Stromversorgung im Wandel der Zeit: Wie sich die (Betriebs-)Lebensdauer von Netzteilen auf die Systemzuverlässigkeit und Ausfallzeiten auswirkt
25.09.2026
Netzteile sind entscheidend für die Systemzuverlässigkeit in industriellen Anlagen. Die Lebensdauer von Stromversorgungen wirkt sich direkt auf die langfristige Performance während der Betriebsphase aus. Die Entscheidungen, die Sie in der Anschaffungs- oder Planungsphase treffen, bestimmen, ob Ihre Stromversorgung eine lange Lebensdauer bei minimalen Betriebsausfällen bieten wird.
Einführung in das Thema „Lebensdauer von Stromversorgungen“
Die Stromversorgung ist zwar nicht unbedingt die in punkto Performance/Verarbeitungsleistung kritischste Komponente in einem System, aber sie spielt eine wesentliche Rolle im Rahmen der Gesamtzuverlässigkeit des Systems. Das Design oder die Auswahl der Stromversorgung kann über das Erreichen der Verfügbarkeits- und Produktivitätsziele einer Anlage entscheiden. Die Auswahl der einzelnen Bauteile, das auf Langlebigkeit ausgelegte Design der Stromversorgung und der mechanische Aufbau bestimmen maßgeblich deren langfristige Zuverlässigkeit. Letztendlich beeinflussen die Umgebungstemperatur während des Betriebs, die tatsächliche Belastung im Vergleich zur im Design festgelegten Lastgrenze sowie das Tastverhältnis, die Gesamtlebensdauer einer Stromversorgung erheblich.
Abb. 1: IPC-9592B legt die Anwendung der Arrhenius-Gleichung für die Alterung von Elektrolytkondensatoren fest: Mit jedem Temperaturanstieg um 10°C halbiert sich die Lebensdauer des Kondensators.
Warum fallen industrielle Stromversorgungen aus?
Die beiden Hauptursachen für den Ausfall von Stromversorgungen sind, in exakt der folgenden Reihenfolge, Ausfälle von Lüftern und Ausfälle von Elektrolytkondensatoren¹. Lüfter (sofern vorhanden) sind oft leicht zugänglich und können im Rahmen regelmäßiger Wartungsarbeiten ausgetauscht werden. Elektrolytkondensatoren können aufgrund ihrer relativen Unzugänglichkeit und ihrer internen chemischen Zusammensetzung ein weitaus größeres Problem darstellen.
Die Lebensdauer eines Kondensators hängt direkt von der Betriebstemperatur ab. Wenn der interne Elektrolyt austrocknet oder verdampft, steigt der ESR-Wert (Equivalent Series Resistance, äquivalenter Serienwiderstand) des Kondensators an, was zu weiterer innerer Erwärmung und vorzeitigem Ausfall führt. Im schlimmsten Fall kann ein katastrophaler thermischer Durchbruch den Elektrolyten so schnell zum Verdampfen bringen, dass der Kondensator vollständig platzt.
Welche Kosten entstehen einem Unternehmen tatsächlich, wenn die Stromversorgung ausfällt und der Betrieb stillsteht?
Wenn es durch den Ausfall einer Stromversorgung zu einem unerwarteten Betriebsausfall kommt, dann führt das unmittelbar zu Produktivitätsverlusten, garantiebedingten Rückrufen und Logistikkosten in Höhe von einigen Millionen Dollar. So ereignete sich beispielsweise einer der größten dokumentierten Fälle von durch Kondensatoren verursachten Ausfällen von Stromversorgungen gegen Ende der 1990er und Anfang der 2000er Jahre. Die Hauptursache für das, was als „Kondensator-Plage“ bekannt wurde, war eine falsche Elektrolytformel, von der eine Vielzahl von Unternehmen betroffen war, zu denen auch Apple, Dell und IBM zählten. Allein Dell² gab im Jahr 2005 insgesamt 420 Millionen Dollar für Logistik-Kosten und den Austausch von Motherboards aus.
Solche vorzeitigen Zuverlässigkeitsprobleme können auch in kritischen medizinischen Anwendungen erhebliche Folgen haben. Smiths Medical³ verzeichnete vorzeitige Ausfälle von Superkondensatoren in einer von der FDA (Food and Drug Administration, „Gesundheitsministerium“ der USA) zertifizierten Infusionspumpe, was 2021 zu einem offiziellen Warnschreiben der FDA führte. Noch schwerwiegender war der Fall der Infusionspumpe GemStar⁴ von Hospira Inc., die 2014 Gegenstand eines umfangreichen Rückrufs der Klasse 1 durch die FDA war, da Ausfälle des Netzteils weltweit mehr als 12.000 Geräte betrafen.
Schlüsselfaktoren für die Zuverlässigkeit von Stromversorgungen: Lebenserwartung vs. MTBF
Die richtige Auswahl und Auslegung der Stromversorgung ermöglicht es, sowohl die Wärmeentwicklung als auch die Auslastung gezielt zu beeinflussen. Durch die Steuerung dieser Faktoren können Sie die Lebensdauer der Stromversorgung, die Kosten und die letztendlichen Auswirkungen von Geräteausfällen in Einklang bringen.
Abb. 2: Typische Ausfallkurve für Stromversorgungen und andere elektronische Geräte.
MTBF der Stromversorgung
Man sollte den grundlegenden Unterschied zwischen der MTBF (Mean Time Between Failures, mittlere Zeit zwischen Ausfällen) und der tatsächlichen Lebenserwartung der Stromversorgung beachten. Die MTBF beschreibt die Wahrscheinlichkeit, mit der während der erwarteten Lebensdauer der Stromversorgung ein zufälliger Ausfall auftritt. Wenn eine Stromversorgung beispielsweise eine MTBF von 500.000 Stunden (57 Jahre) aufweist, dann können Betreiber davon ausgehen, dass es innerhalb einer großen Anzahl dieser Netzteile alle 500.000 Betriebsstunden zu einem Ausfall kommt. Diese MTBF bedeutet jedoch nicht, dass ein einzelnes Netzteil 57 Jahre lang hält.
Lebensdauer der Stromversorgung
Im Gegensatz dazu berücksichtigt die Lebenserwartung einer Stromversorgung sowohl die prognostizierten Einsatzbedingungen als auch die kalendarische Alterung von Elektrolytkondensatoren und anderen Schlüsselkomponenten. Nach Erreichen der vorgesehenen Lebensdauer nehmen Verschleiß-bedingte Ausfälle am Ende der Lebensdauer (End-of-Life, EOL) gemäß der klassischen „Badewannenkurve“ stark an Häufigkeit zu. Glücklicherweise werden durch strenge Prüfverfahren im Rahmen der Fertigung und Burn-in-Tests die meisten Ausfallrisiken in der frühen Lebensphase (Infant Mortality) beseitigt. Für den Langzeitbetrieb sind eine strategische Planung des Lebenszyklus‘ und vorausschauende Instandhaltung von ganz wesentlicher Bedeutung, um sowohl unerwartete zufällige Ausfälle als auch Risiken durch Verschleiß am Ende der Lebensdauer zu minimieren.
Lebensdauer von Stromversorgungen vorhersagen, erhalten und gezielt beeinflussen
Spezifikations- und standard- bzw. normbasierte Strategien zur Lebensdauerplanung von Stromversorgungen bieten den Planern von Anlagen flexible Optionen für ihre technischen und planerischen Gesamtkonzepte.
Spezifikationsbasierte Planung und Leistungsreduzierung von Komponenten
Abb. 3: Beispiel MTBF vs. erwartete Lebensdauer
Abbildung 3 vergleicht die MTBF eines AC/DC-DIN-Schienen-Netzteils des Typs RACPRO1-S120 von RECOM mit dessen erwarteter Lebensdauer. Während die MTBF für den Betrieb bei einer Umgebungstemperatur von 40°C berechnet wird, hängt die tatsächliche Lebenserwartung vom Design bzw. der Bauart, dem Auslastungsgrad und der Umgebungsbetriebstemperatur ab. Das Datenblatt weist ausdrücklich darauf hin, dass diese angegebenen Werte für die Lebensdauer nicht für den Dauerbetrieb rund um die Uhr (24/7) gelten.
MTBF / Anzahl der installierten Einheiten / Einschaltdauer (Angabe in Prozent) = erwartete Frequenz bzw. Häufigkeit für den Austausch
In einer großen gewerblich genutzten Anlage könnten beispielsweise 120 Einheiten mit einer Einschaltdauer von 80 % betrieben werden:
1.590.000 Stunden MTBF / 120 / 0,8 = 16.560 Kalenderstunden (690 Tage) zwischen zwei Ausfällen einer Stromversorgung
Die Anlage muss auf Basis der spezifizierten Nenn-MTBF daher etwa alle zwei Jahre mit einem vorzeitigen Ausfall eines Netzteils rechnen. Der systemweite Austausch wird auf der Grundlage des Lastfaktors und des Tastverhältnis (Duty Cycle) geplant. Bei einem Betrieb bei 40°C und 75% der Nennleistung kann man für die Anlage einen vollständigen Austausch nach 26 Jahren einplanen. Die auch als Derating bezeichnete Leistungsreduzierung, also der Betrieb einer Stromversorgung mit einem bestimmten Prozentsatz unterhalb der spezifizierten Nennleistung, ist ein nützliches Mittel zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Stromversorgungen. Gemäß Bild 3, verkürzt der Betrieb der Stromversorgung bei 100% Nennleistung die erwartete Lebensdauer um 58% im Vergleich zu einer auf 75% begrenzten Nennleistung.
Auf Standards basierende Lebensdauer-Planung für Stromversorgungen
Der Standard IPC-9592B umfasst die Richtlinien der Telekommunikations- und Computerindustrie zur Lebensdauer von Stromversorgungen, falls ein Hersteller keine Lebenserwartung für ein Netzteil angibt.
Klasse I (Standardklasse): Legt eine Lebensdauer von fünf Jahren bei einer Umgebungstemperatur von 40°C und 80% der Nennlast fest. Diese Klasse eignet sich im Allgemeinen für Computersysteme im Consumer-Bereich, Peripheriegeräte und nicht kritische Anwendungen.
Klasse II (hohe Zuverlässigkeit/Carrier-Grade): Spezifiziert eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren (mindestens fünf Jahre) bei einer Umgebungstemperatur von 40°C und 80 % der Nennlast. Stromversorgungen der Klasse II eignen sich für kritische Infrastrukturen, die einen unterbrechungsfreien Betrieb erfordern, wie zum Beispiel Telekommunikationsgeräte im Carrier-Grade-Bereich (Geräte zum Einsatz beim Netzbetreiber) und Anwendungen in der Netzwerktechnik.
Vorausschauende Instandhaltung
Durch die regelmäßige Überwachung wichtiger elektrischer und thermischer Faktoren lassen sich vorzeitig alternde Stromversorgungen erkennen, bevor es zu katastrophalen, ungeplanten Ausfällen kommt. Insbesondere die Überwachung von Anstiegen der Temperatur im Innern der Stromversorgung, die Erfassung geringfügiger Abweichungen der Ausgangsspannung sowie die Messung des Anstiegs von Welligkeit und Rauschen an der Leitung des Gleichstromausgangs dienen als hervorragende Frühwarnindikatoren. Der proaktive Austausch oder die Wartung dieser sich verschleißenden Geräte verringert kostspielige Betriebsausfälle in der gesamten Anlage erheblich.
Zusammenfassung: Maximierung der Systemzuverlässigkeit
Die Zuverlässigkeit der Stromversorgung bleibt ein entscheidender Faktor für die allgemeine Betriebssicherheit des Systems. Ungeplante Ausfallzeiten aufgrund von Störungen im Bereich der Stromversorgung können schnell zu erheblichen Auswirkungen auf die Verbraucher, zu hohen finanziellen Kosten und zu einem starken Verlust des Vertrauens in das System führen. Durch ein umfassendes Verständnis der MTBF, durch die Optimierung der Lebenserwartung von Stromversorgungen gezieltem Derating sowie durch die Umsetzung einer Lebenszyklusplanung mit vorausschauender Instandhaltung können Betriebe Ausfallzeiten und zuverlässigkeitsbedingte Risiken konsequent minimieren.
