Анализ, оценка и обеспечение надежности миниатюрного микромощного радиопередатчика

/>=1,608·104
ч – среднее время наработки до отказа всего устройства.

Необходимо, чтобы выполнялось неравенство: Кг
(tб.р.
)≥Кгз
.

Поскольку полученное нами значение Кг
(tб.р.
)=0,9999, а заданное Кгз
=0,98, то заданные требования выполняется.

График зависимости коэффициента готовности изделия от времени представлен на рис. 4.2.

По (4.5) был найден коэффициент оперативной готовности Ког
(tб.р.
)=0,963.

Ког
(t)=Кг
(t)∙e{- λ∑
·tб.р.
}.(4.5)

График зависимости коэффициента оперативной готовности изделия от времени представлен на рис. 4.3.

Кроме того, по (4.6) найден коэффициент технического использования.

Кт.и
(t).
=Кг
(t)∙tд
/tном
,(4.6)

где tном
=17520 ч – время, на протяжении которого объект используется по назначению;

tд
= tном
-t∑
B
- t∑ТО
– действительное время работы,

где t∑ТО
=100 ч – время технического обслуживания.

В свою очередь t∑
B
определяется по формуле:

t∑
B
=nв
·Тв
,(4.7)

где nв
= λ∑
·tном
=1,089 – среднее число ремонтов за время tном
.

Получили, что t∑
B
=1,4 ч.

Таким образом Кт.и
(tб.р.
).
=0,994

Рисунок 4.1 - График зависимости вероятности безотказной работы всего устройства от времени: а) P_br – расчетная вероятность безотказной работы; б) Pzad – заданная вероятность безотказной работы

Рисунок 4.2 – График зависимости коэффициента готовности объекта от времени

Рисунок 4.3 – График зависимости коэффициента оперативной готовности объекта от времени

Рисунок 4.4 – График зависимости коэффициента технического использования объекта от времени

5. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

Цельюданногорасчета являетсяуточненная оценка показателей безотказности и других ПН на основе использования более адекватных моделей отказов и более полного учета факторов, влияющих на безотказность объекта.

5.1
Исходные
данные
и
предварительный анализ

Уточненный расчетпроводился для ФУ №2. Узловые напряжения были рассчитаны с использованиемпрограммы ElectronicsWorkbench (см. рис. 5.1).

Рисунок 5.1 – Фрагмент расчета узловых напряжений с использованиемпрограммы ElectronicsWorkbench

Карта напряжений, позволяющая рассчитать электрический режим любого элемента ФУ, представлена в табл. 5.1.

Таблица 5.1 – Карта напряжений для исследуемого ФУ

Элемент	Рабочее напряжение	Рабочая мощность	Номинальная мощность	Номинальное рабочее напряжение
R3	1,83 В	2 мВт	0,125 Вт	–
R4	6,73 В	59,22 мкВт	0,125 Вт	–
С1	0,428 В	–	–	50 В
С3	2,26 В	–	–	50 В
С4	0,026 В	–	–	10 В

Перечень комплектующих элементов по данному ФУ представлен в прил. Б. Поскольку специальные элементы теплозащиты не предусмотрены, то берем максимальную температуру окружающей среды Т=50°С. Результаты вибрационного расчета и расчета на ударную прочность предполагаются брать усредненными и учитываются с помощью коэффициентов, определяемым по таблицам в зависимости от условий эксплуатации.

Перед уточненным расчетом был проведен качественный анализ элементной базы ФУ и выделены:

- элементы, имеющие постоянную интенсивность отказов (контактные пайки, резисторы постоянной емкости R3, R4, керамические конденсаторы C1, C3, С4);

- элементы, имеющие непостоянную интенсивность отказов, подверженные при эксплуатации износу (транзистор VT1).

5.2 Уточненный расчет надежности по внезапным отказам

Для каждого элемента схемы определяется уточненное значение интенсивностей отказов по соотношению:

λут
=λ0
∙∏·i
,(5.1)

где λ0
–базовая интенсивность отказов типа элементов, определенных при нормальных климатических условиях и нормальном электрическом режиме;

i
– поправочные коэффициенты, учитывающие условия и режимы эксплуатации изделий, особенности конструкции, отработанности технологического процесса и др.

Для резисторов R3, R4 λ0
=0,07∙10 ч (пленочные высокостабильные), справочные значения некоторых констант, используемых для определения поправочных коэффициентов, составляют: Еа
=0,08, А=0,71, В=1,1.

По (5.2) был найден коэффициент влияния повышенной температуры (см. табл. 5.2).

,(5.2)

где Т=50°С – температура корпуса.

,(5.3)

где P – мощность рассеяния.

По 5.3 были найдены коэффициенты влияния мощности рассеяния (см. табл. 5.2). Коэффициент влияния жесткости электрического режима был найден по (5.4) (см. табл. 5.2).

,(5.4)

где S=Pраб
/Pном
-коэффициент нагрузки;

Pраб
, Pном
– рабочая и номинальная мощности резистора соответственно.

Значение коэффициента влияния уровня качества =10. Значение коэффициента влияния жесткости условий эксплуатации =16 (см. табл. 5.2).

С учетом всех найденных коэффициентов влияния и базовой интенсивности отказов, были найдены интенсивности отказов при эксплуатации для резисторов (см. табл. 5.2).

Для конденсаторов С1, С3, С4 – λ0
=0,00099∙10 ч (керамические общего назначения), справочные значения некоторых констант, используемых для определения поправочных коэффициентов, составляют: Еа
=0,35, А=3, В=0,6, Д=0,09 (см. табл. 5.3).

,(5.5)

где С – емкость конденсатора;

D – постоянный коэффициент.

По (5.2) был найден коэффициент влияния повышенной температуры и по (5.5) коэффициент влияния емкости (см. табл. 5.3).

Значение коэффициента влияния последовательного сопротивления =1, коэффициент влияния уровня качества =10, коэффициент влияния жесткости условий эксплуатации =20. С учетом всех найденных коэффициентов влияния и базовой интенсивности отказов, были найдены интенсивности отказов при эксплуатации для конденсаторов (см. табл. 5.3).

Таблица 5.2 – Значение коэффициентов влияния, констант и уточненное значение интенсивностей отказов для резисторов

ЭРИ	Ea	A	B	λ0 ∙10 ч	т					λут.рез ∙106 ч
R3	0,08	0,71	1,1	0,07	1,273	0,0886	0,723	10	16	0,913
R4	0,08	0,71	1,1	0,07	1,273	0,0225	0,71	10	16	0,2278

Таблица 5.3 – Значение коэффициентов влияния, констант и уточненное значение интенсивностей отказов для конденсаторов

ЭРИ	Еа	А	В	Д	λ0 ∙10 ч						λут.конд ∙106 ч
С1	0,35	3	0,6	0,09	0,00099	0,234	2,872	1	10	20	0,133
С3	0,35	3	0,6	0,09	0,00099	0,234	2,872	1	10	20	0,133
С4	0,35	3	0,6	0,09	0,00099	0,537	2,872	1	10	20	0,305

Общая уточненная интенсивность внезапных отказов по данному ФУ определяется суммой уточненных внезапных отказов ЭРИ, λут.
i
=1,712∙10-6
ч. График зависимости вероятности безотказной работы от времени исследуемого ФУ по внезапным отказам представлен на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 – График зависимости вероятности безотказной работы от времени при внезапных отказах исследуемого ФУ

5.3 Уточненный расчет надежности по деградационным отказам

Аналогично подразделу 5.1 для биполярного высокочастотного малошумящего транзистора были определены базовая интенсивность отказов λ0
=0,18∙10 ч и по (5.6)-(5.9) некоторые коэффициенты влияния (см. табл. 5.4).

, (5.6)

где – температура перехода, °С по (5.7).

,(5.7)

где =50 °С – температура окружающей среды;

=70 °С/Вт – тепловое сопротивление «переход-корпус»;

P – мощность рассеивания, P=3,2 мВт.

Результат = 50,224 °С.

(5.8)

где P – номинальная мощность, P=0.25 Вт.

(5.9)

где – коэффициент электрической нагрузки, 0<S<1.0;

– соответственно, рабочее напряжение коллектор-эмиттер =2,2 В и предельное напряжение коллектор-эмиттер при оторванной базе=2.6 В.

Таблица 5.4 – Значение коэффициентов влияния, констант и уточненное значение интенсивностей отказов для транзистора

ЭРИ	λ0 ∙10 ч				λут.тр. ∙106 ч
VT1	0.18	1.7395	0.6	0.118	0.222

По номограмме была определена средняя наработка до отказа для транзистора VT1 (To
=3,7∙105
ч).

Уточненное значение средней наработки до отказа всех элементов, подверженных деградации было рассчитано по (5.10).

,(5.10)

TYT
=μ=3,7 – параметр масштаба деградационного немонотонного распределения.

По (5.11) была найдена вероятность деградационных отказов:

, (5.11)

где - функция Лапласа;

Соответственно вероятность безотказной работы для совокупности элементов подверженных деградации определяется по (5.12).

(5.12)

График зависимости вероятности безотказной работы от времени исследуемого ФУ по деградационным отказам представлен на рис. 5.2.

Рисунок 5.2 – График зависимости вероятности безотказной работы от времени при деградационных отказах исследуемого ФУ

Уточненная вероятность безотказной работы исследуемого ФУ была рассчитана по формуле (5.13).

Рут.
(t)=Рут.
I
(t)·Рут.
II
(t).(5.13)

Рут.
(tб.р.
)=0.999

График зависимости уточненной вероятности безотказной работы от времени ФУ №2 представлен на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 – График зависимости уточненной вероятности безотказной работы от времени ФУ №2

6. РАСЧЕТ ПОЛЯ ДОПУСКА НА ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ ПАРАМЕТР ФУ №2

Для ФУ №2 была выделена та часть, которая является определяющей с точки зрения работоспособности. Эта часть выделена пунктиром на схеме ЭП (см. прил. А). Определяющими элементами в выделенной части являются транзистор VT1, резисторы R3 и R4, определяющим параметром является коэффициент усиления:

. (6.1)

Было предположено, что , и соответственно получена зависимость:

y=f(x1,x2),(6.2)

где y=46.8– выходной параметр.

По (6.3) были рассчитаны коэффициенты влияния Кв
i
.

Кв
i
=,(6.3)

где xi
0
, y0
– номинальные значения входных и выходного параметров.

Кв
x
1
=1,93∙10-5
, Кв
x
2
=8,23∙10-4
.

По данным комплектующих элементов были определены средние значения поля допуска на относительную погрешность каждого первичного параметра:

М,(6.4)

где - допустимые максимальные и минимальные значения поля допуска.

Однако для всех элементов заданного ФУ допуск на их параметры является симметричным, а значит при подстановке этих значений в формулу (6.4), эта величина будет равна нулю, т.е. М = =0.

По (6.5) было определено среднее значение поля допуска на определяющий параметр.

М.(6.5)

М=0.

В предположении нормального закона распределения выходного параметра и независимости первичных параметров была рассчитана половина поля допуска на относительную погрешность выходного параметра:

,(6.6)

где – половина поля допуска на относительную погрешность i-го первичного параметра;

γ – коэффициент гарантированной надежности, гарантирует некоторую вероятность нахождения параметров в поле допуска.

В данном случае для заданной вероятности безотказной работы объекта, равной 0.96, справочное значение γ=0.668. =12.

По (6.7), (6.8) были рассчитаны предельные значения, верхнее и нижнее (δв
, δн
), на относительную погрешность определяющего параметра.

,(6.7)

.(6.8)

δв
=12 , δн
=-12.

По (6.9), (6.10) были рассчитаны нижнее и верхнее предельные значения определяющего параметра.

ymin
=y0
-||∙y0
/100%,(6.9)

ymax
=y0
+||∙y0
/100%,(6.10)

ymin
=41,2, ymax
=52,4.

Таким образом, допуск на определяемый параметр (в данном случае коэффициент усиления KU
) следующий:

.

7. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ФУ №2

Данный расчет учитывает как внезапные, так и постепенные (параметрические) отказы отдельных электрорадиоэлементов ЭРИ.

Используя данные расчета в разделе 6, по (7.1) были определены коэффициенты чувствительности определяющих первичных параметров (х1, х2).

Аi
=Кв
i
·y0
/xi
0
.(7.1)

Аx
1
=4,1∙10-9
, Ax
2
=8,2∙10-6
.

Для первичных влиятельных элементов по (7.2) была определена интенсивность параметрических отказов.

λп
i
=λут.
i
·%парам. отказов
,(7.2)

где·%парам.отказов
– доля параметрических отказов, для x1 и для x2 составляет 94·%парам.отказов
.

По нанограмме была определена средняя наработка до параметрического отказа: Тп
x
1
=2,95∙105
ч, Тп
x
2
=3,75∙105
ч.

По (7.3) был проведен расчет средней скорости дрейфа каждого влиятельного параметра.

ai
=(xд
i
-x0
i
)/Тп
i
,(7.3)

где xд
i
- допустимое нижнее значение i-го параметра.

ax
1
=1.59, ax
2
=0.059.

По (7.4) была определена средняя скорость изменения выходного параметра вследствие дрейфа влиятельных первичных параметров:

а=∑Аi
∙ai
.(7.4)

а=4.838∙10-7
.

Таблица 7.1 – Значения параметров параметрического отказа

Первичные параметры	Коэф. влияния Кв i	Коэф. чувствительности, Аi	Интенсивности отказов, λут. i ∙10-6	Интенсивности парам. отказов, λп i ∙10-6	Средняя наработка до парам отказа, Тп , ч	Скорость дрейфа ai
x1	1,93∙10-5	4,1∙10-9 ,	0,913	0,858	2,95∙105	1,59∙ 10- 3 ,
x2	8,23∙10-4	8,2∙10-6	0,2278	0,214	3,75∙105	0.059

По (7.5) была определена вероятность параметрических отказов:

,(7.5)

где – допустимое значение выходного параметра;

– параметр формы, определяется по формуле:

=.(7.6)

=1.

По (7.7) найдена вероятность безотказной работы при параметрических отказах Рп
(tб.р.
)=0.976.

Рп
(t)=1-Fп
(t).(7.7)

График зависимости вероятности безотказной работы при параметрических отказах представлен на рис. 7.1.

Рисунок 7.1 - График зависимости вероятности безотказной работы ФУ №2 при параметрических отказах

8. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ ФУ №2

По (8.1) была найдена обобщенная вероятность безотказной работы ФУ №2.

Роб.
(t)=Рвн.о.
(t)·Рдег.о.
·(t)·Рпарам.о.
(t),(8.1)

где Рвн.о.
(t) – вероятность безотказной работы при внезапных отказах;

Рдег.о.
(t) – вероятность безотказной работы при деградационных отказах;

Рпарам.о.
(t) – вероятность безотказной работы при параметрических отказах.

Результаты расчета вероятностей безотказной работы в момент времени tб.р.
представлены в табл. 8.1.

Таблица 8.1 – Вероятности безотказной работы в момент времени tб.р.

Рвн.о. ( tб.р )	0.9989
Рдег.о. ( tб.р )	0.9999
Рпарам.о. ( tб.р )	1
Роб. ( tб.р )	0.9988

Рисунок 8.1 – Обобщение результатов расчета вероятностей безотказной работы ФУ №2

а) Pob
(t)- обобщенная вероятность безотказной работы ФУ; б) P_vnez(t) - вероятность безотказной работы ФУ при внезапных отказах; в) P_deg(t) - вероятность безотказной работы ФУ при деградационных отказах; г)Pparam(t) - вероятность безотказной работы ФУ при параметрических отказах; д) Pz(t) – заданная вероятность безотказной работы функционального узла.

Из анализа полученных данных следует, что обобщенная вероятность безотказной работы ФУ №2 в момент времени tб.р.
больше, чем заданная. Это значит, что данный ФУ исследуемого устройства соответствует нормам ПН.

ВЫВОДЫ

В данной курсовой работе был проведен расчет и анализ надежности радиоэлектронной аппаратуры на примере микромощного радиопередатчика.

В результате ориентировочного расчета норм ПН всего устройства было выявлено, что данное устройство отвечает заданным параметрам надежности.

Для ФУ№2 (микрофонный усилитель) был проведен уточненный и параметрический расчеты надежности. В ходе уточненного расчета надежности были пересчитаны, с учетом поправочных коэффициентов, интенсивности отказов и соответственно вероятности безотказной работы узла. Таким образом, в течение времени использования объекта по назначению вероятность его безотказной работы выше заданной, что подтверждает надежность исследуемого устройства. Но после окончания времени использования вероятность резко уменьшается, что связано с высокой интенсивностью внезапных отказов. Исходя из этого надежность данного ФУ можно увеличить, используя более надежные ЭРЭ, однако это приведет к повышению стоимости устройства, что не является целесообразным.

Также были подсчитаны комплексные показатели надежности устройства, такие как коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности и коэффициент технического использования.

Обобщив результаты, можно сказать, что данное устройство отвечает заданным параметрам надежности и может быть использовано на практике.

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Журнал «Радио» №7./ Е.Н. Сакевич. – Москва, - 2007.

2. Анализ и обеспечение надежности электронной аппаратуры при проектирование/ М.Ф. Бабаков. – Учебное пособие. – Харьков: Национальный аэрокосмический университет, 2002. – 90 с.

3. Проектная оценка надежности электронных аппаратов / М.Ф. Бабаков., О.С. Уруский. – Учебное пособие. – Харьков: Национальный аэрокосмический университет, 2006. – 48 с.

4. Нормирование и расчет надежности радиоэлектронной аппаратуры/ М.Ф. Бабаков, И.К. Васильева, И.И. Дерюга.– Учебное пособие – Харьков: Национальный аэрокосмический университет “Харьковский авиационный институт”, 2008. - 77 с.

5. Правила выполнения схем/ В.И. Кирюшко, С.В. Мартышко, В.А. Подгорный. – Учебное пособие – Харьков: Национальный аэрокосмический университет “Харьковский авиационный институт”, 2002. - 39 с.

6. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА/ В.Т. Белинский, В.П. Гондюл, А.Б. Грозин. – Учебное пособие – Киев: «Вища школа», 1992.- 494 с.