Elektrisches Feld und Kondensator (2)

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Elektrisches Feld und Kondensator (2)
5
INFORMATIONSTECHNIK
Das abgesicherte PC-Netzwerk im Unternehmen (4)
Dipl.-Ing. (FH)
Christiane Decker
Lazarettstraße 4
80636 München
18 / 2008
Telefon: (0 89) 1 26 07-2 42
Telefax: (0 89) 1 26 07-1 11
E-Mail: [email protected]
Elektrisches Feld und Kondensator (2)
Im ersten Teil des Beitrags (»de« 17/2008, S. 99) ging es angefangen bei Coulomb-Gesetz und bohrschem
Atommodell über die Kräfte zwischen elektrischen Ladungen bis hin zum elektrischen Feld, zu Feldstärke
und Feldlinie. In diesem letzten Teil des Beitrags werden die Begriffe Kapazität und Dielektrikum vorgestellt und es wird auf die Ausführungsformen von Kondensatoren eingegangen.
Eine gegeneinander isolierte Elektrodenanordnung, die z. B.
aus zwei parallelen Metallplatten besteht, ist in der Lage,
Ladungen zu speichern. Wird eine derartige Anordnung mit
einer Spannungsquelle verbunden, werden der einen Elektrode Elektronen entzogen (Pluspol) und der anderen zugeführt (Minuspol). Während dieses Ladevorganges fließt ein
Strom, der allerdings nach einer gewissen Zeit abklingt. Verändert man die Spannung der Spannungsquelle (verkleinern
oder vergrößern), so fließt wiederum für eine gewisse Zeit ein
Strom, da sich dann weniger bzw. mehr Ladungen auf den
Elektroden ansammeln.
Da eine derartige Anordnung Ladungen und, wie wir später noch sehen werden, Energie speichern kann, wird sie als
Kondensator (wörtlich übersetzt: Verdichter) bezeichnet. Der
Kondensator behält seine Ladung auch dann, wenn er von
der Spannungsquelle elektrisch getrennt wird; schließlich
können sich die Ladungsträger – bedingt durch die Isolation –
nicht ausgleichen.
Der Kondensator im geschlossenen Stromkreis
Verbindet man allerdings die Elektroden mit einem Widerstand R, so gleicht sich der Ladungsunterschied aus. Das heißt,
die überschüssigen Elektronen (Minuspol) fließen zum Ort
des Elektronenmangels (Pluspol), bis beide Elektroden elektrisch neutral sind, also ungeladen.
Achtung: Der Elektronenfluss vom Minus- zum Pluspol
bedeutet Stromfluss von Plus nach Minus. Das heißt: Die technische Stromrichtung verläuft entgegengesetzt zur Fließrichtung der Elektronen, da als technische Stromrichtung die
Richtung von positiven Ladungsträgern definiert wurde.
Bild 6 zeigt eine elektrische Schaltung bestehend aus Kondensator, Schalter und Widerstand. Das Amperemeter dient
zum Messen der Stromstärke i. Weil die Stromstärke in dieser
Schaltung über die Zeit gesehen schwankt (sie nimmt ab),
kennzeichnet man das mit einem kleinen i. Kleine Buchstaben
verwendet man häufig für zeitveränderliche Größen und
große Buchstaben für zeitkonstante Größen (z. B. Strom,
Spannung, Leistung).
Das Amperemeter steht hier stellvertretend für ein Messgerät zur Stromaufzeichnung. Weil der Strom unter Umständen (je nach Größe des Kondensators und des Widerstandes)
sehr schnell abklingt, jedenfalls schneller als ein mechanisch
träges Drehspulinstrument folgen kann, ist der Einsatz eines
aufzeichnenden Messgeräts erforderlich, z. B. Transientenrekorder, x-y-Schreiber, Speicheroszilloskop.
i
U
U0
R
C
S
A
t=0
i
R
0
0
Bild 6: Elektrische Schaltung eines Stromkreises bestehend
aus Kondensator, Widerstand, Schalter und Strommessgerät
de 18 /2008
t
Bild 7: Zeitlicher Verlauf des Stromes i in
der Schaltung nach Bild 6 nach Schließen des
Schalters
99
Gelernt ist Gelernt
Der Buchstabe C beim Schaltzeichen des Kondensators
stellt ein Maß für die Größe des Kondensators dar, also für
dessen Kapazität.
Bild 7 zeigt qualitativ den Verlauf des Stromes über der
Zeit, wenn der Kondensator mit der Spannung U0 aufgeladen
und der Schalter zum Zeitpunkt t = 0 s geschlossen wurde. Im
ersten Augenblick beträgt die Spannung über dem Kondensator U0, weshalb – bedingt durch das ohmsche Gesetz – der
Strom i (t = 0 s) = U0 / R fließt. Der Strom nimmt im Laufe der
Zeit deshalb ab, weil die elektrische Leistung p = i2 · R durch
den Stromfluss in Wärme umgesetzt wird. Würde der Strom
nicht abnehmen, so wäre die im Kondensator gespeicherte
elektrische Energie unendlich groß, was nicht sein kann.
dukt aus Plattenfläche A und Plattenabstand d. Für Gl. (6)
folgt damit:
1
U2
⋅ ε0 ⋅ 2 ⋅ A ⋅ d
2
d
1 A
W = ⋅ ⋅ ε0 ⋅ U 2
2 d
W=
Allgemein gilt für die elektrisch gespeicherte Energie in
einem Kondensator:
W=
Q=C·U
C=
(4)
Die Einheit für die Kapazität ist As / V oder C / V. Dieser Einheit
hat man einen eigenen Namen gegeben, das Farad (F) – zu
Ehren des englischen Naturforschers Michael Faraday.
In der Praxis treten bei Kapazitäten meist deutlich kleinere
Werte auf als 1 F, weshalb man mit dem Nanofarad (nF), dem
Mikrofarad (μF) und dem Millifarad (mF) arbeitet.
Die Energie des Kondensators
Die elektrische Feldstärke steht immer im Zusammenhang mit
gespeicherter elektrischer Energie. Die elektrische Energie ist
somit im elektrischen Feld gespeichert, also zwischen den
Elektroden. Es gilt für Vakuum bzw. Luft:
w=
1
⋅ ε0 ⋅ E 2
2
(5)
• w = Energiedichte (Energie pro Volumeneinheit im elektrischen Feld) in J / m3
• ε0 = Dielektrizitätskonstante des Vakuums,
ε0 = 8,854 · 10-12 F / m
• E = elektrische Feldstärke
Die Dielektrizitätskonstante ist eine Naturkonstante, d. h.,
der Wert ändert sich niemals. Die Dielektrizitätskonstante
hat fundamentale Bedeutung in der gesamten Elektrophysik,
insbesondere bei den elektromagnetischen Wellen.
Wenden wir nun Gl. (5) auf den Plattenkondensator an.
Mit E = U / d folgt:
w=
1
U2
⋅ ε0 ⋅ 2
2
d
(6)
Zur Berechnung der Gesamtenergie W müssen wir noch die
Energiedichte mit dem Volumen V zwischen den Platten multiplizieren. Beim Volumen handelt es sich hierbei um das Pro-
100
1
⋅ C ⋅ U2
2
(7)
Für den Plattenkondensator gilt also:
Die Kapazität des Kondensators
Die Kapazität C ist ein Maß dafür, wie viel Ladung ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichern kann.
Einst fand man hierfür folgenden Zusammenhang: Die
gespeicherte Ladung Q verhält sich bei einem gegebenen
Kondensator wie die Spannung. Also: Doppelte Spannung
bedeutet somit doppelte gespeicherte Ladung. Die Proportionalitätskonstante ist die Kapazität. Bei gegebener Spannung
hat also derjenige Kondensator die größere Kapazität, der
mehr Ladungen speichern kann. Somit ist die Definition der
Kapazität sowohl sinnvoll als auch anschaulich:
⇒
A
⋅ ε0
d
(8)
Beispielsweise ergibt sich die Kapazität eines Plattenkondensators, bei dem die Plattenfläche 1 m2 und der Plattenabstand
0,1 mm beträgt, mit Gl. (8) zu:
A
⋅ε
d 0
1 m2
F
C=
⋅ 8, 854 ⋅ 10 −12 = 88,54 nF
0,1 mm
m
C=
Eine Kapazität in Höhe von 88,54 nF gilt als sehr klein. Zur
Veranschaulichung dieses zunächst abstrakten Zahlenwertes
lässt sich mit Gl. (7) die elektrisch gespeicherte Energie bei
einer Spannung von U = 100 V berechnen:
1
W = ⋅ C ⋅ U2
2
2
1
W = ⋅ 88,54 ⋅ 10 —9F ⋅ (100 V )
2
W = 0,443 mWs
0,443 mWs bedeutet z. B.: 1 W Leistung für eine Zeitspanne
von 0,443 ms. Die Energie ist hier also ebenso klein wie die
Kapazität. Von einem Energiespeicher im technischen Sinne
kann man hier noch nicht sprechen.
Dielektrikum erhöht die Kapazität
Nun kann man sich fragen, wie sich die Kapazität deutlich
steigern lässt. Anhand Gl. (8) erkennt man, dass einerseits die
Plattenfläche sehr groß und andererseits der Plattenabstand
sehr klein sein muss. Allerdings ist zu beachten, dass bei kleiner werdendem Abstand gemäß E = U / d die elektrische Feldstärke ansteigt. Bei Erreichen der so genannten Durchschlagfeldstärke kommt es zum elektrischen Überschlag.
Aber es gibt es noch eine weitere Möglichkeit zum Erhöhen
der Kapazität. Führen wir dazu ein Experiment durch (Bild 8).
Wir laden einen Plattenkondensator z.B. mit 30V auf und
trennen ihn anschließend von der Spannungsquelle. Nun
schieben wir ein Blatt Papier oder eine Kunststofffolie zwischen die Platten. Wenn wir jetzt die Spannung des Kondensators mit einem sehr hochohmigen Voltmeter messen, so stellen
wir erstaunt fest, dass die Spannung auf z.B. 5V sinkt. Ist die
Spannung durch die Leitfähigkeit des Isolierstoffes gesunken,
weil der Widerstand sicher nicht Unendlich ist? Nein, denn
diese Vermutung lässt sich schnell überprüfen: Wir entfernen
den Isolierstoff wieder und erkennen: Die Spannung zwischen
den Platten steigt wieder auf die ursprünglichen 30V. Somit
kann dieses Phänomen nicht durch die Leitfähigkeit des Isode 18/2008
Gelernt ist Gelernt
1
⋅ C ⋅ U2
2
2
1
W = ⋅ 88,54 μF ⋅ (100 V )
2
W = 0,433 Ws
W=
Bild 8: Geladener Plattenkondensator mit
verschiebbarem Dielektrikum zur Veränderung der Kapazität
Die gespeicherte Energie ist so groß, dass eine Leistung von
1 W für eine Dauer von 0,443 s abgegeben werden kann.
lierstoffes verursacht worden sein. Wie erklärt sich
aber dann die Tatsache,
dass die Spannung am
U
Kondensator von der Art
des Isolierstoffes abhängt? Zur Beantwortung
dieser Frage betrachten
wir Gl. (4), die einen Zusammenhang zwischen Kapazität,
gespeicherter Ladung und Spannung angibt. Wir stellen Gl. (4)
um, indem wir nach U auflösen und erhalten:
U=
Q
C
(9)
Die Spannung am Kondensator hängt gemäß Gl. (9) nur von
der gespeicherten Ladung und der Kapazität ab. Wir wissen
auch, dass sich die Ladung durch einen Überschuss an Elektronen auf der einen Elektrode und einen Mangel an Elektronen
auf der anderen Elektrode ergibt. Nachdem Ladungen aber
nicht einfach verschwinden oder entstehen können, muss die
Ladung auf den Platten konstant bleiben, wenn der Kondensator nicht mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Der
Ladezustand kann sich nur durch Ab- bzw. Zufließen von
Elektronen über einen Stromkreis verändern. Wir halten also
fest: Der Ladezustand und damit die Ladung ändern sich bei
unserem Kondensator nicht. Damit und mit Gl. (9) wird klar,
dass die Änderung der Spannung durch eine Veränderung
der Kapazität hervorgerufen wurde.
Offenbar erhöht ein Isolierstoff zwischen den Platten eines
Kondensators die Kapazität. Diesen Isolierstoff bezeichnet
man als Dielektrikum.
Gl. (8) gilt nur, wenn sich zwischen den Elektroden
Vakuum oder Luft befindet. Im allgemeinen Fall muss angesetzt werden:
A
C = ⋅ ε 0 ⋅ εr
(10)
d {
Der Zylinderkondensator
Bild 9 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Zylinderkondensators. Er besteht aus zwei koaxialen Metallflächen, die
durch ein Dielektrikum isoliert sind. Zylinderkondensatoren
werden nicht als diskrete Bauelemente für den Einsatz in
der Energie- oder Nachrichtentechnik gebaut. Sie entstehen
aber von selbst bei bestimmten elektrotechnischen Anordnungen, z. B. bei Koaxialkabeln. Hier ist die Kapazität zwar
häufig nicht erwünscht, dennoch muss sie aber wegen der
entstehenden Nebeneffekte bekannt sein und deshalb
berechnet werden. Für die Kapazität des Zylinderkondensators gilt:
C=
• ε = absolute Dielektrizitätskonstante
• l = axiale Länge der Anordnung
• ra = Radius der Außenelektrode
• ri = Radius der Innenelektrode
• In = natürlicher Logarithmus (nur für positive Argumente
definiert, Berechnung mit einem Taschenrechner)
Beim Zylinderkondensator ist das elektrische Feld stark inhomogen, d. h., es ist nicht konstant, sondern hängt vom
Radius ab. Die Feldstärke lässt sich mit folgender Gleichung
ermitteln:
r ⋅ ln
A
⋅ε ⋅ε
d 0 r
1 m2
F
C=
⋅ 8, 854 ⋅ 10 −12 ⋅ 1000
0,1 mm
m
C = 88,54 μF
Der Energieinhalt beträgt bei U = 100 V mit Gl. (7):
de 18 /2008
ra
ri
(11)
Für U = 100 V, ra = r = 4 mm und ri = 0,5 mm folgt mit Gl. (11):
E=
U
r ⋅ ln
• εr = relative Dielektrizitätskonstante (keine Einheit), auch
Permittivitätszahl genannt, hat für verschiedene Isolierstoffe unterschiedliche Werte, vorstellbar als »Verstärkungsfaktor« für die Kapazität
• ε = absolute Dielektrizitätskonstante in F / m
C=
U
E=
ε
Widmen wir uns wieder dem Plattenkondensator von vorhin
mit A = 1 m2 und d = 0,1 mm. Wir bringen als Dielektrikum
Bariumtitanat (εr = 1 000) ein. Für die Kapazität ergibt sich mit
Gl. (10):
2⋅ π ⋅ε ⋅ l
r
ln a
ri
E=
ra
ri
100 V
kV
= 12
4 mm
m
4 mm ⋅ ln
0,5 mm
Bei r = ri ergibt sich mit Gl. (11):
E=
kV
100 V
= 96
4 mm
m
0,5 mm ⋅ ln
0,5 mm
Die elektrische Feldstärke wird also umso größer, je mehr wir
uns der Innenelektrode nähern. An der Innenelektrode ist sie
achtmal größer als an der Außenelektrode (ra / ri).
Im ersten Teil des Beitrag wurde ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Gleichung E = U / d nur für homogene Felder gültig ist, da sie ansonsten falsche Ergebnisse liefert. In
diesem Fall ergäbe sich fälschlicherweise:
101
Gelernt ist Gelernt
innere Elektrode
ri
ra
äußere Elektrode
ra
rL
Dielektrikum
Bild 9: Prinzipieller Aufbau eines Zylinderkondensators
E=
U 100 V
kV
=
= 28, 6
d 3,5 mm
m
Kapazität einer parallelen Doppelleitung
Für die Kapazität einer parallelen Doppelleitung (Bild 10) gilt:
C=
π ⋅ε ⋅ l
a
ln
rL
(12)
• a = Abstand der Mittelpunkte der Leiter
• rL = Radius des Leiters
Kenngrößen von Kondensatoren
Für Kondensatoren gibt es Kenngrößen, die das Bauelement
genauer spezifizieren:
• Nennkapazität: Die Stufung erfolgt wie bei Widerständen
nach IEC-Reihen. Sie kann als Zahlenwert oder durch Farbcodes angegeben sein und ist mit einer ebenfalls angegebenen Herstellungstoleranz versehen.
• Nennspannung des Kondensators: Sie darf keinesfalls überschritten werden, da dies zur Zerstörung (Durchschlag) des
Kondensators führt.
• Isolationswiderstand: elektrischer Widerstand des Dielektrikums, sorgt für Selbstentladung
• Verlustfaktor: Hat bei Betrieb des Kondensators an Wechselspannung Bedeutung. Der Wert soll möglichst klein sein,
damit die Wärmeverluste gering ausfallen.
• Temperaturbeiwert: auch Temperaturkoeffizient genannt;
er kann sowohl positiv als auch negativ sein und gibt die
Kapazitätsänderung je Kelvin Temperaturerhöhung an.
Ausführungsformen von Kondensatoren
Der einfachste Kondensator, der Plattenkondensator, ist
unhandlich und hat – bezogen auf seine Abmessungen – nur
eine relativ kleine Kapazität. Praktisch ausgeführte Kondensatoren mit nicht veränderbarer Kapazität (Festkondensatoren) werden häufig als Wickelkondensatoren gefertigt. Bei
Kondensatoren wird deren Technologie durch eine Kurzbezeichnung gekennzeichnet, z. B. steht FKP für Polypropylen
als Dielektrikum und Aluminiumfolie als Elektroden.
Bei Papier- und Kunststofffolien-Kondensatoren werden
Metallfolien (Elektroden) mit Papier- oder Kunststofffolien
(Dielektrikum) zu einem Wickel gerollt. Damit beim Auf-
102
Bild 10: Parallele Doppelleitung
wickeln zwischen den Elektroden kein Kurzschluss entsteht,
wird eine weitere Lage Isoliermaterial verwendet. Der fertige
Wickel wird in einen Becher aus Stahlblech, Aluminium oder
Kunststoff eingesetzt und mit Vergussmasse abgedichtet. Bei
Papierkondensatoren besteht das Dielektrikum aus getränktem, ungefähr 0,001 mm dickem Papier.
Der Aufbau von Metall-Papier-Kondensatoren (MP-Kondensatoren) ähnelt dem von Papierkondensatoren. Sie haben
jedoch statt der Aluminiumfolie eine nur etwa 0,0001 mm
dicke, auf das Papier aufgedampfte Metallschicht aus einer
Zinklegierung. Diese Zinklegierung hat einen so niedrigen
Verdampfungspunkt, dass die bei einem Spannungsdurchschlag entstehende Wärme genügt, um in sehr kurzer Zeit das
Metall in der Umgebung der Durchschlagstelle zu verdampfen. So bleibt der Kondensator – selbst nach vielen Durchschlägen – betriebsfähig (so genannter Selbstheilungseffekt).
Bei Keramikkondensatoren besteht das keramische Dielektrikum aus Oxiden von Titan, Barium, Magnesium und / oder
Calcium. Je nach Zusammensetzung ergeben sich relative Dielektrizitätszahlen von 20 bis 10 000. Die Verluste sind je nach
Zusammensetzung gering bis sehr gering. Durch den keramischen Aufbau des Dielektrikums lassen sich diese Kondensatoren nicht als Wickelkondensatoren herstellen. Auf die
Oberfläche der dünnwandigen Keramikkörper wird beidseitig ein Belag aus einem Edelmetall aufgedampft. Die realisierbaren Kapazitäten liegen zwischen 1 pF und 10 nF.
Beim Elektrolytkondensator (Elko) wird das Dielektrikum
von einer isolierenden Oxidschicht gebildet, die nur etwa
0,0005 mm dick ist. Die positive Elektrode (Anode) besteht aus
einer Aluminiumfolie, auf der durch elektrochemische Vorgänge die Aluminiumoxidschicht entsteht. Die negative
Elektrode (Kathode) ist ein Elektrolyt (z. B. eine Ammoniumsalzlösung), der durch ein saugfähiges Papier festgehalten
wird. Das Papier ist über eine zweite Aluminiumfolie oder
über ein Aluminiumgehäuse mit dem negativen Pol des
Stromkreises verbunden. Der Elektrolyt schützt das poröse
und empfindliche Dielektrikum vor direkter Berührung mit
der Anschlusselektrode. Am häufigsten werden trockene
Elektrolytkondensatoren gebaut, da sie sich lageunabhängig
verwenden lassen. Sie werden als Wickelkondensatoren gefertigt und haben wegen der sehr dünnen Oxidschicht verhältnismäßig hohe Kapazitäten (μF ... F). Bei falscher Polung
wird jedoch die Oxidschicht abgebaut und der Elko zerstört.
Außer diesen gepolten Elkos gibt es auch ungepolte, die sich
mit Wechselspannung betreiben lassen.
Dipl.-Ing. (FH) Christiane Decker, Redaktion »de«
de 18/2008
Gelernt ist Gelernt
Das abgesicherte PC-Netzwerk
im Unternehmen (4)
Als Ergänzung zum letzten Teil des Beitrags (»de« 15-16/2008, S. 105) folgen hier nochmals wichtige Tipps
zum Erhöhen der IT-Sicherheit. Einerseits geht es um Updates und andererseits um das regelmäßige Erstellen von Backups, also von Datensicherungen.
Wenn die Hersteller Sicherheitslücken in Programmen und
Betriebssystemen veröffentlichen, starten unmittelbar danach die ersten Angriffsversuche. Um die Sicherheitslücken
zu schließen, ist es wichtig (insbesondere bei Windows-Betriebssystemen), rasch die von den Herstellern bereitgestellten Softwarefehler-Korrekturprogramme, so genannte Patches (Flicken), zu installieren. Auch alle Programme sollten
entsprechend gepflegt werden. Virenscanner laden sich
automatisch die aktuellen Virensignaturen und die aktuellen Patches für den Scanner. Microsoft gibt die meisten Patches am so genannten Patch-Day heraus (zweiter Dienstag
eines Monats).
Folgende Einstellungen sollte man einschalten:
• Automatische Updates (Bild 31): Damit installieren sich
wichtige und sicherheitsrelevante Updates des Betriebssystems unverzüglich nach Veröffentlichung durch Microsoft, also automatisch.
• Windows Update (Bild 32): Damit lässt sich die Windows
Update-Website manuell aufrufen. Der Benutzer entscheidet, wann und was er aktualisieren möchte.
• Microsoft Update (Bild 33): Empfehlenswert, denn damit
lassen sich zusätzliche Updates für MS-Programme wie
MS-Office, MS-Exchange oder MS-SQL ebenfalls laden.
Aus Windows Update wird also Microsoft Update.
Bereits installierte Updates lassen sich anzeigen und bei
Bedarf deinstallieren (Bild 34). Die aktuellen SicherheitsUpdates stehen nur dann zur Verfügung, wenn das aktuelle
»Service Pack« installiert ist.
Bild 31: Sinnvoll: Automatische Updates einschalten,
bei XP (li.) und Vista (re.)
Backups erstellen (Datensicherungen)
Das Sichern von Daten erfordert einen Plan und kostet Zeit.
Häufig sichern Benutzer über einen längeren Zeitraum ihre
wichtigen Dateien nicht, weil es im Großen und Ganzen ja
»gut ging«. Ist aber mal eine wichtige Datei zerstört, erlangen die Benutzer i. d. R. schnell ein anderes Verhältnis zur
Datensicherung. Eine funktionierende Rücksicherung kann
leicht eine Woche Arbeit für das Wiederherstellen eines
Dokumentes ersparen. Unter Umständen lässt sich das
Dokument überhaupt nicht wiederherstellen, weil sich keiner die Informationen merken konnte. Und der Verlust
sämtlicher Unternehmensdaten, führt manchmal direkt in
die Insolvenz. Malen Sie sich einmal die Auswirkungen von
Datenverlusten in Ihrem Unternehmen aus. Wie geht es
weiter, wenn auf die Kundendatei oder sämtliche Unterlagen definitiv nicht mehr zugegriffen werden kann? Verzichten Sie weiterhin auf regelmäßige Datensicherungen?
Die Ursachen für einen möglichen Datenverlust sind vielfältig:
• Hardware-Fehler (Festplatten-Crash, Überspannung, ...)
und Betriebssystemfehler
de 18 /2008
Bild 32: Benutzerdefinierte Suche, d. h.,
wenn der Benutzer
über Zeitpunkt und
Umfang der Updates
selbst entscheiden
möchte; bei Vista (o.)
und XP (u.)
103
Gelernt ist Gelernt
Medien wie Magnetbändern oder optischen Medien. Es
werden häufig alle (viele) Versionen eines Dokumentes
gespeichert. Einige Unternehmensdaten sind bis zu zehn
Jahre zu archivieren (revisionssichere Buchführung).
Ein dem Unternehmen angemessenes und dokumentiertes
Backup-Konzept hilft den Verantwortlichen bei den täglichen
Sicherungsaufgaben, auch wenn es anfangs mit etwas Arbeit
verbunden ist. Gehen wir nun im Einzelnen den Fragen nach,
die man bei der Entwicklung eines Backup-Konzeptes beantworten und dokumentieren sollte.
Bild 33: Microsoft Update: Auch MS-Anwendungen wie Office werden aktualisiert; bei
Vista (o.) und XP (li.)
• Benutzer-Fehler, z. B. versehentliches Löschen oder Überschreiben von Daten
• Viren, die Dateien zerstören
• Trojaner, die Dateien verfälschen oder löschen
• Datendiebstahl, z. B. Laptop-Diebstahl
• Naturgewalt wie Wassereinbruch, Feuer usw.
Wegen dieser Gefahren müssen wichtige Daten kontinuierlich auf einem zweiten Speichermedium dupliziert werden.
Zum besseren Verständnis hier kurz der Unterschied zwischen Datenspiegelung, -sicherung und -archivierung:
• Datenspiegelung oder RAID-System: Die Daten werden
immer gleichzeitig auf zwei (oder mehr) Festplatten des
Computers gespeichert. Bei einem Festplatten-Crash lassen sich die Daten der zweiten Festplatte nutzen. Neben
dem Hauptziel, dem unterbrechungsfreien Betrieb, erhöht
sich durch gleichzeitige Zugriffe auf mehrere Festplatten
auch die Geschwindigkeit. Spiegelung (RAID) ersetzt die
Datensicherung nicht, denn sie bietet keinen Schutz
gegen Virenbefall, Diebstahl, Naturgewalt oder versehentliches Löschen von Dokumenten.
• Datensicherung: Die Daten werden im Vergleich zur Spiegelung in größeren Zeitabständen (Tag, Woche) dupliziert.
Das Ziel ist, Betriebsunterbrechungen so kurz wie möglich
zu halten. Verlorene Daten sollen sich möglichst schnell
und so aktuell wie möglich wieder herstellen lassen.
• Datenarchivierung / Versionssicherung: Dabei speichert
man die Daten langfristig (Jahre) auf Massenspeicher-
Welche Daten sollen gesichert werden,
also was sind wichtige Dateien?
Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von Daten unterscheiden.
Die erste Gruppe besteht aus den Programmen, dem Betriebssystem und den Benutzerprofilen (Benutzereinstellungen).
Diese Informationen lassen sich mit etwas Aufwand von den
Original-CDs wiederherstellen. Ärgerlich ist nur, dass die vielen
im Laufe der Zeit durchgeführten und meist nicht dokumentierten Konfigurationseinstellungen nach einer Neuinstallation mühsam wieder einzurichten sind. Empfehlung: Diese
Daten insgesamt in größeren Zeitabständen mit einem ImageProgramm auf einer externen Festplatte sichern (Bild 35).
Während die Neukonfiguration der Programme und des
Betriebssystems lediglich viel Zeit erfordert, ist der Verlust
von selbst erstellten Dokumenten sehr unangenehm. Kundendatei, Angebote, Baupläne, Arbeitsabläufe, Bilanz usw.
sind für ein Unternehmen sehr wertvoll. Empfehlung: Diese
Daten erfordern ein viel stärkeres Augenmerk und sind in
kürzeren Zeitabständen zu sichern.
Bereits beim Speichern der Daten sollte man auf eine
strikte Trennung zwischen selbst erstellten Dokumenten und
Programm- und Betriebssystem-Dateien achten. Dadurch
wird die Datensicherung stark vereinfacht und sicherer. Bei
Verlust von selbst erstellten Dokumenten müssen dann nur
diese wiederhergestellt werden. Bei Absturz des Betriebssystems lässt sich die Programm- und Betriebssystem-Partition
samt Einstellungen wieder einspielen, ohne die selbst erstellten Daten zu berühren. Die Aufteilung der zwei unterschiedlichen Datenarten auf zwei Partitionen lässt sich noch verbessern, wenn auf zwei unterschiedlichen Festplatten
gespeichert wird. Bei Ausfall einer Festplatte ist der Zugriff
nur für eine Datenart unmöglich.
Bild 34: Bereits installierte Updates lassen sich anzeigen; bei Vista (li.) und XP (re.)
104
de 18/2008
Gelernt ist Gelernt
Sollen die Daten jedes einzelnen PC oder ein
zentraler Unternehmens-Datenbestand gesichert werden?
Ab einer gewissen Anzahl von PC-Arbeitsplätzen sollte man
erwägen, die von den Benutzern erzeugten Unternehmensdaten zentral zu speichern. Die Datenspeicherung verläuft
dann strukturierter, jeder Benutzer im Netzwerk kann auf
die stets aktuellen Daten zugreifen und die Sicherung der
Unternehmensdaten wird – da an nur einem Computer
durchgeführt – übersichtlicher (Bild 36).
Die
Großvater-Sicherung
liefert
eine
weitere
Rücksicherungsmöglichkeit. Bild 37 zeigt ein Beispiel für
das Generationen-Prinzip mit fünf wieder beschreibbaren
DVDs als Sicherungsmedium. Für die Langzeitsicherung
lässt sich z. B. alle drei Monate ein Medium aus dem Zyklus
entnehmen, getrennt von den Computern sicher aufbewahren und durch ein frisches Medium ersetzen.
• Variante 2: In größeren Unternehmen wird das Generationen-Prinzip meistens mit den drei Sicherungsgruppen täg-
In welchen zeitlichen Abständen (Intervalle) und
zu welcher Tageszeit sollen die Daten gesichert werden?
Die festzulegenden Datensicherungs-Intervalle hängen
sehr stark von den betrieblichen Abläufen ab. Die maximale Zeit zwischen zwei Datensicherungen wird von der
erzeugten Datenmenge pro Tag beeinflusst. Unter Umständen muss jeden Tag eine Datensicherung für die selbst
erstellten Dokumente durchgeführt werden. Bei den meisten Backup-Produkten lässt sich ein Zeitplan für die regelmäßige, automatische Sicherung einrichten. So kann die
Datensicherung nicht in Vergessenheit geraten.
Zusätzlich zu den Sicherungen in festgelegten Intervallen sollte man manuell sichern, wenn viele Dateien auf
einen Schlag neu erstellt oder geändert werden – z. B.,
wenn an einem Tag viele neue wichtige Dokumente von
einem Lieferanten oder vom Steuerberater im Unternehmen zu speichern sind.
Häufig geänderte Dateien sollten die Benutzer unabhängig von der automatischen Sicherung in noch kürzeren
Intervallen sichern.
Vor Änderungen am System (z. B. neue Hardware hinzufügen, Treiber aktualisieren, die Registrierung bearbeiten,
ein Service Pack installieren und Installation/Deinstallation
von Programmen) sollte die Betriebssystem- und ProgrammPartition gesichert werden.
Bei Einzelplatz-Datenspeicherung muss die automatische Sicherung während der Arbeitszeit erfolgen. Es ist zu
testen, ob die Computerleistung während der Sicherung
reicht.
Manuell lässt sich die Sicherung vor Pausen anstoßen.
Bei zentraler Datenspeicherung erfolgt die Sicherung zu
betriebsschwachen Zeiten, meistens nachts oder / und am
Wochenende, da Server ohnehin nicht abgeschaltet werden.
Bild 35: Zunächst muss man sich fragen, welche Daten gesichert werden sollen. Es empfiehlt sich, die selbst erstellten
Daten von Programmen, Betriebssystem und Benutzereinstellungen zu trennen
Wie lange sollen Datensicherungen aufgehoben werden?
Generell gilt: Wichtige Daten müssen mehrfach gesichert
werden. Würde man immer dasselbe Medium zur Datensicherung verwenden, bestünde während der Datensicherung die Gefahr, dass gleichzeitig sowohl die interne Festplatte als auch das verwendete externe Speichermedium
unbrauchbar werden. Dieses Szenario ist nicht unwahrscheinlich. Es kann z. B. bei einem Computerabsturz während der Datensicherung auftreten. Die Unternehmensdaten wären verloren. Häufig wird nach dem
Generationen-Prinzip – auch Großvater-Vater-Sohn-Prinzip
genannt – gesichert:
• Variante 1: Mindestens drei (besser fünf) Datenträger
werden zyklisch zum Sichern in Intervallen verwendet,
z. B. jede Woche oder jeden Tag. Dadurch kann auch bei
einem defekten bzw. aktuell virenbefallenen Datenträger
noch auf die funktionierende Vater-Sicherung zurückgegriffen werden, wenn auch auf weniger aktuelle Daten.
de 18 /2008
Bild 36: Ab einer gewissen Anzahl von PC-Arbeitsplätzen
empfiehlt sich eine zentrale Datenspeicherung / -sicherung
Bild 37: Einzelplatz-Datensicherung nach dem Generationen-Prinzip
105
Gelernt ist Gelernt
lich, wöchentlich und monatlich betrieben. Dafür sind 20
Bänder erforderlich: vier Tages-, vier Wochen- und zwölf
Monatsbänder, zuzüglich pro Jahr ein Jahresband (Dez.).
Die vier Tagesbänder werden beschriftet mit Mo, Di, Mi,
Do. Die vier Wochenbänder werden beschriftet mit Fr1,
Fr2, Fr3, Fr4. Die zwölf Monatsbänder werden beschriftet
mit Jan, Febr, ... Dez. Die Beschriftung der Bänder ist sorgfältig durchzuführen, da sich die gesicherten Daten sonst
nicht wieder finden lassen. Es werden nur vier Wochenbänder benötigt, weil bei fünf Freitagen im Monat der
fünfte Freitag immer der letzte Wochentag des Monats ist
und dann ein Monatsband erstellt wird (Bild 38). Bei dieser Variante empfehlen sich Sicherungsautomaten, die
automatisch das richtige Band auswählen. Im Beispiel in
Bild 38 wird erst in Woche 2 vom Januar das MittwochBand der Vorwoche überschrieben. Die jeweils freitags
erstellten Wochenbänder werden frühestens nach vier
Wochen überschrieben. Die Monatsbänder werden immer
am letzten Freitag des Monats anstelle des Wochenbandes erstellt und nach zwölf Monaten überschrieben.
Es empfiehlt sich, sie bis zum nächsten Einsatz im Tresor
an einem anderen Ort (Bank) oder mindestens in einem
anderen Brandschutzbereich im Datensicherungsschrank
aufzubewahren. Das Dezember-Monatsband sollte als
Jahresband langfristig im Tresor verbleiben. Mit dem
Generationen-Prinzip lassen sich Datenänderungen
schrittweise zurückverfolgen, z. B. um festzustellen, wann
und warum ein Fehler aufgetreten ist, oder um eine versehentlich überschriebene Datei in ihrem ursprünglichen
Zustand wieder herzustellen. Allerdings ist selbst bei dem
Verfahren mit den drei Sicherungsgruppen täglich,
wöchentlich und monatlich keine lückenlose Wiederherstellung möglich. Man kann zwar jederzeit auf eine Sicherung
• der letzten vier Werktage (Sohn-Sicherungen),
• der letzten vier Freitage (Vater-Sicherungen) und
• der letzten zwölf Monatsenden (Großvater-Sicherungen)
zugreifen. Aber wird z. B. am Montag eine große Datei
erstellt oder umfangreich geändert und auf dem Montagsband gesichert und dann am Dienstag die Datei versehentlich mit einer leeren Datei gleichen Namens überschrieben und auf dem Dienstagsband gesichert, sollte
der Fehler möglichst bis Montag der folgenden Woche
erkannt werden, denn Montag Nacht wird die gesicherte
GLOSSAR
RAID: (Redundant Array of Inexpensive Disks oder Redundant
Array of Independent Disks) ist ein Verbund von mehreren Festplatten, die nach außen (für das Betriebssystem) als eine Festplatte erscheinen. Bei den meisten Verfahren (RAID-Levels) ist
insgesamt mehr Speicherkapazität hardwaremäßig vorhanden
als für das Betriebssystem angezeigt wird (Redundanz).
Dadurch kann bei Ausfall einer Platte das System fast unterbrechungsfrei weiterarbeiten. RAIDs kombinieren diese Ausfallsicherheit meistens mit dem zweiten Ziel Geschwindigkeitserhöhung. Dazu wird eine Datei in kleinere Bereiche unterteilt
(Stripes) und diese werden abwechselnd auf die Festplatten des
RAID-Verbundes geschrieben. Durch gleichzeitiges Schreiben
auf mehreren Festplatten entsteht die Leistungsverbesserung.
Originaldatei auf dem Montagsband mit der leeren Datei
überschrieben (und die Originaldatei wurde nie auf
einem Wochen- oder Monatsband gesichert). Will man
dieses Risiko nicht eingehen, muss man die Sicherungen
aller Wochentage aufheben, also pro Jahr ca. 220 Bänder
verwahren und vorher kaufen. Im schlechtesten Fall ist
dann die Arbeit eines Tages zu wiederholen.
Einen anderen Ansatz verfolgt die Versionssicherung pro
Datei. Diese dateibezogene Art der Archivierung wirkt gleich
beim Speichern. Bei umfangreichen Projekten mit Textverarbeitung, Kalkulationen oder Zeichenprogrammen schützt
häufiges Sichern nicht vor dem Verlust von Informationen,
weil die Zwischenstände immer wieder überschrieben werden
(»die vorletzte Version war doch besser«). In diesem Fall sind
alle Zwischenstände zu speichern (unter Umständen durchaus
mehrere pro Tag), um später die Entwicklung nachvollziehen
zu können. Im einfachsten Fall wird bei jeder Speicherung die
Versionsnummer im Namen der Datei inkrementiert (hochgezählt): dateiname_v1.doc, dateiname_v2.doc, usw. Anwendungsprogramme können diese Art der Speicherung automatisiert vornehmen. Ein Alternativ-Verfahren speichert – durch
den Benutzer veranlasst – in verschiedenen temporären Ordnern. Heute unter C:\Arbeitsordner\Temp1, morgen unter
C:\Arbeitsordner\ Temp2, usw. Natürlich müssen alle VersionsDateien auch in den im Unternehmen etablierten Datensicherungsprozess mit aufgenommen werden, um gegen Festplatten-Crash und Virenbefall abgesichert zu sein.
Die Sicherung der Partition mit Programmen, Betriebssystem und deren Konfigurationen lässt sich wegen des hohen
Volumens entweder bei jeder neuen Sicherung überschreiben
oder es werden zwei Sicherungen zyklisch verwaltet.
Ausblick
Im nächsten Teil des Beitrags gehen wir den Fragen nach, ob
jedes Mal eine Vollsicherung der Daten erfolgen soll oder nur
die Änderungen seit der letzten Sicherung zu sichern sind.
Darüber hinaus wird u. a. geklärt, auf welchen Medien gesichert werden soll, wo die beschriebenen Datensicherungsmedien aufbewahrt werden sollen und welche Backup-Software sich eignet.
(Fortsetzung folgt)
Bild 38: Zentrale Datensicherung nach dem GenerationenPrinzip mit den drei Sicherungsgruppen täglich, wöchentlich und monatlich
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Dipl.-Ing. Dieter Schenk, Fachlehrer am Bundestechnologiezentrum für Elektro- und Informationstechnik in Oldenburg (bfe)
de 18/2008