Практическое занятие № 3. Оценка надёжности элементов электронных изделий.
Цель работы:
1. Изучение основ теории оценки надёжности элементов электронных изделий.
2. Практическое освоение методов оценки надёжности элементов электронных изделий.
Задание:
1. Зарисовать схему электронного изделия.
2. Определить интенсивность отказов элементов изделия резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов, стабилитронов в эксплуатации с учетом их температурного и нагрузочного режимов.
Пояснение к работе:
Показатели надежности различаются на показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Одним из показателей безотказности и является интенсивность отказов. При этом под интенсивностью отказов λ понимают показатель надежности невосстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа, отказавших в единицу времени объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными. В период нормальной эксплуатации электронных изделий АТЭ их отказы вызываются неблагоприятным стечением многих обстоятельств и потому имеют постоянную интенсивность, которая не зависит от времени эксплуатации изделия.
Интенсивность
отказов элементов электронных изделий
АТЭ в
эксплуатации
в
основном, зависит от интенсивности
нагрузки элементов
и окружающей их температуры
:
(24)
где
-
интенсивность отказа изделия, определённая
при стендовых испытаниях в нормальных
условиях (температура окружающей среды
=
(20
5
)
нормальная нагрузка);
-
функция, учитывающая влияние нагрузки
на интенсивность отказов в эксплуатации;
-
функция, учитывающая влияние температуры
на интенсивность отказов в эксплуатации.
В первом приближении можно принять следующее выражение для функции :
(25)
где
коэффициент нагрузки
определяется следующим образом для
транзисторов, стабилитронов, диодов:
(26)
где
-
среднее эксплуатационное значение тока
через силовой переход полупроводника;
- номинальное значение тока через переход
Для резисторов:
(27)
-
среднее эксплуатационное значение
мощности, выделяемой в резисторе;
-
номинальная мощность резистора
Для конденсаторов:
(28)
-
среднее эксплуатационное значение
напряжения на конденсаторе;
-
номинальное напряжение на конденсаторе.
Скорость химических реакций, от которых зависит старение, износ элементов определяется уравнением Аррениуса:
где С – коэффициент, зависящий от типа элемента;
-
энергия активации;
R – универсальная годовая постоянная
средняя
эксплуатационная температура элементов
Если от скорости химических реакций перейти к интенсивности отказов, то получается аналогичное выражение:
где A – коэффициент, зависящий от типа элемента.
Из этого выражения
можно получить, что, если известна
интенсивность отказов
при нормальной температуре
,
то интенсивность отказов при температуре
определяется выражением:
Таким образом:
(29)
Для кремниевых транзисторов, диодов, стабилитронов можно принять значение энергии активации:
для резисторов:
для конденсаторов:
Значение интенсивности отказов изделия, определенное при стендовых испытаниях элементов автомобильной электроники в нормальных условиях, можно принять для кремниевых транзисторов, диодов и стабилитронов:
для
резисторов
для
конденсаторов
для
печатной платы
для паяного соединения
Порядок выполнения работы.
1. Ознакомиться с пояснениями к настоящей работе.
2. Зарисовать схему испытуемого электронного устройства согласно заданного преподавателем варианта (рисунок 2, 3, 4, 5).
3. Произвести исследование надёжности элементов схемы, оформив результаты исследования в графах таблицы 11. В первой графе этой таблицы указаны обозначения элементов по схемам рисунок 2 до 5; во второй графе – средние величины нагрузки элементов в эксплуатации. Величины принимаются в соответствии с вариантом задания.
Преподаватель может изменить величины в графе 2 таблицы 11, расширив гамму вариантов задания.
В третью графу таблицы заносятся данные по номинальным нагрузкам элементов. Они принимаются для резисторов и конденсаторов по данным рисунка 2 - 5, для транзисторов, диодов и стабилитронов - по данным таблицы 12.
По
выражению (26),
(27) или (28) рассчитать коэффициент нагрузки
и занести полученную величину в графу
4 таблицы 11. По выражению (25) рассчитать
значение
для
всех элементов
схемы и занести результат в 5 графу
таблицы.
Для
заданной преподавателем из ряда
окружающей
элементы электронного устройства
температуры определить
по
выражению (29)
и заполнить значениями
гpaфy
6
таблицы 11.
По
выражению (24) рассчитать значение
интенсивности отказов в эксплуатации
и заполнить значениями
графу 7 таблицы
11.
По указанию
преподавателя определить вероятность
безотказной работы для каждого варианта
значений пробега и скорости:
- для легкового автомобиля в городе: 100 тыс. км., скорость 38 км/ч;
- легкового автомобиля при движении вне города: 150 тыс. км., скорость 44 км/ч;
- для грузового автомобиля при движении в городе: 200 тыс. км., скорость 29 км/ч;
- для грузовых автомобилей вне города: 250 тыс. км., скорость 33 км/ч.
Определить сумму вероятности безотказной работы всей схемы в целом.
Содержание отчета
1. Схема электронного устройства.
2. Выражения для расчета величин, необходимых для оценки надёжности элементов.
3. Таблица 11 с исходными данными и результатами расчетов.
Приложение 1
Рисунок 2. Модель 201.3702 (Вариант 1).
Рисунок 3. Модель 13.3702 (Вариант 2).
Рисунок 4. Модель 17.3702 (Вариант 3).
Рисунок 5. Модель 121.3702 (Вариант 4).
Таблица 11
Элементы |
Ср. эксплуатационная величина нагрузки |
Ном. величины нагрузки |
Кн |
φ(Кн) |
φ(Тэ) |
λэ |
P(t) |
|||
вар.1 |
вар.2 |
вар.3 |
вар.4 |
|||||||
1 |
2 |
2 |
2 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
VT1,А |
0,07 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
|
|
|
|
|
|
VT2,А |
0,009 |
1,5 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
VT3,А |
0,06 |
5 |
0,8 |
2 |
|
|
|
|
|
|
VT4,А |
1 |
- |
2,5 |
- |
|
|
|
|
|
|
VT5,А |
3 |
- |
2,5 |
- |
|
|
|
|
|
|
VD1,А |
0,008 |
0,003 |
0,015 |
0,006 |
|
|
|
|
|
|
VD2,А |
0,05 |
0,035 |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
VD3,А |
3 |
4 |
- |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
VD4,А |
0,35 |
0,04 |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
VD5,А |
- |
0,2 |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
R1,Вт |
0,07 |
0,1 |
30 |
0,2 |
|
|
|
|
|
|
R2,Вт |
0,07 |
0,15 |
15 |
0,4 |
|
|
|
|
|
|
R3,Вт |
0,12 |
0,15 |
10 |
0,03 |
|
|
|
|
|
|
R4,Вт |
0,04 |
0,2 |
12 |
0,1 |
|
|
|
|
|
|
R5,Вт |
0,05 |
0,01 |
40 |
0,03 |
|
|
|
|
|
|
R6,Вт |
0,07 |
0,32 |
0,1 |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
R7,Вт |
0,08 |
0,28 |
0,35 |
0,25 |
|
|
|
|
|
|
R8,Вт |
0,06 |
0,35 |
0,45 |
- |
|
|
|
|
|
|
R9,Вт |
0,02 |
0,45 |
0,25 |
- |
|
|
|
|
|
|
R10,Вт |
0,35 |
- |
12 |
- |
|
|
|
|
|
|
R11,Вт |
0,01 |
- |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
R12,Вт |
0,3 |
- |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
R13,Вт |
0,36 |
- |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
R14,Вт |
0,26 |
- |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
R15,Вт |
0,3 |
- |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
C1,В |
10 |
12 |
30 |
20 |
|
|
|
|
|
|
C2,В |
60 |
25 |
6 |
30 |
|
|
|
|
|
|
C3,В |
- |
40 |
40 |
- |
|
|
|
|
|
|
C4,В |
- |
- |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
Таблица 12.1
Элемент |
1 |
Транзисторы |
||||
Тип |
2 |
КТ315В |
КТ361В |
КТ837Х |
КТ608Б |
КТ805АМ |
Ном. ток, А |
3 |
0,1 |
0,05 |
7,5 |
0,4 |
5 |
Таблица 12.2
1 |
Стабилитроны |
||
2 |
Д814А |
Д818А |
КС175А |
3 |
0,005 |
0,011 |
0,004 |
Таблица 12.3
1 |
Диоды |
||||
2 |
КД522Б |
КД202В |
КД209А |
КД103А |
КД208АТ |
3 |
0,1 |
3 |
0,7 |
0,1 |
1,5 |
Таблица 12.4
элементы |
1 вариант |
2 вариант |
3 вариант |
4 вариант |
R1 |
1 |
0,125 |
0,125 |
0,5 |
R2 |
1 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
R3 |
0,125 |
0,125 |
0,125 |
0,5 |
R4 |
0,125 |
0,125 |
0,125 |
0,125 |
R5 |
0,125 |
0,125 |
0,125 |
0,5 |
R6 |
0,5 |
0,5 |
0,125 |
0,5 |
R7 |
0,125 |
0,5 |
0,125 |
0,5 |
R8 |
1 |
0,5 |
0,125 |
|
R9 |
0,5 |
0,5 |
0,125 |
|
R10 |
1 |
|
0,5 |
|
R11 |
0,5 |
|
|
|
R12 |
1 |
|
|
|
R13 |
1 |
|
|
|
R14 |
0,5 |
|
|
|
R15 |
0,5 |
|
|
|