissenschaft) nach Paul Watzlawick et al. der Teil der Kommunikation, der sich durch den Bezug auf die Beziehung der Partner zueinander auszeichnet und nicht durch einen Bezug in der Welt. th:แอนะล็อก

Daten

Der Begriff Daten ist der Plural von Datum (lat. Singular datum, Plural data = Gegebenes).

Sprachliche Anmerkung

Diese Pluralform folgt damit anderen Wörtern lateinischen Ursprungs wie Faktum/Fakten und Skriptum/Skripten.
In der deutschen Sprache hat sich jedoch die Bedeutung von "Datum" im allgemeinem Sprachgebrauch auf "Kalenderdatum" eingeengt. Deshalb ist die Verwendung des Wortes "Daten" als Plural von "Datum" unüblich. "Datum" wird behandelt, als ob es ein Singularetantum (Wort ohne Plural) wäre; "Daten" wird behandelt, als ob es ein Pluraletantum (Wort ohne Singular) wäre. Falsche scherzhafte Pluralia von "Datum" sind Datümer und Datumse; eine beliebte Methode, das Wort "Daten" zu vermeiden, ist die Umschreibung mit "Termine". Um dagegen das Wort "Datum" als Singular zu "Daten" zu vermeiden, werden Wörter wie "Datenelement", "Angabe" oder "Wert" verwendet.

Informatik

Die Informatik und Datenverarbeitung (EDV) benutzen Daten als (maschinen-) lesbare und bearbeitbare Repräsentation von Information. Die Information wird dazu in Zeichen (bzw. Zeichenketten) kodiert, deren Aufbau strengen Regeln folgt, der so genannten Syntax. Daten werden zu Informationen, wenn sie in einem Bedeutungskontext stehen. Beispiel: 0815 kann eine Telefonnummer sein und damit zu den Daten gehören. Wenn dazu der Name des Teilnehmers genannt wird, so wird daraus eine Information. Man unterscheidet:
- strukturierte Daten (zum Beispiel Datenbanken, XML)
- unstrukturierte Daten (beispielsweise Dokumente)
- transiente Daten Während sich strukturierte Daten relativ einfach maschinell weiterverarbeiten lassen, ist dies bei unstrukturierten Daten nur schwer oder ungenau möglich. Das Synchronisieren von Daten wird als Datenabgleich bezeichnet.

Semiotik

Die Semiotik definiert Daten als potenzielle Information. In der Semiotik werden Daten heute in die Sigmatik-Ebene eingeordnet.

Beispiele für Daten

- 0010100100100001
- Ländercodes (Internet)
- Ländervorwahlen für das internationale Telefonnetz
- Städtevorwahlen für Deutschland
- Anzahl der Fenster in einem Haus
- Größe und Masse
- Ergebnisse von Experimenten in den Naturwissenschaften
- technische Fakten
- Antworten von Umfragen, Volkszählungen,...

Siehe auch

Datensatz, Datei, Datenfernübertragung, Faktum, Datenschutz, Technischer Datenschutz, Sozialdaten, Datensicherheit, Datenwiederherstellung, Datenqualität, Datatypist, Personenbezogene Daten, Diagramm Kategorie:Datenstruktur Kategorie:Praktische Informatik Kategorie:Semiotik ja:データ ko:데이터 simple:Data

Digital-Analog-Umsetzer

Ein Digital-Analog-Umsetzer (DAU) – auch Digital-Analog-Wandler genannt – wandelt digitale Werte in analoge Signale um. Man unterscheidet drei mögliche Methoden.

Direkte Methode (Parallel-Verfahren)

Es werden alle möglichen Ausgangswerte gleichzeitig zur Verfügung gestellt und direkt mit dem digitalen Wert über einen 1-aus-n Schalter (Multiplexer) ausgewählt. Dies ist das schnellste aber auch aufwändigste Verfahren.

Zählmethode (Pulsweitenmodulation)

Diese Methode erfordert nur einen einzigen Schalter, der periodisch geöffnet und geschlossen wird. Das Tastverhältnis wird mit Hilfe des digitalen Wertes so eingestellt, dass der arithmetische Mittelwert der gesuchten Ausgangsgröße entspricht. Dieses Verfahren benötigt die größte Umsetzungszeit, lässt sich aber sehr gut als integrierte Schaltung realisieren.

Iterationsmethode (Wäge-Verfahren)

Hier wird das analoge Ausgangssignal mit Hilfe von gewichteten Widerständen erzeugt. Man benötigt so viele Schalter, wie Bits zur Darstellung der digitalen Werte verwendet werden. Dieses Verfahren bietet einen sehr guten Kompromiss aus Aufwand und Umsetzungsgeschwindigkeit.

Wandlungsfehler

Bit Bei einem idealen Digital-Analog-Wandler besteht ein offset-freier, linearer Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße. Durch den Vergleich der Kennlinien von idealem und realem Wandler sind folgende Fehler definiert (siehe Abb. 3): Für eine nicht monotone Kennlinie gilt, dass es innerhalb des Kurvenverlaufes Intervalle gibt, für die

U_(n)< U_(n-1)

gilt. Siehe auch: Analog-digital-Umsetzer Kategorie:Digitaltechnik ja:デジタル-アナログ変換回路

Elektrische Spannung

Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit nötig ist bzw. frei wird, um ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung entlang eines elektrischen Feldes zu bewegen. Das Formelzeichen der Spannung ist U bzw. im internationalen Sprachraum überwiegend E (Verwechslungsgefahr mit Feldstärke) oder V. Die Einheit ist das Volt, benannt nach Alessandro Volta.

Allgemeines

Wenn das elektrische 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. Deshalb wird die elektrische Spannung häufig auch Potentialdifferenz oder Galvanispannung (U = Δφ = φ₁-φ₂) genannt. Somit könnte das Formelzeichen U für Unterschied stehen. U soll jedoch von urgere (treiben) kommen. Eine positive Spannung zeigt somit immer vom Ort höheren Potentials zum Ort niedrigeren Potentials. Positive Ladungsträger bewegen sich also in Richtung der (positiven) Spannung, während negativ geladene Objekte sich einer positiven Spannung entgegen bewegen. Zu beachten ist aber, dass die Spannung eine skalare Größe darstellt; die in vielen Darstellungen verwendeten Spannungspfeile legen lediglich das Vorzeichen fest. Wichtig für die eindeutige Definition der Spannung ist, dass das elektrische Feld ein Potentialfeld darstellt, also wirbelfrei ist. Das bedeutet, dass die Arbeit, die an einer Ladung auf einem geschlossenen Weg verrichtet wird, gleich null ist. Um die Spannung zu messen, verwendet man ein Voltmeter, und um einen zeitlichen Spannungsverlauf aufzuzeichnen, benutzt man ein Oszilloskop. Der Begriff der elektrischen Spannung ist direkt mit dem des elektrischen Stroms verknüpft: Wenn zwischen zwei Punkten eine elektrische Spannung herrscht, dann existiert stets auch 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 beginnt zu fließen. Auf "natürliche" Weise entsteht elektrische Spannung bei den Vorgängen der Reibungselektrizität, bei Gewittern und bei Redoxreaktionen. Zur technischen Nutzung werden Spannungen meist durch elektromagnetische Induktion sowie durch Elektrochemie erzeugt.

Formeln

\mathrm = \frac \qquad \mathrm \qquad U = \frac

\mathrm = \mathrm \cdot \mathrm \qquad \mathrm \qquad U = R \cdot I

\mathrm = \frac \qquad \mathrm\qquad U = \frac

In der Potentialschreibweise auch: :

U = \Delta \phi = \; \phi_2 - \phi_1 \qquad \qquad \mathrm \qquad \qquad \phi = \frac

Siehe auch: Ohmsches Gesetz, Coulombsches Gesetz, Leistung, Stromstärke, Widerstand, Ladung, Arbeit

Ab ca. 42 Volt ist Spannung für den Menschen gefährlich, weil der Übergang von der Haut zum Körperinneren überwunden wird und die Leitfähigkeit des menschlichen Körpers erheblich zunimmt.

Doch nicht allein die Spannung (U) sondern die Stromstärke (I) ist für einen tödlichen Schlag verantwortlich. Schon eine Stromstärke von 50 mA kann tödlich sein.

Wechselstrom

Effektivspannung ist die Spannung, die im Mittel zur Verfügung steht. Dieses wird bei gleichgerichteten, geglätteten Schaltungen deutlich. Für die effektive Spannung ergibt sich die Formel: :

\qquad U_ = \frac

Bezeichnungen

Spannungen bis 50 Volt nennt man Kleinspannung, 50 Volt bis 1000 Volt Niederspannung, und größer als 1000 Volt Hochspannung. In der Energiewirtschaft werden Spannungen über 1000 Volt (= 1 Kilovolt) unterteilt in
- Mittelspannung: 1 kV ... 50 kV
- Hochspannung: 50 kV ... 200 kV
- Höchstspannung: > 200 kV

Übliche Spannungen

Zahlreiche Spannungsgrößen sind weit verbreitet und genormt, dazu gehören: Andere Spannungsgrößen werden nur in ihrem eigenen Netz verwendet und sind nicht normativ festgelegt, beispielsweise:

Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohm.htm Berechnung: Elektrische Spannung, Strom, Widerstand und Leistung]
- [http://taichi.dyndns.org/erwin/tesla.html Spannungsmessung im Megavolt-Bereich (Tesla-Anlage)]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m03_spannung.htm Versuche und Aufgaben zur elektrischen Spannung] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Elektrostatik ja:電圧

Amplitude

Die Amplitude ist die physikalische Bezeichnung für die maximale Auslenkung einer Schwingung bzw. einer Welle aus der Mittellage. ::Harmonische Schwingung Beispiele:
- Ein Pendel schwingt von rechts nach links und zurück.
- Bei einer Schallwelle wird die Amplitude als Lautstärke (Lautheit) wahrgenommen oder sie bewegt als Schalldruckamplitude das Trommelfell oder die Mikrofonmembran und wird vom Mikrofon in die Spannungsamplitude umgewandelt. Siehe Schallfeldgröße.
- Bei Licht-Wellen ist die Amplitude normalerweise nicht direkt messbar, stattdessen wird die Intensität gemessen. Auch die Wahrnehmung der Helligkeit durch das Auge ist intensitätsabhängig. Siehe Energiegröße. Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Wellenlehre

Bit

Der Begriff Bit wird in der Informatik und Informationstechnik sowie verwandten Fachgebieten in unterschiedlichen Zusammenhängen verwendet. Sowohl der Gebrauch als auch die Schreibweise (Bit oder bit) sind dabei uneinheitlich und variieren in der Literatur; einige häufig, aber nicht immer verwendete Konventionen finden sich im Abschnitt Schreibweise. Es handelt sich um eine Wortkreuzung aus binary digit, englisch für Binärziffer. Der Begriff wurde von dem Mathematiker John W. Tukey vermutlich 1946, nach anderen Quellen schon 1943 vorgeschlagen. Schriftlich wurde der Begriff 1948 zum ersten Mal auf Seite 1 von Claude Shannons berühmter Arbeit A Mathematical Theory of Communication erwähnt. Allen Verwendungsweisen im Zusammenhang mit Information und Informationstechnik ist gemeinsam, dass ein Bit oder bit als ein Maß für die Größe bzw. den Umfang von Daten oder Informationen betrachtet wird. Mögliche Verwendungen sind (da die Groß- und Kleinschreibung variiert, wird hier von einer Unterscheidung abgesehen):
- Ein Bit als Speicherzelle
- Bit als Einheit für eine Datenmenge (siehe auch Nit oder Hartley).
- Das Bit als Einheit für den Informationsgehalt (siehe auch Shannon).

Darstellung von Bits in der Digitaltechnik

Jede Information ist an einen Informationsträger gebunden. Die Informationsmenge 1 Bit entspricht der Information, welche von zwei möglichen Begebenheiten zutrifft. Folgende beispielhafte Sachverhalte können also eine Informationsmenge von einem Bit speichern:
- Die Stellung eines Schalters mit zwei Zuständen, zum Beispiel eines Lichtschalters mit den Stellungen EIN oder AUS.
- Der Schaltzustand eines Transistors, "geringer Widerstand" oder "hoher Widerstand".
- Das Vorhandensein einer Spannung, die größer oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist.
- Eine Variable, welche einen von zwei Werten, zum Beispiel 0 oder 1, die logischen Wahrheitswerte Wahr oder Falsch, high oder low, H oder L enthalten kann. Der Wert eines oder mehrerer Bits wird in der Informatik allgemein als Zustand bezeichnet, da ein Bit in der Anwendung von einem physikalischen Element, zum Beispiel dem erwähnten Transistor, dargestellt wird, welches einen bestimmten Zustand besitzt. Werden mehrere Elemente zu einer Einheit zusammengesetzt, hängt der Gesamtzustand dieser Einheit vom Zustand jedes einzelnen Elements ab und es ergeben sich wiederum mehrere verschiedene Zustände dieser Einheit.

Binärdarstellung; Bits und Bytes

Mit n Bits lassen sich 2ⁿ verschiedene Zustände darstellen, so kann sich beispielsweise eine Einheit aus zwei Bits in vier verschiedenen Zuständen befinden: 00, 01, 10 und 11. Weiterhin können mit vier Bits 16 verschiedene Zustände gespeichert werden, mit acht Bits 256, und so weiter. Jedes zusätzliche Bit verdoppelt die Anzahl der möglichen darstellbaren Zustände. Repräsentieren diese Zustände ganze Zahlen durch Codierung im Dualsystem, so ist ein Bit umso gewichtiger (fachsprachlich: höherwertiger), je weiter links es in der niedergeschriebenen Bitfolge steht (siehe auch Stellenwertsystem). Moderne Computer und Speichermedien verfügen über Speicherkapazitäten von Milliarden von Bits. Speichergrößen werden daher in anderen Einheiten angegeben. Im allgemeinen verwendet man hier das Byte (ein Oktett von acht Bit) als Grundeinheit und Potenzen von 2¹⁰ (= 1024) als Einheitenpräfixe (näheres siehe Byte). Im Bereich der Datenfernübertragung hat sich jedoch das Bit als Grundeinheit bei der Angabe der Datenübertragungsrate gehalten - ISDN überträgt maximal 64 kbit/s (64.000 Bit pro Sekunde) auf einem Kanal, Fast Ethernet 100 Mbit/s (100 Millionen Bit pro Sekunde). Anders als beim Byte hält man sich hier streng an das SI-System für Vorsilben. Daneben wird das Bit als Einheit verwendet:
- für die Angabe der Kapazität einzelner Speicherchips (hier allerdings mit Binärpräfixen); Beispiel: ein 512-Mb-Chip (Megabit, nicht zu verwechseln mit MB) speichert 2²⁹ Bits = 2²⁶ Bytes, also 64 MB, davon acht Stück auf einem Speicherriegel ergibt ein 512-MB-DIMM
- für Busbreiten bzw. die Verarbeitungsbreite auf Chipebene (Grund dafür ist die Möglichkeit von bitweisen Operationen bzw. das Prinzip bitweiser Übertragung)

Bitfehler und Vorwärtsfehlerkorrektur

Allgemein gilt in der digitalen Welt, dass es keine "unwichtigen" Bits gibt. Beispiele:
- zwei 64 Bit-Zahlen sind ungleich, wenn sie sich auch nur im niederwertigsten Bit unterscheiden. Das führt z. B. zu einem Vertrauensproblem, wenn zwei digitalisierte Fingerabdrücke verglichen werden, und das Programm nicht so geschrieben ist, dass es mit kleinen Unterschieden "intelligenter" umgehen kann.
- eine ausführbare Datei wird meist unbrauchbar, wenn auch nur ein Bit "kippt", wenn also aus einer 0 fälschlich eine 1 wird oder umgekehrt.
- Nur ein einziger Fehler in der Bitfolge eines 2048 Bit langen Schlüssels zu einem verschlüsselten Text führt unweigerlich dazu, dass sich der Text nicht mehr entschlüsseln lässt (siehe Kryptologie).
- Bitfehler auf Audio-CDs können toleriert werden und führen maximal zu Geräuschfehlern; auf Daten-CDs sind sie fatal, weshalb diese zusätzliche Fehler-Korrektur-Codes enthalten. So gesehen kann es geschehen, dass ein einziges Bit entscheidend ist für Annahme oder Ablehnung, Erfolg oder Misserfolg, in sicherheitsrelevanten Systemen wie z. B. in der Raumfahrt sogar für Leben oder Tod. Der Tatsache, dass nur ein falsches Bit ausreicht, um unerwartete Ergebnisse zu produzieren, kann man dadurch entgegnen, dass man Informationen redundant codiert. Die einfachste Art der redundanten Codierung besteht darin, einem Datenblock als Prüfsumme die binäre Quersumme, das so genannte Paritätsbit hinzuzufügen. Die Paritätsprüfung erlaubt es festzustellen, wenn ein einzelnes Bit im Block falsch übertragen wurde. Ist ein Fehler aufgetreten, kann der Empfänger eine Neuübermittlung anfordern (so z.B. im TCP/IP-Protokoll). Wenn mehr als ein redundantes Bit pro Datenblock hinzugefügt wird, spricht man von Vorwärtsfehlerkorrektur (forward error correction, FEC); sie wird bei manchen Datenträgern und bei vielen Datenübertragungsverfahren eingesetzt und erlaubt es, fehlerhaft ausgelesene beziehungsweise empfangene Bits zu korrigieren, solange die Fehlerdichte unterhalb einer kritischen Schwelle bleibt. So ist z. B. auf einer CD jedes Byte über eine Strecke von 2 cm verteilt und mit anderen Bytes zusammen als Reed-Solomon-Code abgespeichert, so dass beliebige 1 mm-Streifen einer CD fehlen können und dennoch die ganze Information vorhanden ist. Der Preis für die Vorwärtsfehlerkorrektur ist der Speicherplatz (bzw. die Übertragungsbandbreite) für die redundanten Bits -- der Speicherplatz von CDs wäre ohne solche Maßnahmen ca. 17% größer, Netzwerke 40% schneller, Mobiltelefone 200% leistungsstärker, bei den letzten beiden unterschiedlich je nach Typ.

Datenkompression

Oft enthalten die kodierten Informationen selbst Redundanz. Durch verschiedenartige Komprimierverfahren kann die entsprechende Information auf wesentlich weniger Speicherplatz untergebracht werden. Siehe dazu auch Entropiekodierung. Je nach Art der Information ist dabei auch eine verlustbehaftete Kompression möglich, die zusätzlich den Speicherbedarf verringert. Der Informationsverlust wird dabei als (relativ) unwesentlich betrachtet - das ist vor allem bei Bild- und Tondaten möglich.

Schreibweise

Das Wort Bit wird großgeschrieben, wenn sich um die Bezeichnung physikalischer Bits handelt. Zum Beispiel: Der Datenbus besitzt eine Breite von 16 Bit. Die Angabe von Datenraten (bit pro Sekunde) wird kleingeschrieben. Zum Beispiel: Ethernet 10BaseT mit einer Datenrate von 10 Mbit/s.

Potenzschreibweisen

Je nach Verwendungsgebiet erfolgt die Angabe der Bitmenge in unterschiedlichen Potenzschreibweisen. Dies kann insbesondere dann zu Verwechslungen führen, wenn die verwendete Basis nicht mehr angegeben, sondern nur pauschal von Kilobit, Megabit usw. gesprochen wird. Bei gespeicherten Datenmengen werden in der Regel Zweierpotenzen verwendet, so dass 1 Kbit = 2¹⁰ bit = 1024 bit sind. Man beachte, dass der Vorsatz K großgeschrieben wird und auch nicht als Kilo ausgesprochen wird, sondern nur als Ka. Bei übertragenen Datenmengen pro Zeiteinheit werden hingegen Zehnerpotenzen zugrundegelegt, so dass 1 kbit/s = 10³ bit/s = 1000 bit/s (1 Kilobit/Sekunde) sind. Analoge Unterschiede ergeben sich für Mbit und Mbit/s, Gbit und Gbit/s usw. Ist die gemeinte Potenz bei Verwendung von Begriffen wie Kilobit, Megabit usw. nicht eindeutig aus dem Zusammenhang ersichtlich, so sollte man sie explizit angeben.

Qubits in der Quanteninformationstheorie

Das Bit muss unterschieden werden vom Qubit (Quantenbit), das in der Quanteninformationstheorie verwendet wird. Kategorie:Theoretische Informatik Kategorie:Hardware Kategorie:Compilerbau Kategorie:Informationseinheit ja:ビット ko:비트 simple:Bit th:บิต

Nichtlinearität

Nichtlineare Systeme reagieren auf Störungen, im Gegensatz zu linearen Systemen, nicht proportional. Die meisten in der Natur vorkommenden Systeme sind nichtlinear. Anderes als der spezielle Name vermuten lässt, sollte man eher lineare Phänomene als Spezialfall herausstellen: :[In der Physik die nichtlinearen Systeme herauszustellen ist so,] als wollte man den größten Teil der Zoologie als das Studium aller "Nicht-Elefanten" auffassen. (Stanislaw Marcin Ulam) Ein oft benutztes Beispiel ist das Wetter. Eine kleine Störung kann durchaus entscheiden, ob es regnet oder ob die Sonne scheint (Schmetterlingseffekt).

Quelle der Nichtlinearität

In nichtlinearen System herrschen nichtlineare Eingabe-Ausgabe-Beziehungen, wobei die Ausgabe in nicht-linearer Weise von der Eingabe abhängt. Häufige Quellen von Nichtlinearität sind
- Potenzierung des Eingangssignals
- Einführung einer Unstetigkeit
- Rekursive Definition der Beziehung, genauer: das Ausgangssignal beeinflusst das Eingangssignal (Rückkoppelung) multiplikativ. Ein nichtlineares System kann nach Definition nicht durch ein lineares Gleichungssystem modelliert werden; lediglich lokale Verhaltensweisen mit infinitesimalen Veränderungen des Inputs sind auf diese Art untersuchbar. Siehe auch Jacobi-Matrix. Das Superpositionsprinzip gilt für nichtlineare Systeme nicht. Bild:lin-vs-nonlin.png Veranschaulichung einer linearen (linkes -) gegenüber einer nichtlinearen (rechtes Diagramm) Eingangs-Ausgangs-Beziehung. Die gestrichelte Diagonale veranschaulicht die lineare bzw. nichtlineare Transformation, die schwarze Kurve ist das Eingangs-, die blaue das Ausgangssignal. Im nichtlinearen Fall ist das Ausgangssignal durch die Einführung von Unstetigkeiten (Knick!) nichtaffin verzerrt.

Siehe auch

Synergetik, Wettervorhersage, Chaostheorie, nichtlineare Optik Kategorie:Dynamik

Potentiometer

Ein Potentiometer (alte Schreibweise: Potenziometer), auch kurz als Poti bezeichnet, ist ein stetig regelbarer Spannungsteiler. Es besteht aus einem Träger, auf dem ein Widerstandsmaterial aufgebracht ist und einem beweglichen Schleifkontakt, der den Gesamtwiderstand elektrisch in zwei Teilwiderstände teilt. Potentiometer werden häufig zur Steuerung von elektrischen Geräten eingesetzt wie beispielsweise für die Lautstärkeeinstellung eines Radios. Da sie durch den Abrieb am Schleifkontakt nicht verschleißfrei arbeiten und wegen der fortschreitenden Digitalisierung vieler elektronischer Funktionen werden sie zunehmend durch digitale Bedienelemente ersetzt.

Bauformen

Schleifkontakt Drahtpotentiometer haben eine Wicklung aus Widerstandsdraht; bei Schichtpotentiometern besteht das Widerstandsmaterial aus einer Kohle- oder Metallschicht oder einem leitendem Kunststoff. Der Träger kann linear-, kreissegment- oder spiralförmig sein. Es gibt Potentiometer mit linearer Widerstandskennlinie und mit logarithmischer Charakteristik. Potentiometer gibt es als Bedienelement mit einer Welle und einem aufgesetztem Drehknopf oder als Schiebepotentiometer. Trimmpotentiometer sind nur für den Abgleich einer Schaltung gedacht und haben meist nur einen Schraubendreherschlitz. Mehrfachpotentiometer, meist in Tandemanordnung, werden beispielsweise zur Lautstärkeeinstellung der beiden Kanäle eines Stereoverstärkers eingesetzt. Im industriellen Bereich und in der Messtechnik finden auch mehrgängige Präzisionspotentiometer, sogenannte Spindelpotentiometer, Einsatz. Kategorie:Passives Bauelement

Intervallschachtelung

Das Intervallschachtelungsprinzip wird besonders in der Analysis in Beweisen benutzt und bildet in der Numerischen Mathematik die Grundlage für einige Lösungsverfahren. Das Prinzip ist einfach: Man fängt mit einem Intervall an und "nimmt" sich aus diesem Intervall ein Intervall, das komplett in dem vorherigen Intervall drin liegt, und "nimmt" sich dort wieder ein Intervall raus und so weiter. Die Intervalle sind ineinander verschachtelt. Durch die unendliche Hintereinanderausführung zieht sich das Intervall immer mehr zusammen bis es nur noch ein einziger Punkt ist. Dieses Verfahren, auch Intervallhalbierungsverfahren genannt, ist ein sehr aufwendiges Verfahren um Nullstellen zu finden. Es ist jedoch ein recht einfaches Verfahren und deshalb für Anfänger sehr empfehlenswert.

Satz

Seien

(a_n), (b_n) \subset \mathbb

reelle Zahlenfolgen,

(a_n)

monoton wachsend und

(b_n)

monoton fallend Wenn gilt:

a_n < b_n \forall n \in \mathbb

und

\lim_(a_n - b_n) = 0

Das heißt, dass jedes Element

a_n

kleiner ist als das Element

b_n

für jedes

n

der natürlichen Zahlen und dass beide Folgen gegen den gleichen Grenzwert

g

konvergieren. :Es gilt also: :

[a_, b_] \subset [a_n, b_n]

. Dann gilt:

\bigcap_ [a_n, b_n] = \

also dass der Durchschnitt aller Intervalle

[a_n, b_n]

die Menge mit dem einzigen Element

g

ist. Wichtig ist, das man beim Berechnen eines Wertes immer das Intervall vor Augen hat, was ein negatives und ein positives Ergebnis hervorgibt. Denn zwischen einem negativen Wert und einem positiven Wert ist logischerweise die Null.

Beispiele

- Der Zwischenwertsatz von Bolzano läßt sich mit dem Intervallschachtelungsprinzip beweisen, aus ihm leitet sich der Fixpunktsatz von Brouwer ab.
- Der Beweis, dass rationale Zahlenfolgen reelle Grenzwerte haben können, wird ebenfalls mit dem Intervallschachtelungsprinzip erbracht.
- Die Bisektion ist ein numerisches Verfahren, das auf der Intervallschachtelung basiert. Kategorie:Analysis Kategorie:Folgen und Reihen

Digital-Analog-Umsetzer

Ein Digital-Analog-Umsetzer (DAU) – auch Digital-Analog-Wandler genannt – wandelt digitale Werte in analoge Signale um. Man unterscheidet drei mögliche Methoden.

Direkte Methode (Parallel-Verfahren)

Zählmethode (Pulsweitenmodulation)

Iterationsmethode (Wäge-Verfahren)

Wandlungsfehler

U_(n)< U_(n-1)

gilt. Siehe auch: Analog-digital-Umsetzer Kategorie:Digitaltechnik ja:デジタル-アナログ変換回路

Komparator

Ein Komparator ist eine Schaltung die zwei Spannungen vergleicht. Am Ausgang steht ein Signal zur Verfügung welches anzeigt welche Spannung höher ist. Realisiert wird ein Komparator häufig durch einen Operationsverstärker, welcher ohne Gegenkopplung betrieben wird. Er vergleicht zwei Eingangssignale und gibt das Vergleichsergebnis am Ausgang aus: Wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang höher ist als die Spannung am invertierenden Eingang, so nähert sich die Ausgangsspannung der positiven Versorgungsspannung. Bei umgekehrten Verhältnissen geht die Ausgangsspannung gegen die negative Versorgungsspannung. Ist eine Hysterese erwünscht, wird eine Mitkopplung, das heißt negative Gegenkopplung, eingesetzt. Diese bewirkt eine vom Ausgang, das heißt vom vorherigen Zustand abhängige Vergleichsspannung. Kategorie:Elektronik

MSB

MSB ist eine Abkürzung für:
- Marxistischer Studentenbund Spartakus
- Metallsystembau
- Mittelschwabenbahn
- Most Significant Bit
- Militärischer Sicherheitsbereich
- Münchner Schüler Büro Kategorie:Abkürzung

Digital-Analog-Umsetzer

Ein Digital-Analog-Umsetzer (DAU) – auch Digital-Analog-Wandler genannt – wandelt digitale Werte in analoge Signale um. Man unterscheidet drei mögliche Methoden.

Direkte Methode (Parallel-Verfahren)

Zählmethode (Pulsweitenmodulation)

Iterationsmethode (Wäge-Verfahren)

Wandlungsfehler

U_(n)< U_(n-1)

gilt. Siehe auch: Analog-digital-Umsetzer Kategorie:Digitaltechnik ja:デジタル-アナログ変換回路

Abtast-Halte-Schaltung

Eine Abtast-Halte-Schaltung (englisch: Sample and Hold) wird vor einem Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt. Ihre Aufgabe ist es, eine sich kontinuierlich ändernde Spannung abzutasten und den Spannungswert für einen kurzen Moment zu halten. Das ist notwendig, weil die Analog-Digital-Wandlung eine kurze Zeit dauert, in welcher sich der Spannungswert nicht ändern darf. Die Schaltung besteht meist aus einem Kondensator in Kombination mit einem elektronischen Schalter. Zur Entkopplung von der restlichen Schaltung werden davor und dahinter Pufferverstärker geschaltet. Ohne den Einsatz der Abtast-Halte-Schaltung ist die zulässige Änderungsrate der Eingangsspannung eines Analog-Digital-Wandlers, die noch eine korrekte Konversion erlaubt, stark eingeschränkt. Wichtige Kenngrößen sind: Einstellzeit bzw. maximale Anstiegsgeschwindigkeit, Haltedrift. Kategorie:Elektronik

Pipeline-Architektur

Die Pipeline-Architektur (oft auch kurz Pipelining genannt) beschreibt die Fähigkeit von Mikroprozessoren, die Abarbeitung von Maschinenbefehlen so zu parallelisieren, dass möglichst alle Funktionselemente des Mikroprozessors voll ausgelastet werden. Der Zweck jedes Pipelinings ist es, komplexe Befehle in einfachere Einzelaktionen zu zerlegen, die dann parallelisiert werden können. Die Teiloperationen werden taktsynchron von hintereinander geschalteten Verarbeitungseinheiten bearbeitet. Die einzelnen Einheiten einer Pipeline nennt man Pipeline-Stufen, Pipeline-Stages oder auch Pipeline-Segmente. Diese Stufen werden durch getaktete Pipeline-Register (auf Englisch latches) getrennt.

Taktung

Je einfacher eine einzelne Stufe aufgebaut ist, desto höher ist die Frequenz mit der sie betrieben werden kann. In einer modernen CPU mit einem Kerntakt im Gigahertz Bereich (~ Milliarden Instruktionen pro Sekunde) kann die Befehlspipeline über 20 Stufen lang sein. Der Kerntakt ist die Zeit, die ein Befehl braucht, um eine Stufe der Pipeline durchzuwandern. In einer k-stufigen Pipeline wird ein Befehl also in k Takten von k Stufen bearbeitet. Da in jedem Takt ein neuer Befehl geladen wird, verläßt im Idealfall auch ein Befehl pro Takt die Pipeline.

Konflikte

Ist es für die Bearbeitung eines Befehls in einer Stufe der Pipeline notwendig, dass ein Befehl, der sich weiter vorne in der Pipeline befindet, zuerst abgearbeitet wird, so spricht man von Abhängigkeiten. Diese können zu Konflikten (engl. Hazards) führen. Man unterscheidet zwischen:
- Betriebsmittelkonflikten, wenn eine Stufe der Pipeline Zugriff auf eine Ressource benötigt, die bereits von einer anderen Stufe belegt ist;
- Datenkonflikten, falls ein Befehl Daten lesen/schreiben will, die zuvor von einem anderen Befehl gelesen/geschrieben werden müssen;
- Kontrollflusskonflikten, wenn die Pipeline abwarten muss, ob ein bedingter Sprung ausgeführt wird oder nicht.

Pipelining und Sprungvorhersagen

Architekturen mit besonders langer Pipeline, wie etwa der Intel Pentium 4 oder der IBM Power5, besitzen deshalb sehr ausgeklügelte Techniken zur Sprungvorhersage (engl. Branch-Prediction), so dass die CPU nur in weniger als einem Prozent der stattfindenden Sprünge den Inhalt der Befehlspipeline verwerfen muss.

Vorteile und Nachteile

Der Vorteil langer Pipelines besteht in der starken Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit. Der Nachteil besteht gerade darin, dass sich sehr viele Befehle gleichzeitig in Bearbeitung befinden. Im Falle eines Pipeline-Flushs müssen alle Befehle in der Pipeline verworfen werden und die Pipeline anschließend neu gefüllt werden. Dies bedarf des Nachladens von Befehlen aus dem Speicher oder dem Befehlscaches der CPU, so dass sich hohe Latenzzeiten ergeben, in denen der Prozessor untätig ist.

Beispiel

In modernen Systemen kommen verschiedene Pipelines zum Einsatz.
- Die Befehlspipeline im Steuerwerk der CPU
- Die Arithmetikpipeline in der Fließkommaeinheit Beispiel einer 4-Stufige Befehlspipeline: (A) Befehlscode laden (IF - instruction Fetch) (B) Instruktion dekodieren und Laden der Daten (ID - Instruction Decoding) (C) Befehl ausführen (EX - Execution) (D) Ergebnisse zurückgeben (WB - Write Back) Fließkommaeinheit
- In der Befehlbereitsstellungsphase (Instruction Fetch) wird der Befehl, der durch den Befehlszähler adressiert ist, aus dem Arbeitsspeicher geladen. Der Befehlszähler wird anschließend hochgezählt.
- In der Dekodier- und Ladephase (ID - Instruction Decoding und OF - Operand Fetch) wird der geladene Befehl dekodiert (1. Takthälfte) und die notwendigen Daten aus dem Arbeitsspeicher und dem Registersatz geladen (2. Takthälfte).
- In der Ausführungsphase (EX - Execution) wird der dekodierte Befehl ausgeführt. Das Ergebnis wird durch den Pipeline-latch gepuffert.
- In der Resultatspeicherphase (WB - Write Back) wird das Ergebnis in den Arbeitsspeicher oder in den Registersatz zurückgeschrieben.

Siehe auch

- Superpipeline-Architektur
- DLX-Pipeline
- Multithreading (hardwareseitig)
- Hyper-Threading

Weblinks

- Artikel über Pipelining bei arstechnica.com (englisch) [http://arstechnica.com/articles/paedia/cpu/pipelining-1.ars (teil 1)] [http://arstechnica.com/articles/paedia/cpu/pipelining-2.ars (teil 2)]
- Ausarbeitung zu den grundlegendsten Themen der Rechnerarchitektur [http://www.kreissl.info/diggs/ra_inhalt.php (Überblick)] [http://www.kreissl.info/diggs/ra_06.php (Kapitel 6 - Pipelining)] Kategorie:Rechnerarchitektur

Read-Only-Memory

ROM (Read-Only-Memory, wörtlich: Nur-Lese-Speicher), gelegentlich auch als Festwertspeicher bezeichnet, ist ein Speicher, der nur lesbar 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-/Lesespeicher (Random Access Memory) vergleichbar. Zu unterscheiden ist zwischen Bausteinen mit reversibler und irreversibler Programmierung. Ursprünglich wurden ROMs schon bei der Fertigung „fest verdrahtet“. Da diese Verdrahtung mit einer „Maske“ (einer Art Filmnegativ) auf den rohen Chip direkt aufbelichtet wurde, spricht man hierbei von einem maskenprogrammierten ROM. Da sich dieses Verfahren allerdings nur in Großfertigung rechnete, 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 der verschiedenen Arten von ROM:
- PROM - Programmable ROM, einmalig programmierbar
- EPROM - Erasable PROM, d.h. löschbar mit UV-Licht
- EEPROM - Electrically Erasable PROM
- Flash-ROM

Verweise und Web-Links

- siehe auch WORM
- [http://www.itse-guide.de/artikel/29 Weiterführende Informationen zum Thema ROM] Kategorie:Speicherbaustein ja:Read Only Memory ko:롬 simple:Read-only memory

Kalibrierung

Das Kalibrieren (die Kalibration) ist in der Metrologie ein Messprozess zur Feststellung und Dokumentation der Abweichung eines Messgerätes oder einer Maßverkörperung mit einem Normal höherer Ordnung. Zu einer Kalibrierung gehört
- die Definition des Messprozesses (Umgebungsbedingungen, erforderliche Normale, Vorgehensweise)
- Erstellung eines mathematischen Modelles zur Auswertung der Kalibrierung unter Berücksichtingung aller bekannten systematischen Einflüsse
- eine Unsicherheitsanalyse mit Hilfe des mathematischen Modelles
- Angabe eines vollständigen Ergebnisses, d.h. Kalibrierwert und Kalibrierunsicherheit.
- Ausstellung eines Kalibrierscheines Der Kalibrierwert für den Kalibriergegenstand wird zur Messwertkorrektur verwendet. In Verbindung mit einer Normalhistorie lassen sich Aussagen über die Zuverlässigkeit des Kalibriergegenstandes treffen. Im Gegensatz zur Justierung wird die Abweichung zwischen Kalibriergegenstand und Referenznormal nicht beseitigt. Der Begriff Kalibrierung umfasst keine Aussagen zur Einhaltung vorgegebener Spezifikationen (Messtoleranzen), dies ist Gegenstand einer Prüfung. Ein bekanntes Beispiel ist das Kalibrieren einer Waage durch Auflegen einer Normalmasse. Unter Berücksichtigung systematischer Einflüsse (Messabweichung der Normalmasse, Luftdruck, Temperatur, Auftrieb) und zufälliger Einflüsse wird die Anzeige des Kalibriergegenstandes Waage mit der Maßverkörperung Normalmasse verglichen. Um eine Aussage über den Einfluss zufälliger Einflüsse treffen zu können, wird die Messung hinreichend häufig durchgeführt und statistisch bewertet.

Siehe auch

- Eichung, Prüfung, Justierung, Metrologie, Deutscher Kalibrierdienst (DKD)
- Fehlerrechnung, Kaliber (Begriffsklärung), Absolutmessung Kalibrierung bei Farbmanagement Kategorie:Messtechnik

Integrator

Integrator von lat. integrare (heil, unversehrt machen, ergänzen) oder integratio (Wiederherstellung eines Ganzen) bezeichnet verschiedene Dinge:
- In der Logistik ein Unternehmen, welches verschiedene Stufen der Wertschöpfungskette zusammenführt. Vielfach sind Speditionsunternehmen gemeint.
- In der Regelungstechnik ein Baustein, welcher eine mathematische Integration durchführt. I-Teil eines PID-Reglers.
- In der Numerischen Mathematik ein Computerprogram oder Algorithmus zur Lösung von Differentialgleichungen. Siehe auch: Numerische Integration

Kondensator (Elektrotechnik)

Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauelement zur Speicherung von Energie in einem elektrischen Feld. Er besteht im Prinzip aus zwei einander gegenüberstehenden Metallplatten mit einem dazwischenliegenden Luftspalt. Werden die Platten mit jeweils einem Pol einer Stromquelle verbunden, so fließt solange ein elektrischer Strom, bis die Kapazitätsgrenze erreicht ist; dabei wird eine Platte positiv, die andere negativ geladen. Die Ladung eines Kondensators bleibt erhalten, wenn er von der Stromquelle getrennt wird. In der praktischen Ausführung wird das Prinzip der gegenüberliegenden Platten in vielfacher Abwandlung, z. B. als aufgewickelte Folien mit zwischenliegenden Isolatormaterialien ("Dielektrikum") ausgeführt, um eine möglichst kleine Bauweise zu erreichen. Die "Kapazität" eines Kondensators ist sein wesentlichstes Merkmal und stellt ein Maß dar für die Ladung, die er bei einer bestimmten angelegten Spannung speichern kann. Kondensatoren werden in elektrischen Schaltungen für vielfältige Zwecke verwendet. Neben dem Kondensator als "diskretes Bauelement" haben zahlreiche andere Gegenstände oder Einrichtungen unserer Umwelt Kondensator-Eigenschaften. So sind z. B. Unterseekabel mit ihren zwei (oder mehr) metallischen Leitern zwar keine Kondensatoren, wirken aber wegen ihrer gewaltigen Ausdehnung wie solche. Beim damaligen Gleichstrombetrieb musste sich bei jedem Impuls zunächst die durch die Länge aufsummierte Oberfläche der Kabelleiter aufladen, bevor am anderen Ende das Signal erscheinen konnte. Die Geschwindigkeit des Telegrafierens wurde dadurch wesentlich vermindert. Michael Faraday machte darauf aufmerksam, dass zwischen einem gewöhnlichen Leiter und einer Leidener Flasche (dem erstmals ausgeführten Kondensator) kein prinzipieller Unterschied besteht. Wird ein Leiter frei in der Luft gehalten und z. B. positiv geladen, so werden an den umgehenden Leitern, etwa den Wänden eines Zimmers, durch Influenz die negativen Ladungen angezogen, die positiven in die Erde abgeleitet. Die Zimmerwände bilden dann gewissermaßen die äußere Belegung der Flasche, die zwischenliegende Luft die isolierende Schicht. Diese Kondensator-Eigenschaft wird jedesmal sichtbar, wenn jemand beispielsweise beim Berühren einer Türklinke einen elektrischen Schlag erhält.

Geschichtliche Anfänge

Die Leidener Flasche und ähnliche Laborgeräte wurden in der Folge vornehmlich zur publikumswirksamen Demonstration von Stromschlägen (auch als "Kleist'scher Stoß" bekannt geworden) eingesetzt, bei später zunehmenden Kenntnissen über das Wesen der Elektrizität auch als Stromquelle für fortgeschrittenere Laborexperimente. Da sie eine besonders hohe Spannungsfestigkeit haben, werden Leidener Flsachen heute noch für Hochspannungs-Experimente eingesetzt.

Anwendungen

Hochspannung
- Eine häufige Anwendung von Kondensatoren ist die Zeitverzögerung oder Zeitschaltung. Im einfachsten und anschaulichsten Fall liefert hier ein geladener Kondensator nach dem Abschalten der Energiezufuhr noch eine Zeitlang elektrischen Strom, so dass die endgültige Beendigung der Schaltungsfunktion hinausgeschoben oder kurzzeitige Spannungsausfälle überbrückt werden.
- Ein weiterer Bereich ist die Gleichrichtung von Wechselstrom, hier wird der Kondensator eingesetzt um den zunächst „welligen“ Spannungsverlauf des Gleichstroms zu „glätten“. Der Kondensator fängt bildhaft ausgedrückt Spannungsüberschüsse auf und gibt sie in den „Senken“ des Spannungsverlaufs wieder ab.
- Durch ihr „träges“ Lade- und Entlade-Verhalten erzeugen Kondensatoren bei Anschluss an Wechselstrom eine Phasenverschiebung zwischen den periodischen Verläufen von Spannung und Strom. Damit lässt sich zusammen mit anderen Bauteilen ein magnetisches Drehfeld erzeugen. Dies wird verwendet, um einfache Kondensatormotoren bzw. zweiphasigen Asynchronmotoren zu bauen.
- Die Erscheinung der „Phasenverschiebung“ kommt auch bei dem „funktionalen Gegenpol“ der Kondensator-Kapazität, der Induktivität vor, jedoch ist hier die Phasenverschiebung genau entgegengesetzt. Bei der Anwendung zahlreicher Motoren mit großer Induktivität in Anlagen der Industrie führt dies zu erheblich größeren Strömen im Versorgungsnetz. Diese Erscheinung kann durch die Zuschaltung von Kondensatoren mit gleich großem Wechselstromwiderstand ausgeglichen werden. Diese Maßnahme wird als Blindstromkompensation bezeichnet.
- Die Frequenzabhängigkeit des Kondensator-Widerstandes wird benutzt, um Signale „filternd“ durchzulassen (Koppelkondensator). Zusammen mit einer Spule (Induktivität) wird dies auch für Schwingkreise bzw. Bandfilter verwendet, die eine bestimmte Resonanzfrequenz haben.
- Bei einer Änderung des Abstandes der „Platten“ des Kondensators ändert sich auch die Kapazität und damit auch der elektrische Wechselstromwiderstand. Daher können Kondensatoren auch für die Messung von Druck, Abstand und Dicke sowie auch in Mikrofonen (Kondensatormikrofon) eingesetzt werden.
- Kondensatoren können schädliche Überspannungsspitzen in elektronischen Schaltungen aufnehmen und ihre schädliche Wirkung vermindern.

Kapazität und Ladung

Kondensatormikrofon Die elektrische Ladung Q eines Kondensators ist umso größer, je größer die Kapazität C und je größer die Spannung U ist: :::

Q = C \cdot U

Die Ladung wird in Amperesekunden (As) bzw. Coulomb (C) gemessen, 1 As = 1 C. Die Kapazität wird in in Farad (F) angegeben. Ein Kondensator hat die Kapazität von 1 Farad, wenn er von der Ladung 1 Amperesekunde um 1 Volt aufgeladen wird. Die Maßeinheit Farad ist jedoch für die Praxis zu groß, es werden meist Bruchteile davon bzw. Mikrofarad (µF = 10^-6F), Nanofarad (nF = 10^-9F), Picofarad (pF = 10^-12F) verwendet. Die Kapazität C ist durch den Aufbau des Kondensators bestimmt. Sie ist umso größer, je größer die Plattenfläche A und je kleiner der Plattenabstand d ist. Zusätzlich beeinflusst das Isolationsmaterial zwischen den Platten die Kapazität, dies wird mit der Dielektrizitätskonstante

\varepsilon_0

für das Vakuum und mit der materialspezifischen Dielektrizitätszahl

\varepsilon_r

erfasst: ::

C=\varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot

Die Dielektrizitätskonstante für das Vakuum ist praktisch identisch mit der Dielektrizitätszahl für Luft und bemisst sich zu ::

\varepsilon_0 := 8854 187 ... \cdot 10^ ^

Eine praxisgerechte Zahlenwertgleichung hierfür ist ::

\varepsilon_0 := 00885 \cdot

bei Verwendung vom cm² für die Fläche A und cm für den Abstand d. Die Dielektrizitätszahl gibt an, um welchen Faktor die Kapazität größer ist, als bei einem im Vakuum betriebenen Kondensator.

Parallelschaltung

Die Kapazitätswerte in einer elektrischen Schaltung können durch die Zusammenschaltung mehrerer Kondensatoren verändert werden. Die Parallelschaltung wird häufig angewendet, um die Gesamtkapazität zu steigern. Für die Gesamtkapazität gilt: ::

C_ = C_1  + C_2 + \cdots + C_n \,\!

Wenn man Kondensatoren parallelschaltet, liegt an allen die gleiche Spannung bzw. Potentialdifferenz an. ::

C_ = \frac = \frac + \frac + \cdots + \frac  \,\!

Zur Veranschaulichung betrachte man eine Parallelschaltung aus zwei Kondensatoren, die sich nur in ihrer Plattengröße unterscheiden. 500px Durch die Verbindung entsteht ein Kondensator mit der Plattengröße A₁+A₂. Seine Kapazität ist also: ::

C=\varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot  = \varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot  + \varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot =C_1 + C_2

Reihenschaltung (Serienschaltung)

Bei der Reihenschaltung werden zwei oder mehr Kondensatoren hintereinandergeschaltet. Diese Maßnahme wird angewendet, um eine hohe Spannung auf mehrere Kondensatoren mit geringerer Spannungsfestigkeit zu verteilen, wenn kein Einzel-Bauteil für diese Spannung verfügbar ist. Die Gesamtkapazität verringert sich dabei jedoch, es gilt: ::

\frac = \frac + \frac + \cdots +  \frac

Wenn man Kondensatoren in Reihe schaltet, fließt durch alle der gleiche Strom. Der Betrag der Ladungen aller Platten ist gleich groß. Die Summe der Spannungen über den Kondensatoren entspricht der Gesamtspannung. ::

\frac = \frac + \frac + \cdots +  \frac = \frac

Zur Veranschaulichung kann man eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren betrachten, die sich nur im Plattenabstand unterscheiden. Die Verbindung ergibt einen Kondensator mit dem Plattenabstand d₁ + d₂. 500px Die Kapazität ist dann ::

C=\varepsilon_0  \cdot \varepsilon_r \cdot

also ::

= =+ =  +

Kondensator bei Gleichstrom

Ladevorgang

500px In einen Kondensator fließt bei angelegter Spannung solange Strom, bis die Platten elektrisch aufgeladen sind und keine weitere Ladung annehmen. Dies tritt ein, wenn die Kondensatorspannung U(t) genauso groß wie die angelegte Spannung U_q ist. Die eine Platte ist dann elektrisch positiv, die andere negativ geladen. Auf der negativ geladenen Seite herrscht ein Elektronenüberschuss. Die Ladezeit des Kondensators ist proportional zur Größe des Vorwiderstandes R₁ und proportional zu seiner Kapazität C. Das Produkt von Vorwiderstand und Kapazität nennt man die Zeitkonstante $\tau$ . ::

\tau = R_1 \cdot C

Theoretisch dauert es unendlich lange, bis U(t)=U_q ist. Für praktische Zwecke kann man die Ladezeit t_L betrachten, nach der der Kondensator näherungsweise als vollständig geladen angesehen werden kann. ::

t_ = 5 \cdot \tau

Zeitkonstante Die Zeitkonstante τ markiert zugleich den Zeitpunkt, an dem die am Beginn der Kurve angelegte Tangente den Endwert erreicht. Nach dieser Zeit wäre der Kondensator auf den Endwert geladen, wenn man ihn mit dem konstanten Strom I_max laden könnte. Tatsächlich nimmt die Stromstärke jedoch mit der Zeit ab). Im Einschaltmoment stellt der Kondensator einen Kurzschluss dar, deshalb muss ein Kondensator immer über einen Vorwiderstand aufgeladen werden, der den Strom auf den vorgegebenen oder zulässigen Wert begrenzt. Für die Größe dieses Widerstandes R1 gilt nach dem ohmschen Gesetz, wobei Uq die angelegte Spannung der Stromquelle und I_max die Anfangsstromstärke ist: :: $R_1 =$ Der Verlauf der Ladespannung U(t) bzw. deren jeweilige zeitliche Größe wird mit der folgenden Gleichung beschrieben, wobei e die Eulersche Zahl und t die Zeit nach Beginn der Ladung ist: :: $U(t) = U_q \cdot (1 - e^)$ , wobei vorausgesetzt wird, dass der Kondensator zu Beginn ungeladen war: U(0)=0 V). Der Verlauf der Stromstärke I(t) bzw. deren jeweilige zeitliche Größe wird mit der folgenden Gleichung beschrieben: :: $I(t) = I_ \cdot e^$
Entladevorgang
Verbindet man die Platten eines geladenen Kondensators über einen Draht oder einen elektrischen Verbraucher (Lampe, Widerstand), so gleichen sich die Ladungen der Platten aus. Es fließt solange Strom, bis beide Platten wieder elektrisch neutral sind. Schaltet man im anfänglichen Bild den Schalter nach Stellung (2) um, nachdem der Kondensator auf den Wert U_max geladen ist, so entlädt er sich über den Widerstand R₂. Hier ist sowohl die Spannung als auch die Stromstärke zu Beginn am größten: :: (t=0) $I_ =$ und beträgt zu einem beliebigen Zeitpunkt danach $I(t) =$ Widerstand Die Spannung nimmt im Verlaufe der Entladung mit der Zeit ab gemäß :: $U(t) = U_ \cdot e^$ Der Strom, der mit der Spannung U(t) über den Entladewiderstand R₂ verknüpft ist, zeigt den entsprechenden Verlauf :: $I(t) = I_ \cdot e^$
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: :: $W =$ Um den Kondensator zu laden, muss man elektrische Ladung von der einen Platte zur anderen transportieren. 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 muss also ausgeübt werden, um die Ladung von einer Platte zur anderen zu bringen. Während des Ladens wird daher (immer mehr) Arbeit an den bewegten elektrischen Ladungen verrichtet. Am Schluss ist die während des Aufladens verrichtete Gesamtarbeit als Feldenergie gespeichert.
Kondensator bei Wechselstrom

Phasenverschiebung
elektrischen Feld Beim Anschluss an Wechselspannung (Spannung mit periodisch wechselnder Polung) werden die Platten eines Kondensators ständig von positiv nach negativ und umgekehrt umgeladen. Dem Kondensator wird der Takt einer hinreichend starken Wechselspannungsquelle nach wenigen Perioden aufgezwungen, es fließt ständig Strom in wechselnder Richtung. Dabei fließt der Strom jedoch zeitlich versetzt zur Spannung („Phasenverschiebung“): Es muss zunächst Strom fließen, ehe am Kondensator eine Spannung aufgebaut wird, der Strom ist daher der Spannung in der Phasenlage um 90° voraus. Als Eselsbrücke für rechnerische Zwecke lässt sich merken "Kondensator: Strom eilt vor". Die effektive Stromstärke I_eff ist proportional zur Frequenz f der angelegten Spannung und zur Kapazität C des Kondensators: :: $I_\mathit\ \;\sim\ f$ :: $I_\mathit\ \;\sim\ C$
Kapazitiver Widerstand
Durch das gleichzeitige Vorhandensein von Strom und Spannung kann dem Kondensator ein elektrischer Widerstand X zugemessen werden, der jedoch im Gegensatz zu einem Ohmschen Widerstand keine Leistung in Wärme umsetzt („Verlustleistung“). Man nennt ihn einen „Blindwiderstand“. Wenn f die Frequenz der Wechselspannung und C die Kapazität ist, gilt für den Blindwiderstand: :: $X = \frac = \frac$ :: Wobei $\omega = 2\cdot\pi\cdot f$ Kreisfrequenz oder Winkelgeschwindigkeit heißt. KreisfrequenzDie Formel zeigt, dass der elektrische Widerstand des Kondensators mit zunehmender Frequenz abnimmt bis zum praktischen Kurzschluss bei Hochfrequenz und andererseits bei der Frequenz f= 0 also bei Gleichstrom unendlich groß wird und praktisch wie eine Leitungsunterbrechung wirkt. Allerdings wird der zeitlich verzögerte Ablauf bei einer Spannungsänderung unter Gleichstrom für Steuerungszwecke genutzt. Die oben ausgeführte Betrachtung geht der Anschaulichkeit halber von einem „idealen“ Kondensator aus, der nur aus den plan gegenüberliegenden Platten besteht. In der Hochfrequenztechnik kommt mit den Zuleitungen und eventuell den langen, aufgewickelten Folienbändern eines Kondensators sowohl ein ohmscher Widerstand als auch ein begleitender induktiver Widerstand hinzu, die in der Zusammenfassung zum Scheinwiderstand "Z" berücksichtigt werden müssen; ähnliches gilt für Verluste im Dielektrikum. Bei welcher Frequenz diese Anteile signifikant werden, hängt von der Bauform des Kondensators und den Eigenschaften des Dielektrikums ab. Bei niedrigeren Frequenzen sind diese Begleiterscheinungen von so geringem Ausmaß, dass sie nicht beachtet werden.
Bauformen
Die vielen unterschiedlichen Bauformen entstehen vor allem aus dem Bestreben, möglichst viel Kapazität auf möglichst kleinem Raum unterzubringen und dabei besonderen Anwendungsumständen Rechnung zu tragen.
Kondensatoren mit fester Kapazität
Kondensatoren mit fester Kapazität haben einen unveränderlichen Kapazitätswert, sie werden eingesetzt, wenn keine Regelung und keine Feinanpassung der Schaltung erforderlich ist. Es gibt sie je nach den technischen Anforderungen (Größe, Spannungsfestigkeit etc.) sowie nach wirtschaftlichen Anforderungen (Preis) in zahlreichen verschiedenen Ausführungen, die nach der Art des Dielektrikums, der Elektroden oder der geometrischen Form unterschieden werden.
- Der Metallpapierkondensator ist die billigste Ausführung der Kondensatoren. Er besteht aus je zwei Lagen ölgetränktem Papier (Isolierpapier) und Metallfolie, die aufgewickelt sind.
- Kunststofffolien-Kondensatoren bestehen aus je zwei Lagen Metallfolie und Kunststofffolie. Diese sind abwechselnd geschichtet und üblicherweise aufgerollt. Entweder werden sie so gewickelt, dass auf jeder Seite des Wickels eine der Metallfolien übersteht, der dann großflächig mit dem Anschluss kontaktiert wird, oder die beiden Anschlüsse werden beim Wickeln eingelegt.
- Ein Metallisierter Kunststoffkondensator besteht aus zwei Kunststofffolien, die auf beiden Seiten mit Aluminium bedampft sind und aufgewickelt werden. Diese Bauform gibt es auch als Schichtkondensatoren - die Lagen werden zu einem großen Block geschichtet, aus dem die einzelnen Kondensatoren herausgesägt werden. Schichtkondensatoren sind induktionsarm. Alternativ können diese Kondensatoren auch aus zwei Lagen Folie aufgebaut sein, die nur auf einer Seite metallisiert sind. Diese Kondensatorart ist bei einem Durchschlag selbstheilend, da die dünne Metallschicht vom Lichtbogen um den Durchschlagkanal herum verdampft wird.
- Bei einem Elektrolytkondensator' (auch „Elko“) ist die eine Elektrode eine Aluminiumfolie und die andere Elektrode ein Elektrolyt. Auf der Aluminiumfolie ist eine Aluminiumoxydschicht als isolierendes Dielektrikum aufgebracht. Ein Elektrolyt ist eine leitende Flüssigkeit, mit diesem Aufbau können bei kleiner Bauweise relativ hohe Elektrische Kapazitäten von bis zu 1 F erreicht werden. Elektrolytkondensatoren haben im Gegensatz zu anderen Kondensatoren eine definierte Polarität, die Aluminiumfolie ist immer die positiv geladene und der Elektrolyt die negativ geladene Elektrode. Als Anschluss der negativen Elektrode dient der Metallbecher, in dem Elektrolyt und die positive Anode untergebracht sind. Hier gibt es weitere verbreitete Bauformen:
- Aluminium-Elektrolytkondensator
- Tantal-Elektrolytkondensator
- Doppelschicht-Kondensator (Markennamen Gold Cap, Supercap, UltraCap, BoostCap)
- Bipolarer Elektrolytkondensator (Elektrolytkondensator ohne Polung. Dieser wird in Frequenzweichen eingesetzt)
- Keramikkondensatoren bestehen aus einem Keramikröhrchen oder einer dünnen Keramikscheibe als Dielektrikum und aufmetallisierten Elektroden. Die Keramikscheibe kann entweder eine einzelne Scheibe mit den Belägen auf beiden Seiten oder ein Stapel von Scheiben sein, ein Vielschichtkondensator.
- Durchführungskondensatoren sollen elektromagnetische Störungen, zum Beispiel Funkwellen aus der Umgebung, aus einer Geräte-Zuleitung ableiten. Sie dienen damit der Elektromagnetischen Verträglichkeit. Sie bestehen meist aus Keramikkondensatoren mit drei Anschlüssen, von denen zwei an der einen „Platte“ angebracht sind und zum Ankoppeln der aufgetrennten elektrischen Zuleitung vorgesehen sind. Der dritte Anschluss an der anderen „Platte“ dient zur Verbindung mit "Erde" bzw. "Masse". Baulich sind diese Kondensatoren oft in ein metallenes zylindrisches Gehäuse gesetzt, das als dritter Anschluß dient. Dieses kann mit leitendem Kontakt in ein metallenes Gerätegehäuse eingesetzt werden und stellt damit die elektrische Verbindung zu "Masse" her. Die beiden anderen Anschlüsse ragen jeweils aus den zylindrischen Enden hervor und stellen die "Durchführung" für die aufgetrennte Zuleitung dar.
- Zylinderkondensatoren bestehen aus zwei ineinanderstehenden Zylindern zwischen welchen sich ein Dielektrikum (Isolator) befindet, Kugelkondensatoren bestehen aus konzentrisch ineinanderliegenden gegeneinander isolierten, metallischen Kugeloberflächen. Da sich bei diesen Bauformen im Vergleich zur Größe praktisch nur eine geringe Kapazität realisieren lässt, haben sie keine kommerzielle Bedeutung.
Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität
Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität sind in ihrem Kapazitätswert verstellbar, sie werden eingesetzt, wenn eine Regelung oder eine Feinanpassung der Schaltung erforderlich ist.
- Ein Drehkondensator oder Trimmkondensator besteht aus Metallflächen, deren gegenüberliegende Flächenanteile durch einen Drehmechanismus verändert werden können. Zur Kapazitäts-Vervielfachung wurden ineinandergreifende Plattenpakete aufgebaut. Sie wurden zum Verändern der Resonanzfrequenz von Schwingkreisen, zum Beispiel in Radios zum Einstellen von Sendern verwendet und sind heute besonders im UKW-Bereich durch Kapazitätsdioden abgelöst worden.
- Ein Kondensatormikrofon hat eine wenige tausendstel Millimeter dicke Membran, die elektrisch isoliert, dicht vor einer gelochten Metallplatte angebracht ist. Eintreffender Schall bringt die Membran zum Schwingen, wodurch sich der Abstand der beiden Plattenflächen verändert und damit auch die Kapazität dieses Kondensators. Diese Kapazitätsschwankungen ergeben das elektrische Signal. Im Mikrofongehäuse sitzt eine Schaltung, die das Signal vorverstärkt und symmetriert.
- Die Kapazitätsdiode, auch Varicap, auch Varaktor, Abstimmdiode oder Ladungsspeicherdiode genannt, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauteil. Wird eine Diode in Sperrrichtung betrieben, so entsteht am P-N-Übergang eine Ladungsträgerverarmungszone, an der sich auch ein elektrisches Feld aufbaut. Mit steigender Spannung vergrößert sich die Breite der ladungsfreien Zone, damit nimmt die Kapazität ab. Durch Änderung der angelegten Spannung lässt sich eine elektrisch steuerbare Kapazität erreichen.
Kennzeichnungen
Bei den Kondensatoren gibt es keine so einheitliche Kennzeichnung wie bei Widerständen. Einige der Möglichkeiten sind unten aufgelistet. Weitere Informationen sind auch über die Weblinks unten zu finden.
- 473: Die ersten beiden Ziffern geben den Wert in Pikofarad an, die dritte die Anzahl der nachfolgenden Nullen. 473 bedeutet also 4 – 7 – 000 pF = 47 nF.
- 3n9: Dies bedeutet 3,9 nF.
- .33 K 250: Die erste Zahl gibt den Wert in Mikrofarad an, also 0,33 µF = 330 nF. K steht für eine Kapazitätstoleranz von 10 % und 250 für die zugelassene Spannung in Volt, die angelegt werden kann.
- Oft wird auch bei Elektrolytkondensatoren ein in mehreren Ziffern verschlüsselter Datumscode aufgedruckt um das Herstelldatum erkennen zu können, da Elektrolytkondensatoren in Abhängigkeit von der Zeit ihre Kapazität verringern können; z. B. 2313: 2 = 2002, 3 = März, 13 = 13. Tag, also 13. März 2002. Der Aufbau der Codes kann sich bei verschiedenen Herstellern unterscheiden, da nur wenige nach der einheitlichen Norm gehen.
Materialbedingte 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. durch Explosion oder Hitzewirkung) und zu weitergehenden Zerstörungen an den Geräten. Manche Kondensatoren besitzen in gewissen Grenzen die Fähigkeit zur Selbstheilung, wenn der Schaden nicht allzu groß ist. Die zulaessige Hoechstspannung kann im allgemeinen berechnet werden.
Selbstentladung
Ein geladener Kondensator entlädt sich mit der Zeit auch über seinen eigenen Isolationswiderstand R_is. :: $\tau_ = R_ \cdot C$ Die Selbstentladezeitkonstante $\tau_$ ist größer je hochwertiger ein Kondensator ist. Üblich sind Werte zwischen 1000 s bis zu 10.000 s (mit s = Einheitenzeichen für Sekunden)...
Polarität
Kondensatoren sind normalerweise symmetrisch (bipolar) aufgebaut. In Spezialfällen muss man jedoch die Polarität beachten: # Der Elektrolytkondensator benötigt zum Aufbau und Erhalt seiner Isolierschicht (des Dielektrikums) eine polarisierte Spannung. Er darf nicht mit negativer Polarität betrieben werden, da er sonst zerstört werden kann. Beim Betrieb mit Wechselspannung benötigt er eine geeignete Vorspannung oder es muss ein bipolarer Typ sein: diese speziellen Aluminium-Elektrolytkondensatoren gestatten auf Kosten der Baugröße auch wechselnde Polarität # Gewickelte Kondensatoren sind unsymmetrisch in Bezug auf die Außenfläche. Gegebenenfalls ist zu beachten, welche Seite des Kondensators außen liegt. An diese Schicht wird gewöhnlich, wenn zutreffend, die Masse angeschlossen, um die Größe von Verstimmungen des Kondensators zu verringern.
Temperaturabhängigkeit
Die Kapazität eines Kondensators ist temperaturabhängig. Für Keramikkondensatoren gibt es Dielektrika mit positivem, negativem und nahe null betragendem Temperaturkoeffizienten. Bei hohen Stabilitätsanforderungen bei Schwingkreisen können auf diese Weise Temperatureinflüsse auf andere Bauteile ausgeglichen werden. Kondensatoren aus sogenannten ferroelektrischer Keramik haben günstigerweise eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante, jedoch auch einen hohen Temperaturkoeffizienten und können bei hohen Stabilitätsanforderungen nicht verwendet werden. Temperaturstabilität einiger Dielektrika:
- Keramik: schlecht
- Polypropylen (PP): schlecht
- Polyester (PET): sehr schlecht
- Polykarbonat (PC): sehr gut
- Polyphenylsulfid (PPS): sehr gut
Allgemeine Streu- bzw. Parasitärkapazität an Bauteilen
Aus physikalischen Gründen hat jedes reale elektrische Bauelement mehr oder weniger stark auch Kondensator-Eigenschaften. Dieses kapazitive Verhalten kann vor allem bei hohen Frequenzen eine spürbare Auswirkung haben. Manche Schaltungen, die einen Kondensator benötigen, werden wegen dieser schon vorhandenen Kapazität ohne einen Kondensator als separates Bauteil ausgeführt.
Nichtlineares Verhalten
Besonders Elektrolyt- und Tantalkondensatoren zeigen im Signalfluss ein nichtlineares Verhalten. Hochwertige Audioverstärker verwenden deshalb nur Folienkondensatoren im Signalweg oder verzichten ganz auf Kondensatoren.
Siehe auch

- Spule
- Schwingkreis
- komplexe Wechselstromrechnung
Literatur

- O. Zinke, H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer Verlag, Heidelberg (1982), ISBN 3-540-11334-7
- P. Volkmann, P. (Hrsg.): Aufgaben Elektrotechnik und Elektronik 2 – Elektrisches Feld und Kondensator. 1999, ISBN 3-8007-2018-3
- W. Just, W. Hofmann: Blindstromkompensation in der Betriebspraxis 2003, ISBN 3-8007-2651-3
- Bohler, Kähler, Weigt: Bauelemente der Elektronik und ihre Grundschaltungen. Stam-Verlag, ISBN 3-8237-0214-9
Weblinks

- [http://archiv.christoph-hoffmann.de/ESS/Physik/Versuch2.pdf Entladekurve eines Kondensators] (PDF)
- [http://elektronik-kompendium.de/sites/praxis/kzkond.htm Kennzeichnung von Kondensatoren]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-zeitkonstante.htm Umrechnung: Zeitkonstante und Übergangsfrequenz (Grenzfrequenz)]
- [http://www.elektronikinfo.de/strom/kondensatoren.htm Grundlagen und Funktionsweise]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/versuche/01kondformel/kondensator.htm Versuch zur Kondensatorformel] Kategorie:Passives Bauelement Kategorie:Energiespeicher ja:コンデンサ th:ตัวเก็บประจุ

Rauschen

Das Wort Rauschen bezeichnet
- einen Badeort im ehemaligen Ostpreußen, siehe Swetlogorsk
- ein Element der romantischen Dichtung, siehe Waldesrauschen
- in Physik und Technik ein Signal begrenzter Leistung, von dem nur zufällige (statistische) Eigenschaften bekannt sind, siehe Rauschen (Physik)
- in der Digitalfotografie das Bildrauschen
- einen Begriff der Jägersprache ja:ノイズ

Zähler

Als Zähler bezeichnet man:
- den Zahlenwert oberhalb eines Bruchstrichs (Siehe:Bruchrechnung)
- ein Zählwerk das Ereignisse oder Mengen zählt Zahler

Hochfrequenz

Mit Hochfrequenz bezeichnet man in der Elektronik und der Nachrichtentechnik hohe Frequenzen des Elektrischen Stroms und elektrischer und/oder magnetischer Felder. Die Zahlenwertangaben hierzu sind nicht festgelegt, als untere Schwelle des Hochfrequenzbereichs werden Werte zwischen 10.000 Hz und 1.000.000 Hz bzw. zwischen 10 kHz und 1 MHz angegeben. Unterhalb dieser Werte werden die Frequenzen meist als Mittelfrequenz definiert, die darauffolgende Grenze zur Niederfrequenz wird bei etwa 500 - 1000 Hz angesetzt. Im Hochfrequenzbereich arbeiten von einigen Ausnahmen - wie Sanguine und ZEVS abgesehen - alle Anlagen zur drahtlosen Nachrichtenübermittlung. Wegen ihrer großen Reichweite wird die Hochfrequenztechnik vor allem im Bereich Mobilfunk, Radio- und Fernsehtechnik, Radar und von Satelliten verwendet. Ein Problem der Hochfrequenz ist allerdings, dass sie ohne Abschirmung selbst durch dicke Wände mit nur wenig reduzierter Intensität wirkt und unter Umständen andere elektronische Geräte stören oder beeinträchtigen kann. Auch ist es möglich, dass bei sehr hoher Intensität es zu noch nicht vollständig geklärten Beeinflussungen des menschlichen Organismus kommen kann (siehe Elektromagnetische Umweltverträglichkeit EMVU und Elektrosmog). Hochfrequenz wird häufig durch HF, im englischsprachigen Raum durch RF (radio frequency) abgekürzt. Siehe auch: UHF Kategorie:Elektrotechnik

Schalter

Der Ausdruck Schalter (vom spätmittelhochdeutschen: schalter Schieber, Riegel) bezeichnet 1. ein Gerät zum Herstellen oder Unterbrechen einer elektrischen Verbindung (siehe Schalter (Elektrotechnik)), zum Beispiel
- Ausschalter
- Einschalter
- Lichtschalter
- Wechselschalter 2. einen abgeteilten Raum innerhalb von Verkehrs- und Finanzeinrichtungen zum Abfertigen des Publikums, zum Beispiel
- Abfertigungsschalter
- Bahnhofsschalter
- Bankschalter
- Postschalter

LSB

LSB ist die Abkürzung für:
- Landessportbund
- Least Significant Bit
- Linux Standard Base
- Lower Side Band (unteres Seitenband), siehe Einseitenbandmodulation Kategorie:Abkürzung

Böwe Bell & Howell

Founded in 1907 and headquartered in Skokie, Illinois, the Bell & Howell Company merged with Böwe Systec Inc in 2002 to become Böwe Bell & Howell. Currently, the company provides document processing, scanners, and financial services. Historically, Bell & Howell was an important supplier of consumer film products like movie projectors and motion picture cameras. A Bell & Howell camera captured the "Zapruder film" assassination of John F. Kennedy.

External link

- [http://www.bowebellhowell.com Böwe Bell & Howell site]

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Frizzle Sizzle
Frizzle Sizzle is een Nederlandse meidengroep uit de jaren '80. De zusjes Karin en Laura Vlasblom en hun twee vriendinnen Mandy Huydts en Marjon Keller zingen van 1981 tot 1985 mee in het koor van Kinderen voor Kinderen. Dit bevalt ze zo goed, dat ze in Read More...