Podtrzymanie zasilania w systemach kolejowych

Aplikacje kolejowe, podobnie jak większość branż, muszą spełniać liczne normy. Jeśli wcześniej nie analizowałeś tych wymagań, mogą Cię zaskoczyć ekstremalne warunki elektryczne, w jakich urządzenia muszą pracować.

Zasilanie może pochodzić z pantografu, generatora lub systemu zarządzania baterią, a zakres napięcia wejściowego jest wyjątkowo szeroki. Na przykład systemy dla lekkich pojazdów szynowych mogą być projektowane do pracy przy nominalnych napięciach stałych 24 V, 48 V, 96 V lub 110 V. Jako dostawca takiego sprzętu warto objąć cały ten zakres jednym przetwornikiem o szerokim zakresie wejściowym.

Dodatkowym wyzwaniem jest środowisko elektryczne. Napięcie zasilania może się wahać od 0,6 do 1,4 wartości nominalnej. Oznacza to, że pojedynczy system musi obsługiwać zakres od 14 V do 154 V. Do tego dochodzą przerwy w zasilaniu określone w normie EN50155 – Zastosowania kolejowe – Tabor – Urządzenia elektroniczne. Jeśli wymagana jest klasa S3, urządzenie musi działać prawidłowo nawet przy spadku napięcia wejściowego do 0 V przez 20 ms. Wymaga to zastosowania układu podtrzymania (hold-up), który „przemostkuje” takie przerwy.

Typowy zasilacz z układem podtrzymania

Obecnie większość inżynierów wybiera przetwornice DC/DC o ultraszerokim zakresie wejściowym 12:1, zatwierdzone zgodnie z EN50155. Dzięki temu jeden produkt może zostać przetestowany, certyfikowany i stosowany we wszystkich aplikacjach. Aby zapewnić wymagane 20 ms podtrzymania, do wejścia dodaje się prosty układ.

Przykładowo rozważmy przetwornicę dla systemu informacji pasażerskiej (wyświetlacz, platforma obliczeniowa, interfejs sieciowy). Nominalna moc systemu wynosi 40 W.

Rysunek 1: Wyświetlacze dla pasażerów w wagonach kolejowych również muszą wytrzymywać ekstremalne warunki elektryczne.

Pierwszym elementem jest kondensator C1. Aby ograniczyć prąd rozruchowy, stosuje się rezystor szeregowy R1. Musi on być jednak dobrany tak, aby kondensator mógł się ponownie naładować w rozsądnym czasie przed kolejnym zanikiem zasilania. Potrzebne są także dwie diody:

  • D2 zapewnia dostarczenie energii z kondensatora podczas zaniku zasilania
  • D1 chroni układ przed odwrotną polaryzacją.

Rysunek 2: Typowy układ podtrzymania (hold-up) na wejściu przetwornicy.

Minimalną wymaganą pojemność kondensatora można obliczyć z odpowiedniego wzoru. Uwzględnia on współczynnik 1,5 (tolerancje elementów), najgorszą sprawność przetwornicy, moc nominalną, napięcie nominalne, minimalne napięcie pracy oraz wymagany czas podtrzymania.

Dla napięcia nominalnego 24 V, UVLO 14,4 V i sprawności 93% wymagana minimalna pojemność wynosi około 7200 µF.

Rysunek 3: Równanie do obliczania minimalnej pojemności układu podtrzymania (hold-up).

Ponieważ kondensator znajduje się na wejściu przetwornicy, musi wytrzymać przejściowe napięcia nawet do 154 V. Dlatego stosuje się kondensatory o napięciu znamionowym 200 V. Aby uzyskać odpowiednią pojemność, łączy się wiele elementów, np. 16 kondensatorów 470 µF. To jednak zajmuje dużo miejsca i zwiększa koszty.

Przetwornice z wbudowaną funkcją hold-up

Aby rozwiązać te problemy, niektóre przetwornice DC/DC integrują większość układu podtrzymania. Przykładem jest seria Traco Power TEP 40UIR – przetwornice kolejowe o zakresie wejściowym 14–160 V (12:1).

Posiadają one pin Bus do podłączenia kondensatorów podtrzymujących. Ponieważ wymaga on tylko napięcia 21,4 V, można stosować kondensatory o napięciu 25 V – niezależnie od napięcia wejściowego.

Dodatkowo, dzięki integracji:

  • nie jest potrzebna dioda D2,
  • nie jest wymagany rezystor ograniczający prąd rozruchowy.

Rysunek 4: Niektóre przetwornice mają wbudowany układ podtrzymania (hold-up), który wymaga jedynie kondensatorów niskonapięciowych.

Przy tych samych parametrach (sprawność 93%, UVLO 14,4 V), ale napięciu nominalnym 21,4 V, wymagana pojemność wynosi około 10 600 µF. Jednak wystarczą tylko dwa kondensatory 6800 µF / 25 V, co oznacza:

  • znacznie mniejszą powierzchnię na PCB,
  • nawet 15 razy mniejszą objętość rozwiązania,
  • niższy koszt. 

Dedykowane wsparcie podtrzymania (hold-up) upraszcza projektowanie zasilaczy dla kolejnictwa.

Dobór przetwornic dla aplikacji kolejowych jest wymagający. Projektanci dążą do uproszczenia systemów, wybierając uniwersalne przetwornice o szerokim zakresie wejściowym. Jednym z kluczowych wyzwań jest spełnienie wymagań dotyczących podtrzymania zasilania.

Klasyczne rozwiązanie wymaga kondensatorów o wysokim napięciu, co zwiększa koszty i rozmiary układu. Przetwornice z wbudowaną funkcją hold-up, takie jak TEP 40UIR, pozwalają zastosować tańsze kondensatory niskonapięciowe (25 V), co upraszcza projekt, zmniejsza rozmiary i obniża koszty całego systemu.

Skontaktuj się z nami!

Doradzimy w wyborze produktu, przygotujemy ofertę, a w razie potrzeby pomożemy z instalacją  i szkoleniem.

Tadeusz Drozdek

Inżynier sprzedaży - systemy zasilania

+48 22 866 41 45
tadeusz.drozdek@amtek.pl