книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

Для большинства расчетов и оценки надежности приборов СВЧ целесообразно пользоваться интенсивно­ стью отказов (ламбда-характеристикой), заведомо при­ нимая ее как усредненную ориентировочную величину за определенный интервал времени.

Из выражений (7.6) и (7.8) видна связь надежности приборов с их сроком службы, который наиболее пра­

ные приборы СВЧ введено понятие долговечности при­ боров. Требование долговечности и испытание на долго­ вечность характеризуют свойства приборов продолжи­ тельно работать в определенных испытательных режи­ мах. Обычно вводят среднюю долговечность и оценива­ ют ее процентом годности. Процент годности вычисляют как отношение суммы часов «горения» приборов к ма­ ксимально возможному числу горения приборов, опре­ деляемых заданной долговечностью на прибор.

п — число приборов, выдержавших испытание в те­ чение времени U, не ухудшив свои параметры за пределы норм, установленных в качестве критериев долговечности.

Рассматривая, например, импульсные магнетроны, необходимо отметить, что в качестве критериев долго­ вечности их служат отдаваемая мощность, стабильность работы и спектр генерируемых колебаний, которые не должны выходить за пределы специально установленных норм. Режим испытания магнетронов на долговечность строго регламентирован и поддерживается на протяже­ нии испытаний неизменным.

Из формулы (7.9) и определения долговечности сле­ дует, что по мере увеличения количества испытуемых образцов и приближения режима и условий испытаний к реальным условиям эксплуатации процент годности при испытании на долговечность все ближе отражает

320

эксплуатационную надежность магнетронов. В этом случае по результатам испытаний можно оценивать интенсивность отказов Я и среднее время безотказной работы Гср. Естественный ход статистических кривых

Рис. 7.1. Типичные статистические зависимости процента годности и интенсивности отказов электронных приборов от времени (срока службы).

Период / характеризуется повышенной интенсивно­ стью отказов, связанной с проявлением скрытых техно­ логических недостатков приборов. Это так называемые ранние отказы, большинство которых выявляется в про­ цессе приработки (тренировки или периода стабилиза­ ции параметров) приборов при изготовлении. Основная часть этой области показана на рис. 7.1 заштрихован­ ной.

В начальный период закон распределения отказов более близок к логарифмичеокому нормальному [20].

Период II является основным установившимся пе­ риодом эксплуатации. В этот период имеют место слу­ чайные отказы за счет неподдающихся контролю про­ цессов в приборах. Интенсивность -отказов в течение

периода // изменяется незначительно и на небольших участках может быть принята -постоянной, т. е. может быть «принят экспоненциальный закон распределения

отказов.

Период Ш отказов связан со старением приборов — постепенным ухудшением параметров приборов. В этот период действует нормальный закон распределения от­ казов

от технологии -изготовления*и «примененных материалов. Существенное влияние на надежность -приборов оказы­ вает система контроля качества продукции, правила хранения и способы проверки исправности приборов в эксплуатационных условиях. Всем этим вопросам по­ священ ряд работ отечественных и зарубежных авторов [22-32].

Наконец, надежность приборов в аппаратуре зави­

ки, изготовления и эксплуатации аппаратуры и прибо­ ров (рис. 7.2).

Рассмотрим более подробно воп-рос о влиянии режи­ мов работы и условий использования приборов на коли­ чественные характеристики надежности. Анализ свойств приборов при изменении режимов был проведен выше применительно к триодам СВЧ, импульсным магнетро­ нам, отражательным клистронам и ЛБВ. Количествен­ ное влияние электрических и тепловых режимов на на­

быть распространены на маломощные триоды, отража­ тельные клистроны, лампы бегущей и обратней волны.

Так, для ориентировочных расчетов учета влияния на­ пряжения накала на интенсивность "отказов маломощ-

322

пых приборов с оксидным катодом можно воспользо­ ваться зависимостью

(7.11)

где X — интенсивность отказов при эксплуатации при­ боров с номинальным напряжением накала С/н; V — интенсивность отказов приборов при напряже­ нии накала И\ь изменяющемся в пределах 5—20% от номинального значения напряже­

ния UH;

А0— коэффициент, имеющий определенное значение для различных конструкций приборов.

Рис. 7.2. Схема достижения и поддержания надежности электронных приборов (пунктиром показаны обратные связи, воздействующие на повышение надежности приборов

в эксплуатационных условиях).

Подобная эмпирическая зависимость для прираще­ ния интенсивности отказов -показана на рис. 7.3. Из это­ го графика видно, что наиболее высокая надежность приборов имеет место при небольшом недокале.

Для приборов с рассеиваемой мощностью на элек­ тродах порядка 1 вт интенсивность отказов зависит

от температуры окружающей среды, точнее температу­ ры корпуса (баллона), и может быть ориентировочно определена выражением

<7 л 2 >

где Я — интенсивность отказов при эксплуатации прибо­ ров с номинальным значением температуры бал­

лона /бал»

Я' — интенсивность отказов при температуре балло­

на ¥бал!

п — показатель, изменяющийся для различных зна­ чений мощности, рассеиваемой та аноде;

В— коэффициент, имеющий определенное значение для различных конструкций приборов.

Рис. 7.3. График приращения интен­ сивности отказов маломощных элек­ тронных приборов от напряжения накала.

Формула (7.12) справедлива для ламп со стеклян­ ным баллоном при температуре до 200—220° С. При тем­ пературе баллона свыше 220° С для обычных стекол на­ чинается электролиз, газовыделение и размягчение стек-

324

ла, что приводит к резкому понижению надежности (рис. 7.4).

Зависимость относительного приращения интенсивно­ сти отказов приборов в стеклянном баллоне от измене­ ния температуры окружающей среды для различных

W

Рис. 7.4. Зависимость вероятности без­ отказной работы маломощных стеклян­ ных ламп от температуры баллона.

значений мощности Р а, рассеиваемой на аноде, приве­ дены на рис. 7.5.

Для приборов с анодным напряжением до 500 в за­ висимость интенсивности отказов от изменения анодного напряжения может быть определена следующей прибли­

325

сI \ °А'

Рис. 7.G. Графики приращения интенсивности отка­ зов от изменения анодного напряжения.

327

аппаратуры, приведут к заметному повышению надеж­ ности аппаратуры.

Например, коэффициент нагрузки 'по мощности, рас­ сеиваемой в приборе, можно определить как

ры применяются в допустимых режимах, если указан­ ные коэффициенты меньше или равны единице.

Вопрос, который при этом возникает, смогут ли при­ боры в выбранных режимах работы обеспечить задан­ ную надежность на аппаратуру или блок? Для ответа на этот вопрос необходимо вычислить вероятность без­ отказной работы каждого прибора, входящего в состав аппаратуры или блока, а затем по правилам теории вероятностей вычислить вероятность безотказной работы аппаратуры или блока по формуле

п

Эта операция достаточно сложна, и можно поступить значительно проще. Полагая закон распределения ин­

328

Логарифмируя данное выражение и произведя про­ стейшие преобразования, будем иметь

/=1

Правая часть равенства вычисляется, исходя из тре­ бований, заданных на аппаратуру.

Сумма интенсивностей отказов элементов, входящих в состав аппаратуры или блока, вычисляется по данным интенсивности отказов на каждый тип прибора с по­ правками на режим и условия использования прибора.

Если приборы в аппаратуре или блоке применены одинаковые, то выражение (7.17) может быть перепи­ сано в виде

где N — общее количество применяемых приборов. Упрощенно можно сказать: если в аппаратуре при­

меняется N одинаковых приборов, имеющих интенсив­ ность отказов Лол, то в течение времени t зависимость вероятности безотказной работы аппаратуры Р&п опре­ деляется выражением

В результате проведенного рассмотрения можно счи­ тать, что электронные приборы в аппаратуре по режи­

(7.20)

i=l

В заключение приведем некоторые данные по интен­ сивности отказов приборов СВЧ, опубликованные в ма­ териалах симпозиумов по надежности, состоявшихся в последние годы в США (38], и обобщенные в работе [8].

329