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Unterdrückung elektromagnetischer Störaussendungen elektronischer Geräte durch Chaosregelung

IGF-Projekt 17211N (EMVdurchChaos)

Aufgrund der Allgegenwart elektrischer und elektronischer Geräte in Industrie und täglichem Leben stellen durch sich schnell ändernde Spannungen und Ströme hervorgerufene elektromagnetische Interferenzen (EMI) ein großes Problem und mithin die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) mit anderen Komponenten ein wesentliches Entwurfskriterium in der Leistungselektronik dar.

Bisher werden geeignet abgestimmte Filter und Abschirmungen eingesetzt, um leitungsgeführte und gestrahlte Interferenzen in spezifischen Frequenzbändern zu reduzieren. Solche Maßnahmen verursachen jedoch zusätzlichen Schaltungsaufwand, der nicht nur die Kosten der Geräte, sondern auch deren Größe und Gewicht erhöht, was sich besonders bei tragbaren Geräten negativ auswirkt.

Ein neuerer Ansatz zur Behandlung des EMI-Problems ist Spektralspreizung mit zufälliger oder chaotischer Modulation. Mit beiden Modulationsarten können Störspitzen unterdrückt werden, indem ihre Energie über einen weiten Frequenzbereich verteilt wird, was wiederum die Interferenzen reduziert. In der Praxis ist ein wirklich zufälliges Signal jedoch kaum zu realisieren, weshalb man sich immer mit Pseudozufallsmodulation zufrieden geben muss. Wegen der hervorragenden Pseudozufallseigenschaften von Chaos ist chaotische Modulation eine sehr bedeutende Form von Pseudozufallsmodulation.

Als Beispiele seien getaktete Gleichspannungswandler und Frequenzumrichter genannt. In solchen Geräten hat die Schaltfrequenz den größten Einfluss auf die Verteilung der Oberschwingungen. Da Schaltfrequenz und -amplitude invariant unter der am häufigsten eingesetzten traditionellen Pulsweitenmodulation sind, weist das Spektrum des Ausgangssignals größere Spitzen nahe der Schaltfrequenz oder Mehrfacher davon auf, was die Erfüllung der Anforderungen an elektromagnetische Verträglichkeit erschwert. Ein am Lehrstuhl für Informationstechnik entwickelter und durch eingehende Testreihen erprobter innovativer Ansatz zur Reduktion solcher elektromagnetischer Störaussendungen beruht darauf, durch Veränderung der Hauptschaltfrequenz sowohl in digitaler als auch in analoger Form chaosbasierte Signale zu erzeugen, die in hart- und weichumschaltenden Gleichspannungswandlern anstelle periodischer Signale zur Regelung durch Pulsweitenmodulation eingesetzt bei geringfügig erhöhter Welligkeit besser Störspitzen und elektromagnetische Interferenzen durch Verteilung der Störungsenergie mittels Spektralspreizung über das ganze Frequenzband bei gleichzeitig erhöhter Effizienz unterdrücken.

Das Ziel des vom Bundeswirtschaftsministeriums über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. und deren Mitgliedsvereinigung Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. geförderten und zusammen mit dem Fachgebiet Energietransport und -speicherung der Universität Duisburg-Essen in der Zeit vom 1. Juli 2011 bis zum 31. Dezember 2013 durchgeführten Projekts 17211N "Unterdrückung elektromagnetischer Störaussendungen elektronischer Geräte durch Chaosregelung" der Industriellen Gemeinschaftsforschung war es, die oben umrissene Technologie auf andere elektrische und elektronische Geräte wie Netzteile, Gleich- und Wechselrichter sowie tragbare, insbesondere batteriegespeiste elektronische Geräte aller Art und durch Pulsweitenmodulation gesteuerte Baugruppen zu übertragen und so ihre Betriebssicherheit im Zusammenspiel mit anderen Komponenten zu verbessern. Bei geeigneter Anwendung der im Projekt detailliert ausgearbeiteten Technologie kann dann auf Filter und Abschirmungen verzichtet oder zumindest der Aufwand dafür reduziert werden, woraus sich deutliche Einsparungen hinsichtlich Gerätegröße, -gewicht und -kosten ergeben.

Innenansicht einer Schweißstromquelle
Innenansicht der Schweißstromquelle, Fa. Kjellberg

EMV 05.05.2014
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