Расчет надежности радиоэлектронных устройств - Контрольная работа

В настоящее время проектные и промышленные предприятия испытывают трудности при расчете показателей надежности РЭУ изза неполноты данных о показателях надежности элементов производства стран СНГ, отсутствия данных об элементах зарубежного производства, входящих в состав электронных устройств, а также изза отсутствия адаптированной к этим условиям системы автоматизированного расчета показателей надежности устройств. Значения эксплуатационной интенсивности отказов ?Э большинства групп элементов (компонентов) рассчитываются по математической модели: где ?Б - базовая интенсивность отказов элементов данной группы; Для отдельных групп сложных электрорадиоизделий (ЭРИ), суммарный поток отказов которых складывается из независимых потоков отказов составных частей ЭРИ (например электромагнитной катушки и контактной системы реле), математическая модель расчета эксплуатационной интенсивности отказов имеет вид надежность радиоэлектронный отказ где ?Б j - исходная (базовая) интенсивность отказов j-й части изделия, j=1,…, n; Составляющие, входящие в модели для всех видов элементов ?Б Базовая интенсивность отказов элементов данной группы (или конкретного типа), отвечающая температуре окружающей среды 25°С и номинальной электрической нагрузке, т.е. значению коэффициента электрической нагрузки КН = 1 КР Коэффициент режима работы, зависящий от электрической нагрузки (коэффициента КН) и температуры корпуса элементаВ работе был проведен расчет эксплуатационной характеристики интенсивности отказов.

Оценка показателей надежности радиоэлектронных устройств (РЭУ) является обязательной процедурой, выполняемой на этапе проектирования аппаратуры. Актуальность задач по расчету надежности объясняется тем, что они дают ответ на вопрос о целесообразности дальнейших затрат, необходимых на отработку технологии и производство радиоэлектронных устройств. Поэтому в задания на дипломное проектирование проектов конструкторского и технологического профиля включают проработку вопросов по оценке показателей надежности РЭУ.

В настоящее время проектные и промышленные предприятия испытывают трудности при расчете показателей надежности РЭУ изза неполноты данных о показателях надежности элементов производства стран СНГ, отсутствия данных об элементах зарубежного производства, входящих в состав электронных устройств, а также изза отсутствия адаптированной к этим условиям системы автоматизированного расчета показателей надежности устройств. Наличие такой системы позволит существенно сократить время решения задачи по оценке надежности электронных устройств в указанных условиях.

1. Постановка задачи

Исходными данными к проекту: 1 Электрическая схема устройства «Дифференциальный усилитель»

Рисунок 1. Дифференциальный усилитель

2 Параметры элементов, входящих в схему: R1 = 8.2 КОМ ± 5%

R2 = 6.8 КОМ ± 10%

R3 = 2.7 КОМ ± 5%

R4 = 18 КОМ ± 10%

Тип DA1 - К140УД11

3 Условия эксплуатации по ГОСТ 15150-69 для категории исполнения УХЛ 2

4 Количество однотипных каскадов - 42

5 Вид электрического монтажа - двусторонний печатный

6 Количество сквозных металлизированных отверстий на печатной плате - 10% от общего числа отверстий

7 Вид приемки элементов - приемка ОТК («1»)

8 Перегрев в нагретой зоне РЭУ DTЗ = 26 ?С; средний перегрев воздуха в РЭУ DTB = 22 ?С.

9 Заданное время работы, указанное заказчиком тз = 1000 ч.

10 Интересующая гамма-процентная наработка до отказа - Т?=95%

В контрольной работе необходимо провести расчет эксплутационной эксплуатационной характеристики интенсивности отказов.

Значения эксплуатационной интенсивности отказов ?Э большинства групп элементов (компонентов) рассчитываются по математической модели:

где ?Б - базовая интенсивность отказов элементов данной группы;

Кі - коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов;

m - число учитываемых факторов.

Для отдельных групп сложных электрорадиоизделий (ЭРИ), суммарный поток отказов которых складывается из независимых потоков отказов составных частей ЭРИ (например электромагнитной катушки и контактной системы реле), математическая модель расчета эксплуатационной интенсивности отказов имеет вид надежность радиоэлектронный отказ где ?Б j - исходная (базовая) интенсивность отказов j-й части изделия, j=1,…, n;

n - количество составных частей изделия;

Кі(j) - коэффициент, учитывающий влияние i-го фактора для j-й части изделия; i = 1, …, m; j =1, …, n;

mj - количество факторов, учитываемых для i-й части изделия.

2. Оценка показателей безотказности РЭУ

2.1 Описание исходных данных, используемых для прогнозирования эксплуатационной надежности элементов

Существующие методы расчета показателей надежности РЭУ различаются степенью точности учета электрического режима и условий эксплуатации элементов.

Роль прогнозирования в настоящее время возрастает в связи с созданием уникальных радиоэлектронных комплексов, обычно в очень малом количестве, а также в связи с повышением требой ваний к надежности РЭУ (космическая аппаратура, аппаратура военной техники и т.п.).

Результат прогнозирования кратко называют прогнозом. В самом общем случае прогнозирование можно разделить на два вида: эвристическое и математическое.

При эвристическом прогнозировании прогноз получают на основе субъективного взвешивания совокупности факторов, большая часть из которых может носить качественный характер. Результат прогнозирования в данном случае во многом зависит от опыта и интуиции инженера.

При математическом прогнозировании результат формируется на основе получения информации об объекте или процессе с последующей обработкой ее формализованными (математическими) методами. Здесь результат во многом зависит от тех параметров, которые контролируются или измеряются у объекта или процесса, а также от математических методов обработки этой информации.

Математическая модель расчета эксплуатационной интенсивности отказов имеет вид:

Таблица 1. Математические модели определения значений ?Э для элементов схемы

Класс (группа) элементов Вид математической модели

Интегральные микросхемы

Резисторы

Соединители

Платы со сквозными МО

Соединения пайкой

Таблица 2. Пояснения величин (параметров), входящих в математические модели

Параметр Пояснение

Составляющие, входящие в модели для всех видов элементов ?Б Базовая интенсивность отказов элементов данной группы (или конкретного типа), отвечающая температуре окружающей среды 25°С и номинальной электрической нагрузке, т.е. значению коэффициента электрической нагрузки КН = 1

КР Коэффициент режима работы, зависящий от электрической нагрузки (коэффициента КН) и температуры корпуса элемента

Кт Коэффициент, зависящий от температуры корпуса элемента

КЭ Коэффициент эксплуатации, зависящий от жесткости условий

КП Коэффициент приемки, учитывающий степень жесткости требований к контролю качества и правила приемки элементов (компонентов РЭУ) в условиях производства

Составляющие, входящие в модели для интегральных микросхем

КИС Коэффициент, учитывающий количество элементов в ИМС

Ккорп Коэффициент, учитывающий тип корпуса

KV Коэффициент, учитывающий напряжение питания для КМОП ИМС

Составляющие, входящие в модели для резисторов

KR Коэффициент, зависящий от номинального сопротивления

КМ Коэффициент, зависящий от значения номинальной мощности

К? Коэффициент, зависящий от значения допуска на сопротивление

Составляющие, входящие в модели для соединителей

КК Коэффициент, зависящий от числа задействованных контактов

Kn Коэффициент, зависящий от числа сочленений-расчленений n

Составляющие, входящие в модели для печатных плат с металлизированными сквозными отверстиями

КСЛ Коэффициент, учитывающий количество слоев n в плате

N1 Количество сквозных отверстий, пропаянных способом «пайка волной»

N2 Количество сквозных отверстий, пропаянных ручным способом

Таблица 3 Основные соотношения для расчета

Параметры Расчетные соотношения

Интегральные микросхемы

КИС

Кт

Резисторы

КР

Соединители

КР

КК

Kn

Платы со сквозными МО и соединения пайкой

Кт

Таблица 4. Базовые интенсивности отказов групп элементов РЭС

Параметры Численное значение Параметры Численное значение

Интегральные микросхемы

0.023 1.0

0.336 3.0

0.288 1.0

0.021 5.5

Резисторы

0.044 0.886

0.260 0.7

0.5078 0.7

343 1.0

9.278 1.0

0.878 5.0

1

Соединители

0.0041 5.0

1.0

Платы со сквозными МО

0.000017 N2 0

1.0 1.0

N1 84 5.0

Соединения пайкой

0.000069 5.0

1.0

Таблица 5. Типоразмеры элементов

Элемент Обозначение Тип Назначение Кол Примечание

ИМС DA1 - DA42 К140УД11 Операционный усилитель 42 350 элементов

Резисторы R1 - R168 С2 - 14 Постоянные, ме-таллодиэлектри-ческие 168 Р = 0.25 Вт 1 КОМ<R< 100 КОМ

Соединители ХР1 СНП34 - 1 140 контактов тп = 30 ?С Іном = 2 А МО, пропаянные волной - - - 84 Количество отверстий N1

Соединения пайкой волной - - - 420 Дополнительно к МО, пропаянных волной

2.2 Определение коэффициентов электрической нагрузки элементов

Определяют коэффициенты электрической нагрузки элементов РЭУ. Для этого используем общую формулу или ее конкретными реализациями, приведенными в табл. 5.4 [1].

В качестве электрической нагрузки Fном используют номинальные или предельные по ТУ электрические характеристики элементов, выбранные для проектируемой конструкции РЭУ. Электрические характеристики Fраб берут из результатов электрического расчета принципиальной электрической схемы РЭУ или получают путем экспресс-анализа электрических нагрузок схемных элементов.

Формула определения Кн для резисторов:

где - рабочая мощность рассеивания;

- номинальная мощность рассеивания;

Формула определения Кн для DA1:

2.3 Эксплуатационная интенсивность отказов элементов

Таблица 6 Расчет эксплуатационной безотказности элементов модуля

№ Элементы Кол Кн Математическая модель

1 DA1 - DA42 42 0.112 ·10-9 0.023

2 R1 - R168 168 1.32·10-6 0.044

3 XP1 1 0.025 0.0041

4 Печатная плата с МО N1=84 N2=0 - 0.000017

5 Соединения пайкой волной 420 - 0.000069

№ КР Кт Ксл КЭ КП КИС Ккорп KV KR KM К? КК Kn

1 1,5 1,0 5,5 3,88 1,0 3,0 96,03

2 0,38 1,0 5,0 0,7 0,7 1,0 0,94962

3 6,55 1,0 5,0 3,15 0,32 33,012

4 2,22 1,0 1,0 5,0 951,048

5 2,22 1,0 5,0 11,322

№

1 92,76

2 7,01959

3 0,14

4 1,36

5 0,33

2.4 Определение показателей безотказности РЭУ.

Интегральные микросхемы: Для определения коэффициента КИС, учитывающего количество элементов в ИМС, можно воспользоваться математической моделью:

где A, S - постоянные коэффициенты модели [3, табл, 5,4];

N - количество элементов в ИМС, Значения коэффициента Кт могут быть получены по выражению где B - константа, зависящая от функционального назначения ИМС;

токр - температура среды, окружающей ИМС, ?С, Значение токр может определяться по выражению где траб max - верхнее значение рабочей температуры РЭУ;

?ТЗ - перегрев в нагретой зоне конструкции РЭУ,

Резисторы: Значения коэффициента КР рассчитывают по модели где КН - коэффициент электрической нагрузки резистора по мощности;

токр - температура окружающей среды (корпуса элемента), ?С;

A, B, NT, G, NS, J, H - постоянные коэффициенты

Соединители: Значения КР определяют по модели где тп - температура перегрева контактов по ТУ при максимальной токовой нагрузке, по ТУ тп = 10…30 ?С;

токр - температура окружающей среды, ?С;

КН - коэффициент электрической нагрузки по току.

Значения коэффициента, учитывающего влияние на надежность соединителя количества задействованных контактов N, могут быть рассчитаны как

Значения коэффициента, учитывающего влияние на надежность соединителя количества сочленений-расчленений n, рассчитываются по модели

Платы со сквозными МО

Значения коэффициента Кт рассчитывают по модели

3. Анализ результатов решения

По результатам расчета (таблица 6) определяем суммарную интенсивность отказов РЭУ в виде электронного модуля (печатного узла) ?М определяют суммированием прогнозных значений эксплуатационных интенсивностей отказов элементов ?Э:

где N - количество элементов (компонентов) в модуле.

Таблица 7 Расчет показателей безотказности

Показатель безотказности Формула Значение

Наработка на отказ 9841,59

Вероятность безотказной работы 0,90338

Среднее время безотказной работы 9841,59

Гамма-процентная 95% наработка до отказа 504,81

В работе был проведен расчет эксплуатационной характеристики интенсивности отказов. Результаты расчета отражены в таблице 6. По результатам расчет эксплуатационной характеристики были получены показатели надежности (таблица 7).

По результатам расчет была построена схема электрическая принципиальная устройства «Дифференциальный усилитель» с учетом наличия 42 однотипных каскадов и соединителя.

1 Боровиков С.М. «Теоретические основы конструирования, технологии и надежности» Учебник для ВУЗОВ, - Мн,: Дизайн ПРО, 1998, 2 Боровиков С.М. Погребняков А.В. «Теоретические основы конструирования, технологии и надежности», Сборник задач, Учебное пособие для ВУЗОВ, - Мн,: БГУИР, 2001, 3 Боровиков С.М. Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств: учеб, - метод, пособие к курсовому проектированию по дисциплинам «Теоретические основы проектирования и надежности РЭС» спец, «Моделирование и компьютерное проектирование РЭС» и «Теоретические основы конструирования, технологии и надежности» спец, «Проектирование и производство РЭС» / С.М. Боровиков, И.Н. Цырельчук, Ф.Д. Троян; под ред, С.М. Боровикова, - Минск: БГУИР, 2009, - 69 с, Размещено на .ru