Высоконадежные DC/DC-конвертеры TRACO для железнодорожного транспорта

31 марта

Игорь Елисеев (г. Химки)

Высококачественные DC/DC-конвертеры TRACO для железнодорожных приложений отвечают повышенным требованиям по электромагнитной совместимости, характеризуются расширенным диапазоном входных напряжений (как правило, от 143 до 160 В) и повышенной устойчивостью к вибрациям и ударным нагрузкам. В статье подробно рассмотрены семейства специализированных конвертеров TEP/WIR, TEP/UIR и TEQ/WIR.

Основанная в 1944 году в Швейцарии, компания TRACO многие десятилетия посвятила развитию компетенций в области преобразования электрической энергии. Благодаря этому, продукция TRACO отличается превосходными техническими и эксплуатационными характеристиками и пользуется заслуженным спросом во всем мире. В соответствии с лучшими традициями швейцарских производителей, в производстве используются только высококачественные материалы и компоненты от надежных поставщиков. Готовые изделия подвергаются многочисленным испытаниям в собственных тестовых лабораториях компании. В связи с этим продукция TRACO отличается очень высокой степенью надежности, что позволяет использовать ее в самых ответственных приложениях, таких как аппаратура для подвижного состава железных дорог.

Источникам питания, предназначенным для использования на железнодорожном транспорте, приходится работать в невероятно сложных условиях. Входное напряжение крайне нестабильно, изобилует многочисленными выбросами, подъемами и спадами. Приборы подвергаются воздействию мощных электромагнитных помех, периодических ударных нагрузок и постоянной вибрации в условиях экстремальных температур и влажности. При этом источники питания должны надежно работать и выдавать стабильное напряжение в соответствии с заданными параметрами в течение длительного времени. Кроме того, так как речь идет о перевозке людей, необходимо учитывать ряд требований, касающихся безопасности пассажиров и персонала транспортного средства. В первую очередь это касается защиты людей от поражения электрическим током, что подразумевает наличие усиленной изоляции с высоким значением сопротивления. Помимо этого, источник питания для транспорта должен соответствовать требованиям по пожарной безопасности. Это означает, что изделие должно проектироваться с учетом степени воспламеняемости используемых материалов и их способности испускать вредные для здоровья газы и дым под действием высоких температур.

Требования к электронному оборудованию для железнодорожного транспорта закреплены в ряде европейских и международных стандартов. Основным стандартом для железнодорожной электроники служит EN 50155. Он определяет условия эксплуатации и обслуживания, допустимые характеристики окружающей среды, ожидаемые показатели надежности, параметры безопасности и методики тестирования. Прежде всего, стандартом регламентируются диапазоны входных напряжений DC/DC-конвертеров с учетом областей перенапряжения (выше максимально допустимого) и недонапряжения (ниже минимально допустимого) при условии, что временной интервал, в течение которого входное напряжение находится в какой-либо из этих областей, не превышает заданных пределов для данной зоны. На рисунке 1 приведены допустимые диапазоны входных напряжений для трех характерных для железнодорожного транспорта номинальных напряжений – 24 В, 72 В и 110 В.

Рис. 1. Диапазоны входных напряжений DC/DC-конвертеров для железнодорожного транспорта

Серым цветом на диаграмме обозначен стандартный диапазон входных напряжений, при котором источник питания сохраняет работоспособность и все заданные характеристики неопределенно долгое время (Continuous range). Красным цветом обозначена зона, где входное напряжение ниже нижней границы стандартного диапазона и где DC/DC-конвертер должен сохранять все свои характеристики в течение как минимум 100 мс (Brownout range 100 ms). Черный цвет на диаграмме определяет область, где входное напряжение кратковременно превышает максимально допустимое, и где источник питания должен сохранять работоспособность и все заданные характеристики не менее одной секунды (Surge range 1 sec). В общем случае границы данных областей в зависимости от номинального напряжения (Vnom) можно определить по следующим формулам:

• Стандартный диапазон (Continuous range) – 0,7 … 1,25 x Vnom
• Нижняя граница недонапряжения (Brownout) – 0,6 x Vnom
• Верхняя граница перенапряжения (Surge) – 1,4 x Vnom

На практике производители источников питания предпочитают расширить диапазон входных напряжений своих изделий, а не разрабатывать специальные схемотехнические решения для полноценной работы приборов в областях недонапряжения и перенапряжения. Этот подход вполне оправдан, он позволяет существенно упростить схемотехнику источника питания без ухудшения характеристик и сократить количество используемых компонентов, что, в свою очередь, снижает стоимость изделий и повышает их надежность. В этом случае для соответствия стандарту диапазон входных напряжений должен как минимум перекрывать интервал от 0,6 до 1,4 x Vnom, то есть отношение верхней границы к нижней должно быть не меньше, чем 2,33:1. В реальности, как правило, это отношение еще больше. Например, достаточно часто можно встретить диапазон входных напряжений от 43 до 160 В, соответственно, отношение в этом случае будет равно 3,72:1. Производители источников питания таким образом решают две задачи. Во-первых, сокращают номенклатуру изделий за счет того, что разрабатывают приборы на работу в нескольких смежных диапазонах (как в предыдущем примере, где перекрываются сразу два диапазона — на номиналы 72 и 110 В). Во-вторых, расширенный входной диапазон позволяет использовать конвертеры в случае нетипичных входных напряжений, используемых не повсеместно, а лишь в некоторых странах мира. К числу таких относится, например, напряжение в 96 В, применяемое в ряде случаев на железнодорожном транспорте. Вместо того, чтобы создавать специализированный источник питания на номинальное входное напряжение 96 В, можно использовать типовой конвертер на диапазон 43 … 160 В. Помимо того, что диапазон входных напряжений уже перекрывает рекомендованную стандартом верхнюю границу перенапряжений, источники питания для железнодорожного транспорта, как правило, дополнительно рассчитаны на кратковременные выбросы напряжения по входу, превышающие максимально допустимые значения. Так, например, у DC/DC-конвертеров TRACO на диапазон 43 … 160 В, рассмотренных ниже, допускаются выбросы входного напряжения (Surge Voltage) амплитудой до 185 В в течение времени, не превышающего одну секунду.

В отличие от DC/DC-конвертеров общего назначения, к преобразователям постоянного напряжения для железнодорожного транспорта предъявляются повышенные требования в плане электромагнитной совместимости. Это связано, прежде всего, с тем, что электромагнитные помехи могут привести к серьезным сбоям в работе многочисленных электронных устройств, так или иначе связанных с управлением железнодорожным транспортом (системы телекоммуникаций, спутниковой навигации, автоматизированного управления инфраструктурой и т.д.), что, в свою очередь, приведет к тяжелым последствиям – авариям и катастрофам. Поэтому, источники питания для железнодорожных приложений должны соответствовать целому ряду международных, европейских и отраслевых стандартов по электромагнитной совместимости, как в плане излучения электромагнитных помех, так и по защите от них. Основными стандартами, содержащими требования по характеру (спектру) и амплитуде электромагнитных колебаний, излучаемых электронными устройствами в питающую сеть или в эфир, являются EN 55011, EN 55022 и EN 55032. Следует отметить, что EN 55032 – это более современная или, точнее сказать, расширенная версия стандарта EN 55022, включающая ряд дополнений. Проще говоря, если прибор соответствует EN 55022, то он также будет соответствовать и EN 55032, поэтому в технической литературе часто можно встретить обозначение EN 55022/32. Поскольку в технической документации на DC/DC-конвертеры TRACO упоминаются как старая, так и новая версии, это не должно смущать читателя – фактически речь идет об одном и том же стандарте. Например, в технической документации на источники питания (datasheet) говорится о соответствии стандарту EN 55032, а в документации по применению (application note) – EN 55022. Главное, о чем следует знать, это то, что в данных стандартах определены два стандартизованных уровня или класса электромагнитных излучений (EMI Emissions) – Class A и Class B. Class B предъявляет более жесткие требования к паразитным излучениям, он предназначен для жилых помещений, а Class A – для всех остальных случаев. Эти классы применяются к обоим видам электромагнитных помех – как к излучаемым в эфир (Radiated Emissions), так и к проникающим в общие цепи по шинам питания (Conducted Emissions). С излучением помех в эфир можно бороться с помощью обычных металлических экранов, а вот для подавления помех, проникающих в общую шину питания, обычно применяют пассивные π-образные LC-фильтры. Некоторые из DC/DC-конвертеров TRACO для железнодорожных приложений уже имеют встроенные фильтры, для остальных необходим внешний фильтр. Что касается защиты от электромагнитных помех и электростатических разрядов (EMS Immunity), то здесь требуется соответствие требованиям стандартов EN 50155, EN 50121-3-2 и EN 61000-4, который содержит методы испытаний и измерений. Не углубляясь в детали, можно отметить, что все DC/DC-конвертеры TRACO, рассмотренные ниже, полностью соответствуют требованиям данных стандартов.

Еще один стандарт, требованиям которого должны удовлетворять все без исключения источники питания для железнодорожного подвижного состава – это EN 61373, где изложены нормативы, методы тестирования и измерения при испытаниях на воздействие вибрационных и ударных нагрузок. Стандарт определяет три категории по уровню тяжести испытаний в зависимости от места расположения тестируемого прибора на железнодорожном транспортном средстве. Категория 1, в свою очередь, подразделяется на две подкатегории, именуемые Class A и Class B (не путать с классами по электромагнитным излучениям). Категории:

1. Body mounted – тестируемый прибор установлен на корпусе (вагоне, кабине, платформе) железнодорожного подвижного состава:
   • Class A – тестируемое изделие смонтировано непосредственно на корпусе транспортного средства;
   • Class B – тестируемое изделие размещено в корпусе прибора, который, в свою очередь, смонтирован непосредственно на корпус транспортного средства.
2. Bogie mounted – тестируемый прибор установлен непосредственно на тележке железнодорожного транспортного средства.
3. Axle mounted – тестируемый прибор установлен непосредственно на колесной паре железнодорожного транспортного средства.

В зависимости от категории, изделие подвергается испытаниям определенной степени тяжести. Например, изделие, испытываемое по категории 1 класса B, должно выдерживать вибрации с ускорением до 5,72 м/с² по вертикали в диапазоне частот от 5 до 150 Гц с ударами в поперечном направлении ускорением до 50 м/с² (примерно 5g). А прибор, тестируемый по категории 3, должен выдерживать вибрации до 144 м/с² (около 15g) и удары не менее 100g в любом направлении. Данные примеры наглядно показывают, насколько прочным должно быть изделие, чтобы выдержать подобные перегрузки и при этом сохранить работоспособность. В тестовых лабораториях TRACO такие испытания проводят на вибростендах с использованием стробоскопа, что позволяет уловить движение каждого компонента в отдельности с целью выявить слабые места конструкции (рисунок 2).

Рис. 2. Испытание на вибростенде с использованием стробоскопа в тестовой лаборатории TRACO

Благодаря подобным испытаниям, инженеры TRACO выявляют проблемные места и принимают соответствующие меры для изменения конструкции как самого прибора, так и отдельных его компонентов с целью увеличения механической прочности изделия. Так, например, было выявлено, что небольшие модули и компоненты для установки на плату со штырьковыми выводами, расположенными в один ряд (типа SIP – Single In-line Package) не обладают достаточной прочностью для противодействия ударным и вибрационным нагрузкам. На рисунке 3 показано, как была решена данная проблема для модуля типа TMR 3WIR, где были добавлены силовые элементы конструкции, а именно – прочные дополнительные выводы, предназначенные исключительно для надежного механического крепления модуля к печатной плате.

Рис. 3. Модуль с дополнительными элементами крепления для противодействия вибрационным и ударным воздействиям

Еще один пример удачного инженерного решения для противодействия вибрационным воздействиям приведен на рисунке 4. Там изображен внешний разъем DC/DC-конвертера серии TEQ 300WIR, отличающийся от стандартного тем, что в нем используются пружинные фиксаторы, обеспечивающие надежное соединение с ответным разъемом при любом допустимом уровне вибрации.

Рис. 4. Внешний разъем конвертера TEQ 300WIR с пружинными фиксаторами для противодействия вибрационным нагрузкам

Следует упомянуть еще один нормативный документ, требованиям которого по ударным и вибрационным воздействиям удовлетворяют все источники питания TRACO для железнодорожного транспорта – это военный стандарт MIL-STD-810F. Вообще, данный стандарт классифицирует степень защищенности электронного оборудования от широкого спектра неблагоприятных внешних воздействий. Помимо ударов и вибрации, в этот перечень входят солнечное излучение, экстремальная температура, воздействие соли, высокая влажность воздуха и дождь.

Источники питания для железнодорожных приложений должны надежно работать с соблюдением всех заявленных характеристик в широком температурном диапазоне. Нижняя граница этого диапазона обычно достигает -40°C, а верхняя, как правило, находится в пределах 75…85°C. Если бы речь шла об обычных (стационарных) индустриальных приложениях, то хватило бы простой декларации о полноценной работе прибора в данном температурном диапазоне. Но для железнодорожного подвижного состава этого недостаточно. Тут необходимым дополнительным условием выступает требование устойчивой работы под воздействием так называемых тепловых ударов (thermal shock), когда температура окружающей среды совершает резкие скачки в течение короткого промежутка времени. Такая ситуация возможна, например, в случае, когда железнодорожное транспортное средство въезжает или покидает тоннель или какое-нибудь помещение (здание депо, ангар и т.д.). Перепад температур в этом случае может быть больше 40°, а скорость изменения температуры – превышать 3° в секунду. Такое резкое изменение температуры может привести к мгновенному образованию конденсата, следовательно, источники питания должны быть соответствующим образом герметизированы. Причем, с учетом того, что под действием температуры предметы меняют свои размеры, герметизирующее покрытие должно быть конформным, то есть обладать свойством постоянства расширений (и сжатий) во всех направлениях. Кроме того, компоненты прибора и вся конструкция в целом не должны повреждаться и, тем более, разрушаться под воздействием сил, возникающих за счет разности коэффициентов теплового расширения образующих их материалов. Требования по устойчивости к тепловым ударам изложены в упоминавшихся выше военном стандарте MIL-STD-810F и в основном стандарте для железнодорожной электроники EN 50155.

Для соответствия требованиям по противопожарной безопасности материалы, которые используются при изготовлении DC/DC-конвертеров, должны быть сертифицированы по стандарту EN 45545-2. Стандартом регламентируются максимально допустимые значения кислородного индекса, плотности дымовых газов и токсичности дыма под воздействием высоких температур. Все источники питания TRACO для железнодорожного транспорта полностью соответствуют требованиям данного стандарта.

Компания TRACO производит очень широкий ассортимент DC/DC-конвертеров для железнодорожных приложений в диапазоне мощностей от 3 до 300 Вт. Рассмотреть все это многообразие в рамках одной статьи представляется практически невозможным. Поэтому, для обзора в данной статье были выбраны только три наиболее популярных и востребованных в отрасли семейства – TEP/WIR, TEP/UIR и TEQ/WIR.

TEP/WIR – это семейство высокоэффективных DC/DC-конвертеров с гальванической развязкой «вход-выход» и широким диапазоном входных напряжений (с соотношением границ примерно 4:1). Семейство содержит серии на 100, 160 и 200 Вт, каждая из которых включает три группы по номинальным входным напряжениям – на 24, 48 и 110 В. Каждая группа, в свою очередь, имеет в составе ряд позиций на различные номиналы выходных напряжений из ряда 5, 12, 15, 24, 28 и 48 В. Выходные напряжения регулируются с помощью внешних резисторов – до 10% в сторону увеличения и до 20% в сторону уменьшения. Все приборы снабжены защитами от коротких замыканий, перегрузок, перенапряжений и перегрева. Имеются также схема отключения при снижении питающего напряжения ниже допустимого уровня (Under Voltage Lockout) и функция «мягкого» старта (Soft start), обеспечивающая плавное, без выбросов, нарастание выходного напряжения при включении питания.

Источники питания семейства TEP/WIR выпускаются в трех вариантах, имеющих схожие технические характеристики, но отличающихся конструктивным исполнением и наличием встроенного входного фильтра электромагнитных помех класса A. В зависимости от варианта исполнения, названия приборов будут оканчиваться на WIR, WIRCM или WIRCMF. Общая структура наименования DC/DC-конвертеров семейства TEP/WIR приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Общая структура наименования DC/DC-конвертеров семейства TEP/WIR

Общая часть названия, присущая всем вариантам исполнения, включает максимальную выходную мощность в ваттах (100, 160 или 200), цифры, соответствующие номинальному входному напряжению – 24 для 24 В, 48 для 48 В и 72 для 110 В, а также цифровой код, обозначающий тип и значение выходного напряжения. Цифровой код представляет собой комбинацию из двух цифр, первая из которых определяет тип выхода – однополярный (1) или двухполярный (2), а вторая соответствует определенному номиналу выходного напряжения. В настоящее время все источники питания семейства TEP/WIR выпускаются только в версии с однополярным выходом, соответственно, все цифровые коды будут начинаться с цифры 1. Соответствие цифровых кодов выходным напряжениям приведено в таблице 1.

Таблица 1. Кодированные обозначения номинальных выходных напряжений

Аббревиатура WIR, также являющаяся общей частью названия, обозначает широкий диапазон входных напряжений (WI – Wide Input) и предназначение для железнодорожных приложений (R – Railway). Буквами CM (Chassis Mount) обозначается вариант для установки на шасси, а буква F в конце названия свидетельствует о наличии встроенного фильтра класса A.

Внешний вид изделий на примере 200-ваттного конвертера в исполнениях WIR, WIRCM и WIRCMF приведен на рисунках 6, 7 и 8 соответственно.

Рис. 6. Внешний вид DC/DC-конвертера семейства TEP в исполнении WIR

Рис. 7. Внешний вид DC/DC-конвертера семейства TEP в исполнении WIRCM

Рис. 8. Внешний вид DC/DC-конвертера семейства TEP в исполнении WIRCMF

Конвертер семейства TEP в исполнении WIR представляет собой полностью герметизированную конструкцию в прочном корпусе, надежно защищающем элементы схемы от внешних воздействий. Для электрических соединений служат штырьковые выводы на нижней поверхности корпуса, а для механического крепления – четыре сквозных резьбовых отверстия по углам. Данные монтажные отверстия служат также для установки внешнего радиатора. Стандартно радиатор не входит в комплект поставки, но его можно заказать дополнительно. Название радиатора – TEP-HS1, он разработан специально для использования совместно с конвертерами TEP в исполнении WIR и подходит ко всем моделям – на 100, 160 и 200 Вт.  Внешний вид конвертера в исполнении WIR с установленным радиатором приведен на рисунке 9.

Рис. 9. Конвертер TEP в исполнении WIR с установленным радиатором типа TEP-HS1

Конвертеры TEP в исполнениях WIRCM и WIRCMF предназначены для установки на шасси, которое служит, помимо прочего, для теплоотвода. Основная схема конвертера так же, как и в предыдущем случае, заключена в герметичный корпус, который установлен на достаточно массивное алюминиевое основание, служащее одновременно для механического крепления и для отвода тепла. Внешние электрические соединения осуществляются посредством клеммной колодки, расположенной на дополнительной плате с обратной стороны корпуса конвертера. На той же плате устанавливается входной электрический фильтр в варианте исполнения  WIRCMF.

Благодаря высокому КПД, достигающему 91%, конвертеры TEP/WIR не требуют очень мощных систем охлаждения и при определенных условиях могут вовсе обойтись без них. Все зависит от конкретных условий эксплуатации, главным образом – от трех факторов: наибольшее значение температуры окружающей среды, интенсивность конвекции воздуха и средний уровень выходной мощности. В инструкциях по применению (Application Note) для каждой модели конвертера семейства TEP/WIR приводятся графики зависимости допустимого уровня выходной мощности от температуры окружающей среды и интенсивности воздушного потока, используемого для охлаждения. В качестве примера на рисунках 10 и 11 приведены соответствующие графики для конвертера TEP 200-2413WIR. График на рисунке 10 показывает допустимую выходную мощность конвертера (в процентах от максимальной) в зависимости от окружающей температуры в °C и скорости движения воздушных масс в единицах LFM (Linear Feet per Minute – футов в минуту)  при трех условиях:

• Модуль конвертера (WIR или WIRCM/F) установлен на металлической пластине размерами 19 на 3,5 дюйма и толщиной 0,063 дюйма. Красная линия отображает зависимость выходной мощности от температуры при скорости воздушного потока 20LFM (соответствует естественной конвекции).
• Изолированный модуль конвертера WIRCM/F (не установленный на шасси). Линия салатового цвета отображает зависимость мощности от температуры при естественной конвекции воздуха.
• Изолированный модуль конвертера WIR (без радиатора). Несколько линий разных цветов отображают зависимости мощности от температуры при различных интенсивностях конвекции.

На рисунке 11 показан график зависимости допустимой выходной мощности от температуры окружающей среды при различных скоростях движения воздуха для модуля конвертера WIR со штатным радиатором типа TEP-HS1.

Рис. 10. Зависимость выходной мощности от температуры окружающей среды для конвертера TEP 200-2413WIR

Рис. 11. Зависимость выходной мощности от температуры окружающей среды для конвертера TEP 200-2413WIR с радиатором TEP-HS1

С помощью этих графиков достаточно легко подобрать вариант исполнения и схему охлаждения, исходя из планируемых условий эксплуатации. Допустим, предполагается использовать конвертер TEP 200-2413WIR при условии, что среднее значение выходной мощности будет порядка 70% от максимально допустимой, а температура окружающей среды не превысит 50°C. Тогда, в соответствии с графиком на рисунке 10, если предполагается установка на шасси, подходит вариант WIRCM/F с охлаждением естественной конвекцией, а если нет – то вариант WIR с принудительной конвекцией интенсивностью 100LFM. Или же можно выбрать вариант WIR с радиатором и естественной конвекцией, как следует из графика на рисунке 11.

При выборе в пользу того или иного варианта исполнения необходимо также учитывать требования по электромагнитной совместимости. Подавляющее большинство железнодорожных приложений требует соответствия стандарту EN 55032 по классу A, чему соответствует вариант WIRCMF, благодаря наличию встроенного фильтра данного класса. Если же по каким-то причинам данный вариант не устраивает потребителя или требуется соответствие по классу B, то тогда следует использовать WIR или WIRCM с внешним фильтром. Схемы внешних фильтров, рекомендуемые компоненты и их номиналы для отдельных конвертеров семейства TEP/WIR в зависимости от мощности и диапазона входных напряжений приведены в соответствующих инструкциях по применению. На рисунках 12 и 13 в качестве примера приведены принципиальные схемы фильтров классов A и B, рекомендуемые для конвертеров серий TEP 160/WIR и TEP 200/WIR. А для конвертеров серии TEP 100/WIR для каждого класса предлагается уже по два варианта схем фильтров – один для конвертеров типов TEP 100-24xxWIR и TEP 100-48xxWIR, другой для источников питания типа TEP 100-72xxWIR.

Рис. 12. Рекомендуемая принципиальная схема входного фильтра класса A для конвертеров на 160 и 200 Вт

Рис. 13. Рекомендуемая принципиальная схема входного фильтра класса B для конвертеров на 160 и 200 Вт

В таблице 2 приведены основные электрические параметры источников питания семейства TEP/WIR. Необходимо отметить, что хотя таблица содержит названия конвертеров в основном варианте исполнения (с суффиксом WIR), все указанные в ней параметры также справедливы и для соответствующих версий приборов, предназначенных для установки на шасси (с суффиксами WIRCM и WIRCMF).

Таблица 2. Основные электрические характеристики DC/DC конвертеров семейства TEP/WIR

Основные технические и эксплуатационные характеристики серий конвертеров семейства TEP/WIR в зависимости от номинала входного напряжения представлены в таблице 3.

Таблица 3. Основные технические и эксплуатационные характеристики серий конвертеров семейства TEP/WIR

Габаритные размеры и вес DC/DC-конвертеров семейства TEP/WIR в различных вариантах исполнения приведены в таблице 4.

Таблица 4. Весогабаритные показатели конвертеров TEP/WIR в различных вариантах исполнения

Как уже отмечалось выше, выходное напряжение конвертеров семейства TEP/WIR можно регулировать в определенных пределах с помощью внешних резисторов – до 10% в сторону увеличения или до 20% в сторону уменьшения. Схема подключения резисторов приведена на рисунке 14.

Рис. 14. Схема подключения внешних резисторов для повышения (слева) или понижения (справа) выходного напряжения

Для повышения напряжения нужно подключить резистор (R_up на рисунке 14) между выводами Trim и +Sense, а для понижения – подключить резистор (R_down) между контактами Trim и -Sense. Сопротивление резистора для повышения напряжения (R_up) в килоомах можно рассчитать по формуле:

$$R_{up}=\frac{V_{out}\times (100+\Delta\%)}{1.225\times \Delta\%}-\frac{100+2\times \Delta \%}{\Delta \%},$$

где V_out – это значение номинального выходного напряжения в вольтах, а Δ% – величина процентов, на которые надо изменить напряжение на выходе. Сопротивление резистора для понижения напряжения (R_down) в килоомах рассчитывается по формуле:

$$R_{down}=\frac{100}{\Delta \%}-2$$

В инструкциях по применению приведены таблицы с уже рассчитанными значениями сопротивлений в зависимости от величины повышения или понижения в процентах, с шагом в один процент.

Обычно повышение выходного напряжения требуется для компенсации потерь на проводах, подключенных к нагрузке. Для источников питания семейства TEP/WIR предусмотрено решение, позволяющее автоматически отслеживать и компенсировать эти потери. Для этого напряжение непосредственно с нагрузки подается на выводы +Sense и -Sense (рисунок 15), встроенная схема конвертера сравнивает это напряжение с номиналом и, если необходимо, повышает напряжение на выходе (максимум на 10%).

Рис. 15. Схема компенсации потерь в проводах, питающих нагрузку

Все конвертеры семейства TEP/WIR могут включаться и выключаться дистанционно. Для этой цели предназначен вывод номер 3 конвертера в основном исполнении (WIR), к которому подключаются элементы схемы дистанционного управления. Чаще всего этот вывод обозначается как CTRL, но в некоторых случаях можно встретить обозначение Remote. Конвертер находится во включенном состоянии, когда на выводе CTRL присутствует напряжение от 3,0 до 12,0 В положительной полярности относительно отрицательной шины питания (-INPUT), или если этот вывод вообще ни к чему не подключен. Если на вывод CTRL будет подано напряжение не выше 1,2 В или же он будет подключен на «землю» (то есть на шину -INPUT) – конвертер отключится. Допускается подключение к выводу CTRL открытого коллектора или выхода микросхемы TTL-логики. На рисунке 16 приведены две схемы – на левой показано подключение выхода оптопары с открытым коллектором, а на правой условно изображено подключение выходного каскада логической микросхемы.

Рис. 16. Дистанционное управление с помощью оптопары (слева) и микросхемы TTL-логики (справа)

Опционально конвертеры на 160 и 200 Вт содержат вывод Sync. Этот вывод предназначен для синхронизации рабочих частот нескольких конвертеров (до 3-х) одного типа при подключении их к одной питающей сети. Схема подключения показана на рисунке 17. При объединении по выводу Sync рабочие частоты всех конвертеров синхронизируются по частоте и фазе с модулем, имеющем самую высокую частоту. Данное решение позволяет значительно улучшить спектральные характеристики генерируемых помех, что благотворно сказывается на электромагнитной совместимости устройств в общей питающей сети.

Рис. 17. Подключение конвертеров в режиме синхронизации

Семейство TEP/UIR отличается от рассмотренного выше прежде всего сверхшироким диапазоном входных напряжений (UI расшифровывается как Ultra-wide Input) с соотношением границ порядка 12:1. Семейство включает три серии – на 40, 60 и 100 Вт. Каждая серия содержит две группы – на входной диапазон 9…75 В (номинал 36 В) и на диапазон 14 … 160 В (номинал 110 В).  В каждой группе – пять позиций конвертеров на номинальные выходные напряжения 5, 12, 15, 24 и 48 В. Как и в предыдущем случае, названия конвертеров включают цифры, обозначающие максимальную мощность (40, 60 или 100), число, соответствующее номиналу входного напряжения (36 для 36 В и 72 для 110 В), а также цифровой код, определяющий выходное напряжение (см. таблицу 1). Структура наименования конвертеров семейства TEP/UIR приведена на рисунке 18.

Рис. 18. Структура наименования DC/DC-конвертеров семейства TEP/UIR

Конвертеры семейства выпускаются в компактном, полностью герметизированном металлическом корпусе с размерами 57,9 х 36,8 х 12,7 мм. Корпус имеет два сквозных резьбовых отверстия, предназначенных для механического крепления к печатной плате и для установки внешнего радиатора. Для внешних электрических соединений служат штырьковые выводы на нижней поверхности корпуса. Внешний вид конвертера семейства TEP/UIR представлен на рисунке 19.

Рис. 19. Внешний вид DC/DC-конвертера семейства TEP/UIR

Компания TRACO предлагает два вида радиаторов, предназначенных для использования с конвертерами TEP/UIR – низкопрофильные высотой 0,24 дюйма и полноразмерные высотой 0,5 дюйма. При этом каждый из видов включает две разновидности – с продольным или с поперечным расположением ребер. На рисунках 20 и 21 представлены конвертеры TEP/UIR с установленными на них низкопрофильными радиаторами типа TEP-HS2 (с поперечным расположением ребер) и TEP-HS4 (с продольными ребрами).

Рис. 20. Конвертер семейства TEP/UIR с установленным радиатором TEP-HS2

Рис. 21. Конвертер семейства TEP/UIR с установленным радиатором TEP-HS4

Полнопрофильные радиаторы по форме полностью совпадают с низкопрофильными – TEP-HS3 выглядит как TEP-HS2, отличаясь только высотой, а TEP-HS5 соответствует по форме TEP-HS4. Параметры радиаторов приведены в таблице 5.

Таблица 5. Параметры радиаторов для конвертеров семейства TEP/UIR

Наличие радиаторов с поперечным и продольным расположением ребер позволяет пользователю подобрать наиболее подходящий вариант с тем, чтобы обеспечить наилучшую конвекцию воздуха в месте установки конвертера (чтобы воздух двигался вдоль ребер, а не поперек). Выбор профиля нужного размера будет определяться, в основном, такими параметрами как температура окружающей среды, уровень мощности (в среднем) и скорость движения воздуха. В инструкциях по применению конвертеров семейства TEP/UIR приведено множество графических зависимостей выходной мощности от внешней температуры при различных скоростях конвекции отдельно для низкопрофильных и полнопрофильных радиаторов, а также для варианта без радиатора или с установкой на металлическую пластину определенного размера, причем весь этот пакет зависимостей дается для нескольких входных напряжений каждого конвертера в отдельности. Так что в данном случае можно намного точнее подобрать схему теплового режима, чем для рассмотренного ранее семейства TEP/WIR (хотя сама методика подбора, в сущности, ничем не отличается).

В таблице 6 приведены основные электрические характеристики конвертеров семейства TEP/UIR.

Таблица 6. Основные электрические параметры конвертеров семейства TEP/UIR

Основные технические и эксплуатационные характеристики серий конвертеров семейства TEP/UIR представлены в таблице 7.

Таблица 7. Основные технические и эксплуатационные характеристики серий конвертеров семейства TEP/UIR

Что касается электромагнитной совместимости конвертеров TEP/UIR, то для соответствия требованиям стандартов необходимо использовать внешние фильтры. Схемы фильтров классов A и B для всех серий семейства, а также номиналы комплектующих приведены в соответствующих инструкциях по применению. На рисунках 22 и 23 в качестве примера приведены рекомендуемые схемы фильтров соответствующих классов для конвертеров серии TEP 100/UIR. В случае конвертеров на 40 и 60 Вт для фильтров каждого класса предлагается по два варианта схем – по одному на каждый из входных диапазонов.

Рис. 22. Входной фильтр класса A для конвертеров серии TEP 100/UIR

Рис. 23. Входной фильтр класса B для конвертеров серии TEP 100/UIR

Регулировка выходного напряжения конвертеров семейства TEP/UIR осуществляется точно так же, как и в случае TEP/WIR. Для повышения напряжения (до +10% от номинала) нужно подключить резистор (R_up) соответствующего сопротивления между выводами Trim и +Sense, соответственно для понижения напряжения (до -20%) резистор (R_down) должен включаться между Trim и -Sense (рисунок 14). Формулы для расчета сопротивлений данных резисторов немного отличаются от тех, что были справедливы для семейства TEP/WIR. Сопротивление резистора R_up в килоомах рассчитывается по формуле:

$$R_{up}=\frac{5.11 \times V_{out}\times (100+\Delta\%)}{1.225\times \Delta\%}-\frac{511+10.22\times \Delta \%}{\Delta \%},$$

где V_out – это номинал выходного напряжения в вольтах, а Δ% – величина в процентах, на которую требуется изменить выходное напряжение. Сопротивление резистора R_down в килоомах вычисляется по формуле:

$$R_{down}=\frac{511}{\Delta \%}-10.22$$

Функции компенсации потерь в проводах и удаленного управления (включения и выключения) по параметрам и схемам подключения аналогичны применяемым в семействе TEP/WIR (рисунки 15 и 16). Дополнительно, конвертеры семейства TEP/UIR обладают рядом возможностей, которых не было у источников питания ранее рассмотренного семейства.

Первое, о чем следует упомянуть – это наличие функции удержания (Hold-Up) выходного напряжения на должном уровне в моменты провала (пропадания) входного. Раньше данная проблема решалась с помощью увеличения емкости конденсаторов на входе DC/DC-конвертера. Главным недостатком такого решения была необходимость использования высоковольтных конденсаторов, рабочее напряжение которых должно было с запасом перекрывать верхний диапазон входных напряжений с учетом допустимых выбросов. Например, для конвертеров с верхней границей диапазона 160 В допускаются выбросы входного напряжения до 185 В. В таком случае конденсаторы на входе должны иметь рабочее напряжение не менее 200 В. Конденсаторы на высокое напряжение стоят намного дороже и имеют увеличенные, по сравнению с низковольтными, габариты. В конвертерах TEP/UIR для удержания выходного напряжения применяются конденсаторы на рабочее напряжение 25 В, но они подключаются не к входным шинам, а к специальному выводу Bus. Данные конденсаторы накапливают энергию, когда напряжение на входе имеет высокое значение, и отдают ее в нагрузку в моменты падения. Схема подключения приведена на рисунке 24.

Рис. 24. Входные цепи конвертера в схеме с накопительным конденсатором

В момент подключения к цепи питания стартует процесс зарядки накопительного конденсатора, напряжение на шине Bus постепенно растет, пока не достигнет фиксированной величины в 21,4 В (красная линия на рисунке 25). Когда напряжение на входе падает, накопительный конденсатор начинает разряжаться, отдавая энергию в нагрузку и поддерживая выходное напряжение на должном уровне (рисунок 26). Диод на схеме подключения (рисунок 24) препятствует разряду накопительного конденсатора через входные цепи.

Рис. 25. Динамика изменения напряжений на входе (Vin), на выходе (Vout) и на шине Bus (Vbus) при включении

Рис. 26. Динамика изменения напряжений на входе (Vin), на выходе (Vout) и на шине Bus (Vbus) при падении входного напряжения

Время поддержки (Hold-up Time), определенное как промежуток времени от T₀ до T₁ (рисунок 26), в течение которого поддерживается стабильный уровень напряжения на выходе после падения входного напряжения, зависит от емкости накопительного конденсатора, выходной мощности и КПД конвертера. На практике задаются необходимым временем поддержки и, исходя из этого, рассчитывают емкость конденсатора. Расчетные формулы различаются в зависимости от рабочего диапазона входных напряжений конвертера.

Емкость накопительного конденсатора (C_hold) в фарадах для конвертеров на максимальной выходной мощности для диапазона 9…75 В вычисляется по формуле:

$$C_{hold}=0.0077\times \frac{P_{max}}{\eta }\times T_{hold},$$

а для диапазона 14…160 В по формуле:

$$C_{hold}=0.0096\times \frac{P_{max}}{\eta }\times T_{hold},$$

где P_max – максимальная выходная мощность в ваттах, η – КПД конвертера, а T_hold – время поддержки в секундах.

В инструкции по применению есть таблица, где приведены рекомендуемые емкости накопительного конденсатора на все позиции конвертеров для трех времен поддержки – 10, 20 и 30 мс. Например, для конвертера TEP 40-3611UIR с временем поддержки 10 мс в соответствии с таблицей получаем 3500 мкФ. При расчете по формуле получается:

$$C_{hold}=0.0077\times \frac{40}{0.89}\times 0.01=0.003460\:Ф,$$

что хорошо согласуется со значением из таблицы.

Если конвертер используется не на полной мощности, то емкость конденсатора рассчитывается по формуле:

$$C_{hold}=\frac{P_{out}}{P_{max}}\times C_{max},$$

где P_out – реальная выходная мощность, P_max – максимальная выходная мощность, а C_max – рекомендуемое значение емкости для максимальной мощности.

Схема с подключением накопительного конденсатора к выводу Bus обладает еще одним неоспоримым преимуществом по сравнению со стандартным вариантом, когда конденсаторы подключаются непосредственно к шинам питания в первичной цепи. В стандартном варианте, из-за наличии конденсаторов большой емкости, в момент подачи питающего напряжения возникает мощный импульс тока (inrush current) в шине питания, который может привести к срабатыванию предохранителей и нарушить работу устройств, подключенных к той же цепи питания. Подключение конденсаторов к выводу Bus конвертера позволяет обойтись без использования конденсаторов большой емкости в цепи питания, что, в свою очередь, значительно снижает выбросы тока в первичной цепи.

В конвертерах семейства TEP/UIR, так же, как и у всех остальных рассматриваемых здесь источников питания, имеется схема отключения при снижении входного напряжения ниже допустимого уровня, обозначаемая аббревиатурой UVLO (Under Voltage Lock-Out). Однако, в данном случае эта схема имеет свои специфические особенности. Обычно порог срабатывания схемы UVLO не регулируется, а устанавливается на некотором фиксированном уровне относительно номинала входного напряжения. Для конвертеров семейства TEP/UIR также изначально задается некий уровень срабатывания схемы UVLO, как указано в таблице 7. Но, из-за сверхширокого входного диапазона, перекрывающего целый ряд существующих номиналов, этот стандартно заданный уровень может оказаться неоптимальным в конкретной ситуации при питании напряжением определенного номинала. В связи с этим в конвертерах TEP/UIR предусмотрена возможность регулировки порога срабатывания схемы UVLO с помощью внешнего резистора, подключаемого между выводами UVLO и -Vin (рисунок 27).

Рис. 27. Подключение внешнего резистора для установки порога срабатывания схемы UVLO

Следует отметить, что при подключении резистора R_uvlo смещается не только порог срабатывания схемы UVLO (V_shutdown), но и стартовое напряжение (V_startup). Причем, V_shutdown вычисляется исходя из значения V_startup по следующим формулам:

$$V_{startup}=\left(\frac{A\times (R_{uvlo}+B)}{R_{uvlo} \times B}+1 \right)\times 1.25\\V_{shutdown}=V_{startup}-C,$$

где A, B и C – константы, зависящие от входного диапазона напряжений (таблица 8).

Таблица 8. Константы для формул по расчету Vstartup и Vshutdown

TEQ/WIR – еще одно семейство DC/DC конвертеров для железнодорожного транспорта, предназначенных для установки на шасси и работающих в широком диапазоне входных напряжений с соотношением границ до 4:1. Семейство содержит серии на 20 Вт (рисунок 28), на 40 Вт (рисунок 29), на 100, 160 и 200 Вт (рисунок 30), и на 300 Вт (рисунок 31).

Рис. 28. Внешний вид конвертеров серии TEQ 20/WIR

Рис. 29. Внешний вид конвертеров серии TEQ 40/WIR

Рис. 30. Внешний вид конвертеров серий TEQ 100/WIR, TEQ 160/WIR и TEQ 200/WIR

Рис. 31. Внешний вид конвертеров серии TEQ 300/WIR

Все конвертеры данного семейства предназначены для работы без дополнительных систем охлаждения при естественной конвекции воздуха. Это относится и к конвертерам серии TEQ 20/WIR, которые не имеют встроенного радиатора, как другие представители семейства, но благодаря относительно небольшой мощности и достаточно высокого КПД способны работать с полной нагрузкой в условиях естественного охлаждения при температуре окружающей среды, как минимум, до 80°C. В рекомендациях по применению для всех конвертеров семейства приведены графики зависимости допустимой выходной мощности в зависимости от внешней температуры при естественной конвекции воздуха.

Характерной особенностью семейства является наличие внешних разъемов с пружинными фиксаторами (рисунок 4), которые, как было отмечено выше, обеспечивают надежное соединение в условиях повышенной вибрации.

Все конвертеры семейства, в соответствии с требованиями стандартов по электромагнитной совместимости, имеют встроенные фильтры – класса B для источников питания мощностью до 40 Вт включительно и класса A для всех остальных.

Конвертеры мощностью 100 Вт и выше обладают возможностью удаленного управления (включения и выключения) и функцией компенсации потерь на проводах, которые по способам подключения и техническим параметрам аналогичны рассмотренным ранее для других семейств. Кроме этого, для данных конвертеров предусмотрена возможность регулировки выходного напряжения в определенных пределах с помощью встроенного потенциометра.

Все конвертеры семейства обладают схемами мягкого старта и UVLO, снабжены защитами от коротких замыканий, перегрузок и перенапряжений, а также имеют светодиодный индикатор подключения нагрузки.

Названия конвертеров семейства TEQ/WIR включают числовое значение максимальной выходной мощности; число, соответствующее номиналу входного напряжения – 24 для 24 В, 48 для 48 В и 72 для 110 В; а также цифровой код, определяющий выходное напряжение в соответствии с таблицей 1. Структура названия показана на рисунке 32.

Рис. 32. Структура названия конвертеров семейства TEQ/WIR

Серии конвертеров до 100 Вт отличаются от остальных тем, что включают варианты с двухполярным выходом и не имеют встроенного потенциометра для регулировки выходного напряжения. Основные электрические характеристики конвертеров семейства TEQ/WIR на 20 и 40 Вт представлены в таблице 9.

Таблица 9. Основные электрические характеристики конвертеров семейства TEQ/WIR на 20 и 40 Вт

Основные технические и эксплуатационные характеристики серий конвертеров семейства TEQ/WIR на 20 и 40 Вт представлены в таблице 10.

Таблица 10. Основные технические и эксплуатационные характеристики серий конвертеров семейства TEQ/WIR на 20 и 40 Вт

Основные электрические характеристики конвертеров семейства TEQ/WIR мощностью от 100 Вт приведены в таблице 11.

Таблица 11. Основные электрические характеристики конвертеров семейства TEQ/WIR мощностью от 100 Вт

Основные технические и эксплуатационные характеристики серий конвертеров семейства TEQ/WIR мощностью от 100 Вт приведены в таблице 12.

Таблица 12. Основные технические и эксплуатационные характеристики серий конвертеров семейства TEQ/WIR мощностью от 100 Вт

Для конвертеров серии TEQ 300/WIR предусмотрена возможность параллельного соединения  выходов нескольких источников питания (до трех) с целью увеличения выходной мощности. Схема такого объединения для двух конвертеров показана на рисунке 33.

Рис. 33. Схема объединения двух конвертеров серии TEQ 300/WIR при параллельной работе на общую нагрузку

Понятно, что для такого соединения нужно выбирать конвертеры с практически одинаковыми выходными напряжениями, разница между которыми не должна превышать 2% от номинала.  Чтобы уравновесить токи в выходных цепях отдельных конвертеров, необходимо объединить их выводы LS (Load Share). Кроме этого, рекомендуется делать провода, идущие от нагрузки к выводам +Sense и -Sense, как можно короче, а провода от контактов +Vout и -Vout должны иметь одинаковый импеданс. Также рекомендуется располагать конвертеры на расстояниях не менее 5 см друг от друга с целью создания оптимальных условий для охлаждения. Что касается выходной мощности конвертеров, то она, согласно документации, не должна превышать 90% от максимума. В соответствии с этим условием, при соединении двух конвертеров TEQ 300/WIR можно получить не более 540 Вт общей мощности, а при соединении трех – до 810 Вт.

Применение DC/DC-конвертеров рассмотренных выше семейств – TEP/WIR, TEP/UIR и TEQ/WIR – не ограничивается исключительно областью железнодорожного транспорта. Эти источники питания могут также с успехом применяться в любых индустриальных приложениях, в том числе предназначенных для эксплуатации в самых тяжелых условиях. Стандарты для железнодорожного транспорта считаются одними из самых строгих, и продукция, сертифицированная по этим стандартам, может использоваться в самых ответственных приложениях. Что касается продукции TRACO, то помимо полного соответствия требованиям стандартов, она отличается также высочайшими показателями качества и надежности. Благодаря этому, источники питания TRACO славятся своей безотказностью и пользуются заслуженным спросом во всем мире.