Расчеты надежности при проектировании ЭА.

Надежность РЭА зависит не только от выбора схемы и технических характеристик аппаратуры, но и:

– от режимов работы аппаратуры и условий ее эксплуатации;

– от технологи производства и используемой в производстве системы контроля качества;

– от качества исходных материалов и комплектующих элементов;

– от уровня квалификации производственного, контрольного и эксплуатирующего аппаратуру персонала.

Обеспечить надежность аппаратуры можно суммой мероприятий, выполняемых на всех этапах разработки, производства и эксплуатации. Особое место в этом процессе принадлежит этапу разработки т.к. все принципы обеспечения надежности выбирают на этом этапе. Разработчик современной ответственной РЭА должен стремится обеспечить чрезвычайно высокую надежность аппаратуры, учитывая все реальные эксплуатационные ситуации. При этом необходимо удовлетворить целый ряд основных требований к изделию:

обеспечение ее технических и тактико-технических характеристик (габариты, масса, чувствительность, быстродействие, время приведения в готовность), ограничение конструктивной сложности, снижение стоимости и сроков разработки и т.д. Разработчик должен выбрать оптимальное решение, обеспечивающее и высокую надежность, и требуемые технические характеристики.

Требования к надежности разрабатываемого изделия задаются в техническом задании на разработку. На ранних стадиях разработки изделия составляется план обеспечения надежности, который на последующих стадиях разработки детализируется и уточняется. Одним из элементов этого плана является расчет надежности проектируемого изделия. В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на работу изделия и его надежность, последовательно проводят три расчета надежности: прикидочный, ориентировочный и окончательный.

Прикидочный расчет позволяет судить о принципиальной возможности обеспечения требуемой надежности изделия. Этот расчет используется при проверке требований по надежности, выдвинутых заказчиком в техническом задании, при сравнительной оценке надежности отдельных вариантов выполнения изделия на ранних стадиях разработки изделия и ряде других случаев. При прикидочном расчете делается допущение, что все элементы схемы равнонадежны, т.к. принципиальные схемы на изделие и его составные части еще окончательно не разработаны. Соединение элементов с точки зрения надежности таково, что выход их строя любого элемента приводит к отказу всего изделия. Интенсивности отказов элементов берутся для периода нормальной работы, т.е. λ_i (t) = const. Тогда:

Λ = λ_i N(3.13)

Где = λ_i – средняя интенсивность отказов равнонадежных элементов схемы;

N – обще количество элементов.

Ориентировочный расчет проводится тогда, когда на изделие и его составные части разработаны электрические принципиальные схемы. При ориентировочном расчете учитывается влияние на надежность изделия количества и типов применяемых в схемах элементов. При расчете делаются следующие допущения: все элементы работают в нормальном режиме, предусмотренном техническими условиями на элементы; все элементы изделия работают одновременно; интенсивности отказов элементов берутся для периода нормальной работы, т.е. λ_i(t) = const. Интенсивности отказов элементов каждого типа берутся по соответствующим таблицам из справочников по надежности. Таким образом, ориентировочный расчет надежности позволяет определить рациональный состав элементов в изделии и наметить пути повышения надежности.

Окончательный расчет проводится на этапе технического проектирования и учитывает влияние на характеристики надежности режимов работы элементов в схеме и конкретные условия эксплуатации изделия. В общем случае интенсивности отказов элементов зависят от электрического режима работы элемента в схеме, температуры окружающей среды, механических воздействий в виде вибраций и ударов, влажности воздуха, давления, радиации и ряда других возможных факторов. Электрический режим работы элементов при расчете надежности учитывается с помощью коэффициента нагрузки К_н. Известно, что интенсивность отказов резисторов увеличивается с увеличением мощности рассеяния резистора, а интенсивность отказов конденсаторов увеличивается с увеличением рабочего напряжения, приложенного к его обкладкам. Например, если резистор по расчету имеет мощность рассеяния 1 Вт, а в схеме используется резистор с номинальной мощностью рассеяния 2 Вт, то коэффициент нагрузки резистора в схеме

К_Н = Р_расч / Р_сх =1/2 = 0,5

где Р_расч – расчетная мощность рассеяния резистора;

Р_сх – мощность рассеяния резистора, стоящего в схеме.

Для проведения окончательного расчета надежности необходимо иметь данные о коэффициентах нагрузки всех элементов схемы. Для этого при выпуске электрических принципиальных схем заполняются карты режимов работы элементов с указанием коэффициента нагрузки.

Необходимым условием получения наиболее точных характеристик надежности при окончательном расчете является знание зависимости интенсивности отказов элементов от воздействующих факторов. Наиболее существенными внешними факторами являются температура окружающей среды, механические нагрузки, влажность и атмосферное давление. Влияние на величину интенсивности отказов каждого из указанных факторов учитывается при расчете надежности с помощью поправочных коэффициентов α и К.

Поправочный коэффициент

α = λ_i / λ₀ (3.14)

где λ_i – интенсивность отказов данного элемента при конкретном воздействующем факторе и прочих номинальных условиях,

λ₀ – номинальная интенсивность отказов данного элемента, под которой понимается интенсивность отказов элементов в нормальных условиях эксплуатации при отсутствии механических перегрузок и в номинальном электрическом режиме (К_н = 1). Тогда интенсивность отказов элементов при эксплуатации в реальных условиях определяется как произведение номинальной интенсивности отказов на поправочные коэффициенты.

Поправочный коэффициент α учитывает влияние на надежность окружающей температуры и электрической нагрузки, а поправочные коэффициенты К учитывают механические воздействия, влажность, давление. Значения номинальных интенсивностей отказов основных элементов РЭА и коэффициентов К помещены в справочники по надежности в виде таблиц.

Поправочные коэффициенты α определяются по справочным данным, которые приводятся или в виде таблиц, или в виде графиков зависимости:

α = f(К_Н,t)

где t – температура окружающей среды, ˚С;

К_Н – коэффициент нагрузки элементов.

Графики зависимости поправочного коэффициента α от температуры окружающей среды и коэффициента нагрузки приведены на рис.3.2 и рис.3.3.

Рис.3.2. Зависимость α от t˚ и К_Н Рис.3.3. Зависимость α от t˚ и К_Н

для конденсаторов слюдяных для германиевых транзисторов

типов КСОТ, КСО

Из графиков видно, что если снизить коэффициент нагрузки, то значение поправочного коэффициента снижается, т.е. за счет облегчения режима работы элемента в схеме можно повысить надежность этих элементов, а следовательно, и улучшить характеристики надежности изделия.

При расчете характеристик надежности все изделия расчленяются на приборы, приборы на блоки, блоки на узлы и т.д. При этом расчет производится от простого к сложному. Схему расчета надежности удобно составить таким образом, чтобы элементами расчета были конструктивно оформленные узлы или блоки. Окончательный расчет надежности складывается из следующих этапов:

– определение типов элементов и их характеристик;

– выбор метода расчета с подбором определенных номограмм, таблиц, графиков или поправочных коэффициентов;

– определение электрических нагрузок и влияния внешней среды на каждый элемент;

– определение по соответствующим таблицам интенсивности отказов каждого элемента;

– суммирование всех интенсивностей отказов с учетом количества элементов каждого типа для определения интенсивности отказов всего изделия;

– расчет количественных характеристик надежности изделия.

Данные расчетов заносятся в итоговые таблицы или приводятся в виде графиков. Оформляется технический отчет по расчету надежности.