книги / Надежность судовой электронной аппаратуры и систем автоматического управления
..pdfИз этих распределений видно, что до 10% ламп и около 5% конденсаторов работают на предельных режимах, а у некоторой части конденсаторов Кп больше единицы. Слишком малые значе ния Кн (0,1—0,2) обеспечивают большой запас.прочности, но при водят к увеличению габаритов и веса аппаратуры. Поэтому ре комендуется выбирать /(„ в пределах 0,4—0,8.
В процессе эксплуатации элементы могут изменять величину своего основного параметра. Это может привести к изменению
Рис. 56. Изменение величины сопротивления в зависимости от срока
служ бы .
коэффициента нагрузки самого элемента и сопряженных с ним звеньев системы. Если изменение параметров вызовет увеличение коэффициента нагрузки, то надежность такой системы понизится. Поэтому для некоторых элементов возможное изменение пара метров в процессе эксплуатации необходимо учитывать уже при проектировании. Постоянные композиционные сопротивления, на пример в процессе работы, увеличивают свой номинал.
На рис. 56 показана плотность распределения величин сопро тивлений в зависимости от времени их работы и изменение мате матического ожидания величин сопротивления. Как видно из ри сунка, величина сопротивления за два года изменилась примерно на 3 %. При выборе коэффициента нагрузки такое изменение пара метров необходимо учитывать.
§ 52. Надежность типовых элементов
Рассмотрим влияние режимов работы на характеристики на дежности некоторых элементов радиоэлектронного оборудования.
С о п р о т и в л е н и я являются наиболее массовыми типч выми элементами радиоэлектронной аппаратуры и систем управ ления. Их надежность по сравнению с другими элементами отно сительно велика. Однако отказы аппаратуры, вызываемые выхо дом из строя сопротивлений, наблюдаются довольно часто в связи
с тем, что в аппаратуре их в несколько раз больше, чем’ остальных элементов..
Поэтому снижение, опасности отказов сопротивлений даже на небольшую величину существенно влияет на повышение надеж ности радиоэлектронной аппаратуры. Необходимо особенно тща тельно анализировать режимы и условия, в которых они работают, не допускать превышения предельно Допустимых значений мощ ностей, использовать сопротивления в условиях, на которые они
рассчитаны.
На рис. 57—61 приведены зависимости опасности отка зов сопротивлений от темпе ратуры окружающей среды и коэффициентов нагрузки.
Коэффициент нагрузки сопротивлений определяется по формуле
|
|
|
|
tt?D |
(185) |
|
|
|
|
K„ = -mr-, |
|
|
|
|
|
где Wr - рассеиваемая |
мощ |
|
|
|
|
ность; |
|
|
|
т |
т , с |
W0 — номинальная |
мощ |
Рис. 57. Зависимость опасности отказов |
ность. |
|
|||
Приведенные графики по |
|||||
объемного сопротивления |
(1 вт) от окру |
казывают, что значения опас |
|||
жающей ‘температуры и |
коэффициента |
||||
|
нагрузки. |
|
|
ности отказов для различных |
|
|
|
|
|
режимов могут отличаться в |
|
десятки и даже сотни раз. Следовательно, за счет облегчения |
тем |
||||
пературных |
и электрических |
режимов возможно значительное |
|||
повышение |
надёжности. |
|
|
|
При работе в условиях повышенной температуры следует сни жать рассеиваемую мощность. Графики зависимости предельно допустимой нагрузки пленочных и проволочных сопротивлений от температуры окружающей среды представлены на рис. 62 и 63.
К о н д е н с а т о р ы , как и сопротивления, имеют достаточно большую надежность по сравнению с другими элементами радио электронной аппаратуры. Но так как они используются в аппа ратуре в большом количестве, отказы из-за них достаточно часты. Поэтому для повышения надежности аппаратуры в целом необ ходимо принять все меры к увеличению срока службы конденса торов.
Опыт эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры показал, что наиболее надежными являются слюдяные конденсаторы; наи менее надежны конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком и электролитические конденсаторы. Установлено, что опасность отказов зависит от назначения конденсатора в схеме.
Рис. 58. Зависимость опасности отказов композиционных сопротивлений от температуры окружающей среды и коэффициентов нагрузки. Заштри хованная область — рекомендуемая для использования.
Рйс. 59. Зависимость опасности отказов |
Рис. 60. |
Зависимость |
опасности |
|
сопротивлений от коэффициентов нагруз |
отказов сопротивлений |
от темпе |
||
ки при температуре окружающей среды |
ратуры |
окружающей среды при |
||
90° С. Сопротивления: |
номинальной |
нагрузке. |
Сопроти |
|
/ — пленочное; 2 — проволочное; J — угл ер о |
|
|
вления: |
|
дистое. |
/ — плёночное; |
2 — проволочное: 3 — |
||
|
|
углеродистое. |
|
углеродистых (1) и проволочных (2) со противлений от коэффициента нагрузки.
Рис. 62. Зависимость предельно допусти мой нагрузки пленочных сопротивлений от температуры окружающей среды.
Наибольшая опасность отказов наблюдается у разделительных и блокировочных конденсаторов, наименьшая — у контурных и накопительных. Это объясняется различием режимов работы. Наи более частым видом отказа конденсаторов является пробой ди электрика, перекрытие между обкладками по поверхности (по-
км
Рис. 63. Зависимость предельно допустимой нагрузки проволоч ных сопротивлений от температуры окружающей среды.
верхностный разряд) и обрыв выводов. У конденсаторов некото рых типов, особенно у электролитических, в зависимости от вре мени работы значительно уменьшается емкость.
Анализ причин выхода из строя кондёнсаторов показывает, что около 80% отказов обусловлено пробоем, перекрытием и обры вом выводов, 15% — уменьшением емкости ниже допустимого предела и 5 % — уменьшением сопротивления изоляции между обкладками.
Срок службы конденсаторов зависит от температуры окружаю щей среды и от коэффициента нагрузки, под которым понимают
отношение напряжения, приложенного к конденсатору, к номи нальному напряжению, т. е.
(186)
где Up — напряжение, приложенное к конденсатору; Ц0 — номинальное напряжение.
Рис. 64. Зависимость опасности |
Рис. 65. Зависимость опасности отказов |
отказов конденсаторов от коэффи |
керамических конденсаторов от окружа |
циента нагрузки. |
ющей температуры при различных коэф |
Конденсаторы: / — слюдяной; 2— бу |
фициентах нагрузки. |
мажный; 8, 4 — керамические. |
|
Зависимость опасности отказов конденсаторов от коэффициента нагрузки показана на рис. 64.
Зависимость опасности отказов некоторых типов конденсаторов
. от температуры окружающей среды при различных коэффициен тах нагрузки изображена на рис. 65—68. Как видно из рисунков, срок службы конденсаторов с понижением коэффициента нагрузки
возрастает. Поэтому при |
проектировании |
аппаратуры конденса |
||||||||
|
|
торы |
рекомендуется |
|
применять |
|||||
|
|
так, чтобы прикладываемое к ним |
||||||||
|
|
напряжение 'было |
меньше номи |
|||||||
|
|
нального |
примерно |
в |
два |
раза, |
||||
|
|
т. е. |
Ка « |
0,5. Это |
значительно |
|||||
|
|
увеличит срок |
их |
службы и,, сле |
||||||
|
|
довательно, |
повысит |
надежность |
||||||
|
|
аппаратуры. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
П о л у п р о в о д н и к о в ы е |
||||||||
Рис. 66. Зависимость опасности |
от |
п р и б о р ы , |
обладая |
целым ря |
||||||
дом |
преимуществ, |
находят |
все |
|||||||
казов бумажных конденсаторов |
от |
большее |
применение в радиоэлек |
|||||||
окружающей температуры при раз |
||||||||||
личны* коэффициентах нагрузки. |
тронной |
аппаратуре |
и |
системах |
управления различного назначения. Одним из важнейших прей-,
муществ |
полупроводниковых приборов является их большая на |
|||||||||||
дежность |
по сравнению с |
|
1,0 |
W---- |
|
|
|
|||||
электронными |
лампами, |
|
|
|
|
|||||||
|
0.8 |
|
|
|
|
|||||||
повышенная |
устойчивость |
|
0.6 |
|
|
7 1 7 7 |
||||||
к ударным |
и вибрацион |
|
№ |
|
|
|||||||
|
|
|
71 |
|||||||||
ным |
нагрузкам |
и малые |
I |
0.2. |
|
|
||||||
значения- |
|
рассеиваемой |
• |
|
||||||||
мощности. В то же время |
ZOJ |
|
|
|
// |
|
||||||
полупроводниковые прибо |
§ |
ОМ |
|
|
|
|
||||||
ры весьма чуствительны к |
S |
0.06 |
|
|
|
|
||||||
перегрузкам |
по току и по |
« «w |
|
у - |
|
|
||||||
напряжению и выходят из |
|
0.02 |
|
|
|
|||||||
строя |
даже |
при |
кратко |
|
|
У |
|
|
||||
временных |
перегрузках, |
|
0.01 |
о |
го40 |
во |
юотг,°ет |
|||||
измеряемых |
долями |
се |
|
|
во |
|||||||
кунды. |
|
|
полупро |
Рис. 67. Зависимость опасности отказов слюдя |
||||||||
Надежность |
ных конденсаторов от окружающей температу |
|||||||||||
водниковых |
приборов |
за |
ры при |
различных коэффициентах нагрузки. |
||||||||
висит главным образом от |
|
|
|
|
|
|
коллектор |
|||||
температуры перехода (для транзисторов температура |
||||||||||||
ного |
перехода), |
которая |
определяется по формуле |
|
||||||||
|
|
|
|
|
Tf = ТА. + |
BW, |
|
|
(187) |
1.0 |
|
|
|
|
/ J |
T |
Z |
0,8 |
|
|
|
1 |
|||
0.6 |
|
|
|
1 |
1— |
|
|
|
|
|
LLI |
|
|||
’ и |
£ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
0,2 |
|
|
|
â |
|
|
|
1 0,1 |
|
/ |
- |
{L |
|
|
|
|
L |
— |
|
|
|||
О 0,08 Z**0** |
|
h |
|
|
|||
0,06 |
|
|
|
|
|
|
|
0.04 |
' |
^У |
/ |
/ |
|
|
|
0,02> |
У |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
A |
! |
|
|
|
|
0,010 |
|
t |
|
|
|
|
|
>20 |
4060. |
fl0 |
, J)0 |
120 |
140 |
Рис. 68. Зависимость опасности отказов слю дяных конденсаторов из фольги от окружа ющей температуры при различных коэффи циентах нагрузки.
где ТА температура окружа
ющей среды или тем пература корпуса (приборы с жесткими выводами);
0— тепловое сопротивле ние между переходом
иокружающей сре дой (для приборов с мягкими выводами), или между переходом
икорпусом (для при боров с жесткими вы водами);
W — средняя |
мощность |
рассеяния |
при тем |
пературе |
перехода |
Т,.
Для наиболее употребляемых, типов транзисторов тепловое сопротивление между переходом и корпусом
© = 0,11° С!мвт\
тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой
© = 0,25° С!мет.
Опасность отказов полупроводниковых приборов зависит от температуры окружающей среды и коэффициента нагрузки.
Опасность отказов транзисторов выше, чем диодов, поскольку
транзисторы имеют два |
перехода, более сложную |
конструкцию |
и большее число выводов. |
|
|
Коэффициент нагрузки полупроводниковых приборов опреде |
||
ляется по формуле |
|
|
|
Ки = -£ > |
(188) |
где Wp — рабочая мощность рассеяния; |
|
W0 — номинальная мощность рассеяния (по ТУ).
При определении /(„ транзисторов обычно принимают мощность рассеяния на коллекторе. Если в переходе эмиттер—база имеет место высокое рассеяние мощности, то нужно принимать ее среднее значение.
При применении триодов в переключающих схемах может по требоваться расчет мощности, рассеиваемой на . те части цикла, в течение которых происходит запирание и отпирание транзи стора. В этом случае, чтобы получить общую среднюю мощность рассеяния, нужно к мощности, рассеиваемой при. запирании и от пирании транзистора, прибавить мощность, рассеиваемую при
открытом транзисторе, и полученный результат усреднить, т. е. |
|
W = * А + * а + *»*» |
(189) |
где Wx |
— мощность рассеяния транзистора в открытом состоянии; |
||||
W 2 — мощность |
рассеяния |
при |
открывании транзистора; |
||
W3 |
— мощность |
рассеяния |
при |
запирании транзистора; |
|
*i |
— время открытого состояния транзистора; |
||||
*2 |
— время |
открывания транзистора; |
|||
*3 — время |
запирания транзистора; |
||||
/ц — общее время цикла |
|
|
*ц — *1 + *2 "Ъ
При определении Ка детекторных диодов за рабочую мощность принимается средняя или пиковая мощность высокой частоты, подаваемая на диод. За номинальную мощность принимается сред няя или пиковая мощность выгорания. Как номинальная, так и рабочая мощности должны выражаться либо в средних значениях, либо в пиковых. Для определения импульсного режима также берется отношение рабочей мощности к номинальной.
В некоторых случаях коэффициент нагрузки полупроводнико вых приборов, определяемый отношением реально рассеиваемой
мощности к максимально допустимой по ТУ, особенно сильно влияет на опасность отказов после достижения некоторого крити ческого значения /<„кр, связанного с температурой окружающей
среды следующим экспериментально найденным сотношением:
^»„р = ехр (— 3 |
> |
(190) |
где t0 — температура окружающей |
среды; |
|
^пах — максимально допустимое значение температуры окру жающей среды, оговоренное ТУ.
На основе оценки опасности отказов по результатам испытаний точечных триодов установлено, что влияние температуры и мощ-*
ности |
рассеивания |
на |
надеж |
|
|
|
|
|
ность этих триодов можно аппро |
|
|
|
|
||||
ксимировать уравнением |
вида |
|
|
|
|
|||
у = 4,445* 10“4ехр х |
|
|
|
|
|
|||
X |
1,336 ( - ^ - |
358^)} + |
|
|
|
|
||
|
+ 0,464-^, |
|
(191) |
|
|
|
|
|
где |
X — ожидаемая опасность |
|
|
|
|
|||
|
отказов, |
% |
на |
1000 |
|
|
|
|
|
час.; |
|
|
|
|
|
|
|
tQ— температура окружа |
|
|
|
|
||||
|
ющей среды в граду |
|
|
|
|
|||
|
сах Кельвина (макси |
зов точечных триодов от температуры и |
||||||
|
мально |
допустимая |
||||||
|
температура |
|
элек |
мощности рассеивания: |
|
|||
|
|
/ — постоянная |
нагрузка |
№ =20 |
.мет; |
|||
|
тронно-дырочного пе |
|||||||
|
2— постоянная |
нагрузка |
№= 10 |
мет; |
||||
|
рехода |
составляет |
условия хранения. |
|
||||
|
85° С или 358,16° К); |
|
|
|
|
|||
Рк — рассеиваемая мощность, мет (максимально допустимая |
||||||||
|
мощность рассеивания |
10 мет). |
|
|
|
На рис. 69 представлена расчетная зависимость опасности от казов точечных триодов от температуры и мощности рассеивания.
Э л е к т р о в а к у у м н ы е п р и б о р ы также широко применяются в электронной аппаратуре и в системах управления. Надежность ЭВП определяется не только их конструкцией и уров нем технологии производства, но также режимами и условиями их эксплуатации.
Наиболее часто наблюдаются отказы СВЧ приборов (магнетро нов, клистронов, резонансных разрядников), а также модулятор ных и мощных генераторных ламп. В большинстве случаев это
объясняется использованием этих приборов в тяжелых тепловых и предельных электрических режимах эксплуатации.
Причины выхода из строя электровакуумных приборов можно разбить на две группы:
1)определяющие внезапный выход ламп;
2)ускоряющие потерю работоспособности ламп.
Причины первой группы кроются главным образом в недоста
точной |
отработанности |
технологических процессов, загрязнен |
|||||||
|
|
|
ности производственных |
помещений и |
|||||
|
|
|
плохом |
контроле [57]. Они |
приводят |
||||
|
|
|
к короткому замыканию между элёк- |
||||||
|
|
|
тродами, трещинам ножек и колб, обры |
||||||
|
|
|
вам электродов и др. |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Причинами второй группы являются |
|||||
|
|
|
повышение или понижение напряжения |
||||||
|
|
|
накала, |
увеличение |
коэффициента |
на |
|||
|
|
|
грузки, |
увеличение |
температуры |
бал |
|||
|
|
|
лона, наличие вибраций и т. п. Повы |
||||||
|
|
|
шенное |
напряжение |
накала |
вызывает |
|||
|
|
|
интенсивное испарение |
и |
окисление |
||||
|
|
|
бария. Пониженное напряжение накала |
||||||
|
|
|
ведет к быстрому разрушению катода |
||||||
|
|
|
газами, |
к слабой диффузии бария в |
|||||
|
|
|
оксидном катоде, что также отрицатель |
||||||
1.0 1,2 >-1А |
|
|
но сказывается на сроке службы ламп. |
||||||
18 1.8 2.0 2,2 |
2,4 |
Кн |
Рассмотрим влияние режимов рабо |
||||||
Рис. 70. Зависимость средне |
|
ты и эксплуатационных факторов на на |
|||||||
го срока службы сверхминиа |
|
дежность электровакуумных |
приборов. |
||||||
тюрных ламп от коэффициен |
|
|
. Коэффициент нагрузки в сильной |
||||||
та |
нагрузки. |
|
|
степени влияет на срок службы и опас ность отказов ламп. При повышении коэффициента нагрузки про
исходит перегрев электродов |
ламп, усиливается |
газовыделение, |
|
появляется |
возможность |
возникновения |
межэлектродных |
пробоев. |
|
|
|
На рис. 70 показана зависимость относительного изменения среднего срока службы т сверхминиатюрных ламп от вели
чины Кн- Если /Сн больше единицы, средний срок службы резко сни
жается и составляет единицы процентов от его значения при
номинальной |
нагрузке. Так, |
например, увеличение |
Кн на |
30% приводит |
к десятикратному сокращению среднего |
срока |
|
.службы. |
|
|
|
Коэффициенты нагрузки для электронных ламп определяются |
|||
по формулам |
|
|
|
|
к |
- J L |
|
|
ЛиИ7 — W« » |
|