ПОРЯДОК ПРЕДСТАВЛЕНИЯ КП К ЗАЩИТЕ

8.1. КП считается законченным, если в нём полностью разработаны все разделы, предусмотренные заданием, и по ним получены положительные заключения руководителя.

8.2. Законченный курсовой проект, подписанный студентом.

 

Далее приведены методы расчётов обязательной части КП.

9. ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННОГО УЗЛА ПО ВНЕЗАПНЫМ ОТКАЗАМ глава? Шрифт?

 

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

I.I. Внезапные и постепенные отказы нумерация

В процессе эксплуатации радиоэлектронная аппаратура (РЭА) подвергается воздействию комплекса внешних и внутренних факто­ров (температура, влажность, вибрация, удары, радиация, электрическая нагрузка и др.). Одновременное воздействие на РЭА комплекса внешних и внутренних факторов приводит к изменениям электрических и механических свойств материалов, из которых из­готовлены элементы РЭА, и, следовательно, к изменению парамет­ров этих элементов. Изменения параметров элементов могут происходить как скачкообразно, так и постепенно. Соответственно, в за­висимости от характера изменения параметра элемента к моменту возникновения отказа различают внезапные и постепенные отказы.

Внезапные отказы проявляются в виде мгновенного изменения параметра элемента вследствие обрыва, пробоя, короткого замыкания и т.п. Внезапные отказы наступают из-за внезапной случайной концентрации нагрузок, действующих внутри и вне элемента, и обыч­но приводят к отказу РЭА.

Постепенные отказы проявляются в виде постепенного измене­ния параметра элемента (уменьшение коэффициента усиления транзи­стора, увеличение тока утечки, изменение величины сопротивления). Основной причиной постепенных отказов являются необратимые физи­ко-химические процессы старения материалов. Постепенные отказы могут быть вызваны также непредусмотренными условиями эксплуата­ции, изменением уровней внешних и внутренних факторов (темпера­тура, влажность, напряжение питания и др.). При постепенном изме­нении параметра какого-либо элемента РЭА может оставаться работоспособной до тех пор, пока один из ее выходных параметров не выйдет за допустимые пределы.

Процент постепенных и внезапных отказов различных радио­элементов представлен в табл. I.I.

Таблица I.I

Тип радиоэлемента	Постепенные отказы, %	Внезапные отказы, %
Электровакуумные приборы всех типов	70-80	20-30
Полупроводниковые приборы	70-80	20-30
Трансформаторы, реле	50-60	40-50
Резисторы	20-30	70-80
Конденсаторы	7-10	90-93

 

Как следует из таблицы, удельный вес постепенных отказов особенно значителен для активных элементов; для резисторов и конденсаторов характерно преобладание внезапных отказов.

1.2. Интенсивность отказов

Основным показателем надежности элементов является функ­ция л(1), называемая интенсивностью отказов. Эта функция опре­деляется выражением [I, с. 94]

,

где P(t) – вероятность безотказной работы элемента к моменту времени t;

Q(t, t+Dt) – условная вероятность отказа элемента на участке а t при условии, что до момента t элемент был исправен.

Из последнего выражения следует, что l (t) есть плотность условной вероятности отказа на участке Dt(Dt®0) при условии, что домомента t элемент не отказал.

Интенсивность отказов может быть определена по опытным данным. Пусть испытывается /V элементов и наблюдаются их отка­зы. Тогда при малом & t

,

где D п – число отказов на участке (t, t+Dt);

п (t) – число элементов, оставшихся исправными к моменту времени t, 0< п (t)< N.

Интенсивность отказов характеризует уровень надежности эле­ментов в каждый момент времени, так как для каждого момента вре­мени определяется доля отказавших элементов из числа исправных к этому моменту времени.

Как показывают многочисленные экспериментальные исследова­ния, для большинства элементов функция л (t) имеет характерный вид кривой, изображенной на рис. I.I. Из этого графика видно, что весь интервал времени можно разбить на три участка.

Рис. 1.1 Зависимость интенсивноси отказов от времени (стереть надпись в рисунке)

 

На первом участке интенсивность отказов имеет высокие значения. Это объясняется тем, что в большой партии элементов всегда имеется некоторое количество дефектных образцов, которые отказывают вскоре после начала работы. Отказы, возникающие на участке (0, Т_П), обычно называются приработочными. Длительностьпериода приработки зависит от типа радиоэлемента, технологии его изготовления и может достигать нескольких сотен часов.

Совокупность элементов, прошедших период приработки, имеет наиболее низкий уровень интенсивности отказов, который сохраня­ется примерно постоянным. Это период наиболее надежной работы элементов, его называют периодом нормальной эксплуатации, по­скольку в этот период времени элементы могут использоваться с наибольшей эффективностью. Здесь имеют место главным образом внезапные отказы с постоянной интенсивностью l.

Когда время эксплуатации элементов достигает значения Т_И, начинает сказываться износ элементов. Необратимые физико-хими­ческие явления приводят к ухудшению качества элементов, начина­ется процесс старения. С момента Т_И интенсивность отказов начи­нает довольно быстро возрастать. Если к моменту Т_И отказывает только небольшой процент общего количества элементов, тоиз чис­ла элементов, проработавших безотказно до времени Т_И, около по­ловины откажут за период работы от Т_И до Т_Д. Время Тд является средней долговечностью элементов с учетом износа. Третий период работы элементов называют периодом старения, или износа. В этом периоде преобладают постепенные отказы.

Естественно, что эта картина изменения интенсивности отка­зов не является универсальной. Есть элементы, у которых отсут­ствует период приработки (например, хорошо поставленный контроль отсеивает все дефектные элементы), есть элементы, которые прак­тически не стареют. Однако у большинства элементов имеется, как правило, длительный период, на котором интенсивность отказов практически постоянна.

Это означает, что для широкого класса элементов в период нормальной эксплуатации, в течение которого появляются, главным образом, внезапные отказы, l(t)=l=const. Из постоянства ин­тенсивности отказов следует, что закон распределения времени работы элементов до отказа является экспоненциальным [1, с. 97].

Вероятность отказа элемента к моменту времени t имеет вид Q(t)=1-e^{-l t}; вероятность безотказной работы - P(t)=e^{-l t}.

Если l (t) «1, то при расчете Р(t) можно использо­вать простую приближенную формулу. Разлагая функцию e^-lt в ряд

и отбрасывая все члены ряда после второго, получим P(t)» 1-lt.

Ошибка здесь не превосходит (lе)²/2!

Среднее время безотказной работы

,

т.е. интенсивность отказов обратна среднему времени.

Здесь необходимо сделать весьма существенное замечание. Действительное среднее время безотказной работы в большинстве случаев меньше Т₀. Это объясняется тем, что интенсивность отка­зов, постоянная в период нормальной эксплуатации, далее, в треть­ем периоде использования элементов, возрастает, так как любой элемент в конце концов начинает стареть. Поэтому более правильно сказать, что Т₀ – это среднее время безотказной работы такого элемента, интенсивность отказов которого постоянна на всем беско­нечном интервале времени. Обычно среднее время Т₀ = 1/l гораздо больше, чем средняя долговечность элемента Т. В настоящее время принято считать, что элементы с l = 10^-6 – 10^-7 1/ч имеют сред­ний уровень надежности. Для таких элементов Т₀ = 10⁶ – 10⁷1/ч, а средняя долговечность Т_Д = 10⁴ - 5× 10⁴ ч [2]. Поэтому величина Т₀ указывает лишь, насколько надежен элемент в период нормаль­ной эксплуатации, а величина интенсивности отказов l опреде­ляет количество отказов в единицу времени в период нормальной эксплуатации, когда имеют место внезапные отказы.

1.3. Расчет надежности PЭУ по внезапным отказам

 

Наиболее широко в инженерной практике применяются ориенти­ровочный и окончательный расчеты надежности.

Ориентировочный расчет надежности производится на этапе эс­кизного проектирования, когда отсутствуют точные сведения об электрических режимах работы радиоэлементов, но известно прибли­зительное число элементов каждого типа [2, с. 63].

Окончательный расчет производится на этапе технического проектирования. В этом случае известно точное число элементов каждого типа и уровень электрической нагрузки каждого элемента.

Такой расчет надежности проводится и в данной лабораторной работе.

При окончательном расчете надежности принимаются следующие допущения.

1. Отказ любого элемента приводит к полному отказу РЭУ, т.е. все элементы РЭУ соединены последовательно в смысле надежности.

2. Интенсивности отказов всех элементов не зависят от вре­мени, l (t) = l = const. Это означает, что у элементов, вхо­дящих в изделие, происходят только внезапные отказы, отсутствуют старение и износ.

3. Все элементы работают одновременно.

4. Отказы элементов взаимно независимы. Из допущений 1, 3, 4 следует, что вероятность безотказной работы РЭУ в течение времени t равна

,

где N – общее количество элементов в РЭУ;

Pj (t) – вероятность безотказной работы у-го элемента за время t.

Из допущения 2 следует, что закон распределения времени ра­боты любого из элементов до отказа является экспоненциальным, т. е.

Pj(t}=e^{-l jt,} ,

где l_j – интенсивность отказов j - го элемента.

Тогда

.

Здесь L = å l _j – интенсивность отказов РЭУ.

Интенсивность отказов любого элемента зависит от элек­трического и теплового режима его работы. Обычно РЭУ содержит несколь­ко групп элементов одного типа, работающих в одинаковом режиме.

Пусть n._i – число элементов i -го типа, работающих с одинаковой электрической нагрузкой и температурой окружающей среды, а e – количество типов элементов, тогда интенсивность отказов РЭУ L = å nil_i.

Здесь l_i – интенсивность отказов одного элемента i-го типа для данной электрической нагрузки и температуры среды.

Уровень электрической нагрузки элементов количественно оце­нивается величиной коэффициента электрической нагрузки К_Н. Коэф­фициент электрической нагрузки равен отношению фактически макси­мальной величины контролируемого параметра (мощности рассеяния, напряжения и т.д.) к максимальио допустимой величине этого же параметра по ТУ. Способы расчета коэффициента электрической на­грузки для элементов, используемых в этой работе, рассмотрены в разделе 2.4. Увеличение электрической нагрузки, так же как и по­вышение температуры окружающей среды, приводит к возрастанию ин­тенсивности отказов элемента, т.е. к снижению его надежности. Зависимости эти имеют нелинейный характер и в справочной литера­туре обычно представлены в виде таблиц С 2, с. 339-347 ) или в виде графиков (там же, с. 548-365). Таблицы значений интенсивностей отказов элементов, используемых в данной работе, приведе­ны в прил. 1. В табл. П1 приведены значения номинальной ин­тенсивности отказов l_0i (при Т s 20°С и К_Н =1, 0) для эле­ментов различных типов. В табл. П2-П5 указаны поправочные коэффициенты а = f(Кн, Т°), учитываюащие конкретный электрический режим работы (К_Н) и температуру окружающей среды Т⁰.

Интенсивность отказов l_i элемента i-го типа находится по формуле

l_i = a_il_0i.

Как известно, условия эксплуатации РЭА оказывают существенное влияние на ее надежность, и тем сильнее, чем выше уровни на­грузок внешних факторов (влажность, пониженное давление, меха­нические воздействия). Поэтому при расчете надежности по внезап­ным отказам вводятся поправочные коэффициенты, учитывающие дей­ствие вибрации и ударных нагрузок – К₁, влажности – К₂, понижен­ного давления – К₃. В табл. П6-П8 приведены значения этих коэффициентов для различных условий эксплуатации [2]. Оконча­тельное значение интенсивности отказов РЭУ находится по формуле L = К₁К₂К₃å n_il_i,

где К₁, К₂, К₃ определяются по табл. П6-П8 исходя из заданных условий эксплуатации.

Вероятность безотказной работы РЭУ определяется по формуле

P(t) = e^-Lt,

где t – заданное время непрерывной работы РЭУ.

При расчете P(t) в качестве t часто берется общее требуемое время эксплуатации РЭУ. Это неверно, так как при этом не учитывается природа внезапных отказов, вызванных случайными концентрациями нагрузок внутри и вне элемента. Для внезапных от­казов, как указывалось ранее, закон распределения времени до от­каза является экспоненциальным. Необходимость определения i как заданного времени непрерывной работы теоретически обосновы­вается характеристическим свойством экспоненциального закона рас­пределения (I. с. 98): вероятность безотказной работы на данном интервале (t, t + t) не зависит от времени предшествующей работы, а зависит только от длины интервала г. Поэтому для экспоненциального закона распределения времени работы элемента до отказа вероятность безотказной работы Р (t, t +t) равна P(t + t) = e^-Lt.

Это свойство называется характеристическим, так как еслионовыполняется для какого-то закона распределения, то этот закон обязательно будет экспоненциальным.

Пусть, например, элемент, время работы до отказа которого имеет экспоненциальное распределение с l = 10⁶ 1/ч, прора­ботал непрерывно 100 ч и не отказал. Вероятность этого события равна P(t) = e^-lt» 1-10^-4 = 0, 9999. Какова вероятность безотказной работы элемента в последующие 10 ч работы? Так как вероятность безотказной работы P(t) не зависит от времени пред­шествующей работы, то P(10) = 1 – lO^-6× IO = 0, 99999.

Данные расчета надежности по внезапным отказам удобно све­сти в таблицу следующего вида (рис. 1.4).

 

Рис. 1.4. Расчет коэффициентов электрической нагрузки радиоэлементов

Как указывалось в разделе 1.3, коэффициент электрической нагрузки равен отношению фактически максимальной величины контро­лируемого параметра к максимально допустимой величине этого же параметра по ТУ.

Определение К_Н необходимо для проверки соответствия электри­ческих режимов радиоэлементов допустимым нормам. При наличии у радиоэлемента нескольких контролируемых параметров, а следова­тельно, и нескольких коэффициентов нагрузки для расчета надеж­ности берется наибольший их них. При отсутствии в ТУ значения максимально допустимой величины параметра К_Н по данному парамет­ру определяется как отношение фактически измеренной величины к номинальному значению по ТУ.

В табл. П9 приведены допустимые значения коэффициентов нагрузки и параметры радиоэлементов, по которым определяются К.

На рис. П1-П4 приведены зависимости максимально допустимого значения К_Н от температуры среды, окружающей радиоэлемент, для полупроводниковых триодов и диодов, резисторов и конденсато­ров.

Расчет коэффициентов нагрузки различных радиоэлементов про­изводится с учетом режима их работы, схемы включения (триодов) и формы сигнала, проходящего через радиоэлемент.

Полупроводниковые диоды. Коэффициент нагрузки определяется по формуле

,

где U_обр – максимальное фактическое обратное напряжение на диоде;

U₀ – допустимое обратное напряжение по I?. Для диодов, работающих в источниках питания, находится также коэффициент нагрузки по прямому току:

,

где I _ср – фактическое среднее значение выпрямленного тока;

I₀ – допустимый ток в прямом направлении по ТУ.

Полупроводниковые триоды. Коэффици­енты нагрузки определяются выражениями:

, , ,

где U _к.э – прямое напряжение между коллектором и эмиттером;

U _к.э.о – допустимое прямое напряжение между коллектором и эмиттером (для остальных Кд по напряжению – анало­гично);

Р – мощность, рассеиваемая на триоде;

Ро – допустимая рассеиваемая мощность по ТУ.

При определении К_Н по мощности следует учитывать режим ра­боты. Для маломощных усилительных и генераторных транзисторов в режиме без насыщения Р = Р_К, где Р_К – средняя рассеиваемая мо­щность на коллекторе.

В режиме с насыщением Р = P_К + P_Э, где Р_Э – средняя рассеи­ваемая мощность на эмиттере.

При определении средней мощности в импульсном режиме следу­ет использовать эпюры и формулы, приведенные ниже.

Прямоугольные импульсы (рис. 1.2). формат заголовка

В этом случае средняя рассеиваемая мощность Р на элементе равна:

. – скважность импульсов.

 

Рис 1.2. Прямоугольные импульсы

 

 

Р и с. 1.3. Пилообразные импульсы (к расче­ту Кu для транзисторов)

или P = U₀I₀+ (1/T)I₀U_И(T - t) + (1/6Q)U_nI_n + (1/2Q) × (U_nI₀ + U₀I_n).

Резисторы. В общем случае коэффициент нагрузки ре­зистора находится по формуле

где Р – средняя рассеиваемая мощность;

{/, I – действующие (эффективные) значения напряжения и тока;

R – номинальное значение сопротивления резистора;

р – допустимая мощность рассеивания по ТУ.

При определении средней мощности Р в импульсном режиме следует использовать эпюры и формулы, приведенные ниже.

Прямоугольный импульс

, где или .

Пилообразный импульс

,

где U ₌ – постоянное напряжение на конденсаторе;

U_~ – амплитуда переменной составляющей напряжения;

U_L – амплитуда импульсного напряжения;

U_Ç – допустимое напряжение по ТУ. Для некоторых типов конденсаторов необходимо учитывать до­пустимое значение переменной составляющей напряжения. В табл. П10 указаны допустимые значения амплитуды переменного напряжения в процентах к номинальному в зависимости от частоты J~3J.

Импульсные трансформаторы. Коэффи­циент нагрузки находится по формуле

К_Н = U/U₀,

где U – фактическая амплитуда напряжения на обмотке;

U₀ – амплитуда напряжения, допустимая по ТУ.

1.5. Эдектрокадибровочная карта сопротивлений и карта режимов номер пункта

В данной работе требуется оформить некоторые технические документы, входящие в комплект конструкторской документации на разрабатываемый РЭУ.

Улектрокалибровочная карта сопротивлений предназначена для проверки режима работы РЭУ и быстрого поиска неисправности в про­цессе эксплуатации. Она оформляется в виде таблицы с указанием значений сопротивления в каждой точке схемы относительно корпуса при отключенных источниках питания и измерительных приборах. Для полупроводниковых схем сопротивление в каждой точке схемы из­меряется при той и другой полярности источника питания измеритель­ного прибора, так как сопротивление р-n переходов зависит от по­лярности приложенного напряжения.

Карты режимов предназначены для сопоставления фактической электрической нагрузки на радиоэлементе с допустимой по ТУ и ис­пользуются при анализе целесообразности применения элементов то­го или иного типа и при расчете надежности РЭУ по внезапным отка­зам. Бланки карт режимов выдаются при выполнении лабораторной ра­боты.

9.2. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ РЭА где 9.1?

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Для расчета надежности необходимо иметь логическую модель безотказной работы системы. При ее составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут находиться в одном из двух состояний: работоспособном или неработоспособном. Элемент, при отказе которого отказывает вся система, считается последовательно соединенным на логической схеме надежности. Элемент, отказ которого не приводит к отказу системы, считается включенным параллельно.