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Entwicklung einer auf bistabilen Mikrorelais basierenden Schaltmatrix für nachrichtentechnische Anwendungen

Büttgen, Christoph :
Entwicklung einer auf bistabilen Mikrorelais basierenden Schaltmatrix für nachrichtentechnische Anwendungen.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2011)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Die Telekommunikation besitzt in der heutigen technisierten Welt einen viel höheren Stellenwert als früher. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Integration einer automatischen Schaltmatrix für elektrische Leitungen, bestehend aus am Institut EMK entwickelten elektrothermischen bistabilen Mikrorelais, in bestehende deutsche Telekommunikationsstrukturen.

Diese Mikrorelais sind mit den Außenabmessungen 3,6 x 5,8 x 0,3 mm3 deutlich kompakter, als vergleichbare elektromechanische Relais. Im Rahmen einer Anforderungsanalyse sollen diese Telekommunikationssysteme analysiert und derjenige Teilbereich bestimmt werden, in dem die Matrix unter Einhaltung geltender Normen und Vorschriften am Besten eingesetzt werden kann. Die Analyse ergibt, dass ein Einsatz der Matrix in dem an Straßen stehenden Telekommunikationsverteilerkasten den größten Fortschritt erbringen wird. Dieser wird Kabelverzweiger (KVZ) genannt. Die Verschaltung in seinem Inneren erfolgt aktuell durch manuelle Verdrahtung. Sie zu ändern benötigt den Einsatz eines Technikers vor Ort. Eine Automation dieses KVZ bietet dem Kunden eine schnellere Wiedererlangung seiner bezahlten Telekommunikationsdientsleistungen im Störungsfall, sowie eine schnellere Umschaltung im Falle eines Anbieterwechsels.

In der Entwicklungsphase soll ein auf den Einsatz der Matrix im Kabelverzweiger abgestimmtes Verschaltungskonzept ausgewählt werden. Die Wahl fällt auf eine sogenannte Zeilen-/Spaltenansteuerung. In diesem Konzept sind die Setz-/Rücksetzeingänge der Relais zeilenweise, sowie die Massen der Relais spaltenweise verschaltet. Aus dem gewählten Konzept wird im CAD-Programm AutoCAD ein Matrixlayout erstellt, um die Matrix mikrotechnisch zu fertigen. Diese Matrix besteht aus 64 Relais.

Das Verhalten der elektrothermischen Aktoren bei einer Speisung mit konstanter Spannung ist wenig erforscht. Es wird ein Modell des Aktors erstellt und dessen Aufheizvorgang simuliert. Die Simulation zeigt, dass ein stufenweiser Anstieg der Betriebsspannung von 1,2 V auf 1,5 V die beste Möglichkeit ist, den Aktor auf 150°C Betriebstemperatur aufzuheizen, ohne ihn thermisch zu überlasten. Diese Ergebnisse werden bei der Entwicklung der Ansteuerelektronik berücksichtigt.

Als zentrales Steuerelement wird ein ATmega128 Mikrocontroller verwendet. Dieser ist via USB an einen PC angeschlossen. Portexpander erweitern seine Ausgänge und steuern die High- und Low-Side-Schalter der Matrix. Diese Schalter sind als Mosfets ausgeführt. Die zum Schalten nötigen Spannungen werden der Matrix als Pulsweitenmodulation zugeführt. Ein LabVIEW-Programm ermöglicht dem Benutzer eine komfortable Bedienung der Schaltmatrix. Ein Demonstrator der Matrix wird im Reinraum des Institut EMK auf einem 4“ Keramikwafer hergestellt. Dieser verfügt über vier Eingangs- und acht Ausgangskanäle. Durch systematische Fehler im gegebenen Fertigungsprozess kann kein funktionsfähiges Relais hergestellt werden. Messungen an der aufgebauten Matrix sind somit nicht möglich. Eine automatische Schaltmatrix aus fehlerfrei hergestellten Mikrorelais kann die manuelle Verdrahtung eines KVZ ersetzen.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2011
Autor(en): Büttgen, Christoph
Titel: Entwicklung einer auf bistabilen Mikrorelais basierenden Schaltmatrix für nachrichtentechnische Anwendungen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Die Telekommunikation besitzt in der heutigen technisierten Welt einen viel höheren Stellenwert als früher. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Integration einer automatischen Schaltmatrix für elektrische Leitungen, bestehend aus am Institut EMK entwickelten elektrothermischen bistabilen Mikrorelais, in bestehende deutsche Telekommunikationsstrukturen.

Diese Mikrorelais sind mit den Außenabmessungen 3,6 x 5,8 x 0,3 mm3 deutlich kompakter, als vergleichbare elektromechanische Relais. Im Rahmen einer Anforderungsanalyse sollen diese Telekommunikationssysteme analysiert und derjenige Teilbereich bestimmt werden, in dem die Matrix unter Einhaltung geltender Normen und Vorschriften am Besten eingesetzt werden kann. Die Analyse ergibt, dass ein Einsatz der Matrix in dem an Straßen stehenden Telekommunikationsverteilerkasten den größten Fortschritt erbringen wird. Dieser wird Kabelverzweiger (KVZ) genannt. Die Verschaltung in seinem Inneren erfolgt aktuell durch manuelle Verdrahtung. Sie zu ändern benötigt den Einsatz eines Technikers vor Ort. Eine Automation dieses KVZ bietet dem Kunden eine schnellere Wiedererlangung seiner bezahlten Telekommunikationsdientsleistungen im Störungsfall, sowie eine schnellere Umschaltung im Falle eines Anbieterwechsels.

In der Entwicklungsphase soll ein auf den Einsatz der Matrix im Kabelverzweiger abgestimmtes Verschaltungskonzept ausgewählt werden. Die Wahl fällt auf eine sogenannte Zeilen-/Spaltenansteuerung. In diesem Konzept sind die Setz-/Rücksetzeingänge der Relais zeilenweise, sowie die Massen der Relais spaltenweise verschaltet. Aus dem gewählten Konzept wird im CAD-Programm AutoCAD ein Matrixlayout erstellt, um die Matrix mikrotechnisch zu fertigen. Diese Matrix besteht aus 64 Relais.

Das Verhalten der elektrothermischen Aktoren bei einer Speisung mit konstanter Spannung ist wenig erforscht. Es wird ein Modell des Aktors erstellt und dessen Aufheizvorgang simuliert. Die Simulation zeigt, dass ein stufenweiser Anstieg der Betriebsspannung von 1,2 V auf 1,5 V die beste Möglichkeit ist, den Aktor auf 150°C Betriebstemperatur aufzuheizen, ohne ihn thermisch zu überlasten. Diese Ergebnisse werden bei der Entwicklung der Ansteuerelektronik berücksichtigt.

Als zentrales Steuerelement wird ein ATmega128 Mikrocontroller verwendet. Dieser ist via USB an einen PC angeschlossen. Portexpander erweitern seine Ausgänge und steuern die High- und Low-Side-Schalter der Matrix. Diese Schalter sind als Mosfets ausgeführt. Die zum Schalten nötigen Spannungen werden der Matrix als Pulsweitenmodulation zugeführt. Ein LabVIEW-Programm ermöglicht dem Benutzer eine komfortable Bedienung der Schaltmatrix. Ein Demonstrator der Matrix wird im Reinraum des Institut EMK auf einem 4“ Keramikwafer hergestellt. Dieser verfügt über vier Eingangs- und acht Ausgangskanäle. Durch systematische Fehler im gegebenen Fertigungsprozess kann kein funktionsfähiges Relais hergestellt werden. Messungen an der aufgebauten Matrix sind somit nicht möglich. Eine automatische Schaltmatrix aus fehlerfrei hergestellten Mikrorelais kann die manuelle Verdrahtung eines KVZ ersetzen.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Aktor elektrothermisch, Elektrisches Ersatzschaltbild thermischer Systeme, Matrixansteuerung, Schaltmatrix Mikrorelais, Thermisches Ersatzschaltbild
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:24
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1756

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 04-10-2010

Ende Datum: 04-04-2011

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1756
Gutachter / Prüfer: Staab, Dipl.-Ing. Matthias ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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