Stromversorgungen für die Datenkommunikation im Bahnverkehr

Aufgrund der Vielfalt dieser Anwendungen setzen Eisenbahnnetzwerke auf mehrere drahtgebundene und drahtlose Standards. Zu den kabelgebundenen Standards gehören der CAN-Bus – ursprünglich für Automobile entwickelt – sowie Varianten industrieller Feldbusstandards. ProfiNet und Industrial Ethernet (IE)-Netzwerke (z. B. Cat 5e, Cat 6 und Cat 7) werden zunehmend genutzt, während Power over Ethernet (PoE) immer häufiger eingesetzt wird.

Zu den drahtlosen Standards gehören kommerzielle Mobilfunksysteme (3G/4G/LTE/5G) sowie spezielle Systeme wie GSM-R, das für das European Rail Traffic Management System (ERTMS) genutzt wird. Für die Kommunikation über mittlere und kurze Distanzen werden zudem häufig energieeffiziente Funkstandards wie LoRaWAN oder WiFi (IEEE 802.11a/b/g/n/ac) eingesetzt.

Diese Kommunikationsnetzwerke spielen eine entscheidende Rolle für den Betrieb eines Zuges und das Fahrerlebnis der Fahrgäste. Da Bahnausrüstungen eine typische Lebensdauer von 20 Jahren haben, müssen Kommunikationssysteme besonders langlebig und einfach aktualisierbar sein.

Allerdings stellt dies eine große Herausforderung dar. Die Bahn ist eine anspruchsvolle Umgebung mit extremen Temperaturschwankungen (-40°C bis +85°C), starken Erschütterungen und Vibrationen sowie unkontrollierten EMV-Bedingungen. Daher müssen Stromversorgungen für Datenkommunikationssysteme in der Bahn strenge Normen erfüllen, darunter:

• EN 50155 Bahnanwendungen - Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugenk
• EN 61373 Betriebsmittel von Bahnfahrzeugen – Prüfungen für Schwingen und Schocken
• EN 50121-3-2 Elektromagnetische Verträglichkeit - Bahnfahrzeuge - Geräte
• EN 50124-1 Bahnanwendungen - Isolationskoordination
• EN 50125-1 Bahnanwendungen - Umweltbedingungen für Betriebsmittel
• EN 45545-2 Brandschutz in Schienenfahrzeugen

Die Norm EN 61373 legt die Anforderungen an Erschütterungen, Vibrationen und Temperaturen fest, abhängig von der Installationskategorie. Diese reichen von starken Belastungen an den Drehgestellen bis hin zu weniger kritischen Bereichen, z. B. in Gehäusen innerhalb des Wagenkastens (Kategorie 1, Klasse B). Die Norm EN 50125-1 behandelt u. a. Hochtemperaturbelastungen, Salznebel und Temperaturwechselzyklen.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden Produkte von RECOM Power und RECOM Power Control Systems (PCS) durch umfangreiche Tests qualifiziert, einschließlich vollständiger Leistungscharakterisierung mit hauseigenen Vibrationstestgeräten.

DC/DC Wandler sind ein zentraler Bestandteil des Stromverteilungssystems in Bahnanwendungen. Schienenfahrzeuge nutzen eine DC-Stromverteilung, sodass Batterien bei einem Generator- oder Stromabnehmerausfall die Stromversorgung sicherstellen können.

Die neueste Version der EN 50155 definiert sieben standardisierte DC-Spannungen, wobei 110VDC am weitesten verbreitet ist. Dennoch sind Spannungen von 24V bis 72VDC weiterhin weltweit in Betrieb, insbesondere in Stadtbahnen, Straßenbahnen und Trolleybussen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, setzen Entwickler von Bahnanwendungen auf 4:1-Wandler wie die Serien RP20-FR und RP40-FR von RECOM, die mit nur drei Modellen den gesamten Eingangsspannungsbereich abdecken.

Die Bahn-DC-Versorgung ist jedoch keine stabile Spannungsquelle. Die EN 50155 erlaubt Spannungsschwankungen von +25%/-30% im Normalbetrieb, mit kurzzeitigen Spannungseinbrüchen bis zu 60% für 100ms ohne Funktionseinschränkung sowie Spannungsspitzen bis zu 140% für eine Sekunde ohne Leistungseinbußen. Um diese Schwankungen abzudecken, müssen DC/DC-Wandler für 110V-Systeme typischerweise von 66 bis 154VDC arbeiten. Zusätzlich treten schnelle transiente Überspannungen auf, sodass die Stromversorgung mit Spannungen von bis zu 200V umgehen muss.

Zudem kann es auch zu einem vollständigen Ausfall der Stromversorgung kommen. In diesem Zusammenhang definiert die Norm EN 50155 Unterbrechungen in den beiden folgenden Klassen: der übliche Fall von 10 ms (S2) und der schlimmste Fall eines Kurzschlusses am Eingang von 20 ms ohne Beeinträchtigung der Leistung (S3). Bei einigen Geräten kann die Unterbrechung bei der Umschaltung der Stromversorgung 30 ms betragen (Klasse C2). Zu den Spezifikationen für DC/DC-Wandler für den Schienenverkehr gehört manchmal auch die Einhaltung der britischen Norm RIA 12, die höhere Stromstöße bis zu 385 V für 20 ms in 110-V-Systemen definiert.

Eine Stromversorgung für die Datenkommunikation kann von einem kleinen DC/DC-Wandler, der ein Sensor- und WLAN-Modul speist, bis hin zu einer Hochleistungsinstallation für Depots reichen. Ein Low-Power-WLAN-System kann beispielsweise von einem DC/DC-Wandler der RP08-AW-Serie versorgt werden, der bis zu 8W liefert. Diese nach EN 50155 zertifizierte Serie bietet einen Eingangsspannungsbereich von 4:1, eine Isolationsfestigkeit von 1,6kVDC sowie Schutzfunktionen gegen Überlast (OLP), Überspannung (OVP) und Kurzschluss (SCP).

Für Anwendungen mit höherer Leistung sind „Brick“-DC/DC-Wandler beliebt. Die Serien RPxxx-RW und RPxxx-RUW bieten Eingangsbereiche von 12:1 und decken Nennwerte von 24 bis 110VDC ab, einschließlich Spannungsspitzen und -einbrüchen. RECOM unterstützt dies mit Designempfehlungen für externe Schaltungen. Es ist wichtig, dass man das Energiebudget auf der Grundlage des erwarteten Anwendungsfalls berechnet. Der typische Stromverbrauch eines PoE-Knotens wie z.B. einer IP-Kamera beträgt etwa 7-8W. Für einen Wagen mit sechs solcher Knoten wird ein PoE-Ausgangsbudget von insgesamt 60 W angegeben.

Man soll darauf achten, dass man die richtigen DC/DC-Wandler auswählt, um eine ausreichende Ausgangsleistung für den normalen Betrieb zu gewährleisten. Dabei sollten die Anforderungen an die Systemleistung und das Budget für die Ausgangsleistung berücksichtigt werden. Man darf auch nicht vergessen, dass die Ausgangsleistung der DC/DC-Wandler bei hohen Betriebstemperaturen herabgesetzt werden muss. Außerdem hängt die Systemspannung auch vom gewählten Netzwerk ab. Der CAN-Bus ist beispielsweise ein 5-Volt-System; dementsprechend kann der IEEE 802.3at PoE-Standard zwischen 42,5 und 57VDC verwenden.

RECOM und PCS verfügen über ein breites Portfolio an robusten, EN 50155-konformen DC/DC-Wandlern, von 8W bis 10kW, mit kundenspezifischen Anpassungen. Das Chassis-Mount-Format ist ebenfalls üblich; hierfür bietet RECOM/PCS Plug & Play-Lösungen von 40W bis 1kW an. Diese „On-Machine”-Lösungen stellen vollständig bahntaugliche Systemstromlösungen ohne Kompromisse dar. Die RECOM-Klassen RMD 500W und RMSD 1kW sind perfekte Lösungen für redundante n+1 Stromversorgungsmodule für sichere und zuverlässige Schienenfahrzeuganwendungen.

Ein weiteres Beispiel ist die robuste RMD-Serie (40–75W) mit 150–300W Leistung und einem Eingangsspannungsbereich von 24V–110VDC (12:1), die vollständig mit EN 50155 konform ist. Diese „Ready-to-Use“-Einheiten benötigen keine externe Schaltung und bieten Schutz vor EMV-Störungen, aktiven Einschaltstrombegrenzung, Verpolungsschutz sowie eine verstärkte Isolierung. Dank eines typischen Wirkungsgrades von 95% und ein optimiertes thermisches Design arbeiten diese Geräte mit natürlicher Konvektion von -40 bis +85°C ohne Leistungseinbußen und ermöglichen jede Montageposition. Die umweltfreundliche RMD-Produktfamilie wurde ohne Verkapselung entwickelt; dadurch wird das Gewicht gegenüber vergossenen Produkten erheblich reduziert.

Darüber hinaus umfasst das PCS-Portfolio rackmontierte AC/DC- und DC/DC-Wandler für Bahn- und Streckenanwendungen mit Leistungen bis 18kW. Die modularen Batterieladegeräte (1,5kW, 5kW oder 18kW) können parallel betrieben werden, um Redundanz und Zuverlässigkeit zu erhöhen.

DC/DC-Wandler und Stromversorgungen von der Stange, die für Bahnstandards qualifiziert sind, bieten einen kosteneffizienten und einfachen Weg für die Stromversorgung von Sensoren, Datenkommunikationssystemen und zentralen Systemen von Watt bis Kilowatt.

RECOM und PCS bieten zudem umfassende technische Unterstützung, Umweltverträglichkeitsberichte und EMV-Bewertungen, einschließlich Referenzdesigns mit EMI-Filtern für EN 50121-3-2-konforme Anwendungen.