Interaktive Lehrbeispiele in Java zum Verhalten elektrischer Leitungen

Diplomarbeit von Klaus Ruppert

Einleitung:

Als Student der Elektrotechnik muß man sich im Hauptstudium mit der Thematik der Leitungstheorie auseinandersetzen. Behandelt werden hier unter anderem Strom- und Spannungsverhältnisse längs einer sogenannten "Lecher-Leitung".

Neben der Zeitabhängigkeit einer Welle existiert noch eine des Ortes. Diese Abhängigkeiten sind unter bestimmten Voraussetzungen rein theoretisch herleitbar, aber für den Anfänger schwer interpretierbar. In den Vorlesungen werden zu diesem Komplex meist nur die Fälle Anpassung, Kurzschluß und Leerlauf einer verlustfreien Leitung nach Abschluß der Ausgleichsvorgänge behandelt, was aber schon eine beachtliche Anzahl von Herleitungen und Vereinfachungen ausmacht. Was in der Zeit des Einschwingens auf der Leitung passiert, wird meist nur am Rande oder gar nicht behandelt.

In den verschiedenen Java-Applets dieser Arbeit können bestimmte Parameter wie der Leitungsabschluß mit seinem Phasenwinkel und die Ausbreitungsparameter und interaktiv eingestellt werden. Als Ergebnis wird der Wellenwiderstand und die Phase der Leitung ausgegeben, und es wird in Animationen gezeigt, wie sich tatsächliche Wellen mit der Zeit verändern. Desweiteren kann der interessierte Student den Fortgang eines Impulses in den ersten Augenblicken nach Aufbringen auf eine Leitung betrachten.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	4
1.1	Warum ein Java-Applet?	4
1.2	Applet oder Applikation?	4
1.2.1	Das Applet	4
1.2.2	Die Applikation	4
1.3	Warum über Leitungstheorie ?	5
2.	Elektrische Leitungen XE "Elektrische Leitung"	6
2.1	Elektrisch kurze Leitung (statischer Zustand)	6
2.2	Elektrisch lange Leitung (nicht statischer Zustand)	6
3.	Leitungsabschlüsse	7
3.1	Vereinfachte Betrachtung	7
3.2	Sonderfall 1: Kurzschluß am Ende der Leitung	8
3.3	Sonderfall 2: offene Leitung	9
3.4	Sonderfall 3: angepaßte Leitung	11
4.	Beschreibung der Applets	13
4.1	Die Animationen	13
4.2	Der Leitungswellensimulator	13
4.2.1	Funktion	13
4.2.1.1	Die Lightversion	13
4.2.1.2	Die UI-Lightversion	13
4.2.1.3	Die Vollversion	14
4.2.1.4	Die UI-Vollversion	14
4.2.1.5	Die Kombiversion	14
4.2.2	Wie läuft die Animation?	14
4.2.3	Was er könnte, wenn...	15
4.2.4	Was er kann:	15
4.3	Das Impulsapplet	16
4.3.1	Funktion	16
4.3.2	Wie läuft die Animation?	16
4.3.3	Was es kann	17
4.4	und wie bediene ich die Applets?	18
4.4.1	Bedienung der Lightversion	19
4.4.2	Bedienung der UI-Lightversion	20
4.4.3	Bedienung der Vollversion	21
4.4.4	Bedienung der UI-Vollversion	22
4.4.5	Bedienung der Kombiversion	23
4.4.6	Bedienung des Impulsapplets	24
4.5	Hilfe!	24
5.	Berechnung zweier Zahlenbeispiele	25
5.1 1.	Beispiel	25
5.1.1	Auswahl der Leitung	25
5.1.2	Abschluß der Leitung	25
5.1.3	Berechnung der Leitungsdaten Zo und Gamma	25
5.1.4	Berechnung des Reflexionsfaktors	26
5.1.5	Vergleich mit den Werten des Applets	27
5.2 2.	Beispiel	28
5.2.1	Auswahl der Leitung	28
5.2.2	Abschluß der Leitung	28
5.2.3	Berechnung der Leitungsdaten Zo und Gamma	28
5.2.4	Berechnung des Reflexionsfaktors	28
5.2.5	Vergleich mit den Werten des Applets	29
6.	Wesentliche JAVA-Programmteile	30
6.1	Die init()-Methode	30
6.2	Die action()-Methode	31
6.3	Die paint()-Methode	35
6.4	Threads	37
6.4.1	Die Wellen-Animation	37
6.4.2	Die Impuls-Animation	41
6.5	Die Klasse zur Berechnung komplexer Zahlen	43
6.6	Zusammenfassung der entstandenen Dateien	46
7.	Die Unterschiede zwischen JAVA und C++	49
7.1	Rechnerarchitekturunabhängigkeit	49
7.2	Einfachheit	49
7.3	Mehrfachvererbung	50
7.4	Multithreading	50
7.5	Datentypen	50
7.6	Geschwindigkeit	52
8.	Der Umbau von wire.exe nach wire.class	53
8.1	Mankos des C++-Programms	53
8.2	Neue Features im JAVA-Programm	53
8.3	Hindernisse beim Umbau	53
8.4	Vorgehensweise	54
8.5	Veränderte Animation	54
8.6	Herausnehmen der Zeiger	54
8.6.1	Der Zeiger *q	54
8.6.2	Der Zeiger *p1	55
8.6.3	Der Zeiger *pnt0	56
8.7	Ersetzen C++-spezifischer Befehle	56
8.7.1	Der Befehl memset	57
8.7.2	Die Befehle getmaxx(), getmaxy()	57
8.7.3	Explizit casten	57
8.8	Primitivtypen	57
8.9	Der Datentyp POINT	58
8.9.1	...in der Headerdatei	58
8.9.2	...in der cpp-Datei	59
8.10	Der Bildaufbau in JAVA	61
9.	Probleme bei der Entwicklung	62
9.1	Plattformunabhängig?	62
9.1.1	Wo sind die Eingabefelder?	62
9.1.2	Die Lösung	63
9.2	Die Applets im Internet	65
9.2.1	Sicherheit über alles	65
9.2.2	Groß- und Kleinschreibung	66
9.3	Beenden des Browsers nicht ordnungsgemäß	67
9.3.1	Das Problem	67
9.3.2	Neue Methoden	68
10.	Anhang	69
10.1	Erläuterungen zum Thema Leitung	69
10.2	Berechnung des Wellenwiderstandes Zo	76
10.3	Leitungsgleichungen der Applets	77
10.4	Herleitung der Leitungsdaten aus Zo und C’	78
10.5	Der Reflexionsfaktor	78
11.	Zusammenfassung und Ausblick	79
12.	Literaturverzeichnis	81
13.	Index	82