Az összes szektor közül, amelyben a tápegységeknek megbízhatóan kell működnie, a hatásoknak kitett tápegységnek kell a legellenállóbbnak lennie. Vegyük például a vasúti közlekedést. Előfordulhat, hogy a motor, a személyi járművek és a tehergépjárművek elektromos berendezéseinek alkatrészeit külsőleg kell felszerelni, és fennáll a víz, olaj vagy egyéb porrészecske behatolásának veszélye. Még ha a kocsi belsejébe is vannak szerelve, akkor is naponta rázkódásnak és súlyos rezgéseknek lehetnek kitéve. Emellett ott vannak az elektromos körülmények is, amelyek járhatnak például gyakori és nagy feszültségingadozással, illetve pillanatnyi áramkimaradások és erős tranziensek léphetnek fel.
Ebben a cikkben a vasúti alkalmazásoknál tapasztalt operatív kihívásokat vizsgáljuk, illetve azt, hogy miért fontos a műszaki szempontok megértése a megfelelő tápegységek kiválasztása előtt.
Megbízható teljesítmény biztosítása a kihívást jelentő vasúti környezetben
Az utasok szempontjából a legtöbb modern vasúti kocsi kényelmes, jól megvilágított és modern technológiával felszerelt. Az ülések jellemzően hálózati aljzatokat és USB-tápellátást biztosítanak. Az információs kijelzők jelzik, hogy hol tart és merre halad a jármű, illetve mutatják az esetleges késéseket. A színfalak mögött nyilvános Wi-Fi, kocsifűtő és szellőztető rendszerek, valamint online információs és szórakoztató rendszerek foglalják le az utasokat, és teszik élvezetessé az utazást. A biztonsági funkciók, mint például a füstérzékelők és a biztonsági CCTV-k mindenütt jelen vannak. Az ajtóvezérlők, az ajtónyitók és a vészvilágítás ma az elektronikus rendszerek köré épülnek, és ahogy minden más kiemelt dolognak, úgy ezeknek is szüksége van tápellátásra. Továbbá az elektronikai rendszerek és a hozzájuk tartozó tápegységek érzékenyek a feszültségingadozásra, a megszakításokra és a környezeti hatásokra.
Az áramellátás olyasvalami, amit mindannyian magától értetődőnek veszünk otthonainkban és irodáinkban. Az áramkimaradások általában nem gyakoriak, és a megbízható és stabil fő áramellátáshoz való hozzáférés a megszokott. A vasúti és egyéb szállítási alkalmazások esetében azonban az áramellátás stabilitása és megbízhatósága nem biztosított.
A vasúti alkalmazások elektromos és környezeti kihívásainak megértése
A vonatokon elérhető villamosenergiát a főmotorhoz csatlakoztatott generátorból vagy egy felsőáramszedőn keresztül kapja a rendszer. Mindkettő feszültségcsúcsoknak, túlfeszültségnek és feszültséghiánynak van kitéve – ezek közül néhány a gördülőállomány rendszereihez használt számtalan elektromos és elektromechanikus berendezés, például a fékezés eredménye. Az is előfordulhat, hogy a tápellátás pillanatnyilag megszakad.
A vasúti alkalmazás másik fontos eleme a környezeti üzemeltetési feltételek. Egyes rendszerek külsőleg vannak felszerelve, szélsőséges időjárási viszonyoknak, esőnek, hónak, jégnek és a hozzájuk tartozó hőmérsékleti ingadozásnak is ki vannak téve. A por, különösen a vezetőképes por, különös veszélyt jelent. A páralecsapódás az utaskocsiban is rendszeresen előfordul. Aztán ott van a rázkódás, a rezgés és a gyors mozgási erők is, amelyeket mindannyian megtapasztalunk.
Amikor egy vasúti alkalmazáshoz tápegységet választunk, több fontos szempontot is megvizsgáljunk, ezek közül az egyik első a tápfeszültség.
Vasúti feszültségforrások
A vasúti elektronikai berendezések legtöbbje egyenárammal működik, amely miatt jellemzően DC/DC átalakítók használata szükséges. Mint már kiemeltük, az elektromos rendszerek tápellátása zajos. A vasúti elektromos rendszerek fejlődése során olyan szabványok alakultak ki, amelyek viszonylag jól meghatározott műszaki adatokat biztosítanak az áramellátás működését illetően. A legtöbb berendezés feszültség-, környezeti és biztonsági jellemzőire az EN 50155:2017 szabvány vonatkozik. A szabvány számos névleges üzemi feszültséget (Vnom) ír elő, amelyek közül hármat az 1. ábra be is mutat. A folyamatos üzemi feszültségtartomány szürke színű, a „kisülési” feszültség pedig lényegében a bemeneti feszültség rövid távú, 100 ms-ig tartó megszűnése vagy csökkenése, amelyet a piros szín jelöl. A fekete sáv a túlfeszültség feszültségtartományát határozza meg.
A vasúti alkalmazásra kiválasztott DC/DC átalakítónak meg kell felelnie az EN 50155 szabványnak, és ennek következtében számos alkalmas átalakító képes legalább 4:1 bemeneti feszültségtartomány befogadására. Például egy 24 V (DC) névleges feszültség alapján a bemeneti feszültség tartománya 9 V (DC) és 36 V (DC) között van. Ezeken a specifikáción kívül a kiegészítő fenntartó kondenzátorok rövid ideig biztosítják a folyamatos működést, és túlélik a túlfeszültségeket. A túlfeszültség bizonyos mértékig elnyomható aktív feszültségzárakkal, bár ez jelentős mennyiségű energiát érint. A RIA12 vasúti szabvány kiterjesztett immunitást ír elő a 8,5 kV-ig terjedő, 100 ns-ig tartó feszültségingadozásokkal szemben.
Elektromágneses immunitás (EMI), elektromágneses kompatibilitás (EMC) és elektrosztatikus kisülés (ESD)
A rövid, nanoszekundumos időtartamú, több ezer voltos nagyfeszültségű tranziensek (magas dV/dt) könnyen károsíthatják vagy megzavarhatják az érzékeny elektronikus rendszerek működését. Az ilyen tranziensek elektromágneses sugárzással vagy tápsíneken keresztül vezethetők el. A tápegység működése problémákat okozhat, vagy zavarhatja a többi berendezést. Hasonlóképpen, a tápegységnek meg kell védenie a más elektromágneses forrásokból származó kibocsátásokat.
Az EMC arra vonatkozik, hogy például egy DC/DC átalakító hoz-e létre elektromágneses kibocsátást, illetve vonatkozik-e az adott alkalmazásra az EN 61000-4 (sugárzott) és EN 50121-3-2 (vezetett) szabvány.
Az EN 61000-4 szabvány a sugárzott és vezetett sugárzásokkal, túlfeszültséggel, gyors nagyfeszültségű tranziensekkel és elektrosztatikus kisüléssel szembeni elektromágneses immunitást is magában foglalja.
Ütés, rezgés és környezeti megfontolások
Az ütések és rezgések a legjelentősebb mechanikai erők, amelyeknek egy DC/DC átalakító ki van téve. Az EN 61373 szabvány a felszerelési helytől függően különböző kategóriákat ír elő. A legkisebb erők a jármű karosszériáján vagy a karosszérián belül tapasztalhatók, míg a legerősebbek a tengelyszerelvényre rögzített egységekre hatnak.
A környezeti szabványokat (mint például a hőmérséklet és a páratartalom) az EN 50155 szabvány részletezi, illetve a rögzítési hely szerint csoportosítja, legyen szó a kapcsolószekrény belsejéről vagy külső felszerelésről. A szabvány egy másik követelménye a jelentősen eltérő hőmérsékletek közötti hirtelen fellépő hőmérsékleti hatás, amely kondenzációt eredményezhet.
Az utasok biztonsága érdekében a vasúti alkalmazásokban használt DC/DC átalakítóknak is meg kell felelniük az EN 45545-2 szabványnak. Ez a szabvány határozza meg az átalakítóhoz felhasznált anyagokat, az átalakító használatát, illetve azt, hogy okozhat-e tüzet.
A megfelelő tápegységek kiválasztása vasúti alkalmazásokhoz
A Traco Power a vasúti alkalmazásokhoz tanúsított DC/DC átalakítók széles választékát gyártja. A 2. ábra a Traco különböző esetekhez használt DC/DC átalakítóból álló portfólióját mutatja be.
Például a tokozott, fémházas, 20 W-os DC/DC átalakítók THN sorozata megfelel a klímavezérlő rendszerekben való használatra, és magas átalakítási hatékonyságot kínál (jellemzően 91%), és 4:1 bemeneti feszültségtartományt fogad be. Lásd a 3. ábrát. Ez a mindössze 2,54 cm × 2,54 cm méretű, kártyára szerelhető átalakító 3 kV bemeneti-kimeneti szigeteléssel rendelkezik, és megfelel az EN 50155, EN 61373 és EN 45545-2 szabványoknak.
A nagyobb terhelések (például a külső kijelzők) kibírása érdekében a TEQ sorozat (lásd a 4. ábrát) akár 300 W-ot és 900 W-ot is képes biztosítani azáltal, hogy három átalakítót egyesít egy energiamegosztási elrendezésben. Ez a nagy teljesítménysűrűségű, konvekciós hűtésű átalakító egy strapabíró, szigetelt fémházba van csomagolva, amelyen hővezető bordák találhatók.
A kivételesen magas, ultraszéles, 12:1 bemeneti feszültségtartománnyal rendelkező, 40 W-os TEP 40UIR sorozat védelméről egy ipari szabványnak megfelelő, quarter-brick fém ház gondoskodik. A jellemző alkalmazások közé tartoznak a fékvezérléses, illetve a kapcsoló-/jelvezérlő alkalmazások. A TEP 40 UIR sorozat két bemeneti feszültségváltozattal rendelkezik, amelyek 36 V (DC) vagy 110 V (DC) névleges bemeneten alapulnak. Mindkét változat 5 V (DC), 12 V (DC), 15 V (DC), 24 V (DC) és 48 V (DC) névleges kimeneti feszültséget kínál.
A kompakt, teljesen szabályozott és leválasztott, kis teljesítményű DC/DC átalakítókat igénylő vasúti alkalmazásokhoz a 6 W-os TMR 6WIR sorozat kínál ideális megoldást. A kártyára szerelhető sorozat SIP-8 fémházas rögzítési formátumú, hogy minimális helyet foglaljon a NYÁK-on. A vasúti alkalmazásoknál jellemzően az ajtóvezérlő rendszereknél használják.
A kompakt DC/DC átalakítók másik sorozata az ipari szabványnak megfelelő, 1″ × 2″-es méretű és alacsony profilú fém házban lévő 20 W-os TEN 20WIN sorozat. Ezt a sorozatot jellemzően a fedélzeti kommunikációs rendszerekben használják.
Egy 300 W-os túlfeszültségszűrőkből álló sorozat, a TFI 300 gondoskodik a RIA12 túlfeszültség-szabványnak való megfelelésről – lásd az 5. ábrát. A DC/DC átalakító elé szerelt TFI a 168 V-ot (DC) meghaladó bemeneti feszültség aktív zárása révén védi az átalakítót a sérüléstől. A szűrő megfelel az RIA12 magasabb specifikációjának, amely 385 V (DC) mellett 20 ms-os tranzienseket is megenged.
A vasúti alkalmazásokhoz megbízható és strapabíró tápegységekre van szükség
A DC tápellátású berendezések igény szerinti környezetben való üzemeltetése tekintetében a vasúti alkalmazások előkelő helyen szerepelnek a listán. Ez a cikk azokat az alapvető tényezőket emeli ki, amelyeket a mérnököknek gondosan át kell gondolniuk a megfelelő termékek kiválasztásakor. A tápsínekre, EMI-re, EMC-re és ESD-re, illetve környezeti üzemeltetési feltételekre vonatkozó speciális vasúti szabványoknak való megfelelés kötelező.
A Distrelec a Traco Power által vasúti alkalmazásra jóváhagyott DC/DC átalakító termékeinek hivatalos forgalmazója.
