Vývoj elektroniky, která funguje přes 25 let
Autor: Conrad tým, 24. říjen 2019
V současné době moderní zařízení ze segmentu spotřební nebo domácí elektroniky často přestávají fungovat těsně po ukončení záruky, která bývá maximálně 2 roky, pokud ji výrobce neprodlouží v rámci marketingové akce. Jedná se o běžný obchodní model, který má za cíl přimět uživatele k pravidelné obměně spotřebičů. Existují však odvětví, kde zákazníci očekávají, a dokonce i požadují, delší životnost a velmi nízkou poruchovost elektronických zařízení. Některá musí vydržet až pro běžného člověka neuvěřitelných 25 let, a to i ve velice náročném prostředí. Každá porucha nebo drobný výpadek služby je patřičně penalizován. V případě systematické poruchovosti více produktů v rámci větší instalace se jedná o hotovou pohromu, která v minulosti položila nejednu vývojovou firmu. Jedná se zejména o odvětví železniční, letecké nebo vesmírné dopravy, kritické průmyslové automatizace (velké výrobní závody, slévárny, …), elektroenergetiky (zejména jaderné) a další odvětví, kde chyba elektroniky může způsobit obrovské finanční ztráty nebo dokonce ohrozit lidské životy.
Pomůže redundance a preventivní výměna
Nepřetržitý bezporuchový provoz se často řeší redundancí, kdy v případě poruchy hlavního systému přebírá okamžitou kontrolu záložní systém, čímž je zajištěn čas na výměnu/opravu hlavního systému. Preventivní výměna před ukončením životnosti je dalším možným opatřením. Jsou ale situace, kde ani to nepomůže. Jedná se hlavně o místa, kde je častá výměna extrémně nákladná nebo až nerealizovatelná. Jako příklad můžeme uvést zařízení instalovaná na mostech, v tunelech, pod hladinou vody/moře, v radioaktivním prostředí, ve vesmíru, … V konkurenčním prostředí se často setkáváte s nabídkami, kde hraje prodloužená životnost zařízení velkou roli. Zákazník tak chce ušetřit peníze a čas (tedy opět peníze) potřebný pro případnou opravu. Jak se však takto spolehlivá zařízení vyvíjí?
Zdroj obrázku: Siemens foto
Jak na to?
Většina firem, které se zabývají vývojem podobných zařízení, si své know-how přísně chrání, což je pochopitelné. Existují ale základní principy, o které se s vámi rád podělím. Základem je používání kvalitních, prověřených komponentů od spolehlivých výrobců. Levným komponentům od neznámých asijských výrobců, kde se jenom stěží dá uvěřit informacím na datasheetu, doporučujeme se obloukem vyhnout. Určitě nechcete být za několik let ve sporu s výrobcem, který už dávno zkrachoval, a vymáhat finanční náhradu za nepřesnosti ve specifikaci uvedené v datasheetu. Tady to ale nekončí! Použití kvalitních komponentů, kterých najdete mnoho i v e-shopu Conrad, je pouze začátek cesty.
Zdroj obrázku: https://www.analog.com
Klimatické podmínky
Dalším krokem je výběr komponent s teplotním rozsahem s rezervou přesahující očekávané provozní podmínky. Standardní teplotní rozsah se pohybuje -40 °C až +85 °C, případně i ve větším teplotním rozmezí. Nejdůležitější je ale poctivý a detailní návrh, který zabezpečí, že žádná z komponent nepřekročí datasheetem stanovený teplotní rozsah, včetně případného deratingu.
V úvahu se bere také oteplení způsobené komponentami v okolí, krytem zařízení, sluncem, vedlejšími zařízeními a teplem vygenerovaným zařízením samotným. Začíná se jednoduchým odhadem, pokračuje přesnější simulací a ověřuje se detailním měřením v klimatické komoře teplotními senzory nebo termokamerou. Do úvahy se berou nejnáročnější podmínky, zejména limitní vstupní napětí, maximální výkon, nejhorší okolní podmínky. Velmi důležitá je i zkouška vlhkosti, třeba projetí rosného bodu, kde zejména BGA pouzdra nebo vysokoimpedanční obvody mívají problémy, když je přes ně kapička vody.
Zdroj obrázku: Siemens foto
Mechanické podmínky
Zejména zařízení pro oblast přepravy (železnice, letectví, vesmírný nebo automobilový průmysl) mají velké nároky na odolnost vůči otřesům. U těžších a větších komponentů je kladen důraz na to, aby těžiště bylo umístěno nízko (blízko u PCB); jedná se například o transformátory, chladiče atd. Rozměrnější PCB jsou vícenásobně uchycené ke krytu, zejména v okolí těžších komponentů. Opět se začíná hrubým odhadem, pokračuje simulací a ověřuje testem na vibrační stolici.
Zdroj obrázku: Siemens foto
Vnější vlivy
Kromě klimatických a mechanických vlivů se jedná zejména o přepětí a radiaci. Přepětí se generuje například indukovaným napětím do vnějších kabelů, elektrostatickým výbojem přímo do zařízení nebo vysokofrekvenčním rušením. Tyto vnější vlivy se ověřují testem elektromagnetické kompatibility (EMC). Indukované napětí se simuluje Surge/Burst testem, elektrostatický výboj ESD testem, vysokofrekvenční rušení testem VF odolnosti a maximálním povoleným vyzařováním. Za zmínku stojí design, který je tolerantní k přepětí zdroje i v případě jeho poruchy, výpadku (voltage dips) nebo přepólování.
Zdroj obrázku: https://product.tdk.com
Stárnutí
Kromě MTBF (Mean Time Between Failure), který je daný součtem MTBF všech komponentů v zařízení, je obzvlášť důležité nepodcenit životnost (Lifetime) zařízení. Lifetime zařízení je daný životností „nejslabší“ komponenty v zařízení. Životnost 25 let požadovaná zákazníkem často nedovolí použití například elektrolytických kondenzátorů, zejména u vyšších provozních teplot, žárovek nebo kritických elektromechanických komponentů.
Zdroj obrázku: http://www.kemet.com
