Министерство образования Российской Федерации

Мати - Российский государственный технологический

Университет им. К. Э. Циолковского

Кафедра «Наукоемкие технологии радиоэлектроники»

Исследование надежности изделий РЭС

Методические указания к лабораторной работе

По дисциплине «Основы проектирования электронных средств»

Составил: Кирпиченков А. И.

Махина М. М.

Москва 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение……………………………………………………………………...………………………………... 1. Цель работы………………………………………………………………………………………………..... 2. Задание……………………………………………………………………………………………………..... 3. Описание лабораторной установки……………………………………………………………………….. 4. Порядок выполнения работы……………………………………………………………………………... 5. Содержание отчета…………………………………………………………………………………………. 6. Литература……………………………………………………………………………………………….......

Введение

Радиоэлементы и электрорадиоматериалы обладают ограниче­нной теплостойкостью, т.е. могут работать лишь в заданном диапазоне температур. Причина этого в различных физических и химических процессах, которые при повышении (или понижении ) температуры развиваются или лавинообразно, или приводит к усиленному старению материалов.

Для практической оценки пользуются понятием н а д е ж н о с т и как свойства РЭА сохранять величины выходных пара­метров в пределах установленных норм в определенных условиях эксплуатации. Надежность зависит от большого числа факторов: тепловых, механических, электрических, влажности и т.д., од­нако анализ статистических данных об отказах показывает, что нестабильность параметров элементов из-за воздействия темпе­ратуры составляет 60-70%.

В настоящих указаниях изложен методический подход к рас­чету надежности изделия на уровне функционального узла с уче­том тепловых и электрических режимов работы.

1. Цель работы

Овладеть методикой анализа и расчета надежности изделий РЭА; исследовать электрические и тепловые режимы; оценить влияние электрических и тепловых режимов эксплуатации на надежность.

2. Задание

Исходными данными для выполнения работы являются: принципиальная электрическая схема функционального узла усилителя низкой частоты; справочные значения интенсивностей отказов электрорадиоэлементов, входящих в УНЧ при нормальных условиях (температуре 2510^оС, атмосферном давлении 1004 кПа, относительной влажности атмосферы 6515%, при естественном фоне радиации, коэффициенте электрической нагрузки К_н=1); справочные данные об электрических параметрах работы указанных электрорадиоэлемантов в номинальных режимах.

На основании измерений электрических и тепловых режимов работы УНЧ провести ориентировочный расчет надежности при нормальной и повышенной температуре окружающей среды. Проанализировать возможности повышения надежности исследуемого функ­ционального узла.

4. Порядок выполнения работы

1.Изучить принципиальную схему УНЧ, уяснить назначение входящих в него элементов, значений напряжений, токов или мощностей рассеяния, соответствующих номинальным электрическим режимам элементов [2-4], занести в табл.2.

Таблица 2

Наи-менование и тип	Обозначение по эл. схеме	Номинальный режим			Рабочие режимы комнатная Т повыш. Т						Коэффициент нагрузки Кн
		Uoi	Ioi	Poi	U1i	I1i	P1i	U2i	I2i	P2i
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13

Таблица 3

Номер контрольной точки в электрической схеме УНЧ	Электрический потенциал в контрольной точке относительно земли
	При комнатной температуре	При повышенной температуре
1
:
14

2. Подключить к гнездам Х1 и Х2 вольтметры для измерения постоянного напряжения и температуры. Включить установку – нажать кнопку «сеть». При этом должен загореться ламповый индикатор включения в сеть.

3. Измерить электрические и тепловые режимы элементов УНЧ и заполнить соответствующие столбцы таблиц 2 и 3. При измерениях температуры следует иметь в виду, что в градировочной таблице 1 указаны значения термоэлектродвижущей силы.

(т.э.д.с.) при температуре холодных концов термопары, равной 0°С. Следовательно, необходимо учитывать поправку на реальную температуру холодных концов (комнатная температура). Т.э.д.с., соответствующая комнатной температуре, например 25°С, равна 1,64 мВ (по таблице 1). Эту поправку необходимо прибавить к показанию вольтметра.

Пример. Показания вольтметра 1,986 мВ. Комнатная температура t_к=20°C, что соответствует т.э.д.с, 1,31 мВ. Эту поправку прибавляем к показаниям прибора 1,986 мВ + 1,31 мВ=3,296 мВ. По табл.1 находим искомую температуру. При значении т.э.д.с 3.296 мВ она составляет примерно 49°С.

4. Нажать кнопку "нагрев". Ламповый индикатор должен ин­дицировать работу нагревательного элемента в камере с иссле­дуемым УНЧ. Нагрев произвести до температуры среды, заданной преподавателем (максимальное значение температуры среды из-за наличия системы термостабилизации не может превысить 52⁰С) и повторить пункт 3.

5. Рассчитать коэффициент электрической нагрузки, пользуясь при этом соотношением

(1)

где Nраб – нагрузка элемента в рабочем режиме,

Nном – нагрузка элемента в номинальном режиме.

Для транзисторов Кн определяется по одному из ниже приведенных отношений

;

для резисторов

для конденсаторов

для диодов (по одному из ниже приведенных)

.

6. Провести ориентировочный расчет надежности УНЧ при нормальной и повышенной температурах окружающей среды по изло­женной ниже методике; результата расчета представить в табл.6.

Определяется интенсивность отказов элементов в схеме УНЧ в рабочем режиме и при реальных условиях окружающей среды по формуле

i = oi*₁₂ (2)

где _oi – значение интенсивности отказов, полученное в нормальных условиях (при температуре 2510^оС; атм. давлении 1004кПа; относительной влажности атмосферы 6515%; при естественном фоне радиации; коэффициенте электрической нагрузки Кн=1); ₁ – поправочный коэффициент, учитывающий электрическую нагрузку и температуру элемента; ₂ – поправочный коэффициент, учитывающий влияние механических нагрузок.

Значения интенсивностей отказов в нормальных условиях приведены в таблице 4. Значения коэффициентов ₁ и ₁ можно определить из графиков (рис.4-10) и таблицы 5.

Радиоэлектронные системы состоят из совокупности элемен­тов, соединенных между собой по определенной схеме. Для анализа влияния отдельных элементов на надежность системы составляют схему надежности. Последняя не имеет ничего общего с построением обычных структурных или принципиальных схем РЭА. Схему надежности составляют исходя из следующих принципов ком­бинации параллельного и последовательного соединений элементов:

если элемент принципиальной или структурной схемы при полном отказе вызывает полный отказ системы, он включается в схему надежности последовательно;

если элемент принципиальной схемы при полном отказе не вызывает полного отказа системы, он включается в схему надежности параллельно;

Так как в подавляющем большинстве полные отказы элементов приводят к полным отказам системы, схема надежности таких радиоэлектронных устройств представляет собой цепочку последовательно соединенных элементов, рис.11.

Пусть вероятность безотказной работы каждого элемента задана. Очевидно, что система* будет работать только в том случае, если не откажет ни один элемент цепочки. Согласно теории вероятностей общая вероятность безотказной работы такой системы равна [5]

, (3)

где N – количество элементов, p_i(t) – вероятность безотказной работы i – элемента.

С учетом того, что при постоянной интенсивности отказов элементов _i

, (4)

Рис.4. Зависимость коэффициента а₁ от коэффициента нагрузки К_н и рабочей температуры для германиевых транзисторов

Рис.4. Зависимость коэффициента а₁ от коэффициента нагрузки К_н и рабочей температуры для проволочных резисторов

*- "системой" в данном случае является исследуемый УНЧ.

Таблица 4.

Элементы и узлы	oi*106/ч	Элементы и узлы	oi*106/ч
Электровакуумные приборы Лампы накаливания Лампы неоновые Ламповые панели Транзисторы германиевые: мощностью до 1 Вт мощностью более 1Вт Транзисторы кремниевые: мощностью до 1 Вт мощностью более 1Вт Диоды: германиевые кремниевые Термисторы Резисторы: непроволочные проволочные Конденсаторы: постоянной емкости переменной емкости Клеммы, гнезда многоштыревые соединители (на 1 штырь) Соединения: с помощью пайки с помощью сварки обжимные крученые Электромагнитные реле коммутационные силовые Катушки индуктивности	5-200 1,0 0,2 0,75 0,1 0,5 0,08 0,8 0,8 0,5-0,05 0,6 0,1-0,02 0,1-1,0 0,5-1,0 0,01-0,4 0,14 0,05 0,01 0,04 0,02 0,001 0,01-1,0 10 0,02	Транзисторы: в режиме усиления в режиме переключен. Герконовые реле: с одной группой на переключение с двумя группами на переключение Переключатели: кнопочные(на 1 пару контактов) вращающиеся (на 1 контакт) микро (на пару контактов) Предохранители Трансформаторы и дроссели Микромодули этажерочные Полупроводниковые ИМС средней степени интеграции (20-40 компонентов): логические линейные Гибридные ИМС средней степени интеграции Большие ИМС (200-300 компонентов) Измерительные стрелочные приборы Электромоторы малой мощности Двигатели шаговые Кристаллы кварцевые Кабели	0,5 0,4 0,01 0,03 0,2 0,1 0,1 0,2 0,8-7 0,1-5 0,1-0,5 0,3-0,6 0,5-8 1-10 0,1 5,0 3,0 0,162 0,472

Таблица 5

Значения коэффициента а₂

Элементы	Амортизированные элементы				Неамортизи рованные элементы при температуре 20-60оС
	Влажность до 70%		Влажность до 90%
	температура				влажность
	20-25 оС	40 оС	20 оС	20-25 оС	до 70%	90%
Полупровод-никовые Сопротив-ления и конденсаторы Прочие элементы	1 1 1	1 1 2	2 2 2	2 2 2	2 2 2	5 5 5

Таблица 6.

Наименование и тип элемента	Кн	ti,oC	oi	a1	a2	i
1	2	3	4	5	6	7

Рис.6. Зависимость коэффициента а₁ от коэффициента нагрузки К_н и рабочей температуры для кремниевых диодов

Рис.7. Зависимость коэффициента а₁ от коэффициента нагрузки К_н и рабочей температуры для кремниевых транзисторов

Рис.8. Зависимость коэффициента а₁ от коэффициента нагрузки К_н и рабочей температуры для непроволочных резисторов

Рис.9. Зависимость коэффициента а₁ от коэффициента нагрузки К_н и рабочей температуры для конденсаторов

Рис.10. Зависимость коэффициента а₁ от коэффициента нагрузки К_н и рабочей температуры для трансформаторов.

Рис.11. Схема последовательного соединения по надежности

выражение (3) приобретает вид:

(5)

Полагая

(6)

где величиной  обозначена интенсивность отказов системы, находим соотношение для расчета зависимости вероятности безотказной работы от времени

(7)

В практических расчетах надежности РЭА при определении интенсивности отказов системы  учитывает общие условия работы РЭА следующим образом:

(8)

где К_э – коэффициент эксплуатации; значения К_э даны в табл. 7.

Таблица 7.

Условия эксплуатации изделия	Кэ
В лабораториях и благоустроенных помещениях В стационарных наземных устройствах На кораблях при монтаже приборов и защищенных отсеках На автоприцепах На железнодорожных платформах В высокогорной аппаратуре В составе бортовой аппаратуры: - на самолетах - на управляемых снарядах - на современных ракетах	1 10 17 25 25-30 80 120-150 300-350 900-1000

Определяется среднее время безотказной работы аппаратуры:

Кривую вероятности безотказной работы рассчитать для 0  t  5T_o

7. На основании полученных результатов выявить надежные элементы, сделать рекомендации по улучшению надежности УНЧ.