In der Zugkabine herrschen dank Klimaanlage angenehme Temperaturen. Die Elektronik in Zügen ist jedoch rauen Umwelteinflüssen ausgesetzt und muss Hitze-, Kälte-, Schock- und Vibrationsbelastungen standhalten. Unter solchen Bedingungen stoßen herkömmliche DC/DC-Wandler schnell an ihre Grenzen und fallen oft nach wenigen Jahren aus. Für die Bahntechnik, die mit Lebenszyklen von 20 Jahren und mehr rechnet, ist dies inakzeptabel.

Für Entwicklungen der Bahntechnik hat Recom die DC/DC-Wandler der Serien RP20-FR und RP40-FR entwickelt.

Für Entwicklungen der Bahntechnik hat Recom die DC/DC-Wandler der Serien RP20-FR und RP40-FR entwickelt. Recom

Eckdaten

Die Bahntechnik rechnet mit Lebenszyklen von 20 Jahren und fordert daher, dass Elektronikkomponenten wie DC/DC-Wandler die Normen EN50155 und EN50121 einhalten und auch die EN61373 bezüglich Vibrations- und Schockfestigkeit berücksichtigen. Worauf Entwickler von Bahnelektronik bei der Wahl von Stromversorgungen achten sollten und auf welche DC/DC-Wandler sie zurückgreifen können, erläutert dieser Beitrag.

Um zu gewährleisten, dass die in der Bahntechnik eingesetzte Elektronik die Erwartungen erfüllt, sind zwei europäische Normen einzuhalten: EN50155 und EN50121. Während sich die EN50155 mit dem Untertitel „Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen“ mit den Anforderungen an Leistung und Fertigung beschäftigt, deckt die EN50121 die Thematik „Elektromagnetische Verträglichkeit für Bahnanwendungen“ ab.

Wirkungsgrad und Temperatur

In der Norm EN50155 sind vier Temperaturklassen mit oberen Grenzwerten zwischen +70 und +85 °C definiert. Besonders große Temperaturschwankungen herrschen beispielsweise an den Achsen der Wagons. Bei Minusgraden im Winter ist die Wärme, die das Bremssystem abgibt, für dessen Antriebssteuerung mit der zugehörigen Energieversorgung vorteilhaft. Bei Sommertemperaturen können die oberen Temperaturgrenzwerte jedoch leicht überschritten werden.

Bild 1: Die DC/DC-Wandler der Serien RP20-FR und RP40-FR bieten einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 (9 bis 36 V, 18 bis 75 V, 43 bis 160 V) und decken somit alle in der Bahnnorm ausgewiesenen Batterie-Bordnetze ab.

Bild 1: Die DC/DC-Wandler der Serien RP20-FR und RP40-FR bieten einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 (9 bis 36 V, 18 bis 75 V, 43 bis 160 V) und decken somit alle in der Bahnnorm ausgewiesenen Batterie-Bordnetze ab. Recom

Die Eigenerwärmung von Prozessoren, Leistungshalbleitern oder DC/DC-Wandlern mit in die Betrachtung einbezogen ergibt, dass bei ungenügendem Wirkungsgrad der Wandler die zulässigen Temperaturgrenzwerte kaum einzuhalten sind.

Eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung von Bahnelektronik stellen die unterschiedlichen Versorgungsspannungen in diesem Bereich dar. Die gebräuchlichsten Nennspannungen sind 24, 48, 72, 96 und 110 VDC. Zusätzlich schreibt die Bahnnorm EN50155 vor, dass die nominale Eingangsspannung zwischen dem 0,7- und 1,25-fachen der Eingangsspannung schwanken darf, kurzzeitig sogar vom 0,6- bis 1,4-fachen.

Drei Wandlertypen für alle Eingangsspannungen

Somit muss ein 24-V-DC/DC-Wandler einen Eingangsspannungsbereich von 14,4 bis 33,6 V abdecken können. Eine gängige Faustregel bei der Entwicklung von DC/DC-Wandlern besagt, dass bei einem Eingangsspannungsbereich von 4:1 für typische Designs die Grenzen in Bezug auf den Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit erreicht sind. Demzufolge lassen sich alle nominalen Eingangsspannungen mit drei Wandlertypen abdecken (siehe Tabelle 1).

Tabelle 1: Nach EN50155 zertifizierte DC/DC-Wandler müssen starke Eingangsspannungsschwankungen tolerieren. Mit der Serie RPxx-FR von Recom lässt sich der gesamte Bereich von 24 bis 110 V mit drei Wandlertypen abdecken.

Tabelle 1: Nach EN50155 zertifizierte DC/DC-Wandler müssen starke Eingangsspannungsschwankungen tolerieren. Mit der Serie RPxx-FR von Recom lässt sich der gesamte Bereich von 24 bis 110 V mit drei Wandlertypen abdecken. Recom

Spezielle DC/DC-Wandler verfügen über einen Eingangsspannungsbereich von 11:1 und können damit den gesamten Bereich abdecken. Während dies auf den ersten Blick als attraktiv erscheint, zeigt sich bei näherer Betrachtung, dass der Vorteil eines großen Eingangsbereichs zu Lasten des Wirkungsgrads geht. Deshalb empfiehlt sich hinsichtlich Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Baugröße der Einsatz von drei unterschiedlich spezifizierten Wandlern mit demselben Pinout.

Die Norm EN50155 geht noch einen Schritt weiter. Neben der Spezifikation der Eingangsspannung macht sie klare Vorgaben über das Verhalten bei Spannungseinbrüchen. Stromversorgungen der Klasse S2 müssen die Spannungsversorgung selbst bei einem Ausfall für 10 ms weiter gewährleisten. Dies ist mit Puffer-Kondensatoren erreichbar. Ein weiterer Vorteil, der sich beim Einsatz eines Eingangskondensators ergibt, ist die Glättung der Eingangsspannung. Denn die EN50155 schreibt vor, dass die Stromversorgung mit einer Welligkeit des Eingangssignals von bis zu 15 % zurechtkommen muss.

Elektromagnetische Störungen berücksichtigen

Zusätzlich zu den Belastungen durch Wärme, Kälte, Schock und Vibration muss Bahnelektronik in einem Umfeld mit elektromagnetischen Störungen arbeiten. Magnetfelder von Elektromotoren und Transformatoren sowie Störungen durch Stromabnehmer auf dem Zugdach gehören zum Alltag der Bahnelektronik. Hinzu kommen Störungen durch Mobiltelefone und Notebooks der Passagiere. Alle genannten Störquellen dürfen Elektroniksysteme wie Motorsteuerungen, Fahrantriebe oder Informationsanzeigen nicht beeinträchtigen.

Deshalb müssen Entwickler von Bahnelektronik das Thema EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) ernst nehmen und die Norm EN50121-3-2: Bahnanwendungen – Elektromagnetische Verträglichkeit einhalten. Darin sind klare Grenzwerte für abgestrahlte und leitungsgebundene Störungen sowie Grenzwerte für Überspannungs- und Transiententests definiert. Um die Norm für Stromversorgungen oder DC/DC-Wandler zu erfüllen, sind die Anforderungen in jedem Aspekt des Designs zu berücksichtigen. Dies wiederum bedeutet eine stetige Kontrolle der Fertigungsprozesse, da sich sonst eine konstante Qualität nicht gewährleisten lässt.

Vibrations- und Schockbelastungen beachten

Neben elektromagnetischen Störeinflüssen sind die großen Vibrations- und Schockbelastungen zu berücksichtigen, denen elektronische Bauteile im fahrenden Zug oder beim Rangieren ausgesetzt sind. Beschleunigungskräfte von bis zu 5 g sind bei Rangiermanövern keine Seltenheit. Eine wesentlich stärkere Belastung erfahren Elektronikkomponenten durch die dauernden Vibrationen während der Fahrt. Diese können im Laufe der Jahre zu Materialermüdung und somit zum Ausfall der Bauteile führen.

Um dies zu verhindern, macht die Norm EN61373 klare Vorgaben hinsichtlich Vibrations- und Schockfestigkeit. Je nach Einbauort der Module definiert die EN61373 verschiedene Kategorien mit steigenden Anforderungen (Tabelle 2). Für DC/DC-Wandler gilt meist die Klasse 1B, da sie sich üblicherweise direkt im Triebwagen befinden und hier die Anforderungen an die Vibrations- und Schockfestigkeit niedriger sind.

Tabelle 2: Je nach Einbauort und -art gibt es in der EN61373 verschiedene Klassen. Dies wirkt sich auf die geforderte Schock- und Vibrationsfestigkeit aus.

Tabelle 2: Je nach Einbauort und -art gibt es in der EN61373 verschiedene Klassen. Dies wirkt sich auf die geforderte Schock- und Vibrationsfestigkeit aus. Recom

DC/DC-Wandler mit 8 bis 240 W

Auf die Bedürfnisse der Bahntechnik zugeschnittene DC/DC-Wandler mit Leistungen von 8 bis 240 W wird Recom in den kommenden Monaten auf den Markt bringen, wobei der Hersteller die Serien RP20-FR und RP40-FR bereits vorgestellt hat (Bild 1). Die Module mit Abmessungen von 2 Zoll × 1 Zoll bieten einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 (9 bis 36 V, 18 bis 75 V, 43 bis 160 V) und decken somit alle in der Bahnnorm ausgewiesenen Batterie-Bordnetze inklusive des geforderten Toleranzbereichs von ±40 % ab. Neben Varianten mit 3,3-, 5-, 12- und 15-V-Ausgang sind auch Modelle mit ±12 und ±15 V verfügbar.