Elektronische Bauelemente für den Schienenverkehr müssen hohe Anforderungen an Temperaturschwankungen, elektromagnetische Störungen und viele andere Widrigkeiten, wie z. B. Vibrationen, erfüllen und sollten viele Jahre oder sogar Jahrzehnte halten.

Mechanischer Verschleiß ist bei elektronischen Bauelementen zwar kein großes Problem, aber die Haltbarkeit von elektrischen Verbindungen, Leiterplatten und Drähten verschlechtert sich unter Eisenbahnbedingungen teilweise deutlich. Um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, sind umfangreiche Tests über lange Zeiträume hinweg erforderlich. Diese Maßnahmen sind kostspielig, zumal die Bahnzulieferer auch Komponenten von Drittanbietern prüfen müssen. Die umfassenden Vorschriften sind in der Norm EN 50155 beschrieben. Daneben werden die AREMA-Normen (American Railway Engineering and Maintenance-of-way) angewendet.

Diese Norm fordert für Spannungswandler (Klasse L4) eine Nutzungsdauer von 20 Jahren, wobei ein Jahr mit 350 bis 360 Tagen bei jeweils 16 bis 24 Betriebsstunden bemessen ist. Jeder Ausfall und jeder Austausch erhöht die Systemkosten. Bauelemente wie Elektrolytkondensatoren verlieren mit der Zeit an Qualität, da das Dielektrikum austrocknet, aber auch Halbleiter verändern ihre Eigenschaften. Beispiele sind das Stromübertragungsverhältnis (Current Transfer Ratio, CTR) von Optokopplern oder die Eigenschaften von Isolatoren.

Auch die Norm IEC 61373 ist relevant. Sie legt die Anforderungen für die Prüfung von Betriebsmitteln fest, die für den Einsatz in Schienenfahrzeugen bestimmt sind und dort aufgrund der Betriebsumgebung Vibrationen und Stößen ausgesetzt sind.

Zudem müssen spezifische Brandschutznormen erfüllt werden. Diese sind in der EN 45545 für Eisenbahnanwendungen in drei Teilen beschrieben. EN 45545-1 beinhaltet grundlegende Definitionen sowie allgemeine Regeln für die Klassifizierung von Schienenfahrzeugen. EN 45545-2 beschreibt die Materialanforderungen für die verschiedenen Gefahrenstufen HL1, HL2 und HL3. EN 45545-3 definiert die Anforderungen an den Feuerwiderstand von Feuerschutzabschlüssen.

Eine Checkliste für Stromversorgungen

Bei Bahnanwendungen muss unter allen Umständen eine stabile und zuverlässige Stromversorgung gewährleistet sein, unabhängig davon, ob sie für den Transport oder den Komfort der Fahrgäste benötigt wird. Dabei sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen, z. B:

1. Eingangsspannungsbereich: Es gibt viele verschiedene und sogar wechselnde Versorgungsspannungen. Schaut man sich die gängigen Batterien an, so findet man allein hier Spannungen von 24 V, 28 V, 36 V, 48 V, 72 V, 96 V und 110 V. Eine große Schwankungstoleranz ist notwendig. Die isolierten Hochleistungs-DC/DC-Wandler der RFT-Serie von Bel Power Solutions bieten zum Beispiel einen Eingangsspannungsbereich von 12:1 (14 V bis 160 V).

2. Betriebstemperaturbereich: Elektronische Geräte sind Hitze, Kälte und Feuchtigkeit ausgesetzt, die sich im Laufe eines Tages und im Verlauf der vier Jahreszeiten erheblich ändern können.


3. Vibrationsbeständigkeit: Im Rangierbetrieb treten häufig Beschleunigungen von bis zu 5 G auf. Noch problematischer ist die konstante Vibrationsbelastung während der Fahrt, die zu mechanischer Ermüdung und damit zum Ausfall von Bauelementen führen kann. Zur Vermeidung solcher Ausfälle wurde die Norm EN 61373 erstellt, die eine Mindestschwingungs- und Schockfestigkeit für Stromversorgungen in Bahnanwendungen vorschreibt. Die isolierten DC/DC-Wandler des Typs RQB-50Y 50W erfüllen diese Anforderungen und werden in einem 1/4-Brick-Gehäuse nach Industriestandard und mit Pin-out angeboten.


4. EMV-Leistung: Die Elektronik im Bahnbereich muss auch in sehr ungünstigen elektromagnetischen Umgebungen einwandfrei funktionieren. Einerseits ist sie starken Magnetfeldern ausgesetzt, die von Elektromotoren und Transformatoren erzeugt werden. Andererseits muss sie den von den Stromabnehmern ausgehenden Störungen standhalten. Hinzu kommen zahlreiche Störquellen, die von den Fahrgästen mit Mobiltelefonen und Laptops in den Zug gebracht werden. Keine dieser Störquellen darf die Funktion von empfindlichen Bauteilen wie Antriebssystemen, Motorsteuerungen und Anzeigen beeinflussen. Dazu verweist die EN 50155 wiederholt auf die Ergänzungsnorm EN 50121-3-2 „Bahnanwendungen - Elektromagnetische Verträglichkeit - Bahnfahrzeuge - Geräte“, die klare Grenzwerte für gestrahlte und leitungsgebundene Störungen sowie strenge Anforderungen an die Überspannungs- und Transientenfestigkeit definiert. Um diese EMV-Anforderungen zu erfüllen, ist ein EMV-Filter zum Schutz des DC/DC-Wandlers und zur Absorption aller leitungsgebundenen Emissionen erforderlich.


5. Isolierung: Zum Schutz von Mitarbeitern, Fahrgästen, Fahrzeugen und der Umwelt sind verstärkte oder doppelte Isolierungen erforderlich. Die 6-W-DC/DC-Wandler der Serie RDT-6Y von Bel Power Solutions verfügen über eine E/A-Isolationsprüfspannung von 3 kV_AC und einen kapazitiven Lastbereich von 220 µF bis 1000 µF.

Die Nachqualifizierung einer Komponente für Schienenfahrzeuge ist mit hohen Kosten und viel Aufwand verbunden. Die Typenzulassung für EMV (EN 50121-3-2), Vibration und Schock (EN 61373), Brandschutz (EN 45545-2), Änderungen am Systemdesign usw. stellt eine enorme Belastung für die Eisenbahnzulieferer dar.

Fazit

Die hohen Anforderungen an die Langlebigkeit der Bahntechnik sowie die spezifischen Anforderungen dieser Anwendungen stellen Systementwickler vor zahlreiche Herausforderungen. Daher sind eine sorgfältige Planung und eine langfristige Unterstützung durch zuverlässige Hersteller und Distributoren essenziell für ein erfolgreiches und zuverlässiges Bahnsystem.