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In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen der Motorkühlluft auf den aerodynamischen Widerstand von Kraftfahrzeugen am Beispiel eines Golf 7 analysiert. Hierzu werden Untersuchungen im Windkanal der Volkswagen AG sowie numerische Strömungssimulationen basierend auf der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) durchgeführt. Im Vorfeld ist es erforderlich, das eingesetzte Simulationsprogramm (PowerFlow) sowie das Simulations-Set-up dahingehend zu überprüfen und zu ertüchtigen, dass es die im Windkanal gemessenen Werte mit der geforderten Genauigkeit wiedergibt. Zum Abgleich der Simulationsergebnisse werden neben Druck- und Kühlluftmassenstrommessungen auch umfangreiche Untersuchungen mittels Particle Image Velocimetry (PIV) durchgeführt. Neben den Windkanalversuchen mit dem Versuchsfahrzeug wird auch das Strömungsfeld der leeren Messstrecke mittels PIV untersucht. Des Weiteren wird der Vorderwagen inklusive Motorraum eingescannt und mit dem Simulationsmodell verglichen, um die Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den Messwerten aus den Windkanalversuchen zu verbessern. Auf Grundlage von Mess- und Scandaten des Fahrzeugs wird das Simulations-Set-up so angepasst, dass die geforderte Übereinstimmung der experimentellen und numerischen Ergebnisse gegeben ist. Durch die Analyse der Fahrzeugströmung kann bei verschlossenen Kühlluftöffnungen ein Rückströmungseffekt ermittelt werden, der die Bestimmung des Kühlluftwiderstandes basierend auf der Differenz der Luftwiderstände mit und ohne Kühlluft infrage stellt. Im Weiteren werden die Hauptströmungspfade der Kühlluft lokalisiert und eine theoretische Betrachtung der Kühlluftauswirkungen durchgeführt, um zu bestimmen, an welchen Stellen der Kühlluftwiderstand beeinflusst werden kann. Resultierend daraus werden die drei Bereiche Kühllufteinlass, Kühlluftauslass in die Radhäuser und in den Unterboden identifiziert, in denen eine positive Beeinflussung des Kühlluftwiderstandes möglich ist. Als Ergebnis dieser Analysen wird eine leckagefreie Kühlluftführung mit reduzierten Kühllufteinlassflächen umgesetzt. Des Weiteren wird die Kühlluft über neu entwickelte Luftauslässe im Radhaus und Unterboden der Umströmung zugeführt. Mit diesen Maßnahmen kann im Windkanalversuch der cW-Wert des Golf 7 in Summe um ΔcW = 0,025 und der Kühlluftwiderstand um 60 % gesenkt werden., In this study, the effects of engine cooling air on the aerodynamic drag of motor vehicles are analysed using the example of a Golf 7. For this purpose, investigations in the Volkswagen AG wind tunnel and numerical flow simulations based on the Lattice-Boltzmann method (LBM) are carried out. Beforehand, the simulation programme (PowerFlow) and the simulation set-up have to be checked and enabled to display the values measured in the wind tunnel with the required accuracy. In addition to pressure and cooling air mass flow measurements, extensive investigations using particle image velocimetry (PIV) are carried out to compare the simulation results. In addition to the wind tunnel tests with the test vehicle, the flow field of the empty test section is examined using PIV. Furthermore, the front end of the vehicle, including the engine compartment, is scanned and compared with the simulation model in order to improve the agreement between the simulation results and the measured values from the wind tunnel tests. Based on the measured and scanned data of the vehicle, the simulation set-up is adapted in such a way that the required agreement between the experimental and numerical results is given. By analysing the vehicle flow, a backflow effect can be determined with closed cooling air inlets, what calls the determination of the cooling air resistance based on the difference of the air drags with and without cooling air into question. Moreover, the main flow paths of the cooling air are localised and a theoretical consideration of the cooling air effects is carried out in order to determine at which points the cooling air drag can be influenced. As a result, the three areas of cooling air inlet, cooling air outlet into the wheel arches and into the underbody are identified where a positive influence on the cooling air drag is possible. Based on of these analyses, a leakage-free cooling air duct with reduced cooling air inlet areas is implemented. Furthermore, the cooling air is fed to the air flow via newly developed air outlets in the wheel arch and underbody. With these measures, the cW value of the Golf 7 can be reduced by a total of ΔcW = 0,025 and the cooling air drag by 60 % in the wind tunnel test.

Das große Bauvolumen aktueller industrieller dreiphasiger Zweilevel-Netzumrichter und die damit verbundene geringe Leistungsdichte wird hauptsächlich durch den notwendigen EMV-Filter hervorgerufen. Aktuelle Veröffentlichungen zur Flying-Capacitor-Multilevel-Topologie zeigen das enorme Potential dieser Topologie im Hinblick auf kompakte EMV-Filter und eine damit verbundene hohe Leistungsdichte des gesamten Umrichters. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, wie der Flying-Capacitor-Multilevel-Umrichter in Kombination mit GaN-Schaltern für Niederspannungsindustrieanwendungen aussehen kann., Das große Bauvolumen aktueller industrieller dreiphasiger Zweilevel-Netzumrichter und die damit verbundene geringe Leistungsdichte wird hauptsächlich durch den notwendigen EMV-Filter hervorgerufen. Aktuelle Veröffentlichungen zur Flying-Capacitor-Multilevel-Topologie zeigen das enorme Potential dieser Topologie im Hinblick auf kompakte EMV-Filter und eine damit verbundene hohe Leistungsdichte des gesamten Umrichters. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, wie der Flying-Capacitor-Multilevel-Umrichter in Kombination mit GaN-Schaltern für Niederspannungsindustrie-anwendungen aussehen kann. Auf Basis der benötigten Komponenten eines solchen Umrichters wird zunächst eine Monte-Carlo Optimierung angefertigt. Die Ergebnisse dieser Optimierung zeigen einen Bereich für die elektrischen Parameter auf, in welchem eine größtmögliche Leistungsdichte und Effizienz für diesen Umrichter erzielt werden kann. Beruhend auf den Ergebnissen werden unterschiedlichste Hardwareprototypen, startend von der einzelnen Kommutierungszelle bis hin zum dreiphasigen Umrichter, vorgestellt. Untersuchungen an diesen Prototypen zeigen, dass es für die hohen resultierenden Schaltfrequenzen des dargestellten Umrichters noch einige unerforschte Effekte gibt. Diese beruhen zum Teil auf kleinsten parasitären Komponenten der Leiterplatte, oder der verwendeten Bauteile und können die Ausgangskennlinien des Umrichters stark beeinträchtigen. Mittels einer Simulation des Umrichters am Netz wird zudem validiert, dass ein solcher Umrichter mit einem dynamischen geschlossenen Regelkreis, wie er in Zweilevel-Umrichtern eingesetzt wird, betrieben werden kann. Überdies werden die typischen Betriebsbedingungen eines industriellen Umrichters theoretisch betrachtet, simuliert und validiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Topologie des Flying-Capacitor-Multilevel-Umrichters in Kombination mit GaN-Schaltern zu einer Verbesserung der Leistungsdichte, der Verluste und der Dynamik jeweils um Faktoren führen kann., The volume of industrial three-phase two level grid connected inverters suffers from large EMI filters which harm the overall power density. Recent publications based on the flying capacitor multilevel topology show the tremendous potential of this topology for compact EMI filters and a high resulting power density of the whole inverter. The results of this work show how such a flying capacitor multilevel inverter could look like for an industrial low voltage application. In the first section of this work the required components and a monte carlo optimization of such an inverter are presented. The outcome of this optimization shows a feasible area of electrical parameters which lead to the highest possible power density and inverter efficiency. Based on these results different hardware prototypes starting from a commutation cell up to a three phase inverter where designed. Investigations at these prototypes show that there are still several unexplored effects for the high resulting switching frequency of these prototypes. These effects are often based on smallest parasitics of the printed circuit board or attached electrical components. These small parasitics can have a huge impact on the output waveform of the inverter. It is also validated by a simulation that it is possible to operate such a grid connected inverter with a dynamic closed loop control used conventional in two level inverters. In addition, the typical operation conditions of an industrial inverter are theoretical investigated, simulated and validated. The results of this work show that the flying capacitor topology in combination with GaN switches could lead to an enhanced power density, reduced losses, and increased dynamic by factors.

Die klimapolitisch bedingte Transformation des elektrischen Energiesystems, bei gleichzeitiger Elektrifizierung sämtlicher Sektoren, führt zu einem deutlich gesteigertem Bedarf an Verteilnetzkapazitäten. Der Ausbau der elektrischen Infrastruktur kann jedoch nicht zuletzt aufgrund komplizierter und verzögerter Genehmigungsverfahren mit dem Integrationstempo neuer Erzeuger und Lasten mithalten. Eine Höherauslastung der Bestandsnetze könnte eine zusätzliche schnell umsetzbare Abhilfe bieten, um den Netzausbaubedarf zu reduzieren oder zeitlich in die Zukunft zu verlagern. Dabei bietet vor allem die Gleichstromtechnologie vielseitige und vielversprechende Lösungsansätze zur Höherauslastung von Verteilnetzen. Dieses Positionspapier gibt einen Überblick über technologische und methodische Ansätze zur Höherauslastung von Bestandsnetzen mit dem Fokus auf der Gleichstromtechnologie. Dabei werden wesentliche betriebliche und physikalische Vorteile der Gleichstromtechnik erläutert und in zwei exemplarischen Fallstudien demonstriert. Dadurch wird der Einsatz der Gleichstromtechnologie als sinnvolle Ergänzung zum herkömmlichen Verteilnetzausbau nachgewiesen.

Seitdem im Jahr 2000 das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) beschlossen wurde, befindet sich die elektrische Energieversorgung im Wandel. Insbesondere der auf den nördlichen Teil des Landes konzentrierte Ausbau von erneuerbaren Energien hat einen erhöhten Bedarf an Stromtransfer von Nord- nach Süddeutschland zur Folge. Für lange Übertragungsstrecken erweist sich die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) gegenüber der konventionellen Hochspannungsdrehstromübertragung (HDÜ) als vorteilhafter. Im Bereich der HGÜ hat sich die Technologie der selbstgeführten modularen MultilevelKonverter (VSC-MMC) durchgesetzt. Durch ihre Funktionsweise bedingt, ergeben sich beim Betrieb derartiger Konverter spektrale Anteile bis in den einstelligen Megahertzbereich. Mit der Einführung der EMV-Richtlinie 2014/30/EU1 und der Überführung in das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln (EMVG) sowie dem Leitfaden zur Anwendung der EMV-Richtlinie2 , bleibt die Entbehrung einer CE-Kennzeichnung bzw. einer Konformitätserklärung oder einer förmlichen EMV-Bewertung für ortsfeste Anlagen, wie es bspw. Freileitungen sind, bestehen. Allerdings wurde hier eine Dokumentationspflicht in Form einer Risikoanalyse, welche für Überprüfungszwecke durch eine nationale Behörde bereitzuhalten ist, eingeführt. Problematisch hierbei ist, dass die Technologie der VSC-MMC im Bereich der Energieübertragung hinsichtlich ihrer EMV in den bestehenden Normen nicht lückenlos und eindeutig beschrieben ist. Speziell für größere transversale Entfernungen von mehr als 100 m besteht Ungewissheit. Daher wird in dieser Dissertation erstmalig ein Modell zur Berechnung des elektromagnetischen Feldes von Freileitungen im Frequenzbereich entwickelt, welches die Berechnung des Feldes in beliebigen Beobachtungspunkten um die Leitung durch die Superposition einzelner quasi-statischer und abgestrahlter Felder ermöglicht. Das Modell wird auf verkettete Leitungen und Mehrleitersysteme ausgeweitet und ermöglicht so die Untersuchung des Einflusses der Freileitungsmasten. Die Verifizierung wird anhand von Simulationen auf Basis der Momentenmethode durchgeführt. Die Validierung erfolgt mittels Messungen in einem Absorberraum und an einem 30 km langen Freileitungssystem. Darüber hinaus befasst sich diese Arbeit mit der Erarbeitung eines Beeinflussungsmodells zur EMV-Risikoanalyse von Funkdiensten, mit Hilfe dessen die Angabe eines objektiven, quantifizierbaren technischen Risikos ermöglicht wird. Die Anwendung des entwickelten Modells zur Berechnung des elektromagnetischen Feldes von Freileitungen wird beispielhaft gezeigt., Since the Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) was passed in 2000, the electrical energy supply has been in a state of change. In particular, the expansion of renewable energies concentrated in the northern part of the country has resulted in an increased demand for electricity transfer from northern to southern Germany. For long transmission distances, high-voltage direct current (HVDC) transmission is proving more advantageous than conventional high-voltage three-phase current (HVDC) transmission. Here, the technology of voltage-source-converter modular multilevel converters (VSC-MMC) has become established. Due to their mode of operation, spectral components down to the single-digit megahertz range result when operating such converters. With the introduction of the EMC Directive 2014/30/EU and the transfer into the law on electromagnetic compatibility of equipment (EMVG) as well as the guideline for the application of the EMC Directive, the dispensing with a CE marking or a declaration of conformity or a formal EMC assessment for fixed installations, such as overhead lines, remains. However, a documentation obligation was introduced in the form of a risk analysis, which must be kept available for inspection purposes by a national authority. With regard to the technology of VSC-MMC the problem arises that this technology is not completely and clearly described in the existing standards with regard to its EMC. Especially for transverse distances exceeding 100 m, there is uncertainty. In this dissertation, for the first time, a model for the calculation of the electromagnetic field of overhead lines in the frequency domain is developed, which allows the calculation of the field in arbitrary observation points around the line by the superposition of static and radiated fields. The model is extended to concatenated lines and multi-conductor systems, allowing the investigation of the influence of the towers. Verification is performed using simulations based on the method of moments. Validation is performed by measurements in an anechoic chamber and on a 30 km long overhead line. Furthermore, this work deals with the development of an influence model for EMC risk analysis for radio services, with the help of which the specification of an objective, quantifiable technical risk is possible. The application of the developed model for the calculation of the electromagnetic field of overhead lines is shown as an example.

Derzeit leidet rund 19 % der Weltbevölkerung an Hörverlust (WHO, World report on hearing, 2021). Dieser Anteil wird Prognosen zufolge in den nächsten Jahrzehnten weiter steigen. Die Beeinträchtigung des Hörvermögens geht zusätzlich mit gravierenden negativen Auswirkungen einher. Dazu zählen eine verringerte soziale Interaktion bis hin zur Isolation, Einfluss auf die psychische und sogar physische Gesundheit, der Zugang zu Bildung und eine dekrementierende Lebensqualität. Diese Folgeerscheinungen stellen einschneidende Belastungen für die Personen dar, aber auch für die Gesellschaft. Es bedarf daher einer Verbesserung der Versorgung von Hörverlust. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit eine portable Forschungs- und Entwicklungsplattform implementiert. Diese Plattform kann als Hilfsmittel für die Entwicklung und praxisnahe Erprobung von entsprechenden Audiosignalverarbeitungsalgorithmen genutzt werden. Die Hardware des Geräts wird in dieser Arbeit weitgehend herstellerunabhängig entworfen. Zu testende Algorithmen können in der Programmiersprache C geschrieben werden. Eine möglichst hohe Adaptabilität zwischen der Funktionsweise aber auch den Restriktionen sowie dem technischen Umfang in einer Hörhilfe wie einem Hörgerät und der Entwicklungsplattform wird sichergestellt. Damit wird die Übertragbarkeit von Erkenntnissen und Entwicklungsarbeiten auf zukünftige Hörhilfen, die bei einer Versorgung eingesetzt werden, gewährleistet. Für die Implementierung einer solchen Plattform wird auf Basis eines Lastenhefts ein Systementwurf erstellt und konkretisiert, bevor ein Schaltplanentwurf sowie dessen Erprobung in Form eines funktionalen Tischaufbaus und ein Leiterplattendesign für eine portable, kosteneffiziente Lösung erfolgen. Ein erster Gehäuseentwurf ermöglicht die Implementierung einer Gesamtlösung, die in natürlicher Geräuschumgebung erprobt und genutzt werden kann. Der Prototyp wird geprüft, die korrekte Funktionsweise sichergestellt und das System mit ausgewählten elektrischen sowie elektroakustischen Eigenschaften charakterisiert. Mit dieser Arbeit wird versucht einen Beitrag für diese gesellschaftliche Herausforderung zu leisten sowie die Lebensqualität der geschädigten Personen auf lange Sicht zu steigern, indem die Entwicklung fortschrittlicher Signalverarbeitung von Audiosignalen für die Versorgung von Hörverlust unterstützt wird. Wissenstransfer sowie interdisziplinäre Zusammenarbeit soll vereinfacht und die Akzeptanz von Hörhilfen durch technischen Fortschritt verbessert werden., These days, WHO estimates that 19 % of the world’s population suffers from hearing loss (WHO, World report on hearing, 2021). According to forecasts, the number of affected people is expected to rise in the fol-lowing decades. Furthermore, impaired hearing is associated with severe adverse side effects including reduced social interaction right up to isolation, restrained physical and mental health, access to education, and a decremented quality of life. These sequelae are heavy burdens and challenges for affected individuals as well as society. Consequently, taking care of hearing loss must be improved. Against this background, a portable platform for research and development is designed and implemented in this thesis. The platform can be used as a tool for engineering and testing algorithms for audio signal processing algorithms in a realistic environment. A device is designed that is mostly independent of manufacturer-specific components. It features C-programmability of algorithms to be tested on the platform. There is a high adaptability between the functionality, the restrictions as well as the technical scope of a hearing device and the portable platform in this work. This ensures that findings and engineered algorithms can be transferred to future hearing aids. The platform is implemented in several steps. First, a system design is conceived based on the requirement specification. This is followed by a schematic circuit diagram design, which is tested in form of a functional model, and the design of a printed board for a cost-efficient, portable device. In combination with a first enclosure concept, a complete solution, which can be used in a realistic acoustic environment, is implemented. This prototype is tested, correct functionality is ensured, and a system characterization with well-chosen electrical as well as electro-acoustic properties is created. This work strives to contribute to those social challenges and to improve impaired persons’ quality of life in the long term by supporting engineering of advanced audio signal processing algorithms for hearing loss care. Knowledge transfer as well as interdisciplinary cooperation is to be facilitated and the reputation of hearing aids can be enhanced thanks to technical progress.

In dieser Arbeit werden kompakte Induktionsspulen als berührungslose elektroma- gnetische Ultraschallwandler (EMATs) ohne zusätzliche Magnete untersucht. Im Vergleich dazu sind klassische, kommerziell verfügbare EMATs auf die Verwendung von voluminösen Permanentmagneten oder separaten Elektromagneten angewiesen. Die Vorteile der EMATs ohne zusätzliche Magnete sind höhere magnetische Flussdichten lokal am Wirkungsort, keine störende Anziehung von ferromagnetischen Fremdobjekten und deutlich kleinere Sensorköpfe, was eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung von kompakten EMAT-Phased-Arrays ist. Die Umsetzung solcher EMATs stellt eine Herausforderung dar, weil die Elektronik für die Ultraschallerzeugung mit Spannungen und Strömen im kV- und kA-Bereich umgehen muss. Aufgrund des bei EMATs generell geringen Wirkungsgrads müssen beim Ultraschallempfang Signale im unteren µV-Bereich detektiert werden. Gleichzeitig dürfen keine Störungen durch die impulsartigen kA-Ströme entstehen und die relativ kleinen EMAT-Induktoren, die als Sensorköpfe dienen, müssen den oft wiederholten kA-Impulsen standhalten. Für die Auslegung von EMATs ohne zusätzliche Magnete werden Modellbildungen für die Magnetfeld- und Schallfeldberechnung gezeigt. Als Demonstrationsszenario wird eine 3D-Lokalisierung einer Inhomogenität im Inneren eines mit Flüssigkeit gefüllten dickwandigen Metallbehälters ohne mechanischen Kontakt zum Behälter (1 mm Luftspalt) erfolgreich durchgeführt. Weiterhin wird eine berührungslose Kantenabtastung einer ferromagnetischen Stahlplatte mit unidirektionalen Lamb-Wellen präsentiert. Die Lamb-Wellen werden mit kontrollierten Interferenzeffekten unidirektional ausgesendet und empfangen. Der kompakte Aufbau des phasengenauen Doppel-EMATs bestätigt die Machbarkeit von Phased-Arrays. Des Weiteren wird gezeigt, wie der Ultraschallempfang mit einem EMAT auf einem ferromagnetischen Prüfkörper ohne eine aktive Magnetisierung (Bias-Magnetfeld) möglich ist. Somit wird die Problematik des zeitlich begrenzten (µs-Bereich) Bias-Magnetfeldes gelöst, wodurch sich deutlich längere (ms- bis s-Bereich) Empfangszeitfenster realisieren lassen. Ohne die Verwendung einer aktiven Magnetisierung entfallen auch Probleme wie das Auftreten von Barkhausenrauschen oder Signalstörungen durch Schaltvorgänge von Dioden zum Schutz vor Polaritätsumkehr der Elektrolytkondensatorbänke. Es entstehen mehr Freiheitsgrade, wodurch neuartige EMAT-Konzepte vorstellbar sind, die flächige Induktoren und Ferritrückplatten mit hohen relativen Permeabilitätszahlen verwenden. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2023

Großflächig lichtemittierende Bauelemente auf Basis von 2D-Halbleitern Zweidimensionale (2D) Materialien stellen eine spannende neue Materialklasse mit metallischen, halbleitenden und isolierenden Eigenschaften dar. Atomar dünne Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs), insbesondere die Familie (Mo, W)(S, Se)2, haben in den letzten Jahren großes Interesse geweckt. Liegen diese 2D-Halbleiter als Monolage mit einer Schichtdicke < 0,7 nm vor, weisen sie eine direkte Bandlücke auf und besitzen eine große Oszillatorstärke, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für zukünftige optoelektronische Anwendungen macht. In der Theorie können alle 2D-Materialien frei kombiniert werden, ohne durch Wachstumsprozesse und Gitterkonstanten eingeschränkt zu sein. Um jedoch TMDCs als 2D-Bausteine für ultradünne lichtemittierenden Bauelemente der nächsten Generation nutzen zu können, gibt es jedoch noch einige Herausforderungen zu überwinden: Bisher zeigen nur wenige Ansätze die Möglichkeit einer Skalierung für die Herstellung im größeren Maßstab, die für praktische Anwendungen relevant ist. Da auch die kontrollierte Herstellung von TMDCs noch immer eine große Herausforderung ist, würde die Kombination eines reproduzierbaren Herstellungsverfahrens mit einer geeigneten skalierbaren Bauelementarchitektur den nächsten Schritt in Richtung 2D-Optoelektronik ebnen. Das in dieser Arbeit entwickelte Grundkonzept lichtemittierender Bauelemente beruht dabei auf einem vollständig vertikalen Design, wodurch dieses prinzipiell beliebig skalierbar ist. Dieser Ansatz basiert auf der Einbettung von WS2-Monolayern in ein p-i-n-Layout unter Verwendung organischen p- und anorganischen n-Hilfsschichten. In einer ersten Machbarkeitsstudie wurden exfolierte WS2-Monolagen verwendet, wobei der Strompfad mittels Laserlithografie senkrecht zur WS2-Flocke definiert wurde. Diese Bauelemente weisen ein diodisches I-U-Verhalten auf und die Elektrolumineszenz (EL) erreicht bei Raumtemperatur eine Leuchtdichte von bis zu 50 cd m-2 im roten Spektralbereich. Um dieses Bauelementkonzept zu skalieren, ist ein großflächiges TMDC-Wachstum mit homogenen Eigenschaften erforderlich. Dafür wird zunächst MoS2 untersucht, das auf 2 ‘‘ Saphir (0001) Wafern mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) gewachsen ist. Hier wird der Zusammenhang zwischen den Wachstumsparametern und der Photolumineszenz (PL) Intensität analysiert. Dabei konnte eine klare Korrelation zwischen der Kristallkorngröße und der PL-Intensität festgestellt werden. Eine Verringerung der Halbwertsbreiten sowohl der Raman-Resonanzen als auch der PL-Spektren wies darüber hinaus auf eine verringerte Defektdichte bei optimierten Wachstumsbedingungen hin. Eine Transfertechnik wurde entwickelt, um großflächig gewachsene WS2-Monolagen in die vertikale p-i-n-Bauelementarchitektur einzubetten. Bei Anlegen einer Spannung zeigten die prozessierten Bauelemente ein gleichrichtendes Verhalten und eine rote EL über eine Fläche von 6 mm2, die nur durch die Größe der Kontaktpads begrenzt ist. Es wurden Einschaltspannungen < 2,5 V erreicht und bei einer Betriebsspannung von 7 V konnte eine Leuchtdichte von fast 1 cd m2 erzielt werden. Durch die erfolgreiche Umsetzung dieses Konzepts auf Foliensubstraten wurden die ersten flexiblen, großflächigen lichtemittierenden Bauelemente auf der Basis von 2D-Halbleitern realisiert. Eine Besonderheit dieser Bauteile ist, dass durch einfaches Biegen eine Verspannung des WS2-Kristalls hervorgerufen werden kann und somit die Farbe der Lichtemission mit -30 meV ε(%)‑1 verändert werden kann., Large scale light-emitting devices based on 2D semiconductors Two-dimensional (2D) materials represent an exciting new material class of conductors, semiconductors, and insulators. Atomically thin transition metal dichalcogenides (TMDCs), in particular the family (Mo, W)(S, Se)2, have attracted tremendous interest in recent years. Forming a direct bandgap for monolayer thickness (< 0.7 nm) and exhibiting exceptional excitonic effects, these 2D semiconductors represent promising compounds for future applications. Due to their naturally passivated surfaces and out-of-plane van der Waals interactions, TMDCs can be used to form heterostructures without lattice constraints. Consequently, TMDCs can serve as 2D building blocks for next-generation ultrathin optoelectronic devices. However, there are still main challenges on the route toward practical light-emitting devices based on TMDC materials: Although, various approaches toward light-emitting devices, e.g., based on exfoliated or chemical vapor deposited TMDC monolayers, have been reported, they all suffer from limited scalability and reproducibility required for industrial fabrication. Furthermore, the controlled fabrication of TMDCs is still a daunting challenge. Combining a scalable and reproducible fabrication route with a suitable and mature device architecture for light-emitting devices would be the next step toward 2D optoelectronics. Here, a novel LED architecture with a vertical and therefore scalable design is developed. This approach is based on embedding WS2 monolayers into a p-i–n layout using organic p- and inorganic n-supporting layers. In a first step of proof-of-concept, exfoliated WS2 monolayers were used. Laser lithography was applied to define the current path perpendicular to the WS2 flake. These devices exhibit diode-like behavior and emit room temperature electroluminescence (EL) with luminance up to 50 cd m−2 in the red spectral range. Scaling this device concept from the lab towards industrial relevant sizes, a large-scale TMDC growth with homogeneous properties is necessary. Serving this, MoS2 grown on 2 ’’ sapphire (0001) wafers via metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used. Here the relation between growth parameters and photoluminescence (PL) intensity, as one of the most important parameters for optoelectronic applications, will be discussed. A prebake step under H2 atmosphere combined with a reduced molybdenum precursor flow increases the crystal grain size by one order of magnitude and strongly enhances PL intensity with a clear correlation to the grain size. A decrease of the linewidths of both, Raman resonances and PL spectra, indicate a reduced defect density at optimized growth conditions. A transfer technique was developed to embed MOCVD WS2 monolayers into the vertical p-i‑n device architecture. Those devices show a rectifying behavior in I-V measurements. With an applied voltage, red EL over an area of 6 mm2 was observed, which is just limited by the size of the contact pads. A turn-on voltage of less than 2.5 V has been achieved, and a luminance of almost 1 cd m2 was obtained at a bias voltage of 7 V. By successful implementation of this concept onto foil substrates, the first large-area flexible light-emitting devices based on 2D materials were realized. Uniquely, the strong dependence of the WS2 bandgap on strain results in a tunable EL emission with a gauge factor of -30 meV ε(%)-1 simply by bending the device. These results pave the way to large-area 2D light-emitting devices that are easily processable and scalable for future ultrathin and flexible light concepts.

Programmierbare elektronische Systeme für sicherheitsgerichtete Anwendungen werden nach Prüfung durch Menschen sicherheitstechnisch abgenommen. Für den praktischen Einsatz können nur solche Systeme zertifiziert werden, die Menschen zuvor als weitestgehend frei von sicherheitskritischen Entwurfsfehlern befunden haben. Komplexität kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da von ihr die Verstehbarkeit von Systementwürfen abhängt. Betriebsmitteladäquatheit ist ein essentielles Element zur Komplexitätsminimierung und hat darüber hinaus weitere, ausfalltolerierende Auswirkungen. Ziel dieser Arbeit ist daher, die im Entwurfslebenszyklus sicherheitsgerichteter programmierbarer elektronischer Systeme eingesetzten Methoden dahingehend zu verbessern, dass Komplexität durch konsequente Anwendung von Betriebsmitteladäquatheit reduziert wird. Dies führt zu verbesserter Prüfbarkeit und damit zu sichereren Systemen. Zunächst werden einige sicherheitskritische Vorfälle analysiert und Schwachstellen identifiziert. Dabei erweist sich zunehmende Komplexität als vorherrschendes Muster im aktuellen Systementwurf. Anschließend werden Anforderungen an Entwurfsmethoden aus geltenden Normen und bewährter Praxis erhoben. Anhand der Norm DIN EN 61508 wird gezeigt, dass ein Großteil der Anforderungen auf wenige einfache und universelle Entwurfsprinzipien zurückgeführt werden kann. Dies vereinfacht die Anforderungserhebung für künftige Entwürfe. Daraus und aus einem kritischen Überblick über den Stand der Technik wird ein Verbesserungsansatz entwickelt, der sich gesicherter Forschungsergebnisse der Kognitionswissenschaft bedient. Es wird ein Verfahren zur Bewertung der Domänenkomplexität anhand kognitiver Wahrnehmung und Verarbeitung vorgestellt. Praxisnahe Beispiele unterstützen, dieses zu erläutern und zu validieren. Unter Zuhilfenahme des Bewertungsverfahrens wird verdeutlicht, dass etablierte Spezifikationsdokumente, Rechnerarchitekturen und Betriebssysteme derart komplex sind, dass sie nur schwer verstanden werden können. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit verbleibender Entwurfsfehler und damit gefährlicher Ausfälle im Feld. Der etablierte Entwurfsprozess wird derart verbessert, dass sämtliche Hardwarebetriebsmittel aus Verhaltensentwürfen abgeleitet werden können. Damit entstehen den Spezifikationen angemessene Entwürfe, die exakt die Betriebsmittel aufweisen, die zur Gewährleistung vorhersehbaren, robusten und verstehbaren Systemverhaltens benötigt werden. Die Arbeit abschließend wird der verbesserte Prozess anhand der betrachteten Sicherheitsvorfälle, der erhobenen Anforderungen sowie der Praxisbeispiele evaluiert. Es wird deutlich, dass der verbesserte Ansatz die sicherheitstechnische Abnahme programmierbarer elektronischer Systeme durch Komplexitätsreduktion vereinfacht. Dies führt zu einem Gewinn an Sicherheit, da das Gefährdungsrisiko durch verbleibende sicherheitskritische Entwurfsfehler verringert wird., Programmable electronic systems for safety-related applications are safety-licensed after having been assessed by humans. For in-field use, only those systems can be licensed, which have been approved by humans to be free, to the greatest extent possible, of safety-critical design errors. Here, complexity is of special importance as the understandability of system designs depends on it. Resource adequacy is an essential element to minimise complexity, and to render further failure-tolerating effects. Thus, the objective of this work is to improve the methods used within the design lifecycle of safety-related programmable electronic systems to the end that complexity is reduced by consequent utilisation of resource adequacy. This leads to better verifiability and, hence, to safer systems. To begin with, some safety incidents are analysed and weaknesses identified. Increasing complexity turns out to be a prevailing pattern of contemporary systems. Then, requirements for design methods are elicited from technical standards and best practice. On the basis of the industrial standard IEC 61508 it is shown that the majority of requirements can be ascribed to few simple and universal design principles. This facilitates requirements elicitation for future designs. Thereof, and from a critical survey of the state of technology, an approach for im\-prove\-ment is developed that makes use of well-proven research results from cognitive science. A method for assessing domain complexity based on cognitive perception and mental processing is presented. Practical examples facilitate to explain and validate the method. With the help of the assessment method it is illustrated that established specification documents, computer architectures, and operating systems are complex to such an extent, that they can hardly be understood. This increases the probability of residual design errors, and of dangerous failures in the field. The established design process is improved in such a way that all hardware resources needed can be derived from behavioural designs. This leads to designs adequate to the specifications, which comprise exactly those resources needed to ensure predictable, robust and understandable system behaviour. Finally, the improved process is evaluated on the basis of the safety incidents considered before, the requirements elicited, and the practical examples. It becomes clear that the improved approach simplifies the safety licensing of programmable electronic systems by reducing complexity. This results in a gain of safety as the risk of residual safety-critical design errors is reduced.

Die visuelle Barrierefreiheit ist eine Voraussetzung dafür, dass Personen mit Seheinschränkungen selbstständig am öffentlichen Leben teilnehmen können. In Anforderungen und Normen gibt es deshalb Mindestkontraste und Vorgaben für die Reflexionsgrade der Materialen, mit denen die Sehobjekte realisiert werden müssen. Die Anforderungen an die Kontraste sind so groß, dass sie mit vielen Materialen nur schwer erfüllt werden können. Es ist bekannt, dass eine Optimierung der Beleuchtung dazu führt, dass auch weniger hohe Kontraste sicher erkannt werden. Dazu zählen die Erhöhung der Adaptations-Leuchtdichte und die Vermeidung von Blendung. Im Rahmen einer Forschung wurde ein Teststand entwickelt, mit dem die Parameter gezielt variiert werden können und an dem mit Testpersonen Untersuchungen zum Kontrastsehen durchgeführt werden. Es werden das Testkonzept und erste Ergebnisse vorgestellt., Licht 2023: 25. Europäischer Lichttechnischer Kongress ; 26-29. März, 2023, Salzburg Congress, p. 80

Für mobile Roboter, die sich in für Menschen gemachten Umgebungen bewegen, um diese zu unterstützen und durch die Übernahme von Arbeitsaufgaben zu entlasten, sind omnidirektionale Fahrwerke mit ihrer hohen Beweglichkeit von großem Vorteil. Allerdings sind nur Fahrwerke mit gelenkten Rädern in der Lage, sich sicher auf unebenen Untergründen zu bewegen. Derzeitige Fahrwerke mit gelenkten Rädern sind jedoch häufig nicht im Bauraum optimiert. Zudem fehlen in der Regel eine Federung und die Möglichkeit, das Rad unbegrenzt um die Lenkachse drehen zu können. Dies sind zwei wichtige Voraussetzungen, um dynamische Fahrmanöver auszuführen und die Herausforderungen der Einsatzumgebungen zu meistern. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Untersuchung, welche konstruktiven Teillösungen für die Gestaltung besonders kompakter Fahrwerke mit gelenkten Standardrädern geeignet sind. Zielsysteme waren mobile Roboter mit einem Gesamtgewicht zwischen 150 kg und 300 kg, die beispielsweise mit einem Roboterarm für Manipulationsaufgaben ausgestattet sein können. Weiterhin bestand das Ziel dieser Arbeit in der Entwicklung mehrerer Antriebsmodulprototypen und deren anschließender Evaluierung. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst der Stand der Technik betrachtet, eine Anforderungsanalyse durchgeführt und die Anforderungen quantifiziert und kategorisiert. Anschließend wurden Lösungsprinzipien für alle relevanten Teilkomponenten eines Antriebsmoduls identifiziert und diskutiert. Darauf aufbauend wurden zwei Lösungskonzepte gebildet, jeweils eine für die Konstruktion eines Antriebsmoduls mit einem Rad und eines Antriebsmoduls mit zwei Rädern. Eine Evaluierung aller Anforderungen, die zu diesem Zeitpunkt bereits bewertet werden konnten, zeigte, dass die beiden Konstruktionen alle Muss-Anforderungen und die überwiegende Mehrzahl der Wunsch-Anforderungen erfüllen. Zudem fielen die beiden Antriebsmodule sowohl in der Bauhöhe als auch im Durchmesser deutlich kompakter aus, als vergleichbare Konstruktionen aus dem Stand der Technik. Die zwei Antriebsmodule wurden schließlich gefertigt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Anschließend erfolgte eine Prüfung der Funktionstauglichkeit und die Evaluierung hinsichtlich der verbleibenden Forderungen und Wünsche in praktischen Tests. Auch hier konnten nahezu alle Anforderungen vollständig erfüllt werden und somit die Tauglichkeit der entwickelten Antriebsmodule für den praktischen Einsatz nachgewiesen werden. Ein Vergleich der beiden Konzepte zeigte dabei, dass diese jeweils unterschiedliche Stärken und Schwächen haben, so dass je nach Einsatzgebiet entweder die eine oder die andere Variante bevorzugt werden sollte., For mobile robots, operating in environments made for humans to support them and to disburden them by taking over tasks, omnidirectional undercarriages with their high maneuverability are a substantial advantage. To move safely on uneven terrain, only undercarriages with steered wheels are suitable. Current undercarriages with steered wheels are however often not optimized in terms of constructed space. In addition, a suspension and the possibility to rotate the wheel around the steer axis without restriction are often missing. These are two important prerequisites to perform dynamic driving maneuvers and to master the challenges of the use environments. The presented thesis therefore deals with the analysis, which partial solutions are suitable for the design of particularly compact undercarriages with steered standard wheels. Target systems were robots with an overall weight of 150 kg to 300 kg, which can for example be equipped with a robot arm for manipulation tasks. Furthermore, the goal of this thesis was to develop several prototypes of drive modules and their subsequent evaluation. To reach this goal, first the state of the art was examined, a requirement analysis was performed and the requirements were quantified and categorized. After that, solution principles for all relevant sub-parts of a drive module were identified and discussed. Based on this, two solution concepts were formed, one for a drive module with one wheel and one for a drive module with two wheels. An evaluation of all requirements that could be assessed at that time showed, that both designs fulfill all shall-requirements and the vast majority of should-requirements. In addition, both drive modules were considerably more compact in height and diameter than similar designs from the state of the art. Finally, the two drive modules were manufactured, assembled and commissioned. This was followed by an assessment of the functional ability and a practical evaluation with respect to the remaining shall and should requirements. Again, almost all requirements could be fully satisfied and thus the feasibility for practical use be proved. A comparison of the two concepts showed that both have individual strengths and weaknesses, so that depending on the application one or the other should be preferred.

Durch Variation von Lichtstrom, Lichtfarbe und Abstrahlcharakteristik der Beleuchtung lassen sich die spektrale Verteilung und die Beleuchtungsstärke in der Augenebene verändern und nichtvisuelle Lichtwirkungen bewusst steuern. Der Dynamikbereich wird maßgeblich über den Variationsbereich der ähnlichsten Farbtemperatur bestimmt. Um unterschiedlichen Lichtbedürfnissen, Vorlieben und Sehanforderungen gerecht zu werden, sind Arbeitsbereiche zusätzlich zur Allgemeinbeleuchtung mit einer arbeitsplatzbezogenen Beleuchtung (APL) ausgestattet, die individuell bei Bedarf zugeschaltet werden kann. Anhand von Messungen an Industriearbeitsplätzen kann gezeigt werden, dass durch eine statische Lichtfarbe der Arbeitsplatzbeleuchtung der Dynamikbereich der Lichtfarbe einer dynamischen Allgemeinbeleuchtung auf 1/3 reduziert wird und mit deren Wirksamkeit der Unterstützung nichtvisueller Lichtwirkungen konfligiert. Nur wenn die arbeitsplatzbezogene Beleuchtung in die Steuerung der Beleuchtungsanlage integriert ist, ist eine gezielte Unterstützung nichtvisueller Lichtwirkungen sinnvoll möglich. Um die Wirksamkeit der Steuerung einer dynamischen Allgemeinbeleuchtung möglichst wenig zu stören, ist es notwendig, die Abstrahlung der arbeitsplatzbezogenen Beleuchtung in Richtung der vertikalen Augenebene zu kontrollieren., Licht 2023: 25. Europäischer Lichttechnischer Kongress ; 26-29. März, 2023, Salzburg Congress, p. 212

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methodik entwickelt, um bestehende und zukünftige Niederspannungsnetze für Deutschland adäquat zu modellieren. Den Referenzrahmen bildet das Jahr 2019, während als Zukunftsszenario das Jahr 2030 gewählt wurde. Es zeichneten sich jeweils drei verschiedene Netzmodelle zur repräsentativen Nachbildung für die nordöstliche und südwestliche Region ab, die sich in die Strukturklassen Land, Übergang und (Vor-)Stadt einteilen lassen. Anhand einer umfangreichen Literaturrecherche zum prognostizierten Technologieaufkommen von Photovoltaik-Anlagen, Heimspeichern, Wärmepumpen und privater Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge konnten drei unterschiedlich ambitionierte Technologieentwicklungspfade für das Zieljahr 2030 hergeleitet werden. Zusammen mit der Ableitung technologieabhängiger Durchdringungsraten können die derzeitigen und zukünftigen repräsentativen Niederspannungsnetze für Deutschland modelliert werden. Die Vorstellung der Anlagenmodellierung ermöglicht zudem, die Auswirkungen einer zunehmenden Sektorenkopplung netztechnisch bewerten zu können.

Mit der Energiewende und der damit verbundenen verstärkten Nutzung von regenerativen Energien und effizienten Energieversorgungssystemen nimmt die Anwendung der Gleichstromtechnik stark zu. Zur Anbindung erneuerbarer Energieanlagen und Kopplung zwischen Gleichspannungsnetzen werden leistungselektronische Stromrichter genutzt. Die Schaltfrequenzen leistungselektronischer Topologien reichen in der Regel bis zu 100 kHz (Mittelfrequenz). Dadurch können Spannungen auftreten, die einen unterlagerten Gleichspannungsanteil und einen überlagerten Wechselspannungsanteil aufweisen. Diese Spannungsform wird als Mischspannung bezeichnet. Für die wissenschaftlichen Untersuchungen wird eine sinusförmige mittelfrequente Wechselspannung einer Gleichspannung überlagert. Entladungen an dielektrischen Grenzflächen von Isoliersystemen bei dieser Mischspannungsform besitzen ein großes Zerstörungspotential. Sie sind Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit. Es werden verschiedene Wirkungen von Entladungen an der dielektrischen Grenzfläche zwischen Luft und Polyethylen bei Mischspannung untersucht. Dabei wird die elektrische Durchschlagfestigkeit der dielektrischen Grenzfläche beim Auftreten von Teilentladungen (direkte Wirkung) und die Aufladung der dielektrischen Grenzfläche durch Teilentladungen (indirekte Wirkung), die zu einer erhöhten elektrischen Feldbeanspruchung führt, bei Mischspannung bestimmt. Es zeigt sich der wesentliche thermisch-erosive Einfluss von Teilentladungen bei mittelfrequenter Spannung auf den Durchschlagsprozess eines Isoliersystems. Anhand der Entladungseinsetzspannung und der Entladungsanzahl bei Mischspannung wird das Zerstörungspotential aufgezeigt. Außerdem wird die Aufladung der dielektrischen Grenzfläche durch die bei den Entladungsvorgängen gebildeten Raumladungen bei Mischspannung gemessen. Die Änderung der elektrischen Feldstärke durch den Aufbau der Raumladungen beeinflusst die Entstehung von Entladungsprozessen und die Aufladung der dielektrischen Grenzfläche erheblich. Die Erkenntnisse der Aufladungsmessung werden durch Plasma-Simulationen mittels Finite-Elemente-Methode unterstützt. Diese Dissertation liefert somit wichtige Erkenntnisse zu den relevanten Wirkungen von Entladungen auf dielektrische Grenzflächen bei mittelfrequenten Mischspannungen. Die Kenntnis dieser Wirkungen können als Basis für Alterungsuntersuchungen genutzt werden., Due to new technological possibilities and an increasing number of renewable energies and efficient energy supply systems, the application of direct voltage technology is growing strongly. Power electronic converters can be used to connect renewable energy systems to direct voltage energy grids. The switching frequencies of power electronic topologies usually range up to 100 kHz (medium frequency). This can result in voltages consisting of a subordinated direct voltage component and a superimposed alternating voltage component. This voltage form is referred to as a composite voltage. For the scientific investigations, a direct voltage and a superimposed sinusoidal medium-frequency alternating voltage is used. Discharges at dielectric interfaces of insulating systems at this composite voltage form have a large destruction potential. They are the subject of investigation in this work. Different effects of discharges at the dielectric interface between air and polyethylene at composite voltages are investigated. The dielectric strength of the dielectric interface stressed by partial discharges (direct effect) and the charging of the dielectric interface (indirect effect) at composite voltage are determined. The significant thermal-erosive influence of partial discharges at medium-frequency voltage on the breakdown process of an insulating system is shown. The destruction potential is pointed out based on the discharge inception voltage and the discharge number at composite voltage. In addition, the charging of the dielectric interface by the space charges formed during the discharge processes at composite voltage is measured. The change in electric field strength due to the buildup of the space charges significantly affects the formation of discharge processes and the charging of the dielectric interface. The results of the charge measurement are supported by plasma simulations using finite element method. This dissertation provides important insights into the relevant effects of discharges at dielectric interfaces at medium-frequency composite voltages. The knowledge of these effects can be used as a basis for aging studies.

Im Rahmen der Logistik besteht eine steigende Nachfrage, Gegenstände eindeutig zu identifizieren, um damit eine akkurate Gegenstandsverfolgung ermöglichen zu können. Dazu wird eine Identifikation mittels Radiowellen (engl. „Radio Frequency Identification“ kurz: RFID) angestrebt. Um dies flächendeckend einsetzen zu können, werden allerdings günstige und mechanisch flexible RFID-Etiketten benötigt, welche in jeglicher Umgebung funktionieren und auf beliebigen Substraten, wie bspw. Papier oder Kleidung aufgetragen werden können. Daher können die RFID-Etiketten keinen Chip enthalten, da diese starr sind und in Bezug auf niedrige Kosten einen Flaschenhals darstellen. Diese Arbeit fokussiert sich auf chiplose RFID-Etiketten, in welche ein nichtlineares Bauelement für die Raumechounterdrückung, und somit für ein klar detektierbares Signal sorgt. Dabei wird eine druckbare Diode vorgestellt und modelliert. Sie stellt eine verteilte Diode, zusammengestellt aus vielen einzelnen Elementardioden, dar, welche ebenfalls mechanische flexibel ist. Aufgrund der besonderen Natur der verteilten Barrierenhöhe der Diode ergeben sich Eigenschaften, welche vorteilhaft in RFID-Etiketten genutzt werden können. In dieser Arbeit werden folglich zwei Merkmale genauer untersucht. Zum einen wird eine möglichst hohe Generierung von harmonischen Frequenzanteilen angestrebt und es wird die Abhängigkeit zu der verteilten Barrierenhöhe aufgedeckt. Zum anderen wird die mechanische Flexibilität untersucht, indem ein Schnittstellenskript zwischen einem Simulator für die mechanische Vorformung von Textilien (Stoffsimulator) und einem elektromagnetische Wellen-Simulator entwickelt wird, damit beliebige Verformungen eines Substrates untersucht werden können. Im Detail wird untersucht, wie sich eine elektrische Leitung unter Zerknüllung verhält, um daraus ein analytisches Ersatzschaltbildmodell abzuleiten. Anschließend wird das Modell der Dioden mit dem Ersatzschaltbildmodell der Leitung kombiniert und es wird ein Modell einer flexiblen nichtlinearen Leitung erhalten. Dabei führt eine Zerknüllung der Leitung maßgeblich zu einer Verschiebung von Resonanzfrequenzen, da etwaige Knickstellen eine zusätzliche parasitäre Kapazität in die Leitung bringen. Dies ist eine wichtige Erkenntniss, da chiplose RFID-Etiketten Resonatorstrukturen nutzen, um ihre Identifikationsnummer im Frequenzbereich zu kodieren.Weiterhin wird gezeigt, dass sich die Leistungspegel der harmonischen Frequenzen, sowie die Grenzfrequenz der Dioden mittels einer nichtlinearen Leitung steigern lassen. Somit bildet diese Arbeit eine Grundlage, mit der flexible chiplose RFID-Etiketten simulativ untersucht und anschließend optimiert werden können. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2022 (Kumulative Dissertation)

In dieser Arbeit wird erstmalig ein Berechnungsmodell für Elastizitätsmoduln von kurzfaserverstärkten Kunststoffen unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Haftbedingung in der Faser-Matrix-Grenzfläche vorgestellt und validiert. Dies erfolgt im Rahmen einer Modellerweiterung indem die Oberflächenspannungsanteile der Kontaktpartner herangezogen und Oberflächenrauheiten der Fasern vernachlässigt werden. Die Anwendung des Modells präzisiert die Vorhersagen des Elastizitätsmoduls des Verbundes, was direkte Auswirkungen auf die Eigenfrequenzen und Nachgiebigkeit von Bauteilen insbesondere unter Verwendung nahezu unpolarer Matrices hat. Ein einmaliger Vorteil der Modellerweiterung besteht in der Möglichkeit Kreuzvergleiche zwischen den zu kombinierenden Materialien durchzuführen. Kombinationsspezifische Untersuchungen, wie Einzelfaserauszugstests einer spezifischen Faser-Matrix-Kombination, sind nicht mehr notwendig. Die Messung der Oberflächenspannungsanteile der gewählten Materialien erfolgt unter Verwendung dreier Testflüssigkeiten: destilliertes Wasser, Dimethylsulfoxid und Ethylenglycol. Darüber hinaus ist die Messung unter Einsatztemperatur zu empfehlen, die in vielen Fällen im Bereich der Raumtemperatur und im Rahmen dieser Untersuchungen bei 23 °C liegt. Zur Sicherstellung einer vollständig ausgeprägten Kontaktfläche zwischen Faser und Matrix muss ein Spreiten der Matrix auf der Faseroberfläche vorliegen. Hierbei muss die Gesamtoberflächenspannung der Matrix stets kleiner sein als die Gesamtoberflächenspannung der Faser oder gleichwertig. Die Modellerweiterung wird anhand geeigneter Faser- und Matrixwahl auf die Effekte der physikalischen Adhäsion reduziert, um dessen Einfluss klar herauszuarbeiten. Die eigenen Untersuchungen zeigen die Abweichungen der etablierten Modelle von bis zu 25 %, die mit der neuartigen Modellerweiterung stets im Bereich der Messunsicherheit des Elastizitätsmoduls des Verbundes aus den Zugversuchen liegen. Schließlich wird die Modellerweiterung an Daten aus der Literatur erprobt. Die Verbesserung der Vorhersage des Elastizitätsmoduls des Verbundes ermöglicht es, bereits in der Konzeptionsphase ein zuverlässiges elastisches Deformationsverhalten vorherzusagen und Materialwechsel oder Funktionsfaktoren im Entwicklungsprozess zu minimieren bis verhindern., In this thesis, a calculation model for the Young’s Modulus of short-fiber reinforced plastics is presented and validated for the first time, taking into account the material-specific adhesion conditions in the fiber-matrix interface. This is done in the context of a model extension in that the surface tension components of the contact partners are used and the surface roughness of the fibers is neglected. The application of the model makes the predictions of the Young’s Modulus of the composite more precise, which has a direct impact on the natural frequencies and flexibility of components, especially when using almost non-polar matrices. A unique advantage of the model extension is the possibility of cross-comparisons between the materials to be combined. Combination-specific examinations, such as individual fiber extraction tests of a specific fiber-matrix combination, are no longer necessary. The surface tension fractions of the selected materials are measured using three test liquids: distilled water, dimethyl sulfoxide and ethylene glycol. In addition, the measurement at operating temperature is recommended, which in many cases is in the range of room temperature and in the context of these investigations it is 23 °C. To ensure a fully developed contact area between fiber and matrix, the matrix must spread on the fiber surface. The total surface tension of the matrix must always be smaller than the total surface tension of the fiber or equal. The model extension is reduced to the effects of physical adhesion based on suitable fiber and matrix selection in order to clearly work out its influence. The own investigations show the deviations of the established models of up to 25 %, which with the new model extension are always in the range of the measurement uncertainty of the Young’s Modulus of the composite from the tensile tests. Finally, the model extension is tested on data from the literature. The improvement of the prediction of the Young’s Modulus of the composite makes it possible to predict reliable elastic deformation behavior already in the conception phase and to minimize or even prevent material changes or functional factors in the development process., Fertigungstechnik – aus den Grundlagen für die Anwendung: Schriften aus der Ilmenauer Fertigungstechnik, vol. 14

Bei der Neigungswinkelmessung wird die relative Lage von Objekten zum Erdschwerfeld bestimmt. Stand der Technik im Bereich der Konsumgüter, der Industrietechnik, der Messtechnik oder der Fahrzeugtechnik sind vor allem Sensoren auf Basis von Beschleunigungssensoren. Diese werden hauptsächlich als Mikrosysteme (MEMS) ausgeführt und mittels mikrotechnischer Verfahren hergestellt. Die Neigungswinkelmessung, erfolgt dabei anhand einer Messung der Projektion der Erdbeschleunigung auf die sensitive Achse oder Achsen. Der in dieser Arbeit vorgestellte flüssigkeitsbasierte, kapazitive Sensor soll eine Alternative zu den MEMS-Beschleunigungssensoren bieten. Aufgrund seiner einfachen Herstellbarkeit mittels Standard-Surface-Mount-Technology (SMT) kann er durch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) auf meist vorhandener Anlagentechnik produziert werden. Die MEMS-Fertigung hat den Vorteil der kostengünstigen Massenfertigung im Batch. Dafür sind jedoch technologisch anspruchsvolle Reinraumprozesse notwendig, die nur bei großen und darauf spezialisierten Unternehmen zu finden sind. Die Arbeit stellt zuerst den Stand der Technik der Neigungs- und Beschleunigungsmessung sowie der Molded Interconnect Device (MID) Technologie vor und beschriebt dann das Sensorprinzip der flüssigkeitsbasierten +/-90° und 360° Neigungswinkelmessung. Dieses basiert darauf, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft immer horizontal ausrichtet. Der Sensor verwendet eine dielektrische Flüssigkeit in einer teilweise gefüllten Kavität und bestimmt kapazitiv seine Lage zur Flüssigkeitsoberfläche. Zur Sensorauslegung werden ein analytisches Modell sowie eine Monte-Carlo-Simulation verwendet. Danach werden die Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) zur Herstellung der Sensoren beschrieben. Es kommen dabei zwei Varianten für die Ausformung der Kavität für das Fluid zum Einsatz. Eine Sensorvariante nutzt die die MID-Technik. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Standard-Leiterplatten, welche gestapelt und verlötet werden. Anschließend wurden die grundlegenden Sensoreigenschaften von drei Sensorvarianten charakterisiert. Dazu wurden Kennlinien der Sensoren bei Raumtemperatur aufgenommen und daraus eine Kalibrationsvorschrift für die Winkelberechnung abgeleitet. Da Neigungswinkelsensoren eine Sensitivität auf Neigungen quer zur Messachse haben können, wurden Messungen mit unterschiedlichen Querneigungen durchgeführt. Zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften wurde die Abklingzeit der Sensoren bestimmt. Da der Sensor einen systematischen Einfluss der Temperatur auf die Steigung der Sensorkennlinie zeigt, wurde dieser gemessen und Möglichkeiten zur Kompensation untersucht. Temperaturschocktests zur beschleunigten Alterung schließen die Charakterisierungen der Sensoren ab. Abschließend diskutiert die Arbeit die Monte-Carlo-Simulation, die Temperaturkompensation und die Ergebnisse des Benchmarks. Ein Vergleich einer Monte-Carlo-Simulation mit einem analytisch berechenbaren Fall zeigt die grundsätzliche Eignung der Simulation zur Beschreibung des Sensorverhaltens. Die Ergebnisse der Simulation für verschiedene Temperaturen wurden drüber hinaus mit Messungen von Sensoren und einem rechnerischen Ansatz zur Temperaturkompensation verglichen. Dabei zeigte sich ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung. Mithilfe der mathematischen Temperaturkompensation konnte der systematische Temperaturfehler weitgehend korrigiert werden. Bei der Diskussion des Benchmarks werden die wichtigsten technischen Eigenschaften der Sensoren, Allan-Deviation, Temperaturstabilität und Nichtwiederholbarkeit verglichen. Dabei zeigten die flüssigkeitsbasierten Sensoren eine im Zielmarkt wettbewerbsfähige Performance, vor allem für Anwendungen, welche ein geringes Rauschen, eine gute Bias-Stabilität sowie eine geringe Hysterese des Sensorsignales benötigen., For inclination measurements in the field of consumer goods, industrial technology, measurement technology, and automotive engineering accelerometer-based micro-electromechanical systems (MEMS) are commonly used as sensors. They determine their relative position to the earth's gravitational field by measuring the projection of the gravity on their measurement axis. For high-resolution measurements, resonant frequency-based sensors or precision-engineered closed-loop systems are often used as well. The fluidic capacitive sensor presented in this work offers an alternative solution for low-cost inclination measurements. As only surface-mount technology (SMT) processes are needed for production, the sensor can be produced by small and medium-sized enterprises on standard manufacturing equipment. For MEMS manufacturing, on the other hand, sophisticated clean room processes are necessary, which can only be found in large and specialized companies. This thesis presents at first the state of art regarding inclination measurement and Molded Interconnect Device (MID) technology. Then, the measurement principle for fluidic capacitive measurement is described. The sensor uses the horizontal surface of a dielectric fluid, which always forms when only gravitational forces are present. The inclination angle is determined based on a capacitive measurement to detect the position of the fluid inside the sensor cavity. An analytical model and a simulation, based on the Monte Carlo method are used for sensor design. Then, the two variants that are used in this work to form the cavity are described. One of them utilizes the MID technology and the other one a process in which standard printed circuit boards are stacked and soldered. In the next part of the thesis, the basic sensor properties of three sensor variants were measured. At first, the characteristic curve at room temperature was recorded and a calibration method was described. Measurements of the cross axis sensitivity and the dynamic properties were conducted. Due to the temperature dependence of the permittivity of the fluid the slope of the characteristic curve of the sensor signal is systematically depending on the temperature as well. The effect was measured at different temperatures and possibilities for a mathematical compensation were investi-gated. Temperature shock tests complete the characterizations of the sensors. Finally, the thesis discusses the simulation with the Monte-Carlo method, the temperature compensation and the benchmark results. The mathematical temperature compensation showed promising results as the temperature error is mostly corrected. In the discussion of the benchmark, the Allan deviation, the temperature stability, and the non-repeatability are compared. The fluidic sensors showed a competitive performance in the target market, especially for applications with extended requirements regarding noise, bias stability, and hysteresis.

Der Einsatz von Gläsern, insbesondere von ultradünnen Gläsern, wird in zahlreichen innovativen Anwendungen durch deren Sprödbruchverhalten eingeschränkt. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues, fertigungstaugliches Kantenfestigkeitsmessverfahren für ultradünne Glasproben beschrieben, mit etablierten Festigkeitsprüfverfahren verglichen und als einsatztauglich befunden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird ein auf Kantenfestigkeit optimiertes Ritz- und Bruchverfahren für ultradünnes Glas durch die Konstruktion neuer Maschinenbauteile unter der Verwendung einer hohen Anzahl getesteter Proben sowie fortschrittlicher statistischer Methoden entwickelt. Zudem wird nachgewiesen, dass sich die aus dem Verfahren resultierende Festigkeit mittels eines linearen Modells vorhersagen lässt, wenn eine Schneidflüssigkeit verwendet wird. Anhand einer großen Menge getesteter Proben wird sodann belegt, dass die resultierende Festigkeit einer 3-Parameter-Weibull-Verteilung folgt und daher eine Festigkeitsschwelle aufweist, unterhalb derer die Bruchwahrscheinlichkeit ingenieurtechnisch vernachlässigbar gering ist. Dies ermöglicht es Produktdesignern innovative Produkte zu entwickeln, die auf einer zuverlässig hohen Festigkeit von ultradünnem Glas basieren und damit den Anwendungsbereich von Gläsern signifikant zu erweitern., Glasses and especially Ultra Thin Glasses are limited in their use in various innovative applications due to their brittle nature. In this work, a new and shopfloor-ready measurement device to evaluate edge strength for Ultra Thin Glass specimen is introduced, compared with established strength testing methods and proven suitable for use. Furthermore, an edge strength optimized scribe and break process for Ultra Thin Glass has been developed, utilizing newly designed machine parts, a large number of tested specimen and advanced statistical methods. It is demonstrated that the predictability of the strength yielded by the process via a linear model is enabled by the use of a cutting liquid. In a later stage, it is shown through an extensive amount of tested specimen that the strength yielded by the developed process follows a three parameter Weibull distribution and therefore has a strength threshold under which the fracture probability is below engineering-relevant level. This will allow product designers to create innovative products based on a high and reliable strength of Ultra Thin Glass, thus expanding the application realm of glasses into a new area., Werkstofftechnik aktuell, vol. 25

Membranlose mikrofluidische Brennstoffzellen (MFCs) stellen aufgrund der theoretisch höheren Energiedichte eine potenzielle Alternative zu konventionellen Batterien dar und sind für die Anwendung in tragbaren elektronischen Geräten von großem Interesse. MFCs werden mit flüssigem Brennstoff und Oxidant betrieben, die in zwei getrennte Eintrittsöffnungen, in einen mit Elektroden ausgestatteten Mikrokanal eingeleitet werden. Bedingt durch die laminare Strömung im Mikrokanal fließen die beiden Fluide parallel zum Kanal, ohne sich konvektiv zu durchmischen. Allerdings sind MFCs aufgrund von geringen Stromdichten bei gleichzeitig niedrigem Brennstoffumsatz noch nicht kommerziell im Einsatz. Ein wesentlicher Grund für die geringen Stromdichten ist die Entstehung von Verarmungsschichten an den Elektrodenoberflächen aufgrund des diffusionsbegrenzten Massentransports. Aus diesem Grund wird zur Entwicklung einer leistungsfähigeren MFC der Fokus in dieser Arbeit auf die Steigerung des konvektiven Massentransports im Mikrokanal in Richtung der Elektroden gelegt. Es wird eine MFC mit gekrümmten Mikrokanal entwickelt. Durch die Krümmung entstehen in der Kurve des Kanals zwei entgegengesetzte Wirbel, die sogenannten Dean-Wirbel, die einen konvektiven Massentransport der Reaktanden an die Elektrodenoberfläche hervorrufen. Neben der Entwicklung einer MFC, werden in dieser Arbeit numerische und experimentelle Untersuchungen zum Einfluss des durch die Krümmung hervorgerufenen konvektiven Massentransports auf die Leistung der entwickelten MFC durchgeführt. Die dreidimensionale Strömung in gekrümmten Mikrokanälen wird mit Hilfe von numerischen Simulationen charakterisiert und die Ergebnisse mittels Astigmatismus Particle Tracking Velocimetry-Messungen (APTV) erfolgreich validiert. Weiterhin wird durch Simulationen und elektrochemische Experimente unter Verwendung eines Modell-Redoxsystems die negative Wirkung der sich bildenden Verarmungsschicht auf die Stromdichte im geraden Abschnitt des Mikrokanals aufgezeigt. In der Kurve kann durch die Dean-Wirbel die Stromdichte dagegen gesteigert werden. Zudem gelingt es mittels Simulationen den Einfluss der Dean-Wirbel auf die Stromdichte und die Leistung der MFC nachzuweisen und zu analysieren. Schließlich wird anhand von APTV-Messungen im Einlassbereich der MFC eine der Hauptströmung überlagerten Strömung festgestellt. Um den daraus resultierenden Brennstoff-Crossover zu verhindern, wird ein neues System mit einer dünnen Lippe im Einlassbereich des Mikrokanals gefertigt, welches den parallelen Fluss der beiden Fluide gewährleistet. Dies schafft die ideale Voraussetzung für die Verwendung des optimierten Mikrokanals als MFC und ebnet den Weg für die weitere Erforschung der MFC mit gekrümmten Mikrokanal., Membraneless microfluidic fuel cells (MFCs) are a potential alternative to conventional batteries due to their theoretically higher energy density and are of great interest for widespread application in portable electronic devices. MFCs operate with liquid fuel and oxidant, which are introduced into a microchannel with integrated electrodes through two separate inlets. Due to laminar flow in the microchannel both fluids move parallel inside the channel without convective mixing. Thus, the membrane can be eliminated in the MFC. However, MFCs are not yet in commercial use due to low current density and low fuel utilization. A major reason for the low current density is the formation of depletion layers on the electrode surfaces due to diffusion-limited mass transport. In order to develop a more effcient MFC, this work focuses on increasing the convective mass transport in the microchannel to the electrodes. Therefore, a comparatively simple approach is chosen. A microfluidic fuel cell with a curved microchannel is developed, which creates two opposing vortices inside the curvature, the so-called Dean vortices. These vortices cause convective mass transport of the reactants to the electrode surface. In addition to the development of a microfluidic fuel cell numerical and experimental investigations on the influence of the convective mass transport caused by the curvature on the performance of the MFC are carried out. The three-dimensional flow in curved microchannels is characterized by means of numerical simulations and successfully validated by means of astigmatism particle tracking velocimetry measurements (APTV). Furthermore, numerical simulations and electrochemical experiments using a model redox system show the negative effect of the depletion layer on the current density in the straight channel part of the microchannel due to the diffusion-limited mass transport. In the curve, on the other hand, the current density can be increased due to the Dean vortices. Moreover, the functionality of the fabricated MFC as a membraneless microfluidic fuel cell using fuel and oxidant is demonstrated successfully. In addition, numerical simulations are used to demonstrate and characterize the influence of the Dean vortices on the current density and the performance of the MFC. Finally a second flow overlapping the main flow in the form of two counter-rotating vortices is detected using APTV measurements in the channel inlet area of the MFC. In order to prevent the resulting fuel crossover, a new microsystem with a thin lip in the center of the inlet area of the microchannel ensures parallel flow of both fluids. This creates the ideal conditions for using the optimized microchannel as a MFC and paves the way for further research into MFCs with curved microchannels.

Die Winkel zwischen den Achsen von mehrachsigen Spulen- und Sensorsystemen werden meist als orthogonal angenommen, und auch die Orthogonalitätsfehler von integrierten Sensoren werden ignoriert oder vernachlässigt. Hinsichtlich magnetischer Positionssensorik führt dies zu signifikanten Fehlern, welche sich nachteilig auf die Genauigkeit der Anwendung auswirken. Diese Arbeit verfolgt das Ziel, Methoden für die Kalibrierung der Orthogonalität sowohl von mehrachsigen Spulen- als auch Sensorsystemen zu entwickeln, welche eine vollständige Berechnung der Messunsicherheit erlauben und somit für die Formulierung von Kalibrierrichtlinien geeignet sind. Dazu werden im ersten Schritt mathematische Modelle aufgestellt, welche die Berechnung von Spulensystemen zur Erzeugung von homogenen Magnetfeldern erlauben. Durch Berücksichtigung der Wicklung bei der Berechnung kann diese als eine Ursache für Orthogonalitätsfehler identifiziert werden, welche vergleichbare Abweichungen vom idealen Magnetfeld verursacht wie Fertigungstoleranzen. Es wird gezeigt, dass Orthogonalitätsfehler sowohl die Homogenität des Magnetfeldes als auch die Winkel zwischen mehrachsigen Spulensystemen beeinträchtigen. Um die Orthogonalität von mehrachsigen Spulensystemen zu bestimmen, wird im zweiten Schritt eine Methode entwickelt, welche die Kalibrierung der Winkel mittels Rotation eines Magnetfeld-Sensors ermöglicht. Für das Verfahren wird die Berechnung der Messunsicherheit durchgeführt und anhand einer 3-D Helmholtz-Spule demonstriert. Im dritten Schritt wird für mehrachsige integrierte Sensorsysteme eine Betrachtung der Ursachen von Orthogonalitätsfehlern durchgeführt, welche hauptsächlich auf Fertigungstoleranzen bei der Herstellung und beim Aufbau zurückzuführen sind. Durch die Vermessung verschiedener kommerziell erhältlicher 3-D Magnetfeld-Sensoren kann gezeigt werden, dass alle Messprinzipien von Orthogonalitätsfehlern betroffen sind, die sich als Querempfindlichkeiten auf den Ausgangswert äußern. Speziell für integrierte Hall-Sensoren wird untersucht, welche typischen Merkmale die Querempfindlichkeiten zeigen und wie sich diese verringern lassen. Für die Kalibrierung der Empfindlichkeiten und Querempfindlichkeiten von mehrachsigen Magnetfeld-Sensoren wird im vierten und letzten Schritt ein Verfahren entwickelt, welches das zuvor kalibrierte 3-D Spulensystem verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht nicht nur eine einfache und schnelle Kalibrierung, sondern toleriert auch eine beliebige Positionierung des Sensors im homogenen Volumen der Spule und beliebige Winkel zwischen den Sensorachsen. Die Kalibrierung wird anhand eines integrierten 3-D Hall-Sensors demonstriert, wobei auch die Berechnung der Messunsicherheit durchgeführt wird. Durch Entwicklung und Durchführung der beiden Kalibrierverfahren wird das Ziel der Arbeit erfüllt und eine Grundlage geschaffen, diese im nächsten Schritt in Kalibrierrichtlinien zu überführen., The angles between the axes of multi-axis coil and sensor systems are usually assumed to be orthogonal, hence the orthogonality errors of integrated sensors are ignored or neglected. Regarding magnetic position sensing, this leads to significant errors, which adversely affect the accuracy of the application. This work aims at developing methods for the calibration of orthogonality of both multi-axis coil and sensor systems, which allow a complete calculation of the measurement uncertainty and are thus suitable for the formulation of calibration guidelines. For this purpose, mathematical models are set up at first step, which allow the calculation of coil systems for the generation of homogeneous magnetic fields. By taking the winding into account in the calculation, this can be identified as a cause of orthogonality errors, which cause comparable deviations from the ideal magnetic field like manufacturing tolerances. It is shown that orthogonality errors affect both the homogeneity of the magnetic field and the angles between multi-axis coil systems. To determine the orthogonality of multi-axis coil systems, a method is developed at second step, which performs the calibration of the angles by rotating a magnetic field sensor. For the method, the calculation of the measurement uncertainty is shown and demonstrated using a 3-D Helmholtz coil. At third step, a consideration of the causes of orthogonality errors is performed for multi-axis integrated sensor systems, which are mainly due to manufacturing tolerances during fabrication and assembly. By measuring various commercially available 3-D magnetic field sensors, it can be shown that all measurement principles are affected by orthogonality errors, which manifest themselves as cross-sensitivities to the output value. Especially for integrated Hall-sensors it is investigated, which typical characteristics the cross-sensitivities show and how they can be reduced. For the calibration of the sensitivities and cross-sensitivities of multi-axis magnetic field sensors, a method is developed in the fourth and last step, which uses the previously calibrated 3-D coil system. This method not only allows easy and fast calibration, but also tolerates arbitrary positioning of the sensor in the homogeneous volume of the coil and arbitrary angles between the sensor axes. The calibration is demonstrated using an integrated 3-D Hall sensor, and the calculation of the measurement uncertainty is performed. By developing and performing the two calibration procedures, the goal of the thesis is achieved and a basis is established for converting them into calibration guidelines in the next step., Berichte aus dem Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, vol. 73

Li-Ionen Zellen dehnen sich während des Ladens aufgrund von Volumenänderungen der Aktivmaterialien bei der Lithium-Interkalation reversibel aus. Zusätzlich führen Alterungsmechanismen der Anode zu einem signifikanten und irreversiblen Wachstum der Zellen. Da die Zellen für ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen in Modulen verspannt werden, führt diese Ausdehnung zu einem Anstieg des Drucks im Modul. Sowohl die Performance als auch die Alterung der Zellen sind abhängig vom äußeren Druck. Die Wechselwirkungen von Modulverspannung, Druckentwicklung und Alterung sind jedoch noch weitestgehend unbekannt, da in der Literatur bisher keine systematische Untersuchung von realistischen mechanischen Druckbedingungen durchgeführt wurde. Im Rahmen dieser experimentellen Arbeit wurden die Effekte der Modulsteifigkeit und der initialen Verspannung von Zellen auf die zyklische und kalendarische Alterung, das Zelldickenwachstum und die Druckentwicklung im Modul anhand von drei unterschiedlichen Zelltypen untersucht, die für den Einsatz in Elektrofahrzeugen entwickelt wurden. Auf Basis der statistischen Versuchsplanung konnten die Effekte modelliert und hinsichtlich ihrer statistischen Signifikanz bewertet werden. Im Anschluss wurden die dominanten Alterungsmechanismen und die limitierenden Alterungseffekte im Rahmen einer elektrochemischen Charakterisierung und Post-Mortem-Analyse identifiziert. Den größten Effekt auf die Druckentwicklung im Modul hat die Modulsteifigkeit, ein Einflussfaktor, der bisher in der Literatur weitestgehend vernachlässigt wurde. Der Einfluss der initialen Verspannung hängt stark von den mechanischen Eigenschaften der Zelle ab. Alle drei Zelltypen zeigen druckabhängige Alterungseffekte und -mechanismen, wie z. B. Kathoden-Aktivmaterialverluste aufgrund von Partikelbrüchen, eine zunehmend inhomogene Alterung oder Li-Plating an den Rändern der Anode. Im letzten Schritt wurde das mechanische Moduldesign hinsichtlich der volumetrischen Energiedichte über die Lebensdauer optimiert. Im Rahmen einer experimentellen Optimierung wurde der Einfluss des Designs von Pufferelementen auf die volumetrische Energiedichte bei zyklischer Alterung untersucht und ein optimales Design abgeleitet., Li-ion cells undergo reversible volume changes upon charging and discharging due to volume expansion of the active materials during lithium intercalation. In addition, cells have been shown to swell irreversibly due to multiple anode aging mechanisms. For their use in electric vehicles, cells are usually stacked within and constrained by a rigid module. Consequently, volume changes lead to an increase in pressure in the module. Both performance and aging of the cells are affected by the external pressure. However, the interactions of module design, pressure evolution and cell aging are still largely unknown since no systematic investigation of realistic mechanical constraints has been carried out in literature to date. In this experimental work, the effects of module stiffness and initial compression on cyclic and calendric aging, cell swelling, and pressure evolution were investigated using three different cell types that were manufactured for use in electric vehicles. Using design of experiments, these effects were evaluated regarding their statistical significance and modelled accordingly. Subsequently, an electro-chemical characterization and a post-mortem analysis was performed to identify the dominant aging mechanisms and limiting aging effects. The module stiffness was shown to have the largest effect on pressure evolution, despite being mostly neglected in literature so far. The effects of initial compression strongly depend on the mechanical properties of the cell. All cell types show strong pressure-dependent aging mechanisms, such as cathode active material loss due to particle cracking, increasing heterogeneous aging or lithium plating at the anode edges. Finally, the mechanical module design was optimized regarding the volumetric energy density over lifetime. In an experimental optimization, the influence of buffer layer design on volumetric energy density during cyclic aging was investigated and an optimal buffer layer design was derived to increase energy density over lifetime.

Kleine, eingebettete Elektroniksysteme werden, sowohl im privaten Alltag als auch im industriellen Umfeld, immer relevanter. Wie alle IT-Systeme müssen diese vor Manipulationen und Angriffen geschützt werden. Bei der Realisation von Sicherheitsmechanismen tritt allerdings oft das Problem auf, dass die eingesetzte, kostengünstige Hardware zu wenig Rechenleistung aufweist, um mit Hilfe von kryptographischen Methoden abgesichert zu werden. Zudem befinden sich diese Systeme oft als batteriebetriebene IoT-Geräte in unsicheren Umgebungen, die einen direkten physikalischen Zugriff erlauben. Dieser kann dazu missbraucht werden, Speicherinhalte der Geräte auszulesen und zu duplizieren, um ein exaktes Abbild zu erstellen. Gespeicherte geheime Informationen, insbesondere kryptographische Schlüssel werden so gegebenenfalls direkt mit kopiert und können in einem neuen System weiterverwendet werden, um die Identität des originalen Systems zu stehlen. Physical Unclonable Functions (PUF) bieten die Möglichkeit, kryptographische Verfahren ohne die Notwendigkeit eines nichtflüchtigen Schlüsselspeichers zu realisieren. Dabei wird der benötigte kryptographische Schlüssel aus der PUF „on-the-fly“ generiert, wenn er benötigt wird und nicht dauerhaft gespeichert. Die PUF weist eine Einzigartigkeit, vergleichbar mit einem Fingerabdruck beim Menschen, auf, die im Herstellungsprozess entsteht und sowohl nicht reproduzierbar als auch nicht kontrollierbar ist. Spezifische Anwendungsprotokolle bieten darüber hinaus die Möglichkeit, Authentifikationsvorgänge mit der PUF als Sicherheitsanker gänzlich ohne kryptographische Verfahren und damit auch auf rechenschwachen Geräten durchzuführen. Zwei wesentliche Schwachstellen von vielen kommerziell verfügbaren und in der wissenschaftlichen Literatur beschriebenen PUF Architekturen werden in dieser Arbeit adressiert: die Resistenz der PUF gegen mögliche (invasive und nicht-invasive) Angriffe und eine ausreichend kompakte Implementierung der Architektur für kleine, günstige IoT-Geräte, wie z.B. Einweg-Sensoren. Bei Modellierungsangriffen mithilfe maschinellen Lernens (ML) stehen die beiden Aspekte oft im Widerspruch zueinander, da eine höhere Resistenz gegen ML-Angriffe eine höhere Komplexität der Architektur erfordert, die wiederum zu einer höheren Implementierungsgröße und damit höheren Kosten für die Chipfertigung führt. Ein weiterer Aspekt ist die Skalierbarkeit der Implementierungsgröße im Verhältnis zur Anzahl der benötigten Schlüsselbits. Sie skaliert bei den einfachsten Implementierungen, den sogenannten Weak PUF, linear. Bei der Klasse der Strong PUF wächst die Anzahl der nutzbaren Schlüsselbits jedoch exponentiell mit der Implementierungsgröße (2N Schlüsselbits bei N PUF-Zellen). Wird eine große Anzahl unterschiedlicher Schlüssel für wiederholte Authentifikationsvorgänge benötigt, kann dieser Faktor immer noch zu gering sein. Daher wird in der vorliegenden Arbeit eine neue PUF-Architektur mit einem permutationsbasierten Challenge-Response-Mechanismus beschrieben. Der Ansatz führt einerseits zu einer deutlichen kompakteren Realisierung der PUF, da die Anzahl der Schlüsselbits von 2N auf N! angehoben wird. Andererseits wird durch rekursive Abhängigkeiten zwischen den PUF-Zellen eine Modellierung als linear zeitinvariantes System verhindert. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Konzept beispielhaft mithilfe eines geschalteten Kapazitätsnetzwerk als passive Charge-Sharing-PUF modelliert und als Chipdesign in einer 350 nm-CMOS-Technologie umgesetzt. Die gefertigte CMOS-Umsetzung wird abschließend mithilfe von Labormessungen bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen charakterisiert und hinsichtlich ihrer praktischen Umsetzbarkeit bewertet., Small embedded systems are becoming more and more important both in everyday life and in an industrial environment. These systems must be secured from manipulation and attacks, similar to other IT systems. However, small embedded systems with their inexpensive hardware often lack the computation power for the realization of security mechanisms with cryptographic algorithms. Furthermore, these systems are often laid out as battery powered IoT systems in uncertain environments, which allow direct physical access. This access can be misused to dump the memory content to create an exact copy of a device. Secret content, particularly cryptographic keys, can be copied as well and be reused in the clone of the system to steal the identity of the original one. Physical Unclonable Functions (PUF) provide the possibility to realize cryptographic procedures without the necessity of integrating a non-volatile key storage into the system. The necessary cryptographic key is being generated on-the-fly, just when it is needed and does not have to be stored permanently. The PUF exhibits a uniqueness, similar to the fingerprint of a human, which origins in the manufacturing of the device and is both non-reproducible and uncontrollable. Specific application protocols give the possibility to perform authentication processes entirely without cryptographic procedures using the PUF as a hardware security anchor and therefore without the need of a high-performance (crypto-)processor. This dissertation work addresses two major flaws of commercially available and scientifically described PUF architectures: the poor resistance against potential (invasive and non-invasive) attacks and the insufficient implementation size for small, inexpensive IoT devices, such as disposable sensors. Regarding modeling attacks by means of machine learning (ML), both aspects are often conflicting because a higher resistance against ML attacks requires a higher complexity of the architecture, which however often leads to a larger implementation size and therefore higher expenses for the chip fabrication. Another important aspect is the scalability of the implementation size relative to the number of the required key digits. For simple weak PUF implementations, the key size scales linearly with the implementation size. For the class of strong PUF, the key size however scales exponentially with the implementation size. When a high number of unique keys is needed, e.g. for repetitive authentication processes, this scale factor could still be insufficient. For this reason, the present thesis describes a novel PUF architecture with a permutation-based challenge-response mechanism. On the one hand, this approach leads to a clearly more compact implementation size because of the increment of the number of key digits from the exponential 2N to N!. On the other hand, a modeling as a linear time-invariant system is inhibited by adding recursive dependencies between the individual PUF cells. Within the scope of this thesis, the concept is modeled exemplary for a switched capacitor network as a passive charge-sharing PUF and subsequently implemented in a 350 nm CMOS technology. The CMOS implementation is eventually characterized by laboratory measurements under different operating conditions and evaluated regarding its actual feasibility.

PMD-Kameras ermöglichen die 3D-Bilderfassung in Echtzeit und liefern robuste Aufnahmen auch bei schwierigen Lichtverhältnissen. Allerdings limitiert deren geringe Bildauflösung die Detektion kleiner Objekte erheblich. Unter dem Einsatz rechnergestützter Bildverarbeitung verschieben Super-Resolution-Techniken (SR) diese Grenze hin zu einem höheren lateralen Auflösungsvermögen, ohne dabei die spezifischen Eigenschaften des Sensors zu verändern. In der Literatur wird die Leistungsfähigkeit von SR-Methoden mit Rauschanalysen bewertet, indem die SR-Ergebnisse mit ihrem fehlerfreien Ground-Truth-Referenzbild (GT) verglichen werden. Dabei beschränken sich die SR-Methoden zumeist auf definierte Anwendungsfälle und deren Auswertungen auf synthetisch erzeugte Datensätze, ohne die Auflösungssteigerung am realen Aufbau zu verifizieren. Mit dieser Arbeit wird eine generische SR-Methode auf eine echte, niedrig auflösende PMD-Kamera appliziert, die für den Einsatz im Außenbereich konzipiert ist und eine Bildauflösung von lediglich 64 x 16 Bildpunkten aufweist. Zunächst erfolgen simulative Untersuchungen von drei aktuellen SR-Techniken hinsichtlich deren Eignung zur generischen Steigerung der lateralen Ortsauflösung einer PMD-Kamera: 1) KI-lernbasierte Single Image SR (SISR) 2) Inkohärente Fourier Ptychographie (FP) 3) Subpixel-Shift SR (SpS-SR) Ein Vergleich der Simulationsergebnisse zeigt Vorteile für die SpS-SR, sodass diese mit einem neuartigen Lens-Shift-Aufbau in die praktische Anwendung überführt wird. Die geringe Bildauflösung der eingesetzten PMD-Kamera schließt die Bewertung der SR-Ergebnisse nach einer klassischen Rauschanalyse aus. Stattdessen wird die erreichte Bildqualität im SR-Amplitudenbild nach dem optischen Auflösungsvermögen in Linienpaaren pro Pixel [LP/mm] bewertet. Dieses Absolutmaß gewährleistet eine Vergleichbarkeit der SR-Ergebnisse aus Simulation und Messung auch für Kameras, von denen keine hochauflösenden GT-Bilder existieren. Letztlich zeigt diese Arbeit die Möglichkeiten und Grenzen der Auflösungssteigerung mit SR-Methoden in der praktischen Anwendung für den spezifischen Anwendungsfall bei PMD-Kameras auf. Darüber hinaus bildet der hier vorgestellte Lens-Shift-Aufbau die Basis zur flexiblen und kostengünstigen Auflösungssteigerung digitaler Kameras im Allgemeinen, wie sie die bildverarbeitende Optik-Industrie immer häufiger fordert., PMD cameras enable real-time 3D image acquisition and deliver robust images even under poor lighting conditions. However, their low spatial resolution significantly limits the detection of small objects. Super resolution (SR) techniques shift this limit towards a higher image resolution without changing the sensor's specific characteristics by using computational image processing. In the literature, noise analyses evaluate the performance in increasing image resolution by comparing the SR result with its underlying ideal ground-truth image (GT). SR methods are mostly limited to defined applications while their evaluation is limited to synthetically generated data sets without verifying resolution enhancement on a real setup. In this work, a generic SR method is applied to a real low-resolution PMD camera, which is designed for outdoor applications and has a spatial resolution of only 64 x 16 pixels. First, simulative investigations of three state-of-the-art SR techniques for the generic increase of a PMD sensor's lateral resolution are performed: 1) AI-based single image SR (SISR) 2) Incoherent Fourier Ptychography (FP) 3) Subpixel shift SR (SpS-SR) A comparison of the simulation results shows advantages for the SpS method, so that it is transferred to practical application with a novel lens-shift setup. The low spatial resolution of the PMD camera used excludes the evaluation of the SR results according to a classical noise analysis. Instead, the evaluation of the super resolved amplitude image achieved is performed according to the optical resolving power in line pairs per pixel [LP/mm]. This absolute measure ensures comparability of SR results from simulation and measurement data even for cameras from which high-resolution GT images does not exist. In the end, this work demonstrates the possibilities and limitations of resolution enhancement with SR methods in practical applications for the specific use case with PMD cameras. In addition, the lens-shift setup presented here provides the basis for flexible and cost-effective resolution enhancement of digital cameras in general, as increasingly demanded by the image-processing optics industry.

Dekorative Chromschichten sind im Alltagsleben omnipräsent, da sie Bauteiloberflächen ein ansprechendes Aussehen verleihen und zugleich Schutz vor Korrosion und Abrieb bieten. Verfahren zur elektrochemischen Abscheidung, welche bereits seit Jahrzehnten bekannt und gut verstanden sind, basieren auf sechswertigen Chromverbindungen. Eine zunehmend strengere Chemikaliengesetzgebung schränkt die Verwendung dieser Stoffe ein und macht eine langfristige Substitution bei industriellen Prozessen notwendig. Elektrolyte auf Basis von dreiwertigen Chromverbindungen haben sich dabei als Alternative erwiesen und drängen zunehmend auf den Markt. Chrom(III)-basierte Elektrolytsysteme sind jedoch bislang kein gleichwertiger Ersatz und zeigen unter anderem Schwächen in Bezug auf Abscheiderate und optisches Erscheinungsbild der Chromschichten. Diese Arbeit soll Beiträge zum Verständnis des Abscheideprozesses und der Schichtbildung aus Chrom(III)-Elektrolyten liefern, um darauf aufbauend Maßnahmen für die Optimierung ableiten zu können. So wurde der Abscheideprozess mittels in-situ Mikrogravimetrie, Messung des oberflächennahen pH-Wertes und Bestimmung des bei der Abscheidung entstehenden Wasserstoffes charakterisiert. Im Ergebnis wurde eine Theorie zum Abscheidemechanismus aufgestellt. Anhand von Farbmessungen, REM- und AFM-Aufnahmen konnte ein Zusammenhang zwischen Schichtmorphologie und Farbwerten der Schichten nachgewiesen werden, welcher anhand von Modellrechnungen bestätigt wurde. Chrom(III)- und Chrom(VI)-Elektrolyte zeigen markante Unterschiede im Schichtwachstum. Aufbauend darauf wurde die Nutzung von Pulsstrom mit niedriger Frequenz als Maßnahme zur Steuerung der Morphologie und damit des Farbtones der Chromschichten identifiziert und erfolgreich angewendet., Decorative chromium coatings are omnipresent in everyday life as they provide both attractive optical appearance and protection against corrosion and abrasion. Common well-established processes for the electrochemical deposition of chromium are based on hexavalent chromium compounds. However, the use of these substances is progressively restricted by governmental regulations, so that long-term substitutions in industrial processes are necessary. Electrolytes based on trivalent chromium compounds have proven to be a favorable alternative and are gaining ground in the electroplating sector. Despite recent progress in process development, chromium(III)-based electrolytes are not an equivalent substitute so far in terms of deposition rate and optical appearance of the chromium layers. This work contributes to the understanding of the deposition process and the layer formation from chromium(III) electrolytes, serving as a basis for further optimization. The deposition process was characterized by in-situ microgravimetry, measurement of the near-surface pH and determination of the hydrogen produced during deposition. As a result, a theory of the deposition mechanism is provided. By means of color measurements, SEM and AFM, a correlation between surface morphology and color values was found and confirmed by model calculations. Chromium(III) and chromium(VI) electrolytes exhibit distinct differences in layer growth. Based on these findings, low-frequency pulsed current was identified and successfully applied as a measure to control the morphology and, hence, the color of the chromium surface.

Der Rückbau konventioneller Großkraftwerke bei gleichzeitigem Ausbau regenerativer Energien sorgt für einen Paradigmenwechsel der elektrischen Energieversorgung. Die Stabilität des elektrischen Energieversorgungsnetzes wird bis dato überwiegend durch große Synchrongeneratoren und deren physikalischen Eigenschaften sichergestellt. Die Wende bei der Wandlung elektrischer Energie, von fossilen hin zu regenerativen Energieträgern, sowie die gewünschte Erhöhung der Regelbarkeit innerhalb des Netzes, sorgt für eine steigende Durchdringung leistungselektronischer Betriebsmittel. Somit nimmt das Verhalten von Umrichtersystemen auf das elektrische Energieversorgungsnetz stetig zu. Dieser Umbruch führt zu neuen technischen Fragestellungen zur Erhaltung der Systemstabilität in zukünftigen Energieversorgungsnetzen und somit direkt zu Anforderungen an netzgekoppelte Umrichtersysteme. Diese Systemdienstleistungen, die aktuell durch konventionelle Kraftwerke bereitgestellt werden, sind zur Sicherstellung einer stabilen elektrischen Energieversorgung unumgänglich. Dementsprechend besteht ein erhöhter Forschungsbedarf auf dem Gebiet der Regelungsentwicklung für netzgekoppelte Umrichtersysteme und deren Verhalten. Anders als bei Synchrongeneratoren, wo das Verhalten überwiegend durch die physikalischen Eigenschaften der Maschine definiert ist, wird das Verhalten netzgekoppelter Umrichtersysteme maßgeblich durch die implementierte Regelung vorgegeben. Zur zukünftigen Sicherstellung der Netzstabilität müssen netzgekoppelte Umrichtersysteme in der Lage sein, eine stabile elektrische Energieversorgungsspannung bereitzustellen und augenblicklichen Leistungsanforderungen (Momentanreserve) im Rahmen der Auslegungsgrenzen nachzukommen. Aktuelle Umrichtersysteme nutzen ein netzspannungsfolgendes Regelungsverfahren. Diese weisen als charakteristisches Merkmal ein inhärentes Stromquellenverhalten auf. Der Umrichter folgt einer gegebenen Netzspannung und regelt den resultierenden Umrichterstrom gemäß überlagerter Referenzwertvorgaben. Dementsprechend werden keine inhärent netzdienlichen Eigenschaften umgesetzt, die einen positiven Einfluss auf die elektrische Energieversorgungsspannung auswirken. Grundsätzlich sind solche Systeme nicht in der Lage einen ungeregelten Beitrag zur Momentanreserve zu liefern und somit nicht ausreichend, um die Stabilität des zukünftigen elektrischen Energieversorgungsnetzes sicherzustellen. Die Dissertation befasst sich mit den Stabilitätsgrenzen netzspannungsfolgender Umrichtersysteme sowie der Entwicklung und Analyse eines netzspannungsbildenden Regelungsverfahrens, welches die fundamentalen Systemanforderungen der elektrischen Energieversorgung erfüllt. Derartige Umrichtersysteme sind in der Lage eine eigene elektrische Energieversorgungsspannung bereitzustellen und somit einen ungeregelten Beitrag zur Momentanreserve zu liefern. Nur wenn eine Vielzahl netzgekoppelter Umrichtersysteme dieses netzspannungsbildende Verhalten aufweist, ist ein vollständiger Wechsel von konventionellen Kraftwerken zu regenerativen Energien und somit eine erfolgreiche Energiewende möglich. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2022

The Magnetic Loop Antenna for reception and transmission at 7 MHz is discussed based on an experimental prototype. The calculation of design parameters based on published equations is compared to results from EM-simulations using EZNEC+. An equivalent circuit is derived based on the interpretation of simulation results. Measured antenna properties are compared to predictions from simulation and several characteristics are discussed. In particular, the relation of measured impedance match bandwidth to the antenna efficiency is explained.

Seit den dramatischen Ereignissen von Fukushima und der darauf folgenden Atomkatastrophe hat die deutsche Regierung in die Erzeugung erneuerbarer Energien und die geplante Abschaltung aller Atomkraftwerke investiert. Diese Abschaltung muss durch das europäische Stromnetz sowie durch alle Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien kompensiert werden. Nur die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) ist in der Lage, den Transport von elektrischer Energie über große Entfernungen mit geringeren Verlusten zu ermöglichen. Beim Einsatz der HGÜ-Technologie müssen alle entscheidenden Aspekte der Energieversorgungssicherheit bekannt sein und berücksichtigt werden. Die Arbeit dieser Dissertation konzentriert sich auf diesen Bereich des HGÜ-Energietransports. Um eine überlagerte Messmöglichkeit an der PTB zu schaffen, wird zunächst die reine Impulsseite des Erzeugungskreises ausgewertet. Dies geschieht bei niedrigen Spannungen, zunächst mit entsprechenden Kalibratoren und Dämpfungsgliedern. Anschließend werden mit dieser Ausrüstung die Hochspannungsmessungen zur Validierung dieser Niederspannungsergebnisse durchgeführt. In einem zweiten Schritt wird die Fähigkeit zur Messung der HGÜ-Spannung optimiert, wobei ebenfalls mit niedrigen Spannungen im Bereich von 10 V begonnen wird. Mit diesen Ergebnissen werden alle Skalenfaktoren durch Linearitätsmessungen auf Hochspannungen bis zu 1000 kV extrapoliert. Schließlich werden die überlagerten Spannungen durch Kombination der Impuls- und HVDC-Erkenntnisse erzeugt und gemessen. Der überlagerte Teiler einschließlich der Koppelelemente wird mit verschiedenen Messverfahren untersucht. Als Ergebnis wird die Hochspannungsmesseinrichtung durch die Unsicherheitsabschätzung des Gesamtsystems bewertet., Since the dramatical incidents of Fukushima with the following nuclear disaster the German government has invested in renewable energy production and the planned shut-down of all nuclear power plants. This shutdown needs to be compensated by the European electrical grid as well as all renewable energy production facilities. Only High Voltage Direct Current (HVDC) is capable to deliver the transportation over wide distances of electrical power with reduced losses. By using HVDC technology all crucial aspects on the security of energy supplies have to be well known and taken into account. The work of this PhD thesis will focus on this field of HVDC energy transportation. In order to establish a superimposed measurement capability at the PTB, first the pure impulse side of the generation circuit will be evaluated. This is done at low voltages, beginning with corresponding calibrators and attenuators. Afterwards, with this equipment, the high voltage measurements validate these low voltage results. At second, the HVDC voltage measurement capability is optimized, also beginning with low voltages at the 10 V level. With these results, all scale factors are extrapolated by linearity measurements to high voltages up to 1000 kV. In the end the superimposed voltages are produced and measured by combining the impulse and HVDC insights. The superimposed divider including the coupling elements is researched by different measurement procedures. As a result, the high voltage measurement equipment is evaluated by the uncertainty estimation of the entire system.

In dieser Arbeit wird erstmalig ein Berechnungsmodell f��r Elastizit��tsmoduln von kurzfaserverst��rkten Kunststoffen unter Ber��cksichtigung der werkstoffspezifischen Haftbedingung in der Faser-Matrix-Grenzfl��che vorgestellt und validiert. Dies erfolgt im Rahmen einer Modellerweiterung indem die Oberfl��chenspannungsanteile der Kontaktpartner herangezogen und Oberfl��chenrauheiten der Fasern vernachl��ssigt werden. Die Anwendung des Modells pr��zisiert die Vorhersagen des Elastizit��tsmoduls des Verbundes, was direkte Auswirkungen auf die Eigenfrequenzen und Nachgiebigkeit von Bauteilen insbesondere unter Verwendung nahezu unpolarer Matrices hat. Ein einmaliger Vorteil der Modellerweiterung besteht in der M��glichkeit Kreuzvergleiche zwischen den zu kombinierenden Materialien durchzuf��hren. Kombinationsspezifische Untersuchungen, wie Einzelfaserauszugstests einer spezifischen Faser-Matrix-Kombination, sind nicht mehr notwendig. Die Messung der Oberfl��chenspannungsanteile der gew��hlten Materialien erfolgt unter Verwendung dreier Testfl��ssigkeiten: destilliertes Wasser, Dimethylsulfoxid und Ethylenglycol. Dar��ber hinaus ist die Messung unter Einsatztemperatur zu empfehlen, die in vielen F��llen im Bereich der Raumtemperatur und im Rahmen dieser Untersuchungen bei 23 ��C liegt. Zur Sicherstellung einer vollst��ndig ausgepr��gten Kontaktfl��che zwischen Faser und Matrix muss ein Spreiten der Matrix auf der Faseroberfl��che vorliegen. Hierbei muss die Gesamtoberfl��chenspannung der Matrix stets kleiner sein als die Gesamtoberfl��chenspannung der Faser oder gleichwertig. Die Modellerweiterung wird anhand geeigneter Faser- und Matrixwahl auf die Effekte der physikalischen Adh��sion reduziert, um dessen Einfluss klar herauszuarbeiten. Die eigenen Untersuchungen zeigen die Abweichungen der etablierten Modelle von bis zu 25 %, die mit der neuartigen Modellerweiterung stets im Bereich der Messunsicherheit des Elastizit��tsmoduls des Verbundes aus den Zugversuchen liegen. Schlie��lich wird die Modellerweiterung an Daten aus der Literatur erprobt. Die Verbesserung der Vorhersage des Elastizit��tsmoduls des Verbundes erm��glicht es, bereits in der Konzeptionsphase ein zuverl��ssiges elastisches Deformationsverhalten vorherzusagen und Materialwechsel oder Funktionsfaktoren im Entwicklungsprozess zu minimieren bis verhindern., In this thesis, a calculation model for the Young���s Modulus of short-fiber reinforced plastics is presented and validated for the first time, taking into account the material-specific adhesion conditions in the fiber-matrix interface. This is done in the context of a model extension in that the surface tension components of the contact partners are used and the surface roughness of the fibers is neglected. The application of the model makes the predictions of the Young���s Modulus of the composite more precise, which has a direct impact on the natural frequencies and flexibility of components, especially when using almost non-polar matrices. A unique advantage of the model extension is the possibility of cross-comparisons between the materials to be combined. Combination-specific examinations, such as individual fiber extraction tests of a specific fiber-matrix combination, are no longer necessary. The surface tension fractions of the selected materials are measured using three test liquids: distilled water, dimethyl sulfoxide and ethylene glycol. In addition, the measurement at operating temperature is recommended, which in many cases is in the range of room temperature and in the context of these investigations it is 23 ��C. To ensure a fully developed contact area between fiber and matrix, the matrix must spread on the fiber surface. The total surface tension of the matrix must always be smaller than the total surface tension of the fiber or equal. The model extension is reduced to the effects of physical adhesion based on suitable fiber and matrix selection in order to clearly work out its influence. The own investigations show the deviations of the established models of up to 25 %, which with the new model extension are always in the range of the measurement uncertainty of the Young���s Modulus of the composite from the tensile tests. Finally, the model extension is tested on data from the literature. The improvement of the prediction of the Young���s Modulus of the composite makes it possible to predict reliable elastic deformation behavior already in the conception phase and to minimize or even prevent material changes or functional factors in the development process.

The expansion of renewable energies, onshore often in the form of distributed generation plants (DGs), is shifting power generation out of the transmission grids and into the distribution grids. As a result, in addition to generation itself, more and more ancillary services are required of DG, among other characteristics, to compensate for such functionalities of large power plants that are no longer needed. In sum, the operating resources and functions of the distribution grid system, consisting of the grid itself and the connected customers, are considerably increased, resulting in a significantly more complex non-linear dynamic behavior between the electrical input and output variables of the now active distribution grids than was previously the case. The development of time-synchronized phasor measurement units (PMU) allows the implementation of wide area monitoring systems (WAMS) with the associated data and computer infrastructure. As a result, time-synchronous measurement data are increasingly available at higher and higher resolutions up to the accuracy required for mapping transient processes. This work is dedicated to the analysis of the behavior of active distribution networks, with respect to the determination of models or equivalents of these by means of measurement data recorded in operation from WAMS, as well as the analysis of the properties of common model types and identification methods with respect to their parameterizability by means of operational measurement data. In addition, this work provides a direct comparison between the most commonly used approaches in literature, black-box approaches based on artificial neural networks and grey-box approaches based on parametric models. In the analysis of the behavior, the quasi-stationary nonlinearity between the input and output variables of the distribution network is proposed as a suitable evaluation measure of its complexity or the complexity of the identification problem of a distribution network. The discussion of the causes of this nonlinearity, depending on the behavior of DGs, allows to transfer the knowledge collected for individual concrete model networks to other distribution networks depending on the composition of loads and types of DG units. The tests of the equivalents are each embedded in the network calculation program within longer simulation runs in order to demonstrate the accuracy and stability of the equivalents under real conditions of simulation studies. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2021

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme (2022). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Digital twins are one of the core technologies of the fourth industrial revolution ("Industry 4.0"). As a virtual digital representation of a physical asset, they enable the realization of intelligent cyber-physical systems and their comprehensive networking in the Internet of Things. Simulation technology brings the Digital Twins to life and makes them experimentable for a variety of applications. The resulting "experimentable digital twins" (EDT) can be further developed with each new application and used across the life cycle. This successively creates a complete virtual image that captures the asset's behavior and enables the generation of predictions. Virtual testbeds are the runtime environments of EDT. They bring together EDT in different application scenarios and enable their overall system simulation. Such a comprehensive representation leads to complex simulation models, whose simulation requires the combination of different simulation methods. However, this is associated with a correspondingly high computational effort. This applies in particular to application scenarios in which several EDT interact with each other in their operational environment, such as in the case of a virtual factory. Depending on the number of methods and EDT, the execution of such an application in real-time is often impossible or only possible by reducing the level of detail. However, it is precisely this real-time capability that is a mandatory prerequisite for numerous applications of the EDT, from virtual commissioning and process-parallel simulation to human-machine interaction. A suitable approach to accelerate the simulation and to realize the required real-time behavior is parallelization. In order to achieve the highest possible acceleration, the selected method must completely cover the modeled application scenarios. Parallelization must thus take place at the system level and be able to transfer the inherent parallelism of the scenarios to the parallel simulation. This thesis provides the design and realization of a cross-application methodology for the comprehensive and modularly extensible parallelization of application scenarios with a large number of interacting EDT in a correspondingly suitable virtual testbed. The methodology comprises both the required parallelization and synchronization methods for realizing the required real-time behavior and a new powerful parallel simulation architecture that implements the individual methods and enables the creation of suitable virtual testbeds. For this purpose, the developed methodology combines the capabilities of current multi-core processors with a novel modular approach to model partitioning and replication. This enables - for the first time in many applications - the simulation of complex interconnected EDT systems in real time and thus creates the basic prerequisite for the desired convergence of simulation and reality. The generic parallelization methods of the methodology enable the automatic execution of parallelization on the level of the applied simulation methods and transfer the inherent parallelism of the scenarios completely to the parallel overall system simulation. This allows the resulting speedup to scale with both the number of methods applied and EDT contained. This is achieved by partitioning the overall system simulation, which is used in combination with a simultaneous targeted replication of the simulation database to create independently executable partial simulations. The partial simulations execute the individual partitions completely thread-safe on their own copy of the database. Due to the modular structure of the methods, the parallelizations can remain in place over all ongoing further developments of a scenario and can be arbitrarily extended by additional partial simulations. The synchronization methods of the methodology guarantee the correctness of the parallel execution and enable a high-performance synchronization through the efficient exchange of state changes. The methodology is independent of the scenario to be replicated, the EDT variants contained therein, and the methods used for the technical realization of the simulation. Likewise, neither specific technical expertise nor cross-domain expert knowledge is required. The architecture developed within the framework of the methodology provides the required simulation infrastructure and enables both the modeling and configuration as well as the execution of the parallel overall system simulation of EDT in virtual testbeds. The performance and scalability are demonstrated using three different application scenarios from the fields of aerospace, forestry and industrial engineering., Published by RWTH Aachen University, Aachen

Die vorliegende Arbeit thematisiert die Modellbildung und darauf aufbauend die Betriebsführung und Dimensionierung des modularen Mehrpunktstromrichters (M2C) als auch die messtechnische Überprüfung des entwickelten Regelungsverfahrens an einem Prüfstand. Durch die hohe Modularität des M2Cs wird dieser vorrangig für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung praktisch eingesetzt. Trotz der Restriktionen beim Betrieb mit einer geringen Betriebsfrequenz wird dieser Umrichtertyp aber auch als Antriebsumrichter verwendet. Hier sind vor allem Anwendungen geeignet, welche ein ansteigendes Drehmoment bei gleichzeitiger Erhöhung der Drehzahl fordern. Dies ist beispielsweise für Pumpen- oder Lüfteranwendungen der Fall. Da dazu vor allem auch Windkraftturbinen zählen, welche durch den Energiewandel zunehmend an Bedeutung gewinnen, wird dieser Anwendungsfall in der vorliegenden Arbeit als Beispiel für die Systemdimensionierung angeführt. Die Entwicklung und Analyse der Betriebsstrategien basiert auf einem tiefen Verständnis der Systemeigenschaften. Gegenstand dieser Arbeit ist es deshalb im ersten Schritt ein vollständiges Modell des M2Cs mit einer allgemeinen Lastdefinition zu erarbeiten, mit welchem eine analytische Lösung der Systemgleichungen für den stationären Fall möglich ist. Durch die analytische Ermittlung der einzelnen Lösungsterme wird eine Festlegung von zielspezifischen Auslegungskriterien sowie von optimalen Betriebsstrategien erreicht. Die allgemein verwendeten Formulierungen und die Darstellungen durch Einzelterme können weiterhin die Wirkmechanismen und deren Wechselwirkungen umfassend aufzeigen. Mittels der allgemeinen Lastdefinition wird des Weiteren die Möglichkeit aufgezeigt, ein sättigungsabhängiges Maschinenmodell auf Basis von Finite Elemente Simulationen in die Lösung der Gleichungen zu integrieren. Die Modellgleichungen erlauben ebenfalls eine einfache Vorausberechnung und damit die Optimierung der Spannungsaussteuerung der Zweige, woraus eine höhere Ausnutzung der Kondensatorspannung resultiert. Auf Basis der analytischen Modellbildung wird im Weiteren ein Regelungsverfahren vorgestellt, welches modellbasiert die Eingangsgrößen des Energiereglers festlegt und damit eine hohe Stabilität erreicht. Die Trennung der Umrichter- und Lastregelung führt gleichzeitig zu einer entkoppelten und dynamischen Ansteuerung der Drehstrommaschine. Es handelt sich dabei um eine kaskadierte Regelungsstruktur durch welche höherfrequente Kreisstromformen sowie die Gleichtaktspannung vorgegeben werden können, um eine Minimierung der Kondensatorspannungsbelastung zu erreichen. Die optimierten Zweigströme und die entsprechende Gleichtaktspannung können durch das allgemeine Umrichtermodell vorab ermittelt werden. Die Anwendung der Modellgleichungen wird folglich am Beispiel des elektrischen Triebstrangs für eine Windkraftanlage gezeigt und gleichzeitig darauf hingewiesen, welche Systemoptimierungen möglich sind, wenn die elektrische Drehstrommaschine in den Parameterraum miteinbezogen wird. Im Gegensatz zur numerischen Lösung der Gleichungssysteme bieten die analytischen Lösungen den Vorteil einer geringeren Rechenzeit, wodurch eine aufwendige Systemuntersuchung über den gesamten Betriebsbereich möglich wird. Damit werden die Einzelkomponenten des M2Cs, welche sich aus den Halbleitern, den Kondensatoren und Zweigdrosseln zusammensetzen, möglichst hoch ausgenutzt, um den Komponentenaufwand gering zu halten. Auf Basis von Finite Elemente Simulationen wird die Zweigdrossel im Detail betrachtet, um die Einflüsse von ge- bzw. entkoppelten Zweigdrosseln sowie der entsprechenden Wickelschemata aufzuzeigen. Die Implementierung der Regelungs- und Ansteueralgorithmen in einer Niederspannungsmodellanlage des M2Cs belegt im Weiteren die Gültigkeit der aufgezeigten Modellgleichungen. Außerdem wird die Funktion der Regelungs- und Ansteueralgorithmen für verschiedene Betriebszustände sowohl mit einer Lastdrossel als auch einer Asynchronmaschine validiert., This thesis deals with the modeling, and based on that, with the control and design of the Modular Multilevel Converter (M2C) as well as the validation of the developed control concept on a test bench. Because of the high modularity, the M2C is mainly used for High-Voltage-Direct-Current applications. Despite the restrictions on low frequency operation, the M2C is used for electrical drive systems as well. For drive applications this converter type is especially suitable for loads with simultaneously increasing torque and speed characteristics. This is e.g. the case for pump and fan applications. Wind turbines, which are gaining popularity due to the challenges of the climate change, are having these characteristics too. Therefore, this application is used as an example for the proposed design strategy. The development and analysis of the operation strategies are based on a fundamental insight in the system behavior. This is the reason why this thesis deals firstly with a full model of the M2C with a generally defined load model which allows for an analytical solution of the system equations for the stationary case. The determination of the respective system terms makes target orientated design criterias and optimized operation strategies possible. Furthermore, the usage of respective expressions leads to a detailed insight in the effects and interaction of the corresponding mechanisms. With the general load definition, it’s possible to integrate a saturation model of the electrical machine into the system equations. In addition, the system model gives the possibility of optimizing the arm voltages, which results in highly utilized arm capacitors. Based on the analytical model, a control scheme is demonstrated which gets the input parameters for the energy controller from the system equations and therefore allows for a high dynamic control of the electric machine. Separating the converter and load control gives the opportunity for a decoupled and dynamic control of the electric machine. This is based on a cascaded control scheme which uses circulating current harmonics and the common mode voltage as an input to minimize voltage ripples on the submodule capacitors. The optimized arm currents and the common mode voltage are determined by the general system model upfront. The application of the system equations is shown on the electrical drivetrain of a wind turbine to demonstrate the possibility of system optimizations by considering the electrical machine in the parameter space. In contrast to a numerical simulation, the analytical approach gives the advantage of saving time and allows consequently for a general investigation on the system level over the entire operating range. With this the specific components of the M2C, which are the semiconductors, the capacitors and the arm inductors, are highly utilized to save costly components. Following, the arm inductors are calculated based on finite element simulations which shows the impact of coupled and decoupled arm inductors and various winding schemes. The implementation of the control and drive algorithms on a low voltage M2C prototype proves the demonstrated solution of the system equations. Despite that the control and drive algorithms are tested for various operation scenarios with an inductive load and an asynchronous machine.

Demand Response (DR) ist eine wichtige Säule beim Übergang zu einem größeren Anteil an erneuerbarer Energie im Stromnetz. Es gleicht Volatilität im Stromnetz durch eine Verschiebung der Last zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt oder durch den Verzicht bzw. die Zuschaltung einer Last in einem bestimmten Zeitraum aus. Industrieunternehmen können ihre energetische Flexibilität potenziell gewinnbringend an DR-Märkten anbieten, um die Netzstabilität zu unterstützen, indem sie mit DR-Aggregatoren kooperieren. Zahlreiche Studien empfehlen den Einsatz von Agentensystemen (MAS) in diesem Bereich, jedoch mangelt es an tatsächlichen Implementierungen und Anwendungen dieser Technologie außerhalb der Wissenschaft. Dies kann auf die Annahme homogener Strukturen und der Lösungsansätze auf einer hohen Abstraktionsebene in der Wissenschaft zurückzuführen sein. Um DR-Aggregatoren zu helfen, ihre bestehenden virtuellen Kraftwerke durch die Anwendung des Agentenparadigmas zu verbessern, stellt diese Arbeit die Entwicklung eines Agentensystems zur Umsetzung von deutschen DR-Mechanismen mit einem Konzept zur technischen Implementierung auf industriellen Standardkomponenten vor, das einen schrittweisen Wechsel zur Agententechnologie ermöglicht. Dies beinhaltet ein FIPA-konformes auf JADE basierendes Agentensystem, das die Anforderungen der deutschen DR-Märkte erfüllt – einem Schnittstellenkonzept zur Anbindung industrieller Flexibilitäten und bestehender VPP-Management-Systeme zur Nutzung des bestehenden Know-hows. Zur Validierung des Systems wird die Simulation eines realen Anwendungsfalls des MAS im Rahmen eines Laboraufbaus vorgestellt, was in einer abschließenden Diskussion der Ergebnisse erörtert wird., Demand Response (DR) is an important pillar in the transition to a greater share of renewable energy in the power grid. It balances volatility in the power grid by shifting load to an earlier or later point in time, or by shedding or adding load during a given period. Industrial companies can potentially offer their energy flexibility profitably in DR markets to support grid stability by cooperating with DR aggregators. Numerous studies recommend the use of agent systems (MAS) in this area, but there is a lack of actual implementations and applications of this technology outside the scientific community. This may be due to the assumption of homogeneous structures and the approach to solutions at a high level of abstraction in research. To help DR aggregators improve their existing virtual power plants by applying the agent paradigm, this work presents the development of an agent system to implement German DR mechanisms with a concept for technical implementation on standard industrial components that enables a gradual shift to agent technology. This includes a FIPA compliant JADE based agent system that meets the requirements of the German DR markets and an interface concept to connect industrial flexibilities and existing VPP management systems to leverage their existing know-how. To validate the system, the simulation of a real use case of the MAS, in the context of a laboratory setup, will be presented, which will be discussed in a final discussion of the results.

Diese Arbeit untersucht den Einfluss des Außenglimmschutzsystems (AGS-System) in großen Generatoren auf den Betriebszustand des Isoliersystems. Mit dem Schwerpunkt der Maximierung der Lebensdauer des AGS-Systems werden unterschiedliche Berechnungsmethoden entwickelt und bewertet. Durch unterschiedliche analytische und numerische Verfahren kann eine detaillierte Analyse zur elektrischen und thermischen Auslastung von großen elektrischen Maschinen durchgeführt werden. In Hinblick auf die Verhinderung und Reduzierung der Teilentladungsbelastung führt die Auslegung der optimalen Materialeigenschaften des Außenglimmschutzes zu einer Verbesserung der Belastungsgrößen im Isoliersystem. Die Auslegung von AGS-Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften wird für verschiedene Generatoren berechnet und die allgemeine Auswirkung auf das Isoliersystem abgeschätzt. Neben der Bestimmung der optimalen Materialeigenschaften wird der mögliche Einsatz von anisotropen Materialien theoretisch untersucht und das Optimierungspotential durch gezielte Anpassung der Widerstandcharakteristik des leitfähigen AGS-Systems berechnet sowie bewertet., This work investigates the influence of the outer corona protection system (OCP) in large generators on the operating condition of the insulation system. With the focus on maximizing the lifetime of the AGS system, different calculation methods are developed and evaluated. Through different analytical and numerical methods, an overview of the electrical and thermal load of large electrical machines can be obtained. In terms of preventing and reducing the partial discharge load, the design of the optimal material properties of the OCP-system leads to an improvement of the load variables in the insulation system. The design of OCP-materials, with different properties, is calculated for different generators and the overall effect on the insulation system is estimated. In addition to the determination of the ideal material properties, the possible use of anisotropic materials is theoretically investigated and the optimization potential is calculated as well as evaluated by specifically adjusting the resistance characteristics of the conductive OCP-system.

Ein randomisierter und anonymisierter Fragebogentest ging der Fragestellung nach, welche Kriterien die Verstehbarkeit von Dokumenteninhalten beeinflussen (n = 604). Die zentrale Frage war, inwiefern strukturierende Elemente, wie beispielsweise Kapitel und Unterkapitel, Absätze oder Listenelemente, die Verstehbarkeit von Dokumenten beeinflussen. Es konnte nachgewiesen werden, dass strukturierende Elemente die Dokumentenverstehbarkeit erhöhen. Text ist einfacher zu verstehen, wenn er strukturiert vorliegt. Ferner lassen die Ergebnisse darauf schließen, dass Kombinationen aus Text und Grafiken einfacher zu verstehen sind, als reine Text- oder Grafikdarstellungen desselben Inhalts. Weiterhin ist eine übersichtliche Darstellung wichtiger als ein kurzer Text oder die zusätzliche Verwendung von Grafiken. Ein weiteres angestrebtes Ziel, nämlich die Quantifizierbarkeit der Verstehbarkeitsfaktoren zur Präzisierung einer Metrik, konnte leider nicht zufriedenstellend erreicht werden.

Jahrbuch der Braunschweigischen Wissenschaftlichen Gesellschaft, vol. 2021Jahrbuch 2021 der Braunschweigischen Wissenschaftlichen Gesellschaft, vol. 2021, p. 85

Druckbare und flexible Elektronik ist aufgrund potentiell geringer Produktionskosten, sowie möglicher hoher Produktionsraten eine der Schlüsselkomponenten im Rahmen des Konzepts des Internets der Dinge (IdD). Dünnschichten aus derzeitig verfügbaren Halbleiter-Tinten weisen jedoch limitierte Hochfrequenzeigenschaften auf. Grund hierfür ist die oftmals geringe Ladungsträgerbeweglichkeit, wodurch das Schaltverhalten von entsprechenden Bauelementen eingeschränkt ist. Hinzu kommen eine zumeist begrenzte Lebenserwartung und Verlässlichkeit dieser. Um diesen Nachteilen entgegen zu wirken, wird im Rahmen dieser Arbeit der Einsatz von druckbarem Silizium (Si) untersucht. Es werden Silizium-Nanopartikel (Si-NP) basierte Tinten verwendet, um im GHz-Bereich schaltenden, potentiell flexible Schottky-Dioden zu realisieren. Si-NP-Dünnfilme stellen für eine solche Anwendung jedoch kein optimales System dar, da die elektronische Leistungsfähigkeit aufgrund der auftretenden Partikel-Partikel-Grenzflächen und der Oxidhülle der Partikel limitiert ist. Abhilfe schafft hierbei die Lasermodifikation des Si-NP-Dünnfilms, durch welche sich selbstorganisiert kegelförmige, kristalline μ-Strukturen (μ-Konen) bilden. In dieser Arbeit werden die strukturellen Eigenschaften dieser μ-Konen untersucht, diese anschließend in eine Diodenstruktur eingebettet und die resultierenden μ-Konen-Schottky-Dioden elektrisch charakterisiert. Letzteres umfasst die DC- und UHF-Charakterisierung dieses Diodentyps. Das gleichrichtende Verhalten der Bauteile ist in guter Übereinstimmung mit der thermionischen Emissions- und thermionischen Feldemissionstheorie. Zudem zeigen die μ-Konen-Schottky-Dioden Bandbreiten bis 9,2 GHz bei deren Nutzung als Frequenzverdoppler und bis zu 13,8 GHz als Frequenzverdreifacher. Somit reicht die Schaltgeschwindigkeit dieses Diodentypen in den Mikrowellenbereich hinein, sodass die Realisierung flexibler, kostengünstiger Hochfrequenzelektronik in Reichweite rückt. Um die vollständige Druckbarkeit der Dioden zu adressieren, werden zudem gedruckte Silber(Ag)-Leiterbahnen als Topkontakt für die μ-Konen-Diode untersucht., Printed, flexible electronics are a key component within the Internet-of-Things (IoT) concept as they exhibit the potential for high-throughput and cost-effective manufacturing. However, today’s printable electronic materials show only limited high frequency performance caused by their low charge carrier mobility, which inhibits high frequency device operation. Furthermore, the lifetime and reliability of such devices are restricted. To overcome these limitations, printable silicon (Si) is investigated in this work. For this purpose, silicon nanoparticle (Si-NP) based inks are used to realize potentially flexible Schottky diodes with switching speeds in the GHz range. However, Si-NP thin films do not represent an optimal system concerning this application, since the electronic performance is limited by particle-particle interfaces and the oxide shell of the particles. To improve this, the deposited Si-NP thin film is transformed into self-organized crystalline μ-cone shaped structures (μ-cones) using an excimer laser treatment. In this work, the structural properties of these μ-cones are investigated. The μ-cones are then embedded into a Schottky diode structure, which is electrically characterized by DC and UHF measurements. The rectifying behavior of such devices is in good agreement with thermionic emission and thermionic field emission theory. In addition, the μ-cone Schottky diodes show a bandwidth up to 9.2 GHz when used as frequency doubler and up to 13.8 GHz as frequency tripler. Thereby, the switching speed of the printable Si device concept extends well into the microwave range, placing flexible, low-cost, and high frequency electronics within reach. To further address the full printability of the diode printed silver(Ag)-lines are considered as the top contact for the μ-cone diode.

Die dreidimensionale optische Erfassung eines Messvolumens für die Positions- und Entfernungsmessung ist heutzutage unverzichtbar in der Wissenschaft und vielen technischen sowie nichttechnischen Anwendungsbereichen und besticht dabei durch die Möglichkeit, ein Messvolumen in kurzer Zeit mit einer hohen räumlichen Auflösung zu erfassen. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungsbereiche, werden in der Praxis eine Vielzahl unterschiedlicher Technologien und Messverfahren eingesetzt. Das Spektrum der Anwendungsbereiche der optischen Messverfahren reicht dabei beispielsweise von kostenoptimierten Systemen für die Verwendung in der Unterhaltungs- und Gebrauchselektronik bis hin zu Fahrerassistenzsysteme, in welchem diese Verfahren als Schlüsseltechnologie für den sicheren Betrieb vollständig autonomer Fahrzeuge bezeichnet werden. In dieser Arbeit wurde ein System und die dazugehörige Signalerfassung und -verarbeitung für die dreidimensionale Erfassung eines Messvolumens entwickelt, welches die Vorteile einer flexiblen Steuerung der Beleuchtung durch einen Mikrospiegel mit der hohen Sensitivität, der schaltungstechnischen Fremdlichtunterdrückung und dem zeitlichen und räumlichen Auflösungsvermögen eines SPAD-basierten Flächendetektors kombiniert. Eine Besonderheit dieses Systems ist die biaxiale Anordnung des Senders und des Empfängers, die es ermöglicht, in das Verfahren der optischen Pulslaufzeitmessung weitere Strategien für die Signalerfassung und -verarbeitung miteinzubeziehen. Die Notwendigkeit weiterer Strategien für die Signalerfassung und -verarbeitung konnte dabei durch die Formulierung der Akquisitionsstatistik der SPADs bei der Verwendung einer scannenden Beleuchtung gezeigt werden und es wurde ein Klassifizierungsverfahren entwickelt, welches die geometrischen Abmessungen und optischen Eigenschaften des Systems sowie den aktuellen Scanwinkel des Mikrospiegels nutzt, um die signal- von den hintergrundgenerierten Ereignissen zu trennen. Durch einen theoretischen Vergleich der Performanz des Systems mit und ohne die Verwendung des erarbeiten Klassifizierungsverfahrens konnte dabei gezeigt werden, dass aus der Verwendung der Klassifizierung und dem Einbringen eines Basisabstandes zwischen dem Sender und dem Empfänger von wenigen Zentimetern eine deutliche Verbesserung erreicht werden kann. Darüber hinaus sind diese theoretischen Betrachtungen in den Entwurf, die Umsetzung und die Charakterisierung eines Labordemonstrators eingeflossen, welcher es ermöglicht hat, die Funktionalität der Störlichtunterdrückung durch die Verwendung des Klassifizierungsverfahrens zu demonstrieren. Basierend auf den theoretischen Betrachtungen und den Erkenntnissen, welche aus dem Entwurf, der Umsetzung und der Charakterisierung des Labordemonstrators gewonnen werden konnten, konnten zum einen weitere Verbesserung der Performanz des Systems erreicht werden und zum anderen konnten mögliche Verbesserungen abgeleitet werden, welche es ermöglichen, die entwickelten Konzepte in einem breiten Anwendungsfeld einzusetzen., Three-dimensional range imaging techniques are nowadays an indispensable tool in science and many technical as well as non-technical fields of application. It offers the possibility to capture a measurement volume in a short time with a high spatial resolution. Due to the different requirements of the applications, a variety of different technologies and measurement methods are used in practice. The spectrum of applications for optical measurement methods ranges, for example, from cost-optimized systems for use in entertainment and consumer electronics to advanced driver assistance systems, in which these methods are referred to as a key technology for the safe operation of fully autonomous vehicles. In this work, a system and its signal acquisition and processing for three-dimensional range imaging was developed that combines the advantages of a flexible control of illumination by a micromirror with the high sensitivity, circuitry-based ambient light suppression, and temporal and spatial resolving power of a SPAD-based detector. A distinctive feature of this system is the biaxial arrangement of the transmitter and the receiver, which enables further strategies for signal acquisition and processing to be included in the direct time-of-flight technique. The necessity of further strategies for signal acquisition and processing was demonstrated by formulating the acquisition statistics of the SPADs using scanning illumination. A classification procedure was developed that uses the geometric dimensions and optical properties of the system, as well as the current scan angle of the micromirror, to separate signal- from background-generated events. By theoretically evaluating the performance of the system with and without the use of the classification procedure, it was shown that a significant improvement can be achieved by using the classification and adding a base distance between the transmitter and receiver of a few centimeters. Furthermore, these theoretical considerations have been used in the design, implementation, and characterization of a laboratory demonstrator, which has made it possible to demonstrate the functionality of ambient light suppression by using the classification method. Based on the theoretical considerations and the findings from the design, implementation and characterization of the laboratory demonstrator, it was possible to achieve further improvements in the performance of the system while also determining possible improvements that will enable the concepts developed to be used in a wide range of applications.

Das Ziel technischer Weiterentwicklungen im Bereich der Unterhaltungselektronik ist die Optimierung der Benutzererfahrung durch die stetige Verbesserung der audiovisuellen Wiedergabe. Durch die Fortschritte im Bereich virtueller und augmentierter Realit��ten wurde das Ziel einer realit��tsnahen Wiedergabe immer greifbarer. Werden die Sinnesreize so perfekt imitiert, dass es dem Nutzer nicht mehr m��glich ist k��nstlich erzeugte Schallquellen von Realen zu unterscheiden, ist die Rede von einer auditiven Illusion. In erster Linie sind die damit verbundenen Herausforderungen technischer Natur. Allerdings f��hrt eine exakte Reproduktion der Ohrsignale nicht zwangsl��ufig zur gleichen Wahrnehmung wie in der entsprechenden realen Situation. Neben sinnes��bergreifenden Wechselwirkungen, liegt dies daran, dass unsere Wahrnehmung stark von unseren Erwartungen und Erfahrungen abh��ngt. Diese Erwartungen k��nnen sich je nach vorheriger Schallexposition ��ndern. In Bezug auf das r��umliche H��ren bedeutet dies, dass Menschen wahrscheinlich lernen k��nnen wie r��umliche Signale und ihre Merkmale zu interpretieren sind. Solche Mechanismen und ihre Auswirkungen auf die wahrgenommene Qualit��t von r��umlichen Audiowiedergabesystemen ist der Gegenstand dieser Arbeit. In Wahrnehmungsstudien wurde das Erlernen von Lokalisationsmerkmalen untersucht sowie Adaptationsprozesse bei der raumakustischen Wahrnehmung n��her beleuchtet. Es wird betrachtet mit welchen Qualit��tsdefiziten zu rechnen ist, wenn die Ohrsignale nicht korrekt reproduziert werden und wie sich die Qualit��tsbeurteilung abh��ngig vom Training ��ndert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Lern- und Adaptationsprozesse ein ausschlaggebender Faktor f��r das Zustandekommen einer auditiven Illusion ist. Die Arbeit diskutiert sowohl die praktische Relevanz dieser Effekte als auch die zugrundeliegenden Lern- und Adaptationsvorg��nge., The goal of technical evolutions in the context of entertainment electronics is to improve the user experience by providing visuals and acoustics in the best possible way. With modern virtual and augmented reality devices and applications the goal of a reproduction indistinguishable from reality became more tangible. When the listener is no longer able to distinguish artificial sound sources from real ones the term auditory illusion is used. In order to achieve such illusions different technical challenges need to be mastered. But the assumption that the exact replica of the ear signals lead to the same perceptions as in the corresponding real-life situation is not correct. Fundamental mechanisms of human perception such as the integration of cues from different modalities and the dependency on expectations and experience add another layer of complexity. These expectations can change depending on prior sound exposure. In the context of spatial hearing this means that listeners are probably able to learn how to interpret spatial cues. Such mechanisms and their effect on the perceived quality of spatial sound reproduction systems are the scope of this work. Perceptual studies investigate the learning of spatial localization cues and adaptation mechanisms related to room acoustic perception. Quality deficits due to mismatched ear signals are measured and it is shown how quality ratings can change depending on training. The results suggest, that learning and adaptation processes are a key factor for the establishment of an auditory illusion. The practical relevance of such effects and their underlying principles are discussed.

Moderne Fahrzeuge werden komfortabler, sicherer und effizienter wie nie zuvor. Um dies zu erreichen, unterliegen sie aufgrund zunehmender Bedeutung von Elektromobilit��t und Automatisierung einem Systemwandel. Infolgedessen nehmen ihre Komplexit��t und die damit verbundenen Anforderungen stark zu, was den Entwicklungsaufwand erheblich erh��ht. Dar��ber hinaus wird die Forderung nach k��rzer werdenden Durchlaufzeiten immer gr����er. Daher bedarf es neuartiger Entwicklungsumgebungen, die die Entwicklung solcher Systeme effizienter gestalten. Zwar existieren bereits eine Reihe an Werkzeugen zur Spezifikation des Systementwurfs, jedoch gibt es kein einheitliches Verst��ndnis, keine standardisierten Taxonomien und kein methodisches Vorgehen bei der Systemsynthese. Die wissenschaftliche Arbeit greift dies auf und liefert einen modularen L��sungsansatz zur modellbasierten Entwicklung von Fahrzeugsystemen. Insbesondere spielt die Funktionsabsicherung mit dem sogenannten X-in-the-Loop-Ansatz eine gro��e Rolle, mit dem eine schlanke, robuste und durchg��ngige Entwicklung m��glich werden soll. Hierbei liefert die Arbeit eine einheitliche Schnittstellen-Architektur, mit der das monolithische Vorgehen in der Entwicklung aufgel��st wird. Dabei dienen Simulationswerkzeuge als wichtige Integratoren, mit denen heterogene Pr��fumgebungen unabh��ngig von Werkzeugen, Dom��nen und Organisationen flexibel miteinander gekoppelt werden k��nnen. Die entwickelte Methodologie dient als Rahmen und verringert den Konfigurationsaufwand der Werkzeuge zur Umsetzung von X-in-the-Loop. Damit k��nnen die Prozesse zum Systementwurf, zur Systemsynthese und zur Validierung schon fr��hzeitig in der Entwicklung realisiert werden. Ein weiterer Beitrag der Dissertation ist die Umsetzung einer lokal und global verteilten X-in-the-Loop-Umgebung, die auf ihre Echtzeitf��higkeit, Robustheit und Allgemeing��ltigkeit ��berpr��ft wurde. Dazu wurde eine Beobachter-Distributor-Struktur genutzt, um die verteilten Simulationswerkzeuge und Pr��fst��nde in Echtzeit zu synchronisieren. Als Fallstudie wurde ein elektrohydraulisches Bremssystem betrachtet, da seine Systemarchitektur aufgrund steigender Automatisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugsystemen einem systemischen 'Wandel ausgesetzt ist. Zur Demonstration der Methode werden die dom��nenspezifischen Verfahren wie Model-in-the-Loop, Test-Rig-in-the-Loop, Hardware-in-the-Loop und ein gesamtheitliches X-in-the-Loop-Verfahren, das alle Dom��nen integriert, entwickelt und anhand des elektrohydraulischen Bremssystem miteinander verglichen., Driven by the increasing needs for automation and e-mobility, the design of cars has had to change in order that they become more comfortable, safer, and more efficient. As a result, the complexity and requirements have increased significantly, which leads to a large increase in the required development effort. As well, the demand for shorter lead times is increasing. Therefore, new development environments are needed to make the implementation of such systems more efficient. Although, a number of tools for the specification of system design already exist, there is no common understanding, no standardised taxonomies, or approaches for system integration. Thus, this thesis contributes a modular solution for the model-based development of vehilce systems. In particular, functional validation using the X-in-the-loop approach plays a major role to allow lean, robust, integrated development. In this context, the thesis provides a generic interface architecture to resolve the monolithic approaches in development. Simulation tools serve as important integrators, with which heterogeneous testing environments can be flexibly coupled regardless of tools, domains, and organisations. The proposed methodology provides a framework that reduces the required configuration effort of tools for X-in-the-loop implementation. Thus, the processes for system design, system integration, and validation can be realised at an early development stage. A further contribution of the thesis is that a locally and globally distributed X-in-the-loop environment was implemented and verified for its real-time capability, robustness, and validity. An observer-distributor structure was used to synchronise the distributed simulation tools and test benches in real time. An electrohydraulic braking system was considered as the case study. Its system architecture is exposed to systemic change due to the increasing automation of vehicle systems and the electrification of the propulsion unit. To demonstrate the method, domain-specific approaches, such as model-in-the-loop, test-rig-in-the-loop, hardware-in-the-loop and a holistic X-in-the-loop approach integrating all domains, were implemented and compared.

In der vorliegenden Arbeit wird der generelle Aufbau einer Pinned Photodiode analysiert und hinsichtlich der Transporteigenschaften der Elektronen untersucht. Im Fokus dabei steht die Verwendung als Sensor f��r 3D-Time-of-Flight Messungen, die sehr hohe Anforderungen an die verwendeten Photodioden stellen. Die beiden wichtigsten Eigenschaften des Sensors sind Geschwindigkeit und Sensitivit��t, welche jedoch in direktem Gegensatz zueinander stehen. Ziel der Arbeit ist es eine gro��e und damit sensitive Diode mit ausreichend hoher Geschwindigkeit zu entwickeln. Zun��chst werden daf��r die physikalischen Grundlagen vorgestellt, welche im weiteren Verlauf der Arbeit zur theoretischen Beschreibung der Pinned Photodiode Verwendung finden. Es kann gezeigt werden, dass die Eigenschaft der gepinnten Wanne, welche der Pinned Photodiode ihren Namen gab, auch gleichzeitig die F��higkeit des schnellen Ladungstransfers beschr��nkt. Nachdem der Einfluss der Geschwindigkeit des Elektronentransfers auf die 3D-Messung beschrieben wurde, richtet sich der Fokus auf die Modifikation der Pinning Spannung. Aufbauend auf den bisherigen Arbeiten der Forschungsgruppe Optische Systeme am Fraunhofer Institut f��r mikroelektronische Schaltungen (IMS) wird simulatorisch eine Methode vorgestellt die Pinning Spannung weiter zu ver��ndern ohne die Verarmung der Oberfl��chenzust��nde aufzuheben. Der neuartige Aufbau der Pinned Photodiode, welche am Fraunhofer IMS entwickelt wurde, erm��glicht es dem Sensor Eigenschaften eines JFET zu implementieren. Dies wird ��ber eine weitere Implantation realisiert, durch welche ein designierter Elektronenkanal ausgebildet wird. Abschlie��end wird experimentell nachgewiesen werden, dass eine optimierte Pinned Photodiode deutlich gr����er gefertigt werden kann bei mindestens gleichbleibenden und in vielen Bereichen sogar verbesserten optischen Eigenschaften., In this thesis, the general structure of a pinned photodiode is analysed and investigated with regards to the transport properties of the electrons. The focus is on its use as a sensor for 3D-time-of-flight measurements, which place very high demands on the photodiodes. The two most important properties of the sensor are the electron speed and the sensitivity. Since these two parameters stand in direct contrast to each other, the aim of this thesis is to concentrate on the development of a large photodiode which can be used in high speed applications. Therefore the physical principles which are required for understanding the characteristics of the pinned photodiode are described. Afterwards, the current state of art and its limitations are discussed, which show for example that the feature of the characteristic pinned well, also slows down the electron transfer speed. The impact of a slow or even incomplete charge transfer on the 3D measurement makes further modifications of the pinning voltage necessary. Based on the previous work by the research group "Optische Systeme" at the Fraunhofer Institut f��r mikroelektronische Schaltungen (IMS) and the theoretical considerations given in this work, a new well structure is presented. Simulations show that the pinning voltage can be greatly modified while maintaining the depletion of the surface states. The well structure of the pinned photodiode, which was developed at the Fraunhofer IMS, can be used to implement JFET properties into the sensor. This is realised by a second well implantation, which forms a designated electron path inside the photodiode. Finally, it will be experimentally proven that an enhanced pinned photodiode can be manufactured significantly larger while improving some of the optical properties.

International etabliert sich die Hochspannungsgleichstrom��bertragung (HG��) f��r Spannungen bis 1,2 MV aufgrund von zunehmenden ��bertragungsstrecken immer mehr zum Stand der Technik. National r��ckt die HG�� aufgrund des politisch motivierten Ausbaus der erneuerbaren Energien und des damit verbundenen Aus- und Umbaus des H��chstspannungs-��bertragungsnetzes f��r Spannungen bis 525 kV in den Fokus. Dabei sind neue ��bertragungsstrecken vorzugsweise als Trassen aus polymeren Kabeln zu realisieren. In Isolierstoffen von HG��-Kabelsystemen stellt sich im station��ren Zustand ein elektrisches Str��mungsfeld ein, das von der vorherrschenden elektrischen Leitf��higkeit der jeweiligen Isolierstoffe beeinflusst wird. Diese elektrische Leitf��higkeit wird durch die temperatur- und feldst��rkeabh��ngige Entwicklung von Raumladungen in der Isolation bestimmt. Diese Effekte f��hren zu einer Ver��nderung und Umkehr der elektrischen Feldst��rkeverteilung im Isolationsmaterial. Deshalb m��ssen bei der Auslegung von HG��-Komponenten hinsichtlich der Betriebsspannung neben den Permittivit��ten auch die elektrischen Leitf��higkeiten und die Neigungen zur Akkumulation von Raumladungen der einzelnen Isolierstoffe betrachtet werden. Das Augenmerk der vorliegenden Arbeit richtet sich auf Compounds mit vernetztem Polyethylen (LDPE) als Basispolymer und unterschiedlichen F��llstoffanteilen von hexagonalem Bornitrid (h-BN) bis maximal 20 Vol.-%. Es zeigt sich, dass durch eine h��here W��rmeleitf��higkeit bis 1 W/mK des Compounds eine verbesserte Abfuhr der Stromw��rmeverluste des Innenleiters erm��glicht wird. Weitere Messungen bis 80 ��C belegen, dass die elektrische Leitf��higkeit der Compounds stets kleiner ist als des Basispolymers LDPE. Zudem ist eine deutliche Vergr����erung der elektrischen Durchschlagsspannung der Compouds gegen��ber LDPE gemessen wurden. Eine signifikante Akkumulation von Raumladungen ist weder f��r LDPE noch f��r die Compounds bei einer mittleren elektrischen Betriebsfeldst��rke von 15 kV/mm mittels PEA-Verfahren (gepulstes elektroakustisches Verfahren) nachzuweisen. Anhand der gemessenen thermoanalytischen und dielektrischen Parameter in Abh��ngigkeit der Temperatur und elektrischen Feldst��rke ist die grunds��tzliche Eignung dieser Compounds als ein m��glicher optimierter HG��-Isolierstoff festgestellt wurden. Jedoch wurden keine Alterungs- und Langzeiteffekte ber��cksichtigt., Internationally, high-voltage direct current transmission (HVDC) for voltages up to 1.2 MV is increasingly establishing itself as the state of the art due to increasing transmission distances. Nationally, HVDC is becoming the focus of attention due to the politically motivated expansion of renewable energies and the associated expansion and restructuring of the extra-high voltage transmission grid for voltages up to 525 kV. In this context, new transmission lines are preferably to be realized as routes made of polymeric cables. In the insulating materials of HVDC cable systems, an electrical flow field is established in the steady state, which is influenced by the prevailing electrical conductivity of the respective insulating materials. This electrical conductivity is determined by the temperature- and field-strength-dependent development of space charges in the insulation. These effects lead to a change and reversal of the electric field strength distribution in the insulation material. Therefore, when designing HVDC components with respect to the operating voltage, the electrical conductivities and the tendencies to accumulate space charges of the individual insulation materials must be considered in addition to the permittivities. The present work focuses on compounds with crosslinked polyethylene (LDPE) as base polymer and different filler contents of hexagonal boron nitride (h-BN) up to a maximum of 20 vol.%. It is shown that higher thermal conductivity up to 1 W/mK of the compound enables improved dissipation of the current heat losses of the inner conductor. Further measurements up to 80 ��C prove that the electrical conductivity of the compounds is always lower than that of the base polymer LDPE. In addition, a significant increase in the electrical breakdown voltage of the Compouds compared to LDPE has been measured. A significant accumulation of space charges can neither be detected for LDPE nor for the compounds at an average electrical operating field strength of 15 kV/mm by means of the PEA method (pulsed electroacoustic method). Based on the measured thermoanalytical and dielectric parameters as a function of temperature and electric field strength, the basic suitability of these compounds as a possible optimized HVDC insulation material has been established. However, aging and long-term effects were not considered., Ilmenauer Beitr��ge zur elektrischen Energiesystem���, Ger��te- und Anlagentechnik, vol. 32

Weltweit leiden Millionen Menschen an einer neurodegenerativen Erkrankung der Retina, die im progressiven Verlauf zur Erblindung des Patienten führt. Nach aktuellem Stand gibt es keine Therapie-Ansätze zur vollständigen Genesung bzw. Wiederherstellung der verloren gegangenen sensorischen Funktion. Der Einsatz von Retina-Implantaten konnte bisher einen Seheindruck bei den Patienten wiederherstellen, allerdings liegen noch zahlreiche offene Fragestellungen und technische Herausforderungen zur Schaffung eines langzeit-stabilen und räumlich hochauflösenden Sehvermögens vor. In der vorliegenden Dissertation werden Schaltungskonzepte zur bidirektionalen Kommunikation zwischen der Elektronik und der Retina zur monolithischen Integration in ein Implantat mit hochdichten Elektroden-Arrays vorgestellt. Als Schnittstelle dienen Mikroelektroden, die simultan eine lokale Stimulation des degenerierten Gewebes und die Ableitung der extrazellulären Gewebe-Aktivitäten ermöglichen. Das Ableitungs-Frontend erfasst den Informationsfluss vom neuronalen Retina-Netzwerk zum visuellen Kortex und ermittelt mithilfe einer hardware-nahen Merkmals-Extraktion die Feuerrate, die die Anzahl der Aktionspotentiale pro Messintervall ermittelt. Bei der elektrischen Stimulation werden neue Konzepte und Entwurfsregeln zur Realisierung eines innovativen ladungsgesteuerten Stimulationsverfahrens vorgestellt. Außerdem wird ein störrobuster Algorithmus zur Detektion der Aktionspotentiale inklusive Techniken zur Vermeidung von Stimulations-Artefakten präsentiert, die keinen Einfluss auf die Auswertung der bioelektrischen Signale besitzen. Zukünftig kann damit die Technik der adaptiven Stimulation untersucht werden, bei der die Wirksamkeit der Stimulation in Abhängigkeit von der ermittelten Gewebe-Aktivität angepasst werden. Das vorgestellte Verfahren der ladungsgesteuerten Stimulation wird mit Nass-Messungen validiert, bei denen ein Mikroelektroden-Array aus 16 Elektroden verwendet wird. Aus den Nass-Messungen werden die elektrischen Eigenschaften bzw. die kapazitiven und resistiven Eigenschaften des Stimulationspfads extrahiert. Diese Ergebnisse werden mit den elektrochemischen Charakterisierungen der Impedanz-Spektroskopie und der Cyclo-Voltammetrie verglichen. Außerdem werden die Temperatureigenschaften des Metall-Elektrolyt-Übergangs über die Impedanz-Messung bei 1 kHz untersucht. Zur Evaluierung der Neurostimulations-ASICs wird ein elektrisches Testsystems vorgestellt, das das Verhalten von Neuronen in Abhängigkeit von der elektrischen Stimulation emuliert. Dieser Neuronen-Emulator dient als zusätzlicher Test-Schritt zwischen der reinen elektrischen Validierung und den biologischen Experimenten. Die interne und programmierbare Korrelation kann zukünftig mit einem verbesserten Verständnis der retinalen Signalverarbeitung angepasst werden, sodass Algorithmen zur adaptiven Stimulation elektrisch validiert werden können. Eine Folge dessen könnte sein, dass die Anzahl der erforderlichen Tierversuche reduziert werden kann., Millions of people worldwide suffer from a neurodegenerative disease of the retina that progressively leads to blindness. As things stand, there are no therapeutic approaches for complete recovery or restoration of the lost sensory function. The use of retinal implants has so far been able to restore a visual impression in patients, but there are still numerous open questions and technical challenges to create long-term stable and spatially high-resolution vision. In this dissertation, circuit concepts for bidirectional communication between the electronics and the retina for monolithic integration into an implant with high-density electrode arrays. Microelectrodes are used as an interface to simultaneously perform local stimulation of the degenerated tissue and to record the extracellular tissue activity. The recording front-end captures the information flow from the neuronal retinal network to the visual cortex and determines the firing rate using hardware-friendly feature extraction, which determines the number of action potentials per measurement interval. In electrical stimulation, new concepts and design rules for the realisation of an innovative charge-controlled stimulation method are presented. Furthermore, an interference-robust algorithm for the detection of action potentials including techniques for suppressing stimulation artefacts that have no influence on the evaluation of the bioelectrical signals is presented. In the future, this can be used to investigate the technique of adaptive stimulation, in which the effectiveness of the stimulation is adjusted depending on the detected tissue activity. The presented method of charge-controlled stimulation is validated with wet measurements using a microelectrode array of 16 electrodes. From the wet measurements, the electrical properties or the capacitive and resistive properties of the stimulation path are extracted. These results are compared with the electrochemical characterisations from impedance spectroscopy and cyclo-voltammetry. In addition, the temperature properties of the metal-electrolyte junction are investigated via impedance measurements at 1 kHz. To evaluate the neurostimulation ASICs, an electrical test system is presented that emulates the behaviour of neurons in response to electrical stimulation. This neuron emulator serves as an additional test step between the pure electrical validation and the biological experiments. The internal and programmable correlation can be adapted in the future with the improved understanding of retinal signal processing, so that algorithms for adaptive stimulation can be electrically validated. This can result in reducing the number of animal experiments.

In der vorliegenden Arbeit wird eine quantenbasierte Referenzspannungsrauschquelle für metrologische Anwendungen in der primären Rauschthermometrie aufgebaut und charakterisiert. Das Ziel der Arbeit besteht darin die Rauschquelle für den Betrieb im vorgesehenen Signalfrequenzbereich bis 225 kHz zu optimieren, um eine Amplitudengenauigkeit im einstelligen μV/V-Bereich bei zukünftigen Rauschthermometer-Kalibrierungen zu gewährleisten. Das System basiert auf einer Serienschaltung pulsgetriebener Josephson-Kontakte und ermöglicht es quantenbasierte Spannungen zu erzeugen. Nach der umfassenden Systemcharakterisierung und -beschreibung wird die exzellente Funktionalität, welche die Josephson-Spannungsrauschquelle bietet, experimentell demonstriert. Die Optimierung der Probenstangenabschirmung und Filterung des Pulse-Bias-Stroms bewirkt eine Reduktion potentieller Störeinflüsse durch elektromagnetische Interferenz und Übersprechen. Erstmalig erfolgen im Verlauf der Arbeit Wechselspannungsvergleiche zwischen zwei pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen zur Überprüfung der Amplitudengenauigkeit für einen Frequenzbereich bis 500 kHz. Die hochfrequenten Amplitudenabweichungen durch die Ausgangsverkabelung und den Pulse-Bias-Strom werden systematisch analysiert. Die Messergebnisse stimmen sehr gut mit dem erstellten Modell über ein und liegen für alle untersuchten Konfigurationen nach Korrektur der erwarteten Frequenzabhängigkeit innerhalb ±1 μV/V bis 500 kHz. Abschließend erzeugt die optimierte Josephson-Spannungsrauschquelle verzerrungsarme Mehrtonwellenformen zur Kalibrierung des Frequenzgangs und Untersuchung der Signalverstärkungslinearität kritischer Rauschthermometerkomponenten. Der Vergleich unterschiedlicher Mehrtonwellenformen demonstriert den Einfluss von Intermodulationsverzerrung während der Kalibrierung. Es kann eine Verstärkungslinearität des Signalpfads einschließlich des Analog-Digital-Umsetzers und eines Prototyp-Verstärkers für das neue Thermometer innerhalb ±2 μV/V für eingangsbezogene Rauschpegel von 9,7 μV bis 465 μV experimentell nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der Arbeit belegen die Einsatztauglichkeit und Genauigkeit der Josephson-Spannungsrauschquelle zur Kalibrierung des neuen Rauschthermometers bis 225 kHz. Darüber hinaus liefern die Erkenntnisse substanzielle Beiträge zum vertieften Verständnis pulsgetriebener Josephson-Spannungsnormale bis 500 kHz. Ferner tragen die Ergebnisse zur Verbesserung des zukünftigen Rauschthermometers bei., In this thesis a quantum-based reference voltage noise source for metrological applications in primary noise thermometry is built and characterised. The main objective of the work is to optimise the noise source for operation in the frequency range up to 225 kHz and to ensure amplitude accuracy at the single-digit μV/V level in future noise thermometer calibrations. The system is based on pulse-driven Josephson junctions connected in series and enables quantum-based voltages to be generated. After the comprehensive system characterisation and description, the excellent functionality offered by the Josephson voltage noise source is experimentally demonstrated. Optimising the cryoprobe shielding and filtering of the pulse bias current efficiently reduces additional possible errors from electromagnetic interference and crosstalk. For the first time, AC voltage comparisons between two pulse-driven Josephson voltage standards for a signal frequency range up to 500 kHz have been carried out as part of this work in order to check the system’s amplitude accuracy. High-frequency amplitude deviations due to the output cabling and the pulse bias current are analysed systematically. The measurement results show very good agreement with the model created and are within ±1 μV/V up to 500 kHz for all configurations investigated, once the expected frequency dependence is corrected. Finally, the optimised Josephson voltage noise source generates low-distortion multi-tone waveforms for calibration of the frequency response and investigation of the signal gain linearity of critical noise thermometer components. Two different types of multi-tone waveforms are compared to demonstrate the effect of intermodulation distortion during calibration. A gain linearity of the signal path including a prototype amplifier for the new noise thermometer and an analogue-to-digital-converter is experimentally demonstrated within ±2 μV/V for input-referred noise levels from 9.7 μV to 465 μV. The results of this work prove the suitability and accuracy of the Josephson voltage noise source for the calibration of the new noise thermometer up to 225 kHz. Furthermore, this work has thoroughly extended the understanding of pulse-driven Josephson voltage standards up to 500 kHz. Moreover, the results contribute to the improvement of the future noise thermometer., Berichte aus dem Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, vol. 71

Temperatur-Blockkalibratoren werden sehr häufig in der Industrie und in Kalibrierlaboratorien bei Vergleichskalibrierungen von Berührungsthermometern als Temperiereinrichtungen eingesetzt. Hierbei erfolgt die Temperierung der Thermometer in einem metallischen Ausgleichsblock, dessen Temperatur mit einem internen Referenzthermometer bestimmt wird. Für die Erzielung kleiner Messunsicherheiten stellen dabei die Ausbildung eines homogenen Temperaturfeldes im Ausgleichsblock sowie die Ermittlung dieser Temperatur mit rückführbar kalibrierten Referenzthermometern die größten Herausforderungen dar. In dieser Dissertation wird ein neues Konzept eines Temperatur-Blockkalibrators im Temperaturbereich von 80 °C bis 430 °C vorgestellt. Abweichend zum Stand der Technik besitzt der neue Blockkalibrator eine Mehrzonenheizung und Wärmestromsensoren im Ausgleichsblock. Beides sorgt für die Verbesserung der Temperaturhomogenität. Außerdem ist eine kompakte Mehrfachfixpunktzelle für die rückführbare in situ Kalibrierung des internen Referenzthermometers enthalten. Das Konzept des Temperatur-Blockkalibrators sowie seine konstruktive Realisierung werden mittels probabilistischer Berechnungen numerischer FEM-Simulationen untersucht und mit Zielrichtung bester Temperaturhomogenität im Ausgleichsblock optimiert. Auf dieses Modell gestützt werden die Heizleistungen für die Mehrzonenheizung abgeschätzt und ein Abkühlungskonzept erarbeitet. Zudem wird aus dem FEM-Modell ein Systemmodell in Zustandsraumdarstellung des Temperatur-Blockkalibrators hergeleitet. Dieses kann z.B. für eine Reglerauslegung verwendet werden. Die internationale Temperaturskala von 1990 nutzt Phasenumwandlungstemperaturen hochreiner Stoffe für ihre Definition. Diese Temperaturen ϑFP sind idealerweise konstant, sehr gut reproduzierbar und international anerkannt. Die kompakte Mehrfachfixpunktzelle enthält die Fixpunktmaterialien Indium (ϑFP = 156,5985 °C), Zinn (ϑFP = 231,928 °C) und Zink (ϑFP = 419,527 °C). Anhand dieser Fixpunkttemperaturen kann das interne Referenzthermometer des Temperatur-Blockkalibrators in situ rückführbar zur internationalen Temperaturskala kalibriert werden. Der Entwicklungsprozess der kompakten Mehrfachfixpunktzelle wird in dieser Arbeit ausführlich beschrieben. Ihre Geometrie wird nach thermischen und mechanischen Kriterien entworfen und auf Grundlage von probabilistischen Berechnungen mit FEM-Modellen optimiert. Ausgehend von einer Langzeitmessung wurden Unsicherheiten für die drei Fixpunkttemperaturen von kleiner als 60 mK (k = 2) bestimmt., Temperature block calibrators are frequently used in industry and calibration laboratories for comparison calibrations of contact thermometers. Therefore thermometers are tempered in a metal normalization block, whose temperature is determined using an internal reference thermometer. To achieve low calibration uncertainties the biggest challenges in this situation are a homogeneous temperature field in the normalization block and the determination of this temperature by means of traceable calibrated reference thermometers. This thesis presents a novel concept of a temperature block calibrator in the range of 80 °C to 430 °C. Alternatively to the state-of-the-art the new block calibrator contains a multi-zone heating and heat flow sensors in the normalization block. Both improve its temperature homogeneity. Furthermore a compact multiple fixed-point cell for the traceable in situ calibration of the internal reference thermometer is integrated. The concept of the temperature block calibrator and its constructive implementation are investigated using probabilistic calculations of numerical FEM simulations and optimized to achieve best temperature homogeneity in the normalization block. Based on this model the power values for the multi-zone heating are estimated and also a cooling concept is processed. A system model in state-space formulation of the temperature block calibrator is also deduced from the FEM model. This can be used e.g. for control system design. The international temperature scale from 1990 uses the phase change transition temperatures of high purity substances for its definition. These temperatures ϑFP are ideally constant, very reproducible and internationally accepted. The compact multiple fixed-point cell contains the fixed-point materials indium (ϑFP = 156,5985 °C), tin (ϑFP = 231,928 °C) and zinc (ϑFP = 419,527 °C). Based on their fixed-point temperature values, the internal reference thermometer of the temperature block calibrator can be calibrated in situ traceable to the international temperature scale. This work describes the development process of the compact multiple fixed-point cell. Their geometry is designed according to thermal and mechanical criteria and optimized by probabilistic calculations of FEM models. The uncertainties of the three fixed-point temperatures were determined based on a long-term measurement. They are less than 60 mK (k = 2).

Die derzeitige Energiewende und die damit verbundene Umstrukturierung im gesamten Energiekonzept macht es erforderlich, dass in den Bereichen der Strom-Erzeugung und der Infrastruktur wesentlich mehr und genauere Messdaten zur Abbildung des Systems in Bezug auf die Messung der elektrischen Größen Strom und Spannung bereitgestellt werden. Dabei stellt sich die Anforderung nicht nur in der exakten Aufnahme der elektrischen Größen bei der Netzfrequenz dar, sondern es besteht zunehmend das Interesse der genauen Abbildung in einer größeren Bandbreite. Daher ist es notwendig die Messtechnik zu erweitern bzw. zu ersetzen, die diese Anforderungen nicht ganzheitlich erfüllen kann, um die Ziele in Bezug auf ein stabiles Energienetz mit einer präzisen und zuverlässigen Sensorik umzusetzen. Bereichsübergreifend bestehen ähnliche Anforderungen an die Strommessung in anderen elektrischen Anlagen. Neuartige Verfahren zur Prozessüberwachung bei elektrochemischen Vorgängen erfordern eine breitbandigere Messung von Strom und Spannung, um der Anforderung nach einer präzisen Bestimmung von prozessrelevanten Parametern gerecht zu werden. In diesem Bereich handelt es sich um hohe Gleichströme im Kiloamperebereich mit überlagerten Wechselanteilen der Gleichrichteranlagen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein flexibel einsetzbares Strommesssystem umgesetzt werden, welches in verschiedenen Einsatz-Bereichen die Anforderungen erfüllt. Um die Beurteilung der unterschiedlichen Spulenanordnungen zur Umsetzung der Rogowski-Spule bei gegebenen Bedingungen zu ermöglichen, wurden die notwendigen Versuchsanordnungen realisiert und optimiert. Im Verlauf der messtechnischen Analyse wurden drei Designvarianten umgesetzt, sodass sich innovative Spulen-Konstruktionen mit speziellen Eigenschaften für unterschiedliche Einsatz-Bereiche ergeben. Durch die Spezialisierung und Optimierung der Spulen-Konstruktionen können unterschiedliche Eigenschaften der Spulen für verschiedene Anwendungsbereiche genutzt werden. Im Hinblick auf die individuellen Ansätze wurden Ersatzschaltbilder weiterentwickelt und zur differenzierten Simulation verwendet. Prototypen der Stromsensoren konnten mit Hilfe der Erkenntnisse aus vielfältigen Simulationen in CONCEPT-II und SPICE, sowie der umfangreichen Messungen, optimiert, hergestellt und beim Einsatz im Energieverteilnetz, an großtechnischen Pilotelektrolyseanlagen und unter Laborbedingungen validiert werden. Die Aufnahme und Abbildung des Stromes konnte in der geforderten Bandbreite und Genauigkeit umgesetzt werden, sodass die vorgestellten Stromsensoren zur innovativen Weiterentwicklung der genannten Fachgebiete genutzt werden können, um die Messtechnik an den erforderlichen Stellen zu ergänzen., The current energy turnaround and the associated restructuring in the entire energy concept makes it necessary that in the areas of power generation and infrastructure, significantly more and more accurate measurement data is provided to map the system in terms of the measurement of the electrical quantities current and voltage. Thereby the requirement is not only the exact recording of the electrical quantities at the network frequency, but there is an increasing interest in the exact mapping in a wider bandwidth. Therefore, it is necessary to expand or replace the measurement technology, which cannot fulfill these requirements holistically, in order to implement the goals related to a stable power grid with precise and reliable sensor technology. Across sectors, similar requirements exist for current measurement in other electrical systems. Novel processes for process monitoring in electrochemical operations require broaderband measurement of current and voltage to meet the requirement for precise determination of process-relevant parameters. In this field, high direct currents in the kiloampere range with superimposed alternating components of the rectifier systems are involved. Within the scope of this work, a flexibly applicable current measurement system could be implemented, which fulfills the requirements in different application areas. In order to evaluate the different coil arrangements for the implementation of the Rogowski coil under given conditions, the necessary test arrangements were realized and optimized. In the course of the metrological analysis, three design variants were implemented, resulting in innovative coil designs with special properties for different application areas. By specializing and optimizing the coil designs, different properties of the coils can be used for different application areas. With regard to the individual approaches, equivalent circuit diagrams were further developed and used for differentiated simulation. Prototypes of the current sensors could be optimized, manufactured and validated when used in the power distribution network, on large-scale pilot electrolysis plants and under laboratory conditions with the help of the findings from diverse simulations in CONCEPT-II and SPICE, as well as the extensive measurements. The recording and mapping of the current could be implemented in the required bandwidth and accuracy, so that the presented current sensors can be used for innovative further development of the mentioned fields to complement the measurement technology in the required places.