Введение
Технический прогресс во всех областяхпредполагает самое широкое использование радиоэлектронной техники, котораяпрежде всего должна надёжно выполнять возложенные на неё функции. Поэтомузадача повышения надёжности радиоэлектронной аппаратуры является в настоящеевремя одной из главных проблем современной радиоэлектроники. Ненадёжность нетолько резко снижает эффективность использования радиоэлектронной техники, но иприводит к огромным экономическим потерям, к неоправданному повышению стоимостиэксплуатации и тормозит дальнейшее использование средств радиоэлектроники.Поэтому будущее радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени зависит отеё надёжности.
При проектировании РЭА выполняется разработкаописаний нового или модернизированного технического объекта в объеме и составедостаточном для реализации этого объекта в заданных условиях. Такие описанияназываются окончательными и представляют собой полный комплект документации напроектируемое изделие.
Процесс проектирования делят на этапы, состав исодержание которых в значительной мере определяются природой, типом,характеристиками объекта проектирования. Выделяют следующие этапы проектирования:
1) Этаппредварительного проектирования или этап научно-исследовательских работ (НИР).Любое проектируемое изделие должно либо отличаться от аналогов какими-либохарактеристиками, либо аналогов не иметь. В любом случае анализ выполняемоститребований заказчика требует проведения работ научно-исследовательских илирасчетного характера. Результатом этапа НИР является техническое задание (ТЗ) напроектирование.
2) Этапэскизного проектирования или этап опытно-конструкторских работ (ОКР).
3) Этаптехнического проектирования, который состоит в выпуске полного комплектадокументации на разработанное изделие.
Конструкторско-технологическое проектированиеявляется важнейшей составной частью создания радиоэлектронных устройств (РЭУ).От успешного выполнения этого этапа во многом зависят качественные показателиРЭУ.
При разработке конструкций и технологий РЭУрадиоинженеру конструктору-технологу приходится прибегать к помощиматематических методов при выборе решений и оценке их качества. При этом широкоиспользуются аналитические методы анализа. Во многих случаях оценитькачественные показатели чисто аналитическими приемами весьма затруднительно,либо вообще не представляется возможным. В этих случаях прибегают кэкспериментальным методам.
Поэтому, для радиоинженера конструктора-технологаважны как аналитические, так и экспериментальные математические методы,используемые при выборе конструкторско-технологических решений и оценке ихкачества.
Улучшение качества РЭУ представляет собой процесснепрерывного повышения технического уровня продукции, качества ее изготовления,а также совершенствование элементов производства и системы качества в целом.
Одним из важныхпоказателей качества РЭУ является надежность. Этот показатель рассматривается врамках теории надежности, которая устанавливает закономерности отказов изделий,обуславливает их появление, определяет методы расчета надежности, способы ееповышения.
Под надежностью понимают свойство изделиясохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров,характеризующих способность выполнять требуемые функции, в заданных режимах иусловиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность являетсякомплексным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условийего применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодностьи сохраняемость или определённые сочетания этих свойств. Для описания различныхсторон этого свойства на практике пользуются показателями надежности,представляющими собой количественные характеристики одного или несколькихсвойств определяющих надежность изделия.
Используют единичные и комплексные показателинадежности. Под единичным понимают такой показатель, который характеризует одноиз свойств, составляющих надежность изделия. Комплексный показательхарактеризует несколько свойств, составляющих надежность изделия.
Для количественного описания различных стороннадежности используют несколько групп показателей (первая группа ─показатели безотказности; вторая группа ─ показатели ремонтопригодности).
Существует несколько методов расчета показателейнадежности РЭУ. Выбор метода зависит от того, какими исходными данными располагаетконструктор, и на какой стадии, проектирования производится расчет. Наиболеечасто встречаются следующие методы расчетов: приближенный (ориентировочный)метод расчета; полный метод расчета. Оба метода предполагают расчетвероятностей безотказной работы изделия P(tз), которая в своюочередь учитывает три вида отказов: внезапный, постепенный и перемежающийся.
Под отказомпонимают полную или частичную потерю изделием работоспособности вследствиеухода одного или нескольких параметров изделия за пределы установленных норм.
Внезапный(мгновенный) отказ ─ это такой отказ, который характеризуетсяскачкообразными изменениями значения одного или нескольких параметров изделия.
Постепенный(параметрический) отказ ─ отказ возникающий в результате постепенного (обычнонепрерывного и монотонного) изменения значений одного или нескольких параметровизделия.
Перемежающийсяотказ ─ это многократный самоустраняющийся отказ одного и того жехарактера.
Уточнённыйрасчет выполняют на заключительных стадиях проектирования РЭУ, когда выбранытипы элементов, имеются результаты расчёта тепловых режимов, виброзащищенности ит.п.
Ориентировочныйрасчет выполняется на начальных стадиях проектирования РЭУ, когда еще невыбраны типы и эксплуатационные характеристики элементов, не спроектированаконструкция и, естественно, отсутствуют результаты конструкторских расчетов(теплового режима, виброзащищенности и т.п.).
Иногда в ходе расчёта надёжность системы неудовлетворяет техническому заданию. В этом случае необходимо принять меры, повышающиенадёжность. В общем случае эти меры можно свести к следующим:
1) Общие;
2) Прогнозирование;
3) Граничные испытания;
4) Приработка изделия;
5) Резервирование.
К общимметодам повышения надёжности относятся:
1) Правильныйвыбор схем и элементов схем, а так же режимов их работы;
2) Выборсоответствующих материалов конструкций, конструктивное решение РЭУ;
3) Удобствотехнического обслуживания аппаратуры и её восстановления;
4) Соблюдениеи совершенствование технологии производства;
5) Контролькачества.
Прогнозированиеявляется важным методом повышения надёжности, поскольку в результате егопроведения получаются научно-обоснованные вероятностные данные о будущемсостоянии промышленного объекта.
Граничные испытания ─этот метод имеет перспективы на стадии проектирования аппаратуры. Сущность егозаключается в экспериментальном определении области устойчивости работы системыили отдельных узлов при воздействии различных возмущающих факторов.
Приработкаизделия. Приработка элементовдостигается сокращением этапа приработки системы, которое характеризуется наданном этапе повышением интенсивности отказа.
Резервированиеявляется основным средством повышения надёжности систем и устройств РЭС
Сущностьметода резервирования заключается в том, что в аппаратуру вводитсяизбыточность. Соединения изделия при этом производится так, что отказ наступаеттолько при отказе основного изделия и всех резервных изделий.
По способувключения различают:
1) Постоянноерезервирование. Пп курсовое проектирование ри оценкепоказателей безотказности по заданию постоянном резервировании резервныеэлементы подсоединены к основным, и все время работы находятся в
одинаковых сними режимах работы.
Достоинстватакого способа:
а) отсутствиекратковременных перерывов в работе;
б) простотаосуществления.
Недостатки:
а) повышенныйрасход ресурса резервных элементов;
б) выход изстроя одного элемента приводит к изменению всех выходных параметроврезервируемого узла, что ведет к изменению электрических режимов остальныхпараллельно включенных элементов.
Постоянноерезервирование удобно при резервировании малых энергоемких элементов.
2)резервирование замещением (данный метод используется при оценке показателейбезотказности по заданию на курсовое проектирование). При резервированиизамещением схема проектируется таким образом, что при появлении отказа онаперестраивается и восстанавливает свою работу путем замещения отказавшегоэлемента резервным. При резервировании замещением применяют переключатели,реле, контакторы и др. для отключения поврежденного элемента и включения резервного.
Достоинстватакого способа:
а) резервнаяаппаратура до момента включения может находиться в облегченном илиненагруженном состоянии;
б) один илинесколько резервных элементов могут быть использованы для замены любого изсуществующих подмножеств однотипных элементов.
Недостатки:
а) резервнаяаппаратура замещает основную, при этом осуществляется перерыв в работе системы;
б) наличиепереключающих элементов;
в) необходимостьиметь в системе устройство поиска неисправностей.
Резервированиезамещением удобно использовать при резервировании крупных функциональных узловсложных РЭУ.
Резервированиезамещением и постоянное резервирование могут быть осуществлены путем примененияобщего, раздельного, смешанного и скользящего соединения резервных элементов.
1. Уточнение исходных данных
Исходными данными к курсовому проекту являются:
1) Схема электрическая принципиальная лабораторного блока питанияиз журнала «Радиолюбитель» №2 1997 г.
2) Условия работы лабораторные и стационарные.
3) Заданное время работы 10000 ч.
4) Резервирование замещением (резерв нагруженный).
В схеме лабораторного блока питания, выбранной в качестве исходныхданных для курсового проекта используются следующие радиоэлементы:
1. Электролитические конденсаторы типа К50–37 (С1…С6, С17, С18).Внешний вид конденсаторов этого типа представлен на рис. 1.1
/>
Рис. 1.1 Конденсатортипа К50–37
2.Электролитические конденсаторы К50–16 (С7, С8, С15, С16). Корпус данного типаконденсаторов аналогичный К50–37. Его вид представлен на рис. 1.2.
/>
Рис. 1.2Вид корпуса конденсаторов типа К50–16
Основныетехнические данные конденсаторов типа К50–16 представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.2Технические данные конденсаторов типа К50–16Рабочее напряжение, В Номинальная ёмкость, мкФ
Рабочая температура, оС Тангенс угла потерь, % Диаметр корпуса, мм Длина корпуса, мм
Допустимые отклонения ёмкости (при 50Гц, 20оС) Ток утечки, мкА 16 470 -25…+70 35 16 28 -20…+50% 0,01 10 100 -25…+70 35 12 20 -20…+50% 0,01
3.Керамические конденсаторы К10–17б (С9…С14, С19…С22). Технические данныеконденсаторов этого типа представлены в табл. 1.3.
Таблица 1.3Технические данные конденсаторов типа К10–17бРабочее напряже-ние, В Номиналь-ная ёмкость, мкФ
Рабочая температу-ра, оС Тангенс угла потерь, % Длина корпуса, мм Ширина корпуса, мм Высота корпуса, мм
Допустимые отклонения ёмкости (при 50Гц, 20оС) 50 0,022 -60…+125 35 3,2 1,3 1,8 ±10% 50 0,047 -60…+125 35 3,2 1,3 1,8 ±10% 50 0,1 -60…+125 0,0015 3,2 1,3 2,8 ±10% 50 3 -60…+125 0,0015 12 1,3 10 ±10%
4. Операционныеусилители DA1, DA2 – К140УД1б. Внешний вид и цоколёвка ОУ представлены на рис. 1.3,а основные технические данные в табл. 1.4.
/>
Рис. 1.3 Типоразмеры ОУ К140УД1Б
Таблица 1.4 Технические данные ОУ К140УД1Б
Параметры ОУ
Uпит.ном., В
KDx10–3
Iп., мА
Uсм, мВ
TKUсм,
мкВ/К
Ii, нА
Дельта Ii, нА
К140УД1Б
2Х12,6
1.3
12 7
20
8000
1500
5. В схемелабораторного блока питания в качестве предохранителя FU1 используется вставкаплавкая 5А 20×5 мм (см. рис. 1.4).
/>
Рис. 1.4Предохранитель миниатюрный
6. Резисторытипа С2–33 мощностью 0.125Вт, 0.25Вт, 0.5Вт, 1Вт, 2Вт (см. рис. 1.5).Размеры резисторов типа С2–33 представлены в табл. 1.5. основные техническиеданные резисторов типа С2–33 представлены в табл. 1.6.
/>
Рис. 1.5Внешний вид и размеры резисторов типа С2–33
/>Таблица 1.5 Размеры резисторов типа С2–33Тип резистора Диаметр D, мм Длина L, мм Диаметр d, мм Длина l, мм Мощность, Вт С2–33–0,125 2,2 6 16 0,6 0,125 С2–33–0,25 3,2 7,1 16 0,6 0,25 С2–33–0,5 4,2 10,8 25 0,8 0,5 С2–33–1 6,3 13 25 0,8 1 С2–33–2 8,5 18 25 0,8 2
Таблица 1.6Основные технические данные резисторов типа С2–33Тип резистора
ТКС•10-6, 1/°С, не более Диапазон номинальных сопротивлений Предельное рабочее напряжение, В Минимальная наработка, ч
Рабочая температура, оС С2–33–0,125 ±500 0,1Ом…3,01Мом 200 30000 -60…+155 С2–33–0,25 ±500 0,1Ом…5,11Мом 250 30000 -60…+155 С2–33–0,5 ±500 0,1Ом…5,11Мом 350 30000 -60…+155 С2–33–1 ±500 1Ом…22Мом 500 30000 -60…+155 С2–33–2 ±500 1Ом…22Мом 750 30000 -60…+155
7. Длярегулировки выходных напряжений лабораторного блока питания примененыпеременные резисторы (R64, R65) типа СП‑1‑А. Их основные техническиеданные представлены в табл. 1.7.
Таблица 1.7Основные технические данные резисторов типа СП‑1‑АТКС, 1/°С, не более Диапазон номинальных сопротивлений Предельное рабочее напряжение, В Число циклов перемещения подвижной системы, не менее Минимальная наработка, ч
Рабочая температура, оС ±0,00025 47Ом…1Мом 150 150 20000 -60…+125
Конец формы
8. Дляизмерения выходных напряжений блока питания в схеме применены вольтметры(измерительные стрелочные головки) типа Ц42175. Их внешний вид показан на рис. 1.6,а основные характеристики представлены в табл. 1.8.
Начало формы
Конец формы
/>
Рис. 1.6Внешний вид стрелочного вольтметра типа Ц42175.
Таблица 1.8Основные технические данные вольтметра типа Ц42175Пределы измерений, В Класс точности Габариты, мм Масса, кг Относительная влажность, не более%
Рабочая температура, оС 0…50 2,5 80×80×50 0,15 95 -30…+50
9. Дляизмерения тока вблоке питания используются амперметры типа М330. Их основныехарактеристики представлены в табл. 1.9.
Начало формы
Конец формы
Таблица 1.9Основные технические данные амперметра типа М330Пределы измерений, А Класс точности Габариты, мм Масса, кг
Относительная влажность, не более%
Рабочая температура, оС 0…3 1,0 80×80×50 0,155 95 -30…+50
10. В схемеблока питания используется тиристорная оптопара VD12 АОУ103В. Её основныехарактеристики представлены в табл. 1.10, а цоколёвка и размеры на рис. 1.7.
Таблица 1.10Основные технические данные оптопары типа АОУ103В
Uвх, В
Uост, В
tвкл, мкс
tвыкл, мкс
Rраз, Ом
Uраз, В
Uвых.обр.макс., В
Iвх.макс., мА
Iвых.макс., мА
Рабочая температура, оС 1,5…2 1,8 10 35
5×108 500 200 55 100 -60…+90
/>/>
Рис. 1.7Цоколевка и размеры оптопары АОУ103В
11. Длявыключения блока питания от сети используется кнопочный переключатель SA1 типа П2К с максимальнымрабочим напряжением 250В и максимальным током коммутации 1А. Внешний вид переключателяП2К показан на рис. 1.8.
/>
Рис. 1.8Внешний вид переключателя П2К.
12. Для пер/>еключения диапазонов выходных напряжений блока питанияиспользуются строенные переключатели SA2, SA3 галетного типа с пятью контактами на каждойколодке, рассчитанные на максимальное напряжение переключения 150В имаксимальный коммутируемый ток 2А.
13. В блокепитания применён трансформатор TV1 типа ТН. Намоточные данные трансформаторапредставлены в табл. 1.11.
Таблица 1.11Намоточные данные трансформатора типа ТННомера выводов Количество витков Марка провода Напряжение, В 1–2, 1'-2' 440 ПЭЛ‑2 1,0 110 3–4, 3'-4' 80…130 ПЭЛ‑2 0,35 20…36 5–6, 5'-6' 53 ПЭЛ‑2 1,7 14 7–8, 7'-8' 20 ПЭЛ‑2 1,7 5 8–9, 8'-9' 20 ПЭЛ‑2 1,7 5 9–10, 9'-10' 20 ПЭЛ‑2 1,7 5 10–11, 10'-11' 20 ПЭЛ‑2 1,7 5 11–12, 11'-12' 20 ПЭЛ‑2 1,7 5
14. Вкачестве выпрямительных диодов (VD1…VD8) в схеме лабораторного блока питанияиспользуются выпрямительные диоды типа КД213Б. Основные технические данные этихдиодов представлены в табл. 1.12, а корпус диода на рис. 1.9.
Таблица 1.12Основные технические данные диода КД 213Б
Uоб/ Uимп, В/В
Iпр/ Iимп, А/А
Uпр/ Iпр, В/А
Сд/ Uд, пф/В
I0(25)/ Iом, мА/мА
Fmax, кГц
Рабочая температура, оС 200/200 10/100 1,2/10 170 0,2/25 100 -60…+85
/>
Рис. 1.9Типоразмеры диода КД 213Б.
15. В схемеблока питания применяются импульсные диоды типа Д223Б. Основные техническиеданные этих диодов представлены в табл. 1.13, а корпус диода на рис. 1.9.
Таблица 1.13Основные технические данные диода КД 223Б
Iвыпр.ср… макс., мА
Iобр.,
Uобр.макс., В
Uпр., В
Рабочая температура, оС 50 0,05 150 1 -60…+120
/>/>
Рис. 1.10Типоразмеры диода КД 223Б.
16. В схемеблока питания применяются стабилитроны типов КС456А, КС512, Д818Е. Основныетехнические данные этих стабилитронов представлены в табл. 1.14, а корпус диодана рис. 1.11.
Таблица 1.14Основные технические данные стабилитроновТип стабилитрона
Ucт.ном., В
Рмакс., мВт
rcт, Ом
Ucт.мин., В
Ucт… макс, В
Icт.мин., мА
Icт… макс, мА
αст., 10-2%/оС
Рабочая температура, оС КС 456А 5,6 1000 25 5,04 6,16 3 230 -10 -60…+125 КС 512 12 1000 6 10,8 13,2 3 33 0,09 -60…+125 Д 818Е 9 300 35 8,1 9,9 1 29 0,02 -60…+125
/>
Рис. 1.11Типоразмеры стабилитронов типаов КС456А, КС512, Д818Е.
17. В схемеблока питания используются диоды типа Д9Ж. Основные технические данные этихдиодов представлены в табл. 1.15, а корпус диода на рис. 1.12.
Таблица 1.15Основные технические данные диода Д 9Ж
Iвыпр.ср… макс., мА
Iобр.,
Uобр.макс., В
Uпр., В
Рабочая температура, оС 16 0,1 10 1 -40…+70
/>
Рис. 1.12Типоразмеры диода Д 9Ж.
/>18. В схеме блока питания используются транзисторы КТ502А,КТ503А. Основные технические данные этих транзисторов представлены в табл. 1.16,а цоколёвка и габаритные размеры на рис. 1.13.
/>/>
Рис. 1.13Цоколевка и размеры транзисторов КТ502А, КТ503А.
Таблица 1.16Основные технические данные транзисторовТип транзистора
Uкэо макс., В
PК макс., мВт
h21Э
IК макс., мА
Iк/ Uк, мА/В
fмакс, МГц
СК, пф
СЭ, пф
Рабочая температура, оС КТ502А 25 350 40…120 150 10/5 5 20 15 -60…+125 КТ503А 25 350 40…120 150 10/5 5 20 15 -60…+125
19. В схеме стабилизатораблока питания используются транзисторы типов КТ815А, КТ814А, КТ816Г, КТ817Г.Внешний вид, размеры транзисторов представлены на рис. 1.14, а их электрическиепараметры в табл. 1.17.
/>/>
Рис. 1.14Цоколёвка и размеры транзисторов КТ815А, КТ814А, КТ816Г, КТ817Г.
/>Таблица 1.17 Основные технические данные транзисторовТип транзистора
Uкэо макс., В
PК макс., Вт
h21Э
IК макс., мА
fмакс, МГц
Uкбо макс., В
Рабочая температура,
оС КТ814А 25 1 (10) 40…275 3000 3 40 -40…+100 КТ815А 30 1 (10) 40…275 3000 3 40 -40…+100 КТ816Г 90 1 (25) 30…275 6000 3 100 -40…+100 КТ817Г 90 1 (25) 25…275 6000 3 100 -40…+100
20. В схеме стабилизатораблока питания используются транзисторы типов КТ818Г, КТ819Г. Внешний вид,размеры транзисторов представлены на рис. 1.15, а их электрические параметрыв табл. 1.18.
Таблица 1.18Основные технические данные транзисторовТип транзистора
Uкэо макс., В
PК макс., Вт
h21Э
IК макс., мА
fмакс, МГц
Uкбо макс., В
Рабочая температура,
оС КТ818Г 90 1,5 (60) 12…225 15000 3 90 -60…+125 КТ819Г 100 1,5 (60) 12…225 15000 3 100 -60…+125
/>
Рис. 1.15Цоколёвка и размеры транзисторов КТ818Г, КТ819Г.
21. В схеме блока питанияиспользуются транзисторы типов КТ825А, КТ827А. Внешний вид, размерытранзисторов представлены на рис. 1.16, а их электрические параметры в табл.1.19.
Таблица 1.19Основные технические данные транзисторовТип транзистора
Uкэо макс., В
PК макс., Вт
h21Э
IК макс., мА
fмакс, МГц
Uкбо макс., В
Рабочая температура,
оС КТ825А 90 125 750…18000 30000 4 90 -60…+125 КТ827А 100 125 500…18000 40000 4 100 -60…+125
/>
/>Рис. 1.16 Цоколёвка и размеры транзисторов КТ825А,КТ827А.
22. В схеме блока питанияиспользуются транзисторы типов КТ850А, КТ851А. Внешний вид, размерытранзисторов представлены на рис. 1.17, а их электрические параметры в табл.1.20.
Таблица 1.20Основные технические данные транзисторовТип транзистора
Uкэо макс., В
PК макс., Вт
h21Э
IК макс., мА
fмакс, МГц
Uкбо макс., В
Рабочая температура, оС КТ850А 200 25 40…200 3000 20 250 -60…+125 КТ851А 200 25 40…200 3000 20 250 -60…+125
/>
Рис. 1.16Цоколёвка и размеры транзисторов КТ850А, КТ851А.
23. В схеме блока питанияиспользуются гнёзда РО‑2 на два контакта и РО‑3 на три контакта,рассчитанные на напряжение до 250В и ток 2,5А.
24. В схеме блока питанияиспользуется вилка опресованная типа ВО, рассчитанные на напряжение до 250В иток 2,5А.
/>2. Определение среднеговремени до отказа и характер отказа элементов.
Определяем среднее время до отказа. Предварительно рассчитываеминтенсивность отказов. Для расчёта интенсивности отказов определяем справочноезначение вибрации, ударных нагрузок, коэффициента влияния окружающей среды,коэффициенты влияния атмосферного давления, максимальную рабочую температуру.
Наработку на отказ определим по формуле [1, стр. 162]:
/> (2.1)
Интенсивность отказов элементов вычислим по формуле:
/> (2.2)
где /> — номинальнаяинтенсивность отказов [1, стр. 163];
/> — поправочные коэффициенты взависимости от воздействия механических факторов. Принимаем />;
/> — поправочный коэффициент взависимости от воздействия влажности и температуры. Принимаем />;
/> — поправочный коэффициент взависимости от давления воздуха. Принимаем />;
/> — суммарный поправочный коэффициентв зависимости от температуры поверхности элемента и коэффициента электрическойнагрузки. Коэффициент электрической нагрузки будем вычислять по формулам [1, стр. 154].
/> — определяем по зависимостям [1, стр. 312–315].
/> — определяем по таблицам [1, стр. 307–311].
Производим расчет коэффициента нагрузки элементов. Результатызаносим в таблицу 2.1.
Таблица 2.1Группа элементов Коли-чество элементов в группе
Справоч-ное значение />/>
Коэф-фициент электри-ческой нагрузки Кн
Макс. рабочая температу-ра, 0С Попра-вочный коэффици-ент α
Значение />/>
Значение />/> С1…C6, C17, C18 8 0,055 0,79 40 2,5 0,1889 1,5112 C7, C8 2 0,055 0,63 40 1,8 0,136 0,272 C15, C16 2 0,055 0,79 40 2,5 0,1889 0,3778 C9…C14, C19…C22 10 0,05 0,79 60 0,9 0,0618 0,618 DA1, DA2 2 0,04 0,6 60 4 0,22 0,44 FU1 1 5 0,18 50 0,7 4,8086 4,8086 PA1, PA2 2 4 0,33 40 0,6 3,2973 6,5946 PV1, PV2 2 4 0,5 40 0,8 4,3964 8,7928 R1, R2, R36…R38, R41 6 0,08 0,25 60 0,75 0,082 0,492 R3, R6 2 0,08 0,2 60 0,7 0,077 0,154 R4, R5, R7, R14…R25, R28, R33, R54…R63 27 0,05 0,67 60 1,6 0,1099 2,9673 R8…R13, R26, R27, R29…R32, R34, R35, R39, R40, R42…R53, R66, R67 30 0,05 0,21 60 0,7 0,0481 1,443 R64, R65 2 0,5 0,11 60 0,1 0,0687 0,1374 SA1 1 0,3 0,8 60 3,5 1,4426 1,4426 SA2, SA3 2 0,4 0,2 60 0,8 0,4396 0,8792 TV1 1 2,5 0,88 50 3 10,3041 10,3041 VD1…VD8 8 0,5 0,6 60 1,2 0,8243 6,5944 VD9, VD10, VD12, VD13 4 0,2 0,33 60 0,8 0,2198 0,8792 VD11, VD14…VD17 5 0,9 0,65 50 1,1 1,3601 6,8005 VT1, VT2, VT5, VT6, VT9, VT10, VT13, VT14, VT16, VT19 10 0,45 0,2 80 0,3 0,1855 1,855 VT3, VT4 2 0,5 0,4 80 0,7 0,4809 0,9618 VT7, VT8, VT17, VT18 4 0,4 0,2 60 0,3 0,1649 0,6596 VT11, VT12, VT15, VT20 4 0,5 0,2 100 0,36 0,2473 0,9892 VU1 1 0,75 0,1 60 1 1,0304 1,0304 XS1 1 1,4 0,2 40 0,6 1,1541 1,1541 XS2 1 2,1 0,2 40 0,6 1,7311 1,7311 XT1 1 0,5 0,8 40 1,3 0,893 0,893 Плата 1 0,2 0,1 60 0,8 0,2198 0,2198 Пайки 361 0,04 0,1 35 1 0,055 19,855 ∑ 84,8577
/>
Определим наработку на отказ:/>
/>
Под отказом понимают полную или частичную потерю блоком работоспособностивследствие ухода одного или нескольких параметров блока за пределыустановленных норм. По своей физической сущности отказ есть событие случайное.
По характеру отказы делят на:
1. Внезапный или мгновенный – это отказ, характеризующийсяскачкообразным изменением значения одного или нескольких параметровфункционального блока РЭУ;
2. Постепенный(параметрический) – отказ возникающий в результатепостепенного изменения значений одного или нескольких параметров блока.
Чёткой границы между внезапным и постепенным отказом не выделяют.
В данном курсовом проекте будет учитываться внезапный отказ. Этосвязано с тем, что внезапный отказ функционального блока РЭУ проще отследить(это связано с полным выходом из строя блока), а постепенный отказ может явноне проявляться в течение длительного времени, что представляет некоторую сложность.
Произведя вычисления, установили, что интенсивность отказов элементовравна />, а наработка на отказ />
/>3. Определениепоказателей безотказности.
Определяем следующие показатели надёжности: вероятность безотказнойработы за заданное время, вероятность восстановления устройства за заданноевремя, гамма-процентная наработка до отказа, среднее время восстановления.
Определим вероятность безотказной работы за заданное время, заданноевремя дано в исходных данных к проекту /> Расчётпроизведём по формуле [1, стр. 162]:
/> (3.1)
/>
Построимграфик зависимости вероятности безотказной от времени до резервирования (см.приложение 4). График строим с помощью MC Excel.
Рассчитаем гамма-процентную наработку до отказа (при />) пользуясь формулой:
/> (3.2)
/>
Подсчитаем среднее время восстановления по формуле [1, стр. 171]:
/> (3.3)
где />– среднее времявосстановления элементов;
k – количествогрупп однотипных элементов;
Среднее время восстановления возьмём из таблицы [1, стр. 316]
/>
/>Таблица 3.1Группа элементов Количество элементов в группе Среднее значение случайного времени восстановления, ч
Значение />/>
Произведение/>/> С1…C6, C17, C18 8 0,55 0,1889 0,8312 C7, C8 2 0,55 0,136 0,1496 C15, C16 2 0,55 0,1889 0,2078 C9…C14, C19…C22 10 1,1 0,0618 0,6798 DA1, DA2 2 1,5 0,22 0,66 FU1 1 0,1 4,8086 0,4809 PA1, PA2 2 1,5 3,2973 9,8919 PV1, PV2 2 1,5 4,3964 13,1892 R1, R2, R36…R38, R41 6 0,5 0,082 0,246 R3, R6 2 0,5 0,077 0,077 R4, R5, R7, R14…R25, R28, R33, R54…R63 27 0,5 0,1099 1,4837 R8…R13, R26, R27, R29…R32, R34, R35, R39, R40, R42…R53, R66, R67 30 0,5 0,0481 0,7215 R64, R65 2 1,2 0,0687 0,1649 SA1 1 0,6 1,4426 0,8656 SA2, SA3 2 0,7 0,4396 0,6154 TV1 1 2,2 10,3041 22,669 VD1…VD8 8 0,4 0,8243 2,6378 VD9, VD10, VD12, VD13 4 0,6 0,2198 0,5275 VD11, VD14…VD17 5 0,5 1,3601 3,4002 VT1, VT2, VT5, VT6, VT9, VT10, VT13, VT14, VT16, VT19 10 0,8 0,1855 1,484 VT3, VT4 2 0,7 0,4809 0,6733 VT7, VT8, VT17, VT18 4 0,7 0,1649 0,4617 VT11, VT12, VT15, VT20 4 0,8 0,2473 0,7914 VU1 1 1,5 1,0304 1,5456 XS1 1 0,8 1,1541 0,9233 XS2 1 0,8 1,7311 1,3849 XT1 1 0,3 0,893 0,2679 Плата 1 3 0,2198 0,6594 Пайки 361 0,5 0,055 9,9275 ∑ 77,618
/>Произведём расчётвероятности восстановления устройства за заданное время (примем равным 2 часам)используя формулу [1, стр. 172]:
/> (3.4)
/>
Вычисленные показатели надёжности сведём в таблицу 3.2.
Таблица 3.2Показатели надёжности Обозначение Результат Интенсивность отказов РЭУ
/>
/> Наработка на отказ
/>
/> Вероятность безотказной работы за заданное время
/>
/> Гаммо-процентная наработка до отказа
/>
/> Среднее время востановления
/>
/> Вероятность восстановления за заданное время
/>
/>
Произведя расчёты, убеждаемся, что данное изделие обладает приемлемойремонтопригодностью (/>=0,888) при вероятностибезотказной работы в течение 10000 ч равной 0,43. />4. Обоснование метода резервирования для функционального узла РЭУ.
Резервирование– введение в структуру устройства дополнительных элементов или цепей. Потехническому заданию на курсовой проект необходимо произвести оценкупоказателей безотказности РЭУ при наличии резервирования замещением (резервнагруженный).
Прирезервировании замещением основной элемент в случае его отказа отключается отэлектрической схемы, и вместо него подключается один из резервных элементов.Для подключения резервного элемента используется переключающее устройство,которое может работать в автоматическом режиме либо быть ручным. Прирезервировании замещением резервные элементы до вступления их в работу могутнаходиться в одном из трёх режимов нагружения: в нагруженном режиме, воблегчённом режиме или в ненагруженном режиме.
В нагруженномрежиме («горячем» резервировании) резерв находится в таком же электрическомрежиме, как и основной элемент, и его ресурс вырабатывается одновременно сресурсом основного элемента, точно так же, как и при постоянном резервировании.
Основными достоинствами резервирования замещением являются: 1) большийвыигрыш в надёжности по сравнению с постоянным резервированием (в случаяхненагуженного и облегченного резерва); 2) отсутствие необходимостидополнительной регулировки в случае замещения основного элемента резервным, таккак основной и резервный элементы одинаковы.
Недостатками являются: 1) сложность технической реализации исвязанное с этим увеличение массы, габаритов и стоимости всего резервируемогоРЭУ; 2) перерыв в работе в случае замещения отказавшего элемента (в случаенагруженного резерва этот недостаток сводится к минимуму).
Из расчетов в разделе 3 курсового проекта видно, что лабораторныйблок питания при заданном времени работы обладает довольно низкой вероятностьюбезотказной работы (0,43), поэтому применяем резервирование замещением (позаданию резерв нагруженный). Для этого разобьем схему блока питания нафункциональные узлы, вычислим вероятность безотказной работы каждого из них,определим вероятность отказов каких узлов максимальная и проведёмрезервирование.
Проведя анализ схемы электрической принципиальной, разбиваем её начетыре функциональных блока: преобразователь (трансформатор напряжения), выпрямитель,стабилизатор и блок контроля выходных параметров.
/> />
/>
Рис. 4.1. Схема разбиения устройства на блоки.
Для расчета безотказной работы устройства воспользуемся формулой [1,стр. 158]:
/> (4.1)
где Pi(t) – вероятность безотказной работы отдельного блока, для заданноговремени t;
N –количество функциональных блоков;
Pустр.(t) – вероятность безотказной работы всего устройства.
Для расчета вероятности отказа каждого блока воспользуемсяформулой [1, стр. 204]:
/> (4.2)
где qi(t) – вероятность отказа отдельного блока.
В случае произвольного числа резервных элементов r вероятность отказарезервируемого узла определяется по формуле [1, стр. 204]:
/> (4.3)
где r – число резервных блоков.
Производим расчетызначений /> для каждого функционального блока с помощью ПЭВМв среде MC EXCEL. Результаты расчётов записываем в виде таблиц: табл. 4.1 – для преобразователянапряжения, табл. 4.2 – для выпрямителя, табл. 4.3 – для стабилизатора, табл. 4.4 – для блока контролявыходных параметров. Данные для расчёта вероятности безотказной работы возьмёмиз таблиц 1 и 2 во втором пункте проекта.
/> />
Таблица 4.1 Расчёт вероятности безотказной работы преобразователяГруппа элементов Коли-чество элементов в группе
Справоч-ное значение />/>
Коэф-фициент электри-ческой нагрузки Кн
Макс. рабочая температу-ра, 0С Попра-вочный коэффици-ент α
Значение />/>
Значение />/> FU1 1 5 0,18 50 0,7 4,8086 4,8086 SA1 1 0,3 0,8 60 3,5 1,4426 1,4426 SA2, SA3 2 0,4 0,2 60 0,8 0,4396 0,8792 TV1 1 2,5 0,88 50 3 10,3041 10,3041 VU1 1 0,75 0,1 60 1 1,0304 1,0304 XS1 1 1,4 0,2 40 0,6 1,1541 1,1541 XT1 1 0,5 0,8 40 1,3 0,893 0,893 Пайки 58 0,04 0,1 35 1 0,055 3,19 ∑ 23,702
Таблица 4.2 Расчёт вероятности безотказной работы выпрямителяГруппа элементов Коли-чество элементов в группе
Справоч-ное значение />/>
Коэф-фициент электри-ческой нагрузки Кн
Макс. рабочая температу-ра, 0С Попра-вочный коэффици-ент α
Значение />/>
Значение />/> С1…C6 6 0,055 0,79 40 2,5 0,1889 1,1334 R1, R2, 2 0,08 0,25 60 0,75 0,082 0,164 VD1…VD8 8 0,5 0,6 60 1,2 0,8243 6,5944 Пайки 32 0,04 0,1 35 1 0,055 1,76 ∑ 9,6518
/> />
Таблица 4.3 Расчёт вероятности безотказной работы стабилизатораГруппа элементов
Коли-чество элементов в группе
Справоч-ное значение />/>
Коэф-фициент электри-ческой нагрузки Кн
Макс. рабочая температу-ра, 0С
Попра-вочный коэффици-ент α
Значение />/>
Значение />/> C17, C18 8 0,055 0,79 40 2,5 0,1889 1,5112 C7, C8 2 0,055 0,63 40 1,8 0,136 0,272 C15, C16 2 0,055 0,79 40 2,5 0,1889 0,3778 C9…C14, C19…C20 8 0,05 0,79 60 0,9 0,0618 0,618 DA1, DA2 2 0,04 0,6 60 4 0,22 0,44 R36…R38, R41 4 0,08 0,25 60 0,75 0,082 0,492 R3, R6 2 0,08 0,2 60 0,7 0,077 0,154 R4, R5, R7, R14…R25, R28, R33, R54…R63 27 0,05 0,67 60 1,6 0,1099 2,9673 R8…R13, R26, R27, R29…R32, R34, R35, R39, R40, R42…R53, 28 0,05 0,21 60 0,7 0,0481 1,443 R64, R65 2 0,5 0,11 60 0,1 0,0687 0,1374 VD9, VD10, VD12, VD13 4 0,2 0,33 60 0,8 0,2198 0,8792 VD11, VD14…VD17 5 0,9 0,65 50 1,1 1,3601 6,8005 VT1, VT2, VT5, VT6, VT9, VT10, VT13, VT14, VT16, VT19 10 0,45 0,2 80 0,3 0,1855 1,855 VT3, VT4 2 0,5 0,4 80 0,7 0,4809 0,9618 VT7, VT8, VT17, VT18 4 0,4 0,2 60 0,3 0,1649 0,6596 VT11, VT12, VT15, VT20 4 0,5 0,2 100 0,36 0,2473 0,9892 VU1 1 0,75 0,1 60 1 1,0304 1,0304 Плата 1 0,2 0,1 60 0,8 0,2198 0,2198 Пайки 252 0,04 0,1 35 1 0,055 19,855 ∑ 33,1206
Таблица 4.4 Расчёт вероятности безотказной работы блока контроляГруппа элементов Коли-чество элементов в группе
Справоч-ное значение />/>
Коэф-фициент электри-ческой нагрузки Кн
Макс. рабочая температу-ра, 0С Попра-вочный коэффици-ент α
Значение />/>
Значение />/> C21, C22 2 0,05 0,79 60 0,9 0,0618 0,1236 PA1, PA2 2 4 0,33 40 0,6 3,2973 6,5946 PV1, PV2 2 4 0,5 40 0,8 4,3964 8,7928 R66, R67 2 0,05 0,21 60 0,7 0,0481 0,0962 XS2 1 2,1 0,2 40 0,6 1,7311 1,7311 Пайки 19 0,04 0,1 35 1 0,055 1,045 ∑ 18,3833
Всеполученные результаты расчётов сведём в табл. 4.5.
Таблица 4.5Результаты расчётов№ блока
Интенсивность отказов блока
/>
Наработка на отказ />
Вероятность безотказной работы /> 1 23,702 42191 0,79 2 9,6518 103608 0,91 3 33,1206 30193 0,72 4 18,3833 54397 0,83
Произведёмрасчёт числа резервных элементов для каждого блока. Для этого требуетсярассчитать вероятность безотказной работы каждого блока. Резервирование будемпроводить до того, пока вероятность безотказной работы не станет равной 0,92.
/>Подсчитаем количество требуемых резервирований для каждого блокапо формулам (4.1), (4.2), (4.3). Результаты расчётов представляем в виде табл. 4.6.Величина m втаблице 4.6 – это сумма основного и резервных блоков.
Таблица 4.6Результаты расчётов резервированияm
P1(t)
P2(t)
P3(t)
P4(t) 1 0,789 0,908 0,718 0,832 2 0,956 0,992 0,922 0,971 3 0,998 0,99994 0,994 0,9992
Из таблиц 4.5и 4.6 видно, что самую большую вероятность отказов имеет блок №3(стабилизатор). Поэтому принимаем количество резервных элементов дляфункциональных блоков №1, №2 и №4 r=1, а для функционального блока №2 r=2. В этом случаевероятность безотказной работы рассматриваемого лабораторного блока питанияопределяется по формуле (4.1) и равна:
/>
Поставленноеусловие выполняется, резервные элементы добавляем параллельно основным. Схемарезервирования представлена в приложении 3. Построим график зависимостивероятности безотказной от времени после резервирования (см. приложение 4).
5. О/>ценка влияния способа соединения элементов в узле на методрезервирования.
Основная цель резервирования – повысить надёжность всегоустройства. В зависимости от того, как соединены элементы в узле, выбирают тотили иной метод резервирования.
Оценка показателей безотказности тесно связана со способомсоединения элементов в блоке. Так, например последовательное соединениесвязывают с отказом типа обрыв, а при параллельном короткое замыкание, прииспользовании смешанного соединения (так сказать последовательно-параллельного)учитывают оба. При смешанном соединении элементов в цепи показателибезотказности зависят от конкретной схемы соединения.
При резервировании замещением с использованием нагруженного режима,резерв находится в том же электрическом режиме, что и основной функциональныйблок. Поскольку при том разбиении схемы лабораторного блока питания, котороепредложено в данном курсовом проекте, аналогичные электрические режимыобеспечиваются при параллельной схеме соединения основного и резервныхфункциональных узлов, то для нашего случая выбираем именно эту схему(вероятность отказа типа «обрыв» выше вероятности «короткого замыкания»).
Постоянное резервирование используют тогда, когдамежду какими-то точками электрической схемы необходимо обеспечить наличиеопределенных свойств (резистивных, емкостных, полупроводящих, усилительных ит.д.), а количественное значение характеристики, описывающей эти свойства, неиграет принципиальной роли. В схеме электрической принципиальнойрассматриваемой в данном курсовом проекте уже предусмотрено постоянноерезервирование некоторых элементов. Так элементы в группах C1…С3; C4…С6; C13, С19; C14, С20 соединеныпараллельно и выполняют функцию постоянного резервирования (поскольку каждуюгруппу этих элементов можно было бы заменить эквивалентной ёмкостью).
6. Описание работ, выполненыхвыполненных спомощью ЭВМ.
/>При выполнениикурсового проекта для расчётов, построения графиков вероятности безотказнойработы в зависимости от времени, черчения схемы электрической принципиальнойиспользовалисьследующие прикладные программы наПЭВМ:
1) для выполнения математических расчетов (вероятности безотказнойработы, наработки на отказ, гамма-процентной наработки и т.д.) использоваласьсреда Mathsoft Apps (Mathcad 2000 Professional);
2) для выполнения математических расчётов в таблицах использовалась MC Excel;
3) для построения графиков вероятностей безотказной работы до и послерезервирования использовался мастер диаграмм MC Excel;
4) для черчения схемы электрической принципиальной использоваласьпрограмма RusPlan 5.0.
/>Заключение.
В данном курсовом проекте было предложено оценить показателибезотказности. Рассчитав показатели надёжности я выяснил, что они несоответствуют требуемым. Для повышения надёжности схема была разбита наотдельные блоки со смешанным соединением элементов и зарезервирована, послечего были проведены расчёты, подтверждающие, что показатель надёжности приобрелбольшее значение.
Интенсивность отказов блока РЭУ без резервирования составила /> при наработке на отказ />. Вероятность безотказной работы устройстваза время равное 10000 ч равна 0,43. Это довольно низкий показатель ипрежде всего он обусловлен высокими требованиями к заданному времени работы.Так как при односменной непрерывной работе 10000 ч эквивалентны примерно 6годам. В лабораторных же условиях, когда блок питания возможно не будетэксплуатироваться постоянно этот срок увеличится ещё больше.
После выполнения резервирования средняя вероятность безотказнойработы устройства равна 0,92.
Для наглядности зависимости вероятности безотказной работы отвремени были построены графики.
/>Литература
1.Боровиков С.М. Теоретическиеосновы конструирования, технологии и надежности. – Мн.: Дизайн ПРО, 1998. 335 с.:ил.
2.Боровиков С.М. Теоретическиеосновы конструирования, технологии и надежности: учеб.-метод. пособие ккурсовому проектированию для студ. спец. «Моделирование и компьютерноепроектирование РЭС» и «Проектирование и производство РЭС» всех форм обуч./ С.М. Боровиков,В.С. Колбун, Т.В. Малышева; под ред. С.М. Боровикова. – Мн.:БГУИР, 2004. – 55 стр.: ил.
3.Гуревич Б.М.,Иваненко Н.С. Справочник по электронике для молодого рабочего: 4-‑еизд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1987. – 272 с.: ил.
4.Н.А. Шишонок,В.Ф. Репкин, Л.Л. Барвинский. Основы теории надёжности и эксплуатациирадиоэлектронной техники. – Москва: «Советское радио», 1964. – 551 с.:ил.
1.Резисторы, конденсаторы,трансформаторы, дроссели, коммутирующие устройства РЭА. Справочник Н.Н. Акимов,Е.П. Ващуков, В.А. Кодоренах, Ю.П. Кодоренах – Мн.: Беларусь,1994. – 591 с.: ил.
5.