Leitfaden für das Design eigensicherer Systeme
Einführung
Eigensicherheit ist ein Konstruktionsprinzip für Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, insbesondere dort, wo brennbare Gase oder Stäube vorhanden sein können. Solche Geräte dürfen weder im Normalbetrieb noch im Fehlerfall Energie freisetzen, die brennbare Materialien entzünden könnte. Dies umfasst sowohl elektrische Energie an freiliegenden Anschlüssen, die einen Funken verursachen könnte, als auch thermische Energie durch die Erwärmung von Bauteilen.
Besonders der letzte Punkt erfordert Aufmerksamkeit: Es darf keinen Gerätezustand geben, der eine Entzündung verursacht. Dies erhöht die Anforderungen an das Design erheblich – Fehlerzustände müssen als integraler Bestandteil des Entwicklungsprozesses betrachtet werden.
Bei der Analyse eines komplexen Systems kann eine nahezu unendliche Anzahl von Fehlerzuständen auftreten. Wie lässt sich also eine Situation beherrschen, die aus einer nahezu unendlichen Anzahl von Möglichkeiten resultieren könnte?
Isolieren und beherrschen
Ein Schlüsselkonzept zur Bewältigung von Fehlerzuständen besteht darin, jeden Teil des Systems als diskret verwalteten Unterabschnitt zu definieren, sogenannte Inseln. Verbindungen zwischen diesen Inseln werden mit klar definierten Energiegrenzwerten implementiert, wodurch das System in handhabbare Einheiten unterteilt wird. Jede Insel ist über energiebegrenzende Mechanismen verbunden, wie z. B. Strombegrenzer (Widerstände, Sicherungen) oder spannungsbegrenzende Bauteile (Shunts), die den Energiefluss streng limitieren.
Diese Strategie erleichtert die Fehlerbewertung erheblich, da die maximale Energie in jedem Stromkreis leicht anhand der definierten Entitätsparameter bestimmt werden kann – also der festgelegten Grenzwerte für Ein- und Ausgangsparameter an den Schnittstellen. Die Bewertung wird dadurch wesentlich einfacher, da kein Bauteil einer höheren Belastung ausgesetzt wird, als es die Entitätsparameter der jeweiligen Insel zulassen.
Thermische Sicherheit bei Fehlern
Bei der thermischen Bewertung jedes Systemteils wird die im Fehlerfall maximal auftretende Energie zugrunde gelegt. Ein Ansatz besteht darin, anzunehmen, dass die gesamte in eine Insel eingespeiste Leistung auf ein einziges Bauteil einwirkt, was den ungünstigsten Fall darstellt.
Wenn nachgewiesen werden kann, dass alle Komponenten innerhalb der Insel unter diesem Worst-Case-Szenario ihre thermischen Grenzwerte einhalten, ist dieser Systemabschnitt nachweislich konform.
Bei falscher Herangehensweise kann dies zu unangemessen hohen Anforderungen an die Bauteile führen – es ist daher wichtig, genau zu wissen, welche Parameter bei der Bewertung der einzelnen Komponenten am besten anzuwenden sind.
Ein wichtiger Unterschied ist hierbei, dass das Bauteil diese Worst-Case-Last nicht im regulären Betrieb bewältigen muss, da es sich um die Leistungsgrenze handelt, die nur unter Fehlerbedingungen auftreten kann. In dieser Situation ist das Gerät bereits ausgefallen. Entscheidend ist, dass der Temperaturanstieg des Bauteils bei dieser Leistungsaufnahme den in der Norm definierten maximalen Temperaturgrenzwert nicht überschreitet.
Begrenzung der verfügbaren Energie – Minimierung von Funkengefahren
Neben den Anforderungen an thermische Grenzwerte muss bei Vorhandensein brennbarer Gase auch die Möglichkeit einer Entzündung durch Funkenbildung berücksichtigt werden.
Dies hat Auswirkungen auf Energiespeicher wie Kondensatoren und Induktivitäten. Tabellen dokumentieren die Maximalwerte für energiespeichernde Komponenten in Abhängigkeit von der maximalen Betriebsspannung. Da diese Werte mit steigender Spannung schnell abnehmen, bietet der Betrieb mit der niedrigstmöglichen Spannung einen größeren Gestaltungsspielraum.
Komponentenauswahl
Die Auswahl der Komponenten ist ein entscheidender Teil des Eigensicherheitsdesigns, insbesondere die Kenntnis der Fehlermodi. Komponenten, deren Fehlermodi nicht genau definiert und vorhersehbar sind, erfordern häufig direkte Tests. Im Folgenden werden einige zusätzliche Überlegungen für einen effektiven Auswahlprozess erörtert, die maßgeblich dazu beitragen, ein Design zu erstellen, das den Zulassungsprozess besteht und die laufende Fertigung erleichtert.
Toleranzen = Spielraum
Die Spezifikation von Bauteilen mit engeren Toleranzen, sofern wirtschaftlich vertretbar, kann dem Entwickler ein kleines, aber nützliches Maß an zusätzlichem Spielraum verschaffen. Fehlerberechnungen basieren auf den ungünstigsten Grenzwerten, die gleichzeitig angewendet werden – wie Versorgungsspannung, minimaler Widerstandswert usw. Wenn man die Toleranzen an ihrem ungünstigsten Limit ansetzt, kann die Einhaltung des niedrigsten wirtschaftlich sinnvollen Toleranzwerts einen lohnenden Spielraum bieten. Beispielsweise führen ein Netzteil und ein Widerstand mit jeweils 5 % Toleranz bei den Parametern zu einer um 12 % höheren Verlustleistung im Worst-Case-Szenario im Vergleich zu einer Auslegung mit 1 %. In der Praxis ist die niedrigste „kostengünstige“ Toleranz meist die bessere Wahl – 1 % ist gegenüber 5 % sehr vorteilhaft, während 0,1 % Toleranz nur eine geringfügige Verbesserung der Eigenschaften bewirkt. Auf diesem Niveau kann zudem die Verfügbarkeit von Ersatzkomponenten ein Problem darstellen.
Verwenden Sie keine „Spezialbauteile“
Ein weiterer wichtiger Punkt für das laufende Produktionsmanagement ist die Vermeidung von Spezialbauteilen, wo immer dies möglich ist. Die Spezifikation von Werten, die deutlich von den Nennwerten einer generischen Bauteilklasse abweichen, mag während der ersten Designphase als gute Lösung erscheinen. Bauteile mit wenigen Äquivalenten können jedoch unnötige Kosten für die zukünftige Produktion verursachen – eine Änderung der Stückliste (BoM) erfordert die erneute Einreichung der Designdokumente, da für die neuen Komponenten zusätzliche Zulassungsverfahren erforderlich sein können. Im Falle einer Überarbeitung des Schaltplans oder der Leiterplatte müssen diese Dokumente ebenfalls erneut zur Genehmigung eingereicht werden. Diese Prozesse verursachen zusätzliche Kosten und Produktionsverzögerungen, die durch die Verwendung generischer oder gängiger Bauteile weitgehend vermieden werden könnten.
Nicht überdimensionieren
Ein wichtiger Punkt bei der Präsentation eines Designs für eine externe Prüfung ist, dass die Eigensicherheitszulassung nur für die in der vorgelegten Stückliste spezifizierten Teile gilt.
Ein besonders nützlicher Ansatz, der erhebliche Flexibilität in der Fertigung bietet, besteht darin, eine Stückliste bereitzustellen, die nur die notwendigen Spezifikationen für generische Teile enthält. Wenn ein Teil in der Eigensicherheits-Stückliste bis hin zur spezifischen Teilenummer definiert ist, darf nur dieses spezifische Teil verwendet werden. Wenn das Teil jedoch durch einen generischen Satz von Spezifikationen definiert ist, die die Anforderungen festlegen, kann jedes Teil verwendet werden, das diese Spezifikationen erfüllt. Diese einfache Änderung der Stücklistenorganisation erspart potenziell viele zukünftige Probleme und zusätzliche Zulassungskosten, wenn Teile nicht vorrätig oder abgekündigt sind.
Fazit
Letztendlich führt ein effektives Design für eigensichere Geräte zu einer Reihe von Dokumenten, mit denen die Einhaltung der relevanten Normen nachgewiesen und von einer unabhängigen Prüfstelle bewertet werden kann. Ein strukturierter Designansatz, bei dem Fehlermodi während des gesamten Prozesses bewertet und verwaltet werden, sorgt für einen reibungsloseren Ablauf mit den besten Aussichten auf eine Zulassung ohne aufwendige Nacharbeiten. Es ist zudem ratsam, den Blick in die Zukunft zu richten: Die Einsparungen durch spezifische oder spezialisierte Bauteile können durch die Kosten für Nacharbeiten und eine erneute Zertifizierung, falls diese Bauteile nicht mehr verfügbar sind, bei weitem übertroffen werden.
