月: 2023年7月

Was ist eine SIM-Karte?

SIM steht für “Subscriber Identity Module” und ist ein kleiner Chip, auf dem die Abonnementinformationen und die Telefonnummer des Benutzers gespeichert sind.

Eine SIM-Karte ist erforderlich, um ein Mobiltelefon zu benutzen; durch Einlegen einer SIM-Karte in ein Mobiltelefon kann dieses mit dem Netz eines Telekommunikationsbetreibers verbunden werden.

Es gibt verschiedene Arten von SIM-Karten je nach Größe und Typ, aber in letzter Zeit sind sie kleiner und elektronischer geworden, wie nanoSIM und eSIM.

Anwendungen von SIM-Karten

Wenn eine SIM-Karte in ein Mobiltelefon eingelegt wird, werden die Telefonnummer und der Kommunikationsplan verfügbar. SIM-Karten werden nicht nur in Mobiltelefonen, sondern auch in anderen Geräten verwendet.

Zu den spezifischen Verwendungen gehören:

1. Smartphones

Smartphones können SIM-Karten für Sprachanrufe und Datenkommunikation nutzen; mit der SIM-Karte können Sie Ihre eigene Telefonnummer und Ihren eigenen Kommunikationsplan wählen. Bei Reisen ins Ausland können Sie auch Roaming-Gebühren sparen, indem Sie eine lokale SIM-Karte einlegen.

2. Tablets

Tablets können nicht nur über Wi-Fi, sondern auch über eine SIM-Karte mit Mobilfunknetzen verbunden werden, so dass Sie auch unterwegs auf das Internet zugreifen, E-Mails versenden und soziale Netzwerke nutzen können. Wenn das Tablet über eine Sprachanruf-Funktion verfügt, kann die SIM-Karte auch zum Telefonieren verwendet werden.

3. Laptops

Einige Laptops können sich auch über eine SIM-Karte mit Mobilfunknetzen verbinden, was den Zugang zum Internet, Online-Meetings und die Arbeit an Orten ohne Wi-Fi ermöglicht. Wenn der Laptop über eine Sprachanruf-Funktion verfügt, können Sie mit der SIM-Karte auch Telefongespräche führen.

4. Überwachungskameras

Überwachungskameras können Video- und Audiosignale in Echtzeit über eine SIM-Karte übertragen, so dass Überwachungskameras auch an Orten installiert werden können, an denen es keinen Internetzugang gibt. Die von der Überwachungskamera übertragenen Video- und Audiodaten können auch auf einem Smartphone oder PC angesehen werden.

5. Im Fahrzeug montierte Kameras

Fahrzeuginterne Kameras können die Video- und Standortdaten des Fahrtenschreibers über eine SIM-Karte übertragen, die bei Unfällen oder Problemen als Beweismittel verwendet werden können oder um den Status des Fahrzeugs aus der Ferne zu überprüfen. Die von der bordeigenen Kamera gesendeten Bilder und Standortinformationen können auch auf einem Smartphone oder PC angezeigt werden.

6. Digitale Beschilderung

Wenn eine SIM-Karte in digitale Beschilderung eingelegt wird, kann dieses mit einem Mobilfunknetz verbunden werden. Dadurch kann die digitale Beschilderung Informationen in Echtzeit anzeigen und die Anzeige zeitabhängig ändern.

Funktionsweise der SIM-Karte

Auf der SIM-Karte sind folgende Informationen gespeichert:

• IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
  International Mobile Subscriber Identity (IMSI) ist eine Nummer, die den Betreiber, der die SIM-Karte ausgestellt hat, das Land und den Benutzer identifiziert.
• ICCID (Integrated Circuit Card Identifier)
  Dies ist die eindeutige Identifikationsnummer der SIM-Karte selbst.
• Authentifizierungsschlüssel (Ki)
  Dies ist ein geheimer Schlüssel für die Verschlüsselung der Kommunikation und wird für die verschlüsselte Kommunikation mit dem Netz des Betreibers verwendet.
• SMS und Kontaktinformationen
  Auf einigen SIM-Karten werden SMS-Nachrichten und Telefonbuchdaten gespeichert.

Wenn das Mobiltelefon kommuniziert, sendet es zunächst die IMSI-Nummer der SIM-Karte an die Basisstation. Die Basisstation verwendet diese IMSI-Nummer, um die Abonnementinformationen und den Kommunikationsplan des Benutzers zu überprüfen und wenn die Kommunikation genehmigt ist, beginnt die verschlüsselte Kommunikation unter Verwendung eines Authentifizierungsschlüssels (Ki).

Arten von SIM-Karten

Es gibt drei Haupttypen von SIM-Karten. Dieser Abschnitt befasst sich mit den Merkmalen, Vor- und Nachteilen der einzelnen Typen:

1. Mini-SIM-Karte

Mini-SIM-Karten sind die gängigste SIM-Kartengröße mit den Maßen 25 mm (Breite) x 15 mm (Höhe) x 0,76 mm (Dicke). iPhone 4S und frühere Modelle sowie die meisten Android-Smartphones verwenden diese Größe. Mini SIMs haben den Vorteil, dass sie sich leicht an neue Handymodelle und Netzbetreiber anpassen lassen, haben aber auch den Nachteil, dass sie das Design des Mobiltelefons aufgrund der Größe der Karte selbst einschränken.

2. Micro-SIM-Karte

Die Micro-SIM-Karte ist eine kleinere SIM-Karte als die Mini-SIM-Karte und misst 15 mm (B) x 12 mm (H) x 0,76 mm (T). Diese Größe wird ab dem iPhone 4 und in Tablet-Geräten wie dem iPad verwendet. Die Micro-SIM-Karte bietet aufgrund der kleineren Karte mehr Flexibilität bei der Gestaltung des Geräts. Sie hat jedoch den Nachteil, dass sie nicht mit der Mini-SIM-Karte kompatibel ist und beim Wechsel des Mobiltelefons oder des Netzbetreibers einen speziellen Adapter erfordert.

3. Nano-SIM-Karte

Die Nano-SIM-Karte ist eine noch kleinere SIM-Karte als die Micro-SIM-Karte und misst 12,3 mm (B) x 8,8 mm (H) x 0,67 mm (T). iPhone 5 und die neuesten Android-Smartphones verwenden diese Größe. Die Nano-SIM-Karte bietet maximale Flexibilität bei der Gestaltung des Geräts, da die Karte sehr klein ist. Der Nachteil ist jedoch, dass sie nicht mit Micro-SIM-Karten und Mini-SIM-Karten kompatibel ist, so dass beim Wechsel des Mobiltelefons oder des Mobilfunkbetreibers ein spezieller Adapter erforderlich ist.

Was ist ein SoC?

Ein SoC (System on a Chip) integriert Systemfunktionen auf einem einzigen integrierten Schaltkreis.

Herkömmliche Systemdesigns bestehen aus mehreren Chips (Mikroprozessoren, Speicher, Grafikgeräte, Kommunikationsgeräte usw.), während SoCs diese Funktionen auf einem einzigen integrierten Schaltkreis integrieren, um ein kompaktes, leistungsstarkes System zu realisieren.

Anwendungen von SoCs

SoCs werden in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt, darunter Smartphones, Tablets, eingebettete Systeme, IoT-Geräte und Automobile. Die in diesen Geräten installierten SoCs dienen als zentraler Bestandteil der Gerätesteuerung und tragen zur Multifunktionalität und Miniaturisierung der Geräte bei.

1. Mobile Geräte

Mobile Geräte wie Smartphones und Tablets nutzen SoCs, um ihre Funktionen zu realisieren. Verschiedene Funktionen wie Prozessor, Grafikverarbeitung, Speicher, Kommunikationsfunktionen und Sensoren sind auf einem einzigen integrierten Schaltkreis integriert.

2. Eingebettete Systeme

SoCs werden häufig in eingebetteten Systemen eingesetzt. Sie werden in einer Vielzahl von eingebetteten Systemen wie Autos, Haushaltsgeräten, industriellen Steuerungen und medizinischen Geräten eingesetzt, um fortschrittliche Funktionen und Echtzeitverarbeitung zu realisieren.

3. IoT-Geräte (Internet der Dinge)

IoT-Geräte benötigen Sensoren, Kommunikationsfunktionen, Datenverarbeitung usw. SoCs können trotz ihrer geringen Größe und ihres niedrigen Stromverbrauchs erweiterte Funktionen und Kommunikationsmöglichkeiten bieten. Beispiele hierfür sind intelligente Heimgeräte, Sensorknoten und tragbare Geräte.

4. Netzausrüstung

SoCs werden auch in Netzgeräten wie Routern, Switches und Netzsicherheitsgeräten eingesetzt. Durch die Integration von Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitungs- und Kommunikationsfunktionen lassen sich leistungsstarke Netzgeräte realisieren.

5. Audiovisuelle Geräte

SoCs werden auch in audiovisuellen Geräten wie Fernsehern, Audiogeräten und Digitalkameras eingesetzt. Verschiedene Funktionen wie Video-, Audioverarbeitung und Schnittstellen werden in einen einzigen integrierten Schaltkreis integriert.

6. Kfz-Systeme

In Kraftfahrzeugen werden SoCs als Kernstück der bordeigenen Systeme eingesetzt. Verschiedene Funktionen wie Fahrzeugsteuerung, Fahrerassistenzsysteme, Unterhaltung und Kommunikation werden umfassend von SoCs verwaltet, um Komfort und Sicherheit zu verbessern.

Funktionsweise des SoCs

SoCs sind, wie oben beschrieben, eine Möglichkeit, alle Funktionen in einen einzigen integrierten Schaltkreis zu packen, um die gewünschte Systemfunktionalität zu erhalten. Die Entwurfsdaten für jede Funktion werden in Form von Schaltungsblöcken entweder kostenpflichtig oder kostenlos zur Verfügung gestellt.

Durch Auswahl der gewünschten Funktionen aus diesen und deren Anordnung/Verbindung mit Hilfe von Entwurfswerkzeugen können Entwurfsdaten für integrierte Schaltungen mit den gewünschten Funktionen gewonnen werden. Die folgenden Bausteine werden als Schaltungsblöcke angeboten:

1. Mikroprozessoren

In den meisten Fällen ist ein Mikroprozessor (CPU) eingebaut. Dieser ermöglicht es, verschiedene Funktionen über Software zu realisieren.

2. Speicherbausteine

Der von der CPU verwendete Speicher ist ebenfalls eingebaut. Er dient hauptsächlich der Speicherung von Daten und Programmen, z. B. Cache-Speicher, RAM und ROM.

3. Grafikverarbeitungsgeräte

Es können Grafikverarbeitungsfunktionen enthalten sein. Dies ermöglicht eine fortgeschrittene Grafikdarstellung, z. B. Videowiedergabe, Bildverarbeitung und 3D-Grafik.

4. Eingabe-/Ausgabeschnittstellen

Es wird eine Vielzahl von Schnittstellen für den Anschluss an externe Geräte bereitgestellt. Beispiele sind USB, HDMI, Ethernet und Wi-Fi.

5. Kommunikationsfunktionen

Häufig erfolgt eine Ausstattung mit Kommunikationsfunktionen für verschiedene Kommunikationsprotokolle (z. B. Bluetooth, NFC, LTE), die Netzwerkverbindungen und serielle Datenübertragung und -empfang ermöglichen.

6. Sensorsignalverarbeitung

Es können Verarbeitungsschaltungen für analoge Signale von Beschleunigungsmessern, Gyroskopen, Magnet-, optischen Sensoren usw. sowie A/D-Wandler für die Umwandlung in digitale Daten enthalten sein.

Die Möglichkeit, diese Geräte auf einem einzigen Chip zu integrieren, hat zu leistungsfähigen, aber platzsparenden und stromsparenden Systemen geführt.

Weitere Informationen über SoCs

SoCs-Entwicklungsprozess

Die Entwicklung von SoCs basiert auf folgendem Prozess:

1. Funktionsauswahl und Entwurf
Im Rahmen des SoCs-Entwicklungsprozesses werden zunächst die erforderlichen Funktionen ausgewählt und die Entwurfsspezifikationen festgelegt. Dies muss alle für die spezifische Anwendung erforderlichen Funktionen umfassen, wie z. B. Prozessoren, Speicher, Ein-/Ausgabeschnittstellen, Netzwerkfunktionen und Sensoren.

2. Hardware-Entwurf
Durchführung des Hardware-Entwurfs für die ausgewählten Funktionen. Dieser drückt sich in konkreten Schaltungen aus, z. B. in digitalen und analogen Schaltungen, Speicherblöcken und Schnittstellenschaltungen. Als Entwurfstechniken werden Schemata, Flussdiagramme und HDL (Hardware Description Language) verwendet.

3. Chip-Integration und Platzierung
Sobald der Schaltungsentwurf abgeschlossen ist, werden die Hardwareblöcke auf einem einzigen Chip platziert, der Informationen über die Schaltungsverbindungen, die Signalführung, die Stromversorgungsführung usw. enthält. Hier können hochentwickelte automatisierte Entwurfswerkzeuge eingesetzt werden, um ein effizientes und zuverlässiges Chip-Layout zu gewährleisten.

4. Bauelementeherstellung
Nach Abschluss des Schaltungsentwurfs und des Layouts erfolgt der Entwurf des Herstellungsprozesses. Dazu gehören die Herstellung von Halbleiterscheiben, die Bildung von Transistoren und Schaltkreisen sowie die Herstellung von Verbindungsschichten. Schließlich wird der IC-Chip hergestellt und in einem Gehäuse versiegelt.

5. Software-Entwicklung
SoCs sind Systeme, die neben der Hardware auch Software enthalten. Die Softwareentwicklung umfasst die Entwicklung von Firmware, Treibern und Anwendungssoftware, die mit der Hardware zusammenarbeiten, um die Funktionalität zu erfüllen.

6. Verifizierung und Prüfung
Der fertige SoCs wird anschließend verifiziert und getestet. Dazu gehören die Verifizierung der Funktionsweise der Schaltkreise, die Überprüfung der Signalgenauigkeit und Tests auf Systemebene. Defekte werden korrigiert und optimiert, um Qualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Die oben genannten Prozesse führen zu SoCs, die mehrere Funktionen auf einem einzigen Chip integrieren und fortschrittliche Systemfunktionen vervollständigen.

Was ist ein Zähler-IC?

Ein Zähler-IC ist eine Art digitaler Schaltkreis, ein integrierter Schaltkreis mit einer Zählfunktion (Zählen), der hauptsächlich zum Zählen der Häufigkeit bestimmter Ereignisse verwendet wird.

Ausgehend von einem bestimmten Ereignis oder Takt erhöht (Aufwärtszählung) oder verringert (Abwärtszählung) er den in einem internen Register gespeicherten Zahlenwert um eins und gibt das Zählergebnis aus, wenn der Zielwert erreicht ist oder wenn er von einem externen Gerät angefordert wird. Es gibt viele verschiedene Arten von Zähler-ICs, wobei der einfachste Typ der Binärzähler ist.

Binäre Zähler können Zahlen im Binärformat zählen, z. B. drückt ein 4-Bit-Binärzähler Werte von 0 bis 15 im Binärformat aus. Es gibt auch Zähler-ICs mit verschiedenen Betriebsarten, wie z.B. Ringzähler und Johnson Zähler.

Anwendungen von Zähler-ICs

Zähler-ICs werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. beim Entwurf digitaler Schaltungen und in Steuerungssystemen. Timer, sequentielle Steuerung und Frequenzteiler sind Beispiele für spezifische Anwendungen.

1. Zeitgeber

Zähler-ICs werden in Zeitgeberschaltungen verwendet, die zur Messung bestimmter Zeitintervalle oder Ereignisse dienen. Beispiele sind Digitaluhren und Stoppuhren.

2. Sequenzielle Steuerung

Zähler-ICs werden auch in sequentiellen Steuerschaltungen verwendet. Sie werden z. B. in sequentiellen Logikschaltungen und Zustandsübergangsmaschinen verwendet, wo ihre Hauptfunktion darin besteht, Geräte oder Systeme zu steuern, die in einer bestimmten Reihenfolge arbeiten.

3. Frequenzteiler

Zähler-ICs können auch als Frequenzteilerschaltungen eingesetzt werden, indem sie das Eingangssignal teilen. So lassen sich aus einem hochfrequenten Signal Signale mit ganzzahligen Bruchteilen einer Frequenz erzeugen. Die Hauptanwendungen sind Frequenzsynthese- und Frequenzsteuerungsanwendungen.

4. Ereigniszählung

Zähler-ICs werden auch verwendet, um die Häufigkeit eines bestimmten Ereignisses zu messen. Beispiele sind die Zählung der Anzahl von Fahrzeugen oder Passanten bei Verkehrserhebungen.

5. Datenkommunikation

Zähler-ICs werden manchmal in Datenkommunikationsschaltungen eingesetzt. Sie werden verwendet, um die Anzahl der Daten bei der seriellen Kommunikation und der Paketübertragung festzulegen.

Funktionsweise der Zähler-ICs

Zähler-ICs bestehen aus den folgenden Elementen:

1. Einem D-Flip-Flop

D-Flip-Flops werden hauptsächlich in den Logikschaltungen verwendet, aus denen Zähler-ICs bestehen. Da diese Logikschaltung ein Bit an Information speichern kann, wird dieses Element zu verschiedenen Zähler-ICs kombiniert.

D-Flip-Flops sind mit einem Taktstift (CLK), einem Dateneingangsstift (D), einem Datenausgangsstift (Q) und seinem invertierten Ausgang ausgestattet und haben die Funktion, die eingegebenen Daten bei der steigenden Flanke des Takts an den Datenausgangsstift auszugeben.

2. Zähler

Die Grundkonfiguration besteht darin, dass der invertierende Ausgang direkt mit dem Eingangsanschluss verbunden ist und der Datenausgangsanschluss mit dem Dateneingangsanschluss des D-Flipflops der nächsten Stufe verbunden ist. Durch vertikale Verbindung von N Stufen entsteht ein Binärzähler zur N-ten Potenz von 2. 

3. Frequenzteiler

Durch die oben beschriebene Verbindung eines D-Flipflops zwischen den Klemmen kann der Ausgang des Dateneingangs an der D-Klemme als durch 1/2 geteilt angesehen werden. Mit dieser Funktion lässt sich ein Frequenzteiler mit einem Zähler-IC realisieren.

Im Falle eines 4-Bit-Binärzählers ist dies 2 hoch 16, so dass die Ausgangsfrequenz 1/16 des Eingangstakts im Verhältnis zum Eingangstakt beträgt; im Falle eines 8-Bit-Binärzählers ist dies 2 hoch 256, so dass die Ausgangsfrequenz 1/256 des Eingangstakts beträgt. Die Ausgangsfrequenz ist 1/256 der Eingangstaktfrequenz.

Arten von Zähler-ICs

Es gibt verschiedene Arten von Zähler-ICs. Typische Beispiele sind: 

1. Binäre Zähler

Der einfachste Zähler-IC, der bis zu einer Binärzahl zählen kann. Ein N-Bit-Binärzähler kann Zahlen von 0 bis zur (N-ten Potenz von 2 – 1) darstellen. 

2. Ringzähler

Ein Ringzähler-IC, bei dem die internen Bits bei jedem Taktzyklus nacheinander verschoben werden. Die Eingangsklemme jedes Flip-Flops ist mit der Ausgangsklemme des vorherigen Flip-Flops verbunden, und der letzte Ausgang wird an die Eingangsklemme des ersten Flip-Flops zurückgeführt. Es funktioniert so, dass die Bits „1“ der Reihe nach zu den benachbarten Flipflops verschoben werden. 

3. Johnson zähler

Der Johnson-Zähler ist eine Art Ringzähler, mit dem Unterschied, dass er den Ausgang des letzten Flip-Flops invertiert, um das Eingangssignal für das erste Flip-Flop zu liefern. Er arbeitet so, dass bei jedem Taktzyklus ein bestimmtes Muster in das benachbarte Flip-Flop verschoben wird. Johnson-Zähler werden in sequentiellen Logik- und Decoderschaltungen verwendet.

4. Aufwärtszähler

Aufwärtszähler sind Zähler-ICs, die ihre Anzahl um eins erhöhen, wobei sich ihr interner Wert in Reaktion auf Taktimpulse oder bestimmte Ereignisse erhöht.

5. Abwärtszähler

Abwärtszähler sind Zähler-ICs, die ihre Anzahl um eins verringern, wobei ihr interner Wert als Reaktion auf Taktimpulse oder bestimmte Ereignisse abnimmt.

6. Vorwahlzähler

Vorwahlzähler sind Zähler-ICs, deren Zählung von einem voreingestellten Wert aus beginnt. Die Zählung beginnt ab einem bestimmten Anfangswert als Reaktion auf bestimmte Bedingungen oder Eingänge.

7. Echtzeitzähler

Echtzeitzähler sind Zähler-ICs, die für Echtzeitmessungen und Zeitmessung verwendet werden. Der interne Zählerwert wird auf der Grundlage von Taktimpulsen oder externen Signalen erhöht oder verringert und dient der Zeitmessung oder der zeitlichen Steuerung von Ereignissen.

Was ist eine Erweiterungsplatine?

Erweiterungsplatinen sind Platinen, die an eine PC- oder CPU-Platine angeschlossen werden, um neue Funktionen zu realisieren oder deren Funktionalität zu erweitern.

Erweiterungsplatinen werden manchmal auch als Platinen bezeichnet, die aus demselben Grund zur Hauptplatine hinzugefügt werden, auf der der in das Gerät integrierte Ein-Chip-Mikrocontroller montiert ist.

Kommerziell erhältliche PC- und CPU-Platinen sind für die allgemeinen Bedürfnisse der Welt spezifiziert und können nicht in einer Weise verwendet werden, die darüber hinausgeht. In manchen Fällen reichen die eingebauten Funktionen allein nicht aus, um die Situation zu bewältigen. In solchen Fällen sind Erweiterungsplatinen nützlich.

Anwendungen von Erweiterungsplatinen

Erweiterungsplatinen, die in PCs und CPU-Platinen verwendet werden, werden im Allgemeinen direkt auf die Hauptplatine gesteckt, auf der die CPU montiert ist. Traditionell wurde der PCI-Bus als Schnittstelle auf der Hauptplatine verwendet, aber dieser wurde inzwischen durch PCI-Express, eine schnellere Busschnittstelle, ersetzt.

Erweiterungsplatinen sind äußerst vielfältig und umfassen E/A-Karten zur Erweiterung der Ein- und Ausgänge, LAN-Karten für Ethernet-Verbindungen, USB-Erweiterungskarten für zusätzliche USB-Anschlüsse, Grafikkarten für eine schnellere Grafikwiedergabe, Soundkarten für eine verbesserte Audioausgabe und sogar TV-Tuner-Karten für den Empfang von Fernsehsendungen auf dem PC.

Funktionsweise der Erweiterungsplatinen

In der Regel verfügen nur Desktop-PCs über einen PCI-Bus oder PCI-Express als freien Steckplatz auf der Hauptplatine zum Anschluss von Erweiterungsplatinen. Laptop-PCs sind grundsätzlich nicht in der Lage, Erweiterungsplatinen zu montieren, da es physikalisch schwierig ist, diesen Steckplatz bereitzustellen.

Erweiterungsplatinen sind nicht nur für Hardware nützlich. Mit Ausnahme von generischen USB-Erweiterungsplatinen müssen Gerätetreiber und – je nach Erweiterungsplatine – auch Dienstprogramme paarweise verwendet werden.

1. USB-Erweiterungskarte

Die USB-Erweiterungskarte ist eine der am häufigsten verwendeten Erweiterungsplatinen. Zum Zeitpunkt des Kaufs haben die USB-Anschlüsse an PCs in der Regel eine Standardgröße, bekannt als TYPE-A. Die Anzahl ist jedoch begrenzt und es besteht ein Mangel an USB-Anschlüssen, um verschiedene Peripheriegeräte über TYPE-A anzuschließen.

Die Anzahl der USB-Anschlüsse ist jedoch begrenzt und kann beim Anschluss verschiedener Peripheriegeräte über den USB-Anschluss unzureichend sein, so dass es sinnvoll ist, eine Erweiterungsplatine zu verwenden, um den TYPE-A-Anschluss weiter zu vergrößern.

Darüber hinaus wird heutzutage häufig ein USB-Anschluss verwendet, der als TYPE-C bekannt ist. Dieser Typ wird bevorzugt, weil er in beide Richtungen, nach oben oder unten, eingesteckt werden kann und kompakt ist. Manchmal werden Erweiterungskarten verwendet, um diesen TYP-C bereitzustellen.

2. IO-Erweiterungsplatine

Eine besondere Art von Erweiterungsplatinen ist die IO-Erweiterungsplatine. Je nach Produkt erfasst diese Art von Erweiterungsplatine analoge Informationen wie Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, wandelt sie in A/D um und gibt sie dann an die CPU weiter.

Weitere Informationen zu Erweiterungsplatinen

1. PCI

Dies ist eine Abkürzung für “Peripheral Component Interconnect”, einen Hochgeschwindigkeits-Busstandard. Dieser Standard wird nicht nur für Erweiterungssteckplätze, sondern auch als Teilbus ohne Computer verwendet. Es gibt zwei Busgeschwindigkeiten, 33 MHz und 66 MHz, aber 33 MHz ist der Standard für 32-Bit-PCI, der normalerweise verwendet wird.

2. PCI-Express

PCI-Express ist eine universelle Verbindungstechnologie, die PCI im Jahr 2002 als Standard abgelöst hat. Für 2019 wurde ein Standard für Kommunikationsgeschwindigkeiten von 32 Gbit/s spezifiziert und es werden noch höhere Geschwindigkeitsstandards in Betracht gezogen. Die Zahl der Schnittstellen mit PCI Express nimmt zu.

Der Standard wird auch in der Luftfahrt- und Automobilbranche verwendet. Um die Übertragungsgeschwindigkeit des PCI-Busses zu erhöhen, wurden höhere Taktgeschwindigkeiten und Erweiterungen der Busbreite in Betracht gezogen. Die höheren Taktgeschwindigkeiten brachten jedoch Herausforderungen mit sich, wie die Schwierigkeit, Karten zu entwickeln, die die Daten auf den Datenleitungen mit dem Takt synchronisieren können. Der neu entwickelte Standard ist PCI Express.

Was ist ein Sicherheitslichtvorhang?

Sicherheitslichtvorhänge sind Sicherheitssensoren, die erkennen, wenn eine Person oder ein Objekt den Gefahrenbereich einer Maschine oder eines Geräts betritt.

Sie werden manchmal auch als Lichtgitter bezeichnet. Sie werden an türlosen Ein- und Ausgängen von Maschinen installiert, um der Maschine Zeit zu geben, anzuhalten, wenn sie feststellt, dass das Licht unterbrochen wurde und um die Entfernung zu bestimmen, in der eine Person oder ein Gegenstand nicht mit dem Gefahrenbereich in Berührung kommt.

Da die Größe des Mindestdetektionskörpers von Gerät zu Gerät variiert, müssen die Größe des zu blockierenden Objekts, der Sicherheitsabstand und die Höhe des Aufstellungsortes berücksichtigt werden, bevor das geeignete Gerät ausgewählt wird. Da die Lichtquelle für Sicherheitslichtvorhänge im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1500 nm spezifiziert ist, werden hauptsächlich LEDs mit einer Leistung von Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von etwa 900 nm verwendet.

Anwendungen von Sicherheitslichtvorhängen

Sicherheitslichtvorhänge werden häufig als Sicherheitsmaßnahmen für Arbeiter in Produktionsstätten mit automatisierten Produktionsanlagen eingesetzt, z. B. in der Metallverarbeitung, der pharmazeutischen Industrie, der Lebensmittel-, der Verpackungs-, der Halbleiter-, der Flüssigkristall-, der Transport- und der Automobilindustrie.

Wenn es nicht möglich ist, Trennwände oder Türen in gefährlichen Arbeitsbereichen zu installieren wie z. B. an automatisierten Montagemaschinen, Bestückungsmaschinen, Verpackungsanlagen, Druckmaschinen oder Fließbandanlagen, überwachen sie das Eindringen von Händen, Fingern, Armen, Beinen, anderen Körperteilen und Hindernissen.

Funktionsweise der Sicherheitslichtvorhänge

Ein Sicherheitslichtvorhang besteht aus einem Scheinwerfer und einem Empfänger als Set. Der Scheinwerfer hat geradlinig ausgerichtete Projektionselemente und der Empfänger geradlinig ausgerichtete Projektionselemente. Sie sind parallel installiert, so dass mehrere parallele Lichtstrahlen, die von der Projektionsseite ausgehen, von der Empfängerseite empfangen werden.

Wenn die Empfängerseite alle von der Scheinwerferseite ausgesandten Mehrfachstrahlen empfängt, wird davon ausgegangen, dass keine Anomalie vorliegt und der Betrieb der Maschine oder des Geräts ist zulässig. Wird die Lichtachse durch ein Hindernis, z. B. die Gliedmaßen eines Arbeiters, teilweise blockiert, stuft das System die Situation als gefährlich ein und unterbricht den Betrieb der Maschine oder des Geräts.

Eine Muting-Funktion ist vorgesehen, um zwischen dem Durchgang von Werkstücken und dem Eindringen von Personen zu unterscheiden und eine Ausblendfunktion ist ebenfalls vorgesehen, um den Prozess aufrechtzuerhalten, wenn Werkstücke oder andere Objekte den Erfassungsbereich passieren oder um nur einen bestimmten Bereich der Maschine zu deaktivieren.

Auswahl eines Sicherheitslichtvorhangs

Sicherheitslichtvorhänge gibt es in verschiedenen Ausführungen von unterschiedlichen Herstellern. Es ist daher ratsam, vor der Auswahl die folgenden Punkte zu berücksichtigen:

1. Länge

Die Länge des Sicherheitslichtvorhangs selbst sollte so gewählt werden, dass sie zu dem Ort passt, an dem er eingesetzt werden soll. Ist er zu kurz, können Körperteile des Arbeiters in den Gefahrenbereich eindringen und nicht erkannt werden, was zu Unfällen führen kann. Ist er dagegen zu lang, ist es nicht möglich, einen messenden Lichtvorhang zu installieren.

2. Wasser- und Ölbeständigkeit

Staub und andere Partikel werden in der Produktionsstätte verstreut, und wenn sie an den Oberflächen des Senders und des Empfängers des Sicherheitslichtvorhangs haften bleiben, kann der Lichtempfänger das Licht des Senders nicht richtig erkennen. Dies kann zu einer falschen Erkennung einer Gefahr führen. Da die Sicherheitslichtvorhänge gewaschen werden müssen, erleichtert die Wahl einer besonders wasserbeständigen Ausführung die Wartung.

3. Synchronisationssystem

Wenn der Zeitpunkt, zu dem der Sender des Sicherheitslichtvorhangs Licht aussendet und der Zeitpunkt, zu dem der Empfänger des Lichtvorhangs Licht empfängt, nicht synchronisiert sind, weiß der Sicherheitslichtvorhang nicht, ob er sichere Bedingungen überwacht. Es gibt zwei Synchronisationsmethoden: die verdrahtete Synchronisationsmethode, bei der Sender und Empfänger durch ein Synchronisationskabel verbunden sind und die optische, bei der Sender und Empfänger durch ein Synchronisationskabel verbunden sind.

Optische Synchronisationssysteme erfordern einen geringeren Verdrahtungsaufwand und sind einfacher zu handhaben, erfordern aber im Allgemeinen weniger zu synchronisierende Lichtvorhänge als verdrahtete Synchronisationssysteme, um eine falsche Erkennung (Interferenz) des von einem Lichtprojektor ausgesandten Lichts durch einen anderen Lichtvorhang zu verhindern.

4. Einfache Ausrichtung der optischen Achse

Sicherheitslichtvorhänge erfordern, dass der Empfänger das gesamte von den Scheinwerfern abgestrahlte Mehrfachlicht empfängt. Die Einstellung der Position und des Winkels des Projektors und des Empfängers, damit sie alle empfangen werden können, wird als Ausrichtung der optischen Achse bezeichnet. Wichtig ist auch, dass sich der Lichtvorhang leicht in der optischen Achse ausrichten lässt, dass der Lichtvorhang anzeigt, welcher Teil des Empfängers welche Lichtmenge empfängt, und dass der Sicherheitslichtvorhang selbst verdrehsicher ist usw.

Was ist ein Transienten-Überspannungsschutz?

Ein Transienten-Überspannungsschutz ist eine Überspannungsschutz-Zenerdiode, die dazu dient, Geräte und andere Einrichtungen vor Überspannungen und elektrostatischem Entladungsrauschen zu schützen, indem sie die Sperrspannungskennlinie des PN-Übergangs der Zenerdiode nutzt, um die transiente Spannung konstant zu halten; auch TVS (Transient Voltage Suppressor) genannt.

Aufgrund ihres guten Frequenzgangs wird ein Transienten-Überspannungsschutz zum Schutz von Geräten und anderen Anlagen gegen transiente Spannungsspitzen mit kurzer Impulsbreite und elektrostatischem Entladungsrauschen eingesetzt, gegen die normale Zenerdioden nicht schützen können.

Ein Transienten-Überspannungsschutz eignet sich nicht zum Schutz vor transienten Überspannungen mit langer Impulsbreite, wie z. B. Blitzüberspannungen. Zum Schutz vor elektrischer Überlastung wird er parallel zu überlastungsempfindlichen Geräten geschaltet.

Anwendungen des Transienten-Überspannungsschutzes

Ein Transienten-Überspannungsschutz wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, um empfindliche elektronische Geräte, Datenleitungen und andere zuverlässigkeitskritische Geräte vor elektrischen Überspannungen zu schützen. Er liefert eine konstante Ausgangsspannung gegen das Auftreten elektrischer Überspannungen und kann innerhalb der Nennspannung des Geräts, das er schützen soll, eingesetzt werden.

Spezifische Anwendungen sind verschiedene elektronische Geräte wie z. B. Produkte in Fahrzeugen und Verbraucherprodukte. Sie werden zusammen mit dem Gerät verwendet, gegen das sie schützen sollen, z. B. gegen Überspannungen in elektronischen Geräten. Ein Transienten-Überspannungsschutz wird aufgrund seiner guten Frequenzgangs häufig in den Kommunikationssignalschaltungen elektronischer Geräte eingesetzt.

Ein Transienten-Überspannungsschutz wird zwischen der Signalleitung und GND des zu schützenden Geräts installiert und ist wirksamer, wenn er in der Nähe des Eingangs von Fremdgeräuschen angebracht werden. Er dringt in der Regel über den Kabelbaum und die Steckverbinder auf der Leiterplatte ein, so dass es gängige Praxis ist, ihn in der Nähe der Steckverbinder auf der Leiterplatte anzubringen.

Funktionsweise des Transienten-Überspannungsschutzes

Der Transienten-Überspannungsschutz unterscheiden sich je nach Typ in Aufbau und Eigenschaften, zeichnet sich jedoch durch eine konstante Überspannung zum Schutz des Geräts aus. Sein sehr hohes Energieaufnahmevermögen schützt Geräte in Stromkreisen vor transienten Spannungsstößen.

Die Funktionsweise der konstanten Spannung besteht darin, dass bei Anlegen einer Überspannung an einen Unterdrücker transienter Spannungen und Überschreiten der Durchbruchsspannung des Unterdrückers ein Strom durch den Unterdrücker transienter Spannungen unter Ausnutzung der Eigenschaften der Zener-Diode fließt. Die Auslegung der Spannung innerhalb der Nennspannung des zu schützenden Geräts ermöglicht eine sichere Verwendung des Gerätekinds und verhindert Schäden an Schaltungen und Elementen.

Ein Transienten-Überspannungsschutz hat je nach Typ unterschiedliche Reaktionszeiten: Reaktionszeiten von etwa 1ps für TVS-Dioden und weniger als 1us für Avalanche-Dioden sind üblich. Er kann schneller auf Überspannungen reagieren als Überspannungsschutzkomponenten wie Varistoren. Er wird auch häufig als Schutzkomponenten in elektronischen Schaltungen eingesetzt, da seine Leistung mit zunehmendem Alter oder der Anzahl der Anwendungen nicht nachlässt und er übermäßige Ströme und Klemmenspannungen vermeiden kann.

Auswahl eines Transienten-Überspannungsschutzes

1. Zulässige Spannung

Im Gegensatz zu Konstantspannungsdioden sind Transienten-Überspannungsschutzgeräte nicht dafür ausgelegt, einen konstanten Strom zu führen. Daher sollte die zulässige Spannung höher sein als die maximale Spannung des installierten Betriebskreises. 

2. Kapazität

Transienten-Überspannungsschutzgeräte haben eine kapazitive Komponente, die auf die Leistung des Elements zurückzuführen ist. Unter normalen Bedingungen, wenn keine Stoßspannung erzeugt wird, verhalten sie sich wie Kondensatoren. Aufgrund des kapazitiven Anteils sind die Anstiegs- und Abfallzeiten der Signalform länger als ohne den Unterdrücker transienter Spannungen. Um die Signalqualität zu schützen, wählen Sie einen für die Signalspezifikation geeigneten Kondensator.

3. Klemmspannung

Die Klemmspannung des Transienten-Überspannungsschutzes sollte niedriger sein als die maximale Nennspannung des zu schützenden Gerätes. Die tatsächliche Klemmspannung ist aufgrund der Auswirkungen des Musters auf der Leiterplatte usw. oft höher als der Wert auf dem Datenblatt.

Was ist ein berührungsloses Heizelement?

Berührungslose Heizelemente sind Heizelemente, die beim Erhitzen eines Objekts Wärme ohne direkten Kontakt übertragen.

Die Wärmequelle muss nicht mit dem Objekt in Kontakt kommen, und das Objekt kann effizient und gleichmäßig erwärmt werden. Berührungslose Heizelemente übertragen den größten Teil der Wärmeenergie direkt auf das Objekt und erwärmen es daher effizient und mit geringem Energieverlust. Da es keinen Kontakt mit dem Objekt gibt, kann außerdem die Gefahr eines Brandes oder einer Verbrennung durch die Hitze verringert werden.

Sie können jedoch teurer sein als herkömmliche Heizmethoden. Außerdem kann die Installation der Geräte und der Technologie teuer sein, und viele Materialien können je nach Prinzip nicht verwendet werden.

Anwendungen für berührungslose Heizelemente

Berührungslose Heizelemente werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Nachfolgend finden Sie einige Beispiele für den Einsatz von berührungslosen Heizgeräten:

1. Industrie

Berührungslose Heizelemente werden häufig in industriellen Prozessen eingesetzt. Sie erhitzen und schmelzen metallische Werkstoffe beim Gießen und Schweißen von Metallen sowie beim Gießen und Fügen. Beim Kunststoffgießen erhitzen sie auch Kunststoffmaterialien, um den Gießprozess zu erleichtern.

Sie werden auch in der Glasverarbeitung eingesetzt, wo sie nützlich sind, um die Formgebung und Abkühlung zu steuern, um eine bestimmte Form und bestimmte Eigenschaften zu erhalten. Bei der Herstellung von Halbleitern sind sie wichtige Geräte zum Erhitzen und zur Wärmebehandlung von Siliziumwafern, um Präzisionsprodukte herzustellen.

2. Lebensmittelverarbeitung

Verfahren zur Trocknung von Lebensmitteln werden eingesetzt, um ihnen Wasser zu entziehen, wodurch die Haltbarkeit verlängert und das Gewicht reduziert werden kann. Hitzesterilisationsverfahren werden eingesetzt, um Mikroorganismen aus Lebensmitteln zu entfernen. Backverfahren erhitzen die Oberfläche von Lebensmitteln gleichmäßig und können Bräunungsstreifen erzeugen.

3. Medizinische Geräte

Berührungslose Heizelemente werden auch zur Erwärmung von medizinischen Geräten und Instrumenten eingesetzt. Bei der Sterilisation von chirurgischen Instrumenten können berührungslose Heizelemente durch die Anwendung hoher Temperaturen Mikroorganismen abtöten. In der Thermotherapie werden berührungslose Heizelemente zur Erwärmung bestimmter Körperregionen eingesetzt, um die Blutzirkulation anzuregen und Muskelverspannungen zu lösen.

Funktionsweise der berührungslosen Heizelemente

Das Hauptprinzip der berührungslosen Heizelemente ist die Energieübertragung durch Wärmestrahlung. Der gängigste Mechanismus ist die Verwendung von Infrarotstrahlung zur Übertragung von Wärme auf ein Objekt.

Infrarotstrahlung ist eine Art elektromagnetischer Strahlung, die für das Auge unsichtbar ist, aber Wärmeenergie enthält. Berührungslose Heizelemente nutzen Strom oder Gas als Energiequelle und können Infrarotstrahlung zur Erwärmung von Gegenständen ausstrahlen.

Infrarotstrahlung hat eine hohe Kapazität zur Übertragung von Wärmeenergie und kann Objekte direkt über die Luft erwärmen. Infrarotstrahlung hat ein bestimmtes Wellenlängenband, das von Objekten absorbiert wird, und eine effiziente Erwärmung kann durch die Auswahl des für das Objekt geeigneten Wellenlängenbandes erreicht werden.

Arten von berührungslosen Heizelementen

Es gibt verschiedene Arten von berührungslosen Heizelementen. Im Folgenden sind Beispiele für berührungslose Heizelemente aufgeführt:

1. Infrarot-Heizgeräte

Diese Strahler erwärmen Objekte durch Infrarotstrahlung. Elektrische Infrarotstrahler wandeln elektrische Energie in Infrarotstrahlung um. Berührungslose Heizelemente werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in der industriellen Heizung und Beheizung.

Es gibt viele verschiedene Arten von Infrarotheizungen, zum Beispiel Keramikheizungen. Diese berührungslosen Heizelemente erzeugen Wärme, indem sie Strom durch eine Keramik leiten, die die angesaugte Luft erwärmt und dann wieder abgibt. Sie zeichnen sich durch eine schnelle Anlaufzeit aus.

2. Induktionsheizungen

Induktionsheizungen sind Heizgeräte, die ein elektromagnetisches Feld nutzen, um einen Gegenstand zu erwärmen. Die Spule, durch die der Strom fließt, erzeugt ein elektromagnetisches Feld und erwärmt das Objekt, indem sie einen induzierten Strom im leitfähigen Material des Objekts erzeugt. So lassen sich beispielsweise stark leitfähige Gegenstände effizient erwärmen. Sie werden häufig in Kochgeschirr und industriellen Heizgeräten eingesetzt.

3. Mikrowellen-Heizgeräte

Diese Heizgeräte verwenden Mikrowellen zur Erwärmung von Gegenständen. Die von einem so genannten Magnetron erzeugten Mikrowellen erwärmen Gegenstände, indem sie die Bewegung von Wassermolekülen aktivieren. Sie werden in Mikrowellenherden im Haushalt und in industriellen Heizsystemen eingesetzt.

4. Laser-Heizgeräte

Diese Heizgeräte verwenden Laserstrahlen zur Erwärmung von Gegenständen. Ein hochenergetischer Lichtstrahl wird auf das Objekt gestrahlt, und die von der Objektoberfläche absorbierte Lichtenergie wird in Wärmeenergie umgewandelt, die dann das Objekt erwärmt. Sie werden eingesetzt, wenn eine präzise Steuerung der Erwärmung oder eine örtlich begrenzte Erwärmung erforderlich ist.

Was ist ein PoE-Extender?

Power Over Ethernet (PoE) ist eine Technologie, die gleichzeitig Datenübertragung und Stromversorgung bietet, im Allgemeinen über ein Ethernet-Kabel.

Dadurch können sowohl die Datenübertragung als auch die Stromversorgung über ein einziges Kabel erfolgen, statt wie bisher über eine getrennte Datenübertragung und Stromversorgung, was die Infrastruktur vereinfacht und die Kosten senkt. PoE wird in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt, z. B. in Überwachungskameras, drahtlosen LAN-Zugangspunkten und VoIP-Telefonen.

Anwendungen von PoE-Extendern

Eine typische Anwendung für PoE-Extender sind IP-basierte Überwachungskamerasysteme. Da die Strom- und Datenübertragung über ein einziges Kabel erfolgt, spielt es keine Rolle, wenn am Installationsort der Kamera keine Stromversorgung vorhanden ist.

Dies erleichtert die Ausdehnung des Überwachungsbereichs und trägt zu einer erhöhten Sicherheit bei. Weitere Anwendungen sind:

1. Drahtlose Netzwerkausrüstung

Drahtlose LAN-Zugangspunkte sind ein weiterer wichtiger Anwendungsfall für PoE. Bei der Bereitstellung drahtloser Verbindungen in einem Gebäude ermöglicht PoE eine flexible Bereitstellung von Geräten. Die Zugangspunkte können an den am besten geeigneten Stellen installiert werden, ohne dass sie auf den Ort beschränkt sind, an dem die Stromversorgung benötigt wird.

2. VoIP-Telefonie

Telefon und Daten werden über das gleiche Kabel übertragen, was die Installation und den Umzug des Telefons erleichtert. Die Telefone sind auch dann verfügbar, wenn die Stromversorgung unterbrochen ist, was sie zu einem hervorragenden Kommunikationsmittel in Notfällen macht.

3. IoT-Geräte

PoE wird zur Stromversorgung von IoT-Geräten verwendet, insbesondere von Sensoren und Aktoren, die in intelligenten Gebäuden und intelligenten Häusern eingesetzt werden. Dies ermöglicht die Stromversorgung und Datenkommunikation über ein einziges Kabel, was die Installation und Verwaltung erheblich erleichtert.

4. Netzwerk-Switches

Ein PoE-fähiger Netzwerk-Switch erhöht die Anzahl der Geräte, die über den Switch mit Strom versorgt werden können. Das macht die Kabelverwaltung noch einfacher und ermöglicht einen effizienteren Netzwerkaufbau.

Funktionsweise der PoE-Extender

Ethernet-Kabel sind in der Regel Bündel von acht Kupferdrähten, die für die Datenübertragung und die Stromversorgung zuständig sind; das Grundprinzip von PoE besteht darin, dass diese Kupferdrähte zur gleichzeitigen Übertragung von Daten und Strom verwendet werden können.

In diesem Fall gibt es zwei Arten der Energieversorgung bei PoE: Alternative A und Alternative B.

1. Alternative A

Bei Alternative A erfolgen die Datenübertragung und die Stromversorgung über das gleiche Kabelpaar (1,2 oder 3,6 Paare). Dies wird auch als “Endspan” bezeichnet.

2. Alternative B

Bei Alternative B werden Kabel mit unterschiedlichen Paaren für die Stromversorgung und die Datenübertragung verwendet (4,5 Paare und 7,8 Paare für die Stromversorgung). Dies wird auch als “Midspan”- oder “Injektor”-Methode bezeichnet.

3. PSE und PD

Es gibt zwei Hauptkomponenten in einem PoE-System: den PSE (Power Sourcing Equipment) und das PD (Powered Device). Der PSE ist das Gerät, das den Strom liefert (z. B. Netzwerk-Switch oder Injektor) und das PD ist das Gerät, das den Strom empfängt (z. B. IP Kameras, drahtlose LAN-Zugangspunkte, usw.).

Der PSE erkennt, ob ein PoE-fähiges Gerät angeschlossen ist und stellt den entsprechenden Strom bereit. Dies bietet einen sicheren Schutz vor versehentlichem Anschluss von Nicht-PoE-Geräten. Außerdem kann es die vom PD benötigte Strommenge genau messen und sie ohne Über- oder Unterversorgung liefern.

Arten von PoE-Extendern

Es gibt verschiedene Standards für PoE-Extender, die jeweils unterschiedliche Leistungsstufen unterstützen; die Unterschiede zwischen PoE, PoE+ und PoE++ sind wie folgt:

1. PoE (IEEE 802.3af)

Dies ist der erste PoE-Standard und kann eine Leistung von bis zu 15,4 Watt liefern. Er eignet sich für Geräte mit geringem Stromverbrauch wie IP-Kameras, VoIP-Telefone und einige Wireless Access Points.

2. PoE+ (IEEE 802.3at)

Bei diesem Standard handelt es sich um eine erweiterte Version von PoE, die eine Leistung von bis zu 30 Watt liefern kann. Dadurch eignet er sich für Geräte mit hohem Stromverbrauch, z. B. IP-Kameras mit Panoramablick und leistungsstarke drahtlose Zugangspunkte wie Wi-Fi 6.

3. PoE++ (IEEE 802.3bt)

Dieser Standard wurde weiter verbessert und kann bis zu 60 Watt (Typ 3) oder 99 Watt (Typ 4) Leistung liefern. Dies ermöglicht den Einsatz von Geräten mit hohem Stromverbrauch, die über PoE-Extender mit Strom versorgt werden müssen. Beispiele hierfür sind Digital Signage, leistungsstarke Wi-Fi Access Points und einige Laptops.

Was ist ein Ultratiefkühlgerät?

Ultratiefkühlgeräte sind Kühlschränke, die sehr niedrige Temperaturen halten können.

Während ein normaler Kühlschrank Temperaturen zwischen 0 °C und 10 °C aufrechterhält, sind Ultratiefkühlgeräte in der Lage, Temperaturen im unteren Temperaturbereich zu halten. Die Definition des Begriffs „Tiefsttemperatur“ variiert von Hersteller zu Hersteller, aber der typische Temperaturbereich eines Ultratiefkühlgeräts liegt zwischen -80 °C und -196 °C. Wenn noch niedrigere Temperaturen erforderlich sind, können auch Ultratiefkühlgeräte mit flüssigem Helium eingesetzt werden.

Diese Gefriergeräte nutzen eine fortschrittliche Kühltechnologie, um die Temperatur auf fast -268,9 °C, den Siedepunkt von flüssigem Helium, zu senken. Gefriergeräte mit einer Temperatur von -80 °C sind für Forschungszwecke relevant.

Ultratiefkühlgeräte, die in Labors verwendet werden, sind tief und werden aufgrund ihrer Form oft als Tiefkühlschränke bezeichnet. Ultratiefkühlgeräte können sehr niedrige Temperaturen erreichen und eignen sich daher besonders für Substanzen und Proben, die bei niedrigen Temperaturen gelagert oder verarbeitet werden müssen.

Anwendungen von Ultratiefkühlgeräten

Ultratiefkühlgeräte werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Nachfolgend finden Sie einige Beispiele für den Einsatz von Ultratiefkühlgeräten:

1. Medizinische Anwendungen

Ultratiefkühlgeräte werden für die Lagerung von biologischen Proben und Arzneimitteln verwendet. So können beispielsweise Zellen, DNA und Impfstoffe bei ultratiefen Temperaturen gelagert werden, um ihre Qualität und Stabilität zu erhalten. In der Forschung werden sie auch für Experimente und Analysen bei niedrigen Temperaturen eingesetzt.

Sie sind auch in Bereichen wie der regenerativen Medizin von Bedeutung und können für die Konservierung und den Transport von Gewebe verwendet werden. In der klinischen Forschung werden sie auch zur Lagerung biologischer Proben und zur Verwaltung von Biobanken verwendet.

Typischerweise werden sie auch in Krankenhäusern für die Lagerung von biochemischen Proben wie Blut und Urin verwendet, obwohl ihr Marktanteil aufgrund der wachsenden Zahl von Blutbanken weltweit zunimmt. Während die Installationskosten hoch sind, zeichnen sie sich durch geringe Treibhausgasemissionen aus.

2. Lebensmittel

Ultratiefkühlgeräte werden für die Herstellung und Lagerung von Tiefkühlkost verwendet. Durch schnelles Einfrieren von Lebensmitteln bei sehr niedrigen Temperaturen können Lebensmittel über lange Zeiträume hinweg konserviert werden, ohne dass ihre Qualität beeinträchtigt wird. Bei ultratiefen Temperaturen wird das Wachstum von Mikroorganismen gehemmt und die Frische und der Geschmack der Lebensmittel bleiben erhalten.

In Ultratiefkühlgeräten kann ein breites Spektrum von Lebensmitteln kann eingefroren und konserviert werden, darunter auch Gemüse und Meeresfrüchte. Dies ermöglicht die Lieferung von Lebensmitteln zu jeder Jahreszeit und verbessert die Effizienz von Vertrieb und Transport.

3. Verarbeitende Industrie

In der Halbleiterindustrie sind Ultratiefkühlgeräte unverzichtbar. Fertigungsprozesse und Materialien müssen bei ultratiefen Temperaturen gekühlt werden, z. B. in Ultratiefkühlgeräten mit flüssigem Stickstoff. Sie werden häufig für die Materialsynthese, katalytische Reaktionen und supraleitende Materialien verwendet.

Funktionsweise der Ultratiefkühlgeräte

Ultratiefkühlgeräte verwenden spezielle Kühltechniken, um sehr tiefe Temperaturen zu erreichen. Vor allem die Verdunstungskühlung sowie die Kühlung durch Kältemittelumlauf werden häufig eingesetzt.

Bei der Verdunstungskühlung werden Kältemittel wie flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium verwendet, die beim Verdampfen Wärme verlieren. Um die Temperatur im Inneren eines Ultratiefkühlgeräts zu senken, werden häufig Kältemittel in Behälter oder Rohre im Inneren des Kühlschranks eingeleitet und verdampfen. Das verdampfende Kältemittel nimmt Wärme auf, wodurch ein Kühleffekt entsteht, der die Umgebungstemperatur senkt.

Bei der Kältemittelumlaufkühlung wird in der Regel ein Kältemittel, z. B. FCKW, umgewälzt. Nachdem das Kältemittel einen Kühleffekt erzielt hat, der die Temperatur im Gefrierschrank senkt, wird es durch eine Kältemittelpumpe oder einen Kaltwassersatz wieder verdichtet. Durch diesen Kreislauf übt das Kältemittel wiederholt seine Kühlwirkung aus und hält die Tiefsttemperatur aufrecht.

Die wichtigsten Kältemittel sind derzeit R32 und R410A. In den letzten Jahren wurden auch Produkte mit Kohlendioxid und anderen Kältemitteln entwickelt.

Auswahl eines Ultratiefkühlgeräts

Bei der Auswahl eines Ultratiefkühlgeräts werden Faktoren wie Fassungsvermögen, Kühltemperaturbereich und Nutzungsanforderungen berücksichtigt:

1. Fassungsvermögen

Das genaue Fassungsvermögen hängt von der Menge und der Größe der zu lagernden Waren ab, daher sollten Sie genau wissen, wie viel Platz Sie benötigen. Es ist auch wichtig, die Kapazität großzügig zu wählen, um zukünftige Bedarfsänderungen zu berücksichtigen.

2. Kühltemperaturbereich

Ultratiefkühlgeräte können verschiedene Temperaturbereiche bieten. Je nach den Anforderungen an die zu lagernden Güter wird der erforderliche Kühltemperaturbereich ermittelt. Typische Kühltemperaturbereiche liegen zwischen -80 °C und -196 °C, aber spezielle Anwendungen erfordern oft niedrigere Temperaturen.

3. Nutzungsanforderungen

Ultratiefkühlgeräte verfügen über eine Vielzahl von Funktionen, wie z. B. Temperaturregelung und Türverriegelung. Bei der Auswahl der Funktionen, die Sie benötigen, sollten Sie sich an Ihren Anforderungen an das Proben- und Produktmanagement orientieren.

Was ist ein CCD-Sensor?

Ein CCD-Sensor ist ein Halbleiterbauelement, das als ladungsgekoppeltes Bauelement Lichtintensität in elektrische Ladung umwandelt.

CCD-Sensoren sind eine Art von Bildsensor und waren bis 2004 der vorherrschende Typ, bis sie von CMOS-Sensoren in Bezug auf die Anzahl der Auslieferungen überholt wurden.

Er besteht aus einer großen Anzahl von Elementen, den so genannten Pixeln, die in einem Gittermuster angeordnet sind. Die Anzahl der Pixel in einer Kamera bezieht sich auf die Anzahl dieser Elemente und verwendet die Einheit Pixel. In der Praxis geht die Anzahl in der Regel in die Millionen von Pixeln.

Die Pixel, die die drei Grundfarben des Lichts – Rot, Grün und Blau (RGB) oder ihre Komplementärfarben Cyan, Magenta und Gelb/Grün (CMYG) – übertragen, sind in einem mosaikartigen Muster angeordnet und werden in vertikaler und horizontaler Reihenfolge von einem Pixel zum anderen übertragen, wobei das Signal durch einen Verstärker verstärkt wird, bevor es als Bilddaten übertragen wird. Diese Bewegungsfolge wird oft als “Bucket Relay” bezeichnet. 

Anwendungen von CCD-Sensoren

Während CMOS-Sensoren in Fotoapparaten, Videokameras und Scannern die Regel sind, werden CCD-Sensoren aufgrund ihrer höheren Empfindlichkeit bei langen Belichtungszeiten häufig in vielen gängigen Digitalkameras, astronomischen Teleskopen und Mikroskopen eingesetzt.

In den letzten Jahren werden CCD-Sensoren zunehmend auch in den eingebauten Kameras von Mobiltelefonen verwendet. Diese Lichtsensoren werden in vielen Bereichen eingesetzt, z. B. bei der Messung der Lichtintensität, der Bildmessung, der Aufnahme von DVDs und der Erkennung optischer Signale in der optischen Kommunikation.

Funktionsweise der CCD-Sensoren

Wenn die Verarmungsschicht einer Fotodiode Licht empfängt, werden im Inneren Elektronen-Loch-Paare gebildet. Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet. Die gespeicherte Ladungsmenge nimmt mit zunehmender Lichtintensität zu und das Phänomen, dass eine Spannung proportional zur Lichtintensität erzeugt wird, wenn das Licht auf die Diode fällt, wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet.

Aufgrund des internen elektrischen Feldes in der Verarmungsschicht werden Elektronen-Loch-Paare von Elektroden aufgefangen, durch die ein elektrischer Strom fließt. CCD-Sensoren sind somit für die Umwandlung der Lichtintensität in ein elektrisches Signal verantwortlich.

Aufbau eines CCD-Sensors

Der CCD-Sensor besteht aus einer Fotodiode mit Schichten aus p-, n- und i-Typ-Halbleitern, hauptsächlich aus Silizium, die zwischen einer lichtsammelnden Linse auf der Einfallseite, einem Filter, der Licht einer bestimmten Wellenlänge durchlässt und Metallelektroden (Kathode und Anode) auf der Ober- und Unterseite angeordnet sind.

1. Mikrolinse

Mikrolinsen befinden sich auf der obersten Fläche jedes Pixels, um das Licht zu bündeln. Da sie wie Halbleiterbauelemente auf Wafern aus Glas- oder Harzmaterialien hergestellt werden, werden sie auch als On-Chip-Mikrolinsen bezeichnet.

2. Farbfilter

Farbfilter werden auf dünnen Glassubstraten mit einem Farbresistfilm hergestellt, der selektiv Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässt, so dass rotes (R, Wellenlänge 640-770 nm), grünes (G, Wellenlänge 490-550 nm) und blaues (B, Wellenlänge 430-490 nm) Licht direkt in die darunter liegende Fotodiode gelangt. Die Fotodioden werden durch das Licht direkt unter ihnen beleuchtet. Um zu verhindern, dass sich benachbarte Farben vermischen, wird zwischen den Farbfiltern eine dünne schwarze Trennwand, die so genannte schwarze Matrix, gebildet. Da sie auf einem Halbleiterplättchen im gleichen Fertigungsverfahren wie Halbleiter hergestellt werden, werden sie auch als “On-Chip-Farbfilter” bezeichnet.

3. Fotodiode

Eine Fotodiode besteht aus einem p-Halbleiter auf der Oberseite (Lichteintrittsseite) und einem n-Halbleiter auf der Unterseite, mit einer Anode auf der Oberseite und einer Kathode auf der Unterseite; am Übergang zwischen dem p- und dem n-Halbleiter (pn-Übergang) bildet sich ein internes elektrisches Feld ohne Ladung, die so genannte Verarmungsschicht.