книги из ГПНТБ / Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения

40—50ЭС и превышения температуры перехода 10—20°С), равного

Если средний срок службы транзистора при температуре Ту обоз­ начить Ьъ то при температуре Т2

Если за срок службы транзисторов Гсл принять время от нача­ ла испытаний до начала интенсивной деградации параметров, то при температуре 115°С он будет равен 300—400 ч, а при 60°С со­ ставит 95—120 тыс. ч [2]. Допустим, что найденная зависимость срока службы транзисторов от температуры справедлива в интер­ вале температур вплоть до комнатной. Тогда при 25°С L = 6-Ь -Ь8 1млн. ч.

Точки начала интенсивной деградации параметров в определен­ ной мере характеризуют срок службы транзисторов по старению при заданной температуре, хотя фактический срок службы их зави­ сит от принятого допуска на изменение данного параметра (крите­ рия отказов). В зависимости от жесткости этого критерия срок службы транзисторов может быть значительно меньшим. Приве­ денные значения среднего срока службы транзисторов П13—П16 говорят об огромных трудностях, которые существуют при прове­ дении испытаний в интервале низких температур. Долговечность современных транзисторов еще выше. Поэтому для получения за-

Рис. 19. Интегральные кривые распределения изменений / ко в партиях транзи­ сторов П13—П16 для различных времен хранения и температур

30

Рис. 20Интегральные кривые распределения абсолютных значений 1К0 в пар­ тиях транзисторов П13—-П16 для различных времен хранения и температур

конов старения необходимы ускоренные испытания с последующей хотя бы приближенной экстраполяцией их результатов к нормаль­ ным рабочим условиям. Из выражения (32) следует, что интен­ сивность старения транзисторов П13—П16 по параметру В при хранении в исследуемом интервале температур изменяется в 2,8 раза на каждые 10°С изменения температуры.

Изменение структуры поверхности перехода транзистора приво­ дит не только к изменению коэффициента усиления, но и к еще большему изменению обратных токов коллекторного /ко (рис. 19) и эмиттерного /эо переходов. Кривые рис. 20 позволяют судить о конечных значениях /ко, достигнутых в процессе старения.

Как видно из рис. 21, значение /к0 у транзисторов при старении может значительно превосходить нормы технических условий на них, что необходимо учитывать при проектировании схем.

Общая интенсивность отказов транзисторов по параметрам В и /ко является функцией интенсивностей отказов по каждому из них. Если отказы по параметрам В и 1К0 независимы, то

Как отмечалось выше, при старении транзисторов происходит увеличение скорости поверхностной рекомбинации, что вызывает уменьшение В и увеличение /ко. Однако изменения, происходящие в процессе старения в поверхностном слое, приводят также и к уве-

31

личению токов утечек. Для транзисторов, у которых в процессе ста­ рения ток /ко увеличился в наибольшей степени, это происходит в основном за счет токов утечки.

Вычисление корреляционного отношения также показывает, что связь между изменениями В и /ко достаточно слабая. Корреляцион­ ное отношение г) возрастает с увеличением времени старения, наи­ большее т) свойственно транзисторам П13—П16 (не превосходит 0,33). Таким образом, для приближенных расчетов отказы по па­ раметрам /ко и В можно считать независимыми и полную интенсив­ ность отказов вычислять по выражению (37).

Аналогичные испытания на долговечность с электрической наг­ рузкой позволили определить зависимость интенсивности старения

''Р

где Ри — мощность при испытаниях.

Рис. 21. Интегральные кривые распределения / ко транзисторов, прошедших хра­ нение при температуре 115°С в течение 4100 ч

32

Учитывая, что испытания полупроводниковых приборов на хранение более просты п требуют меньших затрат, це­ лесообразно определить связь между результатами этих ис­ пытаний в режимах, более близких к реальным (т. е. с электрической нагрузкой).

Следует отметить, что про­ веденные испытания не пол­ ностью соответствуют реаль­ ным режимам работы транзи­ сторов, так как в устройствах автоматики и телемеханики транзисторы работают преиму­ щественно в режиме переклю­ чения: проведение испытаний транзисторов в. режиме пере­ ключения для -получения связи

с испытаниями на хранение представляет большие трудности. Это вносит определенные допущения при расчете надежности по ре­ зультатам испытаний.

Температура р-п перехода подсчитывалась по формуле

где Рк — мощность рассеяния на коллекторе;

Rnc — тепловое сопротивление между переходом и средой; Т — температура окружающей среды.

При некотором среднем значении i?nc ==0,2 град/мВт мощности 75 мВт соответствует температура перехода примерно 35-М0°С„

.мощности 180 мВт — 56^60°С, мощности 280 мВт — 76-^-80°С и мощности 320 мВт — 85-^90°С при Тс = 20-^25°С. Для сравнения влияния на процессы старения температуры хранения и электриче­ ской нагрузки построена усредненная кривая 1 (рис. 22) соот­ ношения мощности и температуры хранения, определяющих одина­ ковую интенсивность старения. Соотношение между мощностью и температурой определялось бы кривой 2, если бы старение явля­ лось функцией только температуры.

Как видно, в рассматриваемом диапазоне мощностей и соответ­ ствующих им температур старение происходит более интенсивнопри испытаниях с электрической нагрузкой, чем в случае хранения при температурах, определяемых выражением (42): кривая 1 рас­ положена выше кривой 2. Следовательно, при испытаниях с элек­ трической нагрузкой, кроме тепловых, одновременно действуют другие (электрические) факторы, ускоряющие процесс старения. Коэффициент ускорения с учетом нагрева, создаваемого рассеива-

ТРАНЗИСТОРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ СХЕМ

АВТОМАТИКИ И РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

§ 8. Расчет переключающихся схем с учетом допусков

Логические и другие элементы, используемые в электронных устройствах автоматического и телемеханического управления (ЭСА и ТУ) железных дорог, должны иметь высокую надежность и со­ хранять стабильными свои параметры при длительной непрерыв­ ной работе (15 — 20 лет и более).

В условиях железнодорожного транспорта системы ЭСА и ТУ во многих случаях могут работать в сложных климатических усло­ виях: при температуре окружающей среды от +65 до —50°С (на подвижном составе при наружной установке); при повышенной влажности и вибрации; в условиях, когда трудно обеспечить доста­ точно стабильные источники питания; при высоких уровнях помех, создаваемых силовым оборудованием и др.

Расчет схем следует производить, вводя необходимые допуски на разброс параметров полупроводниковых приборов и других эле­ ментов, на изменение напряжения питания и окружающей темпе­ ратуры с учетом требуемой помехоустойчивости и старения.

Обычно устойчивая работа элемента, узла схемы и др. сохраня­

Z i+Z1MaKc и т. д. Каждый из параметров Z зависит от параметров tji отдельных компонентов, входящих в схему:

где Z, yi — средние значения параметров.

Параметры yi могут отличаться от принятых средних значений вследствие производственного разброса, влияния внешних факто­

ров старения и т. д. на некоторую величину А«/{• Параметр Z при этом также изменяется на некоторую величину AZ:

При расчете схемы необходимо установить параметры г/г, при

которых величина Z-f-AZ не выходила бы за пределы допустимых значений.

Рассмотрим простейший случай, когда необходимо определить по граничному параметру Zrp один из аргументов у0= х в выраже­ нии (42), полагая, что другие величины г/г заданы либо определены из других независимых условий. К такому виду в результате реше­ ния системы уравнений в конечном итоге сводятся и другие более сложные случаи, когда число определяемых параметров х и гра­ ничных условий больше одного. Пусть

Zrp = Z + AZ = f( x + Ах, у7+ Ауи У2 + Ау2,...Уп + Ауп ) =

При расчете на наихудшее сочетание параметров величины Ягу* представляют собой граничные значения (наибольшее или наимень­

шие либо наименьшие значения определяющих параметров в наи­ худшем сочетании для определяемого параметра х. Недостатком его является некоторая трудность определения того, какую вели­

меньше критического значения. Поэтому при положительной про­

ставляется при отрицательной производной, a S j> l — при положи­ тельной.

При двусторонних ограничениях параметра Z в рассчитывае­ мой схеме величину х определяют отдельно для ZMHн и ZManc, полу-

36

чая соответственно xZmm и ломаке Полагая отклонения Ayi относи­ тельно параметра г/г симметричными, расчетное значение хр целе­ сообразно определять как

Можно воспользоваться другими методами расчета, в которых параметр х= у0 определяется по величине допустимого (предельно­ го) отклонения AZ определяющего параметра Z. Если известна ве­ личина AZ, то расчетное значение параметра может быть определе­ но как

Zр —Zrp. мин 4“ AZ, ИЛИ Zp = Zrp. макс AZ.

Тогда решение может быть найдено в виде

хр = ф (Zrp; AZ; ур у2; •••; Уп).

Так как Zrp, уь у2,..., Уп — величины известные, то необходимо определить AZ. Полагая Дуг<Суг, разложим выражение (42) в ряд Тейлора и, пренебрегая членами второго порядка малости, согласно, например [3], получим

фициенты, определяющие роль каждой из составляющих Дуг в фор­ мировании величины AZ. Если известны Дуг, то величину AZ можно определить методом наихудшего сочетания изменений либо наиболее вероятного (или маловероятного) сочетания изменений, а также по за­ данной вероятности Р появления изменения AZ.

При гипотезе наихудшего сочетания изменений все составляющие At Ayt суммируются независимо от знака Лг и Ду-г:

37

При гипотезе наиболее вероятного сочетания изменений (или ма­ ловероятного, если принять отклонение параметра ЗАZ)

Изменения Дуг отдельных составляющих уг в свою очередь зави* сят от ряда причин: производственного разброса, зависимости от тем­ пературы, старения и др. Здесь также может быть использована гипотеза наихудшего сочетания изменений

или гипотеза наиболее вероятного сочетания

Весовые коэффициенты А ц могут быть определены аналогично рассмотренному, если известна функциональная зависимость у/ от воз­ действующих факторов. Величины Дуг в некоторых случаях могут быть заданы производственными допусками б,. Тогда

При расчете на заданную вероятность р появления отклонения АЕр необходимо определить математическое ожидание величины

Z и среднеквадратическое отклонение az. Приближенно за мате­ матическое ожидание величины Z может быть принято соотноше­ ние (42). Среднеквадратическое отклонение <тz может быть опре­ делено, если известны аУи определяющих параметров ур

Приближенно величина az может быть определена по выраже­ нию (49). При достаточно большом числе п случайных составляю­ щих уг случайной величины Z закон распределения Z согласно цен­ тральной предельной теореме приближается к нормальному. Поэто­ му, воспользовавшись таблицей для функции нормального распре­ деления Фо(х), находят квантиль хр, соответствующий заданной вероятности Р. Далее, зная математическое ожидание Z и среднеквадратическое отклонение az, можно найти отклонение AZP, соот­ ветствующее заданной поверхности Р.

Так как

то ДZ p = хрaz .

38

При расчете на заданную вероятность появления отклонения AZ следует учитывать наложенные ограничения: я —должно быть доста-

ДZ и Дtji для наиболее вероятного случая в формулы (49), (51) и (53) не следует вводить параметры уг, связанные с изменением температуры и напряжения питания. Эти величины после вычисле­ ния наиболее вероятных отклонений других составляющих целесо­ образно учитывать по методу наихудшего сочетания, так как для одного и того же элемента с любым сочетанием других составляю­ щих (производственный допуск, старение и др.) изменения от тем­ пературы и напряжения могут с большой вероятностью встречать­ ся в любых комбинациях, включая и наихудшую.

При расчете на заданную вероятность приходится считаться с тем, что существует определенная (хотя, возможно, и приемлемая) вероятность того, что отдельные экземпляры могут оказаться за­ бракованными уже в процессе производства, при испытаниях и, что еще хуже, в определенных условиях эксплуатации. В некоторых случаях требуются дополнительные меры при приемочных испы­ таниях.

Применение методов на наихудшее сочетание параметров, либо отклонений при наличии входного контроля обеспечивает 100-про­ центный выход годной продукции (по рассмотренным критериям). Расчетные соотношения проще, чем при расчете на заданную ве­ роятность.

Вероятность безотказной работы (либо отказа) здесь учиты­ вается по вероятностям, для которых были определены наихудшие

§ 9. Логические схемы для систем ЭСА и ТУ

Как известно, любые логические операции могут быть выпол­ нены с помощью трех простейших «И», «ИЛИ», «НЕ». Эти же опе­ рации могут также выполняться с помощью операции «И-НЕ» (элемент И-НЕ, рис. 23, а) «ИЛИ-HE» (элемент ИЛИ-НЕ,

рис. 23, б).

39