Ein genauerer Blick auf die mittlere Zeit zwischen Ausfällen, Zuverlässigkeit und Lebenserwartung

28. November 2017 von Jeff Smoot

Ein genauerer Blick auf die mittlere Zeit zwischen Ausfällen, Zuverlässigkeit und Lebenserwartung

Digitale Elektronik wird in allen Lebensbereichen immer populärer: von Mobiltelefonen und Tablets über Fitnessmonitore und digitale Assistenten für Zuhause bis hin zu Internet- und Telekommunikationsinfrastrukturen, Rechenzentren, Transportmanagement und Fly-by-Wire-Flugzeugen. Da wir in unserem täglichen Leben mehr und mehr auf diese Produkte angewiesen sind, sehen wir ein wachsendes Bewusstsein für die Probleme, die die Zuverlässigkeit der verwendeten elektronischen Komponenten betreffen.

Definieren der Zuverlässigkeit und der mittleren Zeit zwischen Ausfällen

Angesichts dieses Trends ist es nicht verwunderlich, dass Ingenieure bei der Auswahl der Komponenten einen größeren Wert auf die Zuverlässigkeit legen. Sie nutzen wichtige Datenpunkte von Komponentenherstellern, wie etwa die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (Mean Time Between Failures, MTBF), um Konstruktionsentscheidungen zu treffen. Die MTBF kann eine nützliche Metrik zur Einschätzung der Zuverlässigkeit sein, insbesondere wenn Komponenten von mehreren Anbietern verglichen werden. Doch viele tappen in die Falle, fälschlicherweise davon auszugehen, dass die MTBF-Zahl direkt mit der erwarteten Lebensdauer der Komponente übereinstimmt. Da es beim elektronischen Design viele Missverständnisse rund um dieses Thema gibt, ist es wichtig, die Verbindung zwischen der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer elektronischer Komponenten erneut zu untersuchen.

Zuverlässigkeit ist definiert als die Wahrscheinlichkeit, dass eine einzelne Einheit des Produkts, die unter festgelegten Bedingungen arbeitet, für eine bestimmte Zeitspanne korrekt arbeitet. Dies kann statistisch ausgedrückt werden als:

R(t) = e-λt

Wobei λ die intrinsische Ausfallrate ist, mit Ausnahme frühzeitiger Ausfälle (Säuglingssterblichkeit) und Verschleißausfälle (Ende der Lebensdauer).

Die Zuverlässigkeit ist daher die Ausfallwahrscheinlichkeit im flachen zentralen Teil der unten gezeigten vertrauten Badewannenkurve.

Diagramm einer typischen Badewannenkurve, die den Ausfalltrend vom Anfang bis zum Ende des Lebens zeigt
Die Badewannenkurve verdeutlicht den Ausfallverlauf vom Anfang bis zum Ende des Lebens

Die Umkehrung von λ, 1/λ gibt die mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTTF) an, die häufiger als die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) ausgedrückt wird, insbesondere in der Energiewirtschaft. Es kann verlockend sein zu glauben, dass die Berechnung der MTBF die typische erwartete Lebensdauer des Produkts ergibt, aber dies ist ein weit verbreitetes Missverständnis.

Interpretieren der mittleren Zeit zwischen Ausfällen und der Zuverlässigkeit

Betrachten Sie eine Komponente mit einer intrinsischen Fehlerrate (λ) von 10-6 Ausfällen/Stunde. Obwohl die MTBF 1 Million Stunden ist, erzählt uns die Kurve R(t) = e-λt, die im nachfolgenden Diagramm dargestellt wird, dass lediglich 36,7 % der Einheiten statistisch wahrscheinlich so lange arbeiten werden. 60,6 % werden wahrscheinlich 500.000 Stunden lang arbeiten und wir können außerdem damit rechnen, dass 90,5 % eine Lebensdauer von 100.000 Stunden aufweisen werden.

Diagramm einer Zuverlässigkeitskurve, die die Wahrscheinlichkeit zeigt, mit der eine Komponente für ihre gesamte MTBF arbeitet
Es gibt nur eine Wahrscheinlichkeit von 36,7 %, dass eine Komponente über ihre gesamte berechnete MTBF arbeitet

Anhand dieser Informationen für jede Komponente müssen wir dann die individuellen Ausfallraten aller Komponenten, aus denen das System besteht, zusammenfassen, um zu verstehen, wie lange ein gesamtes Produkt halten wird (λA = λ1n1 + λ2n2 + … + λini). Es ist klar, dass die Zuverlässigkeit eines Systems der am wenigsten zuverlässigen Komponente entspricht. Für Designer kann es sich bezahlt machen, sich auf die schwächeren Komponenten zu konzentrieren.

Die wichtige Botschaft lautet, dass die MTBF, obwohl sie eine vertrauenswürdige Basis für die Analyse und den Vergleich von Produkten und Komponenten darstellt, nicht als direkter Ausdruck der Lebenserwartung interpretiert werden sollte.

Das Verlangen nach Zuverlässigkeit in den digitalen Produkten, die jetzt in das Gewebe von Leben und Arbeit eingewoben sind, wird weiter zunehmen. Als Branche können wir Ingenieuren zu einem besseren Design-Erlebnis verhelfen, indem wir uns klar mit dem Thema Zuverlässigkeit, MTBF und der tatsächlichen Lebenserwartung in Bezug auf unsere Produkte auseinandersetzen.

Hilfreiche Ressourcen

Weitere Informationen zu diesem Thema entnehmen Sie bitte dem Anwendungshinweis „Zuverlässigkeitsaspekte“

Haben Sie irgendwelche Kommentare bezüglich dieses Beitrags oder Themen, die wir in der Zukunft besprechen sollten? Senden Sie eine E-Mail an techinsights@cui.com


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Jeff Smoot

Jeff Smoot

VP of Application Engineering & Motion Control

Seit Jeff Smoot im Jahr 2004 zu CUI stieß, hat er die Qualitäts- und Engineering-Abteilungen der Firma revitalisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung, Unterstützung und Markteinführung von Produkten. Mit dem Fokus auf dem Erfolg des Kunden hat er auch die Einrichtung eines Application-Engineering-Teams vorangetrieben, um den Ingenieuren und Technikern während des Designprozesses online und vor Ort eine bessere Design- und technische Unterstützung zu bieten. Nach der Arbeit genießt Jeff die freie Natur (Skifahren, Rucksackreisen, Camping), verbringt Zeit mit seiner Frau und vier Kindern und ist ein lebenslanger Fan der amerikanischen Football-Mannschaft Denver Broncos.

 
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