Bahntechnik Wandler beurteilen und qualifizieren

Ohne zuverlässige Stromversorgung gibt es keine stabilen Prozesse bei elektrischen und elektronischen Systemen. Dies gilt auch für Schienenfahrzeuge und Trolleybusse. Doch nach welchen Kriterien soll man solche Wandler beurteilen und qualifizieren?

von Willi Spiesz, Entwicklungsleiter und Geschäftsführer von Grau Elektronik.

Spannungswandler sind unter anderem für die störungsfreie Versorgung von Antriebsgeräten, Sensorik und Prozessrechnern verantwortlich. Batterieladegeräte sorgen für eine stabile Bordnetzversorgung. Notstarteinrichtungen ermöglichen den Fahrzeugstart bei Fahrzeugen ohne zusätzliche Notstartbatterien, die sehr pflegeintensiv sind. Je nach Einsatz- beziehungsweise Anwendungsbereich sind folgende Betrachtungen zur Zuverlässigkeit eines Systems bedeutsam:

  • Über welchen Zeitraum muss ein System funktionieren? 
  • Wie hoch ist der Wartungsaufwand hierbei, was sind die Auswirkungen bei einem eventuellen Ausfall? 

Elektronische Bauteile und Platinen, somit auch elektronische Geräte, haben eine beschränkte Brauchbarkeitsdauer. Wird der Verschleiß (elektrisch, thermisch, mechanisch) zu groß, fallen Teile aus. Dabei gilt: je höher der Verschleiß, desto früher der Ausfall. Um Anhaltspunkte zur Brauchbarkeitsdauer von Bauteilen zu bekommen, ziehen Entwickler bekannte Ausfallhäufigkeiten und Bewertungsfaktoren der unterschiedlichen Belastungen heran. Diese Werte sind in Datenbanken wie der SN?29500 und der MIL-HDBK-217F zu finden, Stressfaktoren wie Spannung, Strom und Temperatur sind dabei berücksichtigt. Anhand dieser Werte können Entwickler, gestützt durch Messungen und Berechnungen, zum Beispiel die Brauchbarkeitsdauer eines neu entwickelten Spannungswandlers prognostizieren. Hierzu werden die sogenannten FIT-Werte (Failure In Time) der einzelnen Bauteile einfach aufaddiert, wobei 1 FIT ein Fehler pro 109?Stunden bedeutet.

Aber: Ist ein so ermittelte MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) denn überhaupt ein alleiniger und zuverlässiger Qualitätsidentifikator? Im Begriff MTBF steckt das Wort Fehler. Wie ist dieser Fehler eigentlich definiert? Wie äußern sich die Fehler? Gesamtausfall, Teilausfall einer Komponente des Geräts oder etwas anderes? Solchen Fragen geht dieser Artikel nach mit dem Ziel, verlässlichere Anhaltspunkte zur Auswahl von Spannungswandlern zu liefern.

Randbedingungen und Anforderungen

Zur Beurteilung eines Wandlers müssen natürlich zuerst die Randbedingungen und Anforderungen des geplanten Einsatzes definiert sein. Von daher sind neben den allgemeinen technischen Daten wie Spannung und Strom an Ein- und Ausgang die elektrischen Anforderungen (inkl. EMV-Störfestigkeit), die thermischen, mechanischen und Umweltanforderungen in einer Spezifikation zusätzlich festzulegen. Dies geschieht beispielsweise unterstützend durch Anforderungen in den bekannten Standards EN 50155 und EN 50121-3-2 für Bahnanwendungen.

Liegen die Einsatzbedingungen fest, können Entwickler via Datenblatt, besser aber über eine konkrete Messung, die Kandidaten miteinander vergleichen. Typische Vergleichsgrößen sind: Wirkungsgrad, Leerlauf- und Kurzschlussfestigkeit, Genauigkeit der Spannung, Drift als Funktion der Umgebungstemperatur, Anlauf mit unterschiedlichen Lasten (kapazitiv, Schaltregler etc.), Ausgangsstrom und Alterung, Art der Strombegrenzung, Leerlaufstrom, Schaltfrequenz, Ripple und Spikes, Bauteiltemperaturen sowie Angaben zur EMV.

Zurück zur MTBF: Darin sind Angaben sowohl zur Zuverlässigkeit als auch zur Verfügbarkeit abgebildet. Allerdings dürfen beide Begriffe nicht miteinander verwechselt werden, was leider nicht selten passiert. Dazu ein Beispiel: Eine Reinigungskraft bezeichnet man dann richtigerweise als sehr zuverlässig, wenn sie immer pünktlich zum Beispiel zweimal pro Woche zum Putzen kommt und dabei jedes Mal sehr sauber arbeitet. Doch deshalb muss sie noch längst nicht kontinuierlich verfügbar sein. Bei langlebigen Produkten und Systemen wie Schienenfahrzeuge mit 25 bis 30 Jahren Nutzungsdauer, ist aber sowohl die Zuverlässigkeit als auch Verfügbarkeit der Systeme entscheidend. Das bedeutet: Sobald ein Fahrzeug startet, soll es zuverlässig seine Funktion mindestens bis zum Erreichen des Fahrziels erfüllen. Verfügbarkeit bedeutet, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt das System zuverlässig funktioniert. Dies gilt natürlich zugleich für dessen Komponenten.

Es gelten folgende Zusammenhänge: Die Zuverlässigkeit R nimmt nach Gleichung (1) über die Zeit exponentiell ab.

(1) Error converting from MathML to accessible text.

Je höher die MTBF, desto langsamer nimmt die Zuverlässigkeit ab. Die Verfügbarkeit A berechnet sich aus Gleichung (2), wobei die MTTR angibt (Mean Time To Repair), wie lange es dauert, um ein ausgefallenes Gerät oder System wieder in volle Funktion zu setzen.

(2) Error converting from MathML to accessible text.

Für einen Spannungswandler ist es kaum sinnvoll, einen Wert für die MTTR zu spezifizieren, da der Wandler im Normalfall nicht auf dem Fahrzeug repariert wird, um die Fahrzeugfunktion wieder herzustellen. Mit einer guten Ersatzeil- und Wartungsplanung lassen sich bezogen auf ein Fahrzeug die MTTR-Werte optimieren. Aus den Gleichungen (1) und (2) lässt sich jedoch sofort ableiten: Eine hohe Verfügbarkeit gibt es nur für eine hohe MTBF und niedrige MTTR.