Bahn-Stromversorgungen

Für die starken Spannungsschwankungen in Bahnstromnetzen bietet RECOM leistungsfähige Weitbereichslösungen:

• Standard-4:1-Eingang: Hochintegrierte, thermisch optimierte DC/DC-Wandler decken 36 - 160VDC mit einem einzigen Modell ab.
• Hochleistungs-4:1-Eingang: Hochintegrierte, thermisch optimierte DC/DC-Wandler decken 9 - 160VDC in drei Eingangsspannungsbereichen ab.
• 10:1- und 12:1-Ultra-Weitbereich: DC/DC-Wandler mit Ultra-Weitbereichseingang unterstützen sämtliche standardisierten Bahnnennspannungen von 24 - 110VDC einschließlich Transienten mit nur einem Modul.
• Plug-and-Play-Hochleistung: Plug-and-Play-DC/DC-Wandler liefern 40 - 500W für anspruchsvolle Anwendungen bei kontinuierlichen Eingangsspannungen von 14,4 - 170VDC.

Zum Schutz der Bordelektronik vor Überspannungen bietet RECOM:

• Überspannungsschutz: Aktive Überspannungsschutzmodule schützen DC/DC-Wandler für Bahnanwendungen vor Spannungsspitzen bis 385VDC.
• Evaluierungsboards: Evaluierungsplattformen unterstützen DC/DC-Wandler bis 240W und verfügen über integrierten Überspannungsschutz für eine schnelle Entwicklung und Evaluierung.

Ausgewählte DC/DC-Wandler für Bahnanwendungen sind nach EN 50155 zertifiziert, erreichen Wirkungsgrade von bis zu 93% und arbeiten über weite Temperaturbereiche.

Hitze, Frost, Vibrationen und mechanische Stöße können elektronische Baugruppen langfristig erheblich belasten. DC/DC-Wandler für Bahnanwendungen sind extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt und müssen während ihrer gesamten Lebensdauer zuverlässig funktionieren. Deshalb bevorzugen Entwickler speziell zertifizierte und besonders robuste Stromversorgungen.

Die Norm EN 50155 definiert strenge Anforderungen für elektronische Geräte auf Schienenfahrzeugen. Sie gilt unmittelbar für DC/DC-Wandler, die als zentrale Stromversorgungen für Antriebe, Steuerungselektronik und Bordsysteme in Lokomotiven, Reisezugwagen, Stadtbahnen und Güterzügen eingesetzt werden.

Die Norm legt Mindestanforderungen für Eingangsspannungsbereiche, galvanische Isolation, Betriebstemperaturen, Schock- und Vibrationsfestigkeit, Luftfeuchtigkeit, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sowie die Lebensdauer fest. Da Bahnelektronik häufig für Betriebszeiten von bis zu 20 Jahren ausgelegt wird, müssen die Module umfangreiche Umweltprüfungen bestehen. Neben Temperaturtests gehören dazu Temperaturwechsel-, Trockenwärme- und Feuchtwärmetests, die üblicherweise mit vollständig vergossenen oder hermetisch gekapselten Wandlern erfüllt werden.

In Bahnanwendungen können Umgebungstemperaturen im Sommer über +60°C und im Winter unter −30°C liegen. Gleichzeitig wirken in fahrenden Fahrzeugen starke Temperaturschwankungen und dauerhafte Vibrationen auf die Stromversorgung ein. Die aktuelle EN 50155 definiert sechs Temperaturklassen und schreibt umfangreiche Starttests unter extremen Temperaturbedingungen vor.

EN 50155 verlangt, dass elektronische Geräte einer durchschnittlichen relativen Luftfeuchtigkeit von 75% sowie 30 aufeinanderfolgenden Tagen bei 95% relativer Luftfeuchtigkeit standhalten. Um Korrosion und Kurzschlüsse zu vermeiden, werden die Wandler mit wasserdichten Gehäusen oder Schutzbeschichtungen ausgestattet.

Bahnelektronik muss auch in starken elektromagnetischen Umgebungen zuverlässig funktionieren. Sie ist Magnetfeldern von Fahrmotoren und Transformatoren, Lichtbogenentladungen an Stromabnehmern sowie Hochfrequenzstörungen durch elektronische Geräte der Fahrgäste ausgesetzt.

Zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit verweist EN 50155 auf die Norm EN 50121-3-2, welche Grenzwerte für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen sowie Anforderungen an Überspannungs- und Transientenfestigkeit definiert. Die Einhaltung dieser Anforderungen erfordert in der Regel integrierte EMV-Filter zum Schutz der Stromversorgung.

Aufgrund historisch gewachsener Infrastrukturen existieren weltweit zahlreiche unterschiedliche Bahnnennspannungen. Die gebräuchlichsten Werte sind 24VDC, 48VDC, 72VDC, 96VDC und 110VDC. Während 110VDC überwiegend im Vollbahnbereich eingesetzt wird, kommen niedrigere Spannungen in Straßenbahnen und Stadtbahnen zum Einsatz. Um diese unterschiedlichen Spannungsbereiche mit möglichst wenigen Varianten abzudecken, setzen Entwickler häufig 10:1- oder 12:1-Weitbereichswandler ein, die sämtliche Bahnnennspannungen einschließlich Transienten mit nur einem Modell unterstützen.

Nominal Input Voltage	EN50155			RECOM RPxx-FR Serie
	Input Range	Min. Input (0,1s)	Max. Input (1s)	Input Range	Min. Input	Max. Input (1s)
24V	16.8-30V	14.4V	33.6V	9-36V	9V	50V
48V	33.6-60V	28.8V	67.2V	18-75V	18V	100V
72V	50.4-90V	43.2V	100.8V	43-160V	43V	170V
96V	67.2-120V	57.6V	134.4V	43-160V	43V	170V
110V	77-137.5V	66V	154V	43-160V	43V	170V

Abb.: EN50155-zertifizierte DC/DC-Wandler müssen starke Eingangsspannungsschwankungen tolerieren. Die RPxx-FR Serie von RECOM deckt den gesamten Bereich von 24 bis 110 V mit drei Wandlertypen ab. Der RPA100H und der RPA200H decken den gesamten Spannungsbereich sogar mit nur einem Modul ab.

Die Norm EN 50155 erlaubt dauerhafte Eingangsspannungen zwischen 0,7 und 1,25 der Nennspannung sowie kurzzeitige Abweichungen zwischen 0,6 und 1,4 der Nennspannung. Ausgewählte DC/DC-Wandler mit 10:1- bzw. 12:1-Eingang ermöglichen die Abdeckung aller gängigen Bahnnennspannungen einschließlich ungünstigster Transienten mit nur einem Modul.

DC/DC-Wandler für Bahnanwendungen werden häufig nach standardisierten Brick-Bauformen klassifiziert. Für kleinere Leistungen kommen zudem DIP24, 1" × 1" und 2" × 1"-Gehäuse zum Einsatz. Gängige Formate sind Half-Brick und Quarter-Brick, wobei moderne Schaltnetzteile im Quarter-Brick-Format inzwischen Leistungen von 250W und mehr erreichen. Standardisierte Footprint-Abmessungen können einen mechanischen Austausch vereinfachen; Pinbelegung und elektrische Kompatibilität müssen jedoch weiterhin geprüft werden.