Elektronische Komponenten und mikroelektronische Systeme finden sich mittlerweile in allen Lebensbereichen wieder. Sie verrichten sichtbar und unsichtbar ihren Dienst, ermöglichen technische Geräte mit bisher ungeahnten Funktionen, sorgen allgemein für mehr Sicherheit und erlauben optimierte Fertigungsabläufe.

Eine Herausforderung ist die Entwicklung komplexer leistungsfähiger mikroelektronischer Systeme, die für spezifische Anwendungen möglichst optimal ausgelegt sind, eine Robustheit gegenüber Ausfällen zeigen und dabei noch ressourceneffizient hinsichtlich des Energiebedarfs sind.

Die Arbeiten des Fachgebietes Schaltungstechnik / Industrieelektronik konzentrieren sich auf den Entwurf eingebetteter mikroelektronischer Systeme, wobei sowohl analoge, digitale als auch Mixed-Signal-Schaltungen betrachtet werden. In diesem Kontext untersuchen wir unter anderem die enge Kopplung von leistungsfähigen Mikrocontrollern bzw. Prozessoren und komplexen FPGA-Bausteinen, so dass eine einerseits kompakte und andererseits leistungsfähige Informationsverarbeitungsplattform entsteht.

Energieeffiziente Sensornetzwerke, die drahtlos mittels Bluetooth, ZigBee, Sub-1GHz-Funk oder Ultra-Wide-Band (UWB) Daten in mobilen Ad-hoc-Netzwerk übertragen, sind ein weiterer Arbeitsbereich. Ziel ist hier zum Einen die Entwicklung energieeffizienter Kommunikationsknoten, die eine oder bei Bedarf auch mehrere Funktechnologien in einem Knoten unterstützen.

Elektronik-Labor

Messtechnik- / EMV-Labor

Autonome Systeme

• Studium der Elektrotechnik mit der Vertiefungsrichtung Mikroelektronik an der Technischen Universität Hamburg Harburg
• Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Wissenschaftlicher Assistent am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn, Fachgebiet Schaltungstechnik, Promotion 2003
• Oberingenieur am Fachgebiet Schaltungstechnik des Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn. Leitung des Forschungsgebietes Kognitronik mit den Bereichen Hardware, Sensorik und Robotik
• Seit 2009 Professur für Schaltungstechnik / Industrieelektronik an der Fachhochschule Südwestfalen mit den Arbeitsschwerpunkten im Bereich der analogen und digitalen Schaltungstechnik, eingebettete Systeme sowie mobile Ad-hoc-Netzwerke

Unter ressourceneffizienten eingebetteten Systemen verstehen wir elektronische Systeme, die für einen speziellen Einsatzzweck entworfen und hinsichtlich des Ressourcenbedarfs optimiert wurden. Als Ressourcen werden hierbei Energie- und Leistungsbedarf, Kosten sowie Platzbedarf eines Systems betrachtet. Ziel ist die Bereitstellung eines Entwurfsablaufes, mit dessen Hilfe ein eingebettetes System effizient unter Berücksichtigung einsatzrelevanter Randbedingungen spezifiziert, technisch umgesetzt und in einem Einbettungskontext in Betrieb genommen werden kann.
Weitere Informationen: Ressourceneffiziente eingebettete Systeme folgen.

Ein großer Teil des Verkehrsaufkommens des Individualverkehrs resultiert aus Pendelfahrten zwischen Wohnort und Arbeitsstätte sowie aus Besorgungsfahrten. Gerade für diese Einsatzbereiche eignen sich elektrisch angetriebene Fahrzeuge in Kombination mit einer Wasserstoff-Brennstoffzellentechnik sehr gut. Elektrofahrzeuge sind hoch effizient und leise im Betrieb. Sie benötigen im Stillstand so gut wie keine Energie und haben damit das Potential für eine deutliche Reduktion der CO2-Emissionen. Das Fachgebiet Schaltungstechnik erforscht zusammen mit dem Fachgebieten Physik, Elektrische Antriebe und Leistungselektronik sowie Datentechnik die technische Machbarkeit der Hydridspeicherung für mobile Anwendungen durch den Aufbau von zwei Fahrzeugen (Orthopädie-Scooter und Smart) mit Elektroantrieb und Wasserstoff-Brennstoffzellentechnik.

Die in den letzten Jahren rasant anwachsende Anwendung von weißen Leuchtdioden (W-LEDs) trägt dazu bei, dass die Leuchtstoff-Forschung sich mehr und mehr in Richtung Materialeffizienz und umweltfreundliches Recycling verlagert. Eine lange Lebensdauer und ein sicherer Betrieb von W-LEDs erfordert allerdings eine besondere Berücksichtigung des Thermomanagements. Dies bedeutet, die Temperatur an wesentlichen Bauteilen einer LED wie der Halbleitersperrschicht und der Beschichtung mit Leuchtstoffpartikeln möglichst gering zu halten. Ziel der Forschungsarbeiten im Fachgebiet, die in Kooperation mit dem Fachgebiet Physik ( Prof. Schweizer) durchgeführt werden, ist zum einen die Entwicklung eines solchen Thermomanagementsystems, welches unter Zuhilfenahme von Simulationswerkzeugen, Wärmeflüsse und Temperaturprofile von verschiedenen Diodenvarianten ermittelt und zum anderen die Realisierung von der zugehörigen integrierten Leistungselektronik.

Die drahtlose Kommunikation gewinnt zunehmend an Bedeutung, wobei Energieeffizienz, Robustheit und Sicherheit bei der Datenübertragung sowie eine aus Anwendersicht einfache Nutzbarkeit wichtige Systemmerkmale darstellen. Schwerpunkt der Arbeiten im Fachgebiet bilden drahtlose mobile Ad-Hoc-Netzwerke. Ziel ist hier zum einen die Entwicklung energieeffizienter Kommunikationsknoten, die eine oder bei Bedarf auch mehrere Funktechnologien unterstützen. Zum anderen werden optimierte Routingverfahren für dynamische Netzwerke mit mobilen Knoten betrachtet. Als Funktechniken kommen unter anderem Bluetooth, Bluetooth Low Energy, ZigBee, Sub-1GHz-Funk und Ultra-Wide-Band (UWB) zum Einsatz.

Die Arbeiten des Fachgebietes Schaltungstechnik / Industrieelektronik konzentrieren sich auf den Entwurf eingebetteter mikroelektronischer Schaltungen und Systeme, die entsprechend den Anforderungen einer bestimmten Anwendung ressourcenoptimiert realisiert werden, sowie und dem Einsatz der Systeme. Basis für die Hardwareentwicklung sind analoge, digitale und Mixed-Signal-Bausteine sowie FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Der Softwareentwurf ergänzt die Entwicklung eingebetteter Systeme. Ein weiterer Schwerpunkt im Fachgebiet ist die drahtlose Kommunikation zwischen zwei Kommunikationspartnern bzw. in Netzwerken. Hier werden unter anderem die Funktechnologien Bluetooth Low Energy, Bluetooth, ZigBee, Sub-1-GHz und UWB betrachtet.

Sie haben die Möglichkeit, in einem spannenden Umfeld Abschlussarbeiten in verschiedenen Themenbereichen durchzuführen. Die Arbeiten können beispielsweise im Kontext digitaler und analoger Hardwareentwicklung stehen, den hardwarenahe Softwareentwurf betreffen, oder aus einem anderen Bereich der Elektronik bzw. Messtechnik stammen. Erkundigen Sie sich gerne unverbindlich im Fachgebiet nach aktuellen Abschlussarbeiten und sprechen Sie uns bei Fragen zur Betreuung einer hochschulexternen Arbeit an. Nachfolgend aufgeführt sind einige beispielhafte Abschlussarbeiten (klicken Sie auf den Titel, um weitere Informationen zu bekommen):

• Allgemeines zu Abschlussarbeiten
• Regelung eines balancierenden Roboters
• Hardwareentwicklung eines Prozessor-FPGA-Systems
• Multi-Standard-IO-Board
• Roboterfußball in der AMiREsot-Liga
• Bluetooth-basierte Funknetzwerke
• EMV-Charakterisierung von Systemen
• Near Field Communication (NFC)
• Touchdisplay für mobilen Roboter
• Kamera-Controller für ein FPGA
• Ultra-Wide-Band-Kommunikation
• Funkfernsteuerung mittels ZigBee
• Tracking von Robotern
• Multiprozessorsystem
• Bildverarbeitung mit FPGA
• Smartphone-App für die Fertigung
• Energy-Harvesting für die Elektronik
• Positionsbestimmung per Funk
• Neue Speichertechnologien

In diesem Modul werden erste Grundlagen der Messtechnik und Elektronik vermittelt. Im Bereich Messtechnik kennen die Studierenden am Ende der Vorlesung wesentliche Grundbegriffe der Messtechnik. Sie sind in der Lage, einfache Fehlerabschätzungen vorzunehmen, kennen wesentliche Hilfsmittel zur Durchführung von Messungen und können Operationsverstärkerschaltungen einsetzen. Im Bereich Elektronik kennen die Studierenden wesentliche Grundbegriffe der Halbleiterphysik sowie die behandelten Bauelemente wie Dioden, Bipolar- sowie MOS-Transistoren und können damit aufgebaute Schaltungen analysieren sowie schaltungstechnisch einsetzen.

Messtechnik II behandelt Grundschaltungen zur Strom-, Spannungs- und Widerstandsmessung. Neben der Beschreibung von Wechsel- und Mischgrößen sowie Gleichrichteffekten sind Kompensationsverfahren wie die Gleichspannungskompensation und Brückenmessverfahren sowie der Einsatz von analogen und digitalen Oszilloskopen ein Schwerpunkt. In Elektronik II werden MOS-Transistorschaltungen behandelt, das Zeitverhalten von Verstärkerschaltungen diskutiert sowie die Vierpoltheorie als Grundlage für die Schaltungsanalyse besprochen. Weiterhin werden Aufbau und Funktion von weiteren Halbleiterbauelementen wie beispielsweise Triac, Thyristor und IGBT durchgenommen.

In der Messtechnik steht die Leistungsmessung im Vordergrund. Betrachtet werden Ein- und Mehrphasensysteme, die Auswirkungen nicht-sinusförmiger Vorgänge sowie Strom- und Spannungswander. Weiterhin werden Strommessverfahren unter anderem mit Varianten von Stromzangen diskutiert. Schwerpunkt in der Elektronik ist die digitale Schaltungstechnik. Hier werden Grundschaltungen und deren Eigenschaften besprochen und die Charakterisierung digitaler Schaltungen hinsichtlich Robustheit, Leistungsbedarf und Leistungsfähigkeit behandelt. Zudem werden Speichertechnologien wie z.B. SRAM, DRAM und Flash diskutiert.

Eingebettete Systeme sind fest in einer technischen Umgebung eingebaute Computersysteme, die oft zusammen mit Sensoren und Aktoren für einen spezifischen Zweck genutzt werden. Im Rahmen der Vorlesung werden verschiedene Entwurfsaspekte für eingebettete Systeme besprochen. Eine besondere Herausforderung beim Entwurf solcher Systeme ergibt sich oft durch die Heterogenität der Systemarchitektur, die Komplexität der Aufgabenstellung und durch die Notwendigkeit, eine Vielzahl technischer und ökonomischer Vorgaben einhalten zu müssen. Behandelte Themen kommen aus den Bereichen Computer-Zielarchitekturen, High-Level-Hardwareentwicklung mit der Hardware-Beschreibungssprache VHDL, Leiterplattenentwicklung für den Aufbau komplexer mikroelektronischer Systeme sowie Aufbau- und Verbindungstechniken für eingebettete Systeme.

In der Vorlesung wird eine Einführung in mobile autonome Systeme gegeben. Dies sind Systeme, die mittels Sensoren Informationen aus der Umgebung aufnehmen, die aufgenommenen Daten verarbeiten und zielgerichtet handeln. Thematisch beinhaltet die Vorlesung einen Überblick über eingebettete Hardware für mobile Systeme, High-Level Entwurfsmethoden für digitale Systeme, drahtgebundene und drahtlose Kommunikation, Sensorsysteme sowie Methoden zur Verhaltensrealisierung von autonomen mobilen Systemen. Als Hardware kommen Mikrocontroller und FPGAs, die teilweise in einem Miniroboter eingebettet sind, zum Einsatz. Im Hardwarebereich bildet die Hardwaresynthese aus VHDL und mittels MATLAB/Simulink unter Verwendung des System Generators einen Schwerpunkt.