Techniklexikon

Lebensdauer

Bauelementelebensdauer. Zeitspanne, in der ein Bauelement seine Funktionsfähigkeit bewahrt, wobei sich seine -r Parameter nur in vorgegebenen Grenzen verändern dürfen, die für die jeweilige Anwendung zugelassen und durch entsprechende technische Einsatzbedingungen vorgesehen sind. Die L. ist ein wichtiger Kennwert der Zuverlässigkeit eines Bauelements. Als Maß für die L. wird üblicherweise die MTBF benutzt, bei Einzelbauelementen oder IS manchmal auch die mittlere Zeit bis zum Ausfall (engl. mean time to failure, Abkürzung MTTF). Letztere ist der Reziprokwert der Ausfallrate, die das Element aufweist, d. h. MTTF (in h) = 1X. Die L. Charakteristik eines Ensembles gleicher Bauelemente, d. h. die Darstellung der Ausfallrate als Funktion der Zeit (X =f(t)), ergibt i. allg. die sogenannte Badewannenkurve, bei der drei verschiedene Bereiche unterschieden werden müssen: Im Bereich 1 ist die Ausfallrate bereits kurz nach Einsatzbeginn recht hoch und sinkt danach ab (Frühausfälle). Der Bereich 2 umfaßt den größten Teil der L. eines Bauelements und ist durch einen konstanten, statistisch bedingten X-Wert bedingt (Zufallsausfälle). Im 3. Bereich nimmt die Ausfallrate aufgrund von Alterung und Verschleiß wieder stark zu (Spätausfälle, Alterungsausfälle). 2. Ladungsträgerlebensdauer. Maß für diejenige Zeit, in der ein vorhandener Dichteüber schuß der Majoritätsträger bzw. Minoritätsträger in einem homogenen Halbleiterkristall durch Rekombination auf den Bruchteil 1e, d. h. auf das 0, 37fache abnimmt. Es gilt folgender Zusammenhang zwischen der L. von Elektronen t„ bzw. von Löchern tp, der Elektronendichte n, der Löcherdichte p und dem Rekombinationskoeffizienten r: Die L. ist also von der Dichte der jeweils anderen Trägersorte abhängig, d. h. die Elektronenlebensdauer hängt von der Anzahl der im Halbleitergebiet vorhandenen Löcher ab und umgekehrt. Im Modellbau: Zeitraum, während dem ein Bauelement, ein Gerät oder eine Anlage seine Kennwerte aufweist und damit innerhalb der zulässigen Toleranz fehlerfrei arbeitet. Die L. kann durch technischen Verschleiß (Abnutzung, Betriebsstundenzahl) oder moralischen Verschleiß (technisch veraltete Geräte) begrenzt werden. Bei galvanischen Elementen (Primär- und Sekundärelemente) wird die Lebensdauer auch durch betriebsunabhängige elektrochemische Verschleißerscheinungen begrenzt Die L. grenze ist bei Primärzellen mit Erreichen einer bestimmten Entladespannung (je nach Anwendungszweck unterschiedlich) und bei Sekundärzellen (Akkumulatoren) in der Regel nach Absinken der Kapazität auf 60% des Nennwerts gegeben. Bei Akkumulatoren gibt man neben dem Zeitraum auch die Zyklenzahl (Zahl der Lade- und Entladevorgänge) zur Kennzeichnung der Lebensdauer an. charakteristische Grösse von atomaren oder kernphysikalischen Zerfallsprozessen. Bei dem exponentiellen Zerfall einer Grösse I

ist die Lebensdauer t definiert als diejenige Zeit, nach der die Verteilung auf 1 / e ihres Anfangswerts abgefallen ist. Dabei ist I₀ der Anfangswert der betreffenden Grösse, g ist die Zerfallsrate. Für die Lebensdauer gilt damit: t = 1 / g (siehe Abb. 1).

Ein Beispiel eines derartigen Zerfalls ist die Besetzungszahl eines Ensembles von Atomen in einem angeregten Zustand, die in den Grundzustand zerfallen. Die Lebensdauer ist direkt verknüpft mit der Halbwertszeit t_{1 / 2}, die definiert ist als diejenige Zeit, nach der die Verteilung auf die Hälfte ihres Anfangswerts abgesunken ist: t_{1 / 2} = t ln2.

Über die Heisenbergsche Unschärferelation für die gleichzeitige Messung von Energie und Zeit ist der Lebensdauer eine Zerfallsbreite oder natürliche Linienbreite  zugeordnet.

Typische Lebensdauern angeregter atomarer Zustände liegen im Bereich von ns bis ms. Bei radioaktiven Zerfallsprozessen kann die Lebensdauer auch viele Jahre betragen.

Lebensdauer: Exponentieller Zerfall einer Grösse I(t).