Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств

• Введение
• 1. Постановка задачи
• 1.1 Обоснование оцениваемых показателей надежности печатного узла
• 1.2 Анализ задания на проектирование

2. Выбор элементов печатного узла

2.1 Уточнение параметров элементов

2.2 Обоснование типа и типоразмера соединителя СНП68

2.3 Выбор типов и типоразмеров элементов каскада

3. Методика прогнозирования расчетным способом показателей безотказности РЭУ

3.1 Метод расчета показателей безотказности РЭУ

3.2 Модели прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов элементов

4. Оценка показателей безотказности печатного узла

4.1 Уточнение исходных данных, используемых для прогнозирования эксплуатационной безотказности элементов

4.2 Определение коэффициента электрической нагрузки для активного элемента (конденсатор)

4.3 Расчет параметров безотказности элементов РЭУ

4.4 Определение показателей безотказности РЭУ

5. Анализ результатов решения Заключение Список использованных источников Приложения ВВЕДЕНИЕ Фазосдвигающий генератор — является простым синусоидальным электронным генератором. Он состоит из инвертирующего усилителя и фильтра обратной связи «сдвигающего» фазу на частоте генерации на 180 градусов.

Фильтр должен быть разработан так, чтобы частоты выше и ниже частоты генерируемого сигнала были бы сдвинуты по фазе или больше или меньше чем на 180 градусов.

Наиболее простой путь построения фильтров этого вида является использование трёх каскадных резисторно-конденсаторных фильтров, которые не сдвигают фазу на одном конце шкалы частот и сдвигают фазу на 270 градусов на другом конце. На частоте генерации каждый фильтр сдвигает фазу на 60 градусов и вся цепь фильтра сдвигает фазу на 180 градусов.

Генераторы на основе сдвига фаз производят меньше искажений, чем генераторы на основе моста Вина, имея ещё и хорошую стабильность частоты. Такой генератор может быть построен с одним ОУ, как показано на рисунке 1. Три RC звена соединены последовательно, чтобы получить крутой наклон dц/dщ, необходимый для стабильной частоты колебаний. Применение меньшего количества RC звеньев приводит к высокой частоте колебаний, ограниченной полосой пропускания ОУ.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Обоснование оцениваемых показателей надежности печатного узла Цель курсового проектирования:

* формирование и закрепление навыков применения прикладных математических (теоретических) методов для решения задач, связанных с аналитическим и экспериментальным исследованием конструкций, технологий и надежности РЭС.

* совершенствование приемов постановки инженерно-технических задач в виде, пригодном для их дальнейшего математического решения.

В результате решения необходимо определить следующие показатели надежности:

* среднее время безотказной работы,

* вероятность безотказной работы за время,

* гамма-процентную наработку до отказа.

Для решения данной задачи необходимы следующие исходные данные:

* законы распределения времени до отказа каждого из элементов РЭУ,

* заданное время безотказной работы РЭУ,

* значение гамма.

Как известно надёжность является комплексным свойством. Для описания различных сторон надежности как свойства пользуются показателями надёжности, эти показатели представляют собой количественную оценку одного или нескольких свойств, определяющих надёжность (безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость).

1.2 Анализ задания на проектирование Исходными данными для выполнения расчетов, согласно заданию на курсовое проектирование, являются:

1. Рассматриваемое электронное устройство — печатный узел (электронный модуль), включающий определённое количество однотипных каскадов, электрически не соединённые между собой, кроме цепей питания и общего провода.

2. Возможность восстановления работоспособного состояния электронного устройства после его отказа — восстанавливаемое изделие.

3. Электрическая схема каскада.

4. Количество однотипных каскадов — 34.

5. Информация о параметрах элементов.

6. Вид электрического монтажа — двусторонний печатный.

7. Количество сквозных металлизированных отверстий на печатной плате — 32% от общего числа отверстий.

8. Для цепей питания, входных и выходных сигналов каскадов предусмотреть соединитель.

9. Условия эксплуатации УХЛ 1.1 по ГОСТ 15 150–69.

10. Вид приёмки элементов — приёмка ОТК (приёмка «1»).

11. Перегрев в нагретой зоне печатного узла; средний перегрев воздуха в РЭУ .

12. Заданное время работы, указанное заказчиком .

Анализ исходных данных сведен в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 — Анализ исходных данных

Определению подлежат показатели при .

На рисунке 1 представлена принципиальная схема фазосдвигающего генератора:

Рисунок 1 — Принципиальная схема фазосдвигающего генератора

2. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО УЗЛА

2.1 Уточнение параметров элементов В таблице 2.1 приведены значения параметров элементов:

Таблица 2.1 — Значения параметров элементов

Таблица 2.2 — Параметры ИМС К140УД12

В таблице 2.3 сведены предельно допустимые режимы работы операционного усилителя:

Таблица 2.3 — Допустимые режимы работы ИМС К140УД12

2.2 Обоснование типа и типоразмера соединителя СНП68−72/5628Р Соединители электрические низкочастотные прямоугольные для печатного и объемного монтажа типа СНП68 врубного сочленения без фиксации и с фиксацией сочлененного положения по НЕСК.434 416.003 ТУ предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного частотой до 3МГц и импульсивного токов. Вид климатического исполнения УХЛ 1.1 ГОСТ 15 150–69. Технические требования к соединителю СНП68−72/5628Р-11 сведены в таблицу 2.4 [6]:

Таблица 2.4 — Параметры соединителя СНП68−72/5628Р-11

2.3 Выбор типов и типоразмеров элементов каскада Исходя из анализа полученной электрической схемы, выбрали необходимые типы и типоразмеры элементов РЭУ. Параметры элементов получили из ГОСТов на эти элементы.

Значения номинальных ёмкостей и сопротивлений конденсаторов С1, С2, С3 и резисторов R3, R4, R5 соответственно, должны подчинятся закону Томсона для цепи генератора c несколькими одинаковыми элементами. В случае фазосдвигающего генератора, количество равных элементов равно трем, и из этого следует, что [4]:

(2.1)

Значение номинального сопротивления резистора R2 нужно выбирать порядка МОм, для улучшения быстродействия микросхемы DA1.

3. МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАСЧЕТНЫМ СПОСОБОМ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ РЭУ

3.1 Метод расчета показателей безотказности РЭУ При подсчёте значения суммарной интенсивности отказов РЭУ с учётом электрического режима и условий эксплуатации, используется выражение [1]:

(3.1)

где — среднегрупповое значение интенсивности отказов элементов j-й группы, найденное с использованием справочников, j = 1,…, k;

— количество элементов в j-й группе, j = 1,…, k;

k — число сформированных групп однотипных элементов,

— обобщенный эксплуатационный коэффициент, выбираемый по таблице в зависимости от условий его эксплуатации.

С использованием гипотезы об экспоненциальном законе надёжности подсчитывают другие показатели надёжности.

(3.2)

Вероятность безотказной работы за заданное время

(3.3)

Гамма-процентная наработка до отказа определяется, как решение уравнения

(3.4)

В случае экспоненциального распределения времени до отказа

(3.5)

3.2 Модели прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов элементов В таблице 3.1 приведены формулы расчета интенсивности отказов [1]:

Таблица 3.1 — Формулы для расчета интенсивности отказов

В таблице 3.2 приведены пояснения величин, входящих в математические модели [1]:

Таблица 3.2 — Пояснения величин (параметров), входящие в математические модели

4. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ ПЕЧАТНОГО УЗЛА

4.1 Уточнение исходных данных, используемых для прогнозирования эксплуатационной безотказности элементов Уточненный расчет показателей безотказности функционального модуля, выполненного с использованием печатного монтажа. Печатная плата двухслойная с металлизированными сквозными отверстиями. Общее количество отверстий на печатной плате 816, из них металлизацию имеют 262 отверстий. Электрическое соединение модуля с РЭУ, в составе которого он будет функционировать, осуществляется посредством соединителя типа СНП68. Уровень качества элементов (компонентов), используемых в модуле, соответствует приеме «1» — приемке ОТК. Модуль предназначен для эксплуатации в составе подвижной аппаратуры категории исполнения УХЛ 1.1 по ГОСТ 15 150–69. Заданное время работы, указанное заказчиком, составляет. Интересующие показатели безотказности —, и при = 95%.

Уточненные данные в таблице 4.1и 4.2 взяты из источника и [3]:

Таблица 4.1 — Уточненные характеристики элементов РЭУ

В таблице 4.2 сведены уточненные типоразмеры элементов РЭУ:

Таблица 4.2 — Уточненные типоразмеры элементов РЭУ

4.2 Определение коэффициента электрической нагрузки для активного элемента (конденсатор) Для расчета коэффициента электрической нагрузки учитываются наиболее влияющие на надежность элемента факторы. Для конденсатора таковым фактором является напряжение. Для остальных же элементов выбираем рекомендуемые коэффициенты электрической нагрузки из диапазона [0,2…0,6].

Расчет для конденсатора:

так как максимальное выходное напряжение на усилителе равняется 10 В, то из этого следует что оно будет максимально падающим на конденсатор. Из технических условий на конденсатор, находим предельно допустимое рабочее напряжение: 25 В. Из этого следует что:

В таблице 4.3 сведены значения коэффициента нагрузки всех элементов:

Таблица 4.3 — Значения коэффициента нагрузки элементов РЭУ

4.3 Расчет параметров безотказности элементов РЭУ Определим максимальную температуру элементов в составе РЭУ. Для учета влияния температуры на эксплуатационную интенсивность отказов элементов принято во внимание верхнее значение предельной рабочей температуры (), соответствующее РЭУ исполнения УХЛ 1.1 по ГОСТ 15 150–69, и возможное увеличение предельной рабочей температуры на значение за счет нагрева (солнечными лучами) РЭУ и, следовательно, модуля в составе РЭУ (см. п.5.4 ГОСТ 15 150–69).

Предельная рабочая температура теплонагруженных элементов (ИМС, мощные резисторы) определена как:

где — перегрев в нагретой зоне печатного узла.

Предельная рабочая температура нетеплонагруженных элементов (конденсаторов, слабонагруженных резисторов, соединитель) подсчитана как:

где — средний перегрев воздуха внутри конструкций РЭУ.

Рассчитаем поправочные коэффициенты моделей эксплуатационной интенсивности отказов и полученные результаты занесем в таблицу 4.4:

Для интегральных микросхем вычисляется по формуле:

(4.1)

Для резистора вычисляется по формуле:

(4.2)

Для конденсатороввычисляется по формуле:

(4.3)

Для соединителя вычисляется по формуле:

(4.4)

Коэффициенты берутся из учебного пособия «Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств» .

Таблица 4.4 — Расчёт эксплуатационной безотказности элементов модуля

радиоэлектронный печатный электрический конденсатор Таблица 4.5 — Расчет поправочных коэффициентов к элементам РЭУ

Определяем суммарную эксплуатационную интенсивность отказов РЭУ:

где — i-я группа идентичных элементов.

4.4 Определяем показатели безотказности РЭУ Показатели безотказности РЭУ определяем используя экспоненциальный закон надежности:

1) Наработка на отказ:

.

2) Вероятность безотказной работы за время :

3) Гамма-процентная наработка до отказа при г = 99%:

5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РЕШЕНИЯ

В результате вычислений получили следующие результаты:

Вероятность безотказной работы за время = ;

Наработка на отказ = ч;

Гамма-процентная наработка до отказа при = 99% = ч.

Следовательно, вероятность безотказной работы каскада за заданное время часов равняется =. Это означает, что 97,77% исследуемых устройств должны работать безотказно в течении часов работы.

Наработка на отказ равняется часов. Это значит, что N устройств будут в среднем иметь наработку до отказа, равную часов.

Гамма-процентная наработка до отказа при = 99% равняется = часа. Это означает, что у 99% исследуемых устройств в течение суммарной наработки, равной часа, отказ не возникнет.

В целом, проанализировав полученные результаты можно сделать вывод, что исследуемый РЭУ обладает достаточно высокими временем безотказной работы, вероятностью безотказной работы за 1000 часов и гамма-процентной наработкой до отказа при = 99%. Так что его использование приемлемо при проектирование сложных и сложных для ремонта устройств. Большой срок службы оказывает значительную экономическую эффективность за счет редкого ремонта и уменьшения технического обслуживания РЭУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсовой работы был сделан расчет показателей надежности РЭУ расчетным способом. Были получены данные о таких характеристиках как наработка на отказ, гамма-процентная наработка до отказа. По результатам вычислений определено, что данное РЭУ, состоящее из 46 однотипных каскадов является долговечным и надежным. Параллельное соединение каскадов позволяет своевременно обнаружить поломку и исправить её, таким образом улучшая экономически-эксплуатационные и ремонтные характеристики.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] Боровиков С. М. Расчёт показателей надёжности радиоэлектронных средств: учеб.-метод. пособие / С. М. Боровиков, И. Н. Цырельчук, Ф. Д. Троян; под ред. С. М. Боровикова. — Минск: БГУИР, 2010. — 68 с.

[2] Достанко А. П Разработка технологической документации на технологические процессы: учеб.-метод. Пособие. /А.П. Достанко.

[3] Боровиков С. М. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности: учеб.-метод. пособие / С. М. Боровиков, Т. В Малышева под ред. С. М. Боровикова. — Минск: БГУИР, 2004. — 55 с.: ил.

[4] Першин В. Т. Основы радиоэлектроники: учеб.-метод. пособие / Першин В. Т.. — Минск: Выш.шк., 2006.-399 с.: ил.

[5] Параметры ИМС К140УД12. [Электронный ресурс]. — Электронные данные. — Режим доступа: http://www.chipinfo.ru/dsheets/ic/140/ud12.html.

[6] Лярский В. Ф., Мурадян О. Б. Электрические соединители: справочник / Лярский В. Ф., Мурадян О. Б. под ред. П. И. Никонова. — Москва: Радио и связь, 1988. — 272 с.

[7] Галкина В. И Промышленная электроника учебное пособие для студентов МПЭК / В. И. Галкина. — Москва, 2003. — 345с.:ил

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Таблицы для определения значений поправочных коэффициентов Таблица А.1 — Базовые интенсивности отказов групп элементов и компонентов РЭС

Таблица А.2 — Коэффициенты моделей для различных групп ИМС

Таблица А.3 — Значения коэффициента Ккорп

Таблица А.4 — Значения коэффициента КV в зависимости от максимальных значений напряжения питания

Таблица А.5 — Константы модели коэффициента Кр для конденсаторов

Таблица А.6 — Модели для подсчета коэффициента Кс

Таблица А.7 — Постоянные коэффициенты модели Кр для резисторов

Таблица А.8 — Значения коэффициента Км для металлодиэлектрических резисторов

Таблица А.9 — Значения коэффициента КR для резисторов

Таблица А.10 — Значения коэффициента Кэ

Таблица А.11 — Значения коэффициента КП

Значения коэффициента КД в зависимости от допуска на сопротивление резистора: 2 — при допуске ±0,5%, 1 — при допуске ±1, ±2, ±5, ±10% и более.