2.5 Розрахунок надійності

Надійність - властивість виробу виконувати задані функції, зберігаючи експлуатаційні показники в заданих межах в течії необхідного проміжку часу. Надійність є комплексною властивістю, яка обумовлюється якісними характеристиками (безвідмовністю, довговічністю, ремонтопридатністю і збереженістю) і кількісними.

Розрахунки надійності - розрахунки, призначені для визначення кількісних показників надійності.

Вони проводяться на різних етапах розробки, створення і експлуатації виробу.

На етапі проектування розрахунок надійності виконується з метою прогнозування очікуваної надійності проектованого виробу. Таке прогнозування потрібне для обґрунтування передбачуваного проекту виробу, а також для вирішення організаційно-технічних питань: вибору оптимального варіанту структури; способу резервування; глибини і методів контролю; кількості запасних елементів; періодичності профілактики.

Для розрахунку надійності на етапі проектування задаються орієнтирні дані.

У разі експоненціального закону надійності елементів ймовірність безвідмовної роботи схеми:

(2.3)

де _сх - інтенсивність відмови схеми;

t - заданий час роботи схеми.

Так як справна робота і відмова - події протилежні, то вони пов'язані очевидним співвідношенням:

(2.4)

При цьому середнє напрацювання схеми на відмову:

, (2.5)

Таким, чином найчастіше при розрахунках надійності використовують інтенсивність відмов і по ній розраховують інші показники надійності.

Інтенсивність відмов усієї схеми можна розрахувати по формулі:

, (2.6)

де – інтенсивність відмов елементів i- групи;

N_i - кількість елементів і – групи;

 _плати – інтенсивність відмов друкованої плати;

 _пайки – інтенсивність відмови усіх пайок.

На основі аналізу електричної схеми електронного пристрою формуються групи однотипних елементів. Ознакою об'єднання елементів в одну групу є функціональне призначення елементу і, певною мірою, експлуатаційна електрична характеристика. Наприклад, малопотужні транзистори об'єднують в одну групу, потужні - в іншу і так далі.

Мікросхеми незалежно від типу об'єднуються в одну групу. Це пов'язано з тим, що у них незалежно від типу однакова інтенсивність відмов, і вони можуть працювати в досить широкому діапазоні температур.

Монтажні з'єднання складають окрему групу. Якщо вид монтажу (друкований, об'ємний) визначений заздалегідь, то окрему групу складають несущі конструкції (друкована плата і так далі). Окрему групу складають також точки пайок (надалі - пайки).

Для визначення інтенсивності відмов елементів використовуємо наступну формулу:

, (2.7)

де: - номінальна (базова) інтенсивність відмов елемента і-групи;

- поправочний коефіцієнт, що враховує дію механічних факторів;

- поправочний коефіцієнт, що враховує дію вологості;

- поправочний коефіцієнт, що враховує тиск повітря;

- поправочний коефіцієнт, що враховує температуру поверхні елементу і коефіцієнт електричного навантаження.

Значення окремих елементів одержують при обробці даних про відмови в процесі досліджень і експлуатації. За результатами аналізу складають спеціальні довідникові таблиці. У них приводяться середні значення за даними заводів-виробників в умовах промислової експлуатації. Ці значення інтенсивності відмов набуті для випадку, коли коефіцієнт навантаження К_н=1 та температура Т=20С і вимірюється в одиницях 1/година.

Існуючі методи розрахунку показників надійності електронної апаратури розрізняються мірою точності врахування електричного режиму і умов експлуатації елементів.

Розрахунок показників надійності проектованих електронних пристроїв з урахуванням коефіцієнтів електричного навантаження і умов роботи елементів у їх складі називається уточненим розрахунком показників надійності. Цей розрахунок виконують на завершальних стадіях проектування, коли вибрані типи і типорозміри елементів, спроектована конструкція і є результати розрахунку теплових режимів, віброзахищеності і тому подібне.

На початкових стадіях проектування виконується орієнтовний розрахунок надійності. Початковими даними при орієнтовному розрахунку є: електрична схема РЭУ (принципова, а для цифрових пристроїв у ряді випадків функціональна), заданий час роботи, умови експлуатації або вид електронного пристрою.

Орієнтовний розрахунок виконують для періоду нормальної експлуатації електронного пристрою, тобто для періоду, коли загальна інтенсивність відмови пристрою приблизно постійна в часі. В цьому випадку для визначення інтенсивності відмов користуються значеннями інтенсивності відмов елементів. Загальна інтенсивність відмов електронного пристрою визначається шляхом простого підсумовування останніх:

(2.8)

Надійність елементів функціонального модуля є одним з чинників, що суттєво впливають на інтенсивність відмови виробу в цілому. Інтенсивність відмов елементів залежить від конструкції, якості виготовлення, від умов експлуатації і від електричних навантажень в схемі.

Для різних елементів при розрахунках надійності служать різні параметри. Для резисторів і транзисторів це допустима потужність розсіювання, для конденсаторів допустима напруга, для діодів - прямий струм.

Рекомендовані коефіцієнти приведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Рекомендовані коефіцієнти навантажень

Найменування елементу	Контрольні параметри	Кн
		імпульсний режим	статичний режим
Транзистори	Kн = Ркф / Ркmax Ркф – фактична потужність, що розсіюється на колекторі Ркmax - максимально допустима потужність розсіювання на колекторі.	0,5	0,2
Діоди	Kн = Iф / Imax I – фактично випрямлений струм Imax - максимально допустимий випрямлений струм.	0,5	0,2
Конденсатори	Kн = Uф / Uн Uф - фактична напруга Uн - номінальна напруга конденсатора.	0,7	0,5
Резистори	Kн = Рф / Рн Рф- фактична потужність розсіювання Рн - номінальна потужність.	0,6	0,5
Трансформатори	Kн = Рф / Рн Рф- фактична потужність Рн - номінальна потужність.	0,9	0,7
З'єднувачі	Kн = Iф / Imax	0,8	0,5

Для розрахунку надійності сигнатурного аналізатора складаємо зведену таблицю 2.2. Таблиця заповнюється по колонках в порядку виконання дій.

На підставі аналізу принципової схеми сигнатурного аналізатора визначаємо групи однотипних елементів.

У першу колонку таблиці заносяться найменування елементу, його тип визначається за схемою і заноситься в другу колонку. Кількість однотипних елементів у групі заноситься в третю колонку.

Інтенсивність відмов елементів у номінальному режимі визначаємо по довідниковій інформації [8, 9] та заносимо у четверту колонку.

Сигнатурний аналізатор призначений для діагностики електронних цифрових систем та пристроїв. Він працює в опалювальному приміщенні і не має потужних транзисторів та інших елементів з сильним температурним виділенням. Тому як температура довкілля може бути вибрана середнє значення температури всередині блоку. Для більшості малопотужних напівпровідникових та цифрових пристроїв вона не перевищує 40 С.

Далі визначається коефіцієнт впливу , що показує, як впливає на інтенсивність відмов оточуюча елемент температура у зв'язку з коефіцієнтом навантаження. Коефіцієнти навантаження визначаємо враховуючи рекомендації в таблиці 2.1. Значення коефіцієнту впливу знаходимо по довідниковій інформації [8] та заносимо у п’яту колонку таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 – Зведена таблиця розрахунку надійності

Найменування елементу	Тип елементу	К-ть елементів j -го типу nj, шт	Інтенсивність відмов у номінальному режимі λ0j 10-6, 1/год	Поправочні коефіцієнти	Інтенсивність відмов еле-ментів j -го типу з ураху-ванням умов експлуатації
1	2	3	4	5	6
Мікросхеми	Середньої ступені інтеграції	20	0,019	1,0	0,38
Резистори		18	0,04	0,8	0,576
Конденсатори	Керамічні	17	0,15	0,5	1,275
	Електролітичні	1	0,5	0,9	0,45

Продовження табл 2.2

1	2	3	4	5	6
Оптичні елементи	Світлодіод	1		1,0	1
	Семисегментні напівпровідникові індикатори	4	0,38	1,0	1,52
Елементи комутації	Мікроперемикачі	3	0,11	1,0	0,33
	Кнопки	1	0,07	1,0
З'єднувачі	Малогабаритні прямокутні для друкованого монтажу	44	0,02n	-	0,88
Плата	Друкована	1	0,1	-	0,1
Пайка	Друк. монтаж	478	0,003	-	1,434
Інтенсивність відмов усієї схеми сх =7,015

Сигнатурний аналізатор експлуатується в лабораторних умовах, тому поправочні коефіцієнти K₁,K₂,K₃, що враховують дію механічних факторів, вологості та тиску повітря, дорівнюють 1.

Для визначення інтенсивності відмов елементів використовуємо формулу (3.5), одержані результати заносимо в шосту колонку таблиці 2.2.

Підсумовуючі усі значення колонки 6, отримуємо значення інтенсивності відмов всієї схеми λ_cх.

Тоді середній час напрацювання на відмову

Тср=1/λ_cх = 0,142 (год.)

Графік ймовірності безвідмовної роботи схеми наведено на рисунку