Расчет надежности радиоэлектронных устройств

 

Введение

Оценка показателей надежности радиоэлектронных устройств (РЭУ) является обязательной процедурой, выполняемой на этапе проектирования аппаратуры. Актуальность задач по расчету надежности объясняется тем, что они дают ответ на вопрос о целесообразности дальнейших затрат, необходимых на отработку технологии и производство радиоэлектронных устройств. Поэтому в задания на дипломное проектирование проектов конструкторского и технологического профиля включают проработку вопросов по оценке показателей надежности РЭУ.

В настоящее время проектные и промышленные предприятия испытывают трудности при расчете показателей надежности РЭУ из-за неполноты данных о показателях надежности элементов производства стран СНГ, отсутствия данных об элементах зарубежного производства, входящих в состав электронных устройств, а также из-за отсутствия адаптированной к этим условиям системы автоматизированного расчета показателей надежности устройств. Наличие такой системы позволит существенно сократить время решения задачи по оценке надежности электронных устройств в указанных условиях.

1. Постановка задачи

Исходными данными к проекту:

Электрическая схема устройства «Дифференциальный усилитель»

Рисунок 1. Дифференциальный усилитель

Параметры элементов, входящих в схему:

R1 = 8.2 кОм ± 5%

R2 = 6.8 кОм ± 10%

R3 = 2.7 кОм ± 5%

R4 = 18 кОм ± 10%

Тип DA1 - К140УД11

Условия эксплуатации по ГОСТ 15150-69 для категории исполнения УХЛ 2

Количество однотипных каскадов - 42

Вид электрического монтажа - двусторонний печатный

Количество сквозных металлизированных отверстий на печатной плате - 10% от общего числа отверстий

Вид приёмки элементов - приёмка ОТК («1»)

Перегрев в нагретой зоне РЭУ DtЗ = 26 ºС; средний перегрев воздуха в РЭУ DtВ = 22 ºС.

Заданное время работы, указанное заказчиком tз = 1000 ч.

Интересующая гамма-процентная наработка до отказа - Т?=95%

В контрольной работе необходимо провести расчет эксплутационной эксплуатационной характеристики интенсивности отказов.

Значения эксплуатационной интенсивности отказов ?Э большинства групп элементов (компонентов) рассчитываются по математической модели:

где ?Б - базовая интенсивность отказов элементов данной группы;

Кi - коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интен - сивности отказов в зависимости от различных факторов;- число учитываемых факторов.

Для отдельных групп сложных электрорадиоизделий (ЭРИ), суммарный поток отказов которых складывается из независимых потоков отказов составных частей ЭРИ (например электромагнитной катушки и контактной системы реле), математическая модель расчета эксплуатационной интенсивности отказов имеет вид

надежность радиоэлектронный отказ

где ?Б j - исходная (базовая) интенсивность отказов j-й части изделия, j=1,…, n;- количество составных частей изделия;

Кi(j) - коэффициент, учитывающий влияние i-го фактора для j-й части изде - лия; i = 1, …, m; j =1, …, n;j - количество факторов, учитываемых для i-й части изделия.

2. Оценка показателей безотказности РЭУ

.1 Описание исходных данных, используемых для прогнозирования эксплуатационной надёжности элементов

Существующие методы расчёта показателей надёжности РЭУ различаются степенью точности учёта электрического режима и условий эксплуатации элементов.

Роль прогнозирования в настоящее время возрастает в связи с созданием уникальных радиоэлектронных комплексов, обычно в очень малом количестве, а также в связи с повышением требой ваний к надежности РЭУ (космическая аппаратура, аппаратура военной техники и т.п.).

Результат прогнозирования кратко называют прогнозом. В самом общем случае прогнозирование можно разделить на два вида: эвристическое и математическое.

При эвристическом прогнозировании прогноз получают на основе субъективного взвешивания совокупности факторов, большая часть из которых может носить качественный характер. Результат прогнозирования в данном случае во многом зависит от опыта и интуиции инженера.

При математическом прогнозировании результат формируется на основе получения информации об объекте или процессе с последующей обработкой ее формализованными (математическими) методами. Здесь результат во многом зависит от тех параметров, которые контролируются или измеряются у объекта или процесса, а также от математических методов обработки этой информации.

Математическая модель расчета эксплуатационной интенсивности отка - зов имеет вид:

Таблица 1. Математические модели определения значений ?Э для элементов схемы

Класс (группа) элементовВид математической моделиИнтегральные микросхемыРезисторыСоединителиПлаты со сквозными МОСоединения пайкой

Таблица 2. Пояснения величин (параметров), входящих в математические модели

ПараметрПояснениеСоставляющие, входящие в модели для всех видов элементов?ББазовая интенсивность отказов элементов данной группы (или конкретного типа), отвечающая температуре окружающей среды +25°С и номинальной электрической нагрузке, т.е. значению коэффициента электрической нагрузки КН = 1КРКоэффициент режима работы, зависящий от электрической нагрузки (коэффициента КН) и температуры корпуса элементаКtКоэффициент, зависящий от температуры корпуса элементаКЭКоэффициент эксплуатации, зависящий от жесткости условийКПКоэффициент при?мки, учитывающий степень жесткости требований к контролю качества и правила приемки элементов (компонентов РЭУ) в условиях производстваСоставляющие, входящие в модели для интегральных микросхемКИСКоэффициент, учитывающий количество элементов в ИМСКкорпКоэффициент, учитывающий тип корпусаКVКоэффициент, учитывающий напряжение питания для КМОП ИМССоставляющие, входящие в модели для резисторовКRКоэффициент, зависящий от номинального сопротивленияКMКоэффициент, зависящий от значения номинальной мощностиК?Коэффициент, зависящий от значения допуска на сопротивлениеСоставляющие, входящие в модели для соединителейКККоэффициент, зависящий от числа задействованных контактовКnКоэффициент, зависящий от числа сочленений-расчленений nСоставляющие, входящие в модели для печатных плат с металлизированными сквозными отверстиямиКCЛКоэффициент, учитывающий количество слоев n в платеN1Количество сквозных отверстий, пропаянных способом «пайка волной»N2Количество сквозных отверстий, пропаянных ручным способом

Таблица 3 Основные соотношения для расчета

ПараметрыРасчетные соотношенияИнтегральные микросхемыКИСКt

РезисторыКРСоединителиКРКККnПлаты со сквозными МО и соединения пайкойКt

Таблица 4. Базовые интенсивности отказов групп элементов РЭС

ПараметрыЧисленное значениеПараметрыЧисленное значениеИнтегральные микросхемы0.0231.00.3363.00.2881.00.0215.5Резисторы0.0440.8860.2600.70.50780.73431.09.2781.00.8785.01Соединители0.00415.01.0Платы со сквозными МО0.000017N201.01.0N1845.0Соединения пайкой0.0000695.01.0

Таблица 5. Типоразмеры элементов

ЭлементОбозначениеТипНазначениеКолПримечаниеИМСDA1 - DA42К140УД11Операционный усилитель42350 элементовРезисторыR1 - R168С2 - 14Постоянные, ме-таллодиэлектри-ческие168Р = 0.25 Вт 1 кОм<R< 100 кОмСоединителиXР1СНП34-1140 контактов tп = 30 ºС Iном = 2 АМО, пропаян - ные волной---84Количество отверстий N1Соединения пайкой волной---420Дополнительно к МО, пропаянных волной

.2 Определение коэффициентов электрической нагрузки элементов

Определяют коэффициенты электрической нагрузки элементов РЭУ. Для этого используем общую формулу или ее конкретными реализациями, приведенными в табл. 5.4 [1].

В качестве электрической нагрузки Fном используют номинальные или предельные по ТУ электрические характеристики элементов, выбранные для проектируемой конструкции РЭУ. Электрические характеристики Fраб берут из результатов электрического расчёта принципиальной электрической схемы РЭУ или получают путём экспресс-анализа электрических нагрузок схемных элементов.

Формула определения Кн для резисторов:

где - рабочая мощность рассеивания;

- номинальная мощность рассеивания;

Формула определения Кн для DA1:

2.3 Эксплуатационная интенсивность отказов элементов

Таблица 6 Расчет эксплуатационной безотказности элементов модуля

№ЭлементыКолКнМатематическая модель1DA1 - DA42420.112 ·10-90.0232R1 - R1681681.32·10-60.0443XР110.0250.00414Печатная плата с МОN1=84 N2=0-0.0000175Соединения пайкой волной420-0.000069

№КРКtКслКЭКПКИСКкорпКVКRКMК?КККn11,51,05,53,881,03,096,0320,381,05,00,70,71,00,9496236,551,05,03,150,3233,01242,221,01,05,0951,04852,221,05,011,322

№192,7627,0195930,1441,3650,33

.4 Определение показателей безотказности РЭУ.

Интегральные микросхемы:

Для определения коэффициента КИС, учитывающего количество элемен - тов в ИМС, можно воспользоваться математической моделью:

где A, S - постоянные коэффициенты модели [3, табл, 5,4];- количество элементов в ИМС,

Значения коэффициента Кt могут быть получены по выражению

где B - константа, зависящая от функционального назначения ИМС;окр - температура среды, окружающей ИМС, ºС,

Значение tокр может определяться по выражению

где tраб max - верхнее значение рабочей температуры РЭУ;

?tЗ - перегрев в нагретой зоне конструкции РЭУ,

Резисторы:

Значения коэффициента КР рассчитывают по модели

где КН - коэффициент электрической нагрузки резистора по мощности;окр - температура окружающей среды (корпуса элемента), ºС;, B, NT, G, NS, J, H - постоянные коэффициенты

Соединители:

Значения КР определяют по модели

где tп - температура перегрева контактов по ТУ при максимальной токовой на - грузке, по ТУ tп = 10…30 ºС;окр - температура окружающей среды, ºС;

КН - коэффициент электрической нагрузки по току.

Значения коэффициента, учитывающего влияние на надежность соединителя количества задействованных контактов N, могут быть рассчитаны как

Значения коэффициента, учитывающего влияние на надежность соедини - теля количества сочленений-расчленений n, рассчитываются по модели

Платы со сквозными МО

Значения коэффициента Кt рассчитывают по модели

3. Анализ результатов решения

По результатам расчета (таблица 6) определяем суммарную интенсивность отказов РЭУ в виде электронного модуля (печатного узла) ?М определяют суммированием прогнозных значений эксплуатационных интенсивностей отказов элементов ?Э:

где N - количество элементов (компонентов) в модуле.

Таблица 7 Расчет показателей безотказности

Показатель безотказностиФормулаЗначениеНаработка на отказ9841,59Вероятность безотказной работы0,90338Среднее время безотказной работы9841,59Гамма-процентная 95% наработка до отказа504,81

Заключение

В работе был проведен расчет эксплуатационной характеристики интенсивности отказов. Результаты расчета отражены в таблице 6. По результатам расчет эксплуатационной характеристики были получены показатели надежности (таблица 7).

По результатам расчет была построена схема электрическая принципиальная устройства «Дифференциальный усилитель» с учётом наличия 42 однотипных каскадов и соединителя.

Список литературы

1 Боровиков С.М. «Теоретические основы конструирования, технологии и надёжности» Учебник для ВУЗов, - Мн,: Дизайн ПРО, 1998,

Боровиков С.М. Погребняков А.В. «Теоретические основы конструирования, технологии и надёжности», Сборник задач, Учебное пособие для ВУЗов, - Мн,: БГУИР, 2001,

Боровиков С.М. Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств: учеб, - метод, пособие к курсовому проектированию по дисциплинам «Теоретические основы проектирования и надежности РЭС» спец, «Моделирование и компьютерное проектирование РЭС» и «Теоретические основы конструирования, технологии и надежности» спец, «Проектирование и производство РЭС» / С.М. Боровиков, И.Н. Цырельчук, Ф.Д. Троян; под ред, С.М. Боровикова, - Минск: БГУИР, 2009, - 69 с,

Введение Оценка показателей надежности радиоэлектронных устройств (РЭУ) является обязательной процедурой, выполняемой на этапе проектирования аппаратуры.

Больше работ по теме: