Zelf ontwikkelde ultra wide input voeding voor treintoepassingen

Voor onze bachelorproef kregen we de kans om aan een uitdaging te werken, volledig in onze interessegebied: vermogenselektronica. Samen met Televic Rail, een bedrijf dat onder andere informatie- en communicatiesystemen voor treinen maakt, onderzochten we of het mogelijk is om zelf een DC-DC converter te ontwikkelen voor toepassingen op het spoor.

Waar ging het over?

Treinen werken op batterijen, maar die hebben niet één vaste spanning. Afhankelijk van het type batterij kan de spanning schommelen tussen 14,4 V en 154 V. Televic gebruikt nu een aangekochte voeding om dat om te zetten naar bijvoorbeeld 24 V voor hun displays en omroepsystemen, maar die oplossing is duur en niet flexibel. Ze wilden daarom bekijken of het haalbaar is om zo’n voeding zelf in-house te ontwikkelen.

Het idee was dus om een ultra-wide input (UWI) converter te ontwerpen die stabiel blijft werken in dat volledige spanningsbereik en het vereiste vermogen kan leveren. Naast het financiële voordeel zou dit ook intern voor meer kennis zorgen rond vermogenselektronica.

Hoe zijn we te werk gegaan?

We zijn gestart met een vergelijking van verschillende topologieën. We bekeken telkens hoe die werken, wat de voor- en nadelen zijn en of ze geschikt zouden zijn voor ons project. Uiteindelijk kozen we voor een twee-traps oplossing: eerst een boost-convertor om lage spanningen op te trekken naar 48 V, en daarna een flyback-convertor om naar de uiteindelijke uitgangsspanning te gaan.

Vervolgens hebben we de juiste controllers gezocht en zijn we in verschillende fases verder gegaan:

• We maakten berekeningen op basis van datasheets
• Simuleerden het gedrag in SPICE
• Zochten geschikte componenten
• Ontwierpen een schema en PCB in Altium
• En testten het geheel op functionaliteit

Het resultaat

We hebben uiteindelijk een werkend prototype gebouwd dat een ingangsspanning van 14,4 tot 154 V aankan en daarbij een vermogen van 72 W levert. Bij lage spanningen halen we een rendement van minstens 85%, en bij hogere spanningen stijgt dat tot ongeveer 90%. De uitgangsrimpel blijft onder 100 mV, wat binnen de norm ligt voor toepassingen zoals audio of displays.

Qua kostprijs is ons ontwerp vergelijkbaar of zelfs goedkoper dan de commerciële voeding die momenteel wordt aangekocht. Bovendien is het volledig in-house ontwikkeld, wat voor Televic een grote meerwaarde kan zijn bij het verder uitbreiden of aanpassen van hun systemen.

Extra werk

Naast het hardwaregedeelte hebben we ook een testsequentie in Python ontwikkeld. Daarmee kunnen we automatisch testen uitvoeren op de voeding: zoals het rendement bij verschillende belastingen, opstartgedrag, stabiliteit, enzovoort. Op het einde hebben we nog een datasheet opgesteld met alle technische specificaties van ons prototype.

Wat we geleerd hebben

Voor ons was dit project een enorme meerwaarde. We hebben niet alleen onze kennis van vermogenselektronica verdiept, maar ook geleerd hoe belangrijk documentatie, samenwerking en testen in een bedrijfsomgeving zijn. Je leert in zo’n project echt wat er allemaal bij komt kijken om van een idee tot een praktisch werkend ontwerp te komen.

Het was motiverend om te zien dat onze voeding effectief werkt en misschien later echt gebruikt kan worden in treinen.

En nu?

Televic heeft dankzij dit project een goed werkend prototype dat als basis kan dienen voor verdere ontwikkeling. Het ontwerp is flexibel, aanpasbaar en klaar om verder geoptimaliseerd te worden als dat nodig is. Voor ons was het vooral een bevestiging dat we graag met dit soort electronica bezig zijn.