книги из ГПНТБ / Князев А.Д. Элементы теории надежности радиоэлектронной аппаратуры учеб. пособие

Учитывая указанные вероятности, рассмотрим различ­ ные случаи постоянного резервирования соединением двух однотипных элементов.

Пусть однотипные и равнонадежные элементы, каждый из которых обладает надежностью по обрывам и короткому замыканию соответственно Лібр и Pit 3 , соединены по элек­ трической схеме параллельно (рис. 35,а). Для отказов типа

Оснобной

элемент

ГГЛ

РезерЗ

а)

Рис. 35. Схема надежности для параллельного электрического сое­ динения элементов

обрыв схема надежности также параллельная (рис. 35,6), поскольку при отказе одного из элементов цепь между точ­ ками АБ остается работоспособной. Для отказа типа к.з. резервирования нет и схема надежности является последо­

типа к.з. снижает общую надежность цепи, поскольку до­ статочно выйти из строя только одному из двух равнонадежных элементов.

По признаку отказа типа обрыв в параллельной элек­ трической схеме (параллельная схема надежности рис. 35,6)

По признаку отказа типа к.з. в параллельной электричес­ кой схеме (последовательная схема надежности рис. 35,<?) надежность цепи

диненных в целях резервирования по электрической схеме параллельно,

70

Рассмотрим теперь последовательную электрическую схему соединений из двух однотипных и равнонадежных элементоз (рис. Зб,а). Для отказов типа обрыв такая цепь не обладает резервом и, следовательно, ее схема надежно­ сти может быть представлена последовательным соедине­ нием (рис. 36,6). Для отказов типа к.з. в цепи обеспечено резервирование и, следовательно, ее схема надежности па-

Рис. 36. Схема надежности для последовательного электрического соеди­ нения элементов

раллельная (рис. 36,#), поскольку отказ одного элемента не нарушает работоспособность цепи.

По признаку отказа типа обрыв в последовательной электрической схеме надежность цепи

Р1 — Р2

гпослед — 'обр' обр '

По признаку отказа типа к.з. в последовательной элек­ трической схеме надежность цепи

К 3

Следовательно, общая надежность двух элементов, сое­ диненных в целях резервирования по электрической схеме последовательно.

Сравнивая между собой схемы резервирования (рис. 35,а и 36,а), можно сделать вывод, что если у каждого из эле­ ментов

>PoSp,

то электрическая схема соединения должна быть параллель­ ной и, если у каждого из элементов

К 3,

то электрическая схема соединения должна быть последо­ вательной.

71

Таким образом, для правильного выбора схемы резерви­ рования необходимо знать величины Рк 3 и Р0бр элементов. Метод их определения покажем на следующем примере.

Пусть при испытаниях партии некоторого типа элемен­ тов на надежность в течение 1000 часов была установлена

дежность ниже надежности одного элемента РЭл- Для того чтобы надежность этих схем была бы выше РЭл> необходи­ мы определенные зависимости между Р к 3 и Р0бр элемента.

Так для параллельного соединения элементов должно соблюдаться условие

(2Р0бр — Р2обр)Р2к з>Рэл-

72

причем, чем больше это неравенство, тем более высокую надежность можно реализовать при параллельной схеме ре­ зервирования.

Рассуждая аналогично в отношении последовательной

больше, чтобы повысить эффект резервирования.

Описанные схемы резервирования обеспечивают дубли­ рование элементов. Однако не представляет труда распро­ странить такой же метод анализа и на случай многократно­ го резервирования однотипными элементами. Примером мо­ жет служить параллельное соединение нескольких резисто­ ров, величины сопротивлений которых выбираются так, чтобы сумма их проводимостей равнялась требуемой вели­ чине. Число резисторов выбирается таким, чтобы перегора­ ние (обрыв) одного из резисторов (отказы типа к.з. у ре­ зисторов практически отсутствуют) изменяло общую вели­ чину сопротивления в пределах установленного допуска, т. е. чтобы схема при этом оставалась работоспособной.

При выборе метода, режима и схемы поэлементного резервирования необходимо учитывать конкрентные усло­ вия работы радиоэлектронного устройства. Так, например, важным фактором может явиться необходимость профилак­ тического контроля работоспособности устройства, посколь­ ку увеличение числа элементов из-за резервирования ус­ ложняет контроль и увеличивает как продолжительность профилактики, так и затраты на обслуживание. Особенно усложняется контроль при раздельном резервировании эле­ ментов. Например, в самолетной аппаратуре, как правило, ограниченной габаритами, общее дублирование ответствен­ ного блока позволяет проверить перед полетом исправность основного и резервного блоков за сравнительно короткое время. При раздельном дублировании элементов того же блока проверить исправность элементов перед каждым по­ летом практически невозможно. Поэтому поэлементное дублирование оказывается здесь нецелесообразным, несмот­ ря на очевидный выигрыш в надежности.

Касаясь вопроса резервирования систем одноразового и многократного действия, отметим, что подход к резервиро-

73

Г л а в а 5

НАДЕЖНОСТЬ ТИПОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Типовые элементы — резисторы, конденсаторы, транзис­ торы, электровакуумные и полупроводниковые приборы, реле, трансформаторы и пр. — являются полуфабрикатами для изготовления различной радиоэлектронной аппаратуры. Надежность сложных устройств прежде всего определяется надежностью типовых элементов.

Типовые элементы выпускаются специализированными предприятиями как серийная и массовая продукция. Номи­ нальная величина их надежности зависит от свойств и ка­ чества материалов, технологии производства и ряда других факторов. Для многих типовых элементов теперь известен параметр À, который указывается в справочных материалах или в ТУ на элементы. Параметры постепенных отказов ти­ повых элементов, т. е. пределы изменения их электрических характеристик из-за старения и износа в функции време­ ни, в ТУ не указываются, что объясняется сложностью оп­ ределения таких данных.

Применение типовых элементов в аппаратуре допустимо лишь при соблюдении определенных правил, основные из которых проверены практикой. Важнейшим правилом яв­ ляется обеспечение соответствия между требованиями ТУ на элементы и на аппаратуру. Требования ТУ на элементы должны выполняться при любых условиях применения эле­ ментов при их хранении, монтаже и эксплуатации. Не долж­ ны допускаться ситуации, при которых нагрузки на элемен­ ты превосходят нормы ТУ на них. Возможные отклонения от норм ТУ, если это необходимо по каким-либо причинам, должны быть согласованы с предприятием-изготовителем элемента, чтобы гарантировать определенную величину на­ дежности последнего.

75

Другим правилом применения типовых элементов яв­ ляется обеспечение их режимов с определенным запасом по электрическим, тепловым, механическим и другим нагруз­ кам. При соблюдении этого правила «запасы прочности» типового элемента реализуются в эксплуатации в виде по­ вышения надежности его работы. Поэтому неправильным является стремление конструктора «выжать» из типовых элементов максимум возможного путем использования пре­ дельных режимов.

Для правильного определения режимов типовых элемен тов важно выбирать их коэффициенты нагрузок, под кото­ рыми понимаются отношения фактических рабочих величин данного вида нагрузки на элемент к величинам номиналь­ ной нагрузки, допускаемой нормами ТУ. Следует различать коэффициент нагрузки Кп по электрическому режиму, теп­ ловому режиму, режиму механических воздействий и пр. Так, например, для электрической нагрузки конденсатора

где №раб — фактически рассеиваемая мощность на резисторе; ^иом — номинальная рассеиваемая мощность.

Для случая тепловой нагрузки тот же коэффициент мо­ жет определяться по значениям температуры. Так, напри­ мер, для транзистора

инапряжения на коллекторе.

Вправильно сконструированной аппаратуре Кн каждого элемента должен быть меньше единицы (рекомендуется от 0,4 до 0,8) и только в отдельных случаях, когда это сущест­ венно влияет на параметры устройства, приближается к

единице как, например, в случае мощных генераторных

76

Иногда понятие о коэффициенте нагрузки связывают с понятием о коэффициенте запаса по нагрузке £3, подразу­ мевая под ним

Для сравнительной оценки влияния режима ТИПОЕОГО элемента на надежность по внезапным отказам часто поль­ зуются графиками относительного изменения интенсивно­ сти внезапных отказов

где %І — интенсивность отказов типового элемента в режиме, отличающемся от номинального;

%ІО — интенсивность отказов того же элемента в номи­ нальном режиме;

Ф — значение параметра, характеризующего режим эле­ ментов.

Графики таких зависимостей могут быть представлены семейством кривых, выражающих относительное изменение величины À типового элемента от совместного действия различного рода нагрузок. К примеру, на рис. 37 приведе­ ны такого рода графики для резисторов типа МЛТ, где в качестве параметра ф, характеризующего режим элемента, дана температура окружающей среды °С, и в качестве па­

тора при различных режимах совместного действия элек­ трической и тепловой нагрузки, необходимо знать величину

В настоящем пособии не представляется возможным рас­ смотреть особенности применения всех типовых элементов или хотя бы основных из них, поскольку число их велико. В качестве примеров рассмотрим лишь некоторые особен­ ности применения электровакуумных и полупроводниковых приборов, отметив факторы, способствующие повышению надежности работы этих приборов в условиях эксплуата­ ции. Кстати, эти примеры иллюстрируют общий метод

77

применения типовых элементов, которыми следует руковод­ ствоваться в целях повышения надежности их работы.

Электровакуумные приборы (ЭВП) являются наименее надежными из типовых элементов. По сравнении с другими типовыми элементами ЭВП в наибольшей степени приво­ дят к отказам радиоэлектронной аппаратуры.

Рис. 37. Относительная интенсивность отказов 'резисторов типа МЛТ в за­ висимости от температуры окружаю­ щей среды при различных коэффи­ циентах нагрузки /Сп

Типичными причинами внезапных отказов ЭВП являют­ ся замыкание между электродами, обрывы и перегорание нити накала, трещины баллонов и пр. Установлено, что по внезапным отказам ЭВП чаще выходят из строя в аппарату­ ре, подверженной механическим нагрузкам, например, в самолетной.

Типичными причинами постепенных отказов ЭВП яв­ ляется ухудшение параметров за пределы допусков норм ТУ вследствие снижения эмиссии катода, натекания газа и пр. В неправильно сконструированной аппаратуре возмож­ ны случаи постепенных отказов даже при условии, что

78

ухудшение параметров ЭВП еще не привело к их выходу за допуски норм ТУ. Аппаратура, в которой правильно рас­ считаны режимы типовых элементов, применены отрица­ тельные обратные связи, имеются запасы по коэффициен­ там нагрузки на элементы и пр., может не иметь постепен­ ных отказов даже, если параметры ЭВП начинают выхо­ дить за пределы допусков норм ТУ.

Из различных типов ЭВП наиболее ненадежны генера­ торные и мощные усилительные приборы, которые часто используются в режиме с Ки, близким к единице. Более на­ дежны ЭВП приемноусилительного типа, среди которых есть серии повышенной надежности.

Отказ ЭВП определяется двумя основными причинами: низким качеством изготовления и тяжелыми условиями экс­ плуатации. В последнем случае существенную роль могут сыграть режимы ЭВП, неправильно выбранные конструкто­ ром аппарата.

Низкое качество ЭВП может объясняться нарушением технологических процессов, применением материалов с не­ удовлетворительными характеристиками и в некоторых слу­ чаях неотработанной конструкцией ЭВП. Дефекты часто оказываются скрытыми и не обнаруживаются контролем производственных операций. Поэтому правильно вводить «приработку» ЭВП до их поставки потребителю, что и де­ лают некоторые заводы изготовители ЭВП.

При создании ЭВП повышенной надежности (виброус­ тойчивая серия В, долговечная серия Е и серия высокой виброустойчивости К) были усовершенствованы и конст­ рукция и технология производства ЭВП. Конструкция электродной системы была сделана более жесткой с допол­ нительным креплением электродов. Усовершенствование технологии производства заключалось в более точной сбор­ ке электродной системы под микроскопом, применении вы­ сококачественных материалов, улучшении вакуумной гигие­ ны и более тщательном контроле сравнительно с производ­ ством обычных ЭВП.

Для повышения надежности ЭВП их режимы — элек­ трические и тепловые — должны устанавливаться конструк­ тором с учетом влияния всех факторов, характерных для ре­ альных условий эксплуатации.

Режим нахальной цепи. Во многих типах ЭВП приме­ няются оксидные катоды, в которых могут проявляться про­ цессы активации и дезактивации. Активация — эго увели-

79