Tápegységek élettartam- és megbízhatósági vizsgálata

A ledvilágítás egyik fő ígérete a piac számára – a magas fényhatásfok mellett – a hosszú élettartam. Ez azonban nemcsak magának a ledchip-nek a tulajdonságaitól függ, hanem jelentősen befolyásolja a tápegység élettartama és megbízhatósága is. A cikk ez utóbbit elemzi, különös tekintettel az egyik leggyakoribb hibaforrásra, az elektrolitkondenzátor megbízhatóságára fókuszálva.

2008-ban a MEAN WELL hivatalosan kiadta az első ledtápegységet – a CLG-150 sorozatot –, és belépett a nagy lehetőségekkel kecsegtető ledpiacba. A napjainkig eladott, ledekkel kapcsolatos termékek eladási mennyisége gyakorlatilag megszámlálhatatlan. Különleges lehetőségként a MEAN WELL több darabot kapott a 2008-ban gyártott CLG-150 termékekből. Ezeken részletes vizsgálatot és elemzést végeztek, amelynek eredményét az alábbiakban osztjuk meg az olvasóval.

1. ábra  A „fürdőkád-diagram”

Az egy termékben felhasznált alkatrészek száma tíz és száz közé tehető, az energiaellátás teljesítményétől és topológiájától függően. Az alkatrészeket szükség szerint tervezik be egy-egy modellbe. A lediparág know-how-ja kapcsán az a kérdés, hogy a gyártó hogyan biztosítsa termékei pontos élettartamát, és hogyan értékelje azok megbízhatóságát. Az élettartam értékelését alapvetően a kritikus komponensek határozzák meg (pl.: a ventilátor, az elektrolitkondenzátorok stb.). A termékek élettartamának pontos megállapítása és a minőségbiztosítás érdekében a MEAN WELL termékeinek élettartam-értékeléséhez számos vizsgálatot kell elvégezni, úgymint a folyamatos megbízhatósági teszt (Ongoing Reliability Test – ORT), a demonstrált átlagos idő két meghibásodás között (Demonstrated Mean Time Between Failures – DMTBF), a hősokk stb.
Ez a cikk elsősorban az elektrolitkondenzátorok élettartam-ellenőrzésének és értékelésének tárgyalására fókuszál. Az alumínium-elektrolitkondenzátor működését erősen befolyásolhatják a működési feltételek (pl. a hőmérséklet vagy a terhelés). Hosszú idejű üzemeltetés után a kapacitás csökken, és a disszipációs tényező (tan δ) növekszik, amely végül is befolyásolja az élettartamot. Ezt a jelenséget diffúziós hatásnak nevezzük, amely azt jelenti, hogy az elektrolit diffúzió útján jut el a tömítőanyaghoz, majd a külső felületre szivárog. Általában az alumínium-elektrolitkondenzátor élettartama Arrheniusnak a kémiai diffúzió reakciósebességét leíró törvényét alkalmazva értékelhető. Az elektrolit egy bizonyos üzemidő elteltével kiszárad, ami csökkenti a kapacitást és növeli az ESR-t. Ennek sebességét a hőmérséklet befolyásolja: ha a környezeti hőmérséklet 10 °C-kal emelkedik, az élettartam a felére csökken. Ezzel szemben, ha a hőmérséklet 10 °C-kal csökken, az élettartam megduplázódhat.
Az élettartam és a meghibásodási arány közötti összefüggés az 1. ábrán látható módon ábrázolható (ez az ún. „bathtub diagram” [fürdőkád-görbe] jellegzetes alakjáról kapta a nevét, és ábrázolása igen elterjedt a megbízhatóság elemzésében – A szerk. megj.).

A „fürdőkád-görbe” szakaszai

• A kezdeti meghibásodások időszaka

  Annak érdekében, hogy elkerülje a kezdeti meghibásodások időszakában keletkező rendellenességeket, a MEAN WELL gyárban a beépített alkatrészeket azok 100%-ára kiterjedő „égetési teszttel” szűrik. Ennek eredményeképpen az értékesített tápegységek legtöbbje már az eladásakor a véletlen meghibásodások időszakában van.

• A véletlen meghibásodások időszaka

  A tápegységek stabilitását és megbízhatóságát az MTBF (két meghibásodás között átlagosan eltelt idő) fejezi ki. A meghibásodási arány ebben az időszakban meglehetősen alacsony, és a meghibásodás mértékét, gyakoriságát a felhasználó telepítése, a tápegység működési körülményei (a környezeti hőmérséklet, a való névleges terhelés aránya, a légáram, a rezgés stb.) határozzák meg.

• Az elhasználódási meghibásodások időszaka

  A véletlen meghibásodási időszak után a termékek belépnek az elhasználódási meghibásodások időszakába, amelynek során a legtöbb hiba az alkatrészek (pl:. ventilátor, elektrolitkondenzátor) öregedésével kapcsolatos.

2. ábra  Balra: Az élettartam és a terhelés a környezeti hőmérséklet függvényében. Jobbra: Az élettartam a tok külső hőmérséklete függvényében

Kapcsolat az élettartam, valamint a terhelés és a hőmérséklet között

Az 1. ábrán látott, és a továbbiakban részletesebben tárgyalásra kerülő „fürdőkád-diagram” szerint a véletlenszerű működési zavarok a felhasználó telepítési és alkalmazási körülményeivel (pl.: a környezeti hőmérséklet, az üzemi igénybevétel és a megengedett maximális terhelés aránya, a szellőzés, a szabálytalan használat stb.) függnek össze. Egyéb külső tényezőktől eltekintve a következő gondolatmenet csak a környezeti vagy tokhőmérséklet, a terhelés állapota és az élettartam közötti összefüggésre összpontosít.
A MEAN WELL a termék élettartamának ellenőrzéséhez egy közismert elektrolitkondenzátor-gyártó vizsgálati módszerét használja fel. Például a CLG-150 sorozat teljesen kiöntött termék, amelynek kimeneti kondenzátorát egy jónevű japán gyártó 10 000 órás élettartamú, maximum 105% üzemi hőmérsékletű elektrolitkondenzátorával valósították meg. Az élettartamot a terhelés és a hőmérséklet függvényében az alábbiakban ismertetjük.

1. A használati idő, a terhelés és a környezeti hőmérséklet közötti kapcsolat (2. ábra, bal oldali diagram)

   Az élettartam és a terhelés közötti kapcsolatot tekintve, ha a környezeti hőmérséklet 55 °C, és a terhelés a névleges érték 100 °C-áig kihasznált, az élettartam körülbelül 35 ezer óra, ha viszont a terhelés 75%-ra csökken, az élettartam 1,6-szor hosszabb lehet.

   Az élettartam és a környezeti hőmérséklet közötti kapcsolatban, amikor a terhelés 75%-os és a környezeti hőmérséklet 55 °C, az élettartam kb. 57 ezer óra, ha azonban a környezeti hőmérsékletet 45%-ra csökkentjük, az élettartam megduplázódik (114 ezer óra).

2. Az élettartam és a tok hőmérséklete közötti kapcsolat (2. ábra, jobb oldali diagram)

   A kiöntött tokozatú modell kondenzátorának belső hőmérséklete nem könnyen mérhető, ezért helyette a külső ház hőmérsékletét használjuk. Ha a tok hőmérséklete 55 °C alatt van, akkor az élettartam körülbelül 100 ezer óra, ha azonban a tok hőmérséklete 70 °C-ra emelkedik, az élettartam 35 ezer órára csökken.

1. táblázat

Az elektromos minőségi jellemzők és a megbízhatóság elemzése

A CLG-150 értékesítésétől a vizsgálatáig 10 év telt el. (A vizsgált példányokat 2008-ban gyártották és közvilágítási célra használták.) Az elektromos jellemző adatok vizsgálati eredményeit az 1. táblázat, a tápegység minőségkritikus elektrolitkondenzátoraira vonatkozó megbízhatósági adatokat pedig a 2. táblázat mutatja.

2. táblázat

Összefoglalás

A MEAN WELL tervezésének és alkatrészválasztásának legfontosabb szempontja a hosszú távú megbízhatóság. A jelenleg érvényes megbízhatósági teszttel (hőmérséklet-emelkedés, ORT-beégés, hőguta, rezgés, sópermet, stb.), továbbá a 10 évig használt termékek értékelésével (elektromos teljesítmény, szigetelés, élettartam, stb.) bebizonyosodott, hogy a belső teszt megbízható, a termék pedig kiváló minőségű. Kulcsfontosságú tényező a nagy hatásfokú kialakítás elfogadása és a kiváló minőségű elektrolitkondenzátorok választása a ledmeghajtó megbízhatóságának és élettartamának biztosítása érdekében, nem is szólva arról, hogy a teljes világítótest hosszú élettartamának az egyik fő feltétele egy megbízható ledmeghajtó kiválasztása.
A MEAN WELL továbbra is fenntartja a teljes minőségbiztosításra és az ügyfél elégedettségére törekvő üzletpolitikáját, hogy kiváló ügyfélszolgálatával a legjobb költség-minőség arányt biztosító termékeket bocsásson ügyfelei rendelkezésére.
Az élettartam értékelését és a jótállási nyilatkozatot a MEAN WELL hivatalos weboldalán (www.meanwell.com) találják az érdeklődők. A MEAN WELL termékek hivatalos magyarországi disztribútora több mint 20 éve az Atys-co Kft.

Szerzők: Sanford Su (minőségbiztosítás), Aries Jian (kutatás-fejlesztés) – Mean Well Electronics Co., Ltd.

ATYS-CO Kft.
1107 Budapest, Fertő utca 14.
Tel.: +36 1 433 0444
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.tapegysegaruhaz.hu