Experimentelle Studie zu Signalsteuerungsprodukten in einer Kältekammer mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck

Niederdruckumgebungen können die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Signalsteuerungsprodukten erheblich beeinträchtigen. Das folgende Beispiel, ein Niederdrucktest eines elektronischen Geräts für die Schienenverkehrssignalisierung, verdeutlicht die entscheidende Rolle von Niederdrucktests bei der Bewertung der Produktzuverlässigkeit.

Anforderungen an die Testausrüstung: Um die Eignung für Niederdruckumgebungen zu überprüfen, wurde ein Niederdrucktest gemäß der Norm GB/T 2423.21-2008 durchgeführt. Der Test wurde in einer nicht standardisierten Niederdruckprüfkammer der Firma Youhuan Instruments durchgeführt (siehe Abbildung unten).

Die Prüfkammer bietet einen stufenlos einstellbaren Luftdruckbereich von 20 kPa bis 101 kPa mit einer Druckabweichung von maximal ±0,5 kPa. Sie ist außerdem mit einem präzisen Temperaturregelungssystem ausgestattet, dessen Temperaturschwankungen weniger als ±2 °C betragen.

Experimentelles Vorgehen:

Phase 1: Bei Raumtemperatur (25 °C) wurde der Luftdruck mit einer Rate von 1 kPa/min von 101 kPa auf 70 kPa reduziert, eine Stunde lang gehalten und anschließend mit derselben Rate wieder auf 101 kPa erhöht. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt. Alle Funktionsparameter des Geräts wurden überwacht und ihre Änderungen aufgezeichnet.

Phase 2: Der Luftdruck wurde 16 Stunden lang konstant bei 54 kPa gehalten, während das Gerät eingeschaltet war. Die funktionellen Leistungsparameter wurden überwacht und ihre Veränderungen aufgezeichnet.

Während der Tests wurden mehrere anormale Parameter des Geräts festgestellt:

In der ersten Testphase, als der Luftdruck auf etwa 70 kPa sank, stieg der Betriebsstrom des Geräts sprunghaft um 10 % an, und auch die Gerätetemperatur erhöhte sich rapide um 5 °C. Die Ausgangssignale einiger empfindlicher Bauteile wurden verzerrt.

In der fünften Stunde der zweiten Testphase kam es zu einem plötzlichen Geräteausfall. Nach dem Neustart funktionierte alles wieder normal, doch nach zehn Stunden trat derselbe Fehler erneut auf. Innerhalb der folgenden sechs Stunden ereigneten sich zwei weitere Abschaltungen. Eine gründliche Untersuchung der defekten Komponenten ergab, dass das Hauptproblem im Leistungsmodul lag.

Anomalieanalyse:

Der ungewöhnliche Stromanstieg in der ersten Testphase wurde durch Teilentladungen der Transformatorzuleitungen unter kritischem Luftdruck verursacht. Während der Entladung zerfällt die Luft und bildet Plasma, wodurch eine große Anzahl hochenergetischer Teilchen entsteht, die auf die Zuleitungen treffen und so den momentanen Kurzschlussstrom erhöhen. Die mit der Entladung einhergehende hohe Temperatur verursachte zudem lokale Überhitzung, während der Abfall des Luftdrucks zu einer dünneren Luftschicht führte und die Wärmeabfuhr beeinträchtigte.

Die Unterbrechung in der zweiten Testphase war auf eine verminderte Zuverlässigkeit der Leistungsregelung zurückzuführen. Durch den anhaltend niedrigen Luftdruck dehnte sich die Leiterplatte aus, was zu Rissen in kleinen Lötstellen führte. Dies verursachte intermittierende und schlechte Verbindungen, verzerrte das Steuersignal und führte zu häufigen, ungewollten Stromausfällen.

Teststruktur und Fehleranalyse:

Durch Niederdrucktests und anschließende Fehleranalysen konnte die Forschungs- und Entwicklungsabteilung Konstruktions- und Fertigungsfehler umgehend identifizieren:

Erstens war die Anordnung der Zuleitungen der Primärwicklung des Leistungstransformators unzweckmäßig, mit einem zu geringen Abstand, was ihn unter Niederdruckbedingungen sehr anfällig für Teilentladungen machte;

Zweitens war die Wärmeabfuhrkapazität des Netzteils unzureichend;

Drittens waren die Maßnahmen zum Schutz der Steuerschaltung vor Feuchtigkeit unzureichend, das Material der Leiterplatte (PCB) wurde falsch ausgewählt, und es bestand die Gefahr eines Auslaufens in der Bauteilverpackung.

Damit sind die experimentellen Untersuchungen zu Tieftemperatur- und Niederdrucksystemen abgeschlossen. UmweltkammerBei Fragen zur Produktprüfung wenden Sie sich bitte an die zuständigen technischen Mitarbeiter von Huanyi Instruments.