Eine Notstarteinrichtung von Grau Elektronik speziell für die Bahntechnik.

Eine Notstarteinrichtung von Grau Elektronik speziell für die Bahntechnik.Grau Elektronik

Im Bahnbereich sind Nennspannungen von 24 V DC  bis 110 V DC als Speisespannung inklusive der Toleranzen von ±40 % nach der Bahn-Norm EN 50155 spezifiziert. Das heißt, innerhalb dieses Eingangsspannungsbereiches müssen die Wandler dann ordnungsgemäß über den spezifizierten Temperaturbereich unter Einhaltung der EMV-Vorgaben funktionieren. Weitere äußere Einflüsse, Feuchte, Betauung, Vibrations- und Schockbelastungen müssen über die gesamte vorgesehene Brauchbarkeitsdauer eingehalten werden. Im Bahnbereich sind dies zwischen 20 und 30 Jahre.

Setzt man eine tägliche Einsatzdauer von 16 Stunden pro Tag an, ergeben sich somit folgende Betriebsstunden bei 16 Stunden/Tag an 365 Tagen im Jahr: in 20 Jahren 116.800 Betriebsstunden, in 25 Jahren 146.000 Betriebsstunden und in 30 Jahren 175.200 Betriebsstunden.

Über die Herstellerangabe zur Gerätezuverlässigkeit MTBF (Mean Time Between Failure) lässt sich damit eine statistische Aussage treffen, mit wie vielen Ausfällen innerhalb der angestrebten Brauchbarkeitsdauer zu rechnen ist. Um einen realistischen Vergleich zu erhalten, sind die MTBF-Werte auf eine bestimmte Umgebungstemperatur, meistens TU = +40 °C bei sonst gleichen Belastungen der Ausgangsleistung zu referenzieren.

Ein Beispiel aus der Praxis

Der 300 W DC/DC-Wandler 300 DDB 110 M24 kann, an 110 V DC betrieben, eine 24 V Ausgangsspannung mit einem Strom bis 12,5 A liefern.

Der 300 W DC/DC-Wandler 300 DDB 110 M24 kann, an 110 V DC betrieben, eine 24 V Ausgangsspannung mit einem Strom bis 12,5 A liefern.Grau Elektronik

Anhand folgenden Beispiels aus der Praxis sollen diese Sachverhalte klar verständlich gemacht werden: DC/DC-Wandler mit 500-W-Ausgangsleistung für 72-V- und 110-V-Nennspannung.

Hersteller A: MTBF = 250.000 Stunden, Hersteller B: MTBF = 500.000 Stunden bei TU = +40 °C und Nennleistung.

Die zu erwartende Ausfallwahrscheinlichkeit lässt sich nach folgender Formel errechnen:

 R = e-λt 

 mit R = Reliability, λ = Ausfallrate, t = (Betriebs-) Zeit.

 Weiterhin gilt: λ = 1/MTBF

Daraus folgt:

R = e-t/MTBF                                                    

Für die Fehlerrate F gilt: F= 1 – R

Für eine Betriebsdauer über 10 Jahre ergibt sich somit eine statistisch errechnete Verfügbarkeit: Betriebsdauer 10 Jahre, 16 Stunden/Tag an 365 Tagen im Jahr bei einer MTBF von 250.000 Stunden.

R = e-10 x 365 x 16/250.000 = 0,7916

Das bedeutet, dass nach zehn Jahren die Wahrscheinlichkeit der Funktion bei knapp 80 Prozent liegt.

Tabelle 1: Mögliche Ausfälle während der Laufzeit von 500 eingesetzten Geräten.

Tabelle 1: Mögliche Ausfälle während der Laufzeit von 500 eingesetzten Geräten.Grau Elektronik

Geht man von 500 eingesetzten Geräten aus, ergeben sich folgende Zahlen für Betriebsstunden und Anzahl möglicher Ausfälle während der Laufzeit (Tabelle 1). Für 20 Jahre ergibt sich damit folgender Vergleich:

Gerätetyp A: es dürfen 0,38 x 500 = 190 Stück innerhalb dieser 20 Jahre ausfallen.

Gerätetyp B: es dürfen 0,21 x 500 = 105 Stück innerhalb dieser 20 Jahre ausfallen.

Das ist beinahe Faktor 2 weniger Ausfälle für die Wandler von Hersteller B!

Life Cycle Costs

Neben den reinen Anschaffungskosten, sind auch die so genannten Life Cycle Costs zu beachten. Hierbei sind nicht nur die reinen Gerätestückkosten, sondern auch die Sekundärkosten Fahrzeugausfall, Wartungsaufwand, unter Umständen Kundenunzufriedenheit und so weiter zu bewerten.

Woher stammen nun die zwei unterschiedlichen Werte von 250.000 gegenüber 500.000 Stunden? Zum einen ist es das gewählte Schaltungsdesign, Dimensionierung und Auslastung der Bauelemente. Je höher der Wirkungsgrad des Wandlers, desto niedriger die Verluste und Verlustwärme. Bei Al-Elkos gilt beispielsweise eine Halbierung der zu erwartenden Lebensdauer bei +10K höherer Bauelemente-Temperatur. Daneben sind Spannungs-, Strom und Umgebungsbedingungen, Verarbeitungsqualität beim Herstellprozess als weitere Stressfaktoren, die die Brauchbarkeitszeit reduzieren, zu beachten.

Um attraktive Preise zu erzielen, geht der Trend immer mehr zu so genannten Weitbereichswandlern. Das bedeutet, dass man mit einem Gerätetyp mehrere Systemspannungen abdecken möchte. Es leuchtet sofort ein, dass damit höhere Stückzahlen erreichbar sind. Damit die Ausfallrate nicht ansteigt, ist darauf zu achten, dass die MTBF nicht absinkt beziehungsweise der Wirkungsgrad auch bei niedrigeren Spannungen gleich gut bleibt. Da die Ströme mit kleinerer Spannung ansteigen, ist dies kein leichtes Unterfangen.

P = U x I daraus folgt I = P/U

Die Verluste steigen dabei quadratisch mit dem Strom: P = I² x R.

Dimensionierung der Sicherung

Ein weiterer zu überwindender Schwierigkeitsgrad ist die richtige Dimensionierung der Sicherung. Wer sich schon einmal die Auslösekennlinien solcher Bauelemente angeschaut hat, weiß wovon hier die Rede ist. Zum einen soll eine Sicherung im Fehlerfall schnell den Stromkreis zuverlässig trennen, zum anderen darf dieses Bauteil natürlich nicht zu empfindlich sein, sonst hat man beim Einschalten der Wandler schon Probleme. Beim Weitbereichswandler verschärfen sich sofort diese Anforderungen.

Für einen Wandler, unter der Annahme bei einem konstanten Wirkungsgrad von 90 % und mit PA = 500 W, ergeben sich die in Tabelle 2 aufgeführten Maximalströme.

Tabelle 2: Maximalströme für einen 500-W-Wandler mit 90 % Wirkungsgrad.

Tabelle 2: Maximalströme für einen 500-W-Wandler mit 90 % Wirkungsgrad.Grau Elektronik

Um Halbleiter zuverlässig zu schützen, sind flinke Sicherungen zu empfehlen. Damit Sicherungen nicht versehentlichen ansprechen, ist ein Mindestbemessungswert 50 % über dem maximalen Stromwert anzusetzen.

Im Fall 1 (Nennspannung UE = 110 V ±40 %): 1,5 x 8,41 A = 12,6 A. Bei einem möglichen Fehlerstrom von 125 A (I/Irat = 10) würde die gewählte 12,5-A-Sicherung dann schnellstens nach etwa 1 ms, längstens jedoch erst nach 40…50 ms trennen. Bei einem Fehlerstrom von 25 A (Faktor 2) dauert die Trennung dann immerhin schon mindesten 300 ms, längstens jedoch mehrere 1000 Sekunden! Da kann es schon leicht zu thermischen Überhitzungen von Leiterbahnen oder Bauteilen kommen, was eventuell auch zu Entzündungen / Lichtbogenbildungen führen kann. Beim Weitbereichswandler ist die Spannweite noch weitaus größer: 1,5 x 12,86 A = 19,29 A. Das heißt, es wird jetzt schon eine 20-A-Sicherung benötigt. Dass diese bei kleinen Fehlerströmen noch länger zum Auslösen benötigt ist normal.

Hier ist dann das Know-how von Schaltungsentwicklern und Sicherungsherstellern gefragt, um durch geeignete Legierungen die erforderliche Auslösecharakteristik zu erzielen.

Um zuverlässige Lösungen zu bekommen ist es also nicht damit getan, Wandler von der Stange einzukaufen und einzusetzen. Grau Elektronik stellt seinen Kunden hierzu ihre ganze langjährige Erfahrung sehr gerne zur Verfügung, um unliebsame Überraschungen und Systemstörungen auf ein geringstmögliches Maß zu reduzieren. Ein etwas teurer Anschaffungspreis ist somit sehr oft die preiswertere Lösung.