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Das bedeutet, dass nach zehn Jahren die Wahrscheinlichkeit der
Funktion bei knapp 80 Prozent liegt. Geht man von 500 eingesetzten
Geräten aus, ergeben sich folgende Zahlen für Betriebsstunden
und Anzahl möglicher Ausfälle während der Laufzeit (Tabelle 1).
Für 20 Jahre ergibt sich damit folgender Vergleich:
■ Gerätetyp A: es dürfen 0,38 x 500 = 190 Stück innerhalb dieser
20 Jahre ausfallen.
■ Gerätetyp B: es dürfen 0,21 x 500 = 105 Stück innerhalb dieser
20 Jahre ausfallen.
Das ist beinahe Faktor 2 weniger Ausfälle für die Wandler von Hersteller
B!
Life Cycle Costs
Neben den reinen Anschaffungskosten, sind auch die so genannten
Life Cycle Costs zu beachten. Hierbei sind nicht nur die reinen
Gerätestückkosten, sondern auch die Sekundärkosten Fahrzeugausfall,
Wartungsaufwand, unter Umständen Kundenunzufriedenheit
und so weiter zu bewerten. Woher stammen nun die
zwei unterschiedlichen Werte von 250.000 gegenüber 500.000
Stunden? Zum einen ist es das gewählte Schaltungsdesign, Dimensionierung
und Auslastung der Bauelemente.
Je höher der Wirkungsgrad des Wandlers, desto niedriger die
Verluste und Verlustwärme. Bei Al-Elkos gilt beispielsweise eine
Halbierung der zu erwartenden Lebensdauer bei +10K höherer
Bauelemente-Temperatur. Daneben sind Spannungs-, Strom und
Umgebungsbedingungen, Verarbeitungsqualität beim Herstellprozess
als weitere Stressfaktoren, die die Brauchbarkeitszeit reduzieren,
zu beachten.
Um attraktive Preise zu erzielen, geht der Trend immer mehr zu
so genannten Weitbereichswandlern. Das bedeutet, dass man mit
einem Gerätetyp mehrere Systemspannungen abdecken möchte.
Es leuchtet sofort ein, dass damit höhere Stückzahlen erreichbar
sind. Damit die Ausfallrate nicht ansteigt, ist darauf zu achten, dass
die MTBF nicht absinkt beziehungsweise der Wirkungsgrad auch
bei niedrigeren Spannungen gleich gut bleibt. Da die Ströme mit
kleinerer Spannung ansteigen, ist dies kein leichtes Unterfangen.
■ P = U x I,
daraus folgt:
■ I = P/U.
Die Verluste steigen dabei quadratisch mit dem Strom:
■ P = I² x R.
Der 300 W DC/DC-Wandler 300 DDB 110 M24 kann, an 110 V DC betrieben,
eine 24 V Ausgangsspannung mit einem Strom bis 12,5 A liefern.
Stromversorgungen
Dimensionierung der Sicherung
Ein weiterer zu überwindender Schwierigkeitsgrad ist die richtige
Dimensionierung der Sicherung. Wer sich schon einmal die Auslösekennlinien
solcher Bauelemente angeschaut hat, weiß wovon
hier die Rede ist. Zum einen soll eine Sicherung im Fehlerfall
schnell den Stromkreis zuverlässig trennen, zum anderen darf dieses
Bauteil natürlich nicht zu empfindlich sein, sonst hat man beim
Einschalten der Wandler schon Probleme. Beim Weitbereichswandler
verschärfen sich sofort diese Anforderungen. Für einen
Wandler, unter der Annahme bei einem konstanten Wirkungsgrad
von 90 % und mit P A = 500 W, ergeben sich die in Tabelle 2 aufgeführten
Maximalströme.
Um Halbleiter zuverlässig zu schützen, sind flinke Sicherungen
zu empfehlen. Damit Sicherungen nicht versehentlichen ansprechen,
ist ein Mindestbemessungswert 50 % über dem maximalen
Stromwert anzusetzen.
Im Fall 1 (Nennspannung U E = 110 V ±40 %): 1,5 x 8,41 A = 12,6
A. Bei einem möglichen Fehlerstrom von 125 A (I/I rat = 10) würde
die gewählte 12,5-A-Sicherung dann schnellstens nach etwa 1 ms,
längstens jedoch erst nach 40...50 ms trennen. Bei einem Fehlerstrom
von 25 A (Faktor 2) dauert die Trennung dann immerhin
schon mindesten 300 ms, längstens jedoch mehrere 1000 Sekunden!
Da kann es schon leicht zu thermischen Überhitzungen von
Leiterbahnen oder Bauteilen kommen, was eventuell auch zu Entzündungen
/ Lichtbogenbildungen führen kann. Beim Weitbereichswandler
ist die Spannweite noch weitaus größer: 1,5 x 12,86
A = 19,29 A. Das heißt, es wird jetzt schon eine 20-A-Sicherung
benötigt. Dass diese bei kleinen Fehlerströmen noch länger zum
Auslösen benötigt ist normal.
Hier ist dann das Know-how von Schaltungsentwicklern und
Sicherungsherstellern gefragt, um durch geeignete Legierungen
die erforderliche Auslösecharakteristik zu erzielen. Um zuverlässige
Lösungen zu bekommen ist es also nicht damit getan, Wandler
von der Stange einzukaufen und einzusetzen. Grau Elektronik
stellt hierzu ihre ganze langjährige Erfahrung sehr gerne zur Verfügung,
um unliebsame Überraschungen und Systemstörungen
auf ein geringstmögliches Maß zu reduzieren. Ein etwas teurer Anschaffungspreis
ist somit sehr oft die preiswertere Lösung. (jj) n
Der Autor: Willi Spiesz ist Geschäftsführer der Grau Elektronik GmbH.
infoDIREKT www.all-electronics.de 501ei1212
Tabelle 2: Ströme für 500-W-Wandler
mit 90 % Wirkungsgrad.
Zeit Gerätetyp A Gerätetyp B Kosten
Jahre 250.000Stunden R F 500.000 Stunden R F
5 29.200 0,89 0.11 29.200 0,94 0,06
10 58.400 0,79 0,21 0,89 0,11
15 87.600 0,70 0,30 0,84 0,16
20 116.800 0,62 0,38 0,79 0,21
25 146.000 0,56 0,44 0,75 0,25
Die Zahlen sind nach der 2. Stelle gerundet
Tabelle 1: Mögliche Ausfälle während der Laufzeit von 500 eingesetzten
Geräten.
www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 12/2012 43
Bilder: Grau Elektronik