Wie sich ein langfristiger, fehlerfreier Betrieb vorhersagen lässt Ausfallrate und Lebensdauer - Zwei, die zusammengehören!

Die Begriffe Ausfallrate und Lebensdauer werden im täglichen Sprachge-brauch oft als Synonym verwendet, obwohl sie doch so unterschiedlich in ihrer Bedeutung sind. Beide Kennwerte werden mit verschiedenen Methoden ermittelt und beide Aussagen haben eine eigene Bedeutung und Gültigkeit, die nicht verwechselt werden sollten.

Wie sich ein langfristiger, fehlerfreier Betrieb vorhersagen lässt

Die Begriffe Ausfallrate und Lebensdauer werden im täglichen Sprachge-brauch oft als Synonym verwendet, obwohl sie doch so unterschiedlich in ihrer Bedeutung sind. Beide Kennwerte werden mit verschiedenen Methoden ermittelt und beide Aussagen haben eine eigene Bedeutung und Gültigkeit, die nicht verwechselt werden sollten.

Die Ausfallrate wird entweder als mittlere Zeit zwischen zwei Fehlern (englisch: Mean Time between Failure = MTBF, oder Mean Time to Failure = MTTF) in Stunden oder als deren Kehrwert, der Fehleranzahl (englisch: Failure in Time = FIT) innerhalb eines Zeitraums von 109 Stunden angegeben. Am Beispiel einer Glühlampe mit einer Ausfallrate von 2000 h betrachtet, bedeutet dieser Wert, dass diese – statistisch gesehen – nach 2000 h ausfällt, wenn sie ständig in Betrieb ist. Es kann aber auch sein, dass diese spezielle Glühlampe bereits in der ersten Stunde ausfällt, dafür aber eine andere 4000 h brennt bzw. 1999 Glühlampen 2001 h Licht spenden.

Dieser Wert bedeutet aber auch, dass durchschnittlich jede Stunde eine Glühlampe ersetzt werden muss, wenn 2000 Glühlampen gleichzeitig im Einsatz sind. Obwohl man bei der Betrachtung der Ausfallrate für eine Glühlampe vermuten könnte, dass es sich in diesem Fall auch um die Lebensdauer handelt, trifft dies nicht zu. So kann es z.B. sein, dass bei einem Netzteil die Ausfallrate 200 000 h beträgt, die Lebensdauer dagegen mit zehn Jahren – das entspricht weniger als 100 000 h – also deutlich niedriger liegt. Die Ausfallrate stellt somit lediglich die mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit eines Gerätes während der Nutzungsdauer dar. Die Nutzungsdauer wird am Anfang durch die Zeitspanne, in der Frühausfälle auftreten, und am Ende durch die Lebensdauer begrenzt. Das Bild zeigt den Zusammenhang zwischen Ausfallrate, Frühausfall und Lebensdauer.

Frühausfälle und Fertigungsfehler werden in der Regel bereits beim Hersteller bei Fertigungs- und Ausgangstests und evtl. einem durchgeführten „Burn-In“ entdeckt und herausgefiltert. Die Lebensdauer wird dagegen durch die aktuelle Belastung im Betrieb, die Auswahl der Bauteile sowie das Design selbst beeinflusst – ist also sowohl vom Anwender als auch vom Hersteller abhängig.

Die Ausfallrate kann auf zwei Arten ermittelt werden. Zum einen rechnerisch mittels statistischer Ausfallraten z.B. nach dem Standard MIL-HDBK-217 [1]. Die Tabelle zeigt die Fehleranzahl pro 109 h (FIT) für einige Bauelemente bei 50 °C Umgebungstemperatur und verschiedenen Spannungsbelastungen. Elektrolytkondensatoren und Leistungshalbleiter dominieren demnach die Ausfallrate eines Systems. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass einfachere Schaltungskon-zepte mit wenigen Bauelementen für die Ausfallrate günstiger sind als aufwendigere Schaltungen. Parallelschaltungen z.B. bei den Ein- und Ausgangskondensatoren oder den Leistungshalbleitern beeinflussen die Fehlerrate negativ, auch wenn diese zu einer deutlich höheren Lebensdauer führen. Wichtig bei der Berechnung der Ausfallrate ist die Umgebungstemperatur, da sich die Ausfallrate pro 10 °C Temperaturerhöhung verdoppelt. Darum ist es besonders wichtig, dass die Ausfallraten verschiedener Geräte bei gleicher Bezugstemperatur verglichen werden.

Die tatsächlichen Bauteilebelastungen, wie Bauteiltemperatur, Spannungs- und Strombelastung, fließen bei der Berechnung nur angenähert oder gar nicht in die Beurteilung ein, so dass Bauteilreserven, die zu einer Erhöhung bzw. Verbesserung der Fehlerrate führen, oftmals nicht genügend berücksichtigt werden. Bauteileüberlastungen aufgrund von Entwicklungsfehlern und deren erhöhte Fehlerraten bleiben in der Regel gänzlich unberücksichtigt.