Generell legen die beiden Eisenbahnnormen EN50155 und RIA12 den Bereich von Nenn-Eingangs-, Unter- und Überspannungen sowie Spannungsunterbrechungen für Ausrüstungen fest, die sich aus der Fahrzeugbatterie oder anderen Kleinspannungsquellen speisen.

Auf einen Blick

Der Gleichspannungswandler RUW15 ist über den gesamten nominellen Eingangsspannungsbereich hinweg kontinuierlich funktionsfähig und kann mithilfe eines kleinen, extern vom Anwender hinzuzufügenden Kondensators auch Spannungsunterbrechungen bestimmter Länge – abhängig von der Kapazität des Kondensators – überbrücken.

Solche Gleichspannungswandler, die in Bahnfahrzeug-Applikationen Einsatz finden, müssen die Anforderungen der europäischen Norm EN50155:2007 erfüllen. Diese definiert eine Reihe nomineller Batteriespannungen, die in den besagten Anwendungen vorkommen können, mitsamt den möglichen Schwankungen und Unterbrechungen.

Die Nennspannungen sind 24, 48, 72, 96 und 110 VDC, jeweils mit einer Toleranz von -30 bis +25 %. Bei Schwankungen darf die Spannung ihren Nennwert für die Dauer von einer Sekunde um 40 % überschreiten oder für 100 ms um 40 % unterschreiten. Rechnet man alle Nennspannungen einschließlich der zulässigen Schwankungen ein, erstreckt sich der Bereich der möglichen Spannungen von 14,4 bis 154 V (nämlich von 24 V – 40 % bis 110 V + 40 %).

Über den Tellerrand blicken

Bild  1: Verschiedene Spannungsschwankungen für Batteriestromversorgungen von Bahnfahrzeugen inklusive der Werte für die USA und die der französischen Norm NF-F-01-510.

Bild 1: Verschiedene Spannungsschwankungen für Batteriestromversorgungen von Bahnfahrzeugen inklusive der Werte für die USA und die der französischen Norm NF-F-01-510.Murata

Die Normen anderer Länder weichen hiervon ab. So liegen die nominellen Batteriespannungen in den USA zwischen 37 und 74 V. In der RIA12-Norm des Vereinigten Königreichs sind Überspannungen von 1,5 x Un für eine Sekunde und 3,5 x Un für 20 ms zulässig, und die französische Norm NF-F-01-510 toleriert Spannungseinbrüche auf 12 V mit einer Dauer von 100 ms (Bild 1). Laut EN50155 dürfen völlige Unterbrechungen der Spannung bis zu 10 ms (Klasse S2), beim Umschalten der Stromversorgung auch 30 ms (Klasse C2), dauern. Außerdem definiert die EN50155 Stromstöße, elektrostatische Entladungen und kurzzeitige Spannungsspitzen gemäß der Norm EN50121-3-2.

Einen Spannungswandler für eine oder mehrere Nennspannungen auszuwählen, ist keineswegs trivial. Herkömmliche Wandler, die einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 abdecken, sind in der Regel für Spannungen von 9 bis 36 V oder von 18 bis 72 V vorgesehen. In der EN50155 kommen sie nur für Nennspannungen von 24 und 48 V in Frage, wobei kein Spielraum nach oben besteht, wenn man auch die 1-s-Überspannung gemäß RIA12 miteinbezieht. In beiden Fällen müsste man allerdings die von der RIA12 vorgesehene Überspannung von 3,5 x Un in einem vorgeschalteten Regler auf eine Spannung reduzieren, die für die Wandler unschädlich ist.

In der Praxis anwendbar

Bild 2: Ein typisches 48-V-System, das mit einem herkömmlichen Wandler für einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 bestückt ist.

Bild 2: Ein typisches 48-V-System, das mit einem herkömmlichen Wandler für einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 bestückt ist.Murata

Betrachtet man beispielsweise eine realistische Schaltung für ein System mit 48 V Nennspannung, die mit einem standardmäßigen Gleichspannungswandler für einen Eingangsspannungsbereich von 18 bis 72 V bestückt ist (Bild 2), erfüllt sie die Anforderungen der EN50155 und der RIA12.

Der EMV-Filter gemäß der Norm EN50121-3-2 dämpft Störungen, die aus dem Gleichspannungswandler in die Quelle zurückgelangen aber er schwächt etwaige aus der Quelle kommende Spannungsspitzen und Bursts ab. Da diese von relativ geringer Energie sind, lässt sich die Schaltung aus LC-Filtern und Spannungsbegrenzern wie Überspannungs-Schutzbausteinen auf Halbleiterbasis und Varistoren konfigurieren.

Bild 3: Ein 48-V-System mit einem RUW15-Wandler.

Bild 3: Ein 48-V-System mit einem RUW15-Wandler.Murata

Der vorgeschaltete Regler muss die Überspannung von 3,5 x Un = 168 V mithilfe eines Längselements (wie eines Mosfets) auf einen niedrigeren Wert herabsetzen. Wegen der hohen Energie ist es nicht praktikabel, die Überspannung mit einem Parallelelement zu begrenzen. Wenn man beispielsweise eine Überspannung von 168 V aus einer RAI12-konformen Quelle mit einer Impedanz von 0,2 Ω für eine Dauer von 30 ms auf sichere 70 V begrenzt, fällt im Begrenzerbaustein eine Energie von 1000 Joule ab, bei einer maximalen Leistung von 34,3 W. Dem vorgeschalteten Regler muss somit eine sorgfältige Entwicklung zugrunde liegen, weil schon im Normalbetrieb eine gewisse Verlustleistung anfällt, die im Fall einer Überspannung auf 28 W ansteigt (bei einem 15-W-Gleichspannungswandler). Auch das Auswählen der Ausgangsspannung des Vorreglers ist erheblich. Sie muss einerseits so niedrig sein, dass sie für den Gleichspannungswandler unkritisch ist. Andererseits ist sie so hoch anzusetzen, dass der Vorregler nicht schon im normalen Spannungsbereich aktiv wird und unnötige Verlustleistung abfällt.

Klein ist Trumpf

Der Kondensator am Eingang des Gleichspannungswandlers dient der Überbrückung von Spannungsunterbrechungen am Eingang. Die Diode (D) entlädt den Kondensator zurück in die eingangsseitige Spannungsquelle. Bei einem 15-W-Gleichspannungswandler mit 75 % Wirkungsgrad, einer kleinen Eingangsspannung von 18 V und einer Unterbrechungszeit von 10 ms bei 48 V Nennspannung (Klasse S2) muss der Kondensator (C) eine Kapazität von etwa 220 µF haben.

Kasten 1: Berechnungsformel

Formel zur Berechnung der Entladezeit in Sekunden (t) eines Kondensators mit der Kapazität in Farad (C) von einer Spannung V1 auf eine Spannung V2 bei konstanter Leistung in Watt (P):

t = C / 2P * (V12 – V22)

Seine Spannungsfestigkeit muss 100 V betragen, damit er die maximale Ausgangsspannung des Vorreglers einschließlich einer gewissen Sicherheitsmarge verkraftet (Kasten 1). Das Volumen dieses Kondensators von etwa 5 cm3 (wie der EEUFC2A221 von Panasonic) entspricht ungefähr dem des Gleichspannungswandlers (wie die UEI15-Serie von Murata). Soll man Unterbrechungen bis zu 30 ms überbrücken (Klasse C2), die beispielsweise beim Umschalten von einer auf 0,7 x Un entladenen Batterie auf ein stabilisiertes Netzteil vorkommen können, ist ein sehr kostspieliger Kondensator mit 1500 µF / 100 V) notwendig, dessen Volumen rund 17 cm3 beträgt.

Als Alternative lassen sich die RUW15-Gleichspannungswandler von Murata verwenden. Sie haben Ausgangsspannungen von 12, 24 und 5 V (jeweils mit 15 W Leistung). Wichtige Eigenschaften der Serie sind der große Eingangsspannungsbereich von 16 bis 170 V (peak), die aktive Überbrückungsfunktion und die verstärkte Isolation. Die Wandler erfüllen die Nennspannungs- und Spannungsschwankungs-Anforderungen der EN50155 für 24-V- und 48-V-Systeme und widerstehen auch Überspannungen von 3,5 x Un in 24-V-Systemen gemäß der NF-F-01-510. Mit einem externen Vorregler kombiniert, erfüllt die Serie außerdem die Anforderungen von Systemen mit 72, 96 und 110 V Nennspannung gemäß den Normen EN50155 und NF-F-01-510 sowie von US-Systemen mit Nennspannungen von 37 und 74 V.

Kein Vorregler nötig

Bild 4: Die Ansicht eines RUW-Gleichspannungswandlers.

Bild 4: Die Ansicht eines RUW-Gleichspannungswandlers.Murata

Das System mit 48 V Nennspannung (Bild 4) entspricht dem typischen 48-V-System, das mit einem herkömmlichen Wandler für einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 bestückt ist (Bild 2). Der Unterschied: Es ist mit der Serie RUW15 bestückt. Der EMV-Filter ist der gleiche, aber auf den Vorregler lässt sich verzichten, da die Überspannung von 3,5 x Un in den Eingangsspannungsbereich des Wandlers fällt. Der Stützkondensator ist nicht mehr mit der Eingangsquelle verbunden, sondern wird an einen speziellen Anschluss des Gleichspannungswandlers angeschlossen und von einer internen Schaltung des Bausteins auf eine konstante Spannung von zirka 80 V geladen. Kommt es zu einer Spannungsunterbrechung oder bricht die Eingangsspannung unter ihren nominellen Mindestwert ein, übernimmt der Kondensator automatisch und übergangslos die Versorgung. Ein Kondensator mit 68 µF / 100 V reicht hier aus, um 10 ms dauernde Unterbrechungen der Eingangsspannung (Klasse S2) zu überbrücken. Ein solcher Baustein ist nur ein Drittel so groß wie der Kondensator aus dem vorigen Beispiel. Noch deutlicher ist die Platzersparnis bei Unterbrechungen der Klasse C2. Hier benötigt man einen Kondensator von 220 µF / 100 V, der nur ein Sechstel so groß ist.

Diese Kapazität lässt sich bereits mit einem Array aus MLCCs (Multilayer Ceramic Capacitors) implementieren, so dass man auf Elektrolytkondensatoren verzichten kann. Diese haben die negativen Faktoren der kurzen Lebensdauer und sie sind nur eingeschränkt Zuverlässigkeit. Auch die externe Diode (D) kann entfallen, da diese bereits in die Serie RUW15 integriert ist. Aber Achtung: es dauert einige Sekunden, bis der Stützkondensator nach einer Spannungsunterbrechung wieder aufgeladen ist. Unter Umständen ist diese aktive Überbrückungsfunktion nicht erforderlich (wie bei höheren Eingangsspannungen). Sie lässt sich weggelassen, was den Wandler etwas kostengünstiger gestaltet und seinen Wirkungsgrad im normalen Betrieb erhöht.

Wenn Fläche auf Wirkungsgrad trifft

Bei sehr großen Eingangsspannungsbereichen gibt es stets einen Zielkonflikt zwischen Platzbedarf und Wirkungsgrad. Die RUW-Serie bringt es bei den nominellen Eingangsspannungen auf den Wirkungsgrad von 75 %. Sie ist mit der Grundfläche von 50 mm2 und der Bauhöhe von 15 mm, gemessen an anderen 15-W-Wandlern recht groß. Jedoch kann die Platzersparnis durch den Wegfall des Vorreglers und des sperrigen Elkos dieses zusätzliche Volumen mehr als aufwiegen. Zu den Vorteilen gehört ein DC-OK-Signal, das einen bevorstehenden Einbruch der Ausgangsspannung mit einer Vorwarnzeit von einigen ms ankündigt, wenn eine Unterbrechung der Eingangsspannung länger dauert als von der Norm vorgesehen. Die Isolationsspannung beträgt 4 kVAC und der Wandler besitzt ein gekapseltes Metallgehäuse, das mit seinen zusätzlichen Lötfahnen eine sichere mechanische Befestigung ermöglicht.