Diese Transformation ist besonders im Führerstand sichtbar, wo Monitore analoge Anzeigen und Warnleuchten ersetzt haben und weniger Schalter und Hebel zum Einsatz kommen. Auch in weniger sichtbaren Bereichen werden zahlreiche Computer, GPS-Systeme, GSM-Kommunikationseinheiten und Bussysteme eingesetzt, um die vielen Steuersignale im gesamten Zug zu verarbeiten.
Eine der größten Herausforderungen bei der zunehmenden Elektrifizierung ist der verfügbare Platz. Die mechanische Konstruktion eines Zuges lässt sich nicht ohne Weiteres ändern, und Geräte mit mehr Funktionen und höherem Leistungsbedarf müssen in den durch das bestehende System vorgegebenen Raum passen. Für Netzteile und DC/DC-Wandler bedeutet dies den Bedarf an deutlich höherer Leistungsdichte und Effizienz.
Daher suchen die Hersteller nach einheitlichen Lösungen, die die Entwicklungskosten senken und die Anzahl der Leistungsvarianten minimieren. Entscheidend sind Module, die sich ohne Neuentwicklung der gesamten Elektronik einfach an die unterschiedlichen Spannungs- und Leistungsanforderungen jeder Anwendung anpassen lassen.
Die neue QBE-Familie von DC/DC-Wandlern von P-DUKEim Standard-Viertel-Brick-Format (57,9 x 36,8 mm bzw. 2,28 x 1,45 Zoll) ermöglicht es Kunden, kompaktere und leistungsstärkere Lösungen zu entwickeln, die sich durch einfaches Austauschen des Moduls und Modifizieren einiger externer Komponenten an verschiedene Anwendungen anpassen und skalieren lassen.
In einem konkreten Fall wollte ein Kunde die zentrale Türsteuerung eines Zuges überarbeiten, um neue Sicherheitsfunktionen zu integrieren, darunter ASDO (Automatic Selective Door Opening), ein automatisches, selektives Türöffnungssystem, das GPS-Informationen nutzt. Aufgrund dieser neuen Funktionen verdoppelte sich der Leistungsbedarf von 12 V/35 W auf 12 V/70 W. Darüber hinaus wollte der Kunde die Entwicklungskosten senken, indem er dasselbe Netzteil für eine Türöffnungsschaltung mit einem Bedarf von 24 V/95 W verwendete.
Das vorherige System nutzte einen 40-W-Wandler mit einem Formfaktor von 2 x 1 Zoll und einem Wirkungsgrad von 86 % bei 35 W Ausgangsleistung.
Die Wandlerverluste betragen:
Die entstehende Wärme wurde über die Moduloberfläche und einen zusätzlichen Kühlkörper an das System abgeführt. Das
neue QBE75W-Modul von P-DUKE, das für den Einsatz unter den anspruchsvollen Umgebungsbedingungen von Bahnanwendungen entwickelt wurde, nutzt fortschrittliche Leistungswandlungstechnologien und erreicht bei einer Last von 70 W einen Wirkungsgrad von 91 % bei Verlusten von lediglich 6,9 W.
Obwohl sich die Ausgangsleistung verdoppelte, stiegen die Verluste nur um 20 % (1,2 W).
Dank des optimierten Wärmedesigns des Moduls kann ein Großteil der Wärme über die Hauptplatine an das Metallgehäuse des Geräts abgeleitet werden, wodurch die thermische Belastung der übrigen elektronischen Bauteile reduziert wird.
Die QBE-Familie ist mit verschiedenen Eingangsspannungsbereichen erhältlich:
• 24V (9-36V)
• 48V (18-75V)
• 110V (40-160V)
Diese Bereiche ermöglichen die Abdeckung der wichtigsten Spannungen, die in Bahnanwendungen verwendet werden, einschließlich Unterspannung und transienter Situationen.
Warum nicht ein einzelnes Modul verwenden, das den gesamten Spannungsbereich abdeckt?
Bei einem Eingangsspannungsverhältnis von 8:1 oder 12:1 ist es schwierig, über den gesamten Betriebsbereich einen optimalen Wirkungsgrad zu gewährleisten, da alle Komponenten sowohl den hohen Strömen bei niedrigen Eingangsspannungen als auch den höheren Betriebsspannungen bei hohen Eingangsspannungen standhalten müssen.
Der Eingangsstrom wird mit folgender Formel berechnet:
Dieses Diagramm zeigt die unterschiedlichen Eingangsströme für verschiedene Betriebsspannungen bei einem Wirkungsgrad von 91 % und einer Ausgangsleistung von 70 W.
Es ist offensichtlich, dass ein universelles Design nicht optimal ist, wenn maximale Leistungsdichte und Effizienz angestrebt werden, da die meisten Bahnsysteme für eine spezifische Zuganwendung in Betrieb genommen und konfiguriert werden, bei der die Versorgungsspannung konstant bleibt. Dies ermöglicht die Optimierung externer Komponenten wie EMV-Filter, Sicherungen und Steckverbinder speziell für jeden Zug. Daher muss die Leiterplatte lediglich so ausgelegt sein, dass sie den zu erwartenden Maximalströmen und den verschiedenen Komponentenvarianten standhält.
Wie bei nahezu allen modernen CPU-Platinen ist auch die im Türöffnungssteuerungssystem verwendete Platine mit einem Spannungsreglermodul (VRM) ausgestattet, das die für den Mikroprozessor benötigten Niederspannungen aus dem 12-V-Bus erzeugt, während die restlichen Spannungen für Speicher und Schnittstellen von DC/DC-Wandlern mit geringerer Leistung bereitgestellt werden. Aufgrund der hohen Isolationsanforderungen der Schnittstellen wurde ein P-DUKE-Modul mit 3000 V DC-Isolation gewählt.
Für das elektrische Türöffnungssystem mit einem Bedarf von 24 V/95 W kann der Kunde das bisher verwendete Halb-Brick-Modul durch das neue QBE100W ersetzen. Dieses Modul ist im Viertel-Brick-Format, 40 % kompakter und bietet eine um 4 % höhere Effizienz, wodurch die Verluste um 33 % reduziert werden.
Die QBE-Familie bietet Ausgangsspannungen von 3,3 V bis 54 V mit identischem elektrischem Verhalten, EMV-Eigenschaften und Leiterplattendesign in den 75-W- und 100-W-Versionen. Dadurch konnte die 100-W-Lösung innerhalb weniger Stunden statt Wochen oder Monate entwickelt werden, ohne dass umfangreiche zusätzliche Tests oder kostspielige Zulassungsverfahren erforderlich waren.
Was passiert, wenn eine Anwendung eine andere Ausgangsspannung benötigt? Ersetzen Sie einfach das Modul durch ein anderes Modell derselben Familie und passen Sie einige externe Komponenten an.
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