9.6. Окончательный расчет надежности по внезапным отказам функциональной ячейки микроконтроллерного устройства управления силовой нагрузкой.
9.6.1. Определение интенсивности отказов конденсаторов
Расчет интенсивности отказов конденсаторов производится по формуле:
Для
керамических конденсаторов базовая
интенсивность отказов λб=0,022
/час.
Коэффициент режима работы Кр, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпуса определяется по формуле:
,
Где
= 600С – максимальная температура
окружающей среды
КН =0,7 – Средние значения коэффициента нагрузки, учитывающего режим электрической нагрузки для конденсаторов.
A, B, NS, NT, G, H – постоянные коэффициенты для керамических конденсаторов.
=1,272
Коэффициент учета номинального значения емкости КС рассчитывается по формуле:
Где С измеряется в пико фарадах.
КЭ = 1,3- Коэффициент эксплуатации для группы аппаратуры 1,2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,5 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Для конденсаторов емкостью 0,68 мкФ:
;
Интенсивность отказов составит:
1/час.
Для конденсаторов емкостью 47 мкФ:
;
Интенсивность отказов составит:
1/час.
Для конденсаторов емкостью 0,1 мкФ:
;
Интенсивность отказов составит:
1/час.
Для конденсаторов емкостью 0,22 мкФ:
;
Интенсивность отказов составит:
1/час.
Для конденсаторов емкостью 470 мкФ:
;
Интенсивность отказов составит:
1/час.
9.6.2. Определение интенсивности отказов резисторов
Расчет интенсивности отказов композиционных углеродистых резисторов производится по формуле:
.
Для композиционных углеродистых резисторов λб=0,034 /час.
Коэффициент режима работы Кр, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпуса определяется по формуле:
,
Где = 600С – максимальная температура окружающей среды
КН = 0,6 – Средние значения коэффициента нагрузки, учитывающего режим электрической нагрузки для резисторов.
A, B, NS, NT, G, H, J – постоянные коэффициенты для композиционных углеродистых резисторов.
КЭ = 1,5- Коэффициент эксплуатации для группы аппаратуры 1,2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,8 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Коэффициент учета номинального значения сопротивления КR выбирается из условия
КR=0,5 при R ≤ 100 КОм.
КR=0,7 при 100 КОм < R ≤ 100 МОм.
КR=2 при R > 100 МОм.
Для углеродистых резисторов сопротивлением 200, 300, 220 Ом:
;
Интенсивность отказов составит:
1/час.
Для резисторов сопротивлением 56, 5.6, 8.2, 100, 10, 15, 22, 2.2, 1 КОм:
;
Интенсивность отказов составит:
1/час.
Для углеродистых резисторов сопротивлением 200 КОм:
;
Интенсивность отказов составит:
1/час.
9.6.3. Определение интенсивности отказов микроконтроллера
Расчет интенсивности отказов микроконтроллера производится по формуле:
.
Для микроконтроллера базовая интенсивность отказов λб=0,023 /час.
Коэффициент режима работы КИС, зависящий от количества элементов в ИМС или бит рассчитывается по формуле:
Где A, S – постоянные коэффициенты для микроконтроллера , а N – количество элементов или бит.
Значение коэффициента Кt, зависящего от температуры корпуса может быть получено по выражению:
Где = 600С – максимальная температура окружающей среды,
а В – константа, зависящая от функционального назначения ИМС.
ККОРП = 3- Коэффициент корпуса, зависящий от типа корпуса ИМС. В нашем случае корпус пластмассовый.
Для напряжения питания от 2,7В до 5,5В коэффициент Кv=1, учитывающий напряжение питания.
КЭ = 1,5- Коэффициент эксплуатации для группы аппаратуры 1,2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,5 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов микроконтроллера составит:
1/час.
9.6.4. Определение интенсивности отказов стабилитрона
Расчет интенсивности отказов стабилитрона производится по формуле:
.
Для стабилитрона базовая интенсивность отказов λб=0,041 /час.
Коэффициент режима работы Кр, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпуса определяется по формуле:
,
Где A, NT, TM, L, Δt –константы.
= 600С – максимальная температура окружающей среды
КН =0,4 – Средние значения коэффициента электрической нагрузки, учитывающего режим электрической нагрузки для стабилитрона.
КЭ = 1,7 - Коэффициент эксплуатации, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,7 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов стабилитрона составит:
1/час.
9.6.5. Определение интенсивности отказов диодов
Расчет интенсивности отказов диодов производится по формуле:
.
Для диодов базовая интенсивность отказов λб=0,091 /час.
Коэффициент режима работы Кр, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпуса определяется по формуле:
,
Где A, NT, TM, L, Δt –константы.
= 600С – максимальная температура окружающей среды
КН =0,4 – Средние значения коэффициента электрической нагрузки, учитывающего режим электрической нагрузки для диодов.
КФ = 1,5 - Коэффициент функциональный, зависящий от режима работы.
КД = 0,6 – Коэффициент, зависящий от значения максимально допустимой по ТУ нагрузки по мощности.
Коэффициент КU, зависящий от отношения рабочего напряжения к максимальному допустимому по ТУ рассчитывается по формуле:
КЭ = 1,5 - Коэффициент эксплуатации, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,7 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов диодов составит:
1/час
9.6.6. Определение интенсивности отказов операционного усилителя.
Расчет интенсивности отказов операционного усилителя производится по формуле:
.
Для операционного усилителя базовая интенсивность отказов λб=0,028 /час.
Коэффициент режима работы КИС, зависящий от количества элементов в ИМС или бит рассчитывается по формуле:
Где A, S – постоянные коэффициенты для операционного усилителя, а N – количество элементов или бит.
Значение коэффициента Кt, зависящего от температуры корпуса может быть получено по выражению:
Где = 600С – максимальная температура окружающей среды,
а В – константа, зависящая от функционального назначения ИМС.
ККОРП = 3- Коэффициент корпуса, зависящий от типа корпуса ИМС. В нашем случае корпус пластмассовый.
Для напряжения питания от 7В до 36В коэффициент Кv=1, учитывающий напряжение питания.
КЭ = 1,5- Коэффициент эксплуатации для группы аппаратуры 1,2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,5 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов операционного усилителя составит:
1/час.
9.6.7. Определение интенсивности отказов симистора
Расчет интенсивности отказов симистора производится по формуле:
.
Для диодов базовая интенсивность отказов λб=0,2 /час.
Коэффициент режима работы Кр, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпуса определяется по формуле:
,
Где A, NT, TM, L, Δt –константы.
= 600С – максимальная температура окружающей среды
КН =0,8 – Средние значения коэффициента электрической нагрузки, учитывающего режим электрической нагрузки для симистора.
КД = 6 – Коэффициент, зависящий от значения максимально допустимой по ТУ нагрузки по мощности.
КЭ = 1,5 - Коэффициент эксплуатации, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,7 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов симистора составит:
1/час.
9.6.7. Определение интенсивности отказов выпрямительного моста
Расчет интенсивности отказов выпрямительного моста производится по формуле:
.
Для диодов базовая интенсивность отказов λб=0,21 /час.
Коэффициент режима работы Кр, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпуса определяется по формуле:
,
Где A, NT, TM, L, Δt –константы.
= 600С – максимальная температура окружающей среды
КН =0,2 – Средние значения коэффициента электрической нагрузки, учитывающего режим электрической нагрузки для выпрямительного моста.
КФ = 1,8 - Коэффициент функциональный, зависящий от режима работы. Выпрямительный режим.
КД = 0,8 – Коэффициент, зависящий от значения максимально допустимой по ТУ нагрузки по мощности.
Коэффициент КU, зависящий от отношения рабочего напряжения к максимальному допустимому по ТУ рассчитывается по формуле:
КЭ = 1,7 - Коэффициент эксплуатации, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,7 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов выпрямительного моста составит:
1/час
9.6.8. Определение интенсивности отказов кнопки
Расчет интенсивности отказов кнопки производится по формуле:
.
Для
диодов базовая интенсивность отказов
=0,16
/час и дополнительная интенсивность
отказов, приходящаяся на одно включение
=0,0064
/час
Коэффициент режима работы Кр, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпуса определяется по формуле:
,
Где t – рабочая температура, 0С (25 ≤t ≤tmax ).
= 600С – максимально допустимая
по ТУ температура окружающей среды
КН =0,45 – Средние значения коэффициента электрической нагрузки, учитывающего режим электрической нагрузки для кнопки.
F = 100 – Средняя частота переключений.
N = 3 – Количество активных контактов.
КК = 1,5 - Коэффициент коммутации изделия, зависящий количества задействованных контактов.
КF = 0,5 – Коэффициент, зависящий от частоты включений в час.
КЭ = 2 - Коэффициент эксплуатации, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,5 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
9.6.9. Интенсивность отказов кнопки составит:
1/час
Определение интенсивности отказов предохранителя
Расчет интенсивности отказов предохранителя производится по формуле:
.
Для диодов базовая интенсивность отказов =0,011
Коэффициент Кт, зависящий от температуры корпуса элемента, определяется по формуле:
= 600С – максимально допустимая по ТУ температура окружающей среды
КЭ = 1,3 - Коэффициент эксплуатации, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,5 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов предохранителя составит:
1/час
9.6.10. Определение интенсивности отказов оптосимистора
Расчет интенсивности отказов оптосимистора производится по формуле:
.
Для
оптосимистора базовая интенсивность
отказов
=0,013
Коэффициент учета влияния температур КТ определяется по формуле:
Для оптосимистора энергия активации составляет Еа=0,24.
= 600С – максимально допустимая
по ТУ температура окружающей среды
где: Т – температура окружающей среды, °С, Т=60°С;
–
тепловое сопротивление «кристалл –
окружающая среда», °С/Вт,
°С/Вт;
Р – фактическая мощность рассеивания прибора, Вт, Р=0,15Вт.
°С.
КЭ = 1,3 - Коэффициент эксплуатации для группы аппаратуры 1,2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА .
КП= 0,7 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов оптосимистора составит:
1/час
9.6.11. Определение интенсивности отказов фоторезистора
Интенсивность отказов фоторезистора определяется по формуле:
Для
оптосимистора базовая интенсивность
отказов
где: Т – температура окружающей среды, °С, Т=60°С;
– тепловое сопротивление «кристалл – окружающая среда», °С/Вт, °С/Вт;
Р – фактическая мощность рассеивания прибора, Вт, Р=0,15Вт.
°С.
КЭ = 1,5- Коэффициент эксплуатации для группы аппаратуры 1,2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,5 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов фоторезистора составит:
9.6.12. Определение интенсивности отказов стабилизатора напряжения
Расчет интенсивности отказов стабилизатора напряжения производится по формуле:
.
Для стабилизатора напряжения базовая интенсивность отказов λб=0,028 /час.
Коэффициент режима работы КИС, зависящий от количества элементов в ИМС или бит рассчитывается по формуле:
Где A, S – постоянные коэффициенты для стабилизатора напряжения, а N – количество элементов или бит.
Значение коэффициента Кt, зависящего от температуры корпуса может быть получено по выражению:
Где = 600С – максимальная температура окружающей среды,
а В – константа, зависящая от функционального назначения ИМС.
ККОРП = 3- Коэффициент корпуса, зависящий от типа корпуса ИМС. В нашем случае корпус пластмассовый.
Для напряжения питания от 7,2В до 30В коэффициент Кv=1, учитывающий напряжение питания.
КЭ = 1,5- Коэффициент эксплуатации для группы аппаратуры 1,2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,5 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Интенсивность отказов стабилизатора напряжения составит:
1/час.
9.6.13. Определение интенсивности отказов переменного резистора
Расчет интенсивности отказов переменного резистора производится по формуле:
.
Для композиционных углеродистых резисторов λб=0,183 /час.
Коэффициент режима работы Кр, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпуса определяется по формуле:
,
Где = 600С – максимальная температура окружающей среды
КН = 0,8 – Средние значения коэффициента нагрузки, учитывающего режим электрической нагрузки для переменного резистора.
A, B, NS, NT, G, H, J – постоянные коэффициенты для переменных резисторов.
,
КЭ = 2 - Коэффициент эксплуатации для группы аппаратуры 1,2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,5 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Коэффициент учета номинального значения сопротивления КR выбирается из условия
КR=1,9 при R ≤ 1 КОм.
КR=0,5 при 1 КОм < R ≤ 10 КОм.
КR=0,9 при 10 КОм < R ≤ 100 КОм.
Для проволочного переменного резистора сопротивлением 10 КОм:
;
Интенсивность отказов переменного резистора составит:
1/час.
9.6.14. Определение интенсивности отказов печатной платы
Расчёт интенсивности отказов ПП производится по формуле:
.
Примем λб=0,0017·10-8 1/час – интенсивность отказов, связанная с печатным монтажом.
Коэффициент эксплуатации для группы 1.2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98 KЭ= 1,7.
Коэффициент сложности платы для двусторонней платы КС=1.
N1=0 – количество металлизированных отверстий, пропаянных волной (групповым способом).
N2=154 – количество металлизированных отверстий, пропаянных вручную.
Тогда интенсивность отказов ПП составит
1/час.
9.6.15. Определение интенсивности отказов электрических соединений
Расчёт интенсивности отказов соединений производится по формуле:
.
– базовое значение интенсивности
отказов различных видов соединений.
Для ручной пайки без накрутки λО1=0,13·10-8 1/час.
Для пайки волной λО2=0,007·10-8 1/час.
Коэффициент эксплуатации для группы 1.2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98 KЭ= 1,7.
Количество соединений, паяных вручную N1=154.
Количество соединений, паяных волной N2=0.
Тогда интенсивность отказов соединений составит
1/час
9.6.16. Определение интенсивности отказов (разъемов).
Расчет интенсивности отказов электрических соединений(разъемов) производится по формуле:
Для соединений(разъемов) λб=0,0104 /час.
Коэффициент режима работы Кр, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпуса определяется по формуле:
,
Где
= 300С – температура перегрева
контактов при максимальной токовой
нагрузке.
Где = 600С – максимальная температура окружающей среды
КН = 0,9 – Средние значения коэффициента нагрузки, учитывающего режим электрической нагрузки для соединений(разъемов).
Значение коэффициента, учитывающего влияние на надежность соединителя количества сочленений-расчленений n=100, рассчитываются по модели
Значения коэффициента, учитывающего влияние на надежность соединителя количества задействованных контактов N=2, могут быть рассчитаны как
КЭ = 1,3 - Коэффициент эксплуатации для группы аппаратуры 1,2 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, зависящий от жесткости условий эксплуатации РЭА.
КП= 0,5 – Коэффициент приемки элементов особой стабильности, выпускаемых малыми партиями.
Тогда интенсивность отказов соединений(разъемов) составит
1/час
9.6.17. Расчет параметров надежности модуля
Рассчитанные
значения интенсивностей отказов
компонентов модуля приведены в таблице
6.2.1 Вероятность безотказной работы
рассчитывается по формуле
и также приведена в таблице. Согласно
ТЗ, наработка модуля на отказ Tдоп
= 7000 часов.
Таблица 6.2.1 Интенсивность отказов компонентов модуля.
Элемент |
Кол-во n |
Интенсивность отказов, 1/час
|
Базовая Интенсивность отказов, 1/час λб
|
Вероятность безотказной работы |
||
Микроконтроллер ATtiny15L |
1 |
|
0,023 |
0,99 |
||
Операционный Усилитель TL062P |
1 |
|
0,028 |
0,99 |
||
Стабилизатор 78L05Z |
1 |
|
0,028 |
0,99 |
||
Оптосимистор МОС3063 |
1 |
|
0,013 |
0,99 |
||
Выпрямительный мост KBP08 |
1 |
|
0,21 |
0,99 |
||
Симистор ВТ136 |
1 |
|
0,2 |
0,98 |
||
Резисторы
|
200 Ом |
3 |
|
0,034 |
0,99 |
|
300 Ом |
2 |
|
0,034 |
0,99 |
||
220 Ом |
1 |
|
0,034 |
0,99 |
||
1 кОм |
1 |
|
0,034 |
0,99 |
||
2,2 кОм |
1 |
|
0,034 |
0,99 |
|
|
5,6 кОм |
1 |
|
0,034 |
0,99 |
|
|
10 кОм |
1 |
|
0,034 |
0,99 |
|
|
15 кОм |
1 |
|
0,034 |
0,99 |
|
|
22 кОм |
1 |
|
0,034 |
0,99 |
|
|
8,2 кОм |
1 |
|
0,034 |
0,99 |
|
|
56 кОм |
1 |
|
0,034 |
0,99 |
|
|
100 кОм |
2 |
|
0,034 |
0,99 |
|
|
200 кОм |
2 |
|
0,034 |
0,99 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Конденсаторы керамические |
47 мкФ |
1 |
|
0,022 |
0,99 |
|
0,1 мкФ |
4 |
|
0,022 |
0,99 |
|
|
470 мкФ |
1 |
|
0,022 |
0,99 |
|
|
0,22 мкФ |
1 |
|
0,022 |
0,99 |
|
|
Конденсаторы танталовые |
0,68 мкФ |
1 |
|
0,022 |
0,99 |
|
0,68 мкФ |
1 |
|
0,022 |
0,99 |
|
|
Переменный резистор |
1 |
|
0,183 |
0,99 |
|
|
Фоторезистор |
1 |
|
|
0,97 |
|
|
Стабилитрон B2V55C1 |
1 |
|
0,041 |
0,99 |
|
|
Диоды |
2 |
|
0,091 |
0,99 |
|
|
Светодиоды |
2 |
|
0,091 |
0,99 |
|
|
Кнопки |
2 |
|
0,16 |
0,96 |
|
|
Предохранитель |
1 |
|
0,011 |
0,99 |
|
|
Соединитель AC-10 |
1 |
|
0,0104 |
0,99 |
|
|
Соединитель AC-11 |
1 |
|
0,0104 |
0,99 |
|
|
Электрические соединения (суммарная интенсивность отказов) |
1 |
|
0,13·10-8 |
0,99 |
|
|
Печатная плата |
1 |
|
0,0017·10-8 |
0,99 |
|
|
Суммарная
интенсивность отказов модуля:
,
где n – порядковый номер элементов, mi – количество элементов i-го типа. Интенсивность отказов модуля составит:
1/час.
Средняя наработка на отказ модуля определяется как:
часов,
что удовлетворяет требованиям ТЗ.
Вероятность безотказной работы модуля за время Tдоп рассчитывается по формуле:
,
что соответствует заданному в ТЗ значению
PДОП=0,90.
Функциональная ячейка микроконтроллерного управления силовой нагрузкой удовлетворяет требованиям отказоустойчивости. Функциональная ячейка не резервируемая невосстанавливаемый.