Полный расчет надежности РЭС
Целью полного расчета является определение рационального состава элементов, обеспечивающего необходимые электрические параметры и требуемый уровень надежности системы. Как правило, при полном расчете изделие расчленяется на отдельные конструктивно самостоятельные части путем деления систем на приборы, узлы, блоки и т.д. При этом расчет производится последовательно от простого к сложному. Полный расчет надежности РЭС по внезапным отказам осуществляется следующим образом.
1)Составляется перечень элементов, входящих в устройство РЭС, элементы группируются по наименованиям и типам , с указанием количества одинаковых элементов каждой группы 
( 
1,2,..,k, k-количество групп)
2) По справочной литературе [1-3] определяется интенсивность отказов ЭН 
ой группы в номинальных условиях 
: t0=25 
10 0С, относительная влажность 60 20 %, номинальный электрический режим, отсутствие механических перегрузок и т.д.
3)Рассчитываются коэффициенты нагрузки, учитывающие электрический режим элементов. Для этого используют карты рабочих режимов ЭРЭ изделия, в которых указывают расчетные коэффициенты нагрузки. Коэффициенты нагрузки рассчитывают по следующим формулам:
а) для транзисторов, транзисторных сборок, диодов СВЧ-диапазона, резисторов
, (1.1)
где Р и 
- рабочая и максимально допустимая по техническим условиям (ТУ) мощность рассеяния;
б) для конденсаторов
, (1.2)
где U и 
- рабочее и номинальное напряжение;
в) для диодов, диодных сборок, стабилитронов, тиристоров, коммутационных изделий, соединителей
, (1.3)
где I и 
- средний рабочий и максимально допустимый по ТУ ток;
г) для оптоэлектронных полупроводниковых приборов
, (1.4)
где I и 
- средний прямой ток излучения в рабочем и номинальном режимах.
4)В зависимости от коэффициентов нагрузки и значений внешних воздействий по справочной литературе [1-3] определяются поправочные коэффициенты 
и рассчитываются интенсивности отказов элементов с учетом реальных условий их эксплуатации
; i=1,2…m, (1.5)
где m-количество поправочных коэффициентов.
Коэффициент эксплуатации 
, учитывающий условия эксплуатации, определяется по таблице 1.2; коэффициент механических нагрузок 
, учитывающий вибрации и ударные нагрузки, коэффициенты, учитывающие высоту 
и влажность 
- по таблице 1.3; коэффициент режима 
, учитывающий электрический режим и температуру – по таблице 1.4.
Таблица 1.2
Коэффициенты эксплуатации отдельных групп приборов
| Группа приборов | КЭ по группам аппаратуры | |||||
| Стационарная в лабораторных условиях | Стационарная в условиях цехов промышленных предприятий | Пере-носная | Перевози-мая | Применяемая на судах | ||
| ИМС и МСБ | - | 1,7 | 1,5 | |||
| ППП: диоды, транзисторы, тиристоры, оптоэлектронные приборы | 1,5 | 2,5 | ||||
| Резисторы, конденсаторы | 2,5 | |||||
| Иэделия квантовой электроники: лампы накачки, газовые лазеры и их излучатели | 1,5 | 2,5 | ||||
| Коммутационные и установочные изделия: переключатели, предохранители | 2,5 | |||||
| Магнитоуправля-емые контакты | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 0,8 | ||
| Трансформато- ры | 1,5 | 1,5 | 1,5 | |||
| Низкочастотные соединители | 1,5 | 2,5 | ||||
| Пьезоэлектр- ческие приборы | 1,5 | 2,5 | ||||
| Электронно-лучевые трубки | 1,5 | 2,5 | ||||
| Приборы фоточувствител-ьные | 1,5 | 2,5 | ||||
| Газоразрядные приборы | 1,5 | 2,5 | ||||
| Источники высокоинтенсивного оптического излучения | 1,5 | 2,5 | ||||
| Знакосинтезирующие индикаторы: Полупроводниковые | 1,5 | 2,5 | ||||
| Остальные | 0,4 | 0,8 | 0,6 | 0,8 | ||
| Генераторные, модуляторные лампы, высоковольтные кенотроны и механотроны | 1,5 | 2,5 | ||||
| Электровакуу-мные приборы и модули СВЧ | 1,5 | 2,5 | ||||
| Ферритовые приборы | 0,5 | ___ | 1,25 | |||
Таблица 1.3
Значения коэффициентов Км, Кд, Квл
| Условия применения аппаратуры | КМ | Высота км | КД | Влажность и температура | КВЛ |
| Лабораторные | 60…70% 20-40°С | ||||
| Полевые | 1,07 | 1,1 | 90…98% 20-25°С | ||
| Корабельные | 1,37 | 1,2 | 90…95% 30-40°С | 2,5 | |
| Автомобильные | 1,46 | 1,3 | |||
| Железнодорожные | 1,54 | 1,4 | |||
| Самолетные | 1,65 | 1,5 |
Таблица 1.4
Значения коэффициента режима 
| Группа элементов |  ®
| 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1.0 |
t  C ¯
| ||||||
| Диоды: | ||||||
| кремниевые, сборки | 0.064 | 0.115 | 0.195 | 0.359 | 1.0 | |
| 0.085 | 0.151 | 0.256 | 0.564 | |||
| стабилитроны | 0.194 | 0.242 | 0.319 | 0.484 | 1.0 | |
| 0.213 | 0.274 | 0.387 | 0.613 | |||
| СВЧ кремниевые | 0.280 | 0.320 | 0.380 | 0.500 | 1.0 | |
| 0.305 | 0.350 | 0.445 | 0.700 | |||
| Транзисторы: | ||||||
| биполярные, полевые, сборки | 0.15 | 0.21 | 0.29 | 0.47 | 1.0 | |
| 0.18 | 0.24 | 0.36 | 0.66 | |||
| Тиристоры | 0.073 | 0.136 | 0.241 | 0.495 | 1.0 | |
| 0.100 | 0.177 | 0.327 | 0.636 | |||
| Диоды излучающие | 0.034 | 0.116 | 0.278 | 0.570 | 1.0 | |
| 0.100 | 0.341 | 0.782 | ||||
| Оптопары | 0.043 | 0.144 | 0.355 | 0.606 | 1.0 | |
| 0.129 | 0.42 | 0.908 | ||||
| Конденсаторы: | ||||||
| керамические | 0.03 | 0.09 | 0.23 | 0.52 | 1.0 | |
| 0.05 | 0.15 | 0.41 | 0.91 | 1.7 | ||
| слюдяные | 0.07 | 0.11 | 0.26 | 0.54 | 1.0 | |
| 0.14 | 0.23 | 0.52 | 1.0 | 2.0 | ||
| бумажные | 0.01 | 0.02 | 0.09 | 0.35 | 1.0 | |
| 0.01 | 0.02 | 0.10 | 0.39 | 1.2 | ||
| электролитические | 0.15 | 0.20 | 0.33 | 0.59 | 1.0 | |
| 0.24 | 0.32 | 0.52 | 0.94 | 1.7 | ||
| Резисторы: | ||||||
| постоянные непроволочные | 0.4 | 0.51 | 0.64 | 0.81 | 1.0 | |
| 0.44 | 0.57 | 0.72 | 0.91 | 1.1 | ||
| постоянные проволочные | 0.15 | 0.23 | 0.37 | 0.60 | 1.0 | |
| 0.16 | 0.25 | 0.42 | 0.73 | 1.27 | ||
| переменные непроволочные | 0.60 | 0.64 | 0.71 | 0.82 | 1.0 | |
| 0.64 | 0.68 | 0.76 | 0.90 | 1.12 | ||
| Коммутационные изделия | 0.22 | 0.27 | 0.37 | 0.57 | 1.0 | |
| Соединители низкочастотные | 0.49 | 0.54 | 0.63 | 0.77 | 1.0 |
В состав современной РЭС могут входить полупроводниковые приборы ППП, интегральные микросхемы ИМС различного уровня интеграции: полупроводниковые интегральные микросхемы МС; большие полупроводниковые микросхемы БИС; гибридные интегральные микросхемы ГИС; большие гибридные интегральные микросхемы БГИС, микросборки МСБ. В микросборки включаются малогабаритные дискретные ЭРЭ. Данные таблиц 1.2, 1.3, 1.4, являются общими для разных групп элементов. Результаты расчета по пунктам (1-4) вносят в типовую таблицу 1.5. Все перечисленные элементы имеют свои методики расчета и конкретные модели ИО. Изложению этого материала посвящен раздел II
Таблица 1.5
Расчет интенсивности отказов устройства с использованием поправочных коэффициентов
| № | Наименование и тип элемента | Схемное обозначение | Кол-во эл-тов данного типа  , шт
| Интенсивность отказов в номинальных условиях 
|  i=1, 2 …m
| Интенсивность отказов в реальных условиях 
| Интенсивность отказов j-ой группы
элементов 
|
5) Рассчитываются количественные показатели надежности.
Наиболее часто рассчитываются вероятность безотказной работы Р(t) и средняя наработка до отказа 
для невосстанавливаемых РЭС и средняя наработка на отказ 
для восстанавливаемой РЭС.
При последовательном соединении N элементов в СНИ независимости отказов между собой вероятность безотказной работы системы за время t будет равна [1]
. (1.6)
Используя экспоненциальную модель 
, (1.7) получим 
. (1.8)
Обычно в аппаратуре имеется большое количество однотипных элементов Nj, имеющих одинаковую интенсивность отказов lj. Если таких типов k, то
. (1.9)
Соответствующие значения среднего времени безотказной работы:
; 
, (1.10)
где lс - интенсивность отказов системы для N равно-надежных элементов 
(1.11)
При нормальной работе аппаратуры, когда имеет место простейший поток отказов и справедлив экспоненциальный закон надежности, параметр потока отказов равен интенсивности отказов Wс =lс =const, а средняя наработка до отказа равна среднему времени безотказной работы между отказами Т 
=Т0.
При параллельном соединении n элементов в СН , когда отказы отдельных элементов независимы, вероятность безотказной работы равна [1]
. (1.12)
6) Распределение показателей надежности по элементам
Нормируемые показатели надежности, которые требуется обеспечить в процессе проектирования, назначаются на всю систему и указываются в задании на дипломное проектирование. При расчете надежности устройства, которое является частью разрабатываемой системы, необходимо уметь формулировать требования к показателям его надежности.
Существуют три метода распределения показателей надежности по элементам:
По принципу равнонадежности элементов.
Пусть система состоит из Nравнонадежных последовательных элементов и за время tдолжна обеспечить вероятность безотказной работы P(t). Тогда каждый ЭН должен обеспечить вероятность безотказной работы
(1.13)
Следовательно, интенсивность отказов каждого ЭН (норма надежности) для экспоненциальной модели (1.7) должна быть
(1.14)
С учетом сложности элементов.
Пусть система состоит из Nпоследовательных равнонадежных блоков, причем 
одинаковых блоков содержат 
элементов, 
одинаковых блоков, отличных от предыдущих, содержат 
таких же элементов и т.д. Для обеспечения заданной вероятности безотказной работы P(t)за времяt интенсивность отказов всего устройства согласно формулам (1.8) , (1.11) должна быть
, (1.15)
т.к. для экспоненциальной модели (1.7) 
(если P(t) близка к 1).
Для определения требований к надежности блоков вводятся коэффициенты сложности блоков:
(1.16)
где
- число одинаковых блоков одного типа, 
, l- число типов блоков, 
- число элементов вi- м блоке. Норма надежности для каждого i-го блока определяется:
(1.17)
Пример 1 Радиоэлектронное устройство состоит из N=12 блоков: 10 одинаковых устройств типа 1, одно устройство типа 2 и одно устройство типа 3. Для безотказной работы устройства необходима безотказная работа всех блоков. Каждый из блоков содержит=10, 
=20, 
=30 транзисторов. Вероятность безотказной работы устройства в течении наработки t=4ч должна быть не менее 0.998.
Определить допустимое значение интенсивности отказов каждого блока 
.
Если транзисторы в блоках 1,2 и 3 одного типа и на каждый транзистор приходится, примерно, одинаковое количество деталей, то интенсивность отказов всего устройства согласно (1.16) определяется из соотношения:
Рассчитаем коэффициенты сложности блоков по формуле (1.16) 
; 
;
Допустимые значения интенсивности для блоков находятся по формуле (1.17):
; 
; 
.
C учетом существующего соотношения показателей надежности элементов в аналогичной системе (прототипе).
Пусть проектируемая система состоит из N последовательных блоков и за времяtдолжна обеспечить вероятность безотказной работы P(t).
Аналогичная система из N последовательных блоков имеет интенсивности отказов j-го блока 
. При последовательном соединении блоков доля отказов системы из-за отказов i-го блока
; (1.18)
где 
- интенсивность отказов всей системы; 
- интенсивность отказов i-го блока.
Аналогичный коэффициент 
для прототипа можно найти по соотношению интенсивности отказов прототипа
. (1.19)
Нормы надежности для блоков устанавливаются из соотношения
. (1.20)
Пример 2 Проектируемое устройство состоит из трех блоков 1,2,3. Для безотказной работы устройства необходима безотказная работа всех блоков. Задана вероятность безотказной работы устройства в течении t=100ч, P(t)=0,97. Определить нормы надежности на блоки 1,2,3, если при рассмотрении аналогичной системы установлено, что аналогичные блоки соответственно имеют интенсивности отказов 
; 
; 
.
Для определения норм надежности (интенсивности отказов) на блоки с учетом данных для аналогичного изделия необходимо определить коэффициенты, учитывающие соотношение надежности блоков в нем (1.19)
;
;
;
Для проектируемого устройства этот коэффициент равен
.
Найдем значения по формуле (1.15)
;
Тогда нормы надежности для проектируемых блоков согласно (1.20) определяются следующим образом
;
Используя известные соотношения между 
и 
(1.6-1.12) дипломник должен убедиться, что выполняются заданные нормируемые показатели надежности.