Fiabilitatea sursei de alimentare

Fiabilitatea unui dispozitiv este definită ca probabilitatea ca acesta să îndeplinească funcția cerută, în condiții stabilite, pentru o anumită perioadă de timp. Fiabilitatea produsului este cuantificată ca MTBF (Mean Time Between Failures) pentru produsul reparabil și MTTF (Mean Time To Failure) pentru produsul nereparabil.

by gabi

MTBF − Timpul mediu între defecțiuni, presupune că produsul poate fi reparat și poate relua funcțiile normale. MTTF − Timpul mediu până la defectare, presupune că produsul nu poate fi reparat, deci se consideră MTTF ca durată medie de viață a unui produs.

MTBF nu are legătură cu alte durate de timp asociate la un produs, precum durata de viață sau durata de viață preconizată. De exemplu, dacă o sursă de alimentare are un MTBF de 40.000 de ore, nu înseamnă că sursa de alimentare ar trebui să funcționeze în medie 40.000 de ore! Media statistică devine media adevărată, dacă numărul de produse în uz, crește. În medie, sursele de alimentare de înaltă calitate au durata de viață garantată între 5 și 10 ani, dar pot dura mai mult.

Înțelegerea MTBF și a Fiabilității

Cea mai cunoscută modalitate de estimare a fiabilității unui produs este calcularea MTBF, adică timpul mediu între defectări. O întrebare comună: MTBF este la fel cu Fiabilitatea? Răspunsul scurt este NU, ceea ce poate surprinde. Și, mai important, de ce este MTBF util, dacă nu este același lucru cu Fiabilitatea?

Obiective de bază asociate Fiabilității

Ce este MTBF?

MTBF (Mean Time Between Failures) este timpul mediu dintre defecțiunile inerente ale sistemului în timpul funcționării normale, luând în fiecare caz timpul în care este raportată o defecțiune. Se exprimă în ore. Între defecțiunea efectivă și detectarea defecțiunii și începutul asistenței sau „confirmare” este timpul mediu de confirmare, MTTA (Mean Time To Acknowledge). MTBF este utilizat pentru sisteme reparabile.

Timpul de reparare (MTTR) este timpul mediu de reparație pură (având piese de schimb) până când se restabilește disponibilitatea pentru utilizare. Un timp posibil până la procurarea unei piese de schimb nu contează la timpul de reparație! Pentru acest timp total, există termenul MTTR (Mean Time to Recovery), timpul mediu până la recuperarea funcției operaționale.

MTBF = MTTA + MTTR + MTTF

Notă. Definiția MTBF depinde de definiția a ceea ce este considerat un eșec. În cazul unor echipamente pot apărea și defecțiuni care nu duc la o defecțiune a sistemului, deoarece ansamblurile redundante continuă să asigure funcționarea. Doar acele condiții care scot sistemul din funcțiune sunt considerate defecțiuni (critice) și se folosește termenul de timp mediu între defecțiuni critice (MTBCF).

Exemplu: Un MTBF de 100 de ore indică faptul că un produs, în medie, va funcționa cu succes timp de 100 de ore înainte de a apărea o defecțiune și a fi reparat.

Ce este Fiabilitatea?

Fiabilitatea (Reliability) este definită ca probabilitatea ca un dispozitiv să își îndeplinească funcția prevăzută pentru o anumită perioadă de timp.
Fiabilitatea (probabilitatea de supraviețuire) − R (t) și Probabilitatea de eșec – F(t) sunt legate: F (t) + R (t) = 1.

De exemplu, o fiabilitate de 0,8 la 100 de ore indică faptul că după 100 de ore, există șansa de 80% ca dispozitivul să funcționeze corect în continuare.

Există o relație între MTBF și Fiabilitate? Cum convertesc MTBF în Fiabilitate?

Diferența cheie: MTBF este intervalul de timp dintre defecțiuni, iar Fiabilitatea este probabilitatea ca sistemul să funcționeze în continuare la un anumit moment.

Chiar dacă MTBF și Fiabilitatea sunt diferite, se poate converti MTBF în Fiabilitate utilizând ecuația:

 


e
− constanta matematică 2,71828
t − intervalul în ore, care interesează
MTBF − exprimat în ore
R(t) – fiabilitatea

Important! Când t = MTBF, va rezulta R(t) = e⁻¹ = 0,3679.

Acest rezultat arată că orice produs are probabilitatea să funcționeze efectiv un timp egal cu un MTBF calculat, doar de 36,79 %.

Exemplu: Care este probabilitatea ca un produs cu un MTBF = 100 de ore să funcționeze în continuare după 100 de ore. Din ecuația de mai sus, rezultă că sunt doar 36,79 % șanse să funcționeze efectiv 100 de ore! Pare un rezultat neașteptat, dar vă face să vă întrebați ce este exact MTBF și cum îl puteți folosi.

Indicatorii în analiza fiabilității sunt legați de timpul mediu al fiecărui eveniment.

MTBF ca medie

Rețineți un cuvânt cheie în definiția MTBF: medie.
Să presupunem că fabricați un model de sursă de alimentare. Dacă fabricați o singură sursă și începe utilizare ei, acel singur exemplar s-ar putea defecta foarte repede. Sau, ar putea funcționa foarte mult timp. Sau, timpul până la defectare s-ar putea situa undeva la mijloc. Există multe variabile care pot afecta performanțele sursei. Prin urmare, devine foarte dificil să determinați cât timp va funcționa o sursă fără a eșua.

Dar, este puțin probabil să fabricați o singură sursă. Sunt șanse să fabricați sute sau mii de exemplare dintr-un model și fiecare poate eșua la un moment diferit. Cu toate aceste durate individuale de timp, se poate calcula o medie de timp între defecțiuni, adică MTBF pentru sursa respectivă.

MTBF nu prezice durata de viață a sursei de alimentare. Este durata de viață funcțională totală împărțită la numărul de defecțiuni.

Ar trebui să folosesc MTBF sau Fiabilitatea?
MTBF și Fiabilitatea sunt două metode diferite de evaluare, utilizate cu un scop similar: a proiecta un aparat sau un sistem cu funcționare sigură pe toată durata de utilizare și a analiza unde pot fi aduse îmbunătățiri.

TDK Lambda
GENESYS+™ 1U.
Serie de surse de alimentare programabile. Putere: 1kW, 1.7kW, 2.7kW, 3.4kW, 5kW și 7.5kW. Modelul de 7,5 kW oferă tensiuni de ieșire de până la 1500V. Curent de ieșire: max. 500A cu tensiune constantă, curent constant și cu putere constantă. MTBF= 669.305 h.
Programare de la distanță: LAN (LXI 1.5), USB, RS-232/RS-485 și interfețe analogice izolate (0-5V/0-10V).
Opțiuni de interfață: EtherCAT, Modbus-TCP, IEEE (488.2) și buclă de curent analogică izolată (4-20mA). Sistemul master/slave permite configurarea sistemelor de putere scalabile de până la 90kW.
Modelele de 1kW și 1.7kW au intrare monofazată 85-265VAC.
Modelele de 2,7kW și 3,4kW au intrare monofazată 170-265VAC sau trifazată 170-265VAC, 342-460VAC sau 342-528VAC.
Modelele de 5kW au intrare trifazată 170-265VAC, 342-460VAC sau 342-528VAC.
Modelele de 7,5 kW au intrare trifazată 170-265VAC sau 342-528VAC.

TDK Lambda
Seria RGA 250W.
Convertoare DC-DC neizolate, robuste în carcasă din Al, funcționare până la +110˚C. Calificate MIL-STD-810G (șoc și vibrații). Aplicații fără ventilator, răcire prin conducție. Intrare:  9 … 40V, 9 … 53V. Ieșire ajustabilă: 3.3 … 15V, 3.3 … 24V, 3.3 … 40V. Eficiență: 98%. MTBF: > 12 mil. ore (sarcina 100%, +40°C).

Fiabilitatea unei surse de alimentare depinde de mai mulți factori

Calitatea componentelor: Componentele de înaltă calitate au probabilitatea mai mică să se defecteze și, astfel, rezultată o sursă de alimentare mai fiabilă.
Design: O sursă de alimentare bine proiectată poate oferi o putere de ieșire stabilă, poate rezista la fluctuațiile de tensiune pe intrare, la inversarea alimentării și la supratensiunii, rezultând o fiabilitate sporită.
Temperatura: Căldura excesivă afectează negativ componentele electronice și reduce durata de viață a sursei de alimentare. Sursele de alimentare de înaltă calitate sunt proiectate să funcționeze la temperaturi ridicate, fără a le afecta performanța și fiabilitatea.
Trebuie reduse pe cât posibil excesele termice, chiar dacă se încadrează în limitele de temperatură specificate. Poziționarea sursei de alimentare într-o aplicație trebuie să permită evacuarea fără obstrucție a căldurii generate în interior și fără a încălzi alte piese (răcire prin circulația aerului prin convecție sau forțată cu ventilator).
Importanța temperaturii de lucru nu poate fi subestimată. Rata de defectare a componentelor se va dubla la o creștere a temperaturii cu 10°C. Scăderea dimensiunii unei surse fără a crește eficiența acesteia o va face mai fierbinte și, prin urmare, mai puțin fiabilă.
Capabilitatea de încărcare: Se referă la funcția sursei de alimentare de a furniza energie suficientă dispozitivelor conectate. Supraîncărcarea sursei de alimentare poate duce la supraîncălzire internă continuă și defectarea componentelor, reducând fiabilitatea acesteia.
Caracteristici de protecție: Sursele de alimentare sunt mai fiabile dacă au funcții de protecție încorporate: la supratensiune, la supracurent, la scurtcircuit și limitarea puterii livrată la ieșire, deoarece pot preveni deteriorarea sursei și a dispozitivelor conectate.
Mediul de lucru: Pentru echipamentele electronice, foarte importante sunt condițiile reale de lucru: vibrații, șocuri, praf și umezeală. Trebuie luat în considerare efectul fiecăruia din acești factori asupra componentelor din sursă. Vibrațiile și șocurile pot provoca întreruperi de circuit, praful poate încărca și bloca ventilația, afectând evacuarea căldurii. Umezeala poate duce la scăderea izolațiilor electrice.
Procesul de fabricație: Poate afecta și fiabilitatea unei surse de alimentare. Procedurile de control al calității, testarea și inspecția pot asigura că sursa de alimentare îndeplinește standardele și specificațiile din industrie, rezultând un produs mai fiabil.

TDK Lambda
Seria PH1200A280.
Convertoare DC-DC izolate. Putere: 1200W. Intrare: 200 … 425VDC. Ieșire: 12V … 48V, reglabilă între -40% … +20%. Au o funcție paralelă și ORing FET pentru putere mai mare sau N+1 sisteme redundante. Telecomandă on/off de la distanță, o tensiune auxiliară de 12V. Răcire prin conducție la o placă rece sau cu radiator. Eficiență: 94%. Aplicații: arhitecturi de putere distribuită, HVDC (Curent continuu de înaltă tensiune), sisteme de transmisie a energiei și energie regenerabilă. MTBF: 4.870.000 h.

TDK-Lambda
PF1500B-360.
Modulul de corecție a factorului de putere AC-DC. Putere 1008W/1512W. PFC: 0,98. Intrare: 85/170VAC … 265VAC. Ieșire 360VDC. Eficiența: 96,5%. Fiabilă cu placa de bază până la +100°C și temperatură de operare -40 … +85°C. Dimensiuni: 116,8 × 61 × 12,7 mm. Control de la distanță. Modulele conectate în paralel dau putere suplimentară. MTBF: 866.521 h.

Componentele electronice pot afecta fiabilitatea unei surse de alimentare

Capacitoare: Acestea sunt componente electronice care stochează energie și reglează tensiunea. Capacitoarele electrolitice sunt, de obicei, primele componente care se defectează într-o sursă de alimentare. Dacă dispozitivul nu poate stoca în mod sigur energia necesară, fiabilitatea sursei de alimentare are de suferit. Capacitoarele electrolitice, au durate de viață limitate. Durata de viață a capacitorului poate fi influențată mai ales de temperatură. Se aleg capacitoare care oferă durate de viață lungi într-o gamă largă de temperatură de operare, fiindcă acestea, la aceeași capacitate și gabarit similar, nu sunt toate la fel de fiabile. Colectarea de informații despre capacitorul electrolitic încorporat, de la producătorul sursei de alimentare, este recomandată pentru a determina dacă sursa este adecvată aplicației.
Transformatoare: Convertesc nivelurile de tensiune și pot asigura izolarea galvanică între circuite. Un transformator proiectat sau fabricat prost duce la fluctuații de tensiune și zgomot, care pot afecta negativ performanța și fiabilitatea sursei de alimentare. Este afectat de umezeală.
Diode: Sunt folosite pentru a controla fluxul de curent într-un circuit. Diodele de calitate scăzută sau prost alese pot cauza supraîncălzirea și deteriorarea sursei de alimentare.
Potențiometre: Sunt folosite la reglaje de nivele de tensiune sau curent accesibile într-un circuit. Sunt afectate de umezeală, vibrații și șocuri. De aceea, după reglaj, se sigilează. Sunt de preferat divizoare cu rezistențe fixe.
Circuite integrate: Sunt utilizate pentru controlul funcționării sursei de alimentare și asigurarea caracteristicilor declarate. Circuitele integrate, alese prost în proiect, se defectează sau au caracteristici schimbate la variația temperaturii, cauzând fluctuații de tensiune și instabilitate, ce duc la scăderea fiabilității.
Ventilatoare: Sunt folosite pentru a răci forțat sursa de alimentare și a preveni supraîncălzirea. Ventilatoarele de calitate scăzută, blocate sau defecte pot duce la o răcire insuficientă, scăderea fiabilității și la defecțiuni premature. Sunt afectate de praful depus pe palete.
Conectori: Sunt utilizați pentru a conecta sursa de alimentare la alte componente dintr-un sistem. Calitatea proastă a contactelor sau conectorii aleși necorespunzător în proiect pot cauza rezistență electrică semnificativă la contacte, căderi de tensiune și întreruperi ale conexiunii, deci scăderea fiabilității. Sunt afectați de umezeală, vibrații și șocuri.

TDK Lambda
Seria DTM300-PW.
Surse de alimentare externe AC-DC 300 W, aprobate Medical și ITE, clasa de siguranță I și II. Îndeplinesc IEC606-1-1-2 Ed4: 2014. Protecții: supratensiune și supracurent. Intrare: 90VAC … 264VAC. Ieșiri: 12V, 19V, 24V, 28V, 48V și 54V. Gamă temperaturilor de operare: -30 … +60°C. Curentul scade liniar la 50% sarcină, de la +40 la +60°C. Eficiență > 88%. Consum fără sarcină < 0,5 W. MTBF: 200.000 h (sarcina 100%, +25°C). Aplicații medicale și industriale.

TDK Lambda
TPF45000-385.
Sursă industrială AC-DC neizolată, 45 kW, utilizată în arhitecturi de putere distribuită (DPA). Intrare: 360 … 528VAC (3-faze). Ieșire controlată: 385VCC, curent de ieșire max. 117A. Protecții diverse. Control de la distanță. Temperatură de operare -10 … +50°C. Eficiență: 98%. Răcire cu 5 ventilatoare, evitând răcirea cu apă. Utilizată ca sursă de înaltă tensiune pentru alimentarea convertoarelor DC-DC izolate în sisteme cu puterea distribuită. MTBF= 105.000 h (la +25°C)

Notă. Fiabilitatea generică (cunoscută și sub denumirea de fiabilitate inerentă) se referă la faptul că, de exemplu, capacitoarele cu film sunt mai fiabile decât capacitoarele electrolitice, conexiunile prin fire sunt mai fiabile decât traseele de cablaj lipite, rezistoarele fixe sunt mai fiabile decât potențiometrele.

Destul de des există un compromis de cost, deoarece componentele mai fiabile pot fi mai scumpe.

Evaluarea experimentală este cea mai utilă modalitate de a prezice rata de eșec. Un număr de unități sunt supuse testului accelerat de viață, la o temperatură ridicată, iar solicitările la sarcină și mediul sunt controlate să fie la extremele admise.

În general, fiabilitatea unei surse de alimentare depinde de design, de calitatea componentelor sale și de procesele de fabricație folosite pentru a o asambla.

Notă. Testarea ”burn-in” (sau ”stresul termic”) este o metodă de testare programată a fiabilității dispozitivelor electronice în condiții extreme admise: temperatură, tensiune de alimentare și sarcină într-un interval de timp prelungit. Scopul este de a identifica posibilele defecte sau probleme de instabilitate ale componentelor sau surselor înainte de livrarea către utilizatorul final.

În timpul testării burn-in, dispozitivele sunt supuse la o temperatură și o tensiune mai mari decât cele normale de funcționare, precum și la sarcini mari în cicluri repetate de creștere/descreștere. Acest proces poate dura de la câteva ore până la câteva săptămâni, în funcție de specificațiile și nevoile de testare.

Testarea burn-in poate identifica probleme, cum ar fi defecțiuni ale capacitoarelor și alte componente electronice, probleme de răcire, tensiuni instabile, limitări de putere prin instabilitate termică și altele. Metoda este costisitoare, dar ajută la eliminarea problemelor de fiabilitate. Produsul este de încredere la utilizator, ceea ce justifică prețul.

Notă. Fără energie nu merge nimic
Putem spune că sursa de alimentare cu putere este o componentă critică a unui sistem de control industrial, deoarece toate celelalte componente depind de ea pentru a funcționa. Un sistem de control industrial este o combinație complexă de componente interdependente, inclusiv senzori, controlere, acționări, interfețe de utilizator, software și altele. Fiecare componentă are un rol specific și contribuie la funcționarea corectă și eficientă a sistemului, cât și la fiabilitatea sistemului în ansamblu. Dar, fără energie electrică, un sistem de control industrial nu poate funcționa deloc. În acest sens, o sursă de alimentare cu putere este esențială pentru a furniza energia electrică necesară pentru a alimenta toate componentele sistemului, inclusiv senzorii, controlerele, acționările și interfețele de utilizator.

TDK − Ghid de selecție a surselor de alimentare

 

TDK este un furnizor global și lider recunoscut al produselor de conversie a puterii potrivite pentru multe aplicații: industriale și energetice, medicale și asistență medicală, testare, măsurare, semifabricate.
TDK-Lambda a beneficiat de expertiza TDK recunoscută în materiale magnetice și capacitoare, prin dezvoltarea în comun a componentelor avansate ce au îmbunătățit eficiența și performanța produselor de alimentare.

Referințe:
Understanding MTBF and Reliability – An Introduction (relyence.com)
Reliability Considerations for Power Supplies | CUI Inc
Microsoft Word – Product Reliability and MTBF_final.docx (automationdirect.com)
Power Supplies | Products | TDK Product Center
https://blog.uk.tdk-lambda.com/uk/2017/01/18/how-to-improve-power-supply-mtbf-and-reliability/

Autor:


Constantin Savu

Director General – Ecas Electro


ECAS Electro   |   www.ecas.ro
ECAS Electro este distribuitor al produselor TDK

Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro

S-ar putea să vă placă și

Adaugă un comentariu