DC-DC-Wandler in mobilen Maschinen: Load Dump, Spannungseinbruch und Bordnetzstörungen beherrschen

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Eine Baumaschine besitzt ein 24-V-Bordnetz und eine Sensorelektronik benötigt stabile 12 V. Auf den ersten Blick scheint die Auswahl einfach: 24-V-Eingang, 12-V-Ausgang, ausreichender Strom – fertig. Trotzdem fällt die Elektronik sporadisch beim Motorstart aus oder wird nach einigen Monaten durch eine Bordnetzstörung beschädigt.

Der Grund liegt häufig darin, dass ein Fahrzeugbordnetz keine ideale Gleichspannungsquelle ist. Während des Startvorgangs kann die Spannung deutlich einbrechen. Beim Schalten induktiver Lasten entstehen kurze Spannungsspitzen. Unter bestimmten Bedingungen kann ein Load-Dump-Ereignis eine erheblich höhere Überspannung erzeugen. Hinzu kommen Verpolung, Masseverschiebungen, EMV-Störungen und thermische Belastungen.

Ein DC-DC-Wandler für mobile Anwendungen muss deshalb nicht nur zur Nennspannung passen. Entscheidend ist, welchen realen Spannungsbereich und welche transienten Belastungen er am Einbauort überstehen muss und welche Ausgangsqualität die angeschlossene Elektronik benötigt.

Geeignete Gleichspannungswandler finden Sie unter DC-DC Wandler. Weitere Komponenten zur Versorgung von Mess-, Steuer- und Überwachungssystemen sind unter Stromversorgung zusammengefasst.

Warum sind Fahrzeugbordnetze problematisch?

Die Bezeichnungen 12 V, 24 V oder 48 V beschreiben zunächst nur die Nennspannung eines Bordnetzes. Die tatsächlich vorhandene Spannung kann davon erheblich abweichen.

Bei laufendem Motor wird die Batterie durch Generator beziehungsweise DC-Ladesystem geladen. Dadurch liegt die normale Betriebsspannung bereits oberhalb der reinen Batteriespannung. Beim Starten zieht der Anlasser dagegen einen sehr hohen Strom und kann einen erheblichen kurzzeitigen Spannungseinbruch verursachen.

Zusätzlich befinden sich in mobilen Maschinen zahlreiche induktive Verbraucher: Magnetventile, Relais, Motoren, Pumpen, Lüfter und Schütze. Beim Ein- und Ausschalten entstehen transiente Störungen, die über das gemeinsame Bordnetz andere Geräte beeinflussen können.

Die zentrale Frage lautet deshalb nicht:

„Ist die Maschine ein 24-V-Fahrzeug?“

sondern:

„Welche minimale, maximale und transiente Eingangsspannung erreicht tatsächlich den DC-DC-Wandler?“

Was passiert bei einem Load Dump?

Ein besonders kritisches Ereignis ist der sogenannte Load Dump. Vereinfacht entsteht er, wenn ein Generator Strom liefert und die Batterie beziehungsweise eine wesentliche Last plötzlich vom Bordnetz getrennt wird.

Die Batterie wirkt normalerweise wie ein großer elektrischer Puffer. Fällt diese Pufferwirkung abrupt weg, kann die Bordnetzspannung deutlich ansteigen. Für angeschlossene Elektronik entsteht eine Überspannungsbelastung, die wesentlich höher sein kann als die normale Ladespannung.

Wie stark und wie lange ein solches Ereignis ausfällt, hängt vom Bordnetz und von der vorhandenen Schutzbeschaltung ab. Moderne Fahrzeugarchitekturen können solche Ereignisse bereits zentral begrenzen. Trotzdem darf ein DC-DC-Wandler nicht allein aufgrund seiner Nennspannung als Load-Dump-fest betrachtet werden.

Ein Eingang mit beispielsweise 18 … 28 V DC beschreibt normalerweise einen zulässigen kontinuierlichen Arbeitsbereich. Eine kurzzeitige Überspannungsfestigkeit muss separat spezifiziert oder durch eine entsprechende Prüfung nachgewiesen sein.

Spannungseinbruch beim Starten richtig berücksichtigen

Das gegenteilige Problem tritt beim Motorstart auf. Der Anlasser benötigt kurzfristig einen sehr hohen Strom. Gleichzeitig können niedrige Batterietemperatur, lange Anschlussleitungen oder eine bereits gealterte Batterie den Spannungseinbruch verstärken.

Für den DC-DC-Wandler stellt sich dann die Frage, ob er seine Ausgangsspannung während dieses Einbruchs aufrechterhalten kann.

Unterschreitet die Eingangsspannung die zulässige Unterspannungsgrenze, kann der Wandler abschalten oder seine Ausgangsspannung absenken. Das ist nicht automatisch ein Defekt. Kritisch wird es jedoch, wenn die angeschlossene Steuerung dadurch unkontrolliert neu startet.

Bei einer mobilen Messanlage kann beispielsweise bereits ein kurzer Neustart dazu führen, dass ein Datenlogger Messwerte verliert. Bei einer Maschinensteuerung können Kommunikationsmodule, Displays oder Sensorversorgungen neu booten und erst mehrere Sekunden später wieder verfügbar sein.

Deshalb muss vorab entschieden werden, ob der Verbraucher einen Startvorgang unterbrechungsfrei überstehen muss oder ob ein definierter Neustart zulässig ist.

Warum reicht der Eingangsspannungsbereich nicht aus?

Bei der Auswahl wird häufig nur der im Datenblatt angegebene Eingangsspannungsbereich betrachtet. Dieser Wert ist wichtig, aber allein nicht ausreichend.

Angabe	Was sie beschreibt	Was zusätzlich geprüft werden muss
Nenneingang 24 V DC	Vorgesehenes Bordnetz	Tatsächlicher Arbeitsbereich der Maschine
Eingangsbereich z. B. 18 … 28 V DC	Kontinuierlicher Betriebsbereich	Cranking unterhalb und Transienten oberhalb dieses Bereichs
Überspannungsschutz	Interne Schutzfunktion	Zulässige Amplitude, Dauer und Energie
E1-Zulassung	Fahrzeugbezogene Zulassung der Ausführung	Ob die geforderten elektrischen Prüfprofile der konkreten Anwendung abgedeckt sind
Ausgang 12 V / 10 A	Nominelle Ausgangsleistung	Einschaltstrom und dynamische Last des Verbrauchers
IP-Schutzart	Schutz gegen Berührung, Fremdkörper und Wasser	Temperatur, Vibration und tatsächlicher Montageort

Genau diese Trennung verhindert eine häufige Fehlbestellung: Ein Wandler kann im normalen Betrieb perfekt funktionieren und trotzdem für den realen Start- oder Fehlerfall des Fahrzeugs ungeeignet sein.

Verpolung und negative Transienten

Neben positiver Überspannung muss auch eine falsche Polarität berücksichtigt werden. Verpolungen können beispielsweise bei Wartungsarbeiten, Batteriewechsel oder Fremdstartvorgängen auftreten.

Ob ein Wandler eine Verpolung dauerhaft oder nur kurzfristig verträgt, muss aus seiner Spezifikation hervorgehen. Eine Sicherung allein stellt dabei keinen vollständigen Verpolschutz dar.

Auch negative Spannungstransienten können im Bordnetz entstehen. Die Eingangsschutzbeschaltung muss deshalb als Gesamtsystem betrachtet werden. Je nach Anwendung gehören dazu interne oder externe Schutzmaßnahmen wie Verpolschutz, transiente Spannungsbegrenzung, Filterung und passende Sicherungen.

Welche Komponenten erforderlich sind, hängt von der bereits im DC-DC-Wandler vorhandenen Schutzschaltung ab. Eine zusätzliche externe Schutzbeschaltung sollte deshalb nicht nach einem universellen Standardschema dimensioniert werden.

Wann ist galvanische Trennung sinnvoll?

Bei einem galvanisch getrennten DC-DC-Wandler besteht keine direkte leitende DC-Verbindung zwischen Ein- und Ausgang. Dadurch lässt sich auf der Ausgangsseite ein eigenes Bezugspotenzial aufbauen.

Das kann bei langen Leitungen, empfindlicher Messtechnik, unterschiedlichen Massepotentialen oder störanfälligen Kommunikationssystemen erhebliche Vorteile bieten.

Eine galvanische Trennung ist jedoch nicht grundsätzlich für jede mobile Maschine erforderlich. Viele kompakte Fahrzeugwandler arbeiten bewusst mit gemeinsamem Minuspotential. Das reduziert Aufwand, Größe und Kosten.

Wichtig ist lediglich, dass diese Eigenschaft bereits bei der Planung bekannt ist. Wird ein nicht isolierter Wandler eingesetzt, sind Eingangsminus und Ausgangsminus je nach Ausführung elektrisch miteinander verbunden. Damit können Masseverschiebungen des Bordnetzes direkt auf die versorgte Elektronik wirken.

Galvanische Trennung sollte deshalb gezielt gewählt werden und nicht als allgemeines Synonym für einen „besseren“ DC-DC-Wandler verstanden werden.

Massekonzept und Spannungsabfälle richtig planen

In mobilen Maschinen fließen häufig hohe Ströme über gemeinsame Masseleitungen und Chassisverbindungen. Bereits kleine Übergangswiderstände erzeugen dabei messbare Spannungsabfälle.

Ein empfindlicher Drucksensor kann beispielsweise aus einem stabilisierten 12-V-Wandler versorgt werden, während seine Signalmassen über einen anderen Leitungsweg zur Steuerung zurückgeführt werden. Liegen zwischen diesen Massepunkten unterschiedliche Potentiale, können Messfehler entstehen, obwohl der Wandler selbst eine vollkommen stabile Ausgangsspannung liefert.

Deshalb gehört das Massekonzept genauso zur Stromversorgung wie die Auswahl des Wandlers.

Hohe Lastströme von Anlassern, Pumpen oder Magnetventilen sollten nicht unnötig über dieselben kleinen Masseleitungen geführt werden wie empfindliche Messsignale. Versorgung und Signalführung müssen entsprechend der Maschinenarchitektur geplant werden.

Ausgangsleistung und Einschaltstrom berücksichtigen

Ein Verbraucher mit einer Typenschildleistung von 80 W benötigt nicht zwangsläufig nur einen 80-W-Wandler.

Steuerungen, Displays, Funkgeräte oder Computer besitzen häufig Eingangskondensatoren. Beim Einschalten entsteht dadurch kurzzeitig ein deutlich höherer Strom. Motorische Verbraucher und Magnetventile besitzen ebenfalls dynamische Lasten.

Der DC-DC-Wandler muss deshalb sowohl die Dauerlast als auch den Einschaltvorgang beherrschen. Andernfalls spricht der Überlastschutz an, obwohl der Verbraucher nach dem Start eigentlich innerhalb der zulässigen Leistung liegen würde.

Eine gewisse Leistungsreserve ist daher sinnvoll. Sie darf jedoch nicht einfach durch überdimensionierte Sicherungen erzeugt werden. Leitungen, Steckverbinder und Schutzorgane müssen zum maximal möglichen Strom des gesamten Versorgungskreises passen.

EMV und Leitungsführung

Ein DC-DC-Wandler ist selbst ein getaktetes elektronisches System. Gleichzeitig arbeitet er in einer Umgebung mit starken elektrischen Störquellen.

Die Leitungsführung ist deshalb entscheidend. Lange ungeschirmte Versorgungsschleifen vergrößern die wirksame Fläche für elektromagnetische Einkopplungen. Leistungskabel zu Motoren, Wechselrichtern oder Magnetventilen sollten nicht ohne Not unmittelbar parallel zu empfindlichen Sensorleitungen geführt werden.

Auch Eingangs- und Ausgangsfilter wirken nur dann wie vorgesehen, wenn Masseführung, Leitungslängen und Anschlusskonzept stimmen.

Bei Problemen sollte deshalb nicht automatisch ein immer größerer Filter nachgerüstet werden. Zuerst sollte geklärt werden, ob die Störung leitungsgebunden, gestrahlt oder über eine gemeinsame Masse eingekoppelt wird.

Wirkungsgrad, Temperatur und Kühlung

Ein DC-DC-Wandler mit 90 % Wirkungsgrad erzeugt bei 200 W Ausgangsleistung trotzdem mehr als 20 W Verlustleistung. Diese Wärme muss abgeführt werden.

Das ist in mobilen Maschinen besonders relevant. Ein Wandler kann in einem geschlossenen Schaltschrank direkt neben Hydraulikaggregaten oder Motorraumkomponenten montiert sein. Gleichzeitig kann sich das Gehäuse durch Sonneneinstrahlung zusätzlich erwärmen.

Die maximal zulässige Ausgangsleistung darf deshalb nicht unabhängig von der Umgebungstemperatur betrachtet werden. Besitzt das Gerät eine Derating-Kennlinie, muss diese bei der Auslegung berücksichtigt werden.

Bei lüftergekühlten Geräten kommt ein weiterer Punkt hinzu: Staub und Verschmutzung können die Kühlwirkung mit zunehmender Betriebsdauer reduzieren. In sehr staubigen Baumaschinen kann daher eine konvektionsgekühlte, gekapselte Lösung trotz größerer Bauform die robustere Alternative sein.

Schutzart und Einbauort

Ein trockener Elektronikschrank in einer Fahrerkabine stellt andere Anforderungen als eine Außenmontage am Fahrzeugrahmen.

Bei direkter Maschinenmontage können Feuchtigkeit, Spritzwasser, Staub, Salz, Öl und starke Vibrationen auftreten. Eine hohe IP-Schutzart kann deshalb ein wichtiges Auswahlkriterium sein.

Sie sagt jedoch nichts darüber aus, ob der Wandler gleichzeitig die notwendigen elektrischen Transienten oder Temperaturanforderungen erfüllt.

Schutzart, elektrische Festigkeit und mechanische Belastbarkeit sind getrennte Eigenschaften und müssen gemeinsam zur Anwendung passen.

Fahrzeugnormen richtig zuordnen

Für Straßenfahrzeuge existieren definierte Prüfverfahren für elektrische Belastungen und transiente Störungen. Dazu gehören unter anderem ISO 7637-2 für leitungsgebundene Transienten in 12- und 24-V-Fahrzeugen sowie ISO 16750-2 für elektrische Belastungen von Fahrzeugkomponenten.

Diese Normen dürfen jedoch nicht pauschal auf jede mobile Anwendung übertragen werden.

Eine Baumaschine kann zusätzliche Herstelleranforderungen besitzen. Für Schienenfahrzeuge gelten wiederum eigene Bahnnormen. Auch bei 48-V-Systemen muss geprüft werden, welche Spezifikation tatsächlich für das Fahrzeug beziehungsweise den Einbauort gefordert ist.

In Ausschreibungen sollte deshalb möglichst nicht nur „DC-DC-Wandler für 24-V-Fahrzeug“ stehen. Sinnvoller ist eine konkrete Definition von Eingangsspannungsbereich, Transientenfestigkeit, EMV-Anforderungen, Temperaturbereich, Schutzart und gegebenenfalls Zulassung.

DC-DC-Wandler systematisch auswählen

Auslegungspunkt	Zu klärende Frage	Typischer Fehler
Bordnetz	12, 24 oder 48 V und welcher reale Spannungsbereich?	Nur mit der Nennspannung rechnen
Startvorgang	Welche minimale Spannung muss überbrückt werden?	Cranking nicht berücksichtigen
Überspannung	Welche Transienten beziehungsweise Load-Dump-Profile gelten?	Normalen Eingangsspannungsbereich als Transientenfestigkeit interpretieren
Ausgang	Welche Dauer- und Spitzenleistung benötigt die Last?	Keine Reserve für Einschaltstrom vorsehen
Masse	Darf Eingang und Ausgang galvanisch verbunden sein?	Gemeinsames Minus erst bei Inbetriebnahme feststellen
Umgebung	Temperatur, Staub, Wasser und Vibration?	Nur elektrische Daten vergleichen
Normen	Welche Fahrzeug- oder OEM-Anforderungen gelten tatsächlich?	E1-Zulassung mit vollständiger Transientenfreigabe gleichsetzen

Mit dieser Vorgehensweise wird der Wandler nicht nach einem einzelnen Datenblattwert ausgewählt, sondern als Bestandteil des gesamten Bordnetzes.

Praxisbeispiel einer mobilen 24-V-Maschine

Eine mobile Arbeitsmaschine besitzt ein 24-V-Bordnetz. Nachgerüstet werden sollen ein Datenlogger, ein Funkrouter und mehrere Sensoren, die gemeinsam aus einer stabilisierten 12-V-Versorgung gespeist werden.

Die normale Leistungsaufnahme beträgt ungefähr 70 W. Der zunächst gewählte DC-DC-Wandler liefert 12 V und besitzt ausreichend Nennleistung. Während des normalen Maschinenbetriebs funktioniert das System problemlos.

Bei kaltem Motor startet der Datenlogger jedoch gelegentlich neu.

Eine Messung direkt am Eingang des Wandlers zeigt, dass die Bordnetzspannung während des Anlassens kurzzeitig deutlich absinkt. Der verwendete Wandler verlässt in diesem Moment seinen spezifizierten Arbeitsbereich und kann die 12-V-Ausgangsspannung nicht mehr aufrechterhalten.

Zusätzlich wird festgestellt, dass Funkrouter und Datenlogger beim gemeinsamen Einschalten einen höheren Spitzenstrom aufnehmen als anhand ihrer normalen Leistungsaufnahme erwartet wurde.

Die Lösung besteht deshalb nicht darin, lediglich eine größere Sicherung einzubauen. Stattdessen wird die Stromversorgung neu ausgelegt: zulässiger Eingangsspannungsbereich, Verhalten beim Startvorgang, notwendige Leistungsreserve und das Massekonzept werden gemeinsam betrachtet.

Im nächsten Schritt wird außerdem geprüft, welche transienten Fahrzeuganforderungen der Wandler für die konkrete Maschine erfüllen muss.

Damit wird aus einer scheinbar einfachen 24-auf-12-V-Spannungswandlung eine tatsächlich bordnetztaugliche Stromversorgung.

Passende DC-DC-Wandler

2218.2 – 24 V auf 12 V für KFZ-Anwendungen

Für klassische 24-V-Bordnetze ist beispielsweise der DC-DC-Wandler Typ 2218.2 interessant. Die entsprechende Ausführung wandelt 24 V DC auf 12 V DC und liefert bis zu 10 A beziehungsweise 120 W.

Das Gerät wird mit E1-Zulassung für den KFZ-Einsatz angeboten und eignet sich damit als konkrete Lösung für Fahrzeug- und mobile Anwendungen. Ein- und Ausgang sind bei dieser Ausführung nicht galvanisch getrennt.

Bei der Auslegung muss der spezifizierte Eingangsspannungsbereich trotzdem mit den tatsächlichen elektrischen Anforderungen des Fahrzeugs abgeglichen werden.

2239.1 – 12 V auf 24 V

Ist dagegen ein 12-V-Bordnetz vorhanden und ein 24-V-Verbraucher soll versorgt werden, steht beispielsweise der Typ 2239.1 zur Verfügung.

Auch hier handelt es sich um einen getakteten DC-DC-Wandler mit E1-Zulassung für entsprechende KFZ-Anwendungen. Der Wandler arbeitet als Aufwärtswandler und stellt 24 V DC zur Verfügung.

2239.61 – 12 V auf 24 V mit hoher Leistung

Für deutlich leistungsstärkere Verbraucher bietet der Typ 2239.61 eine Ausgangsleistung von bis zu 720 W beziehungsweise 24 V DC bei 30 A.

Bei solchen Leistungen gewinnen Leitungsquerschnitt, Absicherung, Kühlung, Spannungsabfall und Einschaltstrom zusätzlich an Bedeutung. Der Wandler ist nicht galvanisch getrennt und besitzt einen gemeinsamen Minusbezug.

Weitere Varianten mit unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsspannungen, Leistungen und Gehäuseausführungen finden Sie unter DC-DC Wandler.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl von Eingangsspannung, Ausgangsleistung, Fahrzeugausführung, Schutzart und erforderlicher galvanischer Trennung für mobile Mess-, Steuer- und Versorgungssysteme.

Fazit

Ein DC-DC-Wandler für eine mobile Maschine darf nicht allein anhand der Aufschrift 12 V, 24 V oder 48 V ausgewählt werden.

Das reale Bordnetz enthält sowohl Spannungseinbrüche als auch Überspannungen und schnelle Transienten. Besonders Startvorgang und Load Dump können Betriebszustände erzeugen, die weit außerhalb der normalen Nennspannung liegen.

Der kontinuierliche Eingangsspannungsbereich eines Wandlers sagt deshalb noch nicht automatisch aus, welche kurzzeitigen Fahrzeugtransienten er übersteht.

Genauso wichtig sind Ausgangsreserve und dynamische Last. Ein Verbraucher kann während des Einschaltens erheblich mehr Strom benötigen als im normalen Betrieb.

Bei empfindlicher Messtechnik muss zusätzlich das Massekonzept berücksichtigt werden. Nicht galvanisch getrennte Wandler verbinden Ein- und Ausgang elektrisch miteinander und können dadurch Bordnetz-Potentialverschiebungen auf die angeschlossene Elektronik übertragen.

Schließlich müssen Temperatur, Kühlung, Schutzart, EMV und die tatsächlich geforderten Fahrzeug- beziehungsweise OEM-Normen zur Einbausituation passen.

Die richtige Vorgehensweise lautet deshalb: zuerst das Bordnetz und seine Störfälle definieren, anschließend die Anforderungen des Verbrauchers bestimmen und erst danach den DC-DC-Wandler auswählen.

Häufige Fragen zu DC-DC-Wandlern in Fahrzeugen und mobilen Maschinen

Was ist ein Load Dump?

Ein Load Dump ist eine Überspannung im Bordnetz, die vereinfacht entstehen kann, wenn bei laufendem Generator eine Batterie beziehungsweise große Last plötzlich vom Bordnetz getrennt wird.

Reicht ein DC-DC-Wandler mit 18 … 28 V Eingang für jedes 24-V-Fahrzeug?

Nein. Dieser Bereich beschreibt zunächst den normalen zulässigen Eingangsbetrieb. Zusätzlich müssen Startspannung, Transienten, Überspannungen und die für das Fahrzeug geltenden Prüfanforderungen berücksichtigt werden.

Warum fällt ein 24-V-Wandler nur beim Motorstart aus?

Während des Startvorgangs kann die Bordnetzspannung durch den hohen Anlasserstrom stark absinken. Wird die Untergrenze des Wandlers unterschritten, kann dessen Ausgangsspannung einbrechen oder das Gerät kurzzeitig abschalten.

Was bedeutet galvanische Trennung bei einem DC-DC-Wandler?

Ein- und Ausgang besitzen keine direkte leitende DC-Verbindung. Dadurch kann auf der Ausgangsseite ein vom Bordnetz getrenntes Bezugspotenzial aufgebaut werden.

Brauche ich immer einen galvanisch getrennten Fahrzeugwandler?

Nein. Viele Fahrzeuganwendungen arbeiten problemlos mit gemeinsamem Minuspotential. Galvanische Trennung ist besonders interessant, wenn unterschiedliche Potentiale, empfindliche Messtechnik oder Störprobleme berücksichtigt werden müssen.

Ist eine E1-Zulassung gleichbedeutend mit Load-Dump-Festigkeit?

Nicht automatisch. Für die konkrete Anwendung muss geprüft werden, welche elektrischen und transienten Prüfanforderungen das Gerät tatsächlich erfüllt.

Wie viel Leistungsreserve sollte ein DC-DC-Wandler haben?

Das hängt von der Last ab. Neben der normalen Dauerleistung müssen insbesondere Einschaltstrom, kurzzeitige Spitzenlast, Umgebungstemperatur und gegebenenfalls Leistungsreduzierung bei hohen Temperaturen berücksichtigt werden.

Warum ist das Massekonzept wichtig?

Hohe Ströme im Fahrzeug können Spannungsabfälle zwischen verschiedenen Massepunkten verursachen. Bei empfindlichen Mess- und Sensorsystemen können daraus Messfehler, Kommunikationsprobleme oder Neustarts entstehen.

Welche Normen sind für Fahrzeug-DC-DC-Wandler relevant?

Bei Straßenfahrzeugen können unter anderem ISO 7637-2 und ISO 16750-2 relevant sein. Für Bahnfahrzeuge und andere mobile Maschinen gelten teilweise andere beziehungsweise zusätzliche Normen und Herstelleranforderungen.