Министерство образования Российской Федерации
|
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской революции
И ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н. Э. Баумана
 |
Факультет РЛМ
Кафедра "Технологии приборостроения"
Домашнее задание
по дисциплине
"Основы надежности технических систем»
на тему:
« Расчет надежности электронного модуля с учетом его эксплуатации и технологического фактора»
Студент группы РЛ6-71: Федорченко А.В.
Преподаватель: Ветрова Н.А.
Москва 2011
Задание
Определить значения интенсивности отказов элементов стабилизатора напряжения (рис.1), предназначенного для эксплуатации в наземных стационарных условиях. Уровни качества изготовления элементов соответствует I классу.
Нередко для питания радиолюбительских конструкций требуется стабилизатор напряжения, рассчитанный на ток до 1А и обладающий низким уровнем пульсаций, небольшим выходным сопротивлением, устойчивостью к токовым перегрузкам. Этим условиям отвечает предлагаемый стабилизатор, схема которого приведена на рисунке.
Рис.1 Схема стабилизатора напряжения 12В, 1А.
При выходном напряжении 12 В и токе нагрузки до 1А его коэффициент стабилизации и коэффициент подавления пульсаций превышает 2000, а выходное сопротивление составляет 20 мОм. При появлении перегрузок стабилизатор ограничивает ток на уровне в 2...2,5 раза больше номинального тока и предохранитель успевает сгореть раньше, чем температура перехода транзистора V3 превысит максимально допустимую. Стабилизатор содержит регулирующий транзистор (V3), усилитель постоянного тока (V4) и устройство сравнения (V6). Стабилитрон V5 и резистор R6 образуют источник опорного напряжения. Цепочка R7C1 и конденсатор С2 устраняют возможное самовозбуждение стабилизатора на высоких частотах. Коллекторный ток транзистора V6 задается резистором R5 и составляет 1...1.5 мА. Резистор R3 служит для ограничения коллекторного тока транзистора V4 при переходных процессах и перегрузках стабилизатора. Поскольку источник опорного напряжения питается выходным напряжением, отсутствующим в момент включения стабилизатора, введена специальная цепочка запуска из резистора R1, стабилитрона V1 с напряжением стабилизации, равным или несколько меньшим, чем у стабилитрона V5, и развязывающего диода V2. Когда на стабилизатор подают напряжение, через резистор R1, диод V2 и транзистор V6 протекает ток, достаточный для открывания транзисторов V3 и V4. После того как стабилизатор войдет в нормальный режим работы, диод V2 отключает цепь запуска. Транзистор V3 (а при больших точках нагрузки и V4) следует установить на радиатор. Если стабилизатор возбуждается на высоких частотах, подбирают детали цепочки R7C1. В случае плохого запуска стабилизатора при подключенной нагрузке и минимальном напряжении на его входе, подбирают резистор R1 (уменьшают его сопротивление). Подбором резистора R3 устанавливают уровень ограничения тока (2...2,5 А). Стабилизатор подключают к выпрямителю, рассчитанному на ток нагрузки не менее 1 А.
|
|
Примечание: из-за использования в схеме старых элементов не имеющих аналогов, заменим диод V2 и стабилитрон V5 так, чтобы схема продолжала работать в качестве стабилизатора напряжения, но выходное напряжение составляло 6В.
|
|
Соберем схему и выполним подробный расчет в системе автоматизированного проектирования Multisim10.1. Ниже приложен скриншот с обозначениями токов и напряжений в собранной схеме.
Примечание: одновременное измерение токов и напряжений на всех необходимых участках цепи искажает реальное значение напряжений в связи со спецификой работы данной программы, поэтому данный рисунок является скорее показательным и не использовался при расчетах. Для расчетов измерялось напряжение отдельно на каждом участке цепи.
Пример:
а) б)
Показатели тока и напряжения на диоде:
а) при измерении только на одном участке цепи
б) при измерении на всех участках
Начальные условия.
| Элемент схемы | Конструкторско-технические характеристики | Режим работы |
| Транзистор V3 (КТ817Б) | Тип n-p-n; Ррасс. = 1 Вт; Uкэ.пред = 45 В; Iк.пред = 3 А; | Uраб = 20В; P раб = 0,01Вт; t = 25°С |
| Транзистор V4 (КТ626А) | Тип p-n-p; Ррасс. = 6.5 Вт; Uкб.пред = 45 В; Iк.пред = 0,5 А; | Uраб = 18В; P раб = 0,06Вт; t = 25°С |
| Транзистор V6 (КТ315Б) | Тип n-p-n; Рк = 150 мВт; Uкэ.пред = 25 В; Iк.пред = 100 мА; | Uраб = 0,63В; P раб = 0,03Вт; t = 25°С |
| Стабилитрон V1 (КС156А) | Рмакс = 300 мВт; Uст.ном.пред=5,6В; Iст.ном.пред=10мА; | Iст.раб=11,8мА; t = 25°С |
| Диод V2 (КД509А) | Uобр. = 50 В; Iпред = 100 мА; | Iпр=0,012А; t = 25°С |
| Стабилитрон V5 (КС168А) | Рмакс = 300 мВт; Uст.ном.пред=6,8В; Iст.ном.пред=10мА; | Iст.раб=5,15мА; t = 25°С |
| Резистор R1 | постоянный проволочный; R1 = 1.5 кОм | P раб = 209,45 мВт; t = 25°С |
| Резистор R2 | постоянный проволочный; R2 = 200 Ом | P раб = 2,18 мВт; t = 25°С |
| Резистор R3 | постоянный проволочный; R3 = 360 Ом | P раб = 4,72 мВт; t = 25°С |
| Резистор R4 | постоянный проволочный; R4 = 620 Ом | P раб = 1,3 мВт; t = 25°С |
| Резистор R5 | постоянный проволочный; R5 = 430 Ом | P раб = 0,9 мВт; t = 25°С |
| Резистор R6 | постоянный проволочный; R6 = 330 Ом | P раб = 7,5 мВт; t = 25°С |
| Резистор R7 | постоянный проволочный; R7 = 3 кОм | P раб = 3 пВт; t = 25°С |
| Резистор R8 | постоянный проволочный; R8 = 820 Ом | P раб = 0,96 мВт; t = 25°С |
| Резистор R9 | постоянный проволочный; R9 = 820 Ом | P раб = 1,0 мВт; t = 25°С |
| Конденсатор C1 | постоянный проволочный; C 1 = 200 мкФ | Uраб = 6,8 В; t = 25°С |
| Конденсатор C2 | постоянный проволочный; C 2 = 100 мкФ | Uраб = 16 В; t = 25°С |
| Предохранитель плавкий | Iмакс=1 А; | Iраб=110 мА; t = 25°С |
Примечание: резистор С2-33 -резистор постоянный непроволочный тонкослойный металлодиэлектрический, регистрационный номер 33.
|
|
Условно будем считать интенсивность предохранителя известной.
Расчет показателей интенсивности отказов элементной базы.
Транзистор V3 (КТ817Б)
Марка транзистора КТ817Б; Тип транзистора n-p-n.
Значения интенсивности отказов для биполярных транзисторов рассчитывают по зависимости: λэ = λбсг∙ Kр ∙Kдн∙Kф∙Ks1∙Kэ∙Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:
табл.1: λбсг = 0,07∙10-6 ч-1 – транзисторы биполярные;
зависимость (3): Kр = 0,211 
;
табл.8: Kдн = 0.6 – для Pмакс до 1Вт;
табл.4: Kф = 1,6 – аналоговый сигнал;
табл.5: Ks1= 0,5;
табл. 11: Kэ = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 10: Kк = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг∙ Kр ∙Kдн∙Kф∙Ks1∙Kэ∙ Kк = 0,07∙10-6∙0,211∙0,6∙1,6∙0,5∙5∙1 = 0,035448∙10-6 ч-1.
Транзистор V4 (КТ626А)
Марка транзистора КТ626А; Тип транзистора p-n-p.
Значения интенсивности отказов для биполярных транзисторов рассчитывают по зависимости: λэ = λбсг∙ Kр ∙Kдн∙Kф∙Ks1∙Kэ∙Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:
табл.1: λбсг = 0,07∙10-6 ч-1 – транзисторы биполярные;
зависимость (3): Kр = 0,2 
;
табл.8: Kдн = 1.1 – для Pмакс до 10Вт;
табл.4: Kф = 1,6 – аналоговый сигнал;
табл.5: Ks1= 0,5;
табл. 11: Kэ = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 10: Kк = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг∙ Kр ∙Kдн∙Kф∙Ks1∙Kэ∙ Kк = 0,07∙10-6∙0,2∙1,1∙1,6∙0,5∙5∙1 = 0,0616∙10-6 ч-1.
Транзистор V6 (КТ315Б)
Марка транзистора КТ315Б; Тип транзистора n-p-n.
Значения интенсивности отказов для биполярных транзисторов рассчитывают по зависимости: λэ = λбсг∙ Kр ∙Kдн∙Kф∙Ks1∙Kэ∙Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:
табл.1: λбсг = 0,07∙10-6 ч-1 – транзисторы биполярные;
зависимость (3): Kр = 0,171 
;
табл.8: Kдн = 0.6 – для Pмакс до 1Вт;
табл.4: Kф = 1,6 – аналоговый сигнал;
табл.5: Ks1= 0,5;
табл. 11: Kэ = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 10: Kк = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг∙ Kр ∙Kдн∙Kф∙Ks1∙Kэ∙ Kк = 0,07∙10-6∙0,171∙0,6∙1,6∙0,5∙5∙1 = 0,0287∙10-6 ч-1.
Резистор R1
R1 = 1.5 кОм.
Значения интенсивности отказов для постоянных резисторов: λэ = λбсг∙Kр∙KR∙Kэ∙ Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:
табл. 12 – λбсг=0,0016∙10-6 ч-1-см. примечание выше;
зависимость (6) – Kр = 0,419 
;
табл. 14 – KR = 0.8 – номинал до 100кОм;
табл. 18 – Kэ = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 17 – Kк = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kр∙KR∙Kэ∙Kк = 0,0016∙10-6 ∙0,419∙0,8∙2,5∙1 = 0,001344∙10-6 ч-1.
Резистор R2
R2 = 200 Ом.
Значения интенсивности отказов для постоянных резисторов: λэ = λбсг∙Kр∙KR∙Kэ∙ Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:
табл. 12 – λбсг=0,0016∙10-6 ч-1-см. примечание выше;
зависимость (6) – Kр = 0,29 
;
табл. 14 – KR = 1,1– номинал до 1кОм;
табл. 18 – Kэ = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 17 – Kк = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kр∙KR∙Kэ∙Kк = 0,0016∙10-6 ∙0,29∙1,1∙2,5∙1 = 0,001276∙10-6 ч-1.
Резистор R3
R3 = 360 Ом.
Значения интенсивности отказов для постоянных резисторов: λэ = λбсг∙Kр∙KR∙Kэ∙ Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:
табл. 12 – λбсг=0,0016∙10-6 ч-1-см. примечание выше;
зависимость (6) – Kр = 0,291 
;
табл. 14 – KR = 1,1– номинал до 1кОм;
табл. 18 – Kэ = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 17 – Kк = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kр∙KR∙Kэ∙Kк = 0,0016∙10-6 ∙0,291∙1,1∙2,5∙1 = 0,00128∙10-6 ч-1.
Резистор R4
R4 = 620 Ом.
Значения интенсивности отказов для постоянных резисторов: λэ = λбсг∙Kр∙KR∙Kэ∙ Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:
табл. 12 – λбсг=0,0016∙10-6 ч-1-см. примечание выше;
зависимость (6) – Kр = 0,29 
;
табл. 14 – KR = 1,1– номинал до 1кОм;
табл. 18 – Kэ = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 17 – Kк = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kр∙KR∙Kэ∙Kк = 0,0016∙10-6 ∙0,29∙1,1∙2,5∙1 = 0,001276∙10-6 ч-1.
Резистор R5
R5 = 430 Ом.
Значения интенсивности отказов для постоянных резисторов: λэ = λбсг∙Kр∙KR∙Kэ∙ Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:
табл. 12 – λбсг=0,0016∙10-6 ч-1-см. примечание выше;
зависимость (6) – Kр = 0,29 
;
табл. 14 – KR = 1,1– номинал до 1кОм;
табл. 18 – Kэ = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 17 – Kк = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kр∙KR∙Kэ∙Kк = 0,0016∙10-6 ∙0.29∙1.1∙2.5∙1 = 0,001276∙10-6 ч-1.
Резистор R6
R6 = 330 Ом.
Значения интенсивности отказов для постоянных резисторов: λэ = λбсг∙Kр∙KR∙Kэ∙ Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:
табл. 12 – λбсг=0,0016∙10-6 ч-1-см. примечание выше;
зависимость (6) – Kр = 0,292 
;
табл. 14 – KR = 1,1– номинал до 1кОм;
табл. 18 – Kэ = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 17 – Kк = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kр∙KR∙Kэ∙Kк = 0,0016∙10-6 ∙0.292∙1,1∙2,5∙1 = 0,001285∙10-6 ч-1.
Резистор R7
R7 = 3 кОм.
Значения интенсивности отказов для постоянных резисторов: λэ = λбсг∙Kр∙KR∙Kэ∙ Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:
табл. 12 – λбсг=0,0016∙10-6 ч-1-см. примечание выше;
зависимость (6) – Kр = 0,29 
;
табл. 14 – KR = 0,8– номинал до 100кОм;
табл. 18 – Kэ = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 17 – Kк = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kр∙KR∙Kэ∙Kк = 0,0016∙10-6 ∙0,29∙0,8∙2,5∙1 = 0.00093∙10-6 ч-1.
Резистор R8
R8 = 820 Ом.
Значения интенсивности отказов для постоянных резисторов: λэ = λбсг∙Kр∙KR∙Kэ∙ Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:
табл. 12 – λбсг=0,0016∙10-6 ч-1-см. примечание выше;
зависимость (6) – Kр = 0,29 
;
табл. 14 – KR = 1,1– номинал до 1кОм;
табл. 18 – Kэ = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 17 – Kк = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kр∙KR∙Kэ∙Kк = 0,0016∙10-6 ∙0,29∙1,1∙2,5∙1 = 0,001276∙10-6 ч-1.
Резистор R9
R2 = 820 Ом.
Значения интенсивности отказов для постоянных резисторов: λэ = λбсг∙Kр∙KR∙Kэ∙ Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:
табл. 12 – λбсг=0,0016∙10-6 ч-1-см. примечание выше;
зависимость (6) – Kр = 0,29 
;
табл. 14 – KR = 1,1– номинал до 1кОм;
табл. 18 – Kэ = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 17 – Kк = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kр∙KR∙Kэ∙Kк = 0,0016∙10-6 ∙0,29∙1,1∙2,5∙1 = 0,001276∙10-6 ч-1.
Конденсатор C1 (К50-35)
Марка конденсатора К50-35; C1 = 200 мкФ.
Значения интенсивности отказов для электролитических алюминиевых конденсаторов рассчитывают по зависимости (7): λэ = λбсг ∙Kp ∙Kc∙Kэ∙Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:
табл. 19 – λбсг = 0,0022∙10-6–Конденсаторы оксидно-электролитические алюминиевые;
зависимость (8) – Kр =0.127 
;
зависимость (10) – Kc = 1 – С<103 мкФ;
табл. 21 – Kэ = 3 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 22 – Kк = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kp ∙Kc∙Kэ∙Kк= 0,0022∙10-6 ∙0.127∙1∙3∙1 =8.4∙10-10 ч-1.
Конденсатор C2 (К50-35)
Марка конденсатора К50-35; C2 = 100 мкФ.
Значения интенсивности отказов для биполярных керамических конденсаторов рассчитывают по зависимости (7): λэ = λбсг ∙Kp ∙Kc∙Kэ∙Kк.
Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:
табл. 19 – λбсг = 0,0022∙10-6;
зависимость (8) – Kр =0.127 
;
зависимость (10) – Kc = 1– С<103 мкФ;
табл. 21 – Kэ = 3 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
табл. 22 – Kк = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kp ∙Kc∙Kэ∙Kк= 0,0022∙10-6 ∙0.127∙1∙3∙1 = 8.4∙10-10 ч-1.
Диод V2 (КД509А)
Марка диода КД509А.
Значения интенсивности отказов для диодов рассчитывают по зависимости (2): λэ = λбсг ∙Kp ∙Kдн∙Kф∙Kс1∙Kэ∙Kк.
табл. 1 – λбсг = 0,045∙10-6
зависимость (3) – Kр =0.154 
;
табл. 4 - Kф=0,6 диод работает в переключающем режиме;
табл. 5 - Ks1=0,7;
табл. 9 - Kдн=0,7;
табл. 10 - Kк = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
табл. 11: Kэ = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kp ∙Kдн∙Kф∙Kс1∙Kэ∙Kк = 0,045∙10-6∙0.154∙0,6∙0,7∙0,7∙5∙1 =0,01019 ∙10-6 ч-1.
Стабилитрон V1 (КС156А)
Значения интенсивности отказов для стапбилитронов рассчитывают по зависимости (2): λэ = λбсг ∙Kp ∙Kэ∙Kк.
табл. 1 – λбсг = 0,004∙10-6 - стабилитроны;
зависимость (3) – Kр =0.244 
;
табл. 10 - Kк = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
табл. 11: Kэ = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kp ∙Kэ∙Kк = 0,004∙10-6∙0.244∙5∙1 =0,0049 ∙10-6 ч-1.
Стабилитрон V5 (КС168А)
Значения интенсивности отказов для стапбилитронов рассчитывают по зависимости (2): λэ = λбсг ∙Kp ∙Kэ∙Kк.
табл. 1 – λбсг = 0,004∙10-6 - стабилитроны;
зависимость (3) – Kр =0.244 
;
табл. 10 - Kк = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.
табл. 11: Kэ = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;
Таким образом, получаем:
λэ = λбсг ∙Kp ∙Kэ∙Kк = 0,004∙10-6∙0.244∙5∙1 =0,0049 ∙10-6 ч-1.