Datenblatt versus Anwendungen – von den Tücken der Produktentwicklung

Die Idee für ein Produkt ist geboren und die ersten Prototypen aus der Entwicklungsabteilung funktionieren einwandfrei. Was jedoch noch fehlt, sind Langzeiterfahrungen. Denn nichts ist schlimmer als Feldrückläufe, die sich erst nach Monaten oder sogar Jahren häufen. Aus diesem Grund werden in vielen Industrien, wie beispielsweise der Automobilindustrie, Alterungstests durchgeführt. Diese Tests sollen einen Lebenszyklus simulieren, ohne dass man mit der Produkteinführung Jahre warten muss.

Ein wichtiger Aspekt für viele Elektrogeräte ist die funktionale Sicherheit in Bezug auf die elektrische Isolation. Zahlreiche Werkstoffe tragen in größeren elektrischen Geräten oder Anlagen gemeinsam zu dieser Sicherheit bei. Eine der gängigsten Methoden, das Zusammenspiel von einzelnen Materialien beschleunigt zu testen, ist der Wärmealterungstest. Normen wie UL 1446, aber auch IEC 60505 und IEC 60085, beschreiben Verfahren und Beurteilungsmethoden, wie man Elektroisoliersysteme durch systematische Verfahren beschleunigt altern lassen kann.

Ein erster wichtiger Punkt, der zu beachten ist, sind die Prüfbedingungen, mit denen in der Norm geprüft wird. Um ein Beispiel für die Relevanz dieser Frage zu nennen, kann man die direkte Speisung eines Elektromotors aus dem Drehstromnetz der Betriebsstrom-Speisung über einen Frequenzumrichter gegenüberstellen. Während beim netzbetriebenen Motor als Sonderfall gelegentliche transiente Überspannungsimpulse die Wicklungsisolation beeinflussen können, sind es bei Wechselrichter-Betrieb vor allem die höheren möglichen Spannungsimpulse und steilen Schaltflanken. Viele Basisnormen beziehen sich auf die übliche Netzfrequenz, die mit 50 Hz nur eine geringe Belastung für die Isolation darstellen. Selbst bereits ältere Ergänzungen der Normen mit Betriebsfrequenzen bis 30 kHz sind aus heutiger Sicht unzureichend, denn moderne PWM-Ansteuerungen können erheblich höhere Frequenzen erreichen – mit zum Teil deutlichen Unterschieden im thermischen Alterungsverhalten gegenüber einer 50 Hz-Belastung, einer Frequenz, die in den meisten Normen eingesetzt wird.

Angaben für Isolationsprodukte beziehen sich in Datenblättern meist auf entsprechende Normen. Diese Werte werden unter standardisierten Bedingungen ermittelt und für das Neuprodukt angegeben. Die Angabe von Wärmeklassen beinhaltet zwar auch das Alterungsverhalten unter Grenztemperaturbelastung (Klasse B beispielsweise bei 130°C), aber zahlreiche weitere, das Ergebnis beeinflussende Parameter werden nicht berücksichtigt.

Ein elektrische Baugruppen im Motorraum eines Fahrzeuges ist eine typische „Außenanwendung“, wie auch beispielsweise Ampelsteuerungsschaltkästen oder ein Solarwechselrichter. Alle drei Anwendungen werden klimatisch durch hohe Wärmeeinstrahlung an sonnigen Tagen an einem äquatorialen Standort belastet, sehen aber auch signifikante Kälte in der Nacht oder in weiter nördlich/südlich liegenden Breitengraden. Die Elektronik und die elektrische Isolation werden tagtäglich durch den Tag-Nacht-Zyklus belastet. Hinzu kommen Regen, hohe Luftfeuchtigkeit, gegebenenfalls Vibrationen und natürlich eine hohe Spannungsbelastung bis zu 1.500 VDC. Auch die Wechselwirkung zwischen einzelnen Komponenten (chemische Kompatibilität) und Unterschiede in der Wärmeausdehnung können zu Auswirkungen führen, die erst nach einer längeren Betriebszeit zu Problemen führen können.

Die entsprechenden Normen und Datenblätter können dabei also nur ein Anhalt dafür sein, ob ein Produkt geeignet ist oder nicht. Abhängig von dem zu erwartenden Last- und Anwendungsprofil wird man immer gezwungen sein, die entwicklungs- und produktionsbegleitenden Prüfparameter selbst und neu festzulegen. Erfahrungen aus zurückliegenden Projekten, Rückläufer aus dem Feld und die Erfahrungen mit ähnlich gelagerten (Alterungs-)Tests können dabei helfen, die richtige Auswahl zu treffen. Denn vorrangig muss man diejenigen Testmethoden finden, die am wahrscheinlichsten mögliche spätere Fehlerquellen erkennen helfen.

Wichtigster Hinweis bleibt, dass nahezu immer Datenblattangaben die Werte für das Neuprodukt angeben. Die Isolationsfähigkeit, aber auch Eigenschaften wie die mechanische Stabilität oder Biegewechselbeständigkeit verschlechtern sich über die Zeit und können bei falscher Auslegung den akzeptablen Zustand für einen sicheren Betrieb unterschreiten.

Ziel der beschleunigten Alterung ist also im Prinzip, sicherzustellen, dass innerhalb der erwarteten Produktlebensdauer keine Ausfälle stattfinden, die sich auf die falsche Auswahl der Ausgangsmaterialien zurückführen lassen. Bei zahlreichen Produkten der Elektroindustrie kann man durch die Ergebnisse von Hochtemperaturtests das Verhalten bei normalen Betriebstemperaturen extrapolieren. Allerdings sind diesem Verfahren Grenzen gesetzt. Insbesondere bei stark erhöhten Temperaturen treten andere Alterungsmechanismen auf, die ein verfälschendes Bild erzeugen können. Zudem sind viele Vorgänge weder linear noch durch einfache Gleichungen ersten oder zweiten Grades zu beschreiben. Hinzu kommt, dass unter erhöhter Wärmebelastung andere Einflußfaktoren stärkere Auswirkungen haben wir im vorgesehenen Normalbetrieb. Ein Ausfall im Lebensdauertest also nicht unbedingt einen Rückschluß zulässt auf die zuverlässige Einsatzdauer im Feld.

Als Beispiel: Eine Spule wird zur besseren thermischen Anbindung in ein Gehäuse vergossen. Obwohl der Verguß sehr gut erfolgt (keine Lunker), stellen sich zu einem späteren Zeitpunkt unterschiedliche Fehlerbilder ein.

• Durch Aushärtung und Schrumpf aufgrund Alterung kommt es zum Bruch des ferritischen Spulenträgers oder im Spulendraht
• Versprödung führt zu Rissen in der Vergußmasse, durch die hohe Luftfeuchtigkeit eindringen kann
• Delamination der Vergußmasse vom Metallgehäuse verschlechtert die Wärmeabführung
• Durch die Alterung der Vergußmittel-Oberfläche (Oxydation, Hydrolyse) entsteht zwischen den elektrischen Potentialen der Anschlüsse ein Kriechpfad
• Hohe Feuchtigkeitsbelastung und hohe Temperaturen (z.B. Tropen, Monsunzeit) führen zu einem hydrolytischen Abbau der Isolationsprodukte. In Folge ist die Spannungsfestigkeit reduziert.
• Elektrisch induzierte Phänomene wie elektrochemische Migration bei DC
• Verschlechterung der Isolationsfestigkeit durch chemische Inkompatibilität zwischen Isolationslack auf den Drähten und Vergußmittel

Je nach geplanter Einsatzzeit können diese Fehlerbilder auch erst nach Ende der beabsichtigten Lebensdauer des elektrischen Gerätes auftauchen. Bei langlebigen Produkten, die weltweit verkauft werden sollen, ist die Simulation der Alterung mit ihren vielen unterschiedlichen Einflußmöglichkeiten jedoch schwierig und immer aufwändig.

Um viele aufwendige Untersuchungen zur Materialalterung zu vermeiden, ist es ratsam, frühzeitig das Gespräch mit den Herstellern der verwendeten Materialien zu suchen und nicht ausschließlich auf die Angaben im Datenblatt zu vertrauen. Auch wenn Hersteller nicht sofort alle Schwachstellen ihrer Produkte offenlegen, kann ein konstruktiver Austausch helfen, typische Fehler bei Alterungstests zu vermeiden. Hersteller kennen ihre Produkte oft am besten und können Hinweise geben, wie man realistische Testbedingungen schafft. Dadurch lassen sich überflüssige Testzyklen und teure Nachbesserungen vermeiden. Zusätzlich zur besseren Vorhersage der Produktlebensdauer erhält man wertvolle Informationen über sinnvolle Kontrollen im Wareneingang und bei Stichproben in der Produktion, um die gewünschte Qualität sicherzustellen.