книги / Обеспечение надежности стабилизаторов напряжения при проектировании и производстве

Предисловие

Задачи повышения качества при проектировании и изго­ товлении современной РЭА, увеличения серийности в производ­ стве и снижения стоимости могут быть успешно решены лишь на', основе обеспечения надежности РЭА, обязательно включающей: в свой состав стабилизаторы напряжения.

Проверка стабилизаторов различных типономииалов в процес­ се изготовления и приемосдаточных испытаний является сложной и трудоемкой задачей и требует установления взаимосвязи с на­ учно обоснованными полями допусков на многочисленные стати­ ческие и динамические параметры стабилизаторов напряжения. С этой целью в настоящей книге рассматриваются основные методы анализа и оценки работоспособности линейных стабилизаторов на­ пряжения во взаимосвязи с процессами динамического контроля и с повышением качества изготовляемых стабилизаторов напря­ жения.

Анализ линейных стабилизаторов напряжения как объекта ав­ томатического регулирования позволяет классифицировать их структуры построения. Методика оценки допустимых значений ди­ намических параметров стабилизаторов напряжения основывается на решении задачи определения вероятности несовместимости ус­ ловия инвариантности предельно допустимого отклонения выход­ ного напряжения от номинала и условия устойчивости, характе­ ризующих техническую надежность стабилизаторов. Работоспо­ собность стабилизаторов напряжения анализируется на основе аналитических методов теории вероятностей и математической ста­ тистики с учетом экспериментально-статистических данных.

На основе рассмотренной методологии предлагаются режимы динамического контроля линейных стабилизаторов напряжения в серийном производстве с использованием рациональной последо­ вательности испытаний. Рассматриваются рекомендации по повы­ шению качества и эффективности контроля работоспособности ста­ билизаторов с учетом автоматизации их проверки. Излагаются принципы построения средств контроля и испытаний линейных ста­ билизаторов напряжения .в условиях серийного производства.

В данной книге автор попытался восполнить пробел в вопро­ сах проектирования и изготовления надежных линейных стабили­ заторов напряжения на транзисторах для цифровой вычислитель­ ной техники, обобщив разрозненные сведения из многих книг и статей, а также результаты собственных работ.

Реализация предложенных автором в книге методик и рекомен­ даций по обеспечению повышения качества и эффективности конт­ роля работоспособности стабилизаторов напряжения позволяет разработать требования к контролю технической надежности, со­ кратить затраты на регулировочные работы и проведение ряда ис­ пытаний, целенаправленно автоматизировать процессы контроля работоспособности и испытаний стабилизаторов напряжения в ус­ ловиях серийного производства.

ОСОБЕННОСТИ И ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЛИНЕЙНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Одной из основных и актуальных задач экономической по­ литики КПСС является повышение качества продукции при самом высоком уровне требований и сокращении доли ручного труда, внедрение механизации и автоматизации производства..

Информационные управляющие средства (ИУС) и различные радиоэлект­ ронные комплексы комплектуются сотнями транзисторных линейных компенса­ ционных стабилизаторов напряжения (СН). Для того чтобы обеспечить радио­ электронную аппаратуру СН, заводы выпускают их достаточно большими се­ риями. Например, годовая программа 'производства СН, обеспечивающих элект­ ропитание ИУС, может составлять несколько десятков тысяч штук. Стабилиза­ торы напряжения, применяемые в других радиоэлектронных устройствах, вы­ пускают также крупными сериями (до ста тысяч штук и более), а выпуск мик­ роэлектронных СН, используемых в широком классе аппаратуры, построенной на интегральных схемах, планируется до нескольких сотен тысяч штук.

Стабилизатор напряжения является довольно сложным радиоэлектронным устройством и характеризуется большим числом контролируемых параметров. Основные характеристики СН рассмотрены в [8], а электрические параметры и технические требования установлены соответствующей технической документа­ цией. Необходимо отметить, что в зависимости от условий применения для раз­ ных СН контролируемые параметры и характеристики существенно отличаются как количественно, так и качественно. Например, анализируя технические ус­ ловия на СН, используемые в технических средствах ЕС ЭВМ, и СН для ИУС можно указать, что к последним предъявляют более высокие требования к динамнческнм характеристикам при импульсном режиме нагрузки.

Для серийного производства современных СН характерны следующие осо­ бенности. Во-первых, выпускаются СН различных типономиналов. Во-вторых, процессы регулировки и приемосдаточных испытаний СН требуют обеспечения большого числа режимов работы. В-третьих, проверка СН является сложной вадачеб, так как необходимо контролировать разнообразные параметры: неста­ бильность при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки в уста­ новившемся и переходных режимах; напряжение пульсаций; температурный и временной дрейф; токи и мощности потребления; уровни срабатывания различ­ ного рода защит и т. д. В-четвертых, из-за разброса параметров элементов, входящих в СН, выходные параметры находятся в определенном поле допус­ ков, правильное определение которых является трудной и малоисследованной вадачеб. В-пятых, для качественного, надежного и экономичного в условиях се­ рийного производства контроля СН требуется создавать специальные средства контроля (специальные контрльно-испытательные рабочие места или сложную

•автоматизированную аппаратуру) н обеспечить их высококвалифицированное •обслуживание. В-шестых, проверка работоспособности СН является повторяю­ щимся процессом, который может неоднократно проводиться на зав оде-изгото­ вителе, заводах-потребителях, объектах.

Сведения о процессах проверки работоспособности СН в усло­ виях серийного производства слабо освещены в отечественной и зарубежной литературе. При этом отмечается [8], что контроль. СН в соответствии с требованиями технических условий на них — довольно сложная задача. Проверка СН производится по требо­ ваниям методики, указанной в технических условиях на СН. При­ чем, как было сказано выше, для СН разных разработок эти тре­ бования существенно отличаются друг от друга. Эти различия при­ водят к выбору разных направлений исследований и технических решений, способствующих повышению качества контроля и про­ пускной способности при проверке работоспособности серийных СН. Следует отметить, что повышенная потребность в разных СН -определила производственную необходимость использования авто­ матизированных средств контроля.

Необходимо указать, что существует определенная тенденция унификации требований к параметрам и режимам контроля СН, что в общем случае способствует упорядочению процесса провер­ ки их работоспособности. Особенности серийного производства оп­ ределяют необходимость установления ряда требований к пара­ метрам и режимам контроля СН, способствующих повышению эф­ фективности и качества процесса проверки их работоспособности.

Рассмотрение процессов проверки работоспособности СН тре­ бует исследования объекта контроля, в результате которого долж­ ны быть выявлены возможные причины неработоспособности СН с учетом реальных условий их серийного производства и эксплу­ атации; определены допусковые области контролируемых парамет­ ров и характеристик; установлены требования к электрическим параметрам и режимам контроля с учетом выбора наиболее жест­ ких (экстремальных) из них по обеспечению статистической точ­ ности и необходимого запаса работоспособности СН; определены необходимые проверки и испытания для рационального, с точки зрения обнаружения отказов, технологического процесса проверки работоспособности СН и устройств электропитания (УЭП) с уче­ том применения автоматизированных средств.

Решение этих вопросов целесообразно производить примени­ тельно к наиболее современным СН, комплектующим ИУС, а так­ же к цифровым вычислительным системам (ЦВС). Причем, учи­ тывая аналогичность технических решений СН, необходимо при исследовании СН как объекта контроля акцентировать внимание на тех требованиях, выполнение которых гарантирует производ­ ство надежных СН, обеспечивающих высокое качество электро­ питания потребителей с учетом реальных условий их работы. Вы­ ше было сказано, что такие требования предъявляются в более жесткой степени к СН для ИУС. Поэтому необходимые исследо-

ваиия целесообразно производить, учитывая опыт производства

иэксплуатации СН.

Всвязи с указанным представляется актуальным исследование

процессов проверки работоспособности СН в условиях их серий­ ного производства. Результат такого исследования должен быть использован для разработки научно обоснованного технологичес­ кого процесса этого цикла производства СН, при котором повы­ шается качество выпускаемой продукции и обеспечивается высо­ кая пропускная способность контроля при максимальном экономи­ ческом эффекте.

Проверка работоспособности СН должна обеспечивать такой контроль параметров и характеристик, который повышает надеж­ ную работу СН в процессе эксплуатации. В связи с этим представ­ ляется целесообразным рассмотреть требования к параметрам и режимам СН. Это позволит выработать рекомендации по выбору контролируемых параметров и режимов проверки, способствующих улучшению технической надежности СН. Под технической надеж­ ностью понимается надежность изделия на этапе производства, ко­ торая определяется: надежностью изготовления, определяемой про­ изводственно-технологическими отказами; и теоретической надеж­ ностью, обусловленной надежностью конструкции, схемы и ком­ плектующих элементов.

Стабилизатор напряжения как линейная система стабилизации с запаздыванием обладает определенными качественными призна­ ками и степенью устойчивости. Качественные признаки, обеспечи­ вающие независимость параметров СН от изменений внешних (на­ пряжения питающей сети, тока нагрузки и т. д.), а также внут­ ренних (параметров комплектующих элементов и т. д.) дестаби­ лизирующих факторов, принято характеризовать инвариантностью (т. е. независимостью) от этих факторов [6]. Как известно, тре­ бования к обеспечению инвариантности и устойчивости являются противоречивыми. В связи с этим представляется целесообразным произвести сравнительный анализ многочисленных разнотипных схем линейных СН как систем автоматического регулирования [15] для определения вероятности несовместимости условий инва­ риантности до допустимого значения е и устойчивости СН как од­ ного из критериев, характеризующих техническую надежность се­ рийных СН. Тогда появляется возможность оценить область допу­ стимых значений полосы пропускания частот и рекомендовать включение соответствующих требований по проверке частных ха­ рактеристик и устойчивой работы в технические условия на СН.

При серийном производстве СН важным является момент выхо­ да их из производства. Это первый момент, когда можно оценить техническую надежность СН как вероятность соответствия истин­ ных характеристик аппаратуры требуемым. К сожалению, требо­ вания по обеспечению технической надежности серийных -СН в; технической документации отсутствуют, а также слабо освещены в отечественной и зарубежной литературе. В связи с этим целесо­ образна оценка статистической точности, которая может харак­

теризовать вероятностный разброс контролируемого параметра (параметров) на момент выхода изделия из производства [17]. Статистическая точность может оцениваться допусками на конт­ ролируемый параметр (параметры), определяемыми по заданной вероятности нахождения контролируемого параметра при наличии технологического (производственного) разброса [17]. При этом технологический разброс параметра вызывается производственны­ ми факторами, к которым можно отнести: дефекты оборудования, колебания режимов работы, неоднородность исходных материалов и комплектующих элементов, погрешности измерительных инстру­ ментов, приборов и др.

Используя аппарат математической статистики, можно произ­ водить сравнительный анализ влияния технологического разброса контролируемого параметра (параметров) на вероятность рабо­ тоспособности СН. Это позволяет разработать и установить тре­ бования' по обеспечению технической надежности серийных СН, что способствует выявлению факторов, которые не могли быть уч­ тены при проектировании, например, из-за неполного соответствия принятых допущений реальным условиям серийного производства [16]. Кроме того, исследование статистической точности СН целе­ сообразно для выбора рациональных контрольных сигналов и до­ пусков контролируемых параметров.

Рассматривая СН как объект контроля, целесообразно иссле­ довать состояние, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, ус­ тановленных нормативно-технической документацией. Это состоя­ ние согласно ГОСТ 13377—75 называется работоспособностью, и для его оценки необходим выбор характеристики, иаилучшим об­ разом отражающей процесс функционирования и требующей для своих расчетов доступной и получаемой с необходимой достовер­ ностью исходной информации. В качестве такой характеристики, как критерий работоспособности СН, следует использовать коэф­ фициент регенерации, который характеризует коэффициент усиле­ ния одноконтурных систем в разомкнутом состоянии и в совокуп­ ности с постоянными времени системы определяет как ее инва­ риантность, так и динамические свойства (устойчивость, качество переходных процессов и т. д.).

Тогда можно оценить запас работоспособности СН с помощью вероятности отсутствия отказа. При этом целесообразно восполь­ зоваться понятиями «нагрузка» и «прочность», имеющими в дан­ ном случае несколько условный смысл, а именно «напрузкой» яв­ ляется действующее значение исследуемого параметра (характе­ ристики), а «прочностью» — его допустимые значения [10, 20]. Тогда, определив область работоспособности СН с помощью ме­ тода корневого годографа [6], можно более широко учесть реаль­ ные воздействия и условия работы СН, в том числе при крайних допустимых пределах, и количественно оценить изменения запаса работоспособности. Кроме того, в результате такого исследования

появляется возможность прогнозирования работоспособности се­ рийных СИ.

Стабилизаторы напряжения, рассматриваемые в настоящей ра­ боте, предназначены главным образом для электропитания уст­ ройств, работающих в импульсном режиме. Причем ток нагр.узки может меняться периодически или непериодически с достаточно большой скоростью, а время его воздействия может составлять как десятки часов, так и десятки и даже единицы микросекунд [14]. Поэтому СН должны быть работоспособны в пределах определен­ ного диапазона частот импульсного изменения тока нагрузки. При­ чем в зависимости* от технических требований, предъявляемых к СН, а также структурного построения систем электропитания ИУС и ЦВС могут оговариваться параметры переходных характеристик СН не только при скачкообразном изменении тока нагрузки, но и напряжения питания. В связи с этим нужно выбрать режимы ди­ намического контроля, обеспечивающего проверку стабильности устойчивости, т. е. сохранения состояния устойчивой работы при изменении (вариации) параметров комплектующих элементов и. динамической устойчивости с учетом требований к статистической точности СН. При этом необходимо исследование реакции СН на детерминированные воздействия в виде последовательности им­ пульсов контрольных сигналов.

Следует отметить, что в технической документации на серий­ ные СН такой контроль не оговаривается. В тоже время его при­ менение позволяет получить более полную информацию о динами­ ческих свойствах серийных СН. При этом целесообразно учиты­ вать реальные условия технологического процесса изготовления СН: применение различных вариантов включения корректирующих звеньев, использование диапазона корректирующих емкостей, вли­ яние разброса параметров элементов комплектующих СН, а так­ же допустимые технические неточности [16], определяемые влия­ нием производственных факторов. На основании указанных иссле­ дований можно и целесообразно построить рациональный процесс проверки работоспособности серийных СН, который должен быть рассчитан на использование автоматизированных средств конт­ роля.

Рост требований к качеству работы СН, обеспечивающих электропитание ИУС, ЦВС и различных УЭП, делает решение таких задач, как обеспечение технической надежности и статистической точности, снижение трудозатрат при выполнении технологических и приемосдаточных испытаний, повышение эффек­ тивности контроля их работоспособности, важной научно-технической пробле­ мой. Решение этих задач предполагает выявление критерия, характеризующего техническую надежность СН; разработку методик « рекомендаций, использова­ ние которых позволяет снизить вероятную долю СИ с необнаруженными отка­ зами или обладающих недостаточным запасом работоспособности; установление требований по обеспечению технической надежности и выбор наиболее рацио,

учитывающего использование устройств формирующих специальные контроль­ ные сигналы и обеспечивающего проверку переходных и частотных характерис­ тик СН.

Особый практический интерес представляет выбор рациональ­ ного объема и содержания проверок и испытаний серийных СН, при котором обеспечивается повышение качества контроля их функционирования, а следовательно, и техническая надежность.

Актуальность рационального выбора последовательности испы­ таний при динамическом контроле работоспособности серийных СН, а также применение специальных средств контроля опреде­ ляются большим числом разнотипных СН, выпускаемых различ­ ными отраслями промышленности, контролируемые параметры и характеристики которых существенно отличаются как количест­ венно, так и качественно, и отсутствием требований по обеспече­ нию технической надежности. Решение этой задачи приобретает в настоящее время особое значение, поскольку их надежная ра­ бота в составе УЭП сокращает расходы при комплексной регули­ ровке и испытаниях МУС, ЦВС и позволяет выявить критические дефекты, наличие которых может привести к невыполнению ра­ диоэлектронными комплексами технических функций.

Цель работы состоит в разработке единого -подхода к анали­ зу и синтезу разнотипных серийных СН. как объектов контроля; создании методик по определению допусковых областей контроли­ руемых параметров и характеристик и оценке статистической точ­ ности и запаса работоспособности СН, обуславливающих выбор режимов и средств динамического контроля; построении наиболее рациональной последовательности испытаний для проверки рабо­ тоспособности СН в условиях серийного производства. В книге поставлены и решены следующие основные задачи:

1. На базе использования теории автоматического регулирова­ ния предложена классификация разнотипных серийных СН как линейных систем стабилизации с запаздыванием, инвариантных до допустимого значения ошибки е.

2. На основе статистического анализа установлена вероятность несовместимости условий инвариантности до е и устойчивости как критерия, характеризующего техническую надежность серийных СН, н разработана методика оценки допустимых значений полосы пропускания частот СН с учетом: различных вариантов включе­ ния корректирующих звеньев, диапазона подбора корректирующих емкостей, влияния запаздывающих аргументов СН и разброса па­ раметров элементов комплектующих СН.

3. На базе полученных экспериментально-статистических дан­ ных при использовании аналитических методов теории вероятно­ стей и математической статистики разработаны методики: оцен­ ки допусковых областей статических и динамических параметров СН, анализа запаса работоспособности относительно изменений ко­ эффициента регенерации, а также определяющих контролируемых параметров СН.

4. Предложены режимы динамического контроля для построе­ ния наиболее рациональной последовательности испытаний в про­ цессе проверки работоспособности серийных СН.

5. Разработаны рекомендации по повышению качества и эф­ фективности контроля работоспособности СН; установлению тре­ бований с целью обеспечения технической надежности; автомати­ зации процесса проверки работоспособности серийных СН.

6. Предложены принципы построения средств контроля и ис­ пытаний, предназначенных для автоматизации процесса проверки работоспособности СН в условиях серийного производства.

Реализация предложенных в книге методик и рекомендаций позволяет при проектировании СН примять меры по уменьшению влияния разброса параметров комплектующих элементов и конт­ рольных сигналов, а также других производственных факторов на статистическую точность и запас работоспособности СН; разра­ ботать требования по обеспечению и контролю технической надеж­ ности; повысить качество и эффективность контроля работоспособ­ ности серийных СН; сократить расходы на ремонтные и восстано­ вительные работы и временные затраты на определенные виды ис­ пытаний СН, а также основных потребителей электропитания ло­ гических и запоминающих устройств ИУС и ЦВС; автоматизиро­ вать процессы контроля работоспособности и испытаний серий­ ных СН.

Г л а в а 2

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗНОТИПНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ КАК СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ

Назначение, принцип действия, схемотехника СН, а также основные электрические параметры и технические требования до­ статочно полно описаны в [8]. При этом в соответствии с основны­ ми требованиями, предъявляемыми к устройствам ИУС и ЦВС, стабилизаторы напряжения должны обеспечивать высокие пока­ затели надежности и динамические характеристики [19].

Стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием’ целесообразно рассматривать как линейную систему стабилиза­ ции [15]. При этом необходимо учитывать запаздывание регули­ рующего элемента, что определяет СН как особую линейную сис­ тему. Известно [6], что линейным системам с запаздыванием свой­ ственны эффекты повышения колебательности (резонансного ти­ па) протекающих процессов внутри области их устойчивой рабо­ ты. Такие эффекты при контроле работоспособности СН могут про­ являться в виде самовозбуждения, а также существенного изме­ нения параметров динамических характеристик. Вместе с этим СН„ предназначенные для устройств ИУС и ЦВС, должны обеспечить, •высокую стабильность питающих напряжений при изменении ос~