Jak jednoduše přemostit výpadky napájení v železniční dopravě

Železniční aplikace, stejně jako většina průmyslových odvětví, podléhají celé řadě norem. Pokud jste se s těmito požadavky dosud neseznámili, možná vás překvapí extrémní elektrické podmínky, za kterých musí zařízení fungovat.

Napájení může být zajištěno pantografem, generátorem nebo systémem správy baterií a vstupní napěťový rozsah je mimořádně široký. Například systémy pro lehká kolejová vozidla musí být schopny pracovat s nominálním stejnosměrným napětím 24 V, 48 V, 96 V nebo 110 V. Jako dodavatel takového zařízení budete chtít pokrýt tento rozsah jediným širokovstupním měničem.

Další výzvou je obecné elektrické prostředí. Napájecí napětí může kolísat mezi 0,6 až 1,4násobkem nominální hodnoty. Jediný napájecí systém tak musí podporovat vstupní napětí mezi 14 V a 154 V. K tomu se přidávají výpadky napájení definované normou EN50155 – Železniční aplikace – Kolejová vozidla – Elektronické zařízení. Pokud je specifikována třída S3, zařízení musí fungovat i při poklesu vstupního napětí na 0 V po dobu 20 ms. To znamená, že je potřeba obvod pro přemostění výpadku napájení.

Typický napájecí zdroj s obvodem pro přemostění výpadku

Dnes většina inženýrů volí napájecí zdroj DC/DC s ultraširokým vstupním rozsahem 12:1 schválený dle EN50155. To zajišťuje, že stačí testovat, schválit a skladovat pouze jeden produkt pro všechny zákaznické potřeby. Pro požadovaných 20 ms přemostění výpadku se pak ke vstupu přidá jednoduchý obvod.

Jako příklad si vezměme měnič pro informační systém pro cestující (viz Obrázek 1), který zahrnuje malý displej, vestavěnou výpočetní platformu a průmyslové síťové rozhraní. Nominální výkon systému je 40 W.

Obrázek 1: Displeje pro cestující v železničních vozech musí odolávat extrémním elektrickým podmínkám.

Prvním komponentem je kondenzátor C1 (viz Obrázek 2). Pro omezení nárazového proudu je potřeba sériový rezistor R1. Ten musí být zároveň dimenzován tak, aby se kondenzátor mohl v rozumném čase znovu nabít. Potřebné jsou také dvě diody: D2 zajišťuje dodání energie z kondenzátoru při výpadku napájení, D1 chrání proti opačné polaritě vstupního napětí.

Obrázek 2: Typický obvod pro přemostění výpadku na vstupu měniče.

Minimální kapacitu kondenzátoru lze vypočítat podle rovnice na Obrázku 3. Zahrnuje faktor 1,5 pro toleranci komponent, nejhorší účinnost měniče (Eta wc), nominální výkon (P nom), nominální napětí (V nom), nejnižší provozní vstupní napětí (V uvlo) a požadovanou dobu přemostění výpadku (T hold).

Při nominálním napětí 24 V, UVLO 14,4 V a účinnosti měniče 93 % je potřeba minimální kapacita cca 7 200 µF.

Obrázek 3: Rovnice pro výpočet minimální kapacity obvodu pro přemostění výpadku.

Protože kondenzátor je na vstupu měniče, musí zvládnout maximální přechodové napětí až 154 V. Pro jistotu se volí kondenzátory s napětím 200 V. Pro dosažení požadované kapacity se použije např. šestnáct kondenzátorů 470 µF, což zabírá značné místo na desce a výrazně zvyšuje náklady.

Měniče s integrovanou podporou přemostění výpadku

Vzhledem k těmto výzvám některé DC/DC měniče integrují většinu obvodu pro přemostění výpadku, což zjednodušuje implementaci. Například řada Traco Power TEP 40UIR je určena pro železniční aplikace, má vstupní rozsah 14 V až 160 V (12:1) a obsahuje pin Bus pro připojení kondenzátorů. Tento pin vyžaduje pouze předdefinované napětí 21,4 V, takže lze použít kondenzátory s napětím 25 V bez ohledu na vstupní napětí.

Díky integrovanému obvodu není potřeba externí dioda D2 ani rezistor pro omezení nárazového proudu (viz Obrázek 4).

Obrázek 4: Některé měniče mají integrovaný obvod pro přemostění výpadku, který vyžaduje pouze nízkonapěťové kondenzátory.

Stejná rovnice se použije pro srovnání obou přístupů. Při stejné účinnosti (93 %) a UVLO (14,4 V), ale s nominálním napětím 21,4 V, je potřeba kapacita cca 10 600 µF. Stačí však pouze dva kondenzátory 6 800 µF na 25 V, což výrazně šetří místo a objem – až patnáctinásobně.

Integrovaná podpora přemostění výpadku zjednodušuje návrh napájení pro železnici

Výběr měničů pro železniční aplikace je náročný. I přes široký vstupní rozsah chtějí vývojáři zjednodušit návrh a logistiku výběrem univerzálního měniče. Další komplikací je požadavek na přemostění výpadku napájení. Vytvoření obvodu přímo na vstupu znamená použití kondenzátorů s vysokým napětím. Naštěstí existují měniče s integrovanou podporou přemostění výpadku, jako TEP 40UIR, které umožňují použití levnějších nízkonapěťových kondenzátorů (25 V), čímž se snižují náklady a zmenšuje rozměr řešení.

Odborné poradenství

Poradíme vám s výběrem produktů, připravíme nabídku případně zařídíme instalaci a zaškolení.

Michal Brůžek
produktový manažer

+420 739 002 291
michal.bruzek@amtek.cz