Полный расчет надежности РЭС

Целью полного расчета является определение рационального состава элементов, обеспечивающего необходимые электрические параметры и требуемый уровень надежности системы. Как правило, при полном расчете изделие расчленяется на отдельные конструктивно самостоятельные части путем деления систем на приборы, узлы, блоки и т.д. При этом расчет производится последовательно от простого к сложному. Полный расчет надежности РЭС по внезапным отказам осуществляется следующим образом.

1)Составляется перечень элементов, входящих в устройство РЭС, элементы группируются по наименованиям и типам , с указанием количества одинаковых элементов каждой группы ( 1,2,..,k, k-количество групп)

2) По справочной литературе [1-3] определяется интенсивность отказов ЭН ой группы в номинальных условиях : t⁰=25 10 ⁰С, относительная влажность 60 20 %, номинальный электрический режим, отсутствие механических перегрузок и т.д.

3)Рассчитываются коэффициенты нагрузки, учитывающие электрический режим элементов. Для этого используют карты рабочих режимов ЭРЭ изделия, в которых указывают расчетные коэффициенты нагрузки. Коэффициенты нагрузки рассчитывают по следующим формулам:

а) для транзисторов, транзисторных сборок, диодов СВЧ-диапазона, резисторов

, (1.1)

где Р и - рабочая и максимально допустимая по техническим условиям (ТУ) мощность рассеяния;

б) для конденсаторов

, (1.2)

где U и - рабочее и номинальное напряжение;

в) для диодов, диодных сборок, стабилитронов, тиристоров, коммутационных изделий, соединителей

, (1.3)

где I и - средний рабочий и максимально допустимый по ТУ ток;

г) для оптоэлектронных полупроводниковых приборов

, (1.4)

где I и - средний прямой ток излучения в рабочем и номинальном режимах.

4)В зависимости от коэффициентов нагрузки и значений внешних воздействий по справочной литературе [1-3] определяются поправочные коэффициенты и рассчитываются интенсивности отказов элементов с учетом реальных условий их эксплуатации

; i=1,2…m, (1.5)

где m-количество поправочных коэффициентов.

Коэффициент эксплуатации , учитывающий условия эксплуатации, определяется по таблице 1.2; коэффициент механических нагрузок , учитывающий вибрации и ударные нагрузки, коэффициенты, учитывающие высоту и влажность - по таблице 1.3; коэффициент режима , учитывающий электрический режим и температуру – по таблице 1.4.

Таблица 1.2

Коэффициенты эксплуатации отдельных групп приборов

Группа приборов	КЭ по группам аппаратуры
Стационарная в лабораторных условиях	Стационарная в условиях цехов промышленных предприятий	Пере-носная	Перевози-мая	Применяемая на судах
ИМС и МСБ		-	1,7	1,5
ППП: диоды, транзисторы, тиристоры, оптоэлектронные приборы			1,5	2,5
Резисторы, конденсаторы				2,5
Иэделия квантовой электроники: лампы накачки, газовые лазеры и их излучатели			1,5	2,5
Коммутационные и установочные изделия: переключатели, предохранители				2,5
Магнитоуправля-емые контакты	0,4	0,6	0,8		0,8
Трансформато- ры		1,5	1,5		1,5
Низкочастотные соединители			1,5	2,5
Пьезоэлектр- ческие приборы			1,5	2,5
Электронно-лучевые трубки			1,5	2,5
Приборы фоточувствител-ьные			1,5	2,5
Газоразрядные приборы		1,5		2,5
Источники высокоинтенсивного оптического излучения			1,5	2,5
Знакосинтезирующие индикаторы: Полупроводниковые			1,5	2,5
Остальные	0,4	0,8	0,6		0,8
Генераторные, модуляторные лампы, высоковольтные кенотроны и механотроны			1,5	2,5
Электровакуу-мные приборы и модули СВЧ			1,5	2,5
Ферритовые приборы	0,5	___		1,25

Таблица 1.3

Значения коэффициентов К_м, К_д, К_вл

Условия применения аппаратуры	КМ	Высота км	КД	Влажность и температура	КВЛ
Лабораторные				60…70% 20-40°С
Полевые	1,07		1,1	90…98% 20-25°С
Корабельные	1,37		1,2	90…95% 30-40°С	2,5
Автомобильные	1,46		1,3
Железнодорожные	1,54		1,4
Самолетные	1,65		1,5

Таблица 1.4

Значения коэффициента режима

Группа элементов	®	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0
	t C ¯
Диоды:
кремниевые, сборки		0.064	0.115	0.195	0.359	1.0
		0.085	0.151	0.256	0.564
стабилитроны		0.194	0.242	0.319	0.484	1.0
		0.213	0.274	0.387	0.613
СВЧ кремниевые		0.280	0.320	0.380	0.500	1.0
		0.305	0.350	0.445	0.700
Транзисторы:
биполярные, полевые, сборки		0.15	0.21	0.29	0.47	1.0
		0.18	0.24	0.36	0.66
Тиристоры		0.073	0.136	0.241	0.495	1.0
		0.100	0.177	0.327	0.636
Диоды излучающие		0.034	0.116	0.278	0.570	1.0
		0.100	0.341	0.782
Оптопары		0.043	0.144	0.355	0.606	1.0
		0.129	0.42	0.908
Конденсаторы:
керамические		0.03	0.09	0.23	0.52	1.0
		0.05	0.15	0.41	0.91	1.7
слюдяные		0.07	0.11	0.26	0.54	1.0
		0.14	0.23	0.52	1.0	2.0
бумажные		0.01	0.02	0.09	0.35	1.0
		0.01	0.02	0.10	0.39	1.2
электролитические		0.15	0.20	0.33	0.59	1.0
		0.24	0.32	0.52	0.94	1.7
Резисторы:
постоянные непроволочные		0.4	0.51	0.64	0.81	1.0
		0.44	0.57	0.72	0.91	1.1
постоянные проволочные		0.15	0.23	0.37	0.60	1.0
		0.16	0.25	0.42	0.73	1.27
переменные непроволочные		0.60	0.64	0.71	0.82	1.0
		0.64	0.68	0.76	0.90	1.12
Коммутационные изделия		0.22	0.27	0.37	0.57	1.0
Соединители низкочастотные		0.49	0.54	0.63	0.77	1.0

В состав современной РЭС могут входить полупроводниковые приборы ППП, интегральные микросхемы ИМС различного уровня интеграции: полупроводниковые интегральные микросхемы МС; большие полупроводниковые микросхемы БИС; гибридные интегральные микросхемы ГИС; большие гибридные интегральные микросхемы БГИС, микросборки МСБ. В микросборки включаются малогабаритные дискретные ЭРЭ. Данные таблиц 1.2, 1.3, 1.4, являются общими для разных групп элементов. Результаты расчета по пунктам (1-4) вносят в типовую таблицу 1.5. Все перечисленные элементы имеют свои методики расчета и конкретные модели ИО. Изложению этого материала посвящен раздел II

Таблица 1.5

Расчет интенсивности отказов устройства с использованием поправочных коэффициентов

№

Наименование и тип элемента

Схемное обозначение

Кол-во эл-тов данного типа , шт

Интенсивность отказов в номинальных условиях

i=1, 2 …m

Интенсивность отказов в реальных условиях

Интенсивность отказов j-ой группы элементов

5) Рассчитываются количественные показатели надежности.

Наиболее часто рассчитываются вероятность безотказной работы Р(t) и средняя наработка до отказа для невосстанавливаемых РЭС и средняя наработка на отказ для восстанавливаемой РЭС.

При последовательном соединении N элементов в СНИ независимости отказов между собой вероятность безотказной работы системы за время t будет равна [1]

. (1.6)

Используя экспоненциальную модель , (1.7) получим . (1.8)

Обычно в аппаратуре имеется большое количество однотипных элементов N_j, имеющих одинаковую интенсивность отказов l_j. Если таких типов k, то

. (1.9)

Соответствующие значения среднего времени безотказной работы:

; , (1.10)

где l_с - интенсивность отказов системы для N равно-надежных элементов (1.11)

При нормальной работе аппаратуры, когда имеет место простейший поток отказов и справедлив экспоненциальный закон надежности, параметр потока отказов равен интенсивности отказов W_с =l_с =const, а средняя наработка до отказа равна среднему времени безотказной работы между отказами Т =Т₀.

При параллельном соединении n элементов в СН , когда отказы отдельных элементов независимы, вероятность безотказной работы равна [1]

. (1.12)

6) Распределение показателей надежности по элементам

Нормируемые показатели надежности, которые требуется обеспечить в процессе проектирования, назначаются на всю систему и указываются в задании на дипломное проектирование. При расчете надежности устройства, которое является частью разрабатываемой системы, необходимо уметь формулировать требования к показателям его надежности.

Существуют три метода распределения показателей надежности по элементам:

По принципу равнонадежности элементов.

Пусть система состоит из Nравнонадежных последовательных элементов и за время tдолжна обеспечить вероятность безотказной работы P(t). Тогда каждый ЭН должен обеспечить вероятность безотказной работы

(1.13)

Следовательно, интенсивность отказов каждого ЭН (норма надежности) для экспоненциальной модели (1.7) должна быть

(1.14)

С учетом сложности элементов.

Пусть система состоит из Nпоследовательных равнонадежных блоков, причем одинаковых блоков содержат элементов, одинаковых блоков, отличных от предыдущих, содержат таких же элементов и т.д. Для обеспечения заданной вероятности безотказной работы P(t)за времяt интенсивность отказов всего устройства согласно формулам (1.8) , (1.11) должна быть

, (1.15)

т.к. для экспоненциальной модели (1.7) (если P(t) близка к 1).

Для определения требований к надежности блоков вводятся коэффициенты сложности блоков:

(1.16)

где - число одинаковых блоков одного типа, , l- число типов блоков, - число элементов вi- м блоке. Норма надежности для каждого i-го блока определяется:

(1.17)

Пример 1 Радиоэлектронное устройство состоит из N=12 блоков: 10 одинаковых устройств типа 1, одно устройство типа 2 и одно устройство типа 3. Для безотказной работы устройства необходима безотказная работа всех блоков. Каждый из блоков содержит=10, =20, =30 транзисторов. Вероятность безотказной работы устройства в течении наработки t=4ч должна быть не менее 0.998.

Определить допустимое значение интенсивности отказов каждого блока .

Если транзисторы в блоках 1,2 и 3 одного типа и на каждый транзистор приходится, примерно, одинаковое количество деталей, то интенсивность отказов всего устройства согласно (1.16) определяется из соотношения:

Рассчитаем коэффициенты сложности блоков по формуле (1.16) ; ;

Допустимые значения интенсивности для блоков находятся по формуле (1.17):

; ;

.

C учетом существующего соотношения показателей надежности элементов в аналогичной системе (прототипе).

Пусть проектируемая система состоит из N последовательных блоков и за времяtдолжна обеспечить вероятность безотказной работы P(t).

Аналогичная система из N последовательных блоков имеет интенсивности отказов j-го блока . При последовательном соединении блоков доля отказов системы из-за отказов i-го блока

; (1.18)

где - интенсивность отказов всей системы; - интенсивность отказов i-го блока.

Аналогичный коэффициент для прототипа можно найти по соотношению интенсивности отказов прототипа

. (1.19)

Нормы надежности для блоков устанавливаются из соотношения

. (1.20)

Пример 2 Проектируемое устройство состоит из трех блоков 1,2,3. Для безотказной работы устройства необходима безотказная работа всех блоков. Задана вероятность безотказной работы устройства в течении t=100ч, P(t)=0,97. Определить нормы надежности на блоки 1,2,3, если при рассмотрении аналогичной системы установлено, что аналогичные блоки соответственно имеют интенсивности отказов

; ; .

Для определения норм надежности (интенсивности отказов) на блоки с учетом данных для аналогичного изделия необходимо определить коэффициенты, учитывающие соотношение надежности блоков в нем (1.19)

;

;

;

Для проектируемого устройства этот коэффициент равен

.

Найдем значения по формуле (1.15)

;

Тогда нормы надежности для проектируемых блоков согласно (1.20) определяются следующим образом

;

Используя известные соотношения между и (1.6-1.12) дипломник должен убедиться, что выполняются заданные нормируемые показатели надежности.