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Bild: iStock, No Limit Pictures

DC/DC-Wandler für die Bahntechnik Hart im Nehmen

10.04.2017

Hitze, Kälte und Vibrationen sind die natürlichen Feinde elektronischer Baugruppen. DC/DC-Wandler, die in der Bahntechnik zum Einsatz kommen, sind ihnen in besonders drastischem Maß ausgeliefert. Doch selbst in dieser feindlichen Umgebung müssen die Wandler langfristig sicher und zuverlässig funktionieren.

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In der Bahntechnik sind DC/DC-Wandler äußerst harschen Bedingungen ausgesetzt. Im Sommer müssen sie unter direkter Sonneneinstrahlung Temperaturen von über 60 °C aushalten, im Winter klirrende Kälte von -30 °C und weniger. Werden die Wandler in fahrenden Zügen eingesetzt, kommen starke Vibrationen noch erschwerend hinzu. Durchschnittliche Bauteile stoßen hier schnell an ihre Grenzen. Für diese unwirtlichen Betriebsbedingungen sind speziell für den Bahnbereich zertifizierte DC/DC-Wandler gefragt, die besonders hart im Neh-
men sind.

Allen Belastungen trotzen

In einem fahrenden Zug sind Bauteile erheblichen Vibrations- und Schockbelastungen ausgesetzt. Beim Rangieren eines Zuges sind Beschleunigungskräfte von bis zu fünf G (mit G = 9,81 m/s2 der Erdbeschleunigung) keine Seltenheit. Die andauernde Vibrationsbelastung während der Fahrt stellt eine ähnlich große Herausforderung für die Bauteile dar. Diese Extrembelastungen können über die Jahre zu Materialermüdung und einem Ausfall wichtiger Module führen. Um möglichen Gefahren vorzubeugen, macht die Norm EN61373 klare Vorgaben in Bezug auf die Vibrations- und Schockfestigkeit der eingesetzten Bauteile. Je nach Einbauort sind verschiedene Kategorien mit steigenden Anforderungen definiert:

  • Body mounted class A (1A): direkt im Waggon eingebaut

  • Body mounted class B (1B): in einem Gehäuse im Waggon eingebaut

  • Bogie mounted (2): auf einem Drehgestell eingebaut

  • Axle mounted (3): auf der Achse eingebaut

DC/DC-Wandler werden meist im Triebwagen eingebaut, weshalb sie in der Regel der Klasse 1B zugeordnet sind.

Hohe Störfestigkeit ist Trumpf

Die in Triebwagen eingebaute Elektronik ist einem sehr ungünstigen elektromagnetischen Umfeld ausgesetzt. Es wirken starke magnetische Felder von Elektromotoren und Transformatoren. Auch Störungen durch die Stromabnehmer am Dach des Triebwagens müssen berücksichtigt werden. Hinzu kommen unzählige Störquellen, die durch die Passagiere eingebracht werden, beispielsweise Mobiltelefone und Laptops. All diese Störeinflüsse dürfen die Funktion sensibler Komponenten wie Fahrantrieb, Motorsteuerung oder Informationsanzeigen in keiner Weise beeinflussen. Um dies zu gewährleisten, verweist die Norm EN50155 auf die Ergänzungsnorm EN50121-3-2 mit dem Namen „Bahnanwendungen – Elektromagnetische Verträglichkeit“. Diese Normerweiterung definiert Maximalwerte für abgestrahlte und leitungsgebundene Störungen sowie strenge Grenzwerte für die Überspannungs- und Transienten-Festigkeit. Bei der Entwicklung von DC/DC-Wandlern muss jeder Designaspekt dahingehend überprüft werden, ob alle in der Norm genannten Kriterien erfüllt sind.

Verschiedene Versorgungsspannungen in der Bahn

Aus historischen Gründen sind im Bahnbereich verschiedene Versorgungsspannungen gebräuchlich. Die häufigsten Nennspannungen sind 24, 48, 72, 96 und 110 VDC. Zusätzlich schreibt die Norm EN50155 vor, dass die nominale Eingangsspannung zwischen dem 0,7- und 1,25-fachen schwanken darf, kurzzeitig sogar zwischen dem 0,6- und 1,4-fachen. Ein 48-V-DC/DC-Wandler muss also den gesamten Bereich von 28,8 bis 67,2 V bedienen können. Um die geforderten nominalen Eingangsspannungen abzudecken, werden meist 4:1-Wandler, wie etwa die Wandler der RP20-FR- oder RP40-FR-Serie von Recom, eingesetzt. So können alle nominalen Eingangsspannungen mit nur drei Wandlertypen abgedeckt werden.

Beim Wandlerdesign war bisher mit einem Eingangsspannungsbereich von 4:1 das Limit in Bezug auf den Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit erreicht. Ab Ende Mai 2017 bietet Recom im Rahmen der RPAxxx-RUW-Serie neue 100-W- und 200-W-DC/DC-Wandler mit einem weiten 8:1-Eingang zu moderaten Preisen an. Die Wandler im kompakten Half-Brick-Gehäuse decken somit den gesamten Eingangsspannungsbereich von 16,8 bis 137,5 V mit nur einem einzigen Produkt ab. Dabei liefern sie 12, 24 oder 48 VDC am Ausgang (Zusammenfassung siehe Abbildung). Der Wirkungsgrad bleibt über den gesamten Eingangsspannungsbereich konstant hoch und erreicht unter Volllast bis zu 90 Prozent.

Zwei Fliegen mit einer Klappe

Neben der Spezifikation der Eingangsspannung macht die Norm EN50155 auch klare Vorgaben bezüglich des Verhaltens bei Spannungseinbrüchen. Stromversorgungen der Klasse S2 müssen die Spannungsversorgung selbst bei einem zehn Millisekunden dauernden Ausfall weiter gewährleisten. Dies kann nur durch den Einsatz von Buffer-Kondensatoren erreicht werden. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Verwendung eines Eingangskondensators ergibt, ist die Glättung der Eingangsspannung. Da die EN50155 zusätzlich vorschreibt, dass die Stromversorgung mit einer Welligkeit des Eingangssignals von bis zu 15 Prozent zurechtkommen muss, werden also gleich zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen.

In den vergangenen Jahren hat Recom sein Produktangebot an EN50155-zertifizierten Produkten stark erweitert. Mit DC/DC-Wandlern im Leistungsbereich von 8 bis 240 W bietet das Unternehmen das breiteste Sortiment am Markt an. Neu vorgestellt wurden kürzlich die Wandler RPA20-AW, RPA30-AW, RPA60-FW, RP20-FR und RP40-FR. Die RPA-Serie zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte von 4.5 W/cm3 aus. Aus einem nur 1 Zoll mal 1 Zoll großen Gehäuse liefert sie eine Leistung von 20 beziehungsweise 30 W, und 60 W aus einem 2 Zoll mal
1 Zoll großen Gehäuse. Um eine optimale thermische Performance zu gewährleisten, hat Recom auch die neuen Serien
RP20-FR und RP40-FR mit einem kompakten 2 Zoll mal 1 Zoll großen Gehäuse ausgestattet.

Die geregelten DC/DC-Wandler mit weitem 4:1-Eingangsspannungsbereich wurden speziell für anspruchsvolle Bahntechnikanwendungen konzipiert. Neben dem für Schienenfahrzeuge erforderlichen EN50155-Zertifikat verfügen sie auch über die für Industrieanwendungen nötige UL/cUL60950-Zertifizierung.

Bildergalerie

  • Nach EN50155 zertifizierte Wandler müssen mit starken Schwankungen der Eingangsspannung zurechtkommen. Mit den Wandlern der RPxx-FR-Serie von Recom kann der gesamte Bereich von 24 bis 110 V mit nur drei Wandlertypen abgedeckt werden. Bei der bald verfügbaren RPAxxx-RUW-Serie ist es sogar nur ein Wandlertyp.

    Bild: Recom

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