Die Degradation von Komponenten ist unvermeidlich, aber Systemausfälle und Schäden für den Benutzer sind es nicht

Schaltungsentwickler - insbesondere diejenigen, die analoge Funktionen wie Sensor-Frontends oder Stromversorgungen implementieren - leben in einer Welt von Komponenten mit Spezifikationen, die sich aufgrund von Zeitablauf (Alterung), aktiver Nutzung, Spannungsschwankungen und Temperaturschwankungen unweigerlich verändern. Folglich müssen Entwickler solche Abweichungen berücksichtigen, damit ihr Endprodukt nach dem Einsatz nicht aus der Reihe tanzt. Zumindest nicht verfrüht.

Die Notwendigkeit eines Schutzes vor Ausfällen bestand natürlich schon vor der Zeit der Elektronik. Die ausfallsichere Eisenbahnbremse von Westinghouse wurde in den späten 1800er Jahren entwickelt und wird noch heute verwendet. Bei dieser Architektur ist Druckluft erforderlich, um die Bremsen zu lösen. Wenn der Kompressor, der Druckluftspeicher oder die Luftschläuche in irgendeiner Weise ausfallen, greifen die Bremsen und lösen sich nicht.

Für die Elektronik gelten die gleichen Grundsätze: Wir entwerfen, um das Risiko eines Ausfalls sowie den Schaden im Falle eines Ausfalls zu minimieren. Der Clou: Neben ausfallsicheren Maßnahmen arbeiten wir auch an der Selbstheilung.

Verhinderung von Ausfällen

Es gibt mehrere Standardmethoden, um zu verhindern, dass Degradation zu einem Problem wird; sie können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden:

1: Wählen Sie Komponenten mit ausreichend engen Spezifikationen für die kritischen Parameter in Bezug auf Drifts aufgrund von Alterung, Temperaturänderungen und Verschiebungen der Betriebspunkte. Dies ist in der Regel ein relativ kostspieliger Ansatz. Teile mit ausreichend engen Spezifikationen werden möglicherweise nicht angeboten, und selbst wenn sie angeboten werden, kann ihre Verfügbarkeit begrenzt sein.

2: Führen Sie regelmäßig ein Kalibrierungsverfahren durch, während das Produkt in Gebrauch ist. Dazu ist mindestens ein „goldenes“ Bauteil erforderlich, z. B. eine Spannungsreferenz, die über Zeit und Temperatur hinweg eine hohe Stabilität aufweist. Diese Komponente kann als Standard für das Kalibrierungsverfahren verwendet werden. Auch dieses hochwertige Bauteil kann kostspielig oder nur begrenzt verfügbar sein. Außerdem müssen die gesamte Systemarchitektur und die Software zusätzliche Kalibrierungsschaltungen enthalten, wie z. B. einen hochauflösenden Analog/Digital-Wandler (ADC) und die entsprechende Kalibrierungssoftware.

3: Verwenden Sie eine Architektur oder Topologie, bei der sich viele Fehler selbst ausgleichen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, sind Differenzschaltungen, bei denen Änderungen in beiden „Zweigen“ eines analogen Front-Ends (AFE) einander folgen, so dass die Differenz recht gering ist. Dies ist besonders attraktiv, wenn die Eingangswiderstände eines Verstärkers auf demselben Chip platziert werden können, wie z. B. beim Differenzverstärker INA133UA von Texas Instruments und R1 und R3 (Abbildung 1).

Abbildung 1: Um eine optimale Leistung zu erzielen, sind die Eingangswiderstände für den Differenzverstärker INA133UA auf dem Chip angeordnet, so dass sie sich bei Temperaturschwankungen und anderer Betriebsbedingungen ausgleichen. (Bildquelle: Texas Instruments)

In diesem Beispiel sind die internen Widerstände im besten Fall um ±3 Ohm (Ω) verzerrt, was einer Abweichung von ±0,012 % von ihrem Nennwert von 25 kΩ entspricht; in der Tat könnten sie in der Produktion nur ±15 % genau sein. Eine Abweichung von ±0,012 % scheint zwar recht gering zu sein, liegt aber an der Grenze dessen, was für die erforderliche Leistungsgenauigkeit akzeptabel ist, und die Ungenauigkeit von ±15 % im schlimmsten Fall bringt die Leistung weit außerhalb der Entwurfsgrenze. Der wichtigere Faktor ist jedoch, dass sich die beiden Widerstände bei Temperatur- und anderen Betriebsschwankungen nahezu identisch verhalten und ihr Differenzverhältnis unverändert bleibt, was zu einer hochgenauen Schaltung führt.

In ähnlicher Weise verwendet die klassische Wheatstone-Brücke eine ratiometrische Eingangs-/Ausgangsbeziehung, bei der das Verhältnis der Komponenten und nicht ihre absoluten Werte wichtig sind (Abbildung 2). Es ist viel einfacher, eine genaue und konsistente Leistung aufrechtzuerhalten, wenn man solche Verhältnisbeziehungen verwendet.

Abbildung 2: Die bekannte Wheatstone-Brücke verwendet das Verhältnis ihrer Widerstandsarme zur Messung und Nullstellung von Signalen anstelle von absoluten Widerstandswerten; die Verhältnisse sind relativ unabhängig von unerwünschten Verschiebungen. (Bildquelle: PEIO.org)

Wenn gute Komponenten kaputt gehen: Ausfallsicherheit und Selbstheilung

Komponenten, die aus der Spezifikation fallen oder altern, sind nur eine Kategorie von Problemen. Ein weiteres Problem ergibt sich, wenn ein Bauteil bis zum Teilversagen beansprucht wird oder aufgrund eines Herstellungsfehlers einen inneren Fehler entwickelt.

In den meisten Fällen ist dies ein Problem, für das es keine einfache Lösung gibt. Bei unternehmenskritischen Anwendungen oder Anwendungen mit gefährlichen Spannungen muss der Konstrukteur die Auswirkungen potenzieller Ausfälle berücksichtigen und überlegen, wie diese gemildert werden können oder wie eine zusätzliche Schutzschicht geschaffen werden kann (diese sind oft durch gesetzliche Normen definiert).

Bei netzgespeister medizinischer Elektronik können beispielsweise Trenntransformatoren erforderlich sein, um zu verhindern, dass selbst kleinste Ströme zur Erde fließen, wenn ein internes Bauteil oder eine Isolierung defekt ist. Auch bei netzbetriebenen (nicht batteriebetriebenen) Elektrowerkzeugen werden heute Gehäuse verwendet, die doppelt isoliert sind und keine leitenden Teile aufweisen, die der Benutzer berühren könnte. Auf diese Weise kann selbst bei einem Kurzschluss eines internen Hochspannungskabels mit dem Gehäuse kein gefährlicher Strom zum Benutzer (und durch ihn hindurch) fließen, selbst wenn im Netzkabel kein Schutzerdungskabel vorhanden ist.

In anderen Fällen können Entwickler Komponenten wie Kondensatoren auswählen, die so ausgelegt sind, dass sie sich nach einem Teilausfall wieder erholen oder zumindest unbedenklich abbauen. Beispielsweise heilen sich metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren wie der 5MPA2475E von Electronic Concepts Inc. nach einem Fehler im Dielektrikum, der durch hohe Überlast oder Spannungsspitzen entsteht, selbst (Abbildung 3).

Abbildung 3: Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren wie der 5MPA2475E können lokale Fehler (Kurzschlüsse), die durch Überspannungen oder Spannungstransienten entstehen können, selbst heilen. (Bildquelle: Electronic Concepts Inc.)

Wenn die Isolierung bricht, bildet sich an der Durchbruchstelle ein kurzzeitiger, stark lokalisierter Lichtbogen (Abbildung 4.1). Die durch diesen Lichtbogen erzeugte starke Hitze lässt die Metallisierung in der Nähe des Lichtbogens verdampfen (Abbildung 4.2), gleichzeitig werden die Elektroden neu isoliert und der Betrieb und die Integrität des Kondensators aufrechterhalten (Abbildung 4.3).

Abbildung 4: Der Selbstheilungsprozess wird eingeleitet, wenn sich an der Durchschlagsstelle (1) ein Lichtbogen zwischen der Metallschicht (a) und der Polypropylenfolie (b) bildet; die Metallisierung in diesem Bereich verdampft (2); zurück bleibt eine isolierte Zone, die die Trennung zwischen den Schichten aufrechterhält und die Fortsetzung der Kondensatorfunktion ermöglicht (3). (Bildquelle: Schneider Electric, geändert von Bill Schweber)

Andere Kondensatoren heilen nicht, sondern haben einen so genannten „gutartigen Ausfallmodus“. Selbst im Falle eines Kurzschlusses zeigen Tantal-Polymer-Kondensatoren wie der TCOD106M050R0150E von AVX kein unerwünschtes „transientes thermisches Ereignis“ (Lichtbogenbildung oder starkes Aufflammen), wie es bei vielen Tantal-Kondensatoren mit Magnesiumdioxid-Kathode (MnO₂) möglich ist, was zu Verbrennungen und/oder Bränden führen kann.

Fazit

Entwickler müssen die Auswirkungen eines vollständigen oder teilweisen Versagens auf die Leistung im Zusammenhang mit der Anwendung des Produkts berücksichtigen. Während eine ausgefallene Komponente des Stromversorgungssystems in einem Smartphone weder den Benutzer noch das System gefährdet, kann ein Kurzschluss in einer netzbetriebenen Stromversorgung dies leicht tun. Deshalb verfügen fast alle derartigen Netzteile über Komponenten zum Schutz gegen Überstrom und Überspannung, Kurzschlüsse an der Last und sogar thermische Abschaltungen bei Übertemperatur.

Im Idealfall oder vielleicht in einer zukünftigen Welt würden Komponenten, die versagen, beginnen, sich selbst zu heilen, so wie die menschliche Haut, die Knochen und andere Organe in vielen Fällen beginnen, sich selbst zu reparieren, solange der Schaden gering ist. Derzeit ist eine Annäherung an die Selbstheilung nur durch komplizierte Systeme auf Systemebene möglich, z. B. durch redundante Schaltkreise mit einer Art automatischer oder manueller Umschaltvorrichtung.

Die Entwicklung selbstheilender Drähte, passiver und sogar aktiver Schaltkreiselemente ist jedoch eine Herausforderung, der sich viele Universitätsforscher stellen (siehe Referenzen). Wer weiß, vielleicht werden eines Tages einzelne Komponenten Selbstheilungsmodi als Standardbestandteil ihrer Konstruktion und ihres Betriebs initiieren?

Empfohlene Lektüre

1: „Grundlagen zu Polymer- und Hybrid-Kondensatoren“

https://www.digikey.de/de/articles/understanding-polymer-and-hybrid-capacitors

2: „Für Maker und Ingenieure: Wissenswertes zu Instrumentenverstärkern zur exakten Erfassung von IoT-Daten“

https://www.digikey.de/de/articles/makers-engineers-get-to-know-instrumentation-amplifier-accurate-iot-data-capture

3: „Sensoren und ihre korrekte Aufbereitung: Teil 1 - Piezoresistive Brückensensoren“

https://www.digikey.de/de/articles/sensors-and-their-proper-conditioning-part-1---piezoresistive-bridge-sensors

Externe Referenzen

• Texas Instruments, „Differenzverstärker - Die Notwendigkeit gut angepasster Widerstände“
• European Passive Components Institute, „Wenn gutartig besser ist: Ausfallsichere Kondensatortechnologie“
• European Passive Components Institute, „Die Selbstheilungseigenschaften von metallisierten Folienkondensatoren“
• AVX, „Technische Zusammenfassung und Anwendungsrichtlinien“
• AVX, „Austauschbarkeit von MLCCs und Tantalkondensatoren“
• AVX, „Kondensatoren mit leitfähigem Polymer - Grundlegende Richtlinien“
• Kemet Electronics Corporation, „Neue Verfahren zur Zuverlässigkeitsbewertung von Tantal-Polymer-Kondensatoren“
• Kemet Electronics Corporation, „Bewertung von Polymer-Gegenelektroden-Tantalkondensatoren für hochzuverlässige Luftfahrzeuganwendungen“
• Vishay, „Kondensatoren mit leitfähigem Polymer: Häufig gestellte Fragen (FAQs)“
• Schneider Electric, „Was bedeutet Selbstheilung bei Kondensatoren?“
• Electronic Concepts, Inc, „Der Selbstheilungseffekt von metallisierten Kondensatoren“
• University of Texas, „Neues „selbstheilendes“ Gel macht Elektronik flexibler“
• Tech Briefs, „Wissenschaftler erfinden selbstheilende Batterieelektrode“
• Tech Briefs, Selbstheilende Drahtisolierung