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Pressebericht zur CeBIT 2014

Knistern im TV, Schrittmacher außer Takt? Störstrahlungen chaotisch „verschmieren“

Neuer Lösungsansatz von Forschern der FernUniversität schützt Elektronik


Die elektrisch betriebene Jalousie stört den TV-Empfang? Der Küchenmixer bringt den Herzschrittmacher aus dem Takt? Das Problem elektronischer Störstrahlungen wird immer größer, denn in immer mehr Geräten kommt Elektronik zum Einsatz. Gerade bei kleinen und mobilen Geräten erhöht der Schutz vor störenden elektromagnetischen Interferenzen (EMI) Kosten, Größe und Gewicht. Erstmals setzt das Lehrgebiet Informationstechnik der FernUniversität in Hagen eine „chaotische Regelung“ ein, um die Energie in den Spitzen störender Strahlungen zu verteilen und damit auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. „Jedoch hat dieses ‚Chaos‘ mit dem, was man im täglichen Leben kennt, nichts zu tun“, erläutert Prof. Dr. Dr. Wolfang A. Halang, der Leiter des Lehrgebiets, „vielmehr kann es mathematisch vorhergesagt und erzeugt werden“.

EMI werden durch Spannungen und Ströme hervorgerufen, die sich schnell ändern. Aufgrund der Allgegenwart elektrischer und elektronischer Geräte werden diese Störungen im privaten Alltag wie im Beruf zu einem immer größeren Problem. Daher ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) elektronischer Komponenten in der Leistungselektronik ein wesentliches Entwurfskriterium.

„Nach dem Energieerhaltungssatz können elektromagnetische Interferenzen ja nicht vernichtet, sondern nur umgewandelt werden“, stellt Prof. Halang fest. Bisher werden abgestimmte Filter und Abschirmungen eingesetzt, um leitungsgeführte und gestrahlte Interferenzen in spezifischen Frequenzbändern zu reduzieren. Der neue Ansatz von apl. Prof. Dr. habil. Zhong Li und seinen Doktorandinnen setzt bei der Spektralspreizung der EMI an: Statt der klassischen Verteilung mit periodischen Signalen setzen sie eine zufällige oder chaotische Modulation ein. Mit beiden Modulationsarten können Störspitzen dadurch unterdrückt werden, dass ihre Energie über einen weiten Frequenzbereich verteilt wird. Das reduziert die Interferenzen. Prof. Halang erklärt: „Heftige Störspitzen werden so wie Butter auf einer Scheibe Brot ‚verschmiert‘.“ Mit diesem hierfür erstmals eingesetzten chaostheoretischen Ansatz hat das FernUni-Lehrgebiet erheblich bessere Ergebnisse als mit herkömmlichen Verfahren erzielt. Hierfür entwickelte es eine komplizierte Schaltung.

In der Praxis sind wirklich zufällige Signale kaum zu realisieren, so dass man sich immer mit Pseudozufallsmodulationen zufrieden geben muss. Wegen der hervorragenden Eigenschaften spielt die chaotische Modulation hierfür eine bedeutende Rolle.

Das Ziel dieses im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung geförderten Projektes ist es, die Technologie auf andere elektrische und elektronische Geräte wie Netzteile, Gleich- und Wechselrichter sowie tragbare, insbesondere batteriegespeiste elektronische Geräte aller Art und Baugruppen mit Pulsweitenmodulationssteuerung zu übertragen und so ihre Betriebssicherheit im Zusammenspiel mit anderen Komponenten zu verbessern. Ggf. kann dann auf Filter und Abschirmungen verzichtet oder zumindest der Aufwand dafür reduziert werden.

Weitere Erläuterungen für Experten

In getakteten Gleichspannungswandlern, Frequenzumrichtern und weiteren Geräten hat die Schaltfrequenz den größten Einfluss auf die Verteilung der Oberschwingungen. Da sich Schaltfrequenz und -amplitude bei der am häufigsten eingesetzten traditionellen Pulsweitenmodulation nicht verändern, 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 Lehrgebiet Informationstechnik entwickelter, durch eingehende Testreihen erprobter und zum Patent angemeldeter 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.

Gerd Dapprich | 04.04.2013
FernUni-LogoFernUniversität in Hagen, Lehrgebiet Informationstechnik, 58084 Hagen, Tel.: +49 2331 987-372