Wie zuverlässig sind Bahnstromversorgungen wirklich?

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Hohe Verfügbarkeit nur bei hoher MTBF und niedriger MTTR

Aus den Gleichungen (1) und (2) lässt sich ableiten, dass es eine hohe Verfügbarkeit nur für eine hohe MTBF und niedriger MTTR gibt. Wie kann man nun die Zahlenangaben der MTBF richtig interpretieren? Ausgehend davon, dass MTBF-Werte nach dem gleichen Verfahren unter vergleichbaren Bedingungen ermittelt wurden (z.B. MIL Std. 217, SN 29500, xxxxx fr.) sind folgende Aussagen möglich: So bedeutet z.B. MTBF = 250.000 h, dass sich in zeitlichen Abständen von 250.000 h ein Ausfall ereignet. Ausgehend von 350 Tagen Einsatz im Jahr und jeweils 18 h pro Tag entspricht dieser Wert einer Zeit von 39,7 Jahren.

Im ersten Moment dürfte man also annehmen, dass bei 25 Jahren Nutzungsdauer kein Ausfall vorkommen dürfte. Weit gefehlt! Denn wenn man elektronische Systeme hinsichtlich der Zuverlässigkeit betrachtet, wird die im folgenden Bild dargestellte Badewannenkurve herangezogen.

Die Badewannenkurve: Im Zeitraum zwischen t1 und t2 ereignen sich nicht vermeidbare Ausfälle.
(Bild: Grau Elektronik)

Bis zum Zeitpunkt t₁ spricht man von sogenannten Frühausfällen, ab t₂ von Ausfällen, die durch Bauteileermüdung bedingt sind, die Bauteile also verbraucht oder abgenutzt sind. Zwischen diesen beiden Zeitpunkten ereignen sich die sogenannten natürlichen und zufälligen Ausfälle. Es ist klar, dass dieser Wert möglichst klein gehalten werden soll. Je höher der MTBF-Wert, desto niedriger die Ausfallrate.

λ = 1/MTBF (3)

Die Wahrscheinlichkeitsrechnung spielt eine Rolle

Den Zeitpunkt t₁ versucht man z.B. durch ausgiebige Prüfprozesse in der Fertigung zu halten, sodass der Kunde davon nichts davon zu spüren bekommt. Der Zeitpunkt t₂ hingegen hängt im Wesentlichen vom Design, der Schaltungsdimensionierung, der Bauteilequalität und der Verarbeitung ab. In der Bahntechnik sind das ca. 20 bis 30 Jahre. Innerhalb dieses Zeitraums t₁ bis t₂ ergeben sich also eine bestimmte, nicht vermeidbare, Anzahl an Ausfällen. Da bei den all diesen Überlegungen mit Wahrscheinlichkeiten und nicht mit Gewissheiten umgegangen werden muss, spielt auch die Wahrscheinlichkeitsrechnung eine gewisse Rolle. Per Definition gilt:

R + F = 1 (4)

Das heißt, entweder ein System funktioniert oder es funktioniert nicht. Dies muss in Bezug auf einen Spannungswandler jedoch nicht richtig sein. Wenn z.B. die Strombegrenzung oder die Anzeige-LED ausfällt, wird in beiden Fällen mit hoher Wahrscheinlichkeit das Gesamtsystem zunächst weiter ordnungsgemäß funktionieren. Deshalb ist bei der MTBF-Angabe auch eine Aussage zur Fehlerdefinition erforderlich, da ansonsten die MTBF Angabe nur wenig hilfreich ist.

Welche Fehler führen zur Systembeeinträchtigung?

Welche Fehler führen also zu einer Systembeeinträchtigung? Diese Frage lässt sich oft nur im Zusammenspiel von Hersteller und Anwender eindeutig beantworten, wobei FMEA-Analysen unterstützend einzusetzen sind. Für Batterieladegeräte, Spannungswandler oder Notstartwandler bedeutet ein Ausfall in Regelungsteil, PWM, Steuerkreis, Treiberstufe oder Leistungsstufe sowie ein Kurzschluss interner Versorgungskreise den Totalausfall der zu versorgenden Systeme. Fällt in den beschriebenen Schaltungsteilen ein Bauteil aus oder gibt es Funktionsabweichungen, so kann der Verbraucher nicht mehr mit einer stabilen Ausgangsspannung versorgt werden. Somit dürfte auch das System ausfallen.

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