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Bedeutung von MTBF und Lebensdauer für die Zuverlässigkeit von Stromversorgungen : Ausgabe 06/2016, 06.04.2016

Nicht Äpfel mit Birnen vergleichen

In der Praxis werden die Begriffe MTBF und Lebensdauer oft verwechselt oder gleichgesetzt. Es sind jedoch unterschiedliche Vorgänge damit gemeint und man braucht beide Werte, um Zuverlässigkeit zu beschreiben. Gemeinsam ist beiden, dass höhere Temperaturen die Werte deutlich verschlechtern.

Autor: Bernhard Erdl, Gründer, Geschäftsführer und Chefentwickler Puls GmbH, Text und Bilder

Die MTBF (Mean Time Between Failure) gibt an, wie häufig ein Gerät, wie etwa eine Stromversorgung, im statistischen Durchschnitt ausfällt. Auch wenn jeder bestrebt ist, die Anzahl der Ausfälle so gering wie möglich zu halten, so ist es doch unvermeidbar, dass ein technisches Produkt mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ausfällt. Die Häufigkeit der Ausfälle wird mit der Ausfallrate  (Lambda) bezeichnet. Die MTBF ist der Kehrwert von .  gibt die Anzahl der Ausfälle pro Gerätestunde an. In der Praxis ist die Angabe in MTBF gebräuchlicher, vermutlich weil die Ausfallrate  in h–1 angegeben wird, und eine sehr kleine Zahl ist (wie auch die «failure in time»-Angabe; 1 fit = 10–9 Ausfälle pro h), wohingegen die MTBF die Einheit Stunden hat. Die Ausfall­rate drückt aus, wie viele Ausfälle zu erwarten sind, wenn man eine bestimmte Anzahl von Geräten eine bestimmte Zeit betreibt. Das ist die in der Praxis interessierende Angabe.

Praxisnahes Beispiel für die MTBF

Ein Beispiel: Wir nehmen 1000 Geräte und betreiben sie 2000 h lang. Das ergibt 2 Mio. Gerätestunden. Wenn wir vier Ausfälle in dieser Zeit beobachten, dann ist die Ausfallrate 4 Ausfälle geteilt durch 2 Mio. Gerätestunden ergibt 2 × 10–6 pro h oder 2 ppm pro h. Die MTBF als Kehrwert von 2 × 10–6 pro h ergibt 500 000 h, was anschaulicher ist. Man kann es auch so sehen: Wenn man 1000 Geräte 2000 h betreibt – entsprechend 2 Mio. Gerätestunden – und die MTBF liegt bei 500 000 h, haben wir vier Ausfälle zu erwarten (2 Mio. geteilt durch 500 000 = 4). Ein einfaches Denkmodell kann auch sein, dass man 500 000 Geräte gleichzeitig betreibt, von denen jedes eine MTBF von 500 000 h hat: dann wird jede Stunde ein Gerät ausfallen.

Wichtig ist zu verstehen, dass es sich bei der Ausfallrate/MTBF um statistisch bedingte Ausfälle handelt, die bereits ab der ersten Betriebsstunde gelten. Frühausfälle werden nicht berücksichtigt, da der Hersteller ausschliessen sollte, dass diese zum Kunden kommen. Auch Verschleisseffekte spielen hier keine Rolle, da man von der Phase ausgeht, in der noch keine alterungsbedingten Ausfälle auftreten. Höhere Temperaturen beschleunigen die Vorgänge, niedrige Temperaturen sind ganz wesentlich für eine niedrige Ausfallrate bzw. hohe MTBF.

Lebensdauer hat mit dem Verschleiss zu tun

Bei der Lebensdauer geht es nicht um statistische Ausfälle während der normalen Betriebszeit sondern darum, nach welcher Zeit die Geräte durch Verschleiss nicht mehr brauchbar sind. Damit wird angegeben, nach wie vielen Jahren eine Stromversorgung nicht mehr ihren Dienst verrichten kann. Die relevanten Bauteile für die Lebensdauer in einer Stromversorgung sind die Elektrolytkondensatoren (Elkos). Sie enthalten flüssigen Elektrolyt, der im Laufe der Zeit durch die Abdichtung des Bauteils hindurch diffundiert. Das Lebensdauerende für einen speziellen Elkotyp richtet sich danach, wann sich Parameter wie Kapazität und Innenwiderstand um einen gewissen Betrag vom Anfangswert verschlechtert haben. Die Lebensdauer ist also zum einen abhängig vom Elkotyp und zum anderen von seiner Betriebstemperatur. Jede Erhöhung um 10 °C verkürzt die Lebensdauer um den Faktor zwei. Für eine Rakete genügt eine ganz kurze Lebensdauer von 5 bis 10 min, denn dann hat sie ihren Dienst getan und stürzt ab. Bei der Vielzahl der Bauteile, aus denen sie besteht und angesichts der Schäden, die durch ein Nichtfunktionieren entstehen, soll die Ausfallrate während dieser 10 min aber ganz niedrig, das heisst die MTBF ganz hoch sein. Ein Gegenbeispiel ist ein Verstärker in einem Tiefseekabel. Er muss 40 Jahre leben, denn man kann ihn nicht einfach austauschen; andererseits ist er nicht sehr komplex, so dass eine schlechtere MTBF im Gegenzug für die lange Lebensdauer eher akzeptiert werden kann.

Für hochwertige Industriestromversorgungen sind sowohl MTBF als auch Lebensdauer wichtig. Während der normalen Nutzungsdauer sollen so wenig Ausfälle wie möglich den Betrieb stören und die Nutzbarkeit der Maschine soll über viele Jahre hinweg ohne Tausch von Komponenten erreicht werden.

Puls sieht sich seit Einführung der Dimension-Produktlinie als Pionier in der Spezifikation der Werte von MTBF und Lebensdauer in ihren Datenblättern. Dabei wird grosser Wert darauf gelegt, dass auch die Definitionen klar angegeben werden. Gerade bei der MTBF gibt es viele Wege, sie zu berechnen und je nach Methode der Berechnung und der Definition der Betriebsbedingungen gibt es sehr unterschiedliche Ergebnisse. Die einfachste Methode ist der «Parts Count». Hier wird nur die Anzahl der Bauteile gezählt und mit einer mittleren Ausfallrate multipliziert, um auf die Ausfallrate des Gesamtgerätes zu kommen. Genauer, aufwendiger und bei den Entwicklern unbeliebt ist es, für jedes einzelne Bauteil – und eine Stromversorgung kann hunderte davon haben – den elektrischen Stress durch Rechnung und den thermischen Stress durch Messung zu bestimmen. Mit den ermittelten Werten wird über ein spezielles Programm dann die Ausfallrate für das Bauteil unter diesen Stressbedingungen berechnet. Die Summe der Einzelausfallraten der Bauteile ergibt die Gesamtausfallrate/MTBF des Gerätes.

Stressfaktoren sind entscheidend für die MTBF

Für die Ausfallrate der Bauteile gibt es verschiedene Normen. International weit verbreitet ist das MIL Handbook 217F, das aber nach der Erfahrung von Puls zu konservative Werte für die Ausfallraten annimmt. Realistischer sind hier die Werte der Siemens-Norm SN 29500, die auf einem breiten, industriellen Erfahrungsschatz basieren. Die Berechnungsmethode ist in der IEC 61709 definiert. Bei der Beurteilung eines MTBF-Werts ist es also immer wichtig, sowohl die zugrunde gelegte Datenbasis als auch die Betriebsbedingungen (Stressfaktoren) des Geräts zu kennen. MTBF-Zahlen ohne diese Angaben sind wertlos.

Da die Temperatur einen grossen Einfluss hat, ist hier eine genaue Definition wichtig. Dabei geht es um die Temperatur der einzelnen Bauteile und diese hängt von der Umgebungstemperatur sowie der Eigenerwärmung ab. Die Eigenerwärmung entsteht aus den Verlusten in der Stromversorgung und verändert sich mit der Last und der Eingangsspannung. Gerade die Umgebungstemperatur hat einen grossen Einfluss und Puls gibt deshalb die MTBF zum einen bei +25 °C Umgebungstemperatur an, um einen Vergleich mit anderen Herstellern zu erlauben, zum anderen bei +40 °C, da dies eine realistischere Betriebsbedingung ist, wobei immer Volllast angenommen wird. Selbst bei einheitlicher Volllast erreichen die Werte – etwa bei der Stromversorgung CP10 – von 250 000 h (MIL, 100 VAC, +40 °C) bis 1 185 000 h (SN 29 500, 230 VAC, +25 °C), einen Unterschied um den Faktor 4,7.

Lebensdauerwerte stammen von den Elkoherstellern

Für die Berechnung der Lebensdauer werden die Daten genommen, die die Hersteller der Elkos spezifizieren. Das sind Mindestwerte, da die Hersteller garantieren, dass bei der spezifizierten Belastung die Kapazität um nicht mehr als 20% vom Ausgangswert abgenommen hat und der Innenwiderstand noch unterhalb des zweifachen spezifizierten Werts liegt. Puls bestimmt den Temperaturstress aller Elkos bei verschiedenen Betriebsbedingungen und errechnet dann auf Basis der Herstellerangaben die Lebensdauer. In der Praxis ist hier Reserve drin, da eine Stromversorgung mit diesen Verschlechterungen auch noch funktionieren kann, aber es gibt keine anderen verlässlichen Angaben und der Anwender hat eine gute Vergleichsbasis.

Hausvorschrift bestimmt Lebensdauer von 50 000 h

Da Puls der Zuverlässigkeit seiner Produkte einen sehr hohen Stellenwert beimisst, werden die Daten für MTBF und Lebensdauer ungewöhnlich ausführlich in den Datenblättern für jedes Produkt und für viele Betriebsbedingungen genau spezifiziert. Darüber hinaus gibt es eine Hausvorschrift, die definiert, dass für jedes Produkt der Dimension-Familie nach der beschriebenen Methode eine Mindestlebensdauer von 50 000 h bei Volllast, Netznennspannung 120 V/230 V und einer Umgebungstemperatur von +40 °C erreicht werden muss. Das bedingt manche zusätzliche Schleife in der Entwicklung, aber der Anwender hat den Vorteil, dass er jedes Produkt aus der Familie nehmen und sich auf spezifizierte und einheitliche Mindestwerte verlassen kann. Gerade bei den Zuverlässigkeitswerten werden im Vergleich zu anderen Stromversorgungen immer wieder grosse Unterschiede sichtbar. 

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