6. Расчёт эффективности экранирования.

Экранирование электромагнитного поля основано на использовании явлений многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и зату­хания высокочастотной энергии в материале экрана. Многократное отражение волн обусловлено различием волновых сопротивлений диэлектрика и металла, из которого изготовлен экран. При многократном отражении электромагнитная энер­гия волны, достигнув экрана, частично затухает в его толще и частично отражает­ся от поверхности экрана. Часть электромагнитной энергии волны достигает внут­ренней поверхности экрана, частично отражается от нее в направлении внешней поверхности экрана и частично проникает в экранированное пространство. При многократном отражении лишь незначительная часть энергии электромагнитных волн проникает вовнутрь экрана. Затухание энергии электромагнитной волны в толще экрана обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи.

В практике конструирования РЭА наибольшее распространение получили три основные конструкции экранов: прямоугольные, цилиндрические, сфериче­ские.

В качестве экрана будем использовать прямоугольный экран, изготовленный из меди. Частота внешнего электромагнитного поля 500 кГц.

Для определения эффективности экранирования нужно найти эквивалент­ную глубину проникновения поля в экран. На рис 6.1. показана зависимость экви­валентной глубины проникновения электромагнитного поля от частоты для раз­личных металлов. Для медного экрана при воздействии на него электромагнитного поля частотой 500кГц эквивалентная глубина проникновения составляет 0,07 мм. Так как толщина экрана должна быть больше эквивалентной глубину проникнове­ния, то задаём толщину экрана 0,1 мм.

Рис. 6.1 Зависимость эквивалентной глубины проникновения от частоты. 1 – свинец;2 - олово; 3 - латунь; 4 — алюминий; 5 - цинк; 6 — медь; 7 — железо

Рис. 6.2 Частотная зависимость эффективности экранирования экранов толщиной 0,1 мм.

1 - свинец; 2 - сталь; 3 - алюминий; 4 — медь

Проанализировав зависимость эффективности экранирования для экранов толщиной 0,1 мм от частоты электромагнитного поля, изображённой на рис. 6.2, приходим к выводу, что эффективность экранирования составляет примерно 5,3 Непера, что вполне удовлетворяет техническому заданию.

7. Расчёт надёжности рэу

Расчет выполняется для периода нормальной эксплуатации при следующих основных допущениях:

отказы случайны и независимы;

учитываются только внезапные отказы;

имеет место экспоненциальный закон надежности.

Исходные данные для расчета надёжности приводятся в таблице 7.1.

Элементы	Пос. обоз.	Номинал	Кол-во, n	1/ч	1/ч	ч
Дроссели		3мкГн	10	0,34	3,4	0,8
Конденсаторы	С1,С2,С3,С6,С7,С9,С18, С19,С20,С23,С24,С25,С30	0,01мкФ	13	0,075	0,975	0,3
	С4,С21	300Ф	2		0,15
	С5,С17	51Ф	2		0,15
	С13,С29	4000мкФ	2		0,15
	С14,С15,С31,С34,С35,С36,С33	1000Ф	7		0,525
	С16	120Ф	1		0,075
	С11,С12,С6, С22,С27,С28,С32	10мкФ	7		0,525
	С10,С26	500мкФ	2		0,15
Микросхемы	DA1-DA5	К544УД2	5	0,38	1,9	1,3
Предохранители	FU1, FU2	10A	2	0,5	1	0,1
Резисторы	R1,R31	820Ом	2	0,45	0,9	0,3
	R2,R8,R32, R37	47кОм	4		1,8
	R3,R6,R7,R10,R11,R14,R17,R20,R21,R23,R30,R33,R36,R38,R40	5,1кОм	15		6,75
	R4,R5,R34, R35	210кОм	4		1,8
	R9,R39	2,4кОм	2		0,9
	R15,R16	12кОм	2		0,9
	R12,R29	1,5кОм	2		0,9
	R13,R28	330Ом	2		0,9
	R18,R22	3,3кОм	2		0,9
	R19	1,8кОм	1		0,45
	R24, R25, R26, R27	2кОм	4		1,8
	R41	110кОм	1		0,45
	R42,R43,R44	5,6кОм	3		1,35
Стабилитроны	VD1	КС156h	1	0,48	0,48	0,3
	VD2,VD3	Д814А	2		0,96
	VD4	КС156А	1		0,48
	VD5	Д242	1		0,48
Транзисторы	VT1,VT3, VT12,VT13, VT14,VT15, VT16,VT17, VT21	КТ315Г	9	0,3	2,7	0,6
	VT2,VT20, VT22	КТ361Е	3		0,9
	VT4	КТ817А	1		0,3
	VT5,VT6	КТ608А	2		0,6
	VT7	ГТ905А	1		0,3
	VT8	ГТ804А	1		0,3
	VT9,VT19	ГТ921Е	2		0,6
	VT10	КТ801А	1		0,3
	VT11	ГТ908А	1		0,3
	VT18	КТ814А	1		0,3
Пайка	-	-	289	0,01	2,89	0,4

Определяем значение суммарной интенсивности отказов элементов устрой­ства по формуле [2 стр.12]:

,(7.1)

где:

- среднегрупповое значение интенсивности отказов элементов j-й груп­пы, найденное с использованием справочников, j = 1,…к, 1/ч.

^{- количество элементов вj-й группе,j = 1,…к, шт.}

к- число сформированных групп однотипных элементов.

Суммарную интенсивность отказов элементов РЭА с учетом электрического режима и условий эксплуатации определяем по формуле [2 стр.12]:

,(7.2)

где:

К_э- обобщенный эксплуатационный коэффициент, выбираемый по табли­це 7.2 в зависимости от вида РЭА или условий его эксплуатации.

Таблица 7.2

Область и условия применения РЭА	Кэ
Лабораторные условия	1,0
Орбитальные спутники	1,5
Стационарное наземное оборудование	2,0
Перевозимое наземное оборудование	5,0
Портативное наземное оборудование	7,0
Самолётная РЭА (кабина пилота)	5,0
Самолётная РЭА (приборный отсек)	7,0
Оборудование ступеней выведения спутников на орбиту	8,0
Боевые ракеты	10,0

С использованием гипотезы об экспоненциальном законе надежности под­считываем наработку на отказ и вероятность безотказной работы за заданное вре­мя по формулам [2 стр.13] и [2 стр.13] соответственно:

, (7.3)

, (7.4)

где:

- заданное время работы, равное 10000 ч.

Определяем вероятность отказа за заданное время работы по формуле [2 стр.15]:

, (7.5)

Рассчитываем среднее время восстановления по формуле [2 стр.18].

, (7.6)

Определяем заданное время по формуле [2 стр.19]:

, (7.7)

где:

— случайное время восстановления j-го элемента.

Определяем значение вероятности восстановления за заданное время по формуле [2 стр.18]:

, (7.8)

Рассчитываем коэффициент готовности по формуле [2 стр.20]:

, (7.9)

Определяем коэффициент ремонтопригодности, характеризующий степень необходимости ремонта по формуле [2 стр.20]:

, (7.10)

Рассчитываем вероятность нормального функционирования за заданное время работы по формуле [2 стр.32]:

, (7.11)

Определяем вероятность безотказной работы с учётом восстановления по формуле [2 стр.33]:

, (7.12)

Определяем доверительные границы.

˂

где:

п- количество отказов, после которых испытание прекращается.

Определяем число степеней свободы распределения (7) и прибавляем 3 число независимых условий (связей), наложенных на частоты pi, а следовательно, и на распределение параметра. [3 стр. 210]

п =10 отказов.

, (7.13)

[4 стр. 59]

Результаты расчёта надёжности приведены в таблице 7.3

Таблица 7.3

№ формулы	Обозначение	Значение	Ед. изм.
(7.1)			1/ч
(7.2)			1/ч
(7.3)		12289	ч
(7.4)		0,443	-
(7.5)		0,557	-
(7.6)		0,409	ч
(7.7)		2,6	ч
(7.8)		0,99826	-
(7.9)		0,999967	-
(7.10)		0,000033	-
(7.11)		0,443	-
(7.12)		0,9986	-
(7.13)		100000	ч
(7.14)	-		1/ч
(7.15)	-		1/ч

Проанализировав произведенные расчеты надёжности и сопоставив с требо­ваниями технического задания делаем вывод, что надёжность достаточна и нет не­обходимости в применении более надёжных элементов.

Резервирование РЭС

Под резервированием понимают способ обеспечения надежности изделия за счет использования дополнительных средств и возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций.

Указанные выше средства и возможности определяют следующие разновидности резервирования РЭС: функциональное, временное, информационное и структурное.

При функциональномрезервировании ряд устройств, не предназначенных специально для решения не свойственных им задач, берут на себя выполнение функций отказавших устройств при уменьшении показателей качества системы в целом .

Временное резервирование предполагает возможность использования объективно изменяющегося резерва времени для восстановления технических характеристик системы. В частности, если допустимое время потери информации в радиоэлектронном изделии оказывается больше, чем время восстановления, то и устранение отказа не отразится на значении коэффициента готовности указанного изделия.

Информационное резервирование связано с соответствующей организацией программного, математического и аппаратного обеспечения (ПО, МО, АО), предусматривающей исключение сбоев, проверку наиболее важных алгоритмов и компенсацию потери информации по одному из отказавших каналов информацией по другому каналу.

Структурное резервирование достигается путем введения в структуру РЭС дополнительных элементов.

При этом необходимо различать понятия: основной, резервный и резервируемый элемент изделия. Основной элемент необходим для выполнения требуемых функций без использования резерва. Резервный элемент предназначен для выполнения функций основного элемента в случае его отказа. Под резервируемым элементом понимается основной элемент, на случай отказа которого в изделии предусмотрены один или несколько резервных элементов.

Резервирование именуется постоянным, если используется нагруженный резерв и при отказе любого из элементов в резервированной группе выполнение изделием требуемых функций осуществляется оставшимися элементами без переключений.

Резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента, носит название резервирование замещением (рис.7.1).

Для резервированных соединений РЭС важное значение имеет понятие кратности резервирования, которое определяется как отношение числа резервных элементов к числу резервируемых ими элементов, выраженное несокращаемой дробью [4 стр. 57]:

(7.16)

где:

s – общее число элементов расчета резервированного соединения;

r – число элементов, минимально необходимых для выполнения изделием требуемых функций;

(s–r) – число резервных элементов

Из расчетов в таблице (7.3) видно, что двухтактный импульсный усилитель НЧ при заданном времени работы обладает довольно низкой вероятностью безотказной работы (0,44), поэтому применяем резервирование замещением. Для этого разобьем схему блока питания на функциональные узлы, вычислим вероятность безотказной работы каждого из них, определим

вероятность отказов каких узлов максимальная и проведём резервирование.

Проведя анализ схемы электрической принципиальной, разбиваем её на три функциональных блока: генератор тактовых импульсов (ГТИ), широко-импульсный модулятор, фильтр низких частот (ФНЧ)[приложениеГ].

Для расчета безотказной работы устройства воспользуемся формулой [1, стр. 158]:

,(7.17)

где:

P_i(t) – вероятность безотказной работы отдельного блока, для заданного времени t;

N – количество функциональных блоков;

P_устр.(t) – вероятность безотказной работы всего устройства.

Для расчета вероятности отказа каждого блока воспользуемся формулой [1, стр. 204]:

,(7.18)

где:

q_i(t) – вероятность отказа отдельного блока.

В случае произвольного числа резервных элементов r вероятность отказа резервируемого узла определяется по формуле [1, стр. 204]:

,(7.19)

где:

r–число резервных блоков.

Производим расчеты значений для каждого функционального блока с помощью ПЭВМ в среде MCEXCEL. Результаты расчётов записываем в виде таблиц: табл. 7.4– для генератора тактовых импульсов (ГТИ), табл. 7.5– для широко-импульсного модулятора, табл. 7.6– для фильтра низких частот (ФНЧ).

Таблица 7.4 Расчёт вероятности безотказной работы генератора тактовых импульсов (ГТИ)

Группа элементов	Количество элементов в группе	Справочное значение	Значение	Значение
FU1	1	0,5	4,8086	4,8086
С1…C5, С7…C13, С33,С34	14	0,075	0,1889	2,6446
R1…R13	13	0,45	0,0481	0,6253
DA1,DA2	2	0,38	0,22	0,44
VT1…VT8	8	0,6	1,0304	8,2432
L1…L4	4	0,34	0,0618	0,2472
				0
VD1,VD2, VD5	3	0,48	0,893	2,679
Пайки	106	0,01	0,055	5,83
∑				25,5179

Таблица 7.5 Расчёт вероятности безотказной работы широко-импульсного модулятора

Группа элементов	Количество элементов в группе	Справочное значение	Значение	Значение
FU2	1	0,5	4,8086	4,8086
С6, С14…C16, С25…C30	10	0,075	0,1889	1,889
R14…R30	17	0,45	0,0481	0,8177
VT9…VT19	11	0,6	1,0304	11,3344
VD3,VD6, VD7	3	0,48	0,893	2,679
Пайки	94	0,01	0,055	5,17
∑				26,6987

Таблица 7.6 Расчёт вероятности безотказной работы фильтра низких частот (ФНЧ)

Группа элементов	Количество элементов в группе	Справочное значение	Значение	Значение
С6,C35, С18…C24, С31,C32	11	0,075	0,1889	2,0779
R31…R44	14	0,45	0,0481	0,6734
VT20...VT22	13	0,6	1,0304	13,3952
VD4,VD6, VD5	3	0,48	0,893	2,679
L5…L10	6	0,34	0,0618	0,3708
DA3,DA4, DA5	3	0,38	0,22	0,66
Пайки	89	0,01	0,055	4,895
∑				24,7513

Все полученные результаты расчётов сведём в табл. 7.7.

Таблица 7.7 Результаты расчётов

№ блока	Интенсивность отказов блока	Наработка на отказ	Вероятность безотказной работы
1	25,5179	39189	0,775
2	26,6987	37455	0,766
3	24,7513	40402	0,781

Произведём расчёт числа резервных элементов для каждого блока. Для этого требуется рассчитать вероятность безотказной работы каждого блока. Резервирование будем проводить до того, пока вероятность безотказной работы не станет равной 0,92.

Подсчитаем количество требуемых резервирований для каждого блока по формулам (7.17), (7.18), (7.19). Результаты расчётов представляем в виде табл. 7.8. Величина m в таблице 7.8 – это сумма основного и резервных блоков.

Таблица 7.8 Результаты расчётов резервирования

M	P1(t)	P2(t)	P3(t)
1	0,775	0,766	0,781
2	0,9493	0,945	0,952
3	0,9974	0,997	0,9977

Из таблиц 7.5 и 7.6 видно, что самую большую вероятность отказов имеет блок №3 (стабилизатор). Поэтому принимаем количество резервных элементов для функциональных блоков №1, №2 r=2, а блок №3 r=1. В этом случае вероятность безотказной работы рассматриваемого двухтактного импульсного усилителя НЧ определяется по формуле (7.17) и равна:

Построим график зависимости вероятности безотказной работыот времени до и после резервирования[приложениеД].

Постоянное резервирование используют тогда, когда между какими-то точками электрической схемы необходимо обеспечить наличие определенных свойств (резистивных, емкостных, полупроводящих, усилительных и т.д.), а количественное значение характеристики, описывающей эти свойства, не играет принципиальной роли. В схеме электрической принципиальной рассматриваемой в данном курсовом проекте уже предусмотрено постоянное резервирование некоторых элементов. Так элементы в группах C25…С27; C4…С6; C33, С3; C7, С34 соединены параллельно и выполняют функцию постоянного резервирования (поскольку каждую группу этих элементов можно было бы заменить эквивалентной ёмкостью). Следовательно, график зависимости вероятности безотказной работы от времени с постоянным резервированием будет такой же, как и без резервирования.