Synthese von Frequenzgangskompensationsnetzwerken für integrierte Breitband-Signalverstärker

Modern communication systems are required to transmit a continuously increasing amount of data. Therefore, weak signals have to be detected and amplified. Today's signal amplifiers need to cover frequency ranges from zero to several hundred MHz, i.e. multiple decades. Simultaneously, due to high bandwidth requirement, stability of these amplifiers gets more and more problematic in circuit design. Stability implies that an arbitrarily stimulated amplifier is void of oscillation tendencies at its output port.Stability is usually achieved by compensation of the circuit's frequency response. Damping of the frequency range which tends to oscillate is one option to assure stability. Feedback from the output to the input of the circuit is reduced with this approach. However, the disadvantage of a frequency-response compensated amplifier is an immensely decreased bandwidth compared to the uncompensated circuit. The reason of this degradation lies in the fashion of the compensation methodology. Conventionally, the feedback loop is opened, and the frequency response is investigated. If the criterion for instability, known from control theory, becomes true within the frequency range of interest, the circuit is damped until the stability condition is met. Typical applications are video-signal amplifiers which need to provide a constant gain from 0 to several 100 MHz.Within this dissertation a methodological approach is presented which computer-aidedly synthesizes frequency-compensation networks for wideband-signal amplifiers. In contrast to the control-theory and open-loop based approaches, the methodology introduced in this work is based on eigenvalues and eigenvalue sensitivities, which are used to gain conclusions about sophisticated compensation networks that are to be inserted. Following, these networks are sized by means of mathematical optimization, and, subsequently, their frequency responses are tuned with modern circuit optimizers. The advantage of this method is that the final circuits are designed for their particular applications, and, therefore, bandwidths can be attained which are impossible to reach with conservative approaches.The synthesis scheme is totally autonomous and can be used without any expert knowledge about the circuits' properties. The methodology is demonstrated with entire design of an industrial signal amplifier for HDTV applications.Die moderne Kommunikationstechnik unterliegt der Forderung, immer größere Datenmengen zu übertragen. Dabei werden z.B. von Sensoren sehr schwache Signale aufgenommen, die anschließend verstärkt werden müssen. Die Signalverstärker, die heutzutage dafür benötigt werden, müssen Frequenzbereiche von Null bis zu mehreren hundert MHz und damit mehrere Frequenzdekaden abdecken. Gleichzeitig wird aufgrund dieser Bandbreitenforderung die Stabilität von Verstärkerschaltungen mit zunehmender Frequenz zu einem Problem in der Schaltungstechnik. Stabilität bedeutet im weitesten Sinne, dass ein Verstärker bei beliebiger Anregung keine Schwingungsneigung am Ausgang zeigt.Üblicherweise wird Stabilität bei Verstärkern dadurch erreicht, indem man den Frequenzgang kompensiert. Das kann dadurch geschehen, dass der Frequenzbereich, in dem der Verstärker zu Schwingungen neigt, durch Kompensationsnetzwerke bedämpft wird und damit keine Anregung durch Rückkopplung auf den Eingang der Schaltung mehr vorhanden ist. Der Nachteil, der dadurch erkauft wird, ist, dass die Bandbreite eines frequenzgangskompensierten Verstärkers gegenüber der unkompensierten aber instabilen Schaltung sehr stark verringert wird. Der Grund dieser Verringerung liegt in der Art und Weise der Kompensationsmethodik.Im Rahmen dieser Arbeit soll ein methodischer Ansatz vorgestellt werden, der automatisch mit Hilfe des Rechners Frequenzgangskompensationsnetzwerke für Breitband-Signalverstärker synthetisiert. Diese Methodik basiert auf der Bestimmung von Eigenwerten und Eigenwertempfindlichkeiten, aus denen Schlussfolgerungen über einzubringende komplexe Kompensationsnetzwerke gezogen werden. Diese Kompensationsnetzwerke werden anschließend mit den Methoden der mathematischen Optimierung dimensioniert und nachträglich mit modernen Schaltungsoptimierern frequenzgangsoptimiert. Der Vorteil des Verfahrens, welches auch direkte Kompensation genannt wird, ist, dass die nun kompensierte Verstärkerschaltung genau für ihren speziellen Anwendungsfall konzipiert ist und somit Bandbreiten erreicht werden, die durch konservative Ansätze nicht möglich waren.Das Syntheseverfahren läuft vollautomatisch ab und kommt ohne Kenntnis der Eigenschaften der Verstärkerstrukturen und ohne Expertenwissen aus. Die gesamte Methodik wird anhand eines Komplettentwurfs eines industriell gefertigten Signalverstärkers für HD-TV-Anwendungen demonstriert

Modell für den Strahlendurchgang in Abhängigkeit der Betonzusammensetzung im kerntechnischen Rückbau

In dieser Arbeit wird der Durchgang von Gammastrahlung durch Betonstrukturen spektroskopisch und dosimetrisch untersucht, welcher im Rückbau kerntechnischer Anlagen aufgrund der Kontamination der Betonsubstanz durch radioaktive Spalt- oder Aktivierungsprodukte von Interesse ist. Dazu wurde ein Betonphantom erstellt, dessen Zusammensetzung der im Kraftwerk genutzten Substanz möglichst nahekommt, und ein Aufbau mit variierender Geometrie realisiert. Darin wurden spektroskopische Messungen mithilfe einer aus Gadolinium-Aluminium-Gallium-Granat bestehenden faseroptischen Szintillationssonde durchgeführt. Zudem wurden dosimetrische Messungen mittels Berylliumoxid-Detektoren im Phantom umgesetzt. Somit konnte sowohl die Abhängigkeit der applizierten Dosisleistung als auch der Energieverteilung der Gammastrahlung von der Phantomabmessung bestimmt werden. Eine computergestützte Simulation des Messaufbaus mit beiden Messsystemen führte daraufhin zu Ergebnissen, welche gut mit den Messwerten übereinstimmen.:1 Einleitung 1 2 Physikalische Grundlagen 2 2.1 Wichtige Gröÿen der Strahlungsphysik 2 2.2 Das Zerfallsgesetz 3 2.3 Schwächung von Photonenstrahlung 3 2.4 Wechselwirkung von Photonen mit Materie 4 2.5 Dosimetrie mittels optisch stimulierter Lumineszenz 7 2.6 Spektrometrie mittels Szintillationsdetektoren 9 2.7 Energiedepositionshistogramm eines Szintillationsdetektors 11 2.8 Entstehung von Kontaminationen im Kernreaktor 13 3 Messaufbau 15 3.1 Das Messsystem der BeO-Dosimeter 15 3.2 Das Messsystem des GAGG-Szintillationsdetektors 16 3.3 Die 22Na-Quelle 18 3.4 Aufbau des Sandphantoms 19 3.5 Messwertaufnahme 22 3.6 Simulation der Messungen 23 4 Ergebnisse und Auswertung 25 4.1 Dosimetrische Messung und Simulation 25 4.2 Spektroskopische Messung und Simulation 27 4.2.1 Kalibrierung des GAGG-Messsystems 27 4.2.2 Messergebnisse des GAGG-Detektors 29 4.3 Ergebnisse der spektroskopischen Simulation 31 4.3.1 Faltung des Simulationsspektrums 34 4.4 Auswertung der spektroskopischen Messung und Simulation 35 5 Diskussion 40 6 Zusammenfassung 43 Literatur 4

Über die Methode des Bombardement Induzierten Ionentransports (BIIT) und ihre Anwendung auf alkaliionenleitende Borat- und Calciumphosphatgläser

Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf die neuartige Methode namens Bombardement Induzierten Ionentransports (BIIT). Die Methode wurde technisch weiterentwickelt und ihr Potential und ihre Fehlergrenzen diskutiert. Die Methode nutzt einen thermionischen Emitter, um einen Alkaliionenstrahl mit definierter, niedriger kinetischer Energie zu erzeugen. Dieser Strahl lädt die Oberfläche eines Festkörperelektrolyten (z.B. ein ionenleitendes Glas) im Hochvakuum auf. Es fließt ein Neutralisationsstrom abhängig von der Beschleunigungsspannung. Dies führt zu einer linearen Strom-Spannungs-Kennlinie, aus der die temperaturabhängige Gleichstromleitfähigkeit des Materials gewonnen werden kann. Typischerweise schneidet die Kennlinie die Spannungsachse nicht bei 0 V, sondern im Bereich von +1 V bis +4 V. Dieses Phänomen wird als Spannungsoffset bezeichnet. Diese Arbeit behandelt drei Schwerpunkte von BIIT: Zunächst wurde die Messung von Leitfähigkeiten optimiert. Ein Hochtemperatur-Probenhalter wurde entwickelt, welcher das zugängliche Messfenster für BIIT auf Temperaturen bis zu 260 °C (533 K) erweitert. Indem der Potentialunterschied zwischen Probenvorderseite und -rückseite auf Werte bis 100 mV reduziert wurde, wurden Leitfähigkeiten bis maximal 2·10^-10 S/cm messbar. Die Reproduzierbarkeit der Leitfähigkeitsmessung wurde überprüft und die experimentellen Abweichungen zwischen BIIT und Impedanzspektroskopie diskutiert. Um den Aufladeprozess bei BIIT zu untersuchen, wurde ein experimentelles Modellsystem entwickelt, welches aus einer Metallelektrode in Reihe mit einem ohmschen Widerstand besteht. Als zweiter Schwerpunkt wurde der Spannungsoffset genauer untersucht. Hierzu wurden Metallelektroden (Pt, Au, Cu, Ag) mit K+, Rb+ und Cs+ beschossen. Der Spannungsoffset wurde abhängig von Elektrodenmaterial und Beschusszeit bzw. abgeschiedener Ladung analysiert. Unabhängig vom Elektrodenmaterial stieg der Offset zügig mit der Zeit an und wurde nach einer Verschiebung von etwa 1.7V konstant. Durch Verwendung einer Referenzelektrode konnte gezeigt werden, dass die Verschiebung mit dem Beschuss der Elektrode zusammenhängt. Die Beobachtungen zum Spannungsoffset am Experimentbeginn waren nicht eindeutig: Entweder hängt dieser nicht vom Elektrodenmaterial ab, oder er sinkt wenn die elektronische Austrittsarbeit des Materials steigt. Basierend auf der Elektronenemission wurde ein theoretisches Modell für BIIT entwickelt, um hiermit Phänomene wie den Spannungsoffset zu erklären. Bei dem Offset könnte es sich um die Volta-Spannung (bzw. Kontaktpotential) oder eine elektromotorische Kraft handeln. Als dritter Schwerpunkt wurde die BIIT-Methode genutzt, um Konzentrationsprofile in Gläsern zu erzeugen. Wenn das Glas mit einem fremden Alkaliion beschossen wird, so ersetzt dieses das native Alkaliion, welches zu Beginn des Experiments im Glas vorlag. Dies führt zu einer typischerweise 150nm tiefen Verdrängungszone, in welcher bsi zu 80% des nativen Ions ersetzt wurden. Die erzeugten Profile werden mittels Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) gemessen und anschließend auf Basis der Nernst-Planck- und Poisson-Gleichung (NPP) nummerisch modelliert. Der erhaltene NPP-Diffusionskoeffizient eines der beiden Alkaliionen erscheint hierbei systematisch als konstant, während der andere stark von der lokalen Zusammensetzung abhängt. Es wurden die Calciumphoshatgläser Ca30-K und Ca30-Rb (0.25 M2O · 0.30 CaO · 0.45 P2O5 mit M = K, Rb) und das Mischalkali-Boratglas 16Na04Rb80B (0.16 Na2O · 0.04 Rb2O · 0.8B2O3) untersucht. Durch ein Vergleichsexperiment Rb@Ca30-K vs. K@Ca30-Rb konnte gezeigt werden, dass in beiden Fällen der Diffusionskoeffizient von Rubidium konstant erscheint. Die Konstanz ist somit nicht eine Eigenschaft des Bombarder-Ions. Daher wurde die physikalische Natur des NPP-Diffusionskoeffizienten untersucht und diskutiert. Durch Analyse des NPP-Modells wurde klar, dass das Modell sehr empfindlich auf das Verhältnis der Diffusionskoeffizienten reagiert, aber unempfindlich auf deren absolute Höhe. Prinzipiell wäre es somit möglich, dass die Konzentrationsabhängigkeit des zweiten Diffusionskoeffizienten übersehen wird. Die Alkaliboratgläser wurden mit Rb+ beschossen und so erstmals temperaturabhängige NPP-Diffusionskoeffizienten gewonnen. Diese wurden mit Literaturwerten aus Impedanzspektroskopie und Radiotracer-Diffusion (RTD) verglichen, welche aus Studien zum Mischalkalieffekt in diesem Glassystem bekannt sind. Die Unsicherheit, die sich aus der Umrechnung der SIMS-Daten in Konzentrationsprofile ergibt, wird quantitativ bestimmt. Außerdem werden die Ergebnisse der BIIT-NPPMethode ausführlich auf ihre Selbstkonsistenz überprüft, z.B. ob die Diffusionskoeffizienten Arrhenius-Verhalten zeigen oder ob die laut Neutralisationsstrom eingebrachte Ladungsmenge mit der im Konzentrationsprofil gefundenen Ladungsmenge übereinstimmt

Über die Methode des Bombardement Induzierten Ionentransports (BIIT) und ihre Anwendung auf alkaliionenleitende Borat- und Calciumphosphatgläser

Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf die neuartige Methode namens Bombardement Induzierten Ionentransports (BIIT). Die Methode wurde technisch weiterentwickelt und ihr Potential und ihre Fehlergrenzen diskutiert. Die Methode nutzt einen thermionischen Emitter, um einen Alkaliionenstrahl mit definierter, niedriger kinetischer Energie zu erzeugen. Dieser Strahl lädt die Oberfläche eines Festkörperelektrolyten (z.B. ein ionenleitendes Glas) im Hochvakuum auf. Es fließt ein Neutralisationsstrom abhängig von der Beschleunigungsspannung. Dies führt zu einer linearen Strom-Spannungs-Kennlinie, aus der die temperaturabhängige Gleichstromleitfähigkeit des Materials gewonnen werden kann. Typischerweise schneidet die Kennlinie die Spannungsachse nicht bei 0 V, sondern im Bereich von +1 V bis +4 V. Dieses Phänomen wird als Spannungsoffset bezeichnet. Diese Arbeit behandelt drei Schwerpunkte von BIIT: Zunächst wurde die Messung von Leitfähigkeiten optimiert. Ein Hochtemperatur-Probenhalter wurde entwickelt, welcher das zugängliche Messfenster für BIIT auf Temperaturen bis zu 260 °C (533 K) erweitert. Indem der Potentialunterschied zwischen Probenvorderseite und -rückseite auf Werte bis 100 mV reduziert wurde, wurden Leitfähigkeiten bis maximal 2·10^-10 S/cm messbar. Die Reproduzierbarkeit der Leitfähigkeitsmessung wurde überprüft und die experimentellen Abweichungen zwischen BIIT und Impedanzspektroskopie diskutiert. Um den Aufladeprozess bei BIIT zu untersuchen, wurde ein experimentelles Modellsystem entwickelt, welches aus einer Metallelektrode in Reihe mit einem ohmschen Widerstand besteht. Als zweiter Schwerpunkt wurde der Spannungsoffset genauer untersucht. Hierzu wurden Metallelektroden (Pt, Au, Cu, Ag) mit K+, Rb+ und Cs+ beschossen. Der Spannungsoffset wurde abhängig von Elektrodenmaterial und Beschusszeit bzw. abgeschiedener Ladung analysiert. Unabhängig vom Elektrodenmaterial stieg der Offset zügig mit der Zeit an und wurde nach einer Verschiebung von etwa 1.7V konstant. Durch Verwendung einer Referenzelektrode konnte gezeigt werden, dass die Verschiebung mit dem Beschuss der Elektrode zusammenhängt. Die Beobachtungen zum Spannungsoffset am Experimentbeginn waren nicht eindeutig: Entweder hängt dieser nicht vom Elektrodenmaterial ab, oder er sinkt wenn die elektronische Austrittsarbeit des Materials steigt. Basierend auf der Elektronenemission wurde ein theoretisches Modell für BIIT entwickelt, um hiermit Phänomene wie den Spannungsoffset zu erklären. Bei dem Offset könnte es sich um die Volta-Spannung (bzw. Kontaktpotential) oder eine elektromotorische Kraft handeln. Als dritter Schwerpunkt wurde die BIIT-Methode genutzt, um Konzentrationsprofile in Gläsern zu erzeugen. Wenn das Glas mit einem fremden Alkaliion beschossen wird, so ersetzt dieses das native Alkaliion, welches zu Beginn des Experiments im Glas vorlag. Dies führt zu einer typischerweise 150nm tiefen Verdrängungszone, in welcher bsi zu 80% des nativen Ions ersetzt wurden. Die erzeugten Profile werden mittels Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) gemessen und anschließend auf Basis der Nernst-Planck- und Poisson-Gleichung (NPP) nummerisch modelliert. Der erhaltene NPP-Diffusionskoeffizient eines der beiden Alkaliionen erscheint hierbei systematisch als konstant, während der andere stark von der lokalen Zusammensetzung abhängt. Es wurden die Calciumphoshatgläser Ca30-K und Ca30-Rb (0.25 M2O · 0.30 CaO · 0.45 P2O5 mit M = K, Rb) und das Mischalkali-Boratglas 16Na04Rb80B (0.16 Na2O · 0.04 Rb2O · 0.8B2O3) untersucht. Durch ein Vergleichsexperiment Rb@Ca30-K vs. K@Ca30-Rb konnte gezeigt werden, dass in beiden Fällen der Diffusionskoeffizient von Rubidium konstant erscheint. Die Konstanz ist somit nicht eine Eigenschaft des Bombarder-Ions. Daher wurde die physikalische Natur des NPP-Diffusionskoeffizienten untersucht und diskutiert. Durch Analyse des NPP-Modells wurde klar, dass das Modell sehr empfindlich auf das Verhältnis der Diffusionskoeffizienten reagiert, aber unempfindlich auf deren absolute Höhe. Prinzipiell wäre es somit möglich, dass die Konzentrationsabhängigkeit des zweiten Diffusionskoeffizienten übersehen wird. Die Alkaliboratgläser wurden mit Rb+ beschossen und so erstmals temperaturabhängige NPP-Diffusionskoeffizienten gewonnen. Diese wurden mit Literaturwerten aus Impedanzspektroskopie und Radiotracer-Diffusion (RTD) verglichen, welche aus Studien zum Mischalkalieffekt in diesem Glassystem bekannt sind. Die Unsicherheit, die sich aus der Umrechnung der SIMS-Daten in Konzentrationsprofile ergibt, wird quantitativ bestimmt. Außerdem werden die Ergebnisse der BIIT-NPPMethode ausführlich auf ihre Selbstkonsistenz überprüft, z.B. ob die Diffusionskoeffizienten Arrhenius-Verhalten zeigen oder ob die laut Neutralisationsstrom eingebrachte Ladungsmenge mit der im Konzentrationsprofil gefundenen Ladungsmenge übereinstimmt

In vitro-Untersuchungen zum Einfluss nicht-pulpaler Signalquellen und unterschiedlicher Blutflussbedingungen auf an Zähnen gemessene Photoplethysmographie-Signale bei physiologischer Durchblutungsrate

Basierend auf den vorangehenden Arbeiten der DFG-Projektgruppe (SCHM 386/3, GA 501/10, MO 2196/1), führte die vorliegende Arbeit die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verfeinerung der PPG-Messtechnik am in vitro-Modell fort, um die Entwicklung einer objek¬tiven und zuverlässig in vivo einsetzbaren PPG-Methode zur Vitalitätsprüfung an Zähnen zu ermöglichen. Im ersten Versuchsteil wurden in einen bestehenden Versuchsaufbau, der eine unabhängige Simulation der Zahn- und Gingivadurchblutung ermöglichte, neue Mess¬komponenten zur Verbesserung der Signalqualität und Steigerung der Signalstärke integriert, angepasst und evaluiert. Sie konnten im Vergleich zum bisherigen Messsystem bei reduzierter Intensität des eingestrahlten Lichts mit 625 nm und 940 nm Wellenlänge für alle Versuchsanordnungen signifikant höhere Amplituden ΔU des pulssynchron modulierenden Spannungssignals detektieren. Um bei Verwendung der empfindlicheren Messkomponenten andere Signalquellen als den gepulsten Fluss des Erythrozytenkonzentrates ausschließen zu können, wurden Kontrollmessungen ohne Blutfluss, mit Abschaltung der Schlauchpumpen während der Messung und Messungen mit konstantem, ungepulstem Fluss durchgeführt. In keiner der Stichproben konnten periodische Modulationen der aufgezeichneten Spannungs- und Drucksignale festgestellt werden. Es konnte somit gezeigt werden, dass zur Detektion eines auswertbaren PPG-Signals ein gepulster Blutfluss notwendig ist. Mit der Entwicklung eines neuen in vitro-Modells mit einer Glaspulpa und der Anpassung des restlichen Ver¬suchsaufbaus wurde im zweiten Studienteil die weiteste im Rahmen dieser Studie mögliche Annäherung an in vivo-Größenverhältnisse und -Blutflussraten umgesetzt. Messungen mit jeweils selektivem und kombinierten, gepulstem Blutfluss in Zahn- und Gingivakreislauf bei 625 nm und 940 nm zeigten, mit Ausnahme der selektiven Gingivadurchblutung bei 940 nm, pulssynchron modu¬lierende Spannungssignale, aus denen eine Spannungsamplitude ΔU bestimmt werden konnte. Auch am neuen Modell zeigten sich in Kontrollmessungen nach Pumpenabschaltung keine strukturierten Modulationen. Es gelang, im Rahmen dieser in vitro-Studie einen neu entwickelten Versuchsaufbau zu etablieren und den Einfluss der Durchblutung zahn¬umgebender Gewebe auf Messungen der Pulpadurchblutung mittels PPG in vitro zu belegen. Die präsentierten Ergebnisse belegen die Notwendigkeit der kritischen Bewertung in vivo detektierter PPG-Signale, auf deren Basis die Vitalität von Zähnen bestimmt werden soll

Teilentladungsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung

Das kompakte Design von gasisolierten Systemen und die Unabhängigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen führt zu einer idealen Eignung des Betriebsmittels für den Einsatz in modernen Energieversorgungssystemen. Ein Betrieb der Anlagen unter Gleichspannungsbelastung ist dabei aufgrund der zunehmenden räumlichen Distanz zwischen Erzeugungs- und Verbrauchszentren unumgänglich. Der sichere Betrieb über die geplante Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten ist nur mit einer genauen Teilentladungsdiagnose, welche eine sensitive Messung und zweifelsfreie Interpretation der Ergebnisse beinhaltet, möglich. Dabei ist zu beachten, dass die von Wechselspannungsanwendungen bekannten physikalischen Zusammenhänge der Entladungsprozesse und des Einflusses von dielektrischen Grenzflächen aufgrund der veränderten Belastung mit einem zeitlich konstanten elektrischen Feld und der damit einhergehenden Raum- und Oberflächenladungsakkumulation nicht direkt übernommen werden können. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entladungsprozesse an Defekten mit und ohne dielektrischer Grenzfläche in gasisolierten Gleichspannungssystemen zu analysieren und damit einen Beitrag für die sichere Interpretation von Teilentladungsmessungen zu leisten. Auch werden bekannte elektrische und neuartige optische Messmethoden hinsichtlich ihrer Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz unter Gleichspannungsbelastung untersucht. Für die experimentellen Arbeiten an drei verschiedenen Störstellen wird das schwach inhomogene Isoliersystem der Anlagen in drei Modellanordnungen nachgebildet. Die Untersuchung der ablaufenden Entladungsprozesse wird durch eine direkte Messung des Teilentladungsstroms ermöglicht. Dabei wird zwischen impulsbehafteten und impulslosen Anteilen unterschieden. Infolge von Montagefehlern oder unzureichender Materialqualität können feste, metallische Störstellen im Isoliersystem entstehen. Die experimentell betrachteten Abhängigkeiten der Entladungsprozesse von der Störstellenpolarität, dem Isoliergasdruck und der Spannungsbelastung erlauben eine Klassifizierung von vier verschiedenen Entladungsarten. Zusätzlich zu den Untersuchungen im derzeit am häufigsten verwendeten Isoliergas Schwefelhexafluorid konnte ein Vergleich der Ergebnisse mit der klimafreundlichen alternative synthetische Luft die Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei Entladungen an festen Störstellen aufzeigen. Dabei ist insbesondere die signifikant veränderte Polaritätsabhängigkeit hervorzuheben. Der Kontakt von metallischen Partikeln mit der Feststoffisolierung kann zur Anlagerung des zuvor freibeweglichen, metallischen Defektes an der dielektrischen Grenzfläche führen. Die Ansammlung von Oberflächenladungen auf dem Feststoff beeinflusst dabei insbesondere den Entladungseinsatz. Aufgrund des zur festen metallischen Störstelle ohne Grenzfläche vergleichbaren Entladungsverhaltens im stationären Zustand ist eine Unterscheidung der Defekte anhand von Impulswiederholraten und Amplituden herausfordernd. Eine Besonderheit bei Gleichspannungsbelastung sind Entladungen, welche auf einer Gas-Feststoff-Quergrenzfläche an beschichteten Elektroden einsetzen können. Die Untersuchung der Ursachen für das Auftreten dieser Entladungen, die elektrischen und optischen Charakteristika der ablaufenden Prozesse und Strategien für die Vermeidung werden untersucht. Aus den Ergebnissen werden Prüfempfehlungen für die Teilentladungsdiagnose von gasisolierten Gleichspannungssystemen abgeleitet. Diese sind wesentlicher Bestandteil für einen zukünftigen Einsatz gasisolierter Gleichspannungssysteme in einem leistungsfähigen Elektroenergiesystem mit hoher Versorgungszuverlässigkeit.The compact design and the independence from environmental conditions of gas-insulated systems leads to an ideal suitability of this high-voltage equipment for the use in a modern power supply system. The operation of the assets under DC voltage stress is unavoidable due to the increasing distance between the areas of power generation and consumption. The reliable operation during the estimated lifetime of several decades is only feasible with a precise partial discharge diagnosis. Hence, a sensitive measurement and a doubtless interpretation of the results is necessary. Nevertheless, it is necessary to take into account, that under alternating voltage stress established physical mechanisms of the discharge processes and the influence of dielectric interfaces cannot be adopted directly, due to the changed voltage stress with a constant electric field and the related surface and volume charge accumulation. Aim of this thesis is the analysis of defects in gas-insulated systems with and without dielectric interfaces under DC voltage stress and thereby to contribute to a reliable interpretation of partial discharge measurements. In addition, known electrical and novel optical measurement methods are investigated with respect to their capabilities and limitations when used under DC voltage stress. The experimental investigations are carried out in model electrode arrangements. The weakly inhomogeneous electrical field of the gas-insulated systems is replicated in three configurations, one for each defect investigated. The detailed analysis of the discharge processes is enabled by a direct measurement of the partial discharge currents. A distinction between impulse currents and pulseless currents is made. Due to assembly faults or insufficient material quality fixed, metallic protrusions can be created within the insulation system. The experimentally observed dependencies of the discharge processes on the polarity of the defect, the insulating gas pressure and the voltage stress permit a classification of four different types of discharge. In addition to the investigations in the most commonly used insulating gas sulphur-hexafluoride a comparison of the results with measurements in the climate-friendly alternative synthetic air are made. Derived from this, commonalities and differences in the discharge behaviour are discussed. Free moving, metallic particles can adhere to the gas-solid interface. The accumulation of surface charges at the solid insulator influences the partial discharge inception significantly. Due to the steady-state discharge behaviour, which is comparable to the fixed, metallic protrusion without contact to a dielectric interface, distinguishing between the two defects based on pulse repetition rates and amplitudes is challenging. A unique aspect under DC voltage stress are discharges at the orthogonal interface between electrode coating and insulating gas. The analysis of the causes of the occurrence of these discharges, their optical and electrical characteristics and strategies for the prevention are investigated. Derived from the results, recommendations for partial discharge diagnosis of gas-insulated DC systems are discussed. These recommendations are an essential component for the future use of this asset in a high-performance electric power system with high reliability of the power supply

Energieeffiziente Auswerteelektronik für kapazitive mikromechanische Drehratensensoren

Der Bedarf an mikromechanischen Inertialsensoren zur Messung von Drehgeschwindigkeiten und Beschleunigungen ist stark ansteigend. Die Technologie für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bietet hierbei den Vorteil einer hohen Packungsdichte. In dieser Arbeit werden Ansätze auf Systemebene zur Reduktion der Stromaufnahme der Auswerteelektronik eines kapazitiven mikromechanischen Drehratensensors vorgestellt und so ein leistungsoptimierter Betrieb in mobilen Endanwendung ermöglicht

Optimization of the ultra-stable low-noise current amplifier

Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Technik nimmt die Bedeutung kleiner Gleichströme im Sub-Nanoamperebereich stetig zu. Die höchsten Anforderungen bestehen zurzeit bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen. Hier werden Unsicherheiten von unter 0.1 µA/A bei 100 pA gefordert. Bis 2014 waren in diesem Bereich allerdings nur Unsicherheiten von typisch 10 µA/A möglich. Durch die Entwicklung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers (ULCA) konnten in der Kleinstrom-Metrologie in den vergangenen Jahren wesentliche Fortschritte bei der Messunsicherheit erzielt und damit neue Weltrekorde im Bereich der Einzelelektronenpumpenforschung aufgestellt werden. Der ULCA ist ein halbleiterbasierter Verstärker zur Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken. Sein Verstärkungsfaktor (Transresistanz) ist extrem stabil. Das Rauschniveau von 2.4 fA/sqrt(Hz) begrenzt allerdings bei sehr kleinen Stromstärken die in der Praxis erreichbare Unsicherheit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ULCA weiterentwickelt und optimiert. Hierfür wurde ein Modell für das Rauschen und den Eingangsruhestrom erarbeitet. Mit Hilfe dieses Modells erfolgte die Entwicklung einer rauschoptimierten ULCA-Variante, die ein reduziertes Rauschen ohne Stabilitätsminderung erzielt. Die unveränderte hohe Stabilität der Transresistanz wurde durch umfangreiche Messungen nachgewiesen. Mit dem rauschoptimierten ULCA lassen sich daher die langen Messzeiten bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen bei gleicher Unsicherheit um bis auf die Hälfte reduzieren. Für sehr kleine Ströme unterhalb von ca. 1 pA wurde eine ULCA-Variante mit minimalem Rauschen entwickelt. Sie erreicht ein Rauschniveau von 0.4 fA/sqrt(Hz) und ermöglicht Unsicherheiten bis herab zu 10 µA/A. Ferner liegt der Eingangsruhestrom bei dieser Variante unter 100 aA und ist sowohl zeitlich als auch über der Temperatur sehr stabil. Dadurch kann in vielen Fällen auf das bei Präzisionsmessungen übliche Umpolen des Messstroms zur Unterdrückung von Offset-Effekten verzichtet werden. Mit dieser ULCA-Variante wurde das Stromrauschen von Kabeln untersucht und eine rauscharme Verkabelung für die kryogenen Messaufbauten von Einzelelektronenpumpen gefunden. Die Ergebnisse dieser Arbeit lieferten wichtige Beiträge für die Präzisionsmessung kleiner Gleichströme. Der rauschoptimierte ULCA ist mittlerweile kommerziell erhältlich und es ist zu erwarten, dass sich dieses Instrument in der Kleinstrom-Metrologie als Standard etablieren wird.The importance of small direct currents in the sub-nano ampere range is steadily increasing in science and technology. The highest accuracy requirements currently exist in the characterization of single electron pumps. Uncertainties of below 0.1 µA/A at 100 pA are required. Until 2014, however, only uncertainties of typically 10 µA/A were possible in this range. In the past years, the development of the ultrastable low-noise current amplifier (ULCA) has enabled significant improvement of the measurement uncertainty in the field of small-current metrology, and new world records were achieved in the field of single-electron pump research. The ULCA is a semiconductor-based amplifier for the measurement and generation of small currents. Its gain factor (transresistance) is extremely stable. At very low currents, however, the noise level of 2.4 fA/sqrt(Hz) limits the uncertainty achievable in practice. Within the scope of this work, the ULCA was further developed and optimized. For this purpose, a model for noise and input bias current was developed. This model was used to develop a noise-optimized ULCA variant that achieves an improved noise level without degradation in stability. The unchanged high stability was proven by extensive measurements. The noise-optimized ULCA therefore allows one to reduce the long measurement times in the characterization of single-electron pumps for a given uncertainty by up to a factor of two. For very small currents of below about 1 pA an ULCA variant with minimal noise was developed. It achieves a noise level of 0.4 fA/sqrt(Hz) and allows uncertainties down to 10 µA/A. In addition, the input bias current of this variant is below 100 aA and is very stable as a function of time and temperature. As a result, the polarity reversal of the measuring current typically used for precision measurements to suppress offset effects is not required in many cases. With this ULCA variant, the current noise of cables was investigated, and a low-noise cabling for cryogenic measurement setups of single-electron pumps was found. The results of this work provided valuable contributions to the precision measurement of small direct currents. The noise-optimized ULCA is now commercially available and it is to be expected that this instrument will establish itself as a standard in small-current metrology