Traco Electronic GmbH

Mit dem richtigen DC/DC-Wandler kann man lästige Überbrückungszeiten einfach überwinden.

Bild: Traco; iStock, Trifonov_Evgeniy

Überbrückungszeiten überwinden Mit DC/DC-Wandlern Kosten in Fahrgastinformationssystemen sparen

29.08.2022

Erfahren Sie, wie die erweiterte Überbrückungsfunktion „Bus-Pin“ in DC/DC-Wandlern mit ultraweitem 12:1-Eingangsspannungsbereich funktioniert. Die Technologie reduziert die Kosten und das Volumen der passiven Komponenten in einer typischen Anwendung erheblich, wie eine Fallstudie für ein Fahrgastinformationssystem für Bahnen und Busse belegt.

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Die neuesten DC/DC-Wandler von Traco Power mit ultraweitem 12:1-Eingangsspannungsbereich verfügen über einen speziellen Überbrückungskondensator-Anschluss („Bus Pin“). Mit dieser Funktion kann der Anwender bis zu 93 Prozent der Kosten für externe Kondensatoren einsparen und gleichzeitig deren Volumen um bis zu 93 Prozent reduzieren. Durch die Verringerung der Anzahl der Bestückungsvarianten von drei auf eine wird zudem der Aufwand für Entwicklung, Zertifizierung, Prüfung, Fertigung, Lagerhaltung, Wartung und Support im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung deutlich reduziert.

Um diese Vorteile zu demonstrieren, hat Traco Power eine Fallstudie durchgeführt: eine DC-Stromversorgung wurde für ein ultrakompaktes Fahrgastinformationssystem für den Einsatz in Bahnen und Bussen ausgelegt. Die Lösung ist fähig, 20 Millisekunden lange Unterbrechungen der Eingangsspannung zu überbrücken. Nicht nur im Bahnbereich, sondern auch für batteriegepufferte industrielle Systeme stellt dies eine typische Anforderung dar. Die Studie belegt, dass die neuen DC/DC-Wandler sehr gut abschneiden – sowohl im direkten Vergleich zu konventionellen DC/DC-Wandlern mit ultraweitem 12:1-Eingangsspannungsbereich als auch im Vergleich mit handelsüblichen DC/DC-Wandlern, welche „nur“ über einen weiten 4:1-Eingangsspannungsbereich verfügen.

Die Norm beachten

Die Norm EN 50155 legt wichtige Anforderungen für den Betrieb, die Auslegung und die Prüfung von elektronischen Geräten für Schienenfahrzeuge fest. Dank ihrer umfassenden Berücksichtigung „rauer“ Umgebungsbedingungen wird die EN 50155 auch häufig für die Entwicklung robuster Industrieanwendungen herangezogen. Dazu gehört auch der Weiterbetrieb bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung. Während der Unterbrechung kann der Eingang kurzgeschlossen sein. Die Energiezufuhr muss für die gesamte Dauer der Überbrückung über eine (externe) Kondensatorbank erfolgen.

Fallstudie für Einsatz in Bus und Bahn

In der von Traco Power durchgeführten Fallstudie entwickelt ein Erstausrüster (OEM) ein kostengünstiges, kompaktes und leichtes Fahrgastinformationssystem für Bus- und Bahnanwendungen. Die DC-Stromversorgung arbeitet mit einer Leistung von 40 Watt. Dies reicht aus, um einen kleinen Bildschirm, einen Feldcomputer und Netzwerkperipheriegeräte auf Basis von Ethernet und/oder drahtlose Kommunikation nach IEEE 802.11 zu versorgen.

Anforderungen an DC-Stromversorgung

In der Tabelle sind die wichtigsten elektrische Anforderungen an die DC-Stromversorgung aufgeführt. Die Nenneingangsspannungen umfassen die branchenüblichen 24V-, 48V-, 96V- und 110V-Batteriesystemspannungen. Um die Markteinführungszeit zu verkürzen und Entwicklungs-, Herstellungs- und Wartungskosten zu sparen, hat sich der OEM in Szenario A für die neueste Serie von Traco-DC/DC-Wandlern mit ultraweitem Eingangsspannungsbereich entschieden. So können mit nur einem Produkt alle Systemspannungen abgedeckt werden. Dank des dedizierten Anschlusses für den Überbrückungskondensator sind das Systemvolumen und die Kosten der erforderlichen externen Kondensatorbank minimal. Der gewählte TEP 40UIR-Wandler unterstützt den Dauerbetrieb mit einer Nennleistung von mehr als über 40 W über den gesamten Eingangsspannungsbereich.

Zusätzlich wurden in der Studie auch zwei alternative Szenarien B und C analysiert: Szenario B verwendet ein vergleichbares Produkt eines Mitbewerbers mit ultraweitem 12:1-Eingangsspannungsbereich. Allerdings verfügt dieses nicht über einen dedizierten Anschluss für Überbrückungskondensatoren.Demgegenüber wird in dem Szenario C ein handelsüblicher DC/DC-Wandlertyp eingesetzt welcher „nur“ über einen 4:1-Eingangsspannungsbereich verfügt. Deshalb sind auch drei verschiedene Ausführungen mit drei verschiedenen DC/DC-Wandlern und drei verschiedenen Überbrückungskreisen nötig.

Überbrückungskondensatorbank auslegen

Die Fähigkeit der Stromversorgung, kurze Unterbrechungen der Versorgungsspannung zu überbrücken, hängt von der korrekten Auslegung der Kondensatorbank ab. Im Folgenden werden alle drei Szenarien detailliert diskutiert.

Szenario A:

Das Schaltbild zeigt, wie die Überbrückungskondensatorbank mit einem DC/DC-Wandler unter Verwendung der erweiterten Überbrückungsfunktion („Bus-Pin“) verbunden ist. Im Normalbetrieb wird der Überbrückungskondensator durch eine interne Schaltung des DC/DC-Wandlers geladen. Im Falle einer Unterbrechung der Versorgungsspannung schaltet diese Schaltung automatisch die Stromversorgung von den Eingangsklemmen auf den externen Überbrückungskondensator um. Eine Diode verhindert, dass der DC/DC-Wandler bei einer versehentlichen Verpolung der Versorgungsspannung Schaden nimmt. Sie verhindert auch, dass sich die Überbrückungskondensatorbank im Kurzschlussfall in die Hauptstromquelle entlädt.

Szenario B:

Die Abbildung im Beitrag zeigt ein sehr vereinfachtes Schaltbild der Überbrückungskondensatorbank beim Anschluss an einen DC/DC-Wandler, der nicht über einen speziellen Überbrückungskondensatoranschluss verfügt.

Im Normalbetrieb des DC/DC-Wandlers wird der Überbrückungskondensator über einen externen Widerstand geladen. Der gewählte Widerstandswert ist dabei stets ein Kompromiss zwischen Einschaltstromspitze und (Wieder-)Ladezeit der Kondensatorbank. Eine Diode verhindert wieder, dass der Wandler bei einer versehentlichen Verpolung der Eingangsspannung Schaden nimmt. Im Falle einer Unterbrechung der Versorgungsspannung liefert der Überbrückungskondensator die gespeicherte Energie über eine zweite Diode an den DC/DC-Wandler.

Szenario C:

Da DC/DC-Wandler mit einem ultraweiten 12:1-Eingangsspannungsbereich noch relativ neu auf dem Markt sind, wurde auch ein Vergleich mit einem Design unter Verwendung eines handelsüblichen DC/DC-Wandlers mit einem weiten 4:1-Eingangsspannungsbereich vorgenommen.

Aufgrund des sehr begrenzten Eingangsspannungsbereichs sind hier drei verschiedene Bestückungsvarianten erforderlich, was zu drei verschiedenen Überbrückungskreisen führt. Der Aufbau der unterschiedlichen Überbrückungskreise ist jedoch grundsätzlich identisch wie in Szenario B dargestellt.

Ergebnisse

In der Tabelle finden Sie ebenfalls die wichtigsten Ergebnisse der Studie. Für alle drei Szenarien wurden die gesamten Kondensatorkosten, die Anzahl der Kondensatoren und das Gesamtvolumen der Kondensatoren abgeschätzt. Dank seines dedizierten Überbrückungskondensatoranschlusses führt der TEP 40UIR-Wandler (Szenario A) zu einer Verringerung des Volumens der externen Überbrückungskondensatoren um insgesamt etwa 93 Prozent und zu einer Verringerung der Kosten für die Überbrückungskondensatoren um insgesamt 93 Prozent im Vergleich zu einem solchen System-Design, welches auf einem herkömmlichen DC/DC-Wandler mit ultraweitem 12:1-Eingangsspannungsbereich (Szenario B) basiert.

Die Vorteile des Referenzdesigns (Szenario A) werden noch deutlicher, wenn man es mit einer Lösung vergleicht, die auf einem handelsüblichen DC/DC-Wandler mit weitem 4:1-Eingangsspannungsbereich basiert (Szenario C). Mit dem speziellen Wandler TEP 40UIR kann eine Reduzierung des Kondensatorvolumens um 36 Prozent und eine Gesamtkostenreduzierung der Kondensatoren um 25 Prozent erreicht werden, während die Anzahl der Bestückungsvarianten von drei auf eine reduziert wird.

Mit anderen Worten: Durch den Einsatz der neuen DC/DC-Wandler von Traco Power mit ultraweitem 12:1-Eingangsspannungsbereich und erweiterter Überbrückungsfunktion („Bus-Pin“) kann ein einziges Netzteil mehrere Industriestandard-Batteriesystemspannungen (24 V, 48 V, 96 V und 110 V) abdecken und gleichzeitig Kosten, Gewicht und Größe der Anwendung reduzieren.

Voraussetzungen und Einschränkungen

Die in diesem Artikel behandelte Fallstudie befasst sich mit einer Anwendung aus der Praxis. Obwohl die Anforderungen und Konstruktionsentscheidungen vereinfacht wurden, um die Diskussion der wichtigsten Ergebnisse so anschaulich wie möglich zu gestalten, spiegeln sie die zentralen technischen Herausforderungen wider. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass in der Fallstudie theoretische Überlegungen angestellt wurden, die auf idealen Betriebsbedingungen und Komponenteneigenschaften basieren. Zusätzliche Anwendungsanforderungen können vertraglich vereinbart oder technisch erforderlich sein (zum Beispiel Eingangsfilter und thermische Überlegungen) und müssen dann gesondert beurteilt werden.

Konformitätsrichtlinien und (technische) Vorschriften können sich auf die Auslegung und Dimensionierung und damit auf das Ergebnis dieser Studie auswirken und sind vom Anwendungsingenieur stets zu berücksichtigen. Es wird dringend empfohlen, dass Toleranzen, Alterung und Umweltbedingungen bei der Konstruktion ausreichend berücksichtigt werden und dass ein angemessenes Risikomanagement vorhanden ist. Unterschiedliche Schaltungsvarianten (zum Beispiel mit aktiver Umschaltung der Eingangsspannung) erfordern unterschiedliche Entwurfsmethodiken.

Fazit

In diesem Artikel wurde erörtert, wie die erweiterte Überbrückungsfunktion („Bus-Pin“) der neuesten DC/DC-Wandler mit ultraweitem 12:1-Eingangsspannungsbereich von Traco Power die Kosten und das Volumen der passiven Komponenten in einer typischen Anwendung erheblich reduzieren kann. Eine Gleichstromversorgung wurde für den Einsatz in einem Fahrgastinformationssystem für Bahnen und Busse entwickelt. Bei Verwendung des DC/DC-Wandlers TEP 40UIR kann der Anwendungsingenieur bis zu 93 Prozent der Kosten für Überbrückungskondensatoren einsparen und das Volumen der Überbrückungskondensatoren um bis zu 93 Prozent reduzieren, verglichen mit einer Lösung, die auf einem Mitbewerberprodukt ohne spezielle Überbrückungsschaltung basiert.

Die Vorteile der DC/DC-Wandler mit ultraweitem 12:1-Eingangsspannungsbereich werden noch deutlicher, wenn man sie mit handelsüblichen Produkten mit einem weiten 4:1-Eingangsspannungsbereich vergleicht. Hier spart der Anwender nicht nur Kondensatorkosten, sondern reduziert auch gleichzeitig die Aufwände für Entwicklung, Zertifizierung, Prüfung, Fertigung, Lagerhaltung, Wartung und Support auf ein Mindestmaß.

Bildergalerie

  • Hauptanforderungen an den Stromkreis für ein Fahrgastinformationssystem für Bahnen und Busse, sowie zentrale Ergebnisse der Studie.

  • Vereinfachtes Schaltbild der Überbrückungskondensatorbank bei Verwendung eines DC/DC-Wandlers mit einem speziellen Überbrückungskondensatoranschluss („Bus-Pin“).

    Bild: Traco

  • Vereinfachtes Schaltbild der Überbrückungskondensatorbank für den Fall, dass der DC/DC-Wandler nicht über einen spezielle Überbrückungskondensatoranschluss verfügt.

    Bild: Traco

  • Vergleich von Auslegungsenergie, Kondensatorkosten, Anzahl der Kondensatoren und Volumen für alle drei Szenarien

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