Spannungswandler Wenn die Bahnstromversorgung wirklich zuverlässig sein soll

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wer Spannungswandler für Bahnanwendungen sucht und dabei Wert auf Zuverlässigkeit legt, steht vor keiner einfachen Aufgabe. Wir verraten Ihnen, worauf Sie dabei besonders achten sollten.

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Bahnanwendungen: Es gibt zwar eine große Auswahl an Bahnwandlern – aber welcher eignet sich für meine Anwendung am besten?
Bahnanwendungen: Es gibt zwar eine große Auswahl an Bahnwandlern – aber welcher eignet sich für meine Anwendung am besten?
(Bild: Grau Elektronik)

Die wichtigsten Auswahlkriterien bei der Suche nach einem geeigneten Spannungswandler für Bahnanwendungen sind Ausgangsleistung, Spannung, Strom, Temperaturbereich, EMV-Verhalten und Baugröße, dann folgen Anschaffungskosten, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Daraus wird dann das beste Paket ausgewählt. Da hier allerdings sehr viele Aspekte eine Rolle spielen, ist die Auswahl nicht einfach. Dieser Beitrag soll Ihnen helfen die richtige Auswahl zu treffen.

Bahnwandler sind für 20 bis 30 Betriebsjahre ausgelegt

In Bahnanwendungen sind Nennspannungen zwischen 24 und 110 VDC als Speisespannung inklusive der Toleranzen von ±40% nach der Bahnnorm EN 50155 spezifiziert. Das heißt, dass die Wandler innerhalb dieses Eingangsspannungsbereiches ordnungsgemäß über den spezifizierten Temperaturbereich sowie unter Einhaltung der EMV-Vorgaben funktionieren müssen. Weitere äußere Einflüsse, Feuchte, Betauung, Vibrations- und Schockbelastungen müssen über die gesamte vorgesehene Brauchbarkeitsdauer eingehalten werden – in Bahnanwendungen sind das zwischen 20 und 30 Jahre.

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Der MTBF-Wert gibt die Zuverlässigkeit an

Geht man von einer täglichen Einsatzdauer von 16 Stunden an 365 Tagen pro Jahr aus, so ergeben sich beispielsweise in 20 Jahren 116.800 Betriebsstunden und in 30 Jahren 175.200 Betriebsstunden. Über die Angabe des Herstellers zur Gerätezuverlässigkeit MTBF (Mean Time Between Failure) lässt 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 beziehen.

Vergleich verschiedener Wandler

Klar werden diese Sachverhalte, wenn man als Beispiel aus der Praxis DC/DC-Wandler zweier Hersteller mit einer Ausgangsleistung von 500 W für eine Nennspannung von 72 und 110 V vergleicht: Hersteller A in unserem Beispiel gibt für seine Wandler eine MTBF von 250.000 h an, Hersteller B 500.000 h (jeweils für TU = 40 °C und Nennleistung). Die zu erwartende Ausfallwahrscheinlichkeit lässt sich errechnen über R = e–λt, mit R = Reliability, λ = Ausfallrate, t = Betriebszeit. Weiterhin gilt: λ = 1/MTBF ⇒ R = e–t/MTBF.

Für die Fehlerrate F gilt: F = 1 – R. Für eine Betriebsdauer von 10 Jahren mit 16 Stunden pro Tag an 365 Tagen im Jahr ergibt sich eine Betriebszeit von 58.400 h. Bei einer MTBF von 250.000 h errechnet sich die statistische Verfügbarkeit nach R = e–58.400 h/250.000 h = e–0,2336 = 0,79. Das bedeutet, dass nach 10 Jahren die Wahrscheinlichkeit der Funktion bei knapp 80% liegt.

Wieviele von 500 Geräten dürfen in 10 Jahren ausfallen?

Geht man von 500 eingesetzten Geräten aus, ergeben sich für Betriebsstunden und Anzahl möglicher Ausfälle während der Laufzeit die Werte in Tabelle 1. Für eine Betriebsdauer von 20 Jahren ergeben sich damit folgender Resultate: Beim Gerätetyp A dürfen 0,37 . 500 = 187 Stück innerhalb dieser 20 Jahre ausfallen, beim Gerätetyp B sind es 0,21 . 500=104 Stück innerhalb dieser 20 Jahre. Das sind nahezu um Faktor 2 weniger Ausfälle für die Wandler des Herstellers B.

„Life Cycle Costs“ beachten

Tabelle 1: Betriebsstunden und Anzahl möglicher Ausfälle während der Laufzeit bei 500 eingesetzten DC/DC-Wandler der Hersteller A und B im Vergleich
Tabelle 1: Betriebsstunden und Anzahl möglicher Ausfälle während der Laufzeit bei 500 eingesetzten DC/DC-Wandler der Hersteller A und B im Vergleich
(Bild: Grau Elektronik)
Neben den reinen Anschaffungskosten, sind auch die sogenannten „Life Cycle Costs“ zu beachten. Dabei sind nicht nur die reinen Gerätestückkosten, sondern auch die Sekundärkosten Fahrzeugausfall, Wartungsaufwand und unter Umständen Kundenunzufriedenheit etc. zu bewerten.

Je höher der Wirkungsgrad, desto niedriger die Verluste

Woher stammen nun die beiden unterschiedlichen Werte von 250.000 gegenüber 500.000 h? 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 Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren gilt beispielsweise eine Halbierung der zu erwartenden Lebensdauer bei einer um 10 K höheren Bauelementetemperatur. Darüber hinaus sind Spannungs-, Strom und Umgebungsbedingungen, Verarbeitungsqualität beim Herstellprozess als weitere Stressfaktoren, die die Brauchbarkeitszeit reduzieren, zu beachten.

Weitbereichswandler liegen aus Kostengründen im Trend

Um attraktive Preise zu erzielen, geht der Trend immer mehr zu sogenannten 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, bzw. der Wirkungsgrad auch bei niedrigeren Spannungen gleich gut bleibt. Da die Ströme mit kleinerer Spannung ansteigen, ist dies kein leichtes Unterfangen. Denn aus P = U . I bzw. I = P/U folgt P = I2. R, d.h. dass die Verluste quadratisch mit dem Strom steigen.

Worauf es beim Dimensionieren der Sicherung ankommt

Tabelle 2: Maximalströme für einen Wandler bei einem konstanten Wirkungsgrad von 90% und 500 W Nennleistung
Tabelle 2: Maximalströme für einen Wandler bei einem konstanten Wirkungsgrad von 90% und 500 W Nennleistung
(Bild: Grau Elektronik)
Eine weitere Schwierigkeit 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 den Stromkreis schnell und zuverlässig trennen; zum anderen darf dieses Bauteil aber auch 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 Maximalströme in Tabelle 2.

Sicherungen sollten nicht versehentlich ansprechen

Um Halbleiter zuverlässig zu schützen, sind flinke Sicherungen zu empfehlen. Damit Sicherungen nicht versehentlichen ansprechen, ist ein Mindestbemessungswert 50% über dem Maximalstromwert anzusetzen: Im Fall 1 (Nennspannung UE = 110 V ±40%) sind es 1,5 . 8,42 A = 12,63 A. Bei einem möglichen Fehlerstrom von 125 A (I/Irat = 10) würde die gewählte 12,5-A-Sicherung dann schnellstens nach ca. 1 ms, längstens jedoch erst nach 40 bis 50 ms trennen.

Bei einem Fehlerstrom von 25 A (Faktor 2) dauert die Trennung dann immerhin schon mindestens 300 ms, längstens jedoch mehrere 1000 Sekunden! Da kann es leicht zu thermischen Überhitzungen von Leiterbahnen oder Bauteilen kommen, was eventuell auch zu Entzündungen und/oder Lichtbogenbildungen führen kann.

Beim Weitbereichswandler ist die Spannweite noch weitaus größer. 1,5 . 12,86 A = 19,29 A, das heißt, es ist jetzt schon eine 20-A-Sicherung notwendig. Dass diese bei kleinen Fehlerströmen noch länger zum Auslösen benötigt, ist normal. Hier ist dann das Knowhow von Schaltungsentwicklern und Sicherungsherstellern gefragt, um durch geeignete Legierungen die erforderliche Auslösecharakteristik zu erzielen.

Langjährige Erfahrung erspart unliebsame Überraschungen

Um zuverlässige Lösungen zu erhalten, genügt es also nicht, Wandler von der Stange zu kaufen und einzusetzen. Grau Elektronik unterstützt seine Kunden mit seiner langjährigen Erfahrung, um ihnen unliebsame Überraschungen und Systemstörungen möglichst zu ersparen. Ein etwas höherer Anschaffungspreis ist damit sehr oft die günstigere Lösung.

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