Расчет показателей интенсивности отказов элементной базы.

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: λ_э = λ_бсг∙ K_р ∙K_дн∙K_ф∙K_s1∙K_э∙K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:

табл.1: λ_бсг = 0,07∙10^-6 ч^-1 – транзисторы биполярные;

зависимость (3): K_р = 0,211 ;

табл.8: K_дн = 0.6 – для P_макс до 1Вт;

табл.4: K_ф = 1,6 – аналоговый сигнал;

табл.5: K_s1= 0,5;

табл. 11: K_э = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 10: K_к = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг∙ K_р ∙K_дн∙K_ф∙K_s1∙K_э∙ K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙ K_р ∙K_дн∙K_ф∙K_s1∙K_э∙K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:

табл.1: λ_бсг = 0,07∙10^-6 ч^-1 – транзисторы биполярные;

зависимость (3): K_р = 0,2 ;

табл.8: K_дн = 1.1 – для P_макс до 10Вт;

табл.4: K_ф = 1,6 – аналоговый сигнал;

табл.5: K_s1= 0,5;

табл. 11: K_э = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 10: K_к = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг∙ K_р ∙K_дн∙K_ф∙K_s1∙K_э∙ K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙ K_р ∙K_дн∙K_ф∙K_s1∙K_э∙K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:

табл.1: λ_бсг = 0,07∙10^-6 ч^-1 – транзисторы биполярные;

зависимость (3): K_р = 0,171 ;

табл.8: K_дн = 0.6 – для P_макс до 1Вт;

табл.4: K_ф = 1,6 – аналоговый сигнал;

табл.5: K_s1= 0,5;

табл. 11: K_э = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 10: K_к = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг∙ K_р ∙K_дн∙K_ф∙K_s1∙K_э∙ K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙K_р∙K_R∙K_э∙ K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:

табл. 12 – λ_бсг=0,0016∙10^-6 ч^-1-см. примечание выше;

зависимость (6) – K_р = 0,419 ;

табл. 14 – K_R = 0.8 – номинал до 100кОм;

табл. 18 – K_э = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 17 – K_к = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_р∙K_R∙K_э∙K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙K_р∙K_R∙K_э∙ K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:

табл. 12 – λ_бсг=0,0016∙10^-6 ч^-1-см. примечание выше;

зависимость (6) – K_р = 0,29 ;

табл. 14 – K_R = 1,1– номинал до 1кОм;

табл. 18 – K_э = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 17 – K_к = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_р∙K_R∙K_э∙K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙K_р∙K_R∙K_э∙ K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:

табл. 12 – λ_бсг=0,0016∙10^-6 ч^-1-см. примечание выше;

зависимость (6) – K_р = 0,291 ;

табл. 14 – K_R = 1,1– номинал до 1кОм;

табл. 18 – K_э = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 17 – K_к = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_р∙K_R∙K_э∙K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙K_р∙K_R∙K_э∙ K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:

табл. 12 – λ_бсг=0,0016∙10^-6 ч^-1-см. примечание выше;

зависимость (6) – K_р = 0,29 ;

табл. 14 – K_R = 1,1– номинал до 1кОм;

табл. 18 – K_э = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 17 – K_к = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_р∙K_R∙K_э∙K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙K_р∙K_R∙K_э∙ K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:

табл. 12 – λ_бсг=0,0016∙10^-6 ч^-1-см. примечание выше;

зависимость (6) – K_р = 0,29 ;

табл. 14 – K_R = 1,1– номинал до 1кОм;

табл. 18 – K_э = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 17 – K_к = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_р∙K_R∙K_э∙K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙K_р∙K_R∙K_э∙ K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:

табл. 12 – λ_бсг=0,0016∙10^-6 ч^-1-см. примечание выше;

зависимость (6) – K_р = 0,292 ;

табл. 14 – K_R = 1,1– номинал до 1кОм;

табл. 18 – K_э = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 17 – K_к = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_р∙K_R∙K_э∙K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙K_р∙K_R∙K_э∙ K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:

табл. 12 – λ_бсг=0,0016∙10^-6 ч^-1-см. примечание выше;

зависимость (6) – K_р = 0,29 ;

табл. 14 – K_R = 0,8– номинал до 100кОм;

табл. 18 – K_э = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 17 – K_к = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_р∙K_R∙K_э∙K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙K_р∙K_R∙K_э∙ K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:

табл. 12 – λ_бсг=0,0016∙10^-6 ч^-1-см. примечание выше;

зависимость (6) – K_р = 0,29 ;

табл. 14 – K_R = 1,1– номинал до 1кОм;

табл. 18 – K_э = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 17 – K_к = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_р∙K_R∙K_э∙K_к = 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: λ_э = λ_бсг∙K_р∙K_R∙K_э∙ K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зав-тей:

табл. 12 – λ_бсг=0,0016∙10^-6 ч^-1-см. примечание выше;

зависимость (6) – K_р = 0,29 ;

табл. 14 – K_R = 1,1– номинал до 1кОм;

табл. 18 – K_э = 2,5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 17 – K_к = 1,0 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_р∙K_R∙K_э∙K_к = 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): λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_c∙K_э∙K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:

табл. 19 – λ_бсг = 0,0022∙10^-6–Конденсаторы оксидно-электролитические алюминиевые;

зависимость (8) – K_р =0.127 ;

зависимость (10) – K_c = 1 – С<10³ мкФ;

табл. 21 – K_э = 3 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 22 – K_к = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_c∙K_э∙K_к= 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): λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_c∙K_э∙K_к.

Значения коэффициентов находят из соответствующих таблиц или зависимостей:

табл. 19 – λ_бсг = 0,0022∙10^-6;

зависимость (8) – K_р =0.127 ;

зависимость (10) – K_c = 1– С<10³ мкФ;

табл. 21 – K_э = 3 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

табл. 22 – K_к = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_c∙K_э∙K_к= 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): λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_дн∙K_ф∙K_с1∙K_э∙K_к.

табл. 1 – λ_бсг = 0,045∙10^-6

зависимость (3) – K_р =0.154 ;

табл. 4 - K_ф=0,6 диод работает в переключающем режиме;

табл. 5 - K_s1=0,7;

табл. 9 - K_дн=0,7;

табл. 10 - K_к = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

табл. 11: K_э = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_дн∙K_ф∙K_с1∙K_э∙K_к = 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): λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_э∙K_к.

табл. 1 – λ_бсг = 0,004∙10^-6 - стабилитроны;

зависимость (3) – K_р =0.244 ;

табл. 10 - K_к = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

табл. 11: K_э = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_э∙K_к = 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): λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_э∙K_к.

табл. 1 – λ_бсг = 0,004∙10^-6 - стабилитроны;

зависимость (3) – K_р =0.244 ;

табл. 10 - K_к = 1 – уровень качества изготовления элементов соответствует I классу.

табл. 11: K_э = 5 – прибор эксплуатируется в наземной стационарной аппаратуре;

Таким образом, получаем:

λ_э = λ_бсг ∙K_p ∙K_э∙K_к = 0,004∙10^-6∙0.244∙5∙1 =0,0049 ∙10^-6 ч^-1.