Ориентировочный и уточненный расчеты надежности СВТ

При ориентировочном расчете надежности (на этапе проектирования) используются величины интенсивности отказов различных радиоэлементов при температуре +20°С и коэффициентах нагрузки К_н_i =1 (таблица 3.1). Метод используется для оценки достижимого уровня надежности и разработки мероприятий для ее дальнейшего увеличения.

Для уточненных (полных) методов расчета необходимо иметь опытные образцы СВТ для оценки реальных значений температуры и коэффициентов нагрузок К_н_i всех радиоэлементов. В этом случае реальные интенсивности отказов элементов определяются путем введения специальных поправочных коэффициентов, учитывающих влияние условий эксплуатации СВТ, электрических режимов, температуры и пр.

где - коэффициент, учитывающий влияние условий эксплуатации на интенсивность отказов СВТ (см. таблицы приложения 3.1) ;

- поправочный коэффициент для i -го радиоэлемента, учитывающий влияние температуры окружающей среды и электрической нагрузки .

Значения коэффициента для различных типов элементов приведены на соответствующих графиках приложения 3.1. Величина для и температуре окружающей среды близкой к нормальной может быть осуществлено ниже единицы.

В общем случае коэффициент нагрузки радиоэлемента равен

где и – соответственно реальная и номинальная (по техническим условиям) электрическая нагрузка радиоэлемента.

Коэффициент нагрузки либо рассчитывается, либо определяется экспериментально, путем замера режимов работы образцов СВТ.

Литература

1 Основы эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры/ А.К.Быкадоров, Л.И.Кульбак, В.Ю.Лавриненко и др.; Под ред. В.Ю.Лавриненко.- М.: Высшая школа, 1978.- 320с.

2 Савельев М.В. Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ: Учеб. пособие для вузов. – Высш. шк., 2001.- 319с.

Таблицы и графики для расчета величин радиоэлементов

Таблица 3.1- Номинальные интенсивности отказов различных радиоэлементов при t=+20°С и Кн =1(только для учебных целей)

Радиоэлементы	Интенсивность отказов λ₀_i, 10^-6 1/ч
диоды маломощные	0,8
мощные (силовые)	1,2
импульсные	0,3
стабилитроны	1,5
варикапы	0,9
светодиоды	1,1

транзисторы биполярные	1,2
полевые	1,5

микросхемы аналоговые	0,3
цифровые	0,1

резисторы постоянные	0,5
переменные	1,7

конденсаторы неполярные	0,4
полярные	1,4

индикаторы светодиодные	1,4
жидкокристаллические	3,2

реле электромеханические малогабаритные	0,3
электромагниты общего назначения	0,3
трансформаторы силовые	3,0
дроссели	1,0
катушки индуктивности	0,5

громкоговорители динамические	0,7
микрофоны динамические	2,8

резонаторы кварцевые	1,1
антенны	3,3
выключатели, переключатели	2,3
кнопки миниатюрные	1,4
тумблеры	0,1
разъемы	1,0
предохранители	0,2

аккумуляторы	7,2
батареи одноразрядные	30,0

провода соединительные	0,02
кабели ленточные (шлейфы)	0,2
пайки печатного монтажа	0,01
пайки навесного монтажа	0,03
основания печатных плат из текстолита	0,01

Таблица 3.2 - Значения коэффициента k₁ (воздействие влажности)

Климатическая зона	Относительная влажность, %	Температура, t, °С	Общее воздействие k₁
континентальная субтропическая тропическая	60—70 90—98 90—98	20—40 20—25 30—40	1,0 2,0 2,5

Таблица 3.3 - Значения коэффициента k₂ (воздействие пониженного давления)

Высота, км	Общее воздействие k₂	Высота, км	Общее воздействие k₂
0-1 1-2 2-3 3-5 5-6 6-8	1,00 1,05 1,10 1,14 1,16 1,20	8—10 10—15 15—20 20—25 25—30 30—40	1,25 1,30 1,35 1,38 1,40 1,45

Таблица 3.4 - Значения коэффициентов k₃ и k₄ (механические воздействия)

Условия эксплуатации аппаратуры	Вибрации k₃	Удары k₄	Общее воздействие k₃∙ k₄
лабораторная, бытовая стационарная (полевая) корабельная автомобильная железнодорожная авиационная	1,00 1,04 1,30 1,35 1,40 1,46	1,00 1,03 1,05 1,08 1,10 1,13	1.00 1,07 1,36 1,46 1.54 1,65

Графики для расчета поправочного коэффициента а_i = f(tº, К_н_i)

I – область рекомендуемых нагрузок, II - нагрузки, допускаемые по ТУ или ЧТУ

Рисунок 3.10 - Зависимость величины а_i от температуры и коэффициента нагрузки для неполярных конденсаторов

Рисунок 3.11 - Зависимость величины а_i от температуры и коэффициента нагрузки для полярных конденсаторов

Рисунок 3.13 - Зависимость величины а_i оттемпературы и коэффициента нагрузки для кварцевых резонаторов

Рисунок 3.12 - Зависимость величины а_i от температуры и коэффициента нагрузки для жидкокристаллических индикаторов

Для радиокомпонентов, не приведенных на рисунках и имеющих малые величины принять .

Пример расчета надежности СВТ

Расчет надежности автономного программатора. Автономный программатор относится к не резервируемому виду радиоаппаратуры. Поэтому вероятность безотказной работы изделия равна произведению вероятностей безотказной работы его элементов:

Р_изд= Р₁Р₂Р₃...Р_n = .

Выполняя расчет для периода нормальной эксплуатации, считают интенсивности отказов радиоэлементов l₀_i величинами постоянными, а вероятность их безотказной работы, подчиняющуюся экспоненциальному закону: Р_i= ехр(- l₀_i ∙t).

Отсюда наработка на отказ Т_о = 1/l_Σ, а вероятность безотказной работы Р_изд = ехр(-t/Т_о). Здесь l_Σ = -параметр, характеризующий интенсивность отказов изделия.

Сущность расчетов надежности заключается в определении численных значений основных вышеуказанных показателей. На начальном этапе проектирования после разработки принципиальных электрических схем СВТ с целью рационального выбора типов отдельных элементов и определения (в случае необходимости) путей и мер по обеспечению требуемых показателей надежности производятся приближенные или ориентировочные расчеты.

В основу этих расчетов обычно кладутся следующие допущения:

- все элементы данного типа равнонадежны,

- все элементы работают в номинальных режимах с К_н=1,

- интенсивности отказов элементов не зависят от наработки,

- отказы различных элементов являются независимыми случайными событиями,

- все элементы аппаратуры работают одновременно.

Величина интенсивности отказов СВТ l_Σ определяется по формуле

l_Σ = .

Учитывая вышеизложенное, проведем ориентировочный расчет основных показателей надежности разработанного устройства. Схема программатора приведена на рисунке 3.20. Полученные данные сведены в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 – Результаты ориентировочного расчета показателей надежности СВТ

Наименование и тип элемента	Обозначение по схеме	Кол-во элементов N_i, шт.	Интенсивность отказов, l₀_i ∙10^-6	Интенсивность отказов группы l_Σ∙∙ 10^-6
Резисторы постоянные С2-33-0,125	R		0,5	3,5
Резисторы переменные СП5-2ВА	R		1,7	3,4
Конденсаторы неполярные К10-17б	С		0,4	0,4
Конденсаторы полярные К50-35	С		1,4	1,4
Микросхемы аналоговые и цифровые	DА, DD		0,1	0,6
Диоды импульсные	VD		0,3	0,6
Светодиод АЛС323А-5	VD		1,1	1,1
Переключатель RCL371	S		2,3	2,3
Джампер MJ-O-4,5	SP		0,1	0,3
Вилка WF-3	Х		1,6	1,6
Кабель плоский FRC-5 (шлейф)	Х		0,2	0,2
Панельки для ИС	Х		0,1	0,3
Паяные соединения	-		0,01	2,17
				l_Σ =17,87

Согласно приведенным выше формулам, наработка на отказ автономного программатора составляет Т_о= 1/17,87∙10^-6= 55960 ≈ 56тыс. часов. Вероятность безотказной работы за 1000 часов составит 0,98.

Полученное значение наработки на отказ с учетом объема программирования ИС UVPROM (10…30 ед/день) обеспечит безотказную работу устройства в течение всего срока службы. Профилактической замены потребуют только панельки для ИС после превышения количества гарантированного производителем операций установки и снятия ИС UVPROM.

При эксплуатации программатора в составе автомобильной аппаратуры () в субтропическом климате () и в гористой местности до 3 км над уровнем моря () его интенсивность отказов увеличится на коэффициент и в результате составит =2,0∙1,1∙1,46∙17,87∙10^-6= 3,21·17,87∙10^-6= 57,40∙10^-6 1\час. Отсюда наработка на отказ автономного программатора с учетом влияния только условий эксплуатации составит 17420 часов.

После создания макетных образцов можно провести дальнейшее уточнение результатов расчета надежности СВТ. Для этого проводят измерения электрических режимов радиокомпонентов, входящих в состав СВТ с целью определения значений их реальных коэффициентов нагрузок.

Для оценки влияния электрических режимов работы (электрической нагрузки) и температуры окружающей среды необходимо воспользоваться графиками рисунков 3.2- 3.19 и скорректировать значения интенсивностей отказов всех элементов программатора.

Например, интенсивность отказов полярных конденсаторов при t=60ºC и Кн =0,7 согласно графика рисунка 3.11 увеличится в a_i ≈2,7 раза и составит 1\час. Это значение и следует учитывать при расчете надежности устройства (таблица 3.6).

Таблица 3.6 – Результаты уточненного расчета показателей надежности СВТ

Наименование и тип элемента	Обознач. по схеме	Кол-во элементов N_i, шт.	Интенсивность отказов, l₀_i ∙10^-6	Поправоч-ный коэффициент a_i	Интенсивность отказов, ∙10^-6	Интенсивность отказов группы l_Σ∙∙ 10^-6
Конденсаторы полярные К50-35	С		1,4	2,7	3,78	3,78

Аналогичным образом уточняются интенсивности отказов других компонентов программатора.

С учетом условий эксплуатации программатора в составе автомобильной аппаратуры (см. выше) его суммарная интенсивность отказов l_Σ должна быть увеличена на коэффициент = 3,21.