Ein DC/DC-Wandler versorgt Sensoren, Steuergeräte oder elektronische Messsysteme aus einem mobilen 24-V-Bordnetz. Im Labor arbeitet die Versorgung einwandfrei. Sobald jedoch ein großer Verbraucher zugeschaltet wird oder der Fahrzeugmotor startet, setzt die angeschlossene Messtechnik kurzzeitig aus. In anderen Fällen funktioniert die Anlage zunächst zuverlässig, bis nach einem Schaltvorgang eine Fehlermeldung auftritt oder der Wandler beschädigt wird.
Die Ursache liegt häufig nicht in der nominellen Ausgangsleistung, sondern in den elektrischen Randbedingungen des mobilen Bordnetzes. Eine als 24 V bezeichnete Versorgung führt im Betrieb keine dauerhaft konstante Spannung. Spannungseinbrüche, Lastabwurfspitzen, Verpolungsrisiken, Leitungsverluste und elektromagnetische Störungen können die Versorgung erheblich beeinflussen. Gleichzeitig stellen empfindliche Sensoren, Kommunikationsmodule und Steuerungen unterschiedliche Anforderungen an Restwelligkeit, Massebezug und Spannungsstabilität.
Ein geeigneter DC/DC-Wandler muss deshalb mehr leisten, als lediglich eine Eingangsspannung in eine andere Ausgangsspannung umzuwandeln. Sein Eingangsspannungsbereich, die Schutzbeschaltung, das Verhalten bei Unterspannung, die Belastbarkeit bei Lastsprüngen und gegebenenfalls die galvanische Trennung müssen auf den tatsächlichen Einsatzfall abgestimmt sein. Dieser Fachbeitrag erläutert die wichtigsten Zusammenhänge und zeigt, wie sich eine zuverlässige Versorgung für mobile Mess- und Steuertechnik auslegen, prüfen und dokumentieren lässt.
Inhaltsverzeichnis
- Die Versorgungsaufgabe im mobilen System definieren
- Warum ein mobiles 24-V-Bordnetz keine konstante 24-V-Quelle ist
- Eingangsspitzen, Spannungseinbrüche und andere Bordnetzereignisse unterscheiden
- Eingangsspannungsbereich und Spannungsfestigkeit richtig bewerten
- Unterspannung während Motorstart und Lastwechsel beherrschen
- Load Dump und transiente Überspannungen begrenzen
- Verpolschutz, Sicherung und Eingangsschutz koordinieren
- Galvanische Trennung und Massepotenziale richtig einordnen
- Abwärts-, Aufwärts- und 24-V-auf-24-V-Wandler unterscheiden
- Ausgangsleistung und Eingangsstrom richtig dimensionieren
- Leitungsverluste und Spannungsabfall berechnen
- Einschaltstrom und kapazitive Lasten berücksichtigen
- Lastsprünge, Überlast und Anlaufverhalten prüfen
- Masseführung, Rückströme und Schirmung planen
- EMV und fahrzeugbezogene Prüfanforderungen bewerten
- Sensoren und Steuerungen störungsarm versorgen
- Temperatur, Kühlung, Vibration und Schutzart beachten
- Anschluss und Leitungsführung richtig gestalten
- Den DC/DC-Wandler unter realistischen Betriebsbedingungen prüfen
- Typische Versorgungsprobleme systematisch diagnostizieren
- Prüfergebnisse und Auslegung nachvollziehbar dokumentieren
- Passende DC/DC-Wandler von ICS Schneider
- Fazit: Die gesamte 24-V-Versorgungskette bewerten
- Häufige Fragen zu DC/DC-Wandlern in mobilen 24-V-Systemen
1. Die Versorgungsaufgabe im mobilen System definieren
Mobile 24-V-Systeme werden beispielsweise in Nutzfahrzeugen, Baumaschinen, landwirtschaftlichen Maschinen, mobilen Prüfständen und Sonderfahrzeugen eingesetzt. Sie versorgen sehr unterschiedliche elektrische Verbraucher. Dazu gehören Sensoren, Datenlogger, Kommunikationsmodule, Steuergeräte, elektrische Antriebe und magnetische Ventile.
Die Anforderungen an einen DC/DC-Wandler hängen davon ab, welche dieser Komponenten versorgt werden sollen. Ein kleiner Messverstärker benötigt möglicherweise nur wenige Watt, reagiert dafür aber empfindlich auf Störungen und Spannungsschwankungen. Eine Steuerung mit mehreren angeschlossenen Verbrauchern kann deutlich höhere Lastströme und kurzzeitige Leistungsspitzen verursachen.
Vor der Auswahl ist deshalb zunächst die gewünschte Ausgangsspannung festzulegen. Zusätzlich werden Dauerstrom, kurzzeitiger Spitzenstrom, erforderliche Spannungsstabilität und das zulässige Verhalten bei Unterbrechungen benötigt.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen einer Versorgung, die kurze Spannungseinbrüche überstehen darf, und einer Versorgung, die während solcher Ereignisse ohne Unterbrechung weiterarbeiten muss. Ein Gerät mit Unterspannungsabschaltung kann seine Elektronik schützen, aber trotzdem einen unerwünschten Neustart der angeschlossenen Messtechnik verursachen.
Auch die elektrische Einbindung ist frühzeitig zu klären. Soll die Ausgangsseite dieselbe Fahrzeugmasse verwenden wie der Eingang? Oder soll für die Messtechnik ein galvanisch getrennter Stromkreis bereitgestellt werden? Diese Entscheidung beeinflusst nicht nur den Wandler, sondern auch die Signal- und Kommunikationsverbindungen.
2. Warum ein mobiles 24-V-Bordnetz keine konstante 24-V-Quelle ist
Die Bezeichnung 24-V-Bordnetz beschreibt zunächst eine Nennspannung. Die tatsächlich vorhandene Spannung hängt vom Ladezustand der Batterie, der Stromaufnahme angeschlossener Verbraucher, dem Betrieb der Lichtmaschine und den Widerständen der elektrischen Leitungen ab.
Bei laufendem Motor kann die Spannung oberhalb der Nennspannung liegen. Während des Anlassens oder beim Zuschalten großer Verbraucher kann sie dagegen kurzzeitig deutlich absinken. Zusätzlich entstehen beim Schalten induktiver Lasten und bei besonderen Betriebsereignissen transiente Spannungen.
Ein DC/DC-Wandler sieht daher nicht zwangsläufig dieselbe Spannung wie die Batterie. Zwischen Batterie und Wandler befinden sich möglicherweise Sicherungen, Steckverbinder, Relais, Leitungen und zusätzliche Schutzschaltungen. Unter Last fällt an deren Widerständen Spannung ab.
Für die Auslegung ist deshalb nicht allein die Spannung an der Batterie maßgeblich. Entscheidend ist der zeitliche Spannungsverlauf direkt an den Eingangsklemmen des Wandlers.
Ein Wandler, der beispielsweise für 18 … 28 V DC spezifiziert ist, kann bei einer ausreichenden Versorgungsspannung korrekt arbeiten. Fällt seine Eingangsspannung im Betrieb unter 18 V, ist die spezifizierte Ausgangsfunktion ohne eine ausdrückliche zusätzliche Herstellerfreigabe jedoch nicht mehr gewährleistet.
Auch eine kurzfristige Überschreitung der maximalen Eingangsspannung ist nicht automatisch zulässig. Hier muss zwischen dem normalen Betriebsbereich und einer gesondert spezifizierten kurzzeitigen Spannungsfestigkeit unterschieden werden.
3. Eingangsspitzen, Spannungseinbrüche und andere Bordnetzereignisse unterscheiden
Die elektrischen Belastungen eines mobilen 24-V-Systems besitzen unterschiedliche Ursachen und zeitliche Eigenschaften. Sie müssen getrennt betrachtet werden, weil eine Schutzmaßnahme nicht automatisch gegen jede Störungsart wirksam ist.
| Bordnetzereignis | Mögliche Ursache | Mögliche Auswirkung | Wichtiger Prüfpunkt |
|---|---|---|---|
| Unterspannung | Motorstart, schwache Batterie, hohe Last oder Leitungsverluste | Ausgangsspannung bricht ein, Wandler schaltet ab oder startet neu | Minimal zulässige Eingangsspannung und notwendige Überbrückungszeit |
| Load Dump | Lastabwurf beziehungsweise Unterbrechung der Batterieanbindung während der Generator Strom liefert | Hohe Überspannung und mögliche Beschädigung der Eingangselektronik | Zulässige Transientenbelastung und Schutzkonzept |
| Induktive Schaltspitze | Abschalten von Relais, Schützen, Magnetventilen oder induktiven Lasten | Kurzzeitige positive oder negative Spannungsspitzen | Transientenfestigkeit und geeignete Entstörung |
| Verpolung | Fehler beim Batterieanschluss oder bei der Verdrahtung | Mögliche Zerstörung des Wandlers und angeschlossener Komponenten | Verpolschutz und dessen zulässige Belastung |
| Leitungsbedingter Spannungseinbruch | Hoher Eingangsstrom bei unzureichendem Leitungsquerschnitt | Unterschreiten der Mindestspannung am Wandlereingang | Spannungsabfall im vollständigen Hin- und Rückleiterpfad |
| EMV-Störung | Schaltvorgänge, Leistungselektronik und ungünstige Leitungsführung | Messwertstörungen, Kommunikationsfehler oder Fehlfunktionen | Leitungsgebundene und abgestrahlte Störgrößen |
Spannungsspitzen unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich Scheitelspannung, Energieinhalt, Dauer und Quellimpedanz. Ein sehr kurzer Impuls kann andere Schutzmaßnahmen erfordern als eine länger andauernde Überspannung mit erheblichem Energieinhalt.
Bei der Auslegung sollten daher die tatsächlich zu erwartenden Bordnetzereignisse und die dafür geltenden Prüfbedingungen bestimmt werden. Eine pauschale Angabe wie „für 24-V-Fahrzeuge geeignet“ reicht für anspruchsvolle Anwendungen nicht aus.
4. Eingangsspannungsbereich und Spannungsfestigkeit richtig bewerten
Ein DC/DC-Wandler besitzt einen spezifizierten Eingangsspannungsbereich. Innerhalb dieses Bereichs stellt er unter den weiteren zulässigen Betriebsbedingungen die angegebene Ausgangsfunktion bereit.
Davon zu unterscheiden sind absolute Grenzwerte und mögliche kurzzeitige Überspannungsfestigkeiten. Ein Gerät kann beispielsweise eine bestimmte Transientenbelastung überstehen, ohne während dieser Belastung seine normale Ausgangsspannung aufrechterhalten zu müssen.
Für die Auswahl müssen deshalb mindestens drei Fragestellungen geklärt werden: Innerhalb welchen Eingangsspannungsbereichs arbeitet der Wandler regulär? Welche kurzzeitigen Abweichungen darf er überstehen? Und welches Ausgangsverhalten ist während und nach diesen Abweichungen zulässig?
Diese Unterschiede sind besonders bei mobilen Anlagen relevant, die während des Motorstarts oder bei großen Lastwechseln ohne Unterbrechung Daten erfassen sollen.
Die bei ICS geführte Wandlerausführung 2218.2 arbeitet beispielsweise mit einem spezifizierten Eingangsspannungsbereich von 18 … 28 V DC und stellt 12 V DC stabilisiert bereit. Sie besitzt eine Unterspannungsabschaltung. Daraus darf jedoch nicht abgeleitet werden, dass die angeschlossene Last auch bei beliebig niedriger Bordnetzspannung weiter versorgt wird.
Bei der ISD-Serie von Mean Well sind je nach Ausführung unterschiedliche Eingangsspannungsbereiche verfügbar. Eine für nominell 24 V vorgesehene B-Variante arbeitet beispielsweise innerhalb von 19 … 36 V DC. Auch hier ist der konkrete Spannungsbereich der gewählten Bestellvariante maßgeblich.
Die Unterschiede zeigen, warum die Nenneingangsspannung allein nicht genügt. Die tatsächlichen Spannungsgrenzen müssen mit dem vollständigen Bordnetzprofil einschließlich Leitungsverlusten verglichen werden.
5. Unterspannung während Motorstart und Lastwechsel beherrschen
Beim Start eines Fahrzeugmotors kann die Stromaufnahme des Anlassers zu einem deutlichen Einbruch der Batteriespannung führen. Gleichzeitig können andere Verbraucher weiterhin Energie benötigen. Besonders betroffen sind Messsysteme, die während des Startvorgangs Daten aufzeichnen oder Zustandsinformationen übertragen sollen.
Fällt die Eingangsspannung unter die für den DC/DC-Wandler spezifizierte Mindestspannung, können unterschiedliche Reaktionen auftreten. Je nach Konstruktion sinkt die Ausgangsspannung, die Strombegrenzung wird aktiv oder der Wandler schaltet vollständig ab.
Nach Wiederkehr der normalen Eingangsspannung kann das Gerät automatisch neu starten. Das ist aus Sicht des Wandlers möglicherweise ein vorgesehenes Schutzverhalten, kann für die angeschlossene Steuerung jedoch einen unerwünschten Neustart bedeuten.
Für die Auslegung muss deshalb festgelegt werden, ob die angeschlossenen Verbraucher kurzzeitig ausfallen dürfen. Eine Steuerung mit nichtflüchtiger Datenspeicherung kann einen kurzen Ausfall möglicherweise tolerieren. Ein kontinuierlich arbeitender Datenlogger oder eine sicherheitsrelevante Funktion kann andere Anforderungen besitzen.
Soll die Versorgung während eines Spannungseinbruchs erhalten bleiben, werden ein geeigneter Weitbereichswandler oder eine dafür ausgelegte Überbrückung benötigt. Eine Pufferung kann beispielsweise mit entsprechend dimensionierten Energiespeichern realisiert werden. Die zulässige Entladung, der notwendige Energieinhalt, der zusätzliche Ladestrom und die elektrische Schutzbeschaltung müssen dabei berücksichtigt werden.
Ein bloßes Vergrößern des Eingangskondensators ist keine allgemeingültige Lösung. Große Kapazitäten können ihrerseits hohe Einschaltströme verursachen und die vorgeschaltete Stromversorgung belasten.
Entscheidend ist der Nachweis, dass die vollständige Versorgungskette während des geforderten Unterspannungsereignisses das benötigte Verhalten zeigt.
6. Load Dump und transiente Überspannungen begrenzen
Ein besonders anspruchsvolles Ereignis in fahrzeuggebundenen Gleichspannungsnetzen ist der sogenannte Load Dump. Er kann auftreten, wenn die Batterieanbindung unterbrochen wird, während der Generator weiterhin Strom liefert. Unter ungünstigen Bedingungen entsteht dadurch eine erhebliche Überspannung.
Die Höhe und Dauer des Ereignisses hängen vom Fahrzeug, dem Generator, der elektrischen Architektur und eventuell vorhandenen zentralen Schutzmaßnahmen ab. Ein Bordnetz mit zentraler Lastabwurfbegrenzung verhält sich anders als eine Anlage ohne entsprechende Begrenzung.
Für definierte Prüfbedingungen eines ungeschützten 24-V-Bordnetzes nennt Texas Instruments unter Bezug auf ISO 16750-2 beispielsweise Lastabwurf-Prüfspitzen von 151 … 202 V und Pulsdauern von 100 … 350 ms. Diese Angaben beschreiben bestimmte Prüfprofile und dürfen nicht als allgemeine Betriebsspannungen oder verbindliche Grenzwerte für jedes mobile System verstanden werden.
Das verdeutlicht allerdings, weshalb ein Wandler mit einem normalen Eingangsspannungsbereich von beispielsweise 18 … 28 V DC nicht allein aufgrund dieser Angabe als ausreichend gegen sämtliche Fahrzeugtransienten geschützt betrachtet werden darf.
Für die Begrenzung transienter Überspannungen kommen je nach System geeignete Schutzschaltungen zum Einsatz. Dazu können Transient Voltage Suppressors (TVS), aktive Überspannungsbegrenzer, Eingangsschalter und zusätzliche Filter gehören.
Die Auswahl muss auf Spannungshöhe, Impulsenergie, Quellimpedanz, Dauer und zulässige Restspannung abgestimmt sein. Ein ungeeignet dimensionierter Überspannungsableiter kann bei einem energiereichen Ereignis selbst überlastet werden.
Auch das Verhalten nach der Störung ist zu betrachten. Eine Schutzschaltung darf die angeschlossenen Stromkreise nicht unkontrolliert in einen Zustand versetzen, der zu weiteren Gefährdungen oder Datenverlusten führt.
Die notwendige Schutzfunktion muss für die vollständige Kombination aus Fahrzeugnetz, vorgeschalteter Schutzbeschaltung und Wandler nachgewiesen werden.
7. Verpolschutz, Sicherung und Eingangsschutz koordinieren
Bei mobilen Stromversorgungen müssen mehrere Schutzaufgaben voneinander unterschieden werden. Ein Verpolschutz soll eine falsche Polarität am Eingang beherrschen. Ein Überspannungsschutz begrenzt oder trennt unzulässige Spannungsspitzen. Eine Sicherung beziehungsweise geeignete Überstromschutzeinrichtung schützt den zugeordneten Stromkreis bei Überlast und Fehlerbedingungen.
Diese Funktionen sind nicht austauschbar. Ein DC/DC-Wandler mit integriertem Kurzschlussschutz schützt dadurch nicht automatisch die gesamte vorgeschaltete Leitung gegen einen Kurzschluss vor dem Gerät.
Die Absicherung der Versorgungsleitung ist deshalb entsprechend der elektrischen Anlage und möglichst nahe an der dafür vorgesehenen Einspeisestelle vorzusehen. Der tatsächliche Einbauort, die Leitungslänge, der Leitungsquerschnitt und die erforderlichen Abschaltbedingungen sind dabei entscheidend.
Bei Fahrzeuganwendungen können zusätzlich Verpolereignisse oder besondere Massefehler berücksichtigt werden müssen. Ob ein Wandler solche Zustände selbst verträgt, ergibt sich nur aus den konkreten Herstellerangaben.
Ein geeigneter Verpolschutz kann beispielsweise durch eine dafür ausgelegte Halbleiterschaltung oder eine andere freigegebene Schutzlösung erfolgen. Die Lösung muss die zulässigen Spannungen, den normalen Eingangsstrom und mögliche Einschaltströme berücksichtigen.
Auch die Wechselwirkungen zwischen Sicherung, TVS-Schutz und vorgeschalteter Energiequelle sind wichtig. Ein Überspannungsbauteil, das im Fehlerfall leitend wird, benötigt ein Schutzkonzept, das den entstehenden Fehlerstrom sicher behandelt.
Für den vollständigen Eingangsschutz ist daher nicht nur die maximale Betriebsspannung, sondern auch das zu erwartende Verhalten bei Fehlern und transienten Ereignissen festzulegen.
8. Galvanische Trennung und Massepotenziale richtig einordnen
Galvanische Trennung bedeutet, dass zwischen Eingangs- und Ausgangsstromkreis keine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Energieübertragung erfolgt über ein geeignetes isolierendes Übertragungselement, beispielsweise einen Transformator innerhalb des Wandlers.
Die galvanische Trennung ermöglicht es, auf der Ausgangsseite ein eigenes elektrisches Bezugspotenzial festzulegen. Das kann insbesondere bei empfindlichen Messkreisen, räumlich verteilten Sensoren oder unterschiedlichen Massepotenzialen relevant sein.
Bei einem nicht isolierten DC/DC-Wandler sind Eingangs- und Ausgangsseite dagegen elektrisch verbunden. Häufig besitzen beide Seiten einen gemeinsamen Minuspol.
Eine gemeinsame Masse ist nicht grundsätzlich ungünstig. In vielen mobilen Anwendungen ist sie konstruktiv vorgesehen und technisch sinnvoll. Entscheidend ist, dass die angeschlossenen Verbraucher und Signale für dieses Potenzialkonzept geeignet sind.
Galvanische Trennung kann helfen, unerwünschte leitende Ausgleichsströme zwischen Stromkreisen zu vermeiden. Sie beseitigt jedoch nicht automatisch sämtliche elektromagnetischen Störungen. Kapazitive Kopplungen, hochfrequente Gleichtaktströme und andere Übertragungswege können weiterhin vorhanden sein.
Außerdem muss geprüft werden, ob die galvanische Trennung an anderer Stelle wieder aufgehoben wird. Verbindet beispielsweise eine Signalleitung den Ausgangsminuspol mit der Fahrzeugmasse, kann dadurch ein zusätzlicher leitender Pfad entstehen.
Eine spezifizierte Isolationsprüfspannung ist ebenfalls nicht automatisch gleichbedeutend mit einer bestimmten sicherheitstechnischen Isolationsklasse. Bei der Mean Well ISD-25-Serie wird beispielsweise eine I/O-Isolation von 1.500 V AC angegeben. Diese Angabe ist entsprechend dem konkreten Datenblatt und Prüfverfahren zu interpretieren.
Für sicherheitsbezogene Trennanforderungen müssen die entsprechenden Isolationsabstände, Prüfbedingungen und normativen Anforderungen gesondert bewertet werden.
Eine ausführlichere Betrachtung bietet der ICS-Fachbeitrag Galvanisch getrennter DC/DC-Wandler: Massepotenziale sicher trennen.
9. Abwärts-, Aufwärts- und 24-V-auf-24-V-Wandler unterscheiden
DC/DC-Wandler lassen sich nach ihrer grundsätzlichen Spannungswandlungsfunktion unterscheiden. Ein Abwärtswandler reduziert die Eingangsspannung auf eine niedrigere Ausgangsspannung. Ein Aufwärtswandler stellt eine höhere Ausgangsspannung bereit. Ein Aufwärts-/Abwärtswandler kann innerhalb seines spezifizierten Bereichs Eingangsspannungen oberhalb und unterhalb des gewünschten Ausgangswerts verarbeiten.
Für mobile 24-V-Systeme ist die Wahl dieser Topologie besonders wichtig. Soll aus einem 24-V-Bordnetz eine stabile 12-V-Versorgung erzeugt werden, kann ein dafür ausgelegter Abwärtswandler geeignet sein. Die zulässige Eingangsspannung muss jedoch auch bei den erwarteten Bordnetzschwankungen eingehalten werden.
Wird dagegen aus einem nominalen 24-V-Bordnetz eine stabilisierte 24-V-Versorgung benötigt, kann eine Wandlerausführung erforderlich sein, die auch bei einer Eingangsspannung unterhalb von 24 V noch die vorgesehene Ausgangsspannung bereitstellt.
Die Angabe „24 V Eingang / 24 V Ausgang“ bedeutet dabei nicht automatisch, dass die Ausgangsspannung bei beliebig niedrigen Eingangsspannungen konstant bleibt. Entscheidend sind die konkrete Topologie und der spezifizierte Eingangsspannungsbereich.
Ein galvanisch getrennter 24-V-auf-24-V-Wandler kann zudem eine andere Aufgabe erfüllen: Er stellt einen separaten Mess- oder Steuerstromkreis bereit, ohne die nominelle Ausgangsspannung zu verändern.
Für die Auswahl sind daher Spannungswandlung und Potenzialtrennung als zwei getrennte Eigenschaften zu betrachten. Ein Wandler kann eine stabile Ausgangsspannung erzeugen, ohne galvanisch getrennt zu sein. Umgekehrt kann eine galvanisch getrennte Baugruppe nur für einen begrenzten Eingangsspannungsbereich geeignet sein.
10. Ausgangsleistung und Eingangsstrom richtig dimensionieren
Die Dimensionierung eines DC/DC-Wandlers beginnt mit der benötigten Ausgangsleistung. Für eine Gleichspannungsversorgung ergibt sich die elektrische Ausgangsleistung näherungsweise aus:
Pout = Uout · Iout
Bei einer Ausgangsspannung von 24 V und einem Dauerstrom von 5 A beträgt die Ausgangsleistung beispielsweise 120 W.
Der Wandler benötigt eingangsseitig mehr Leistung, weil bei der Spannungswandlung Verluste entstehen. Der Zusammenhang wird über den Wirkungsgrad η beschrieben:
η = Pout / Pin
Pin = Pout / η
Für die überschlägige Berechnung des Eingangsstroms gilt bei stationären Bedingungen:
Iin ≈ Pout / (η · Uin)
Das bedeutet: Bei unveränderter Ausgangsleistung steigt der notwendige Eingangsstrom, wenn die Eingangsspannung sinkt.
Ein idealisiertes Beispiel betrachtet 120 W Ausgangsleistung und einen konstant angenommenen Wirkungsgrad von 90 %. Bei 24 V Eingangsspannung werden rechnerisch rund 5,56 A benötigt. Sinkt die Eingangsspannung auf 18 V, steigt der berechnete Eingangsstrom auf rund 7,41 A.
Diese Werte gelten an den Eingangsklemmen des Wandlers und unter den vereinfachten Annahmen des Rechenmodells. In der Praxis ist der Wirkungsgrad abhängig von Betriebspunkt, Eingangsspannung, Ausgangslast und Temperatur.
Der erhöhte Eingangsstrom bei Unterspannung ist auch für die Leitungsdimensionierung wichtig. Er verursacht zusätzliche Spannungsabfälle und eine höhere thermische Belastung der Zuleitung.
Bei der Geräteauswahl muss außerdem zwischen Dauerleistung und kurzzeitig zulässiger Spitzenleistung unterschieden werden. Eine Nennleistung von 120 W bedeutet nicht automatisch, dass der Wandler eine wesentlich höhere Anlaufleistung für eine beliebige Dauer bereitstellen kann.
11. Leitungsverluste und Spannungsabfall berechnen
Lange Zuleitungen können in mobilen Anlagen einen erheblichen Spannungsabfall verursachen. Besonders kritisch wird dies, wenn die Bordnetzspannung gleichzeitig sinkt und der DC/DC-Wandler für dieselbe Ausgangsleistung einen höheren Eingangsstrom benötigt.
Für eine vereinfachte Gleichstrombetrachtung gilt:
ΔU = I · RLeitung
Der Leitungswiderstand lässt sich für einen homogenen Leiter näherungsweise berechnen:
R = ρ · l / A
Dabei bezeichnet ρ den spezifischen elektrischen Widerstand, l die gesamte betrachtete Leiterlänge und A den Leiterquerschnitt. Bei einer zweipoligen Versorgung sind sowohl Hin- als auch Rückleiter zu berücksichtigen.
Ein Beispiel verwendet eine Kupferleitung mit einem Leiterquerschnitt von 2,5 mm². Der Wandler befindet sich 8 m von der Spannungsquelle entfernt. Bei getrenntem Hin- und Rückleiter beträgt die gesamte elektrische Leitungslänge damit 16 m.
Mit einem angenommenen spezifischen Widerstand von 0,0178 Ω·mm²/m bei 20 °C ergibt sich:
RLeitung = 0,0178 · 16 / 2,5 ≈ 0,114 Ω
Für die zuvor betrachtete Ausgangsleistung von 120 W und einen idealisiert konstanten Wirkungsgrad von 90 % ergeben sich als erste Näherung folgende Werte:
| Spannung an der Quelle | Eingangsstrom ohne Leitungsabfall | Näherungsweiser Leitungsabfall | Näherungsweise Spannung am Wandler |
|---|---|---|---|
| 24 V | 5,56 A | 0,63 V | 23,37 V |
| 18 V | 7,41 A | 0,84 V | 17,16 V |
Die Tabelle zeigt bewusst eine erste Näherung. Der Eingangsstrom wurde zunächst ohne Leitungsabfall berechnet. Weil die tatsächliche Eingangsspannung am Wandler geringer ausfällt, steigt der erforderliche Strom bei einer geregelten Last entsprechend weiter an. Der reale Spannungsabfall kann dadurch noch etwas größer sein.
Besonders wichtig ist der Fall mit 18 V Quellenspannung. Obwohl die Versorgung direkt an der Quelle noch 18 V liefert, würde der Wandler unter den angenommenen Bedingungen nur etwa 17 V erhalten. Ein Gerät mit einer spezifizierten Mindestspannung von 18 V arbeitet damit außerhalb seines vorgesehenen Eingangsspannungsbereichs.
Die Zuleitung verursacht zusätzlich Verlustleistung:
PLeitung = I² · RLeitung
Bei 8 A und dem angenommenen Leitungswiderstand von 0,114 Ω entstehen bereits rund 7,3 W Leitungsverlust. Diese Leistung verteilt sich über den betrachteten Leiterpfad.
Der tatsächliche Leiterwiderstand verändert sich mit der Temperatur. Steckverbinder, Sicherungen und Anschlussklemmen erzeugen weitere Spannungsabfälle. Bei der Auslegung müssen deshalb die realen Betriebsbedingungen und die zulässige thermische Belastung berücksichtigt werden.
Eine größere Ausgangsleistung des DC/DC-Wandlers löst einen zu hohen Spannungsabfall in der Zuleitung nicht automatisch. Unter Umständen verschärft der dadurch mögliche höhere Strom die Situation sogar.
12. Einschaltstrom und kapazitive Lasten berücksichtigen
Beim Einschalten eines DC/DC-Wandlers können kurzzeitig höhere Eingangsströme auftreten als im späteren stationären Betrieb. Ein wesentlicher Grund ist das Laden interner Eingangskondensatoren.
Zusätzlich müssen gegebenenfalls die Ausgangskondensatoren und die Kapazitäten angeschlossener Verbraucher geladen werden. Der gesamte Startvorgang hängt von der Eingangsspannung, den Kapazitäten, dem Regelverfahren und der vorhandenen Strombegrenzung ab.
Ein großer Einschaltstrom kann die vorgeschaltete Sicherung oder Schutzschaltung belasten. In Anlagen mit mehreren gleichzeitig eingeschalteten Wandlern können sich die Einschaltströme überlagern.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen dem Eingangseinschaltstrom des Wandlers und dem Laststrom auf der Ausgangsseite. Beide können zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftreten und werden nicht zwangsläufig durch dieselbe Schutzfunktion begrenzt.
Eine geeignete Soft-Start-Funktion kann den Spannungsanstieg beziehungsweise den Startvorgang steuern. Ob ein konkreter Wandler darüber verfügt und welche Lastkapazität er beim Start unterstützt, muss aus den Herstellerunterlagen hervorgehen.
Auch externe Pufferkondensatoren sind zu berücksichtigen. Sie können kurzzeitige Versorgungseinbrüche überbrücken, verursachen beim Laden jedoch zusätzliche Energie- und Stromanforderungen.
Für die Auswahl genügt daher nicht allein die Summe der Dauerströme. Auch Startreihenfolge, Eingangskapazität, kapazitive Ausgangslasten und das Verhalten des Wandlers bei Strombegrenzung müssen bewertet werden.
13. Lastsprünge, Überlast und Anlaufverhalten prüfen
Viele mobile Steuerungs- und Messsysteme besitzen keinen konstanten Leistungsbedarf. Funkmodule, Steuergeräte, Ventile und weitere Komponenten können innerhalb kurzer Zeit zusätzliche Stromaufnahme verursachen.
Ein DC/DC-Wandler muss auf solche Lastsprünge reagieren. Abhängig von Regelkreis, Ausgangskapazität und Strombegrenzung kann die Ausgangsspannung vorübergehend absinken oder überschwingen.
Eine gute statische Spannungsstabilität garantiert deshalb nicht automatisch ein ausreichend gutes dynamisches Lastverhalten. Die relevanten Eigenschaften werden in Datenblättern beispielsweise über Lastregelung, Ausregelzeit und gegebenenfalls konkrete Lastsprungdiagramme beschrieben.
Für empfindliche Messtechnik ist zu prüfen, welche kurzzeitigen Spannungsabweichungen der angeschlossene Verbraucher zulässt. Ein Datenlogger kann beispielsweise einen Spannungsabfall tolerieren, während ein Kommunikationsmodul unter denselben Bedingungen neu startet.
Auch der Schutzmodus bei Überlast ist wichtig. Manche DC/DC-Wandler reduzieren den Ausgangsstrom. Andere schalten ab und versuchen nach einer definierten Zeit erneut zu starten.
Bei der Mean Well ISD-25-Serie ist beispielsweise für bestimmte Überlast- und Überspannungszustände ein automatisch rückstellender Hiccup-Schutz dokumentiert. Dabei wird der Ausgang unter Fehlerbedingungen wiederholt abgeschaltet beziehungsweise ein erneuter Start versucht.
Dieses Verhalten schützt den Wandler, kann aber für die versorgte Messtechnik zu wiederholten Neustarts führen. Es muss deshalb mit dem vorgesehenen Betriebsverhalten vereinbar sein.
Besonders bei kapazitiven oder kurzzeitig stark belastenden Verbrauchern ist zu überprüfen, ob der Wandler zuverlässig hochläuft und anschließend stabil arbeitet.
14. Masseführung, Rückströme und Schirmung planen
In mobilen 24-V-Systemen werden häufig Fahrzeugmasse und elektrische Bezugspotenziale gemeinsam genutzt. Dadurch können über Karosserie, Maschinenrahmen oder gemeinsame Masseleitungen unterschiedliche Rückströme fließen.
Wenn große Verbraucher geschaltet werden, entstehen an den vorhandenen Widerständen und Induktivitäten der Rückleiter kurzzeitige Potenzialunterschiede. Diese können insbesondere bei empfindlichen analogen Messsignalen oder Kommunikationsverbindungen zu Störungen führen.
Ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler kann die direkte leitende Verbindung zwischen Versorgungsstromkreisen unterbrechen. Die gewünschte Wirkung hängt jedoch davon ab, wie die angeschlossenen Mess- und Signalleitungen ausgeführt sind.
Wird beispielsweise der Ausgangsminuspol an anderer Stelle erneut mit der Fahrzeugmasse verbunden, entsteht wieder ein definierter leitender Bezug. Das kann funktional notwendig sein, muss aber bewusst erfolgen.
Auch Schirme können zusätzliche elektrische Verbindungen herstellen. Ein beidseitig angeschlossener Kabelschirm beeinflusst das Potenzial- und EMV-Konzept. Die geeignete Schirmanbindung ist von den Störfrequenzen, dem Kommunikationssystem und den Vorgaben der beteiligten Hersteller abhängig.
Eine pauschale Empfehlung, alle Schirme ausschließlich einseitig oder grundsätzlich beidseitig anzuschließen, ist deshalb technisch nicht ausreichend.
Bei galvanisch getrennten Sensorstromkreisen ist außerdem die Übertragung von Signalen zu einer nicht isolierten Steuerung zu betrachten. Eine Versorgungsisolation kann ihren gewünschten Effekt verlieren, wenn über die Signalseite ein ungeeigneter Rückstrompfad entsteht.
Die Planung sollte daher nicht nur den Stromlaufplan der Energieversorgung, sondern auch alle Signal-, Kommunikations- und Schirmverbindungen umfassen.
15. EMV und fahrzeugbezogene Prüfanforderungen bewerten
Ein DC/DC-Wandler arbeitet häufig mit einer getakteten Leistungselektronik. Dabei entstehen zeitlich veränderliche Ströme und Spannungen, die leitungsgebundene oder abgestrahlte elektromagnetische Störungen verursachen können.
Gleichzeitig muss der Wandler Störungen aus dem vorhandenen Bordnetz ausreichend widerstehen. Diese beiden Eigenschaften werden als Störaussendung und Störfestigkeit unterschieden.
Für elektrische und elektronische Komponenten in Straßenfahrzeugen sind unterschiedliche technische Regelwerke relevant. ISO 16750-2 behandelt elektrische Belastungen und Prüfbedingungen für entsprechende Fahrzeugkomponenten. ISO 7637-2 beschreibt Prüfverfahren für leitungsgebundene elektrische Transienten auf Versorgungsleitungen.
Bei fahrzeugbezogenen EMV-Anforderungen kann außerdem die UN-Regelung Nr. 10 relevant sein. Welche Anforderungen im konkreten Fall gelten, hängt unter anderem von Fahrzeugart, Einsatzbereich, Produktfunktion und der erforderlichen Zulassung ab.
Eine vorhandene E1-Zulassung muss deshalb anhand des zugehörigen Genehmigungsumfangs und der dokumentierten Ausführung bewertet werden. Sie ersetzt nicht automatisch den Nachweis jeder denkbaren Spannungsfestigkeit oder eines vollständigen Schutzkonzepts gegen sämtliche Lastabwurfereignisse.
Auch ein Wandler mit integriertem EMI-Filter stellt nicht automatisch sicher, dass die vollständige Anlage sämtliche EMV-Anforderungen erfüllt. Leitungslängen, Montage, Masseführung, Filteranordnung und angeschlossene Verbraucher können die Eigenschaften des Gesamtsystems verändern.
Für eine aussagekräftige Bewertung sind deshalb die konkrete Gerätekonfiguration, die vorgesehenen Leitungs- und Masseverbindungen sowie die anzuwendenden Prüfbedingungen entscheidend.
Eine Komponentenzulassung ist ein wichtiger Auswahlhinweis, aber kein Ersatz für die Bewertung und gegebenenfalls erforderliche Prüfung der vollständigen Installation.
16. Sensoren und Steuerungen störungsarm versorgen
Sensoren, Messverstärker, Datenlogger und Steuerungen besitzen unterschiedliche Anforderungen an ihre Versorgungsspannung. Neben dem Nennwert sind häufig die zulässige Restwelligkeit, kurzzeitige Spannungseinbrüche und das Störverhalten relevant.
Ein DC/DC-Wandler mit stabilisiertem Ausgang kann dazu beitragen, eine definierte Versorgung bereitzustellen. Dabei muss jedoch geprüft werden, welche Spannungsabweichungen bei der tatsächlichen Last und unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen auftreten.
Für empfindliche analoge Messsysteme kann außerdem eine geeignete Trennung zwischen stark schaltenden Verbrauchern und dem Messstromkreis sinnvoll sein.
Beispielsweise kann ein mobiler Schaltschrank aus demselben 24-V-Bordnetz sowohl Magnetventile als auch Drucktransmitter und eine Datenaufzeichnung versorgen. Beim Schalten der Magnetventile entstehen Lastsprünge und möglicherweise zusätzliche elektrische Störungen.
Eine getrennte Versorgung der Messtechnik kann dazu beitragen, solche Einflüsse zu reduzieren. Die Trennung kann je nach Anwendung über unterschiedliche Versorgungsausgänge, eigene DC/DC-Wandler, galvanische Isolation oder eine geeignete Filter- und Masseführung erfolgen.
Auch die Entstörung induktiver Verbraucher gehört zum Konzept. Eine ungünstig beschaltete Magnetspule kann beim Abschalten Störungen erzeugen, die sich auf benachbarte elektronische Geräte auswirken.
Die Spezifikation des DC/DC-Wandlers muss deshalb mit den Anforderungen der angeschlossenen Sensorik abgeglichen werden. Eine niedrige typische Restwelligkeit allein bestätigt noch nicht die vollständige Messqualität unter dynamischen Betriebsbedingungen.
Insbesondere bei präzisen Messaufgaben ist zu unterscheiden, ob ein Problem aus der Versorgungsspannung, dem analogen Sensorsignal, einer Massepotenzialverschiebung oder der digitalen Signalverarbeitung entsteht.
17. Temperatur, Kühlung, Vibration und Schutzart beachten
Mobile Anlagen können erheblichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sein. Temperaturwechsel, Feuchtigkeit, Staub und Vibrationen beeinflussen sowohl die mechanische Zuverlässigkeit als auch die elektrische Belastbarkeit eines DC/DC-Wandlers.
Ein wichtiger Auswahlparameter ist der zulässige Betriebstemperaturbereich. Er beschreibt, unter welchen Bedingungen das Gerät bestimmungsgemäß arbeiten darf. Davon zu unterscheiden sind Lagertemperatur, kurzzeitige Belastbarkeit und gegebenenfalls ein temperaturabhängiges Derating.
Beim Derating wird die zulässige Ausgangsleistung unter bestimmten Bedingungen reduziert. Ein Wandler, der bei niedriger Umgebungstemperatur seine volle Nennleistung bereitstellt, kann bei höherer Temperatur möglicherweise nur noch mit geringerer Leistung betrieben werden.
Die entstehende Verlustleistung muss über Gehäuse, Kühlflächen und Umgebung abgeführt werden. Ein hoher Wirkungsgrad reduziert die Verluste, beseitigt sie jedoch nicht vollständig.
Bei einem Wandler mit 120 W Ausgangsleistung und einem angenommenen Wirkungsgrad von 90 % beträgt die rechnerische Verlustleistung rund 13,3 W. Diese Wärme muss im vorgesehenen Einbauraum abgeführt werden.
Wird der Wandler in einem geschlossenen Schaltschrank montiert, kann die Temperatur im Inneren deutlich von der äußeren Umgebungstemperatur abweichen. Die thermische Auslegung muss deshalb die tatsächliche Umgebung des Geräts berücksichtigen.
Auch die Schutzart ist ausführungsspezifisch. Eine IP30-Ausführung benötigt andere Einbaubedingungen als ein entsprechend freigegebenes IP65-Gehäuse. Die IP-Schutzart beschreibt dabei die jeweiligen äußeren Schutzbedingungen und nicht automatisch die Beständigkeit gegen sämtliche Chemikalien, dauerhafte Kondensation oder Hochdruckreinigung.
Bei vibrationsbelasteten Maschinen sind außerdem Befestigung, Leitungsabstützung und Steckverbindungen relevant. Lose oder mechanisch beanspruchte Anschlüsse können elektrische Unterbrechungen verursachen, die einem Wandlerfehler ähneln.
18. Anschluss und Leitungsführung richtig gestalten
Ein zuverlässiger DC/DC-Wandler benötigt einen geeigneten elektrischen Einbau. Dabei sind Eingangs- und Ausgangsanschlüsse, Absicherung, Leitungsquerschnitte, Masseführung und eventuelle Schutzkomponenten gemeinsam zu planen.
Die Eingangsspannung muss mit der vorgesehenen Polarität angeschlossen werden. Die tatsächliche Belegung darf nicht allein aus Kabelfarben abgeleitet werden, insbesondere wenn unterschiedliche Fahrzeug- oder Maschinenstandards aufeinandertreffen.
Die Eingangsleitung sollte entsprechend den elektrischen und mechanischen Anforderungen dimensioniert sein. Lange Leitungen verursachen Spannungsabfall und können zusätzliche Störungen aufnehmen beziehungsweise abstrahlen.
Auch die Ausgangsleitung muss zur Last passen. Ein stabilisierter 24-V-Ausgang direkt an den Klemmen des Wandlers garantiert noch keine ausreichend stabile Versorgung an einem weit entfernten Sensor, wenn zwischen beiden ein erheblicher Leitungswiderstand besteht.
Bei empfindlicher Messtechnik ist außerdem die räumliche Trennung von Leistungs- und Signalleitungen zu berücksichtigen. Stromführende Leitungen zu Motoren oder Magnetventilen sollten nicht ohne geeignetes EMV-Konzept gemeinsam mit empfindlichen analogen Signalleitungen geführt werden.
Filter und Überspannungsschutzkomponenten müssen entsprechend ihrer vorgesehenen Funktion angeordnet werden. Ihre Wirkung hängt nicht nur von ihren elektrischen Daten, sondern auch von Anschlusslängen, Massebezug und dem gesamten Leitungsaufbau ab.
Bei einem isolierten DC/DC-Wandler ist die Ausgangsmasse entsprechend dem festgelegten Potenzialkonzept zu behandeln. Eine unbeabsichtigte Verbindung zum Eingangsminuspol kann die vorgesehene galvanische Trennung an anderer Stelle überbrücken.
Die Herstellerangaben zu Anschlussart, zulässigem Leiterquerschnitt, Montageabständen und Kühlung sind bei jeder konkreten Geräteausführung einzuhalten.
19. Den DC/DC-Wandler unter realistischen Betriebsbedingungen prüfen
Eine Prüfung im Labor mit einer stabilisierten Versorgungsspannung ist für die Grundfunktion hilfreich. Sie zeigt jedoch nicht automatisch, wie der Wandler auf alle tatsächlich auftretenden Bordnetzereignisse reagiert.
Für die Inbetriebnahme sollten deshalb relevante Betriebszustände der mobilen Anlage berücksichtigt werden. Dazu gehören das Einschalten der Gesamtversorgung, der Motorstart, das Zuschalten großer Verbraucher und der Betrieb bei maximaler vorgesehener Last.
Ein geeigneter Prüfablauf umfasst folgende Schritte:
- Konfiguration dokumentieren: Wandlerausführung, Eingangsspannungsbereich, Ausgangsspannung, Anschlussbelegung und Schutzfunktionen erfassen.
- Gesamten Lastbedarf prüfen: Dauerleistung, Spitzenströme und besondere Startanforderungen der angeschlossenen Verbraucher bestimmen.
- Leitungsführung kontrollieren: Absicherung, Leiterquerschnitte, Verbindungen, Polarität und Massekonzept prüfen.
- Ausgangsspannung bei Nennbedingungen messen: Spannungsstabilität am Wandler und an relevanten Verbrauchern erfassen.
- Unterspannung beurteilen: Den Wandler unter dafür vorgesehenen und sicheren Prüfbedingungen mit dem relevanten unteren Eingangsspannungsbereich testen.
- Lastsprünge untersuchen: Ausgangsspannung und gegebenenfalls Neustartverhalten bei definierten Laständerungen dokumentieren.
- Temperaturbedingungen berücksichtigen: Ausreichende Kühlung und mögliche Leistungsreduzierung bei relevanter Umgebungstemperatur prüfen.
- Signalverhalten kontrollieren: Angeschlossene Sensoren und Kommunikationssysteme auf Spannungsstörungen, Aussetzer oder Fehlermeldungen prüfen.
- Schutzfunktionen bewerten: Zulässiges Verhalten bei Unterspannung, Überlast und Wiederkehr der Versorgung nachvollziehen.
- Prüfergebnisse dokumentieren: Spannungswerte, Stromwerte, zeitliche Verläufe, Störungen und gegebenenfalls erforderliche Änderungen festhalten.
Für kurze Spannungsspitzen und schnelle Einbrüche kann ein geeignetes Oszilloskop oder ein entsprechender Transientenrekorder erforderlich sein. Ein langsam aktualisierendes Multimeter erfasst solche Ereignisse nicht zwangsläufig vollständig.
Bei der Bewertung ist die Messspannung direkt an den Eingangsklemmen des Wandlers besonders wichtig. Eine Messung ausschließlich an der Batterie kann relevante Leitungsverluste übersehen.
Prüfungen mit hohen Spannungsimpulsen oder energiereichen Lastabwurfprofilen erfordern geeignete Prüfeinrichtungen und fachlich freigegebene Verfahren. Solche Ereignisse dürfen nicht durch improvisierte Eingriffe in ein reales Fahrzeugbordnetz erzeugt werden.
20. Typische Versorgungsprobleme systematisch diagnostizieren
Bei einer instabilen Versorgung muss zunächst unterschieden werden, ob der Fehler auf der Eingangsseite, innerhalb des Wandlers oder in der angeschlossenen Last entsteht. Eine einzelne Messung der Ausgangsspannung reicht dafür häufig nicht aus.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Messsystem startet beim Motorstart neu | Eingangsspannung fällt unter die Mindestspannung; Pufferung unzureichend | Eingangsspannung direkt am Wandler während des Startvorgangs zeitaufgelöst messen |
| Wandler funktioniert im Labor, aber nicht an der Maschine | Leitungsverluste, Bordnetzspitzen oder ungeeignete Masseführung | Versorgung am tatsächlichen Einbauort unter Last prüfen |
| Ausgangsspannung bricht beim Zuschalten von Verbrauchern ein | Überlast, zu hohe kapazitive Last oder unzureichendes dynamisches Regelverhalten | Lastprofil und Ausgangsspannung zeitgleich erfassen |
| Wandler startet wiederholt neu | Hiccup-Schutz, Unterspannung oder instabile Eingangsquelle | Schutzverhalten und zeitlichen Verlauf von Eingang und Ausgang prüfen |
| Sensorwerte schwanken beim Schalten von Magnetventilen | Gemeinsame Rückströme, EMV-Störungen oder Versorgungseinbrüche | Masseführung, Signalweg und Versorgung des Sensors getrennt untersuchen |
| Ausgangsspannung ist am Wandler korrekt, am Sensor aber zu niedrig | Spannungsabfall in der Ausgangsleitung | Leitungswiderstand und Spannung direkt an den Verbraucherklemmen prüfen |
| Störungen treten nur bei hoher Umgebungstemperatur auf | Thermische Leistungsreduzierung oder Übertemperaturschutz | Einbautemperatur, Kühlung und Derating prüfen |
| Sicherung spricht beim Einschalten an | Hoher Eingangseinschaltstrom oder ungünstige Abstimmung von Sicherung und Last | Einschaltvorgang und vorgesehenes Schutzkonzept prüfen |
| Galvanische Trennung scheint keine Wirkung zu zeigen | Erneute leitende Verbindung über Signalmasse, Schirm oder andere angeschlossene Geräte | Vollständiges Masse- und Verbindungskonzept prüfen |
| Wandler fällt nach einem besonderen Schaltvorgang aus | Unzulässige Überspannung oder fehlender Eingangsschutz | Vorhandene Schutzbeschaltung, Transientenanforderungen und Gerätespezifikation vergleichen |
Die Tabelle enthält mögliche Ursachen und geeignete erste Prüfungen. Eine eindeutige Diagnose muss am konkreten Aufbau erfolgen. Mehrere Einflüsse können gleichzeitig vorhanden sein.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen einem korrekt arbeitenden Schutzmechanismus des Wandlers und einem unerwünschten Verhalten der Gesamtanlage. Eine Unterspannungsabschaltung kann das Gerät schützen, gleichzeitig aber den Betrieb der angeschlossenen Steuerung unterbrechen.
Vor einem Austausch des Wandlers sollten deshalb die Eingangsspannung, die angeschlossene Last und die vorgesehenen Schutzfunktionen gemeinsam überprüft werden.
21. Prüfergebnisse und Auslegung nachvollziehbar dokumentieren
Eine nachvollziehbare Auslegung benötigt mehr als die Angabe „24 V DC“. Sie muss beschreiben, welche Eingangsspannungen, Ausgangslasten und Störbedingungen tatsächlich auftreten können.
Wesentliche Angaben sind die minimale und maximale reguläre Eingangsspannung, relevante Transienten, zulässige Unterspannungsdauer und die Anforderungen an die Wiederaufnahme des Betriebs.
Auf der Ausgangsseite werden Nennspannung, Dauerstrom, Spitzenstrom, zulässige Spannungsabweichung und gegebenenfalls die notwendige Überbrückungszeit dokumentiert.
Auch die elektrische Integration ist festzuhalten. Dazu gehören Leitungsquerschnitte, Leitungslängen, Absicherung, Schutzbeschaltung, Masseverbindungen und die Frage, ob eine galvanische Trennung vorgesehen ist.
Bei der Inbetriebnahme sollten Spannung und Strom möglichst an den tatsächlichen Anschlussstellen gemessen werden. Relevante Last- und Startzustände sind mit den jeweiligen Messergebnissen zu verknüpfen.
Wird die Anlage später verändert, beispielsweise durch zusätzliche Sensoren, eine längere Zuleitung oder einen anderen Verbraucher, muss die Versorgung erneut bewertet werden.
Besonders bei mobilen Messsystemen mit hoher Datenverfügbarkeit kann es sinnvoll sein, Unterspannungsereignisse und Neustarts über geeignete Diagnosefunktionen zu dokumentieren. Dadurch lassen sich sporadische Probleme später besser zuordnen.
Für eine normbezogene oder kundenspezifische Prüfung muss außerdem festgehalten werden, welche konkreten Prüfprofile angewendet wurden und welches Funktionsverhalten während und nach der Belastung gefordert war.
22. Passende DC/DC-Wandler von ICS Schneider
22.1 Typ 2218.2: DC/DC-Wandler mit E1-Zulassung für mobile Anwendungen
Der DC/DC-Wandler Typ 2218.2 ist für die Umwandlung einer nominalen 24-V-Versorgung in eine stabilisierte 12-V-Ausgangsspannung vorgesehen. Die bei ICS dokumentierte Ausführung besitzt einen Eingangsspannungsbereich von 18 … 28 V DC und stellt 12 V DC bei einem Dauerstrom von 10 A bereit.
Die Nennleistung beträgt 120 W. Der Wandler verfügt unter anderem über einen elektronischen Überlastschutz, eine Unterspannungsabschaltung und weitere dokumentierte Schutzfunktionen. Für die betreffende Ausführung ist eine E1-Zulassung angegeben.
Wichtig ist die fehlende galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang. Beide Seiten besitzen einen gemeinsamen Minuspol, der bei dieser Ausführung mit dem Gehäuse verbunden ist.
Der 2218.2 kann damit für geeignete 24-V-auf-12-V-Versorgungsaufgaben interessant sein, wenn eine gemeinsame Masse vorgesehen ist. Ob der Eingangsspannungsbereich und die dokumentierten Schutzfunktionen für die tatsächlichen Bordnetzbelastungen ausreichen, muss anwendungsbezogen geprüft werden.
22.2 Typ 2218.7: DC/DC-Wandler für eine 24-V-Ausgangsversorgung
Der DC/DC-Wandler Typ 2218.7 gehört zu einer Baureihe getakteter Spannungswandler für industrielle und mobile Anwendungen. Die bei ICS dokumentierte Ausführung arbeitet mit einer nominalen Eingangsspannung von 24 V DC und stellt ebenfalls 24 V DC am Ausgang bereit.
Für den Typ ist ein Eingangsspannungsbereich von 18 … 28 V DC angegeben. Die Baureihe umfasst verschiedene Leistungs- und Anschlussausführungen. Die konkrete Belastbarkeit ist anhand der gewählten Bestellvariante und der zugehörigen Herstellerunterlagen zu prüfen.
Die Wandlertypen der 2218-Serie besitzen keine galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite. Sie sind daher nicht für Anwendungen geeignet, die ausdrücklich eine elektrische Potenzialtrennung benötigen.
Eine 24-V-auf-24-V-Wandlung kann sinnvoll sein, wenn eine definierte Ausgangsspannung innerhalb des spezifizierten Eingangsspannungsbereichs erforderlich ist. Bei Spannungseinbrüchen unterhalb der dokumentierten unteren Eingangsgrenze kann jedoch keine uneingeschränkte Weiterfunktion vorausgesetzt werden.
22.3 Mean Well ISD-Serie: Galvanisch getrennte DC/DC-Versorgung
Die Mean Well ISD-Serie umfasst DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite. Für die ISD-25-Ausführungen wird eine Ausgangsleistung von rund 25 W angegeben.
Je nach Modell stehen Eingangsspannungsbereiche von 9,2 … 18 V DC, 19 … 36 V DC oder 36 … 72 V DC zur Verfügung. Ausgangsseitig sind Varianten mit 5 V DC, 12 V DC oder 24 V DC erhältlich.
Die spezifizierte I/O-Isolation beträgt 1.500 V AC. Zusätzlich verfügt die Serie über einen integrierten EMI-Filter sowie Schutzfunktionen gegen Kurzschluss, Überlast und Überspannung.
Für die Versorgung kleinerer Mess- und Steuerstromkreise kann die ISD-Serie interessant sein, wenn ein separates elektrisches Bezugspotenzial benötigt wird.
Die B-Eingangsvariante für nominale 24-V-Versorgungen besitzt jedoch eine untere spezifizierte Eingangsgrenze von 19 V DC. Sie ist daher nicht automatisch für Anwendungen geeignet, bei denen während des Motorstarts niedrigere Spannungen auftreten und der Ausgang unterbrechungsfrei weiterarbeiten muss.
Auch die spezifizierte galvanische Trennung ersetzt keine gesonderte Bewertung der fahrzeugtypischen Transientenbelastung. Für eine mobile Anwendung müssen daher Eingangsschutz, Spannungsbereich, Temperatur und erforderliche Zulassungen gemeinsam überprüft werden.
Eine Übersicht weiterer Lösungen bietet die Kategorie DC/DC-Wandler sowie der Bereich Stromversorgung von ICS Schneider.
23. Fazit: Die gesamte 24-V-Versorgungskette bewerten
Ein DC/DC-Wandler für mobile 24-V-Systeme muss unter deutlich anspruchsvolleren Bedingungen arbeiten als eine einfache Betrachtung der Nennspannung vermuten lässt. Spannungseinbrüche, Lastabwurfspitzen, Leitungsverluste und dynamische Verbraucher können die Stromversorgung erheblich beeinflussen.
Für eine zuverlässige Auslegung sind deshalb der tatsächliche Eingangsspannungsverlauf, die benötigte Ausgangsleistung und das geforderte Verhalten bei Störungen maßgeblich. Ein Wandler mit ausreichender Dauerleistung kann dennoch ungeeignet sein, wenn sein zulässiger Eingangsspannungsbereich beim Motorstart verlassen wird.
Die galvanische Trennung stellt eine eigenständige Funktion dar. Sie kann für bestimmte Mess- und Steuerstromkreise sinnvoll sein, ist aber weder automatisch in jedem DC/DC-Wandler vorhanden noch ein vollständiger Schutz gegen sämtliche Bordnetzstörungen.
Ebenso wichtig sind Eingangsschutz, EMV, Leitungsdimensionierung und thermische Auslegung. Erst die abgestimmte Betrachtung aller Komponenten zeigt, ob die Versorgung auch unter realen Betriebsbedingungen zuverlässig funktioniert.
Versorgungsaufgabe definieren → tatsächliches Bordnetzprofil erfassen → Ein- und Ausgangsspannungsbereich prüfen → Lasten und Eingangsstrom dimensionieren → Leitungsverluste berechnen → galvanische Trennung festlegen → Schutz und EMV auslegen → vollständigen Aufbau unter realistischen Bedingungen prüfen → Ergebnisse dokumentieren
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Ein DC/DC-Wandler ist nicht allein deshalb für ein mobiles 24-V-System geeignet, weil seine Nenneingangsspannung 24 V beträgt. Entscheidend ist, ob die vollständige Versorgungskette alle relevanten Spannungs-, Last- und Umgebungsbedingungen zuverlässig beherrscht.
24. Häufige Fragen zu DC/DC-Wandlern in mobilen 24-V-Systemen
24.1 Warum benötigt ein mobiles 24-V-System überhaupt einen DC/DC-Wandler?
Ein DC/DC-Wandler wird verwendet, um aus einer vorhandenen Gleichspannung eine für den Verbraucher geeignete Ausgangsspannung bereitzustellen. Je nach Ausführung kann er zusätzlich die Spannung stabilisieren oder eine galvanische Trennung zwischen Stromkreisen ermöglichen. Welche Funktion benötigt wird, hängt von der Anwendung ab.
24.2 Ist die Spannung in einem 24-V-Fahrzeug immer genau 24 V?
Nein. Die tatsächliche Bordnetzspannung hängt unter anderem von Batterie, Ladezustand, Generatorbetrieb und elektrischer Last ab. Beim Motorstart können Spannungseinbrüche auftreten; bei Schalt- und Lastabwurfereignissen sind kurzzeitige Überspannungen möglich.
24.3 Was passiert, wenn die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers zu niedrig wird?
Je nach Geräteausführung kann die Ausgangsspannung absinken, der Wandler abschalten oder ein Neustart ausgelöst werden. Ob die angeschlossenen Verbraucher weiter versorgt werden, hängt vom spezifizierten Eingangsspannungsbereich und gegebenenfalls vorhandenen Überbrückungsfunktionen ab.
24.4 Was bedeutet Load Dump in einem 24-V-Bordnetz?
Load Dump bezeichnet einen Lastabwurfzustand, bei dem unter bestimmten Bedingungen eine erhebliche Überspannung entstehen kann, etwa wenn die Batterieanbindung während der Stromlieferung des Generators unterbrochen wird. Die möglichen Spannungen und Pulsdauern hängen vom Bordnetz und dessen Schutzkonzept ab.
24.5 Schützt jeder DC/DC-Wandler automatisch gegen Spannungsspitzen?
Nein. Ein Wandler kann bestimmte integrierte Schutzfunktionen besitzen, ohne alle im Fahrzeug möglichen Transienten zu beherrschen. Normaler Eingangsspannungsbereich, kurzzeitige Spannungsfestigkeit und erforderlicher externer Eingangsschutz müssen getrennt geprüft werden.
24.6 Ist ein DC/DC-Wandler mit E1-Zulassung automatisch gegen jeden Load Dump geschützt?
Nein. Die Bedeutung der E1-Zulassung muss anhand des konkreten Genehmigungsumfangs beurteilt werden. Sie darf nicht pauschal als Nachweis für sämtliche möglichen Bordnetzspitzen, Unterspannungen oder kundenspezifischen Prüfanforderungen interpretiert werden.
24.7 Was ist der Unterschied zwischen isoliertem und nicht isoliertem DC/DC-Wandler?
Bei einem galvanisch getrennten Wandler besteht zwischen Eingangs- und Ausgangsstromkreis keine direkte leitende Verbindung. Bei einem nicht isolierten Wandler besitzen beide Seiten dagegen eine elektrische Verbindung, häufig über einen gemeinsamen Minuspol. Beide Bauarten haben unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten.
24.8 Wann ist eine galvanische Trennung sinnvoll?
Sie kann sinnvoll sein, wenn unterschiedliche Massepotenziale getrennt werden müssen oder unerwünschte leitende Ausgleichsströme zwischen Versorgungskreisen vermieden werden sollen. Ob sie notwendig ist, hängt vom vollständigen Versorgungs-, Signal- und EMV-Konzept ab.
24.9 Kann ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler alle EMV-Störungen beseitigen?
Nein. Die Trennung unterbricht den direkten leitenden Pfad zwischen den Stromkreisen. Kapazitive Kopplungen, hochfrequente Gleichtaktstörungen und weitere elektromagnetische Übertragungswege können trotzdem vorhanden sein. Eine geeignete EMV-Auslegung bleibt erforderlich.
24.10 Warum kann ein 24-V-auf-24-V-Wandler sinnvoll sein?
Ein solcher Wandler kann eine definierte Ausgangsspannung bereitstellen oder bei isolierter Ausführung einen getrennten Versorgungsstromkreis erzeugen. Ob er auch bei Eingangsspannungen unterhalb von 24 V stabilisiert, hängt von der konkreten Topologie und dem spezifizierten Eingangsspannungsbereich ab.
24.11 Warum steigt der Eingangsstrom bei sinkender Eingangsspannung?
Wenn die Ausgangsleistung annähernd konstant bleibt, muss die notwendige Eingangsleistung bei geringerer Eingangsspannung mit einem höheren Strom bereitgestellt werden. Vereinfacht gilt Iin ≈ Pout / (η · Uin). Der tatsächlich benötigte Strom hängt auch vom Wirkungsgrad am jeweiligen Betriebspunkt ab.
24.12 Kann ein zu kleiner Leitungsquerschnitt einen Neustart verursachen?
Ja. Bei hohem Strom entsteht an der Zuleitung ein Spannungsabfall. Dadurch kann die Eingangsspannung direkt am Wandler unter dessen Mindestwert sinken, obwohl an der Batterie noch eine höhere Spannung vorhanden ist. Deshalb muss die Spannung am tatsächlichen Wandlereingang unter Last geprüft werden.
24.13 Reicht die Nennleistung des Wandlers für die Dimensionierung aus?
Nein. Zusätzlich müssen die tatsächlichen Lastspitzen, kapazitive Verbraucher, Einschaltströme, mögliche Überlastzustände und die temperaturabhängige Belastbarkeit berücksichtigt werden. Auch das Verhalten des Wandlers bei kurzzeitiger Überlast ist relevant.
24.14 Was ist ein Hiccup-Schutz bei einem DC/DC-Wandler?
Bei einem Hiccup-Schutz schaltet die Elektronik unter bestimmten Fehlerbedingungen den Ausgang ab und versucht anschließend automatisch einen erneuten Start. Das kann den Wandler schützen, bei der angeschlossenen Messtechnik aber wiederholte Neustarts verursachen.
24.15 Kann ich die galvanische Trennung mit einem Multimeter prüfen?
Eine geeignete Durchgangs- oder Widerstandsmessung im spannungsfreien Zustand kann Hinweise auf eine direkte leitende Verbindung liefern. Sie ersetzt jedoch keinen Nachweis der spezifizierten Isolationsfestigkeit. Dafür sind Herstellerunterlagen und gegebenenfalls freigegebene Prüfverfahren maßgeblich.
24.16 Muss ein DC/DC-Wandler im Schaltschrank zusätzlich gekühlt werden?
Das hängt von Verlustleistung, Umgebungstemperatur, Einbaulage, Luftzirkulation und Herstelleranforderungen ab. Bei höheren Temperaturen kann eine Leistungsreduzierung erforderlich sein. Die zulässige Ausgangsleistung ist deshalb unter den tatsächlichen Einbaubedingungen zu prüfen.
24.17 Welcher ICS-DC/DC-Wandler bietet eine galvanische Trennung?
Die bei ICS geführte Mean Well ISD-Serie umfasst galvanisch getrennte DC/DC-Wandler. Für die ISD-25-Serie wird eine I/O-Isolation von 1.500 V AC angegeben. Eingangsspannungsbereich, Ausgangsleistung und erforderliche Fahrzeugzulassungen müssen für die konkrete Anwendung gesondert geprüft werden.
24.18 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?
Benötigt werden Art des mobilen Systems, minimale und maximale Eingangsspannung, mögliche Spannungseinbrüche und Eingangsspitzen sowie die gewünschte Ausgangsspannung. Zusätzlich sind Dauer- und Spitzenstrom, Einschaltverhalten, Leitungslänge, Leiterquerschnitt, Umgebungstemperatur, Einbauort und Schutzart wichtig. Für die technische Auslegung werden außerdem Anforderungen an galvanische Trennung, Massekonzept, EMV, fahrzeugbezogene Zulassungen, Pufferung, Störungsverhalten und gegebenenfalls notwendige Prüf- und Kalibriernachweise benötigt.