DC/DC převodníky pro použití v železniční dopravě

• Foto

Jaké musí být DC/DC převodníky pro použití v železniční dopravě?
Takové převodníky musí být konstruovány ve smyslu požadavků, které na ně klade norma EN 50155, aby se zajistil minimální vliv vnějšího prostředí na změnu režimu jejich činnosti.

Hlavními případy použití jsou:

• železniční dopravní prostředky,
• palubní a kolejová zařízení,
• průmyslová zařízení,
• bateriová zařízení,
• distribuce napájení.

DRSNÉ DRÁŽNÍ PODMÍNKY

Ohřev, mráz, vibrace, mechanické rázy, toto vše může mít za následek poškození elektronického zařízení. DC/DC převodníky používané v železniční dopravě jsou vystavovány extrémním podmínkám, přesto musí spolehlivě pracovat po celou dobu jejich životnosti. Inženýři proto hledají dodavatele DC/DC převodníků, které dokáží snášet všechny tyto podmínky a jsou certifikovány pro použití v náročných drážních podmínkách.

Norma EN 50155 Drážní použití a elektronická zařízení používaná v dopravních prostředcích pečlivě specifikuje požadavky na informační systémy a elektronické komponenty používané v železničním průmyslu. Je použita i na hodnocení DC/DC převodníků, které pracují jako spolehlivé zdroje napájení během jejich použití v extrémních podmínkách, jakými jsou teplo, zima, rázy a vibrace. EN 50155 je standardem při dodržování nároků kladených na elektronická zařízení používaná v dopravních prostředcích (všechna kolejová vozidla, která se pohybují, včetně lokomotiv, osobních vagónů, světelných návěstí a přepravních vagónů). Určuje minimální požadavky na rozsah vstupního napětí, elektrické izolace, pracovní teploty, rázů, vibrací, vlhkosti, EMC, a kromě toho i na spolehlivost zařízení po celou jeho zaručené životnosti. Životnost elektronického zařízení používaného v dopravních prostředcích se předpokládá velmi dlouhá (až 20 let), proto musí být testování vlivu okolí velmi důkladné. Kromě základních teplotních testů musejí být testovány i na cyklické změny teploty, suché teplo, vlhký mráz apod. Pouze plně zalité a hermeticky uzavřené DC/DC převodníky mohou splnit tyto požadavky.

EXTRÉMNÍ TEPLOTA

V létě dosahuje teplota až +60 °C nebo více, v zimě je to často –30 °C a méně. Navíc jsou DC/DC převodníky používané v dopravních prostředcích vystavovány silným vibracím. Tyto podmínky posouvají převodníky až na hranici jejich možností. Nový standard EN 50155 definuje šest rozsahů provozní teploty, při kterých se testuje spolehlivost náběhu funkce DC/DC převodníků při startu systému. 

RÁZY, VIBRACE A ZNEČIŠTĚNÍ

Komponenty instalované v železničních vozech a lokomotivách jsou zatěžovány značnými vibracemi a jiným mechanickým namáháním. Během posunování je běžné namáhání s přetížením 5G. Větším problémem je však namáhání konstantními vibracemi během pohybu, což má za následek mechanickou únavu, která může vést až ke zničení modulů. Prevencí vzniku chyb je dodržování normy EN 61373 (popisuje specifikaci minima odolnosti proti vibracím a rázům, které musí vydržet moduly použité v drážních zařízeních). Při testování kvůli vibracím, rázům a úderům je nutné znát umístění finálního produktu – zda je umístěn v kabině strojvedoucího, v osobních vagónech nebo v namáhanějších prostorách, jako je např. šasi, podvozky. Pokud jsou DC/DC převodníky instalovány v lokomotivě, musí splňovat podmínky v třídě 1B.

Rozdělení do tříd náročnosti podle mechanického namáhání:

• 1A – upevnění na karoserii třídy A,
• 1B – upevnění na karoserii třídy B,
• 2 – upevnění na podvozku,
• 3 – umístění na nápravě.

VLHKOST

Norma EN 50155 přináší základní direktivy: průměrná relativní vlhkost 75 % po dobu 30 po sobě následujících dnů s možným maximem 95% relativní vlhkosti. Pro elektronická zařízení to znamená použití vodotěsných pouzder a montáže s ochranou proti vlhkosti (např. lakováním).

PŘÍSNÉ POŽADAVKY NA EMC

Elektronika na železnici musí spolehlivě pracovat i v extrémně nepříznivých elektromagnetických podmínkách okolního prostředí. Na jedné straně je to silné magnetické pole vytvářené elektrickými motory a transformátory a na straně druhé musí odolat i značně velkému rušení vytvářenému sběrači. Zdrojem elektromagnetického rušení může být i rušení tvořené přepravovanými pasažéry – mobilní telefony, notebooky. Žádný z těchto zdrojů rušení nesmí jakkoli ovlivnit funkcionalitu vysoce citlivých částí vlakové soupravy, jako je například ovládání, řízení motorů či displeje. Za účelem zajištění EMC odolnosti se norma EN50155 odvolává na příbuznou normu EN 50121-3-2 Drážní zařízení. Elektromagnetická kompatibilita. Část 3-2: Drážní vozidla. Přístroje, která jasně definuje hraniční podmínky rušení způsobené zářením a vodivostí a také přísné požadavky na odolnost proti přepětí a přechodovému proudu. Aby se tyto požadavky dosahovaly, třeba ošetřit DC/DC převodník dodatečným EMC filtrem, který pohlcuje škodlivé elektrické emise.

Co třeba ještě zvážit při výběru DC/DC převodníků pro nasazení v železnicích?

ROZSAH VSTUPNÍHO NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ

Z historických důvodů se v železniční dopravě využívá široká paleta napájecích napětí. Nejvyužívanějším je 24 V DC, 48 V DC, 72 V DC, 96 V DC a 110 V DC. Poslední verze normy EN 50155 definuje sedm různých standardizovaných napájecích napětí; 110 V CD se nejvíce používá
ve vlacích, napětí od 24 V DC do 48 V DC se nejčastěji využívá v světelných návěstidlech, tramvajích a trolejbusech. Na to, aby konstruktéři splnily požadavek více možností napájecího napětí, s oblibou volí typy převodníků Recom RP20-FR nebo RP40-FR, které mají šířku rozsahu vstupního napětí 4:1. Tímto způsobem s jedním používaným typem DC/DC převodníku lze obsáhnout až tři hodnoty napájecího napětí.

DC/DC převodníky certifikované podle normy EN 50155 musí být odolné proti silnému kolísání vstupního napětí. Využitím rodiny DC/DC převodníků RPxx-FR od Recom pokryjeme kompletní rozsah napětí od 24 V do 110 V pouze využitím tří typů převodníků. Modely RPA100H a RPA200H dokonce pokryjí celý tento rozsah vstupního napětí pouze v jednom typu převodníku. V normě EN 50155 se uvádí, že vstupní napětí může kolísat v rozmezí 0,7- až 1,25násobku jmenovitého napájecího napětí, při krátkodobé změně dokonce až 0,6- až 1,4násobku tohoto napětí. To například znamená, že při napájecím napětí 48 V musí DC/DC převodník spolehlivě pracovat v rozsahu napětí 28,8 V až 67,2 V.

Donedávna platila dohoda, že převodníky typu 4:1 musely dosahovat tyto okrajové podmínky i vzhledem k jejich účinnost a efektivnost nákladů. To nyní platí už pro všechny 100 W a 200 W typy převodníků od Recom. RPA100H a RPA200H při své úžasné šířce vstupního napětí 10:1 pokrývají všechny běžné napětí v jednom modulu.

ROZMĚRY POUZDER

Pouzdra DC/DC převodníků pro železnice se často označují jako „plná cihla“, „půl cihla“ a „čtvrt cihla“. „Plná cihla“ má rozměry 4,6 × 2,4 × 0,5 in, „půl cihla“ 2,3 × 2,4 × 0,35 in a „čtvrt cihla“ 2,3 × 1,45 × 0,35 in. Při nižším výkonu se používají pouzdra DIP24, 1 × 1 in a 2 × 1 in. Použití novějších spínacích metod elektrické architektury převodníků umožňuje dodat už při formátu „čtvrt cihly“ elektrický výkon až 250 W. To znamená možnost zvětšení použitelného prostoru v návrhu zařízení s cílem dodatečného kvalitativního rozšíření v zapojení dané aplikace. Specifikace pouzdra musí obsahovat i rozmístění vývodů DC/DC převodníku, které by mělo splňovat běžný standard, aby mohl konstruktér jednoduše zaměnit výrobky od jiných výrobců.

Během posledních několika let společnost Recom udělala velký skok v rozšiřování svého portfolia DC/DC převodníků využitelných v železniční dopravě a dopravě vůbec. Všechny produkty z této kategorie jsou certifikovány podle mezinárodní normy EN 50155, která je lidem pracujícím při vývoji zařízení pro dopravu důvěrně známá a jejíž dodržování se při tomto vývoji vyžaduje.

DC/DC převodníky certifikované pro použití v železniční dopravě do výkonu 240 W jsou nabízeny s použitím kompaktních pouzder s výkonovou hustotou 4,5 W/cm³, což je jedna z nejvyšších používaných pro DC/DC převodníky na trhu. Pro ještě náročnější aplikace (teplotně odolnější) Recom nabízí sériové typy 20 W RP20-FR a 40 W RP40-FR v pouzdře 2 × 1 in. Tyto regulovatelné DC/DC převodníky s širokým rozsahem vstupního napětí 4:1 jsou speciálně navrhované pro železniční použití. Série RPA100H a RPA200H dokonce nabízejí impozantně široký rozsah vstupního napětí 10:1, takže dokážete pokrýt rozsah napětí od nominální hodnoty 24 VDC až do 110 VDC v jednom modulu. Řada RP40Q-RUW a RP60Q-RUW připouštějí dokonce rozsah vstupního napětí až 12:1. Všechny tyto série jsou certifikovány podle normy EN 50155 a navrženy pro použití v drsném prostředí nebo v dopravních prostředcích. Protože jsou certifikovány i podle norem UL / cUL60950, jsou spolehlivou alternativou i pro použití v průmyslu a telekomunikační technice. Kromě 3,3 V, 5 V, 12 V a 15 V jednoduchých výstupů jsou nabízeny i dvojité výstupy ± 12 V a ± 15 V. Řídicí přívody si můžeme zvolit při použití pozitivní i negativní logiky řízení. Při účinnosti až 93 % si zpravidla vystačíme s chlazením pomocí přirozeného proudění vzduchu okolí, ale pouzdra jsou připravena i na montáž dodatečných chladičů. Záruční lhůta všech DC/DC převodníků garantovaná výrobcem Recom je standardně tři roky.

Česká republika
DRVALON s. r. o., tel.: 739 001 343
www.drvalon.com, info@drvalon.com 

Slovensko
DIALOGUE s. r. o., tel.: 033-7722030
www.dialogue.sk, dialogue@dialogue.sk 

Autor

• DRVALON s.r.o.

www.drvalon.com