Labor für elektromagnetische Verträglichkeit

Praxismodul angewandte Wissenschaften
2020

Projekt angewandte Wissenschaft „Elektromagnetischer Puls (EMP)“

Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Sven Battermann beschäftigten sich sechs Studierende aus den Studiengängen Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen im Rahmen des Projekts angewandte Wissenschaft in einem Teilprojekt mit der Störfestigkeit elektronischer Bauteile. Geprüft wurde, wie moderne, nach DIN EN 61000-6-2 (Störfestigkeit Industriebereich) geprüfte Komponenten, anhand gezielter Störungen in Form von elektromagnetischen Pulsen (EMP), beeinflusst werden können.

Für die Erzeugung der elektromagnetischen Pulse wurde dabei kein bereits vorhandener EMP-Generator, sondern ein selbst entwickelter Marx-Generator, verwendet. Ein Marx-Generator ist eine Schaltung zur Erzeugung einer Hochspannung. Im Aufbau der Studierenden besteht er aus sechs Kondensatorstufen, die parallel über Ladewiderstände von einem Hochspannungstransformator geladen werden. Sobald die Kondensatoren vollständig geladen sind, können diese von einem Mikrocontroller mit getriggerten Lichtbögen in Reihe geschaltet werden. Durch die Reihenschaltung liegt am Ausgang die Summe aller Ladespannungen als kurzzeitiger Spannungsimpuls an. Wird eine Induktivität von dem Puls gespeist, entsteht der elektromagnetische Impuls. Dieser kann durch die Auslegung der Induktivität für die gezielte Störung bestimmter Frequenzbereiche variiert werden.

Im Rahmen ausführlicher Untersuchungen im Hochspannungsfeld konnten die vom Marx-Generator erzeugten Pulse gemessen und die Auswirkung des dadurch erzeugten elektromagnetischen Pulses auf eine speicherprogrammierbare Steuerung als Test-Device untersucht werden.

Dabei wurde festgestellt, dass der mit dem Marx-Generator erzeugte elektromagnetische Puls in der Lage ist, den Betrieb einer speicherprogrammierbaren Steuerung zu unterbrechen und Fehler zu erzeugen. Empirische Untersuchungen ergaben, bei einer Testreihe mit zehn Versuchen, eine hundertprozentige Ausfallwahrscheinlichkeit für Entfernungen bis zu mehreren Zentimetern. Darüber hinaus konnten bei den Messungen mit dem Marx-Generator eine digitale Wetterstation, ein PC-Monitor sowie ein Laptop in ihrer Funktion gestört werden. Im Falle des Laptops konnte der Betrieb nur durch eine kurzzeitige Herausnahme des Akkus wiederhergestellt werden.

Die gesammelten Ergebnisse zeigen, dass nach DIN EN 61000-6-2 geprüften Komponenten, mit der richtigen Zusammenstellung von elektrischen Bauteilen - bereits mit einem geringen Kostenaufwand von ca. 50 € - störbar sind.

Beitrag von Robin Voßkühler, Luis Körholz und Kevin Eickmeier