DC/DC-Wandler für die Bahntechnik?

Was qualifiziert einen DC/DC-Wandler für den Einsatz in der Bahntechnik?

Die Elektronikeinbauten in der Bahntechnik unterliegen strengen Vorgaben, die durch Normen wie die EN 50155 (Produktnorm) und EN 50121-3-2 (EMV) festgelegt sind. Diese Norm definiert die Anforderungen, die alle elektronischen Betriebsmittel erfüllen müssen, um in Schienenfahrzeugen eingesetzt werden zu können. Der aktuelle Stand der Norm stammt aus dem Jahr 2021 und umfasst etwa 130 Seiten

Bei der Stromversorgung ist es entscheidend, welche Eigenschaften der DC/DC-Wandler von Haus aus mitbringt, welche Anforderungen vorausgesetzt werden und warum eine für den industriellen Einsatz geprüfte PSU (Power Supply Unit) nicht ausreicht, um die elektrischen Komponenten in einem Zug zuverlässig zu versorgen.

In der Bahntechnik wird auch unterschieden, wo die Elektronik eingebaut wird, z. B. im Fahrgastraum, Maschinenraum, Außenschränken, Gerätekästen, Radsätzen usw. Daraus ergeben sich unterschiedliche Anwendungsbereiche und Anforderungen (Klassen) der EN 50155.

Die Norm beschreibt zudem die Bewertungskriterien des Betriebsverhaltens und klassifiziert diese in A, B und C. Je nach Störung darf der DC/DC-Wandler das Betriebsverhalten beeinflussen oder nicht. Diese Klassifizierung ist vergleichbar mit industriellen Stromversorgungen.

Kriterium A: Während der Störung darf das Gerät das Betriebsverhalten und die Funktion nicht verschlechtern

Kriterium B: Das Betriebsmittel muss vor und nach der Störung den bestimmungsgemäßen Betrieb fortsetzen. Während der Störung darf sich das Betriebsverhalten verschlechtern.

Kriterium C: Während der Störung ist ein kurzzeitiger Funktionsverlust ist erlaubt. Nach der Störung muss ein automatisches, manuelles oder prozessgesteuertes Aufstarten gegeben sein.

Details

Einsatz in Höhen

Der Einsatz in großen Höhen wird in der Norm EN 50125-1 festgelegt (in diesem Fall 2000 m über NN) und gilt als zugesagt, wenn nicht anders festgelegt und kommuniziert (z. B. im Datenblatt).

Temperaturklassen

Die zulässigen und zugesagten dauerhaften Eigenschaften von DC/DC-Wandlern müssen über die Betriebstemperaturklassen definiert werden und reichen von OT1 bis OT6 (beginnend bei -25 °C bis 55 °C und bis zu -40 °C bis 85 °C). Fehlt eine Angabe des Herstellers zur Temperaturklasse, wird OT3 angewendet (-25 °C bis 70 °C).

Bei der Bewertung muss berücksichtigt werden, dass die unmittelbare Umgebungstemperatur des Wandlers 10 °C bis 15 °C höher als die Umgebungstemperatur sein kann. Daher muss die Bauteilauswahl entsprechend vorgenommen werden. Zudem definiert die Bahnnorm erhöhte Temperaturklassen (ST0, ST1 oder ST2 sowie den Prüfzyklus). Fehlt eine Angabe im Datenblatt, gilt ST1 als zugesagte Eigenschaft, die für 15 Minuten maximal 15 °C höhere Temperaturen in den Klassen OT1 bis OT4 erlaubt. Auch schnelle Temperaturwechsel, wie sie beim Ein- und Ausfahren in Tunnels auftreten, müssen nach ausgewählten Temperaturänderungsklassen definiert werden. Fehlt hierzu eine Angabe im Datenblatt, gibt es keine Anforderungen in diesem Bereich.

Schock/Vibration

Ein weiterer wichtiger Punkt bei der Bahntauglichkeit von Elektronik ist die Anforderung nach der EN 61373. Diese Norm definiert die Funktion der Elektronik bei starken Schwingungen und Stößen. Je nach Einsatzort sind Klassen festgelegt. Für am Fahrzeugkasten montierte Geräte werden Tests bis zu 1,01 m/s² (0,1 G - Kategorie 1, Klasse B) als rauschförmiges Schwingen durchgeführt. Am Radsatz (Kategorie 3) sind es bis zu 38 m/s² (3,8 G), was eine wesentlich höhere Stresssituation und Belastung bedeuten. Bei der simulierten Lebensdauerprüfung werden, je nach Einbauort, ca. 0,6 G bis 14 G gefordert und müssen nachweisbar sein, je nach Anforderung oder Definition der Elektronik.

Bei der Schockprüfung können die Stresswerte zwischen 50 m/s² (5 G) und 1000 m/s² (100 G) liegen, was eine enorme Belastung für jegliche Elektronik darstellt und ein sorgfältiges Design der Elektronik erfordert.

Feuchte Wärme (zyklisch)

Die Feuchtigkeit und der Betauung, der ein DC/DC-Wandler ausgesetzt wird, wird als relative Feuchte gemessen und zusätzlich als zyklische feuchte Wärme. Beide Prüfungen müssen nachweislich durchgeführt werden und sind ein Pflichtbestandteil der Typenprüfung.

EMV

Die EMV wird in der EN 50121-3-2 beschrieben und wird später ausführlicher erläutert.

Betriebsverhalten

Die empfohlenen Betriebsspannungen im Versorgungssystem eines Zuges sind 24 V, 72 V und 110 V. Weitere Zwischenspannungen sind in Europa vernachlässigbar und treten selten bis gar nicht auf. Eine Spannung zwischen -30 % und +25 % wird als dauerhaft anlegbare Spannung angesehen und mit Bewertungskriterium A klassifiziert. Wichtig ist jedoch, dass unabhängig von der vorliegenden DC-Spannung eine Toleranz von ± 40 % für eine Dauer von 0,1 Sekunden eingehalten werden muss und mit Bewertungskriterium A definiert ist. Das bedeutet, dass kurzzeitige Spannungsschwankungen die angeschlossene Elektronik nicht beeinträchtigen dürfen. Für bis zu eine Sekunde darf die Spannung sogar um +40 % ansteigen, allerdings mit Bewertungskriterium B. Zudem definiert die EN 50155 Unterbrechungen der Versorgungsspannung in den Klassen 1 (0 ms), 2 (10 ms) und 3 (20 ms). Die Klasse S2 ist gängig und erlaubt Spannungsunterbrechungen bis zu 10 ms, die von der PSU überbrückt werden müssen, sodass die angeschlossene Elektronik keine Ausfälle bemerkt. Wenn im Datenblatt keine Angaben gemacht werden, gilt die Klasse S2 als zugesagt. Sollte eine Unterbrechung von 30 ms notwendig sein (z. B. beim Umschalten der Stromversorgung), können die Klassen C1 (bis 100 ms) oder C2 (30 ms) gefordert sein. Fehlen entsprechende Angaben im Datenblatt, wird 30 ms angewendet.

Zuverlässigkeit und Brauchbarkeitsdauer

Die Bahn ist bekannt für ihre Unpünktlichkeit, aber auch für ihre Langlebigkeit, und legt die Zuverlässigkeit der Produkte in der Bahnnorm fest. Eine Zuverlässigkeitsprüfung muss nach einer anerkannten Norm berechnet werden und kann zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden. Dies betrifft auch die Brauchbarkeitsklassen. Ohne jegliche Angaben geht man von einer Brauchbarkeitsdauer von 20 Jahren aus, klassifiziert als L4. Zwischen Hersteller und Anwender können jedoch auch andere Zeiträume vereinbart werden (von 5 Jahren bis zu einem individuell festgelegten Zeitraum, das sind dann die Klassen L1 bis Lx).

Unter Brauchbarkeitsdauer (Useful life) versteht man die Zeitspanne vom ersten Einsatz bis zum Zeitpunkt, wenn die Nutzeranforderungen nicht mehr eingehalten werden können, wie z. B. Unwirtschaftlichkeit, Instandhaltung oder Überalterung.

Sonstiges

Interessant ist, dass die EN 50155 auch teilweise in das Design der Stromversorgung eingreift. Eine ISO9001-Zertifizierung wird als Basis gefordert, der Designprozess muss transparent und auditierbar sein. Der Fehlerschutz muss beachtet werden und es gilt, Strombegrenzungen zu berücksichtigen, um den Einsatz von Sicherungen zu minimieren. Weiterhin wird auf den Verpolschutz und die Einschaltströme eingegangen, zwar nicht im Detail, aber sie werden gefordert.

Es wird auch Spielraum bei der Schutzlackierung gelassen. Generell gilt, dass elektronische Baugruppen schutzlackiert sein müssen, außer eine Schutzlackierung ist nicht möglich (z. B. bei Displays oder Kameramodulen). Wenn ein Netzteil reparierbar ist, muss der Schutzlack teilweise entfernbar sein. Ist dies nicht der Fall, kann die Lackierung auch lichtundurchlässig sein.

Wichtig zu wissen ist, dass unter Abschnitt 10.10 eine Kühlung/Belüftung durch einen Lüfter indirekt untersagt ist. Sollte dennoch ein Lüfter im Einsatz sein, muss sichergestellt werden, dass dieser keine Verunreinigung verursacht oder die Brauchbarkeitsdauer beeinträchtigt oder weitere Beschädigungen auslöst. Es muss sichergestellt sein, dass im Falle eines Lüfterausfalls keine Beschädigung auftritt. 

Die EN 50155 schreibt vor, dass die Baugruppen eindeutig identifizierbar sein müssen, beispielsweise mit Seriennummern und Revisionsstand. Darüber hinaus wird detailliert beschrieben, wie das Design und dessen Dokumentation zu erfolgen hat.

Prüfung der DC/DC-Wandler:

Der Hersteller muss drei Arten von Prüfberichten erstellen: den Typprüfbericht, den Stückprüfbericht und die Untersuchungsprüfung.

1. Typprüfbericht: Dieser Bericht ist in der Regel einmalig zu erstellen und bescheinigt den grundsätzlichen Einsatz der Stromversorgung in einem Zug. Er bestätigt, dass die Anforderungen erfüllt werden. Der Typprüfung geht eine Stückprüfung voraus. Bei notwendigen Änderungen der PSU kann eine ergänzende Teilnachprüfung ausreichen, um die Gültigkeit des Typprüfberichts aufrechtzuerhalten.

2. Stückprüfung: Diese Prüfung wird für alle einzelnen Geräte durchgeführt und bescheinigt deren volle Funktionsfähigkeit.

3. Untersuchungsprüfung: Bei dieser Prüfung werden zusätzliche Informationen über das Betriebsverhalten dokumentiert, allerdings wird dies normativ nicht detailliert beschrieben.

Brandschutz

Die Basisnorm für den Brandschutz in der Bahntechnik ist die EN 45545-2. Diese Norm beschreibt sehr detailliert, wie der Nachweis des Brandschutzes erbracht werden muss.

Vereinfacht gesagt, erfolgt eine Einstufung nach Hazard-Level 1 bis 3 (Gefährdungslevel). Je höher die Zahl, desto brandfester ist das Material.

Vorgehensweise:

Zunächst muss bekannt sein, in welchen Zügen die Komponenten eingebaut werden, um die entsprechenden Anforderungen abzuleiten.

Hier ist eine Übersicht der Züge und deren Anforderungen:

Im zweiten Schritt muss geprüft werden, ob das brennbare Material ein gelistetes Bauteil ist. Im Falle einer Stromversorgung ist die Leiterkarte definitiv ein Bauteil, das brennen kann und somit gelistet (Komponentennummer EL 9) und brandschutztechnisch nachgewiesen werden muss.

Brennbare Elemente, die nicht gelistet sind, müssen auf das Gewicht des brennbaren Materials geprüft werden und darauf, wo sie eingebaut werden. In diesem Fall können gesonderte Prüfungen anfallen (sogenannte Gruppierungsregeln). Wenn das brennbare Material unter 10 Gramm wiegt, gibt es keine Anforderungen.

Bei einem Open-Frame DC/DC-Wandler ist in der Regel der Brandschutznachweis gemäß 

• R24, T01 (Sauerstoffindex nach ISO 4589-2)

• R25, T16 (Glühdrahtprüfung nach EN 60695-2-11)

• R26, T17 (Kleinbrennerprüfung nach EN 60695-11-10)

zu erbringen. Dabei muss der Leiterkartenprüfling identisch zur Endanwendung sein, also die Leiterkarte inklusive Schutzlackierung. Interessant ist, dass die T17-Prüfung vergleichbar mit der UL94V0 Edition 6 angesehen wird.

Bei vergossenen Modulen erfolgt eine Gruppierung, da die Vergussmasse auch andere brennbare Komponenten berühren kann (z. B. Gehäuse, weitere Leiterkarten usw.). Es müssen nach und nach Bauteile bewertet werden (von schwer bis leicht), bis die Restmasse unter 100 Gramm liegt und dann damit Nachweis erbracht ist.

Auf Kundenwunsch können weitere Anforderungen aufkommen, die dann zwischen Hersteller und Kunde zu vereinbaren sind.

EMV

Eines der wichtigsten Themen neben den oben aufgeführten Aspekten ist die Einhaltung der EMV-Vorgaben für die Bahnwandler. Die Basisnorm ist die EN 50121-3-2, die sehr genau beschreibt, was einzuhalten gilt. Alle weiteren Anforderungen (z. B. Rangierfunk nach EMV06 der DB, ÖBB oder SBB, RIA12) sind separate Kundenwünsche, die im ersten Schritt nicht für alle Anwender relevant sind. Die Norm legt die Prüfbedingungen fest, wobei immer der ungünstigste Fall angenommen werden muss.

Für DC-Spannung gilt:

Resümee:

Anhand der strengen Anforderungen, die die EN 50155 fordert, kann man nahezu ausschließen, dass DC/DC-Wandler, die nicht strikt nach der Norm entwickelt wurden, auch in einem Zug eingebaut werden dürfen. 

DC/DC-Wandler nur an den Normen zu messen und zu bewerten, kann fatal sein. Es gibt unzählige Anforderungen und Faktoren von Kunden, die berücksichtigt werden müssen und bereits nachweislich geprüfte Geräte untauglich für die Anwendung machen können. 

Faktoren können sein: Brandschutznachweis trotz geringen Gewichts (Nachweis UNIFE), höhere EMV-Anforderungen (z. B. EMV06, RIA12), Designvorgaben von Kunden (z. B. Auslegung/Dimensionierung von Bauteilen) oder weitere spezielle Themen, die eine Norm nicht abdecken kann.

Deshalb gilt der Rat: Augen auf bei der Komponentenauswahl!