Le apparecchiature utilizzate nelle applicazioni ferroviarie, oltre a dover soddisfare numerosi standard, devono funzionare in condizioni elettriche estreme.
In un’applicazione di questo tipo, l’alimentazione può provenire da un pantografo, da un generatore o da un sistema di gestione delle batterie, e l’intervallo di tensione in ingresso è eccezionalmente ampio (tra 14 V e 154 V). A ciò si aggiungono le interruzioni di alimentazione, come definite nella norma EN 50155 – Applicazioni ferroviarie – Materiale rotabile – Apparecchiature elettroniche. Se è specificata la Classe S3, l’apparecchiatura deve funzionare come previsto quando la tensione di ingresso scende a 0 V per 20 ms.
Ciò implica la necessità di un circuito di mantenimento per superare tali interruzioni. Gli sviluppatori tendono a semplificare il lavoro di progettazione e ridurre le difficoltà di approvvigionamento scegliendo un alimentatore con ingresso ultra-ampio, in grado di coprire tutte le eventualità. Tuttavia, ci si trova davanti a un’altra complicazione che consiste nel soddisfare il tempo di mantenimento richiesto.
Realizzare un circuito di mantenimento collegato direttamente all’ingresso del convertitore di potenza implica la scelta di condensatori con un’elevata tensione nominale. Per questo motivo, la scelta dei convertitori di potenza nel settore ferroviario è particolarmente delicata.
Una scelta comune, ma costosa
Un esempio aiuta a capire meglio. Pensiamo a un sistema di informazione passeggeri che necessiti, appunto, di un convertitore di potenza. Il sistema include un piccolo schermo, una piattaforma di elaborazione integrata e un’interfaccia di rete industriale. La potenza nominale del sistema è di 40 W. Il progetto elettronico include innanzitutto un condensatore.
Serve poi un resistore in serie, per ridurre al minimo la corrente di spunto. Questo componente deve essere dimensionato in modo tale che il condensatore possa ricaricarsi in un lasso di tempo ragionevole in previsione di eventuali successive interruzioni di alimentazione.
Sono necessari anche due diodi: il primo garantisce che l’energia presente nel condensatore venga erogata all’alimentatore in caso di interruzione dell’alimentazione; il secondo previene danni accidentali in caso di inversione della tensione di ingresso. A questo punto si calcola la capacità di mantenimento minima.
Viene applicato un fattore di 1,5 per tenere conto delle tolleranze dei componenti e si considerano i valori relativi all’efficienza di conversione energetica nel caso peggiore (Eta wc), al consumo nominale dell’applicazione (P nom), alla tensione di alimentazione nominale (V nom) e alla tensione di ingresso operativa minima (V uvlo).
Il tempo di mantenimento (T hold) completa le informazioni richieste. Ipotizzando una tensione di alimentazione nominale di 24 V, un blocco per sottotensione di 14,4 V e un’efficienza del convertitore del 93%, questo approccio richiede una capacità minima di circa 7.200 µF. Tuttavia, poiché il condensatore si trova all’ingresso del nostro convertitore di potenza, dobbiamo tenere conto di una potenziale tensione transitoria massima fino a 154 V.
Per garantire un certo margine, andrebbero scelti condensatori con tensione nominale di 200 V. Per mantenere la soluzione economicamente vantaggiosa, si combinerebbero diversi condensatori con tensione nominale di 200 V per raggiungere la capacità richiesta, ad esempio sedici componenti da 470 µF.
Ciò richiede uno spazio significativo sulla scheda e un volume considerevole per ospitare così tanti component. Non meno importante, infine, il notevole aumento dei costi che questo comporta.
Perché scegliere convertitori con circuito di mantenimento integrato
Fortunatamente, esistono convertitori di potenza con circuito di mantenimento integrato, come quelli della serie TEP 40UIR di Traco Power. Questi convertitori CC/CC sono dedicati al settore ferroviario e hanno un intervallo di tensione in ingresso di 12:1, compreso tra 14 V e 160 V.
Sono inoltre dotati di un pin Bus per i condensatori di mantenimento che può essere dimensionato in base alle esigenze dell’applicazione. Tuttavia, poiché il pin Bus richiede solo una tensione predefinita di 21,4 V, è possibile utilizzare condensatori con tensione nominale fino a 25 V indipendentemente dalla tensione di ingresso applicata.
Con il circuito di mantenimento integrato non sono necessari né il diodo esterno né il resistore di spunto. Riprendendo l’esempio del progetto elettronico per il sistema di informazione passeggeri, è possibile ipotizzare la stessa efficienza del convertitore di potenza (93%) e lo stesso blocco per sottotensione (14,4 V), modificando solo la tensione di alimentazione nominale a 21,4 V.
Ciò comporta una capacità di mantenimento leggermente superiore, pari a circa 10.600 µF. In questo caso, è necessario procurarsi solo due condensatori economici da 25 V e 6.800 µF, che occupano uno spazio significativamente inferiore sulla scheda e richiedono un volume circa quindici volte inferiore.
I convertitori TEP 40UIR consentono, quindi, di utilizzare condensatori con tensione nominale inferiore (25 V) che soddisfano i requisiti dell’applicazione, garantendo al contempo un costo inferiore dei condensatori e un design più compatto.
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