В случаях, когда герметичность конструкции не является обязательным условием, целесообразно осуществлять перфорирование корпуса. При перфорированном корпусе конвективный теплообмен в основном происходит между элементами ЭВС и окружающей средой, проникающей сквозь перфорацию. Количество протекающего воздуха будет зависеть от площади перфорации и разницы между плотностью воздуха на входе и выходе блока. В то же время увеличение мощности, отводимой в протекающий воздух при увеличении площади перфорационных отверстий, будет наблюдаться только до определенных пределов. Увеличение площади отверстий приводит к уменьшению площади корпуса и, следовательно, к уменьшению мощности лучеиспускания. Уменьшение поверхности контактирования с окружающим воздухом в конечном итоге может привести к снижению мощности, отводимой протекающим воздухом.
Как показывает практика, оптимальное соотношение между площадью отверстий и поверхностью корпуса лежит в пределах 20 – 30%.
Перфорации могут быть различных видов: отверстия, жалюзи, сетки и т.п. Форма отверстий может быть различной, но при квадратных отверстиях увеличивается отношение между площадью отверстий и площадью перемычек, что благоприятно сказывается на эффективности охлаждения. Размеры отверстий могут быть следующими: круглые отверстия могут иметь диаметры 4, 6, 8 и 10 мм; квадратные - 4x4 мм; прямоугольные - 3x25, 4x50 мм. Чем меньше размеры вентиляционных отверстий, тем меньше вероятность попадания внутрь ЭВС внешних помех.
Перфорации целесообразно располагать на горизонтальных поверхностях, отстоящих друг от друга на максимальном расстоянии, в идеале на крышке и дне корпуса. При этом для обеспечения возможности свободного подхода к аппаратуре охлаждающего воздуха дно корпуса должно быть приподнято над базовой поверхностью на 20 – 30 мм. В иных случаях допускается перфорировать боковые стенки, но при этом перфорации следует располагать на расстоянии от дна или крышки не более ¼ высоты корпуса.
Когда толщина стенок корпуса не обеспечивает необходимой жесткости, вместо отверстий применяют жалюзи.
С внутренней стороны корпуса вентиляционные отверстия часто закрывают металлическими сетками. Вместо сеток в днище стоек устанавливают пылезащитные фильтры. Жалюзи в выключенном состоянии предохраняют аппаратуру от попадания внутрь пыли.
Порядок расчета.
Коэффициенты К1, К2, КН1, КН2 находятся в соответствии с формулами (1.9.5) – (1.9.8).
Рассчитываем степень перфорированности корпуса:
П = Sп / (2·L1·L2), (1.9.20)
где Sп - площадь перфорационных отверстий на верхней и нижней плоскости корпуса.
Находим коэффициент Кп в зависимости от степени перфорации:
Кп = 0,29 + 1 / (1,41 + 4,95·П). (1.9.21)
Находим перегрев нагретой зоны:
Δtз = 0,93·Кп·[К1·КН1 + (К2/0,93 – К1)·КН2]. (1.9.22)
Определяем перегрев корпуса блока:
Δtк = 0.93·К1·КН1·Кп. (1.9.23)
Определяем средний перегрев воздуха в блоке:
Δtв = 0,6·Δtз. (1.9.24)
Находим температуры корпуса блока, нагретой зоны и воздуха в блоке:
Тк = Δtк + Тс; (1.9.25)
Тз = Δtз + Тс; (1.9.26)
Тв = Δtв + Тс, (1.9.27)
где Тс - температура окружающей среды.
Оценка теплового режима ЭВС при принудительном
воздушном охлаждении
Принудительное воздушное охлаждение получило наибольшее распространение, так как позволяет при более высоких удельных мощностях рассеивания обеспечить нормальный тепловой режим ЭВС при относительной простоте и небольшой стоимости. Вместе с тем системы принудительного воздушного охлаждения имеют и ряд существенных недостатков, таких как наличие акустических шумов и вибрации, увеличение объема и массы, снижение надежности изделия и увеличение затрат мощности на охлаждение.
Конструкция, в которой используется принудительная воздушная вентиляция, должна обладать следующим требованиям:
- обладать малым аэродинамическим сопротивлением протекающему воздуху;
- обеспечивать хороший доступ холодного воздуха к теплонагруженным элементам;
- предотвращать попадание нагретого воздуха на теплочувствительные элементы;
- защищать внутренний объем от пыли;
- обеспечивать резервирование принудительного воздушного потока;
- осуществлять автоматическое отключение блока при выходе из строя системы принудительной вентиляции.
Различают три основные схемы принудительного воздушного охлаждения: внутреннее перемешивание, наружный обдув, продувку. При применении внутреннего перемешивания газа с помощью встроенного вентилятора к мощности, рассеиваемой в герметичном блоке, добавляется мощность электродвигателя вентилятора. Температура внутри блока снижается за счет интенсивности принудительного воздушного охлаждения. Кроме того, при этом значительно выравниваются температуры элементов внутри, что для некоторых классов аппаратуры является важным параметром. Внутреннее перемешивание и наружный обдув сочетают признаки принудительного и естественного охлаждения, поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать схему охлаждения с продувкой.
При продувке воздух из окружающей среды или предварительно охлажденный в специальных устройствах (теплообменниках, кондиционерах и т.д.) пропускается через специальные каналы и охлаждают элементы ЭВС. На практике применяют три системы принудительного воздушного охлаждения: приточную, вытяжную и приточно-вытяжную (рис.1.9.1).
Приточная система характеризуется тем, что воздух под давлением, создаваемым вентилятором, поступает в аппаратуру, отбирает тепло от элементов и выбрасывается в окружающую среду или поступает в вытяжной воздуховод (коллектор). В вытяжной системе вентилятор устанавливается на выходе воздуха из аппаратуры. При этом он высасывает воздух из корпуса. В приточно - вытяжной системевентиляторы устанавливают и на входе и на выходе воздуха.
Каждая из систем обладает своими недостатками и достоинствами. Достоинством приточной системы является то, что воздух в аппаратуру подается с повышенным давлением, что благоприятствует теплоотдаче внутри аппаратуры. Вместе с тем поступающий в шкаф воздух имеет более высокую температуру, так как он нагревается за счет части мощности, потребляемой электродвигателем вентилятора. В вытяжной системе мощность вентилятора не оказывает влияние на температуру всасываемого в аппаратуру воздуха, однако этот воздух имеет давление несколько ниже нормального и поэтому менее эффективен как теплоноситель. Кроме того, в такой системе электродвигатель вентилятора находится в потоке горячего воздуха, выходящего из аппаратуры, и здесь следует обращать внимание на то, чтобы температура электродвигателя не превышала допустимую.
| 
| 
|
| а) | б) | в) |
Рис.1.9.1. Системы принудительного воздушного охлаждения аппаратуры: а – приточная; б – вытяжная; в – приточно-вытяжная
Приточная и вытяжная системы имеют общий недостаток: они не препятствуют утечкам воздуха. В то же время применение приточно-вытяжной системы даже без изменения конструкции аппаратуры позволяет в несколько раз снизить утечки воздуха. Поэтому, несмотря на кажущуюся сложность приточно-вытяжной системы, применение ее экономически целесообразно.
При использовании коэффициентного метода оценки теплового режима для системы принудительного воздушного охлаждения делаются следующие допущения:
- температура окружающей среды -60 ÷ +60 °С;
- температура охлаждающего воздуха на входе -20 ÷ +60 °С;
- коэффициент заполнения 0,1 ÷ 0,65;
- мощность, рассеиваемая в блоке, 5 ÷ 800 Вт;
- массовый расход охлаждающего воздуха 0,003 ÷ 0,25 кг/с;
- сечение блока, перпендикулярное к направлению продува 0,02 ÷ 0,75 м2 и длина блока в направлении продува 0,1 ÷ 0,8 м.
Для оценки теплового режима блока с принудительным воздушным охлаждением с использованием экспериментальных данных была получена следующая формула для определения перегрева нагретой зоны:
Δtз = Pm1m2m3m4 + Δtв, (1.9.28)
где m1 - коэффициент, учитывающий величину массового расхода охлаждающего воздуха; m2 - коэффициент, учитывающий величину площади поперечного к направлению обдува сечения блока; m3 - коэффициент, учитывающий длину блока в направлении продува; m4 - коэффициент, учитывающий заполнение блока; Δtв – средний перегрев воздуха в блоке.
Определяем средний перегрев воздуха в блоке
Δtв = P/(2CpG) = 5·10-4P/G, (1.9.29)
где Р - мощность источников тепла, расположенных в блоке; G - массовый расход охлаждающего воздуха; Ср – теплоемкость воздуха (Ср = 103 Дж/кг·К при нормальных условиях).
Находим площадь поперечного в направлении продува сечения корпуса блока:
S = L1L2 , (1.9.30)
где L1 и L2 - размеры корпуса блока, перпендикулярные направлению продува.
Находим коэффициент m1 в зависимости от массового расхода охлаждающего воздуха:
m1 = 0,001G-0,5. (1.9.31)
Находим коэффициент m2 в зависимости от поперечного в направлении продува сечения корпуса блока:
m2 = (L1L2)-0,406. (1.9.32)
Определяем коэффициент m3 в зависимости от длины корпуса блока в направлении продува:
m3 = L3-1,059. (1.9.33)
Находим коэффициент m4 в зависимости от коэффициента заполнения блока:
m4 = Kз-0,42(1-Кз2/3)0,5. (1.9.34)
Рассчитываем перегрев нагретой зоны блока:
Δtз =Δtв + Pm1m2m3m4. (1.9.35)
Находим площадь условной поверхности нагретой зоны:
Sз = 2[L1L2 +(L1 + L2)L3Kз]. (1.9.36)
Определяем удельную мощность, выделяемую в нагретой зоне:
qз = Р/Sз. (1.9.37)
Находим удельную мощность, выделяемую элементом:
qэл = Рэл/Sэл, (1.9.38)
где Рэл - мощность, рассеиваемая элементом; Sэл - площадь поверхности элемента, обдуваемая воздухом.
Рассчитываем перегрев поверхности элемента:
Δtэл = Δtз(0,75 + 0,25qэл/qз)(0,5 + L/Lз), (1.9.39)
где L - расстояние в направлении движения охлаждающего воздуха от входного сечения до места расположения элемента.
Рассчитываем перегрев окружающей элемент среды:
Δtэс = Δtв(0,75 + 0,25qэл/qз)(0,5 + L/Lз). (1.9.40)
Находим температуру нагретой зоны:
Тз = Δtз + Твх; (1.9.41)
среднюю температуру воздуха в блок:
Тв = Δtв + Твх; (1.9.42)
температуру воздуха на выходе из блока:
Тв2 = 2Δtв + Твх; (1.9.43)
температуру поверхности элемента:
Тэл = Δtэл + Твх; (1.9.44)
температуру окружающего элемент воздуха:
Тэс = Δtэс + Твх. (1.9.45)
Задание для самостоятельной работы
1. Оценка теплового режима блока ЭВС с герметичным корпусом.
Исходные данные для расчета:
1) температура воздуха окружающей среды Тс, oC:
Тс = 5 + N;
2) коэффициент заполнения Кз:
Кз = 0,3 + 0,02N;
3) мощность Р, выделяемая в объеме блока, Вт:
Р = 150 +10N;
4) атмосферное давление снаружи корпуса Н1, МПа:
Н1 = 0,01 + 0,002N;
5) давление внутри блока Н2, МПа:
Н2= 0,015 + 0,002N;
6) размеры блока - L1, L2, L3, мм:
L1=150+10N; L2=180+10N; L3=220+10N;
где N – номер варианта, задаваемый преподавателем.
1.1. Рассчитать тепловые характеристики для корпуса и нагретой зоны. Результаты расчета представить в виде следующей таблицы.
Тепловые характеристики нагретой зоны и корпуса блока
| qк, Вт/м2 | qз, Вт/м2 | Δt к, оC | Δt з, оC | Δt в,оC | Tк, оC | Тз, оC | Тв, оC |
1.2. Рассчитать тепловые характеристики для радиоэлементов, находящихся в нагретой зоне (тип радиоэлемента задается преподавателем). Данные расчета представить в виде таблицы.
Тепловые характеристики элементов
| Тип элемента | Sэл, м2 | Рэл, Вт | qэл, Вт/м2 | Тэл, оС | Tэс, оC | Тз, оC | Тк, оC |
1.3. Построить график зависимости тепловых характеристик Тк, Тз, Тв от внешнего давления среды Н1. Данные расчета представить в виде таблицы.
Влияние внешнего давления Н1 на тепловые характеристики
| Тепловая характеристика | Внешнее давление, МПа | |||||
| 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,06 | 0,08 | 0,10 | |
2. Оценка теплового режима для блока ЭВС с перфорированным корпусом.
Исходные данные для расчета:
В качестве исходных данных взять данные из п.1. Атмосферное давление снаружи корпуса и давление внутри корпуса считать одинаковыми:
Н1 = Н2 = 0,01 + 0,002N.
2.1. Рассчитать влияние степени перфорированности корпуса блока на температуры корпуса Тк, нагретой зоны Тз и воздуха Тв в блоке. Результаты расчета привести в виде таблицы.
Результаты расчета тепловых характеристик Тк, Тз, Тв
| Тепловая характеристика | Степень перфорированности корпуса П | ||||||
| 0,10 | 0,12 | 0,14 | 0,16 | 0,18 | 0,20 | 0,22 | |
2.2. Построить графики влияния степени перфорированности корпуса П на тепловые характеристики Тк, Тз, Тв.
3. Оценка теплового режима для блока ЭВС с принудительным воздушным охлаждением.
Исходные данные для расчета:
1) температура воздуха на входе блока Твх, oC:
Твх = 5 + N;
2) производительность вентилятора G, кг/с:
G = 0,01N;
3) остальные данные в соответствии с п.1 (коэффициент заполнения, Кз; мощность Р, выделяемая в объеме блока, Вт; размеры блока - L1, L2, L3, мм).
3.1. Определить температуры нагретой зоны Тз, воздуха на выходе из блока Тв2, воздуха в блоке Тв. Результаты расчета представить в виде таблицы.
Тепловые характеристики блока
| θв, оС | m1 | m2 | m3 | m4 | Тз, оС | Тв, оС | Тв2, оС |
3.2. Определить температуру нагретой зоны, температуру воздуха в блоке, температуру воздуха на выходе из блока в зависимости от производительности вентилятора. Результаты расчета представить в виде таблицы.
| Температура определяемой характеристики | Производительность вентилятора, кг/с | |||||||
| 0,003 | 0,006 | 0,009 | 0,012 | 0,015 | 0,018 | 0,021 | 0,025 | |
3.3. Построить графики зависимостей Тз, Тв, Тв2 от производительности вентилятора.
3.4. Определить перегрев элемента с площадью поверхности Sэл = 1,3 см2 в зависимости от расстояния от входного сечения. (Рэл = 0,25 Вт). Результаты расчета представить в виде таблицы.
| θэл, оС | Расстояние от входного сечения, L | ||||
| 0,2 L | 0,4 L | 0,6L | 0,8 L | 1,0 L | |
3.5. Построить график зависимости перегрева элемента от расстояния от входного сечения.
Контрольные вопросы
1. Что такое конвекция?
2. Методы конвекционного охлаждения аппаратуры.
3. Тепловая модель.
4. От чего зависит эффективность конвекционного охлаждения?
5. Какие другие методы теплового охлаждения аппаратуры применяют в конструкциях ЭВС?
6. Как влияет внешнее и внутреннее давление на перегрев корпуса и нагретой зоны?
7. Как влияет перфорация корпуса на тепловой режим работы аппаратуры?
8. Сущность методики расчета теплового режима аппаратуры в перфорированном корпусе.
9. Способы принудительного охлаждения аппаратуры.
10. Требования, предъявляемые к конструкции с принудительным воздушным охлаждением.
1.10. Оценка показателей надежности узлов ЭВС
Понятие надежности конструкции
Надежность – это свойство конструкции сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения конструкции и условий применения состоит из сочетания свойств безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности.
Первые три свойства основаны на противодействии разрушительным физико-химическим и механическим воздействиям, четвертое – на создании благоприятных условий для предупреждения и обнаружения причин повреждений и их устранения.
Работоспособным называют такое состояние конструкции (изделия), когда она в любой момент времени может выполнять свои функции в соответствии с документацией, в отличие от исправного состояния, при котором она тоже соответствует всем требованиям документации, но не обязательно способна в данный момент выполнять заданные функции. Исправное изделие в рассматриваемый момент времени может находиться на складе, транспортироваться и т.д.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности конструкции (изделия). Безотказность означает требование к конструкции непрерывно сохранять работоспособность в заданных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени, или наработки. Отказы по своему характеру делят на внезапные и постепенные.
Внезапные отказы возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров элементов конструкции (обрыв или короткое замыкание). Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента исправным или его ремонтом. Постепенные отказы возникают в результате изменения параметров элементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов. Причинами изменения параметров являются: старение элементов, воздействие окружающей среды, колебания температуры, влажности, давления, механические воздействия (вибрации, удары, перегрузки). Устраняют постепенные отказы заменой, ремонтом, регулировкой отказавшего элемента.
Долговечность – свойство конструкции сохранять работоспособность с установленными заранее перерывами для технического обслуживания и ремонтов вплоть до наступления предельного состояния, связанного с невозможностью использования по назначению. Предельное состояние является таким состоянием конструкции (изделия), при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена по одной из следующих причин: из-за неустранимого нарушения техники безопасности; из-за неустранимого ухода заданных параметров за установленные пределы; из-за нецелесообразности проведения среднего или капитального ремонта.
Сохраняемость – это способность конструкции сохранять эксплуатационные показатели работоспособности по истечении заданного срока хранения и транспортирования в регламентированных условиях.
Ремонтопригодность - это приспособляемость конструкции к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Процесс возникновения отказов в ЭВС описывается сложными вероятностными законами. Для оценки надежности ЭВС вводят количественные характеристики, для определения которых обычно используют экспериментальные данные и последующую их обработку.
Оценка надежности ЭВС
Исходными данными для расчета показателей надежности конструкции ЭВС являются: принципиальная схема с указанием типа деталей, входящих в неё; режимы работы всех деталей (электрические, климатические и механические); значения интенсивности отказов всех типов деталей при номинальных и фактических режимах, значения среднего времени безотказной работы и дисперсия для элементов, подверженных постепенным отказам.
К основным «компонентам ненадежности» конструкций ЭВС можно отнести: комплектующие элементы (интегральные схемы и электрорадиоэлементы); элементы монтажа (линии связи, сварные, паяные или термокомпрессионные соединения, разъемы, печатные платы, металлизированные отверстия). Для всех этих элементов преобладающими являются внезапные отказы.
Интенсивность отказов комплектующих элементов с учетом условий эксплуатации изделия находим по следующей формуле:
(1.10.1)
где λ0i - интенсивность отказов элемента при нормальных условиях работы (температура окружающей среды Тс = +(298±10)К, относительная влажность (65±15)%, коэффициент электрической нагрузки kн = 1); k1, k2 - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов; k3 - поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры; k4 - поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха; ai(T, kн) - поправочный коэффициент в зависимости от температуры поверхности элемента (T) и коэффициента нагрузки (kн).
Коэффициентом нагрузки называют отношение фактического значения воздействующего фактора к его номинальному или максимально допустимому значению. Усредненные данные по интенсивностям отказов комплектующих элементов и электрических соединений приведены в табл. 1.10.1.
В табл. 1.10.2 – 1.10.4 приведены значения поправочных коэффициентов k1 – k4.
Таблица 1.10.1
Интенсивность отказов комплектующих элементов
и электрических соединений
| Наименование элемента | Интенсивность отказов λ0i,10-6, ч-1 |
| Аккумуляторы | 7,2 |
| Вентиляторы | 2,2 |
| Гнезда | 0,01 |
| Громкоговорители динамические | |
| Датчики оптические | 4,7 |
| Диоды маломощные | 0,02 |
| Диоды мощные | 0,2 |
| Дроссели | 0,34 |
| Кабели | 0,475 |
| Катушки индуктивности | 0,02 |
| Клеммы, зажимы | 0,0005 |
| Конденсаторы воздушные переменные | 0,034 |
| Конденсаторы стеклянные | 0,06 |
| Конденсаторы танталовые | 0,02 |
| Конденсаторы керамические | 0,15 |
| Конденсаторы электролитические | 0,035 |
| Микросхемы в керамическом корпусе | 0,01 |
| Микросхемы в пластмассовом корпусе | 0,1 |
| Обмотки электродвигателя | 0,08 |
| Пайка печатного монтажа | 0,01 |
| Пайка навесного монтажа | 0,03 |
| Переключатели кнопочные | 0,07· n (контактов) |
| Предохранители | 0,5 |
| Провода соединительные | 0,015 |
| Разъемный контакт | 0,05 |
| Резисторы композиционные | 0,043 |
| Резисторы пленочные | 0,03 |
| Резисторы проволочные | 0,087 |
| Резисторы угольные | 0,045 |
Продолжение табл. 1.10.1
| Реле | 0,25· n (контактов) |
| Соединение «под винт» | 0,08 |
| Соединение накруткой | 0,0012 |
| Соединение обжимкой | 0,006 |
| Соединение сваркой | 0,0006 |
| Соединители | 0,062· n |
| Транзисторы кремниевые до 150 мВт | 0,84 |
| Транзисторы кремниевые до 1 Вт | 0,5 |
| Транзисторы кремниевые до 4 Вт | 0,74 |
| Трансформаторы высокочастотные | 0,045 |
| Трансформаторы силовые | 0,025 |
| Трансформаторы выходные | 0,09 |
| Трансформаторы звуковой частоты | 0,02 |
| Автотрансформаторы | 0,06 |
| Электродвигатели асинхронные | 8,6 |
| Электродвигатели синхронные | 0,359 |
Таблица 1.10.2
Коэффициенты влияния механических воздействий
| Условия эксплуатации аппаратуры | Вибрация k1 | Ударные нагрузки k2 |
| Лабораторные | 1,0 | 1,0 |
| Стационарные (полевые) | 1,04 | 1,03 |
| Корабельные | 1,3 | 1,05 |
| Автофургонные | 1,35 | 1,08 |
| Железнодорожные | 1,4 | 1,1 |
| Самолетные | 1,46 | 1,13 |
Таблица 1.10.3
Коэффициент влияния влажности и температуры
| Влажность, % | Температура, оС | Поправочный коэффициент k3 |
| 60 – 70 | 20 – 40 | 1,0 |
| 90 – 98 | 20 – 25 | 2,0 |
| 90 – 98 | 30 – 40 | 2,5 |
Таблица 1.10.4
Коэффициент влияния атмосферного давления
| Давление, кПа | Поправочный коэффициент k4 | Давление, кПа | Поправочный коэффициент k4 |
| 0,1 – 1,3 | 1,45 | 32 – 42 | 1,2 |
| 1,3 – 2,4 | 1,40 | 42 – 50 | 1,16 |
| 2,4 – 4,4 | 1,36 | 50 – 65 | 1,14 |
| 4,4 – 12,0 | 1,35 | 65 – 80 | 1,1 |
| 12 – 24 | 1,3 | 80 – 100 | 1,0 |
| 24 – 32 | 1,25 |
Для учета влияния режима работы на интенсивность отказов электрорадиоэлементов вводят коэффициент нагрузки kн = Нраб/Нном, равный отношению нагрузки в рабочем режиме к нагрузке в номинальном режиме.
Коэффициент нагрузки для транзисторов
kн1 = Рк.раб/Рк.ном; kн2 = Uк.э.раб/Uк.э.ном; kн3 = Iк.раб/Iк.ном;
для резисторов
kн = Рраб/Рном;
для конденсаторов
kн = Uраб/Uном;
для диодов
kн1 = Iпр.раб/Iпр.ном; kн2 = Uобр.раб/Uобр.ном;
для трансформаторов
kн = Jiраб/Jiном,
где Ji - плотность тока в i -й обмотке.
Для учета импульсных режимов работы элементов при подсчетах основных электрических параметров в соответствующие формулы вводят скважность сигналов Q. Например, средняя мощность
,
где tи – длительность импульса; Т – длительность такта.
Графики для определения значений поправочных коэффициентов ai(T, kн) для различных радиоэлементов приведены на рис.1.10.1 – 1.10.4.
Рис. 1.10.1. Зависимость для транзисторов
| 
Рис. 1.10.2. Зависимость ai(T, kн) для конденсаторов
|
Рис. 1.10.3. Зависимость ai(T, kн) для полупроводниковых диодов
| 
Рис. 1.10.4. Зависимость ai(T, kн) для резисторов
|
Рассчитывается вероятность безотказной работы конструкции ЭВС в течение заданной наработки (0, tp):
, (1.10.2)
где n - число элементов.
Вычисляется интенсивность отказов конструкции ЭВС:
. (1.10.3)
Находится среднее время наработки до отказа конструкции ЭВС:
. (1.10.4)
Среднее время наработки на отказ сравнивается с заданным в техническом задании на разработку изделия.
Надежность аппаратуры определяется надежностью и количеством используемых в ней элементов. Так как надежность является одним из основных параметров изделия, то, проектируя аппаратуру, ее следует оценивать наряду с другими параметрами и на основе этих расчетов делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделий.
На этапе проектирования, когда еще точно не определены режимы работы схемы, производят расчет, задаваясь ориентировочными данными, определяющими режимы работы. Так, в качестве температуры окружающей среды для каждого из элементов может быть принято среднее значение температуры внутри блока, определенное на основании оценки теплового режима блока.
Ориентировочные значения коэффициентов нагрузки по напряжению могут быть определены для элементов каждого типа по известному напряжению источника питания и номинальному значению напряжений всех элементов.
Коэффициенты нагрузки по мощности резисторов для ориентировочного расчета следует выбирать в пределах 0,5 – 0,6. После того как определены условия работы элементов и интенсивность отказов с учетом этих условий, можно рассчитать интенсивность отказов аппаратуры и среднюю наработку на отказ, пользуясь формулами (1.10.3) и (1.10.4). Вероятность безотказной работы может быть вычислена по (1.10.2). Входящее в это выражение время tр дается в техническом задании на разработку.
Если полученные в результате расчета параметры надежности не соответствуют требованиям, то следует проанализировать возможность повышения надежности за счет облегчения режимов или использования более надежных типов элементов. Следует также проанализировать, как применение новых элементов или режимов использования скажется на массе, габаритах, стоимости и других технико-экономических параметрах изделия.
Задание для самостоятельной работы
1. Вариант задания для расчета надежности электронного блока - это разработанная студентом печатная плата в предыдущих заданиях и перечень элементов к ней.
2. Пользуясь графиками, приведенными в данном описании (рис.1.10.1 – 1.10.4), определить поправочные коэффициенты.
3. Результаты расчета интенсивности отказов радиоэлементов проектируемого изделия привести в виде таблицы.
| Порядковый номер | Наименование элемента | Схемное обозначение | Тип элемента | Интенсивность отказов в нормальном режиме λ0i,10-6, ч-1 | Коэффициент нагрузки kнi | Температура Тi, oC | Поправочный коэффициент ai(T, kн) | Интенсивность отказов i -го элемента с учетом внешних условий | Интенсивность отказов i -го элемента в рабочем режиме |
| 1 | |||||||||
| . | |||||||||
| . | |||||||||
| i |
3. Сделать вывод о надежности разработанного изделия.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение надежности изделия.
2. Что называют отказом изделия? Дайте характеристики различных видов отказов.
3. Как определяется интенсивность отказов?
4. Какие логические схемы надежности резервированных систем существуют?
5. В чем заключается расчет надежности изделия?
6. Какие поправочные коэффициенты вводятся при расчете надежности?
ЧАСТЬ 2. технология производства