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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Lebensdauer einer schaltung ermitteln


Autor: drahtigelgriller (Gast)
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Hallo Forengemeinde;

Angenommen ich habe 100 identische Platinen fertigen lassen wie muss ich 
es anstellen um innerhalb von 2 Wochen herauszufinden ob diese Module 5 
Jahre Dauerbetrieb aushalten - oder nicht?

Max. 5 Stück dürfen ggf. kaputtgehen beim testen.
Es Handelt sich um Einzelbatterie Notlichtsysteme mit NICD Akku.

Vielen dank für eure (zahlreichen) Antworten schonmal im vorraus.

lg Andi (Drahtigelgriller)

Autor: Gast (Gast)
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garnicht. Du kannst sie höchstens unter Extrembedingungen (hohe Temp) 
testen und gucken was passiert. Manche Bauteilfehler/Alterung findest du 
dnn

Autor: Dave (Gast)
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Hi drahtigelgriller,

wenn du eine wirkliche Analyse machen willst, dann müssen deine Geräte 
sehr lange laufen. Zusätzlich musst du mindestens 10 ausfälle 
verzeichnen. danach ist es möglich mit Weibul eine gewisse 
Wahrscheinlichkeit anzugeben wie alnge die Geräte/Schaltungen halten.

Wie genau, dass dann geht weiß ich auch nicht.

Bedenke aber, die 5 Jahre haben 5256000 Stunden.
In deinen zwei Wochen mit 100 Platinen kommst du nur auf 33600 Stunden 
laufzeit!

Grüße
Dave

Autor: Gast (Gast)
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Eine Möglichkeit wäre es, die Lebensdauer der einzelnen Bauteile 
herauszufinden. Da müsste es von den Herstellern Angaben geben.

Und anschließend das ganze einer statistischen Bewertung unterziehen.

... und hoffen, dass beim Platinenfertigungsprozess keine ausfälle 
produziert werden

Autor: ferdinand (Gast)
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also ich glaube das das evaluieren der Bauteillebensdauer in 2 Wochen 
nicht sinnvoll ist also so das man zu einem sinnvollen Ergebnis kommt.
lg

Autor: James (Gast)
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Hallo Drahtigelgriller,

ich vermute die "Achillesferse" wird der NiCd-Akku sein (Laden 
Ladeerhaltung......). (Ist der NiCd-Akku überhaupt noch erlaubt?)
Dazu muß was im Datenblatt vom Hersteller zu finden sein.

Die restlichen Bauteile (Elkos??) halten vermutlich.

Ich würde ggf. einen sogenannten "Burn-In" machen. Das bedeutet, daß 
alle Schaltungen unter Extrembedingungen eine gewisse Zeit betrieben 
werden. Damit will man erreichen, daß die Frühausfälle 
("Badewannenkurve") in der Burn-In-Phase auftreten (und nicht beim 
Kunden in der Garantiezeit).

Hier kann es aber schon sein, daß mehr als die 5 erlaubten Baugruppen 
ihren Geist aufgeben...........

An sonsten in den Datenblättern/Herstellern nachforschen/nachfragen, ob 
die gewüschte Betriebsdauer zu erreichen ist.

Gruß

James

Autor: Gast (Gast)
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Irgendwo hab ich mal ne Faustformel gesehen:
je 10°C höhere Temperatur halbiert sich die Lebensdauer. Ich glaube, das 
galt für Kondensatoren.

Autor: ferdinand (Gast)
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ja weil wenn dann fallen die Elkos aus....eher als vieles andere denke 
ich

Autor: ferdinand (Gast)
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die Akkus die 0,002 Gewichtsprozent Cadmium enthalten sind verboten.
lg

Autor: ferdinand (Gast)
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ich meine > 0.002% sind verboten

Autor: drahtigelgriller (Gast)
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Wegen der Akkus

Da gibt es eine sonderregelung das gerade in der Notlicht-Technick nach 
wie vor NiCd akkus eingesetzt werden dürfen.
denn:
Lithum-irgendwas währe zu teuer/ Hitzetod;
NIMH würden schnell den Hitzetod sterben; und Bleigel ebenso.

Autor: Stefan B. (stefan) Benutzerseite
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Autor: oszi40 (Gast)
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Wie war der alte Spruch:"Traue keiner Statistik, die Du nicht selbst 
gefälscht hast"

-schwächliche Bauelemente ermitteln
-Akkus und Elkos möglichst vermeiden
-Datenblätter durchforsten, evtl. Hersteller fragen
-Extremwerte prüfen z.B. Spannung, Wärme, Kälte, Kondenswasser, 
Blitzschlag


-evtl. Eigentestfunktion vorsehen, um Störungen rechtzeitig zu 
signalisieren  z.B. "Akku-Fehler!", "keine Ladespannung"

Autor: Christian Funke (funke)
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Burst-und Surgeimpulse für eine gewisse Zeit draufgeben. 
Temperaturschrank, Kälteschrank, hohe Luftfeuchtigkeit, häufiges ein- 
und auschalten, außerhalb der Richtwerte die Schaltung betreiben, da 
gibt es genügend Möglichkeiten. Wie verlässlich das im Bezug auf 5 Jahre 
ist kann man dann nur, wie oben beschrieben, mathematisch mit einer 
gewissen Warscheinlichkeit heraus gefunden werden.

Autor: Jens G. (jensig)
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Frag mal die Festplattenhersteller, wie (schnell) die herausgefunden 
haben, daß die Dinger im Schnitt je nach Modell angeblich 1Mio. h laufen 
;-)
Ich denke, wenn man nicht gerade Billigst-Bauteile nimmt, bzw. bestimmte 
Bauteil-Typen nach Möglichkeit vermeidet (z.B. eben die Elkos), und die 
weitab von den spezifizierten Grenzwerten betreibt, dürften sich kaum 
Ausfälle ereignen.
Es gibt zwar die Methode, die Gesamtschaltung bzw. das Gerät durch 
erhöhte Streßbedingungen schneller ausfallen zu lassen, und dann die 
erzielten Ergebnisse dann irgendwie auf Normalbedingungen zurück 
zurechnen, aber ob das wirklich so einigermaßen stimmig ist, wage ich 
schon fast zu bezweifeln. Zumal man dann die Beziehung zw. 
Normalbedingung und Extrembedingung dann auch irgendwie in Form einer 
Formel kennen muß.
Dann fehlen vermutlich zu vielen Bauteilen die Angaben zur 
Ausfallwahrscheinlichkeit. Und wenn man schon was berechnen will, dann 
müsste man dann auch noch sowas wie Lötstellen mit einbeziehen, die gern 
im Bereich von Heizquellen auf der Platine schon fast generell als kalte 
Lötstellen auffallen im Laufe von Jahren (je nach Legierung bzw. 
Qualität der Lötungen).

Ich denke, die ganze Betrachtung kann man einschränken auf die Akkus mit 
der geringsten Lebensdauer (die je nach Behandlung extrem kurz sein 
kann), und Elkos, und ähnlich kurzlebige Dinge im system.

Autor: Michael O. (mischu)
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Ich nehme mal an, dass Dein Notlichtsystem in den 5 Jahren vielleicht 5 
mal den Akku entladen wird. D.h. der Akku wird sehr wahrscheinlich 5 
Jahre mit dem Laderegler in der Erhaltungsladung gefahren.

Dazu kann Dir der Akkuhersteller sicher Lebensdauerzahlen geben.

Der Rest deiner Schaltung kannst Du mit hoher Temperatur im Klimaschrank 
altern und testen. Hier würde ich auch auf einen Ausfall der Elkos 
tippen.

Kritisch für die Elkos ist die Temperatur und der Stromripple - schau 
Dir genau an, welche AC-Strombelastung die Elkos jeweils haben. Falls 
preislich OK, setze mindestens 105°C - low ESR Elkos ein- oder noch 
besser ersetze sie durch Keramiktypen.

Sollten mehrere Leiterplatten früh ausfallen, würde ich auf thermische 
Probleme beim Löten (falsche Temp. Charakteristik) tippen.

Autor: HildeK (Gast)
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>-Akkus und Elkos möglichst vermeiden

Quatsch! In jeder Schaltung in der Telekommunikationstechnik, in 
Automotive-Steuergeräten usw. sind Elkos (Alu und/oder Tantal) verbaut. 
Bei beiden müssen die Hersteller mindestens 15 Jahre Lebensdauer für 
ihre Produkte versprechen können.
Gerade im Automotiv-Bereich sind auch die Umgebungstemperaturen extrem 
und es geht trotzdem. Im Telekombereich ist das üblicherweise 
Dauerbetrieb bei gleichmäßigen, aber höheren Temperaturen, im Automotiv 
intermittierender Betrieb mit starken Temperaturschwankungen.

Zur Beurteilung der Lebensdauer gibt es sog. FIT-Werte für die 
Bauelemente. (FIT = Failure in Time). Mit denen kann man eine 
statistische Größe, die MTBF bestimmen. (MTBF = Mean Time Between 
Failure).
Dadurch erhält man eine Aussage über die statistische 
Ausfallwahrscheinlichkeit und kann eine Verfügbarkeit der 
Baugruppe/Schaltung bestimmen.
Diese FIT-Werte sind auch für Elkos immer noch viel besser, als z.B. für 
ein komplexes FPGA.

Deine 100 Baugruppen werden 5 Jahre aushalten - wenn sie korrekt 
entwickelt wurden - aber eine Garantie, dass 100% dies überleben (und 
nicht nur 95+x%) kann dir niemand geben. Und das kannst du auch vorher 
nicht feststellen.

Wenn du hier um ein Vielfaches besser sein musst, dann bleibt nur die 
redundante Ausführung.

Autor: drahtigelgriller (Gast)
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Super Ich danke euch allen!

Dann werde ich mal den Hersteller über FIT werte und dergleichen 
ausfragen.

Die 5 Jahre sind die Zeit die der einbauende Elektriker an Garantie 
geben muss.


Wie gehabt Vielen Dank allen konstruktiven Beiträgen
Gruß Andi

Autor: Hermann (Gast)
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Hallo drahtigelgriller,

hier gibt es ein Tool:
http://www.aldservice.com/en/reliability-software/...

Vielleicht hilft dir das weiter.

Autor: oszi40 (Gast)
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>Wenn du hier um ein Vielfaches besser sein musst, dann bleibt nur die
redundante Ausführung.

Redundanz schützt nicht in jedem Fall vor Kuriositäten wie Mäusefraß, 
Hochwasser oder Serienfehler...

Autor: Volker K. (powerfreak)
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Hallo Andi,

Du hast hier eines DER komplexesten Themen in der Elektronik 
angesprochen.

Zuerstmal wäre es wichtig zu wissen bei welcher Umgebungstemperatur Du 
Dein Gerät betreiben möchtest.
Da es sich hier um Notlichtsysteme handelt, kann ich vermutlich davon 
ausgehen, daß es <=30°C sind.
Oder leuchtet das Notsystem dauernd und wird durch eine Glühlampe 
erwärmt?

Im Prinzip ist es schon richtig, daß man pro 10K Temperaturerhöhung die 
Lebensdauer... oder auch die Testzeit halbieren kann.
Dies geht aber leider nicht beliebig.
Ich gehe jetzt davon aus, daß jedes einzelne Bauteil gezielt ausgewählt 
und dimensioniert wurde, genauso wie für jedes sich nennenswert 
erwärmende Bauteil eine Verlustleistungsberechnung und eine Abschätzung 
oder Messung der dadurch verursachten Eigenerwärmung in einem realen 
Betriebsfall vorhanden sein sollte.
Nehmen wir jetzt mal an die Umgebungstemperatur ist 30°C, die höchste 
gemessene Bauteiletemperaturerhöhung im Dauerbetrieb sei 10K, das 
bedeutet, daß das Bauteil 40°C warm ist.
Des Weiteren hast Du überall z.B. 85°C Bauteile verwendet was bedeutet, 
daß Du die Bauteiletemperatur (geschätzt) bis auf max 80°C erhöhen 
kannst.
Durch Erhöhung der Umgebungstemperatur von 30°C auf 70°C schaffst Du es 
also Deine max. Bauteiletemperatur auf 80°C zu bringen. Diese 40K an 
Temperaturerhöhung bedeuten eine viermalige Halbierung Deiner Testzeit.

5 Jahre bedeuten 5*365*24=43800 Stunden (und nicht 5256000 wie oben 
bemerkt... das sind dann 600 Jahre ;-)  )
Mit einem Raffungsfaktor von 4 bleiben noch 2738 Stunden = 114 Tage.
Dies wäre ein durchaus realistisches Szenario. (ich würde mindestens 15 
Geräte gleichzeitig im Temperaturschrank laufen lassen, Funktionstests 
nach 40 und 80 Tagen)

Bei einem Raffungsfaktor von 5/6 wären das dann 57/28,5 Tage... 
natürlich für Dich deutlich günstiger, jedoch wäre ich an Deiner Stelle 
sehr vorsichtig, denn wenn Du die Temperatur weiter erhöhst, dann ist 
das Alterungsverhalten nichtlinear, und kann nicht mehr über die 
Näherung  "+10K entspricht Faktor 2" bestimmt werden. Wir haben gute 
Erfahrungen mit Arrhenius gemacht... was aber wiederum genaue Kentnisse 
über die Alterungsfaktoren und -einflüsse für jeden einzelnen 
Bauteiletyp voraussetzt. Leider ist dann auch der Raffungsfaktor für 
jeden Bauteiletyp anders.

Übrigens würde ich ohne die Akkus testen, denn die haben meist deutlich 
größere Temperatur-/Lebensdauerprobleme.

Trotzdem kannst Du nur mit einer Berechnung alleine keinen NACHWEIS 
erbringen. Die Berechnung kann nur dafür sorgen, daß Dein Kunde Dir die 
Nachlieferung des Testergebnisses gestattet... mit allen daraus 
entstehenden Folgen selbstverständlich.... wenn ihn Deine 
Lebensdauervorausschätzung beruhigen kann.

Viel Erfolg!

Volker

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

du kannst natürlich auch die chinesische Methode anwenden: spar dir den 
Test und in ein paar Jahren bist du nicht mehr auffindbar.

Gruss Reinhard

Autor: Michael_ (Gast)
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Du hast dir was aufgehalst, dem du nicht gewachsen bist. Du wirst nur 
den Weg von  Reinhard Kern gehen können. Im Bereich der 
Sicherheitstechnik sind jahrzentelange Erfahrung und solide Fertigung 
Voraussetzung. Wer Elektronik/Elektrotechnik studiert hat, muß 
eigentlich Kenntnisse über Ausfallstatistik haben.
Es muß jedes Bauelement, Lötstelle, Temperatur, Erschütterung, Lagerung 
usw. eingerechnet werden. Danach wird über bekannte 
Wahrscheinlichkeits-Prozeduren die Ausfallwahrscheinlichkeit ermittelt.
Natürlich muß auch eine Zertifizierung durch ein anerkanntes Institut 
erfolgen.
Also schau dem Abnehmer tief in die Augen und sage, "es hält 5 Jahre".
Eine andere Changse hast du nicht!
Übrigens gibt es spezielle Akkus für Notlicht.

Autor: Gummibärchen (Gast)
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Deine statistischen Betrachtungen werden den eigentlichen Schwachpunkt 
Deiner Konstruktion auch nicht helfen, aufzudecken. Er bleibt die 
Unbekannte. Gehe davon aus, dass Deine lächerliche Stückzahl von 100 
Stück die fünf Jahre überleben werden. Mit den gleichen Bauteilen, die 
Du verwendest werden Mio. Stückzahlen gefahren. Baue zwei Platinen mehr, 
das war's ;-)

Autor: Liz (Gast)
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Angehängte Dateien:

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Hallo
Alle Lösungen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit 
und Sicherheit von elektronischen Systems / mechanische Systeme können 
auf ALD-Website eingesehen werden: www.aldservice.com

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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drahtigelgriller schrieb:
> Hallo Forengemeinde;
>
> Angenommen ich habe 100 identische Platinen fertigen lassen wie muss ich
> es anstellen um innerhalb von 2 Wochen herauszufinden ob diese Module 5
> Jahre Dauerbetrieb aushalten - oder nicht?
>
> Max. 5 Stück dürfen ggf. kaputtgehen beim testen.
> Es Handelt sich um Einzelbatterie Notlichtsysteme mit NICD Akku.

An Deiner Stelle würde ich ein Konkurrenzgerät mit gleicher
Garantie kaufen und ähnliche wie die dort verbauten Bauelemente
Verwenden. :-)
Gruss
Harald

Autor: Wichtel (Gast)
Datum:

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>Notlichtsysteme mit NICD Akku

wuerd ich heute als Kunde auf keinen Fall mehr kaufen. Was nicht Lithium 
ist, in die Tonne.

Autor: Wegstaben Verbuchsler (wegstabenverbuchsler)
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Autor: Ansgar K. (malefiz)
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oszi40 schrieb:
>>Wenn du hier um ein Vielfaches besser sein musst, dann bleibt nur die
> redundante Ausführung.
>
> Redundanz schützt nicht in jedem Fall vor Kuriositäten wie Mäusefraß,
> Hochwasser oder Serienfehler...

Redundanz ist der falsche Weg weil dadurch die Ausfallrate steigt und 
nicht fällt.

Wenn doppelt soviele Teile da sind gehen auch doppelt soviele Sachen 
kaputt. Es wäre ja dann leichtsinnig nicht die Lampen auszutauschen bei 
denen das aufgefallen ist. So das du mehr erneuern musst.

Autor: Kai Klaas (klaas)
Datum:

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Wenn die Schaltung nur bei Raumtemperatur arbeitet und im Inneren nichts 
heiß wird, sieht es schon mal gut aus. Dann mußt du schauen, ob die 
Schaltung so gebaut wurde, daß kein Bauteil über die Maßen strapaziert 
wird. Elkos mögen keine hohen Ströme und Tantals zusätzlich keine hohen 
Einschaltströme. Solche Sachen.

Wenn das alles beherzigt wurde, kann eigentlich nur der NiCd-Akku 
vorzeitig Schaden nehmen. Also, richtiges Ladeverfahren wählen und 
eventuell durch zusätzliche Maßnahmen Über- und Tiefladung vermeiden.

Ich würde noch testen, ob der Akku in einer guter Verfassung ist. Also 
einmal voll laden und definiert entladen. Hat er genügend Kapazität, so 
wie man es von einem neuen Akku erwarten darf?

Autor: b35 (Gast)
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Hallo,

die Ausfallwahrscheinlichkeit läßt sich berechnen, funktionale 
Sicherheit lautet das Stichwort. Bei sicherheitsgerichtenten Steuerungen 
und anderen, einfachen Steuerungen welche eine Sicherheitsfunktion 
beinhalten, ist dies in der Industrie eine notwendige Standardprozedur 
(Pflicht). Denke an die Auswerteelektronik welche den Not-Aus einer 
Maschine oder eine Türzuhaltung überwacht.
Man muß wissen, nach welcher Zeit ein Ausfall zu erwarten ist und vor 
allem braucht es die Kenntnis "wohin" das Gerät ausfällt: zur sicheren 
oder unsicheren Seite (Not-Aus klappt nicht, Tür geht von alleine auf). 
Genauso können diese Betrachtungsweisen / Methoden auf ein Notlicht 
angewendet werden.

Schaue nach SIL (Sicherheits Integritäts Level) und PL (Performance 
Level) oder SISTEMA als Schlag- und Stichwort. Grundlagen stehen in DIN 
EN ISO 13849-1 für den PL (hier ist auch "Nichtelektrik" wie Hydraulig, 
Pneumatik enthalten) sowie EN 62061 für den SIL, für rein elektrische 
Anwendungen. In den Normen gibt es Angaben zur Ausfallwahrscheinlichkeit 
von allgemeinen Standardkomponenten der Elektronik. Neben der Elektronik 
und Elektromechanik wird auch embedded Software und Anwendungssoftware 
bezüglich ihrer Fehler bewertet.
Im Netz erschlägt es Dich wenn Du suchst, (nach Deinen Anforderungen 
brauchst Du ungefähr einen PL a bzw. ein SIL 1). Der ganze Komplex ist 
nicht einfach, hilfreich ist der BGIA Report 2008.

Da hier viele "links-rechts Bitschieber" :) vorhanden sind, es zu diesem 
Thema passt, aus diesem Report:
-einfache Software: 25 Fehler pro 1000 Programmzeilen
-gute Software: 2...3 Fehler pro 1000 Programmzeilen
-Software im Spaceshuttle (laut NASA) weniger als einen Fehler pro 10000 
Zeilen.
Für die Praxis: Handy (kein Smartphone) hat bis zu 200000 Programmzeilen
==> 600 Softwarefehler.
PC-Betriebssystem mit 27 Millionen Programmzeilen hat zu 50000 Fehler.
Das Space-Shuttle somit bis zu 300 Fehler und die Software für das
Verteidigungssystem SDI hätte bis zu 10000 Fehler!

Autor: b35 (Gast)
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... noch vergessen:
die Montsingersche Regel (keine Kondensator-Regel) kommt aus dem Umfeld 
der Isolierstoffe elektrischer Maschinen: wird die Temperaturklasse um 
10K überschritten, reduziert sich sich die Lebensdauer der Isolierung um 
50%.

Autor: Gregor B. (Gast)
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HildeK schrieb:
> Gerade im Automotiv-Bereich sind auch die Umgebungstemperaturen extrem
>
> und es geht trotzdem

Ich war mal auf einem Seminar zum Thema Zuverlässigkeit und habe mich 
dort mit einigen Leuten von Automobilhertellern unterhalten.

So lange Du im Bereich der Personenwagen bleibst, ist das ganze völlig 
irrelevant, da die Mechanikteile (Motoren, Getriebe usw.) für 2500 bis 
3500 Betriebsstunden (irgendwas zwischen 150.000 und 250.000 Kilometer) 
ausgelegt sind. In der meisten Zeit stehen die Fahrzeuge rum.
Die Betriebszustände, in denen hohe Temperaturen die Alterung 
beschleunigen, sind also im Falle eines Automobils nicht die Regel, 
sondern die Ausnahme...

Autor: Horst H. (horst_h44)
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Hallo Andi,

wenn es sich um eine Sicherheitseinrichtung handelt, so gibt es hier 
Grundlagen für die Berechnung und Bewertung: 
http://www.innotecsafety.de/downloads/copy_of_pres... 
. Jedes verwendete Bausteil sollte mit seiner Ausfallrate bekannt sein, 
um die Schwachstellen(auf FMEA Analyse wurde schon hingewiesen) zu 
beurteilen. Ein Burn-In(Dauerbetrieb bei Grenzbelastung) kann helfen die 
Frühausfälle in der Badewannenkurve zu beseitigen (Bedingungen sind vom 
Bauteil abhängig).  Mit den einzelnen Ausfallraten kann dann die 
Lebensdauer, oder MTBF, berechnet werden.
Falls das Notlichtsystem vom TÜV abgenommen werden muss, sind alles 
Berechnungen und Nachweise unumgänglich.

Viele Spaß beim Testen!

Autor: lieber anonym (Gast)
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b35 schrieb:
> ... noch vergessen:
> die Montsingersche Regel (keine Kondensator-Regel) kommt aus dem Umfeld
> der Isolierstoffe elektrischer Maschinen: wird die Temperaturklasse um
> 10K überschritten, reduziert sich sich die Lebensdauer der Isolierung um
> 50%.

das geht noch weiter zurück.
http://de.wikipedia.org/wiki/RGT-Regel

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Horst H. schrieb:
> Falls das Notlichtsystem vom TÜV abgenommen werden muss, sind alles
> Berechnungen und Nachweise unumgänglich.
>

Und wer prüft den TÜV? Also ich gebe darauf echt wenig, wenn deren 
Brandmarke draufsteht. Das fängt z.B. schon bei fehlenden Schrauben an. 
Gerät hat TÜV-"Siegel", aber läßt sich nicht öffnen. lol

Und kommt mir jetzt nicht mit bauartgeprüft.

Autor: Michael_ (Gast)
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Ansgar k. schrieb:
> Redundanz ist der falsche Weg weil dadurch die Ausfallrate steigt und
> nicht fällt.

Woher hast du denn diese falsche Weisheit?

Autor: Ansgar K. (malefiz)
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Musste mich mal damit beschäftigen.

Wenn dir Statistisch gesehn von 100 Schützen 1 im Jahr abraucht gehen 
weil du es Redunand aufbaust und die doppelte Menge hast 2 Schütze kaput 
demnach hast du auch 2 mal mehr Teilausfälle als ohne Redunadans. Das 
einzige was sich änder ist das bei richtigen Desin deine Schaltung 
weiter läuft du aber jetzt das Teil austauschen musst um die redundans 
zu erhalten.

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