Ein geringfügig anderes Geräusch... [Update]

27.08.2015 19:31 von /cbx, derzeit 1.28034 Kommentare

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…geht oft einem heftigen Knall voraus. Das wusste ich bereits. Und heute wurde dieses Wissen wieder einmal auf eindrucksvolle Weise bestätigt.

Ich hatte so gegen halb Neun Uhr eine Maschine, die gerade am Montag aus der Fertigung gekommen war, eingeschaltet um dort ein paar Messungen durchzuführen. Um diese frühe Zeit war es in der Halle noch relativ still und so konnte ich die charakteristischen Geräusche, die ein so komplexes Gerät so von sich gibt, ziemlich gut hören.

Gerade als ich die Messspitzen sauber positioniert hatte, schien sich das heitere Summen der Kühlventilatoren auf eine Art ins Dunkle zu verändern, die in meinem Bauch sofort ein sehr eigentümliches Ziehen verursachte. Ich las noch schnell den Messwert ab und warf dann einen Blick in den vorderen Elektronikraum, wo die gesamte Leistungselektronik verbaut ist.

Und wirklich, dort strahlte mir schon die grellrote LED des Shuntreglers entgegen, dessen eigentliche Aufgabe das Begrenzen von Überspannungen ist, die entstehen können, wenn schwere Motoren schnell abgebremst werden. Wenn diese LED dauerhaft leuchtet, dann kann man mit Gewissheit davon ausgehen, dass gerade etwas ernsthaft schief läuft.

Ich hätte die Messung wohl besser sofort abbrechen sollen, denn während ich noch (ca. 200ms lang) überlegte, ob ich den NOT-AUS Schalter betätigen sollte, nahm mir schon ein kräftiger Knall diese Entscheidung ab. Der Inhalt der beiden 50W Leistungswiderstände des Reglers schoss aus den Enden der Aluminiumgehäuse heraus und der feine schwarze Quarzsand, mit dem der Widerstandsdraht umgeben war, verteilte sich gleichmäßig im gesamten Elektronik-Einbauraum.


[So sieht diese Schaltung aus, wenn sie wieder repariert ist]

Ein herber chemischer Geruch von gegrilltem Draht und Flammschutzmittel machte sich in der Halle breit. Der Knall und der Geruch riefen dann auch die Kollegen auf den Plan, die ob der netten Abwechslung im öden Alltag durchaus amüsiert waren. Sie lobten den satten Klang, wie auch die herb-würzigen Duftnote sowie die äußerst stilsichere Dekoration der Maschine mit dem in elegantem Schwarz glitzernden Sand.

Ich übte mich derweil in umfasendem Grübeln und Rätseln, wie dieses aufsehenerregende Ereignis überhaupt hatte eintreten können, denn eigentlich – und dieses Wort verwendet der Ingenieur gerne inflationär, wenn er schwerwiegende Konstruktionsmängel vertuschen will – gab es da einige Maßnahmen, die genau dies hätten verhindern sollen.

Nachdem nämlich vor einigen Jahren eine Maschine (beim Kunden!) eine nicht unerhebliche Rauchentwicklung (im Reinraum!) gezeigt hatte, als dort die Versorgungsspannung für einige Zeit deutlich über 260V gegangen war, hatte ich die Leistungsbilanz nochmals kontrollgerechnet und eine zweistufige Thermosicherung eingebaut, die im Fall einer unzulässigen Erwärmung der Widerstände zuerst die Maschine und – sollte das unverständlicherweise nicht helfen – später sogar die Widerstände selbst abschaltet.

Die Thermosicherungen indes waren beide intakt. Obwohl das zuvor kaum möglich schien, wuchs meine Ratlosigkeit noch weiter. Also musste ich die gesamte Platine für weitere Untersuchungen explantieren. Während ein Kollege die Maschine mit einem Ersatzteil ausstattete, baute ich die Ruine auf meinem Labortisch auf. Nachdem ich die explodierten Widerstände durch einen 500W Halogenstrahler (→optischer Stromflussindikator) ersetzt hatte, gab ich Spannung auf die Schaltung und – es ward Licht!

Allerdings nicht in meinem Kopf, sondern lediglich im Inneren des Halogenstrahlers. Ich musste also wohl auch noch den Leistungs-FET, dem die Rolle des Schalters zukam, ersetzen. Als das erledigt war, schaltete ich wieder ein und es geschah – absolut nichts. Alle LEDs standen auf grün und der Regler tat so, als hätte nie etwas anderes getan, als vertrauenswürdig, seriös und verantwortungsbewusst über die Einhaltung der vorgesehenen Spannungsgrenzen zu wachen. Dieses Wohlverhalten freute mich nun aber überhaupt nicht, weil es mich der Ursache keine Schritt näher brachte.


[Was ist eigentlich in so einem Drahtwiderstand drin? Und wo mag der fehlende Stöpsel des zweiten Widerstands gelandet sein?]

Weil es ohnehin egal war, wo ich ratlos meinen Kopf schüttelnd saß, blieb ich noch vor dem wirren Drahtigel sitzen, in den ich die Platine zum Test zügig eingebaut hatte. Und das war Glück, denn nach langen Minuten ereignislosen Wartens meinte ich, aus dem Augenwinkel ein winziges Rauchfähnlein zu erhaschen, als auch schon der 500W-Strahler wieder zu leuchten begann.

Also Stecker raus, Kondensatoren entladen (320Vdc!) und schnell zum mobilen Mikroskop gegriffen – wobei das mobile Mikroskop des Kurzsichtigen ganz unkompliziert durch das Abnehmen der Brille aktiviert werden kann – und die vermutete Stelle der Rauchentwicklung genau untersucht. Nach langwierigen Analysen, ausgiebigem Kopfschütteln und diversen verbalen Kommentaren hatte ich schließlich doch eine einigermaßen plausible Kauslakette konstruiert.

Auslöser der ganzen Misere war wohl ein harmlos wirkender 330kΩ Kohleschichtwiderstand, der (über zwei Banden) für die Schnellentladung der Pufferkondensatoren beim Abschalten der Maschine zuständig ist. Dieser Widerstand hatte einen kaum sichtbaren Riss in seiner Keramikhülle, wodurch wohl in den letzten Tagen Feuchtigkeit eingedrungen war, was schließlich dazu führte, dass er die Spannung nicht mehr tragen konnte, wie es seine Aufgabe erforderte und deutlich mehr Strom fließen ließ, als das meine Berechnung vorgesehen hatte. Damit startete dann die Schnellentladung bei weiterhin aktiver Speisung, was die Temperatur der Shuntwiderstände sehr schnell ansteigen ließ.

Praktischerweise kam dann noch hinzu, dass die Thermosicherungen leicht verkantet eingebaut waren, also kaum thermischen Kontakt zu den Widerstandskörpern hatten und damit nicht schnell genug auf die Erwärmung der Widerstände reagieren konnten. Und dieser elegante Doppelfehler hatte dann zu einer netten Abwechslung mit Knalleffekt geführt.

Und was lernen wir daraus? Nun, ich lerne zweierlei.

  1. Der Versuch, jeden Fehlerfall abzufangen, wird letzten Endes immer scheitern und
  2. Sicherheitseinrichtungen muss man nicht nur gut entwerfen, man muss sie auch richtig umsetzen.

Update zur zweiten Bildunterschrift: Im Zuge der freitäglichen Aufräumaktionen wurde der aus dem zweiten Widerstand herausgeschleuderte Stöpsel mitsamt dem abgerissenen 0.6mm Ø Anschlussdraht in gut 3m Entfernung unter einer anderen Maschine gefunden.

/cbx, Kategorie: Aus der Schule -

 

Eigener Senf dazu?

  1. The Angry Nerd gab am 29. August 2015, 02:23 folgenden Senf dazu:

    Da werde ich als Softwarefuzzi geradezu neidisch. HCF (halt and catch fire) sieht bei Software sooo viel langweiliger aus.

    Hmm, vielleicht sollte ich doch noch in SPS-Kram machen. Damit kann man wenigstens Sachen ordentlich aufeinander krachen lassen…

    /cbx meint dazu:

    Eine echte Maschine zu programmieren (egal ob richtig oder per SPS) ist auf jeden Fall eine lohnende und leer-reiche Erfahrung. Für eine spektakuläre Explosion allerdings benötigt der Connaisseur lediglich eine Hand voll simpler Elektronik und kein Bit Software...

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