Расчет надежности РЭС аналитическим методом
Техническое задание №1 на курсовую работу
«Расчет показателей надежности РЭС аналитическим методом»
Рассматриваемое устройство представляет собой регулируемый импульсный стабилизированный источник питания мощностью более 500 Вт и обладает следующими техническими и эксплуатационными характеристиками:
1. Мощность, отдаваемая в нагрузку: 1 кВт.
2. Выходное напряжение: ±50 В.
3. Максимальный ток в нагрузке: 10 А.
4. Выходное напряжение при максимальном токе (не менее): +48 В.
5. Ток срабатывания защиты около: 14 А.
6. Частота преобразования: 50 кГц.
Принципиальная схема импульсного блока питания (ИБП) показана на чертеже в Приложении 1.
Принцип работы ИБП
В основу схемы положена микросхема DA1 TL494CN семейства контроллеров с широтно-импульсной модуляцией. Эта микросхема применяется в ИБП компьютеров и очень хорошо себя зарекомендовала. Рассмотрим ее работу в схеме преобразователя более подробно. TL494CN включает в себя усилитель ошибки, встроенный регулируемый генератор, компаратор регулировки "мертвого" времени, триггер управления, прецизионный источник опорного напряжения (ИОН) 5 В и схему управления выходным каскадом. Усилитель ошибки выдает синфазное напряжение в диапазоне 0,3...2 В. Компаратор регулировки "мертвого" времени имеет постоянное смещение, которое ограничивает минимальную длительность "мертвого" времени величиной порядка 5% от длительности выходного импульса. Независимые выходные формирователи на транзисторах обеспечивают возможность работы выходного каскада в схеме с общим эмиттером. Ток выходных транзисторов микросхемы - до 200 мА. TL494CN работоспособна при напряжении питания 7...40 В. На рис.1 показаны схема включения микросхемы и структурная компоновка ее внутренних цепей. При подаче питания запускается генератор пилообразного напряжения 2 и источник опорного напряжения 5. Пилообразное напряжение с выхода генератора 2 (рис.2,а) подается на инвертирующие входы компараторов 3 и 4. На неинвертирующий вход компаратора 4 поступает напряжение от усилителя ошибки 1. Поскольку выходные напряжения источника питания в этот момент еще отсутствуют, сигнал обратной связи с делителя R2R4 на неинвертирующий вход усилителя ошибки равен нулю. На инвертирующий вход этого усилителя подается положительное напряжение с делителя R5R7, к которому уже подключено опорное напряжение Uoп с выхода ИОН. Выходное напряжение усилителя ошибки 1 в первоначальный момент равно нулю, но в процессе увеличения напряжения в цепи обратной связи с делителя R2R4 оно нарастает. Напряжение на выходе усилителя ошибки также увеличивается. Поэтому выходное напряжение компаратора 4
Рисунок 1- Схема включения микросхемы и структурная компоновка ее внутренних цепей
имеет вид последовательности нарастающих по ширине импульсов (рис.2,6). Неинвертирующий вход компаратора 3, обеспечивающего паузу, соединен с выводом 4 микросхемы. На этот вывод подается напряжение с внешней RC-цепи C2R3, соединенной с шиной опорного напряжения Uoп. При появлении опорного напряжения оно прикладывается к этой цепи. По мере заряда конденсатора С2 ток через него и резистор R3 уменьшается: напряжение Uoп на резисторе R3 имеет форму спадающей экспоненты (рис.2,в) Выходное напряжение компаратора 3 представляет собой последовательность импульсов, уменьшающихся по ширине (рис.2,г) Из диаграммы выходных напряжений компараторов 3 и 4 (рис.2,6, г) видно, что они взаимно противоположны. Выходные напряжения компараторов 3 и 4 являются входными для логического элемента "2ИЛИ". Поэтому ширина импульса на выходе логического элемента определяется наиболее широким входным импульсом. Выходное напряжение элемента "2ИЛИ" показано на рис.2,д, из которого следует, что в начальный момент времени ширина выходных импульсов компаратора 3 превышает ширину выходных импульсов компаратора 4, поэтому переключения компаратора 4 не влияют на ширину выходного импульса элемента "2ИЛИ". В интервале времени (t0; t1) (рис.2,а) определяющую роль играет выходное напряжение компаратора 3. На рис.2,е,ж показаны выходные импульсы на коллекторах транзисторов VT1, VT2. Ширина этих импульсов в интервале (t0; t1) плавно нарастает. В момент t1 выходной импульс компаратора 3 сравнивается с выходным импульсом компаратора 4. При этом управление логическим элементом "2ИЛИ" передается от компаратора 3 к компаратору 4, так как его выходные импульсы начинают превышать по ширине выходные импульсы компаратора 3. Таким образом, в промежутке времени (t0; t1) выходные импульсы на коллекторах транзисторов VT1, VT2 плавно нарастают и обеспечивают плавный запуск преобразователя напряжения. Перед каждым включением ИБП конденсатор С2 (рис.1), обеспечивающий плавный запуск, должен быть разряжен.
Рисунок 2 – Эпюры
Обратимся к общей схеме преобразователя напряжения. Функцию конденсатора плавного запуска в ней выполняет конденсатор СЗ. При снятии питания конденсатор быстро разряжается через резистор R1, переход база-коллектор транзистора VT1 и диод VD1. Транзисторы VT1, VT2 выполняют функцию триггерной защиты. При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора VT2 он открывается. Одновременно открывается транзистор VT1, шунтируя конденсатор СЗ и блокируя, таким образом, работу преобразователя напряжения. Напряжение с коллектора транзистора VT1 через цепь R4VD2 удерживает в открытом состоянии транзистор VT2. Отключение триггерной защиты происходит только после снятия напряжения питания.В качестве силовых ключей применены мощные полевые транзисторы с довольно большой емкостью затвор-исток. Поэтому для управления этими транзисторами применены два блока ключей на транзисторах VT3, VT5, VT7 и VT4, VT6, VT8. Рассмотрим работу одного из них. Когда на выводе 8 микросхемы DAI присутствует высокое напряжение (транзистор внутри микросхемы закрыт), открываются полевые транзисторы VT3 и VT7. Последний шунтирует емкость затвора транзистора VT9, мгновенно разряжая ее. Транзистор VT5 закрыт. Как только на выводе 8 микросхемы установится низкое напряжение, транзисторы VT3 и VT7 закроются, а VT5 откроется и на затвор транзистора VT9 поступит отпирающее напряжение. Резистор R18 предотвращает выход из строя транзисторов VT5, VT7, если один из них закрыт, а другой открыт не полностью. Осциллограммы напряжений на затворах транзисторов VT9,VT10 показаны на рис.2,3, и. В цепи затворов транзисторов VT9, VT10 включены резисторы R20, R21, которые вместе с емкостями затворов образуют фильтр нижних частот, уменьшающий уровень гармоник при открывании ключей. Цепи R22, R23, С8, С9, VD5-VD8 также служат для уменьшения гармоник при работе преобразователя. Первичная обмотка трансформатора Т1 включена в стоковые цепи транзисторов VT9, VT10. Напряжение обратной связи для стабилизации напряжения преобразователя снимается с обмотки III трансформатора. Через делитель на резисторах R7, R8 оно поступает на микросхему DA1. Резистором R10 можно в небольших пределах регулировать выходное напряжение ИБП. Элементы R6, С4 определяют частоту работы внутреннего генератора пилообразного напряжения микросхемы DA1 (при указанных на схеме номиналах эта частота близка к 50 кГц). Меняя сопротивление резистора R6 и емкость конденсатора С4, можно при необходимости изменить частоту работы преобразователя напряжения. Силовая часть схемы питается через сетевой фильтр С10, Cl1, L1, выпрямительVD4 и конденсаторы С12, С13. Резистор R24 разряжает конденсатор фильтра в выключенном преобразователе. Микросхема DA1 и ключи на транзисторах VT3-VT8 питаются от стабилизированного источника питания на элементах Т2, VD3, С5-С7 и стабилизатора DA2. Резистор R25 служит для уменьшения броска тока через конденсаторы фильтра в момент включения ИБП в сеть. Выпрямитель выходного напряжения преобразователя выполнен по мостовой схеме на диодах VD12-VD15. Плавный запуск преобразователя напряжения позволяет использовать во вторичных цепях конденсаторы фильтров довольно большой емкости, что необходимо при питании усилителя мощности. Дроссели L2, L3 вместе с конденсаторами фильтра сглаживают пульсации выходного напряжения ИБП. Защита преобразователя напряжения потоку выполнена на транзисторах VT11, VT12. При увеличении тока через резисторы R27-R30 транзисторы VT11, VT12 открываются и загораются светодиоды в оптопарах Ul.l, U1.2. Транзисторы оптопар открываются и подают на базу транзистора VT2 отпирающее напряжение, что приводит к срабатыванию триггерной защиты. Конденсатор С1 предотвращает срабатывание защиты от случайных импульсных помех [1].
Расчет надежности РЭС аналитическим методом
Для расчета надежности рассматриваемого РЭС примем схему надежности, состоящую из последовательно соединенных невосстанавливаемых элементов, и математическую модель надежности, имеющую экспоненциальное распределение. При её составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут находиться в одном из двух состояний: работоспособном или неработоспособном.
Основным показателем надежности ЭРЭ является функция (t), называемая интенсивностью отказов. Интенсивностью отказов характеризует уровень надежности элементов в каждый момент времени, так как для каждого момента времени определяется доля отказавших элементов из числа исправных к этому моменту времени. Для широкого класса ЭРЭ в период нормальной эксплуатации (t)=const:
ni– числоi-ых элементов РЭС;
i– интенсивность отказа i-ого элемента РЭС, 1/ч;
i– коэффициент, учитывающий влияние внешних воздействий наi-ый элемент РЭС;
т– коэффициент, учитывающий влияние тепла на i-ый элемент РЭС;
в– коэффициент, учитывающий влияние влажности наi-ый элемент РЭС;
м– коэффициент, учитывающий влияние механических воздействий наi-ый элемент РЭС;
t– время работы изделия, ч:
;
;
P(t)– вероятность безотказной работы РЭС [2]:
.
Составим базу данных электрорадиоэлементов, приведенную в табл. 1.
Таблица 1. База данных электрорадиоэлементов
| № п/п | Наименование элемента | ni | Интенсивность отказов
|
| Резистор постоянный металлодиэлектрический С2-23 ОЖО.467.081 ТУ | |||
| Конденсатор постоянный керамический К10-17б ОЖО.460.107 ТУ | |||
| Конденсатор электролитический К50-29 ОЖО.464.156ТУ | |||
| ИМС | |||
| Транзистор биполярный | |||
| Транзистор полевой | |||
| Диод | |||
| Оптопара | |||
| Трансформатор ТПр35 АГО.471.017 ТУ | |||
| Дроссель Д137 ОЮО.475.000 ТУ | |||
| Переключатель | |||
| Вилка ВЛ-220 | |||
| Разъем | |||
| Соединения пайкой | 0,01 |
Определим предварительные значения параметров безотказной работы элементов, входящих в РЭС, предварительно положив 
=1 год, 
=1 
. Время работы изделия составит 
365 ч.
Результаты расчета надежности аналитическим методом по базе данных электрорадиоэлементов приведены в таблице 2.
Таблица 2. Расчет надежности аналитическим методом
| i | ||||||||
| № | наименование | ni | i*10-6, 1/ч | т | в | м | ni*i*i | , 
|
| Резистор постоянный металлодиэлектрический С2-23 ОЖО.467.081 ТУ | 1,3 | 1,2 | 655,2 | |||||
| Конденсатор постоянный керамический К10-17б ОЖО.460.107 ТУ | 1,2 | 1,2 | 244,8 | |||||
| Конденсатор электролитический К50-29 ОЖО.464.156 ТУ | 1,2 | 1,2 | ||||||
| ИМС | 1,4 | 2,8 | ||||||
| Транзистор биполярный | 1,4 | 5,6 | ||||||
| Транзистор полевой | 1,4 | 11,2 | 2893,244 | |||||
| Диод | 1,4 | 22,4 | ||||||
| Оптопара | 1,4 | 1,4 | ||||||
| Трансформатор ТПр35 АГО.471.017ТУ | 1,3 | 1,2 | ||||||
| Дроссель Д137 ОЮО.475.000 ТУ | 1,3 | 1,2 | ||||||
| Переключатель | ||||||||
| Вилка ВЛ-220 | ||||||||
| Разъем | ||||||||
| Соединения пайкой | 0,01 | 1,2 | 2,844 |
Вероятность безотказной работы равна:
P(t)= 
=0,348
Для повышения значения P(t), потому что полученное значение меньше заданного значения P(t)=0,91, заменим некоторые элементы РЭС на более надежные. Приоритет при замене будут иметь элементы, оказывающие наиболее существенное влияние на надежность РЭС, а именно:
1) Постоянные металлодиэлектрические резисторы С2-23 с 
на постоянные непроволочные прецизионные резисторы С2-29В 
,
2) электролитические конденсаторы К50-29 с 
на танталовые ЭТО-1с 
,
3) трансформатор ТПр35 с на трансформатор БТИ12 с 
,
4) дроссель Д137 с с на дроссель B82721 с 
.
Сократим время работы изделия, предварительно положив =0,5 год, =0,5 . Время работы изделия составит 
91,25 ч.
Составим новую элементную базу, приведенную в таблице 3.
Таблица 3. База данных элементов после замены на более надежные
| № п/п | Наименование элемента | ni | Интенсивность отказов
|
| Резистор постоянный непроволочный прецизионный ТУ С2-29В ОЖО .467.130 ТУ | |||
| Конденсатор постоянный керамический К10-17б ОЖО.460.107 ТУ | |||
| Конденсатор танталовый ЭТО-1 | |||
| ИМС | |||
| Транзистор биполярный | |||
| Транзистор полевой | |||
| Диод | |||
| Оптопара | |||
| Трансформатор БТИ12 ОЮО.222.004ТУ | |||
| Дроссель B82721 | |||
| Переключатель | |||
| Вилка ВЛ-220 | |||
| Разъем | |||
| Соединения пайкой | 0,01 |
Результаты расчета надежности аналитическим методом после замены элементов на более надежные приведены в таблице 4.
Таблица 4. Расчет надежности аналитическим методом после замены элементов
| i | ||||||||
| № | наименование | ni | i*10-6, 1/ч | т | в | м | ni*i*i | ,
|
| Резистор постоянный непроволочный прецизионный С2-29В ОЖО.467.130 ТУ | 1,3 | 1,2 | 327,6 | |||||
| Конденсатор постоянный керамический К10-17б ОЖО.460.107 ТУ | 1,2 | 1,2 | 244,8 | |||||
| Конденсатор танталовый ЭТО-1 | 1,2 | 1,2 | 100,8 | |||||
| ИМС | 1,4 | 2,8 | ||||||
| Транзистор биполярный | 1,4 | 5,6 | 998,44 | |||||
| Транзистор полевой | 1,4 | 11,2 | ||||||
| Диод | 1,4 | 22,4 | ||||||
| Оптопара | 1,4 | 1,4 | ||||||
| Трансформатор БТИ12 ОЮО.222.004ТУ | 1,3 | 1,2 | ||||||
| Дроссель B82721 | 1,3 | 1,2 | ||||||
| Переключатель | ||||||||
| Вилка ВЛ-220 | ||||||||
| Разъем | ||||||||
| Соединения пайкой | 0,01 | 1,2 | 2,844 |
Вероятность безотказной работы равна:
P(t)= =0,913
Путем замены некоторых элементов РЭС на более надежные и сокращения времени работы изделия, мы добились необходимого значения вероятности безотказной работы РЭС.
Техническое задание №2 на курсовую работу
«Расчет допусков на основные параметры четырехполюсника»
В данной работе необходимо произвести расчет допусков на входное и выходное сопротивление и на коэффициент передачи четырехполюсника, схема которого представлена на рис.3.
Рисунок 3 – Электрическая схема четырёхполюсника.