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Bahntechnik

Wandler beurteilen und qualifizieren

14. März 2016, 10:43 Uhr | Ralf Higgelke

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MTBF richtig interpretiert

Ausgehend davon, dass MTBF-Werte nach dem gleichen Verfahren unter vergleichbaren Bedingungen ermittelt wurden, sind folgende Aussagen möglich: Angenommen, die MTBF betrage 250.000 Stunden. Ausgehend von 350 Tagen Einsatz im Jahr à 18 Stunden pro Tag entspricht dieser Wert einer Zeit von 39,7 Jahren (Bild 1). Im ersten Moment dürfte man also annehmen, dass bezogen auf 25 Jahre Nutzungsdauer somit kein Ausfall passiert. Doch weit gefehlt!

Wenn man elektronische Systeme hinsichtlich der Zuverlässigkeit betrachtet, wird die berühmte "Badewannenkurve" herangezogen (Bild 2). Bis zum Zeitpunkt t1 spricht man von sogenannten Frühausfällen. Ab dem Zeitpunkt t2 steigen die Ausfälle bedingt durch Bauteilermüdung wieder an; die Bauteile sind verbraucht beziehungsweise abgenutzt. Zwischen diesen beiden Zeitpunkten ereignen sich die sogenannten natürlichen und zufälligen Ausfälle. Es ist klar, dass dieser Wert möglichst klein gehalten werden soll. Je höher der MTBF-Wert, desto niedriger die Ausfallrate ((lambda)) nach Gleichung (3).

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Frühausfällen versucht man zum Beispiel durch ausgiebige Prüfprozesse im eigenen Werk abzufangen (Burn-in-Test), sodass der Kunde hiervon später im Gesamtsystem nichts mehr zu spüren bekommt. Der Zeitpunkt t2 hängt im Wesentlichen vom Design, der Schaltungsdimensionierung, der Bauteilequalität, der Verarbeitungsqualität und natürlich von den Einsatzbedingungen ab. In der Bahntechnik sind je nach spezieller Anforderung circa 20 bis 30 Jahre gefordert. Innerhalb dieses Zeitraums t1 bis t2 ergibt sich also eine bestimmte, nicht vermeidbare Anzahl von Ausfällen.

Eine FMEA-Analyse hilft

Da bei den ganzen Überlegungen mit Wahrscheinlichkeiten (Prognosen für die Zukunft!) und nicht mit Gewissheiten umgegangen werden muss, spielt auch die Wahrscheinlichkeitsrechnung eine Rolle. Erklärtermaßen gilt: Ein System beziehungsweise Spannungswandler funktioniert oder funktioniert nicht. Doch in Bezug auf einen Spannungswandler oder ein Batterieladegerät muss das nicht immer richtig sein.

Beispiel: Die Überwachung einer maximalen Ausgangsspannung oder eine LED-Anzeige fällt aus. In beiden Fällen wird höchstwahrscheinlich das Gesamtsystem zunächst ordnungsgemäß weiter arbeiten, obwohl ein Fehler im Gerät vorliegt. Deshalb ist es erforderlich, bei der MTBF zusätzlich auch noch eine Aussage zur Fehlerdefinition zu machen. Das heißt konkret: Wie wirkt sich ein jeweiliger Fehler auf die Gesamtfunktion aus? Ansonsten ist eine MTBF-Angabe nur wenig hilfreich.

Welche Fehler führen also zu einer Systembeeinträchtigung? Dies lässt sich oft nur in der Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Anwender eindeutig bestimmen. Hier hilft eine FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) unterstützend weiter. Für Batterieladegeräte, Spannungswandler, Notstartwandler bedeutet ein Ausfall im Regelungsteil, im PWM- oder Steuerkreis, der Treiberstufe, Leistungsstufe oder ein Kurzschluss interner Versorgungskreise meistens den Totalausfall der zu versorgenden Systeme. Fällt in den beschriebenen Schaltungsteilen ein Bauteil aus oder gibt es Funktionsabweichungen, kann der Verbraucher nicht mehr mit einer stabilen Ausgangsspannung und Strom versorgt werden. Somit wird voraussichtlich auch das System insgesamt ausfallen.