Лабораторная работа №1.
Тема работы: Расчет надежности электронных устройств.
Цель работы: Используя характеристики надежности элементов, определить: интенсивность отказов устройства в целом, вероятность безотказной работы устройства, среднюю наработку на отказ, среднее время восстановления и стационарное значение коэффициента готовности.
Краткие теоретические сведения.
Большинство промышленных электронных устройств являются не резервируемыми восстанавливаемыми объектами. Поэтому далее будет описана методика оценки надежности устройств только этого класса.
При выполнении расчета считается, что время работы устройства соответствует периоду нормальной эксплуатации, интенсивности отказов элементов являются постоянными, распределение времени безотказной работы подчиняется экспоненциальному закону. Предполагается также, что отказы элементов являются внезапными, полными и независимыми, причем элементы и устройство в целом могут находиться в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном.
Расчетно-логическая схема нерезервированного устройства представляет собой цепочку последовательно соединенных элементов, отказ любого из которых приводит к отказу устройства в целом. Интенсивности отказов элементов зависят от их электрической нагрузки, температуры окружающей среды и других факторов, учитываемых с помощью поправочных коэффициентов.
Интенсивность отказов элементов i-го типа определяется по формуле:
(1)
где:
λ0i - интенсивность отказов данного типа элементов при номинальной электрической нагрузке и нормальных условиях эксплуатации (таблица 1);
αi - коэффициент учитывающий влияние температуры окружающей среды и электрической нагрузки элемента (таблица 2); для элементов не указанных в таблице 2, принимается αi=1;
k1 - коэффициент, учитывающий влияние механических факторов (таблица 3);
k 2 - коэффициент, учитывающий влияние климатических факторов (таблица 4);
k 3 - коэффициент, учитывающий влияние пониженного атмосферного давления (таблица 5).
Под коэффициентом электрической нагрузки kn понимается отношение рабочего значения электрического параметра к его номинальному значению, установленному нормативно-технической документацией. В качестве определяющих, чаще всего принимают следующие параметры:
- рассеиваемая мощность – для транзисторов и резисторов;
- рабочее напряжение – для конденсаторов;
- прямой ток – для полупроводниковых выпрямительных диодов;
- ток стабилизации – для стабилитронов;
- выходной ток – для интегральных аналоговых микросхем и буферных цифровых микросхем;
- коэффициент разветвления по выходу – для прочих цифровых микросхем;
- ток через контакт – для электромагнитных реле и электрических соединителей;
- потребляемая мощность для трансформаторов и дросселей.
При этом подразумевается, что остальные параметры, характеризующие режимы эксплуатации элемента, также не превосходят предельно допустимых значений.
Таблица 1. Характеристики надежности элементов.
| № п/п | Вид элемента | Интенсивность отказов, λ0·10-6 (1/ч) | Среднее время восстановления, τ bi (ч) |
| Интегральные микросхемы | 0,5 | 1,2 | |
| Транзисторы | 0,5 | 0,5 | |
| Диоды и стабилитроны | 0,2 | 0,5 | |
| Диодные сборки | 0,6 | 0,8 | |
| Оптроны | 0,5 | 0,6 | |
| Светодиоды | 0,5 | 0,5 | |
| Фотодиоды | 0,1 | 0,5 | |
| Фоторезисторы | 0,5 | 0,5 | |
| Конденсаторы оксидно-электролитические алюминиевые | 0,5 | 0,5 | |
| Конденсаторы прочие | 0,07 | 0,5 | |
| Резисторы постоянные | 0,02 | 0,5 | |
| Резисторы переменные | 0,25 | 0,8 | |
| Реле* | 0,25 | 1,5 | |
| Контакторы* | 0,25 | 1,0 | |
| Переключатели* | 0,05 | 0,8 | |
| Электрические соединители* | 0,2 | 1,7 | |
| Трансформаторы силовые | 1,0 | 1,8 | |
| Трансформаторы импульсные | 0,2 | 1,5 | |
| Дроссели | 0,25 | 1,0 | |
| Электродвигатели малой мощности | 5,0 | 3,0 | |
| Двигатели шаговые | 3,0 | 3,0 | |
| Провода монтажные на 1 метр длинны | 0,01 | 0,5 | |
| Вставки плавкие | 0,1 | 0,05 | |
| Соединения пайкой | 0,01 | 0,1 |
Примечание:
1. * - интенсивность отказов приведена в расчете на одну контактную группу.
2. В расчете предпочтительно использовать значения λ0 для конкретных типов применяемых элементов (при наличии такой информации).
Таблица 2. Значения коэффициентов αi.
| Наименование элементов | Температура, 0С | Значения коэффициентов αi, при коэффициенте электрической нагрузки элементов kn | ||||||
| 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | ||
| Микросхемы | 0,35 | 0,40 | 0,45 | 0,52 | 0,59 | 0,67 | 0,77 | |
| 0,48 | 0,55 | 0,62 | 0,71 | 0,81 | 0,93 | 1,06 | ||
| 0,66 | 0,76 | 0,86 | 0,98 | 1,12 | 1,28 | 1,46 | ||
| 0,91 | 1,05 | 1,19 | 1,36 | 1,55 | 1,77 | 2,02 | ||
| 1,26 | 1,45 | 1,64 | 1,87 | 2,13 | 2,43 | 2,78 | ||
| Транзисторы | 0,16 | 0,18 | 0,20 | 0,35 | 0,43 | 0,50 | 0,63 | |
| 0,16 | 0,19 | 0,22 | 0,37 | 0,46 | 0,55 | 0,67 | ||
| 0,17 | 0,20 | 0,23 | 0,40 | 0,51 | 0,59 | 0,72 | ||
| 0,18 | 0,21 | 0,24 | 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,78 | ||
| 0,19 | 0,22 | 0,26 | 0,50 | 0,61 | 0,71 | 0,85 | ||
| Диоды, стабилитроны, диодные сборки, светодиоды | 0,77 | 0,78 | 0,79 | 0,81 | 0,83 | 0,85 | 0,88 | |
| 0,85 | 0,85 | 0,86 | 0,88 | 0,90 | 0,92 | 0,97 | ||
| 0,92 | 0,92 | 0,94 | 0,97 | 1,00 | 1,04 | 1,08 | ||
| 0,98 | 1,00 | 1,02 | 1,05 | 1,09 | 1,13 | 1,19 | ||
| 1,04 | 1,08 | 1,11 | 1,16 | 1,22 | 1,30 | 1,39 | ||
| Резисторы | 0,20 | 0,26 | 0,35 | 0,42 | 0,50 | 0,60 | 0,72 | |
| 0,27 | 0,34 | 0,43 | 0,51 | 0,62 | 0,75 | 0,88 | ||
| 0,33 | 0,42 | 0,51 | 0,60 | 0,76 | 0,94 | 1,11 | ||
| 0,40 | 0,50 | 0,59 | 0,71 | 0,92 | 1,17 | 1,38 | ||
| 0,47 | 0,57 | 0,67 | 0,82 | 1,08 | 1,43 | 1,70 | ||
| Конденсаторы | 0,28 | 0,28 | 0,36 | 0,49 | 0,64 | 0,80 | - | |
| 0,30 | 0,30 | 0,38 | 0,50 | 0,70 | 0,94 | - | ||
| 0,34 | 0,34 | 0,42 | 0,54 | 0,80 | 1,10 | - | ||
| 0,38 | 0,38 | 0,49 | 0,63 | 0,95 | 1,43 | - | ||
| 0,46 | 0,46 | 0,61 | 0,75 | 1,19 | 2,00 | - | ||
| Трансформаторы, дроссели | - | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,20 | 0,30 | 0,60 | |
| - | 0,10 | 0,10 | 0,20 | 0,30 | 0,60 | 1,00 | ||
| - | 0,20 | 0,20 | 0,20 | 0,50 | 1,20 | 1,80 | ||
| - | 0,20 | 0,20 | 0,30 | 0,80 | 1,80 | 2,80 | ||
| - | 0,30 | 0,30 | 0,40 | 1,20 | 2,50 | 4,10 |
Таблица 3. Значения коэффициентов k1, для неамортизированной аппаратуры.
| Вид аппаратуры | Коэффициент k1 |
| Лабораторная | 1,00 |
| Наземная стационарная | 1,07 |
| Корабельная | 1,37 |
| Автомобильная | 1,46 |
| Железнодорожная | 1,54 |
| Авиационная | 1,65 |
Таблица 4. Значения коэффициентов k2.
| Влажность, % | Температура, 0С | Коэффициент k2 |
| 60-70 | 20-40 | 1,0 |
| 60-80 | 50-60 | 1,5 |
| 90-98 | 20-25 | 2,0 |
| 90-98 | 30-40 | 2,5 |
Таблица 5. Значение коэффициентов k3.
| Высота, км | 0-1 | 1-3 | 3-8 | 8-15 | 15-30 |
| Коэффициент k3 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,4 |
Интенсивность отказов устройства в целом, определяется как:
(2)
где mi – число элементов i-го типа;
n – число типов элементов.
Результаты промежуточных вычислений оформляются в табличной форме (таблица 6).
Если внешние воздействия на все элементы устройства одинаковы, то при вычислении интенсивности отказов устройства в целом, произведение коэффициентов учитывающих влияние механических, климатических факторов и влияния пониженного атмосферного давления можно записать перед знаком суммы.
Вероятность безотказной работы устройства рассчитывается по формуле:
(3)
где время t выбирается из ряда: 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 ч.
Рассчитанное значение вероятности безотказной работы не должно быть менее 0,8.
Средняя наработка на отказ определяется из соотношения:
(4)
Среднее время восстановления устройства вычисляется по формуле:
(5)
где τ0 – время ожидания ремонта, выбираемое исходя из условий эксплуатации устройства;
τbi – среднее время восстановления для i-го типа элементов (см. таблицу 1).
Рассчитанное значение среднего времени восстановления устройства необходимо округлить до ближайшего большего значения из ряда: 1; 5; 10; 20; 40; 60 минут; 2; 4; 6; 8; 10; 12; 18; 24; 36; 48; 96 часов.
Стационарное значение коэффициента готовности определяется по формуле:
(6)
где τ0b – среднее время обнаружения отказа после его возникновения.
При непрерывном контроле работоспособности устройства, среднее время обнаружения отказа после его возникновения принимается равным нулю, при периодическом контроле τ0b >0.
Содержание работы.
1. Ознакомление с краткими теоретическими сведениями и методикой выполнения работы.
2. Расчет интенсивности отказов элементов i-го типа.
3. Расчет интенсивности отказов устройства в целом.
4. Расчет вероятности безотказной работы устройства.
5. Расчет средней наработки на отказ.
6. Расчет среднего времени восстановления устройства.
7. Расчет стационарного значения коэффициента готовности.
8. Оформление результатов расчетов.