Mała żywoTność zuBaża Fundusze czyli MTBF w praktyce

Mała żywoTność zuBaża Fundusze czyli MTBF w praktyce

MTBF jest jednym z wielu parametrów urządzeń, w tym zasilaczy impulsowych i stanowi podstawową miarę niezawodności urządzenia. Skrót ten oznacza Mean Time Between Failure (średni czas między awariami) i definiowany jest jako przewidywany czas bezawaryjnej pracy urządzenia. Wyrażany jest w godzinach, np. MTBF = 30 000 godzin, przy czym wartość ta nie oznacza, że dane urządzenie będzie pracować przez 30 000 godzin. Parametrem MTBF wyraża się czas, po upływie którego niezawodność urządzenia spadnie do 36,8%. Inaczej mówiąc, po upływie MTBF prawdopodobieństwo poprawnej pracy urządzenia spada do 36,8% (e-1 = 0,368). Znajomość wartości MTBF ma jeszcze jedną przydatną cechę – umożliwia określenie prawdopodobieństwa awarii urządzenia w trakcie jego eksploatacji przed upływem MTBF.

Dla przykładu: MTBF = 30 000 godzin.
Po upływie 1/10-tej wartości MTBF, tj. 3 000 godzin, niezawodność urządzenia wynosi e-1/10 = 0,905.
Po upływie 1/100-tej wartości MTBF, tj. 300 godzin, niezawodność urządzenia wynosi e-1/100 = 0,999.
itd.

W ujęciu matematycznym MTBF stanowi odwrotność częstości awarii:
MTBF = 1 / l
gdzie l - częstość awarii.

Natomiast niezawodność definiowana jest następująca zależnością:
R(t) = e -l t = e –t/MTBF
gdzie: R(t) – niezawodność
l - częstość awarii
t – czas pracy
e – stała Eulera ~ 2,718

Metody wyliczania MTBF zostały ustandaryzowane wprowadzeniem modelu o nazwie MIL-HDBK-217 (Military Handbook 217) w 1965 roku przez Departament Obrony Armii Amerykańskiej. Dokument ten zawiera wartości częstości awarii dla różnych elementów stosowanych do budowy urządzeń elektronicznych takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory etc.
Model ten został zaktualizowany do MIL-HDBK-217F i w tej wersji obowiązuje do dzisiaj. Zawarto w nim dwie metody przewidywania niezawodności:

1. Metoda przewidywania liczby części (Part count): polega na zliczaniu podobnych elementów urządzenia (np. kondensatorów) a następnie pogrupowaniu na różne ich typy (np. kondensatory foliowe). Liczbę elementów w każdej grupie mnoży się przez współczynnik częstości awarii l zawarty w MIL-HDBK-217 a następnie dodaje się współczynniki l wszystkich grup podzespołów. W ten sposób uzyskuje się końcowy MTBF.

2. Metoda przewidywania obciążenia części (Stress analysis): metoda podobna do metody zliczania części pod względem sposobu sumowania wskaźników awaryjności. Różni się od metody 1-szej tym, że współczynnik częstości awarii l jest obliczany osobno dla każdego z elementów na podstawie rzeczywistych poziomów obciążenia działających na ten element. Tak uzyskane wyniki w połączeniu z MIL-HDBK-217 dają pełną wartość MTBF.

Należy w tym miejscu wspomnieć, że MIL-HDBK-217 to nie jedyny model wyliczania współczynnika MTBF. Poza nim znane są takie metody jak:
• Telcordia Prediction Model SR/TR-322 – używany do szacowania niezawodności urządzeń telekomunikacyjnych
• HRD5 – opracowany przez British Telecom, używany w Wielkiej Brytanii
• RBD
• Model Markowa
• FMEA / FMECA
• Drzewo uszkodzeń
• HALT

Producent zasilaczy impulsowych MeanWell, którego autoryzowanym dystrybutorem na Polskę jest firma MPL Power Elektro z Gliwic, do określania wartości parametru MTBF dla swoich produktów korzysta z metody MIL-HDBK-217F.

Stopień złożoności współczesnych aplikacji elektronicznych stawia zupełnie nowe wymagania źródłom zasilania. Nie wystarczy już stabilizowane źródło napięcia/prądu z separacją galwaniczną. Większość produkowanych urządzeń elektronicznych posiada zdefiniowany parametr MTBF. Czy projektanci i konstruktorzy tych urządzeń biorą pod uwagę tak trywialny jak mogłoby się zdawać parametr jak
MTBF zasilacza ? Rozważmy na przykład aplikację oświetlenia LED wysokiego budynku: MTBF standardowej diody LED mocy określany jest w zależności od modelu i producenta na poziomie 50 000 do 150 000 godzin co w praktyce oznacza, że diody składające się na system oświetlenia tego budynku nie będą musiały być wymieniane przez cały zakładany czas użytkowania instalacji. Oczywiście system taki można zasilić tanimi zasilaczami o MTBF nie przekraczającym 30 000 godzin. Zwłaszcza, że zgodnie z opisaną wcześniej definicją po upływie tychże 30 000 godzin nie jest powiedziane, że zasilacz przestanie działać. Jednak czy wykonawcę systemu LED stać na ryzyko choćby jednej wymiany kilku zasilaczy zainstalowanych w trudnodostępnych miejscach (np. elewacja na wysokich piętrach) ? Czy nie będzie znacznie rozsądniejszym zastosowanie droższych, ale znacznie lepszych jakościowo zasilaczy o znacznej wartości MTBF ? Na to pytanie odpowiedzieć sobie musi każdy wykonawca/konstruktor/projektant sam. Intencją autorów niniejszego artykułu jest nadanie odpowiedniej rangi parametrowi MTBF.
Porównajmy szanse wystąpienia awarii dwóch zasilaczy o różnych MTBF:

1. Tani zasilacz o MTBF = 30 000 godzin.
Prawdopodobieństwo awarii tego zasilacza w ciągu 1 roku wynosi aż 25%, a z każdych trzech-czterech, jeden może ulec uszkodzeniu

2. Dobry zasilacz o MTBF = 600 000 godzin (np. ELN-60 marki MeanWell).
Prawdopodobieństwo awarii tego zasilacza w ciągu 1 roku wynosi tylko 1,5% a z każdych 68-miu, jeden może ulec uszkodzeniu.

Powyższe zestawienie nie oznacza oczywiście, że tanie zasilacze o krótkim MTBF do niczego się nie nadają. Wprost przeciwnie; znajdują z powodzeniem zastosowanie w aplikacjach konsumenckich takich jak zasilanie routerów, switch’y, drukarek, odtwarzaczy CD, konsol do gier, aparatów telefonicznych i wiele innych. Wszystkie te aplikacje łączy jeden istotny fakt – żadna z nich nie ma znaczenia strategicznego a ewentualna awaria zasilacza i zakup nowego nie implikuje istotnych problemów i w konsekwencji strat finansowych. W tym miejscu należy zwrócić uwagę na jeszcze jeden istotny element: mianowicie większość tych konsumenckich aplikacji nie pracuje 24 godziny na dobę przez 7 dni w tygodniu, czyli nie pracuje w sposób ciągły co znacząco odróżnia je od aplikacji komercyjnych i przemysłowych.
Dodatkowo fakt ten sprawia, że prawdopodobieństwo awarii zasilacza maleje.

W przypadku zastosowań komercyjnych oraz przemysłowych wydłuża się czas obciążania zasilacza do – w skrajnych przypadkach – pracy ciągłej non-stop. Do tego coraz częściej odbiorcy zasilaczy oczekują od nich podwyższonej szczelności na pył i wilgoć a także szerokiego zakresu temperatur pracy (od -30 do +70°C) z uwagi na fakt, iż znaczna część aplikacji nie jest wykonywana we wnętrzach, ale wystawiona na działanie czynników atmosferycznych z pracą pod gołym niebem włącznie.
Do tego typu zastosowań tanie zasilacze o krótkim MTBF zwyczajnie się nie nadają. Raz że ich krótka żywotność przekreśla szanse na długą bezawaryjną pracę, dwa że ich obudowa nie zapewnia pożądanej szczelności.
W takich zastosowaniach, projektanci czy konstruktorzy winni sięgnąć po zasilacze gwarantujące odpowiednie parametry, by cały wysiłek i zaangażowanie włożone w opracowanie i powstanie danego urządzenia nie zostały zaprzepaszczone z powodu nieodpowiedniego doboru zasilacza.

Co sprawia, że jeden zasilacz ma MTBF = 30 000 godzin a inny MTBF = 600 000 godzin ? Odpowiedzi na to pytanie szukać należy w jakości użytych do jego budowy elementów a także w stopniu jego złożoności. Tanie zasilacze skonstruowane są z niższej jakości tańszych elementów, posiadają jedynie podstawowe zabezpieczenia na stronie wtórnej, nie spełniają wyśrubowanych przemysłowych norm emisji zakłóceń. To decyduje o ich niskiej cenie w zamian za niską trwałość (czyli niską wartość MTBF).
Szukający zasilacza wysokiej jakości o długim czasie bezawaryjnej pracy, znajdzie go w ofercie producenta MeanWell. Począwszy od wspomnianej serii zasilaczy o podwyższonej szczelności (IP 64, IP 66 oraz IP 67) do pracy outdoorowej (Rys.1), poprzez zasilacze przeznaczone do montażu na szynie DIN (seria DIN – Rys.2, G2, G3, PFC) w wersjach bez oraz z aktywnym filtrem PFC (Power Factor Correction – korekcja współczynnika mocy cos j) aż do najbardziej wyrafinowanych technicznie zasilaczy dużej mocy z funkcją aktywnego podziału prądu obciążenia, możliwością zdalnego załączania/wyłączania, kompensacją spadku napięcia na przewodach łączących zasilacz z odbiorem (serie PSP, RSP, SCP). Wszystkie te zasilacze łączy jedna, bardzo istotna z punktu widzenia tematyki niniejszego artykułu cecha – wysokie wartości MTBF, co czyni je odpowiednimi do najbardziej wymagających aplikacji i stanowi właściwą odpowiedź na pytanie zasilaczy jakiej marki użyć tam, gdzie oczekuję minimalnej awaryjności.

Przy okazji rozważań na temat parametru MTBF w odniesieniu do zasilaczy impulsowych warto wspomnieć także o przetwornicach DC/DC do druku P.C.B. również znajdujących się w ofercie producenta MeanWell.
Spektrum wartości MTBF zawiera się tutaj w przedziale od 100 000 godzin do aż 2-óch milionów (!) godzin dla modelu o oznaczeniu NSD10 –S.