Bei der MTBF handelt es sich um eine Maßeinheit für die Zuverlässigkeit eines Geräts oder einer Systemkomponente. Im Blog-Artikel erfahren Sie, was man genau unter der MTBF versteht, warum sie für Netzteile ein wichtiger Qualitätsindikator ist und worin der Unterschied zur Lebensdauer besteht.
Der Begriff MTBF taucht in den Datenblättern verschiedener technischer Anlagenkomponenten auf und sorgt häufig für Verwirrung. Das liegt vor allem an den verschiedenen Berechnungsmethoden und der Verwechslungsgefahr mit der Lebensdauer. Bei PULS beschäftigen sich viele R&D-Spezialisten täglich mit beiden Parametern. Mit diesem Wissen bringen wir in diesem Blog-Artikel Licht ins Dunkel.
Was versteht man unter MTBF?
Der Begriff MTBF ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung „Mean Time Between Failures“ – auf Deutsch: mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen. Der Wert gilt als Maß für die Zuverlässigkeit von elektronischen Geräten, Baugruppen oder Anlagen.
Anwender erhalten somit einen Erwartungswert dafür, wie häufig ein Gerät im statistischen Durchschnitt ausfällt. Natürlich versuchen die meisten Hersteller, die Anzahl der Ausfälle so niedrig wie möglich zu halten; allerdings ist es unvermeidbar, dass ein technisches Gerät mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ausfällt. Die Kenntnis über diesen Wert ist besonders für die Instandhaltung und Wartung von Anlagen wichtig.
Wie wird die MTBF berechnet?
Die MTBF ist der Kehrwert der Ausfallrate λ (Lambda). Die Ausfallrate λ gibt wiederum an, wie viele Ausfälle statistisch zu erwarten sind, wenn man eine bestimmte Anzahl von Geräten über einen bestimmten Zeitraum betreibt. Aufgrund der Angabe in 1/Stunde ist λ eine sehr kleine Zahl.
Die MTBF wird hingegen in Stunden angegeben und ist damit leichter in die Praxis übertragbar, weshalb sich dieser Wert als Indikator für die Zuverlässigkeit durchgesetzt hat.
An einem Rechenbeispiel wird der Zusammenhang zwischen Ausfallrate und MTBF deutlich.
In einer Anlage werden 1.000 identische Geräte verbaut und 2.000 Stunden lang betrieben. Das ergibt insgesamt 2 Millionen Gerätestunden. Wenn in diesem Zeitraum 4 Geräte ausfallen, dann ergibt sich für die Ausfallrate λ folgende Rechnung:
Für die MTBF als Kehrwert der Ausfallrate ergibt sich folgende Formel:
Wichtig ist, dass es sich sowohl bei der Ausfallrate als auch bei der MTBF um statistisch bedingte Ausfälle handelt. Diese gelten bereits ab der ersten Betriebsstunde.
Wie lässt sich die MTBF visualisieren?
Die wohl bekannteste, grafische Darstellung der MTBF ist die so genannten Badewannenkurve (siehe Grafik 1).
Frühausfälle (siehe Phase A) werden bei der MTBF nicht berücksichtigt, da der Hersteller durch die interne Qualitätsprüfung ausschließen sollte, dass diese überhaupt an die Kunden ausgeliefert werden.
Während der Betriebsphase (siehe Phase B) können insbesondere höhere Temperaturen die Vorgänge beschleunigen, die letztlich zum Ausfall führen. Der thermische Stress, dem die Komponenten in so einem Fall ausgesetzt sind, erhöht die Ausfallrate. Deshalb sind Systementwickler und Instandhaltungsspezialisten vor allem auf niedrige Temperaturen in der Applikation bedacht, um die Ausfallrate möglichst niedrig zu halten.
Verschleißeffekte (siehe Phase C) fließen in die MTBF übrigens nicht mit ein, da lediglich die Phase der Lebensdauer betrachtet wird, in der noch keine alterungsbedingten Ausfälle auftreten dürfen.
Wie wird die Ausfallrate λ in der Praxis ermittelt?
Die Ausfallrate λ kann auf verschiedene Art und Weise ermittelt werden. Je nachdem welcher Weg gewählt wird, weichen die Ergebnisse voneinander ab. Anwender müssen deshalb im Produktdatenblatt stets auf die Spezifikation und die zugrundeliegenden Betriebsbedingungen für die Ermittlung der Ausfallrate bzw. der MTBF-Werte achten.
Am Beispiel eines betrachten wir zwei unterschiedliche Herangehensweisen für die Berechnung.
Die schnellste und einfachste Methode λ zu ermitteln, ist der so genannte „Parts Count“. Dabei werden lediglich die einzelnen Bauteile im Netzteil gezählt und mit einer mittleren Ausfallrate multipliziert. Das Ergebnis wird dann als die Ausfallrate des gesamten Netzteils gewertet. Diese Methode ist jedoch ungenau.
Eine, deutlich aufwändigere Alternative ist, die Ausfallrate für jedes einzelne Bauteil einzeln zu bestimmen. Hierzu wird für jede Komponente die elektrische Belastung berechnet und der thermische Stress durch Messungen bestimmt. Auf Basis dieser Werte wird über eine Software die Ausfallrate für das Bauteil ermittelt. Dieses Vorgehen ist bei PULS üblich.
Für Berechnungsmethoden der Ausfallraten können verschiedene Normen angewandt werden. Das MIL Handbook 217F wird international häufig für die Berechnung genutzt. Die auf Grundlage von MIL ermittelten Ausfallraten sind allerdings eher als konservativ zu bewerten. Deutlich realistischer sind die Werte, die auf der Berechnungsmethode der Siemensnorm SN 29500 nach IEC 61709 basieren.
Die Summe der einzelnen Bauteilausfallraten ergibt schließlich die Gesamtausfallrate λ des Netzteils. Daraus lässt sich, wie zuvor beschrieben, die MTBF des Netzteils berechnen.
Gut zu wissen!
MTBF-Werte sind ohne die Benennung der zugrundeliegenden Norm und den Betriebsbedingungen wertlos. Insbesondere die Last und die vorherrschende Umgebungstemperaturen sind entscheidend. Beim Vergleich von Produkten verschiedener Hersteller muss hier besonders darauf geachtet und ggf. nachgefragt werden.
PULS gibt alle, für die MTBF relevanten Informationen in seinen Produktdatenblättern an.
Was ist der Unterschied zwischen MTBF und Lebensdauer?
Bei den Datenblattangaben zur Lebensdauer geht es nicht um statistische Ausfälle während der Betriebszeit. Die Lebensdauer sagt aus, nach welcher Zeit die Bauteile aufgrund von Verschleiß unbrauchbar werden.
Bei einem Netzteil muss besonders auf die Elektrolytkondensatoren (Elkos) geachtet werden. Diese Bauteile gelten als lebensdauerbestimmend, da sie im Laufe der Zeit aufgrund der Diffusion von Elektrolyten an Kapazität verlieren.
Die Elko-Hersteller benennen in ihren Datenblättern ein Lebensdauerende. Zu diesem Zeitpunkt weichen wichtige Elko-Parameter wie Kapazität und Innenwiderstand um einen gewissen Betrag vom Initialwert ab.
Elkos reagieren besonders empfindlich auf hohe Umgebungstemperaturen. Jede Temperaturerhöhung um 10 °C verkürzt die Lebensdauer der Elkos um den Faktor 2 und hat damit einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer des Netzteils.
Warum sind die MTBF und Lebensdauer bei Netzteilen wichtig?
Industrielle Netzteile sollen ab der ersten Betriebsminute zuverlässig und zugleich über möglichst viele Jahre, die Energieversorgung einer Anlage sichern. Deshalb sind sowohl MTBF als auch Lebensdauer wichtige Qualitätsindikatoren eines Netzteils und sollten auf einem hohen Niveau liegen.
Bei PULS haben die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Netzteile schon immer einen sehr hohen Stellenwert. Die entsprechenden Werte für MTBF und Lebensdauer werden in den Datenblättern der Netzteile detailliert beschrieben und für verschiedene Betriebsbedingungen genau spezifiziert.
Diese verlässlichen Werte erleichtern Kunden und Anwendern die Planung und Realisierung von komplexen Systemen, die sich häufig aus hunderten von Systemkomponenten zusammensetzen.
Parallel profitiert auch unsere Umwelt von zuverlässigen und langlebigen Netzteilen. Dadurch, dass die Netzteile seltener ersetzt werden müssen, werden Ressourcen geschont und es wird weniger Elektroschrott produziert.
