DC/DC-Wandler
Problemlöser mit Potenzial
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Kompakte Bauform und großer Eingangsspannungsbereich
Neben kompakter Bauform zeichnen sich gute Produkte durch einen großen Eingangsspannungsbereich und eine hohe Effizienz von über 90 % aus. Dies bewirkt, dass sich das Bauteil im Nennbetrieb nur wenig erwärmt und freie Luftkonvektion zum Kühlen ausreicht.
Bei der Auswahl geeigneter DC/DC-Wandler ist es wichtig, auch die voraussichtliche Arbeitstemperatur im Blick zu haben. Hierbei ist entscheidend, ab welcher und bis zu welcher Temperatur der Wandler ohne Einschränkung arbeitet. Für sehr kalte oder warme Umgebungen eignen sich Produkte mit erweitertem Arbeitstemperaturbereich. Beispielsweise sind Modelle der Serie »SBT01« von Mean Well (Bild 1) für einen typischen Bereich von –40 bis +85 °C spezifiziert – unter Berücksichtigung eines entsprechenden Deratings. Eine elektrische Isolation zwischen Ein- und Ausgang verhindert zudem, dass Spannungsspitzen durchschlagen und den Wandler und nachfolgende Schaltungsteile beschädigen. Typische Isolationsspannungen reichen von 500 V(DC) bis über 3000 V(DC) oder sogar 6000 V(DC) für z. B. medizinische Anwendungen. Weiterhin sind Parameter wie zulässige Betriebshöhe (Höhe gegenüber Normalhöhennull) oder Vibrationsfestigkeit nicht zu unterschätzen.
Darüber hinaus ist das EMV-Verhalten für die Applikationen entscheidend. Das Design der Wandler muss so bemessen sein, dass die Ausgangsspannung eine möglichst geringe Restwelligkeit hat. Auch in dieser Hinsicht geben die Datenblätter Auskunft, ob die Wandler im geforderten Bereich arbeiten, oder ob externe Komponenten (zusätzliche Kondensatoren) für die Einhaltung der Werte erforderlich sind. Wichtig ist für den Anwender, dass er die Anforderungen und die einzuhaltenden Normen kennt. Erst dann kann ein Distributor wie Emtron unterstützend bei der Produktauswahl zur Seite stehen.
Wandler gibt es für Leistungen von einigen hundert Milliwatt bis hin zu mehreren hundert Watt. So unterschiedlich die Leistungen, so verschieden auch die Bauformen. Diese reichen von SMD, SIL oder DIL für den Leistungsbereich bis ca. 10 W, über die zölligen Baugrößen für Leistungen bis ca. 40 W bis hin zu den Brick-Wandlern für große Leistung. Ein Quarter-Brick steht für eine Gehäusegröße mit einer Grundfläche von etwa 37 mm × 58 mm, ein Half-Brick misst 58 mm × 61 mm, ein Full-Brick kommt auf 117 mm × 61 mm. Diese Größeneinteilung beruht noch auf dem bei den Herstellern gebräuchlichen zölligen Maßsystem. Je nach Leistung und Bauform gibt es die Möglichkeit, Kühlkörper anzuklemmen oder anzuschrauben.
Je nach Anwendung der passende Wandler
Die Modellpaletten sind üblicherweise in einen unteren (Low Power) und einen höheren Leistungsbereich (Brick) unterteilt. Darüber hinaus gibt es DC/DC-Wandler für Spezialanwendungen – etwa für Schienenfahrzeuge (Railway) oder die Luft- und Raufahrt. Generell kann man davon ausgehen, dass die Wandler aufgrund ihres Schaltungsdesigns mittlerweile kompakter und effizienter arbeiten als noch vor einigen Jahren.
Ein prominentes Beispiel: Im Gegensatz zu den früher gebräuchlichen Festspannungsreglern der Serien »LM78/79« meistern moderne pinkompatible Gleichspannungswandler der Serie »K78« in der Version »R3« von Mornsun mit einem Wirkungsgrad bis zu 97 % ihre Aufgabe, ohne viel Verlustleistung zu erzeugen. Diese Regler sind in unterschiedlichen Leistungsklassen und Bauformen erhältlich. Somit lässt sich das Layout deutlich kompakter gestalten.
Zudem haben sich die Hersteller auf die LED-Beleuchtungstechnik eingestellt. Diese Leuchtmittel erfordern konstanten Strom. Auch sind mittlerweile Kommunikationsbusse zur Beleuchtungssteuerung in die DC/DC-Wandler integriert. Ein Beispiel sind Wandler mit DALI-Schnittstelle (Digital Adressable Lighting Interface) von Cincon, mit denen sich Smart-Home-Konzepte umsetzen und z. B. eine LED-Lichtanlage dimmen und fernsteuern lässt (Bild 2). Im oberen Leistungsbereich ist die Serie »CHB300« von Cincon angesiedelt, die Leistungen bis 300 W wandelt. Der Eingangsspannungsbereich ist auf gängige Betriebsumgebungen abgestimmt, um die optimale Effizienz zu erreichen. Die Eingangsspannung kann hier zwischen 180 V(DC) und 425 V(DC) liegen, die Ausgangsspannung beträgt modellabhängig 5 V, 12 V, 24 V, 28 V oder 48 V. Das Gehäuse ist, wie in diesem Leistungsbereich üblich, als Half-Brick ausgeführt, auf der Oberseite lässt sich ein Kühlkörper aufbringen.
Elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge und ihre Peripherie stellen besonders hohe Anforderungen an die elektronischen Komponenten. Sie sind in der DIN-Norm EN 50155 definiert. Diese Norm gilt für alle elektronischen Einrichtungen wie Steuerungs- und Regelungsmodule, Schutz- und Versorgungsschaltungen usw., die auf Schienenfahrzeugen installiert sind. Cincon hat speziell für Bahnanwendungen EN-50155-konforme DC/DC-Wandler mit einem Leistungsbereich von 6,6 W bis 300 W entwickelt. Die Serie »CQB150W-110S« empfiehlt sich mit hoher Effizienz von bis zu 91 %. Der isolierte, geregelte Ausgang liefert 150 W. Besonders wichtig bei Bahnanwendungen sind zuverlässige Schutzschaltungen. Daher ist dieser Wandler gegen Überspannung, Überstrom und Übertemperatur sowie Dauerkurzschluss abgesichert (Bild 3). Neben den Anwendungen in der Eisenbahntechnik eignen sich die Produkte auch für andere Applikationen in rauen Umgebungen. (rh)
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