Источники питания THN 15WIR для железнодорожных приложений

Разработка любого электронного блока должна вестись с учетом требований конкретных отраслевых стандартов. Так, стандарт EN 50155:2007 определяет требования к электронному оборудованию, применяемому в железнодорожных транспортных средствах. Специально для железнодорожных приложений компания Traco Power создала новую серию источников питания THN 15WIR (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид источников питания THN 15WIR [1]

В статье кратко рассматриваются требования, предъявляемые к электронному оборудованию, применяемому в железнодорожных транспортных средствах, а также анализируются особенности источников питания THN 15WIR.

Требования к электронному оборудованию, применяемому в железнодорожных транспортных средствах

Ни для кого не секрет, что оборудование, применяемое в железнодорожных транспортных средствах, в большинстве случаев эксплуатируется в достаточно жестких условиях. Перепады напряжения, высокий уровень помех, широкий диапазон рабочих температур, значительные ударные и вибрационные нагрузки — абсолютно обыденное явление для железно­дорожных приложений.

При разработке электронных модулей для железнодорожных транспортных средств следует опираться на существующие нормативные документы. К сожалению, в рамках данной статьи сложно рассмотреть все ГОСТы и стандарты. Однако стоит выделить некую отправную точку, которой является международный стандарт EN 50155:2007.

EN 50155:2007 Railway applications — Electronic equipment used on rolling stock («Оборудование электронное, используемое в подвижном составе железных дорог») описывает основные требования, которым должно отвечать электронное оборудование, действующее в железнодорожных транспортных средствах.

Данный стандарт рассматривает широкий круг вопросов, начиная от параметров питания и ЭМС и заканчивая условиями эксплуатации. Рассмотрим некоторые из них.

Напряжение питания

В соответствии с EN 50155:2007 номинальное напряжение оборудования (U_n) выбирают из следующих значений: 24, 48, 72, 96, 110 В. Для каждого из номиналов определяется конкретный диапазон рабочих напряжений (табл. 1) [1]. Например, модули с номинальным напряжением 24 В должны сохранять полную работоспособность в диапазоне 16,8–30 В, выдерживать просадки до 14,4 В в течение 100 мс, перенапряжения до 33,6 В в течение 100 мс.

Диапазон рабочих температур

Железнодорожное сообщение охватывает значительные территории с самыми различными климатическими условиями. По этой причине электронные блоки должны обеспечивать надежную работу в широком диапазоне температур.

В стандарте EN 50155:2007 определяется четыре температурных класса (табл. 2) [1]. Самый жесткий из них TX подразумевает работу печатных узлов в диапазоне –40…+85 °С.

Электрическая прочность

Высокая электрическая прочность является важным элементом безопасности. В соответствии с EN 50155:2007 для наиболее высоковольтных приборов рейтинг изоляции должен составлять не менее 1500 В (табл. 3) [1].

EN 50155:2007 самостоятельно раскрывает широкий круг требований к электронным блокам. Однако по некоторым вопросам EN 50155:2007 ссылается на другие стандарты. Например, на EN 61373.

Требования стойкости к ударным и вибрационным нагрузкам

По данному вопросу EN 50155:2007 ссылается на стандарт EN 61373. В нашей стране есть аналог этого документа — ГОСТ Р 54434-2011 «Оборудование железнодорожного подвижного состава. Испытания на удар и вибрацию».

Даже этого ограниченного перечня особенностей достаточно для того, чтобы понять: электронное оборудование для железнодорожного подвижного состава является чрезвычайно специфичной областью электроники. Однако не нужно забывать, что при разработке следует учитывать и другие требования: ЭМС, влажность и т. д.

Новые модульные источники питания THN 15WIR от Traco Power разрабатывались специально для железнодорожных приложений и отвечают требованиям EN 50155:2007 и EN 61373. Рассмотрим особенности THN 15WIR подробнее.

Модельный ряд и основные характеристики источников питания THN 15WIR

В настоящий момент номенклатура серии THN 15WIR объединяет 27 одно- и двухканальных источников питания с диапазонами входных напряжений 9–36, 18–75, 36–160 В (табл. 4) [3]. Диапазон выходных токов для различных моделей находится в пределах 625–4500 мА. Все представители THN 15WIR предназначены для монтажа на печатную плату и имеют компактные габаритные размеры 25,48×25,4×9,9 мм.

С одной стороны, серия THN 15WIR является развитием серии популярных источников питания THN 15 с сохранением полной повыводной совместимости. С другой — модули THN 15WIR имеют ряд особенностей, которые связаны в том числе со спецификой их применения. Остановимся на этих различиях подробно.

Главное отличие серии THN 15WIR от THN 15 — диапазон входных напряжений (табл. 5) [3, 4]. Для модулей THN 15 соотношение между максимальным и минимальным входным напряжением составляет 2:1. Этого недостаточно, чтобы соответствовать требованиям EN 50155:2007. Например, модули THN 15 с номинальным напряжением 24 В имеют допустимый диапазон 18–36 В и способны выдерживать выбросы до 50 В в течение 100 мс. В то же время согласно EN 50155:2007 (табл. 1) модули с номинальным напряжением 24 В должны сохранять работоспособность в диапазоне входных напряжений 16,8–30 В и выдерживать выбросы и просадки в диапазоне 14,4–33,6 В.

Модули THN 15WIR имеют соотношение входных напряжений 4:1. Это, например, позволяет источникам питания с номинальным напряжением 24 В работать в диапазоне 9–36 В. То есть диапазон 14,4–33,6 В, необходимый согласно EN 50155:2007, перекрывается с большим запасом. Аналогичный запас наблюдается и для модулей 48 и 72 В.

Следующим важным отличием между THN 15WIR и THN 15 является прочность изоляции. Если анализировать EN 50155:2007 (табл. 3), то можно заметить, что обе серии источников питания отвечают требованиям по уровню изоляции. Однако если для THN 15 рейтинг изоляции составляет стандартное значение 1500 В, то у модулей THN 15WIR он в два раз выше — 3000 В. Поскольку вопрос надежности для железнодорожного оборудования чрезвычайно важен, то повышенная защита источника питания никогда не будет лишней.

С точки зрения функционала THN 15WIR и THN 15 идентичны. Обе серии позволяют подстраивать выходное напряжение в диапазоне ±10% (или –10/+20%), а также обеспечивают возможность дистанционного включения. Кроме того, набор защитных функций у THN 15WIR и THN 15 одинаков: защита от перенапряжений, просадок напряжения, перегрузок по току.

Стабильность напряжения источников питания THN 15WIR

Если рассматривать характеристики выходного напряжения, то источники питания THN 15WIR практически ничем не отличаются от модулей THN 15 [3, 4]. Вместе с тем у обеих серий следует отметить относительно высокое значение температурной стабильности и возможность калибровки.

Нестабильность выходного напряжения для THN 15WIR и THN 15:

• точность установки выходного напряжения — ±1%;
• подстройка выходного напряжения есть;
• нестабильность выходного напряжения по входному — 0,2/0,5%;
• нестабильность выходного напряжения по нагрузке (одноканальные ИП) — 0,2%;
• нестабильность выходного напряжения по нагрузке (двухканальные ИП) — 1%;
• нестабильность выходного напряжения по нагрузке (двухканальные ИП, разбалансированная нагрузка) — 5%;
• температурный коэффициент напряжения – ±0,02%/°С.

Частотные и временные характеристики

Источники питания THN 15 имеют рабочую частоту 400 кГц. Для THN 15WIR частота коммутаций несколько ниже — 245/300 кГц (табл. 6) [1, 2].

Уровень выходных шумов для THN 15WIR и THN 15 примерно одинаков. Согласно документации, источники THN 15WIR демонстрируют следующие показатели:

• 75 мВ (от пика до пика) для одно- и двухканальных источников 3,3/5 В с внешним конденсатором 10 мкФ/6,3 В X7R;
• 100 мВ (от пика до пика) для одно- и двухканальных источников 12/15 В с внешним конденсатором 1 мкФ/25 В X7R;
• 125 мВ (от пика до пика) для одно- и двухканальных источников 24 В с внешним конденсатором 2,2 мкФ/50 В X7R.

Осциллограмма выходного напряжения на примере THN 15-2410WIR представлена на рис. 2. С осциллограммами других моделей можно ознакомиться в документации [5, 6].

Рис. 2. Шумы и пульсации выходного сигнала на примере THN 15-2410WIR [5]

Говоря об уровне собственных шумов, нужно отметить, что обе серии отвечают требованиям EN 55032 class A без каких-либо внешних фильтров. Чтобы соответствовать EN 55032 class B, на входе необходимо разместить дополнительные конденсаторы.

Временные характеристики THN 15WIR и THN 15 достаточно близки. На рис. 3 показана осциллограмма отклика выходного напряжения на изменение нагрузки (25%) на примере THN 15-2410WI [5]. С осциллограммами других моделей можно ознакомиться в документации [5, 6].

Рис. 3. Отклик на импульсное изменение нагрузки (25%) на примере THN 15-2410WIR [5]

Время включения для модулей THN 15WIR оказывается несколько выше, чему THN 15: 40 мс против 30 мс (рис. 4).

Рис. 4. Осциллограмма включения на примере THN 15-2410WIR [5]

Среди дополнительных достоинств THN 15WIR и THN 15 стоит отметить отсутствие ограничений по уровню минимальной нагрузки.

КПД и температурные характеристики THN 15WIR

КПД для различных моделей THN 15WIR составляет 85–91%. На рис. 5 приведена зависимость КПД от нагрузки на примере THN 15-2410WIR. График оказывается достаточно пологим при нагрузке более 50%. Аналогичные зависимости для других моделей можно найти в документации [5].

Рис. 5. Зависимость КПД от уровня нагрузки на примере THN 15-2410WIR [5]

КПД для большей части источников питания THN 15WIR слабо зависит от входного напряжения при значительных нагрузках (более 50%). В качестве примера на рис. 6 представлена зависимость для THN 15-2410WIR. Аналогичные зависимости для других моделей можно найти в документации [5].

Рис. 6. Зависимость КПД от входного напряжения на примере THN 15-2410WIR [5]

При выполнении теплового анализа для электронных блоков нельзя забывать о саморазогреве. Информация о потерях мощности для THN 15WIR приведена в документации (рис. 7) [5].

Рис. 7. Уровень потерь на примере THN 15-2410WIR [5]

Как было показано выше, в соответствии с EN 50155:2007 наиболее жесткий температурный класс TX предполагает работу печатного узла в диапазоне –40…+85 °С (табл. 4). Источники питания THN 15 имеют рабочий диапазон –40…+85 °С, однако с учетом дирейтинга эффективный температурный диапазон оказывается уже –40…+70 °С (табл. 7).

Дирейтинг представляет собой уменьшение допустимой выходной мощности при нагреве источника питания. Для модулей THN 15 при температуре выше +70 °С мощность уменьшается со скоростью 2,8%/°С. В то же время температурный диапазон полной мощности для THN 15WIR оказывается шире и составляет –40…+75 °C, а последующее уменьшение происходит со скоростью 3,3%/°С. То есть при температуре +85 °C (максимальная температура для класса TX) мощность THN 15WIR падает всего на 33%, в то время как для THN 15 падение составит 42%.

Здесь нужно отметить, что рабочий диапазон зависит и от качества отвода тепла, например от силы обдува. На рис. 8 представлена зависимость выходной мощности от потока воздуха для THN 15-2410WIR. Аналогичные зависимости для других моделей можно найти в документации [5].

Рис. 8. Ограничение выходной мощности на примере THN 15-2410WIR [5]

Заключение

Новая серия источников питания THN 15WIR от компании Traco Power создана специально для работы в составе железнодорожного электронного оборудования. Эти источники отвечают требованиям отраслевых стандартов, например, EN 50155:2007 и EN 61373.

«Железнодорожная» специализация модулей THN 15WIR отразилась на их характеристиках, что хорошо видно при сравнении с источниками питания базовой линейки THN 15. Серия THN 15WIR отличается широким диапазоном входных напряжений, расширенным температурным диапазоном, высоким рейтингом изоляции.