книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

8 г л а в а

НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

8.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Споявлением сложных электронных систем, таких,

как электронные вычислительные машины, управляющие устройст­ ва космических аппаратов и т. д. проблеме надежности стали уде­ лять большое внимание. Надежность — свойство прибора, обус­ ловленное, главным образом, его безотказностью в течение опре­ деленного времени. Количественно надежность определяется веро­ ятностными характеристиками и параметрами.

Отказ — полная или частичная утрата работоспособности при­ бора. Различают несколько типов отказов:

—полный отказ, при котором использование прибора по на­ значению невозможно. Полные отказы обычно наступают внезап­ но в результате значительного скачкообразного изменения одного или нескольких основных параметров, например, перегорания нити накала элёктронной лампы, пробоя перехода в транзисторе и т. д.;

—постепенный (частичный) отказ, возникающий в результате постепенного 'изменения одного или нескольких основных парамет­ ров. Поскольку величина ухода параметра прибора, вызывающего - отказ аппаратуры, зависит от схемы устройства, это позволяет ча­ стично 'использовать прибор в другом устройстве, где на отклонив­ шийся от нормы параметр наложены меньшие ограничения.

Один из основных критериев надежности — вероятность безот­

казной работы p(t) прибора — определяется вербятностью того, что в пределах заданной продолжительности работы t отказ не возник­

t — q(t) есть противоположное событие, следовательно,

( 8 .2)

350

Интенсивность отказов X(t) — условная плотность вероятности отказа в момент времени t при условии, что элемент до этого мо­ мента работал безотказно, определяется выражением

мацию о способности устройства функционировать безотказно, по-

—нормальная эксплуатация (Гп—Тя), когда интенсивность от­ казов остается практически постоянной или медленно уменьшается;

—износ (старение), когда начинают сказываться постепенные.- отказы.

35L

Наиболее общим для вероятности безотказной работы является закон распределения Вейбулла: р(7)=ехр(—Ao^“ ), Г>О, Ао>0, а>0. Иінтеисивноість отказов, полученная по ф-ле (8.4), А.(t) = =АосДа_1. При этом, если а < 1 , то %(t) убывает с ростом t (О—ГП); если а = 1, то А(О=А0 (Гп— Т„); если а > 1 , то K(t) монотонно воз­ растает (t> Т и) (рис. 8.1).

Рис. 8.1. К выбору математической модели отка­ зов

Для периода нормальной эксплуатации характерны внезапные отказы с постоянной интенсивностью л0, что соответствует экспо­ ненциальному распределению вероятности безотказной работы:

которая хорошо согласуется с действительной надежностью.

Для нзносовых отказов часто в качестве математической моде­ ли используется нормальное распределение случайного момента отказа:

Это распределение зависит от двух параметров: средней долго­ вечности ТсаТйр и дисперсии D(t) —о2 Средняя долговечность Гср определяется как интервал времени, в течение которого отказывает половина из работавших элементов при условии, что их первона­ чальное число велико. Для отыскания подходящей математической модели отказов и параметров этой модели А, Тср, D(t) и т. д. необ­ ходимо проводить испытания элементов на надежность и по экспе­ риментальным результатам подбирать модель и ее параметры. Па­ раметры, вычисленные на основании конечного числа выборочных данных, случайны, и возможны неточные оценки. Для получения достоверных результатов число испытываемых элементов должно быть велико. Гарантированная долговечность Ту определяется как

время, в течение которого исправно проработает не менее у% при­ боров из партии, подвергнутой испытанию. Этот процент у назы­ вается годностью и является критерием гарантированной долговеч­ ности. Если распределение отказов подчиняется экспоненциально-

352

Эти формулы отражают связь между гарантированной долго­ вечностью и интенсивностью отказов для двух значений уі = 90% и 72 = 99%. Гарантированная долговечность Ту отмечена на рис. 8.L Она обычно ближе к Тт поэтому прибор еще длительное время имеет низкую интенсивность отказов и в ряде случаев может экс­ плуатироваться в аппаратуре на протяжении (1,5-1-3) Т у . Числен­

ное же значение Ту зависит от режима испытания, заданной год­ ности у и указывается в справочнике.

Индивидуальная долговечность может быть значительно боль­ ше Т из-за использования приборов в облегченных тепловых и

электрических режимах. При одной и той же величине гарантиро­ ванной долговечности и при разных значениях годности наиболее надежными в работе считаются те приборы, для которых прини­ мались более высокие значения годности (например, 98% по сравнению с 90% для другой партии).

Если время эксплуатации системы приближается к Т„, то для повышения надежности необходимо заменять элементы прежде, чем начнет сказываться их износ. Элементы, которыми заменяют неисправные, должны пройти приработку, чтобы надежность систе­ мы не ухудшалась из-за начальных отказов. Однако следует иметь в виду, что замене подлежат только те приборы, для которых ха­ рактерно резкое возрастание интенсивности отказов после времени Тп (рис. 8.1). К полупроводниковым приборам это не относится.

Предельно допустимые параметры указываются в справочнике на данный вид прибора. Надежность прибора резко снижается, ес­ ли превышаются его предельно допустимые параметры. Задаются предельные электрические параметры, например, максимально до­ пустимые напряжения на аноде, экранирующей сетке, катоде ламп» минимальное и максимальное напряжения накала, максимально допустимые напряжения на переходах транзистора и диода и т. д. Кроме того, указываются предельные климатические и механиче­ ские параметры; допустимая влажность и температура окружаю­ щей среды, допустимые ускорения при вибрации и ударах и т. д.

Для увеличения надежности элементов для них следует выби­ рать облегченные электрические и тепловые режимы, защищать приборы от климатических воздействий герметизацией, а от меха­ нических — амортизацией. Второй способ повышения надежно­ сти'— дублирование элементов путем параллельного, параллельно­ последовательного й т. д. включения.

8.2.НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

ИЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК

Надежность работы электронных приборов зависит or технологии изготовления, рабочего режима и условий их эксплуа-

353.

тации. Основными числовыми характеристиками, определяющими надежность этих приборов, являются: интенсивность отказов К или величина средней наработки на отказ т, которая при Ло=const равна п г — І/Хо, а также гарантированная долговечность. При опре­ делении долговечности учитываются как внезапные, так и постепен­ ные отказы, причем соотношение между ними меняется с увеличе­ нием времени эксплуатации, как показано на рис. 8.2 для ламп

Рис. 8.2. Зависимость интенсивности отказов прибора от времени его эксплуатации

«октальной серии. Параметр, по которому судят о постепенном отка­ зе, зависит от типа прибора. Отказом считают изменение парамет­ ра более, чем на 25—30% от номинального значения.

Для приемно-усилительных ламп чаще всего критерием долго­

электронно-лучевых трубок долговечность определяется по умень­ шению яркости свечения экрана, разрешающей способности или скорости записи, а также по увеличению ширины сфокусированной линии, величины модулирующего напряжения, времени воспроиз­ ведения сигнала и т. д.

Все возможные причины отказов электровакуумных приборов перечислить невозможно. Одна из основных причин отказа связана с выходом из строя катода вследствие его отравления газами, вы­ делившимися при перегреве электродов, или испарения оксидного слоя при перекале, ионной бомбардировке катода и т. д. Другие причины — это увеличение токов утечки между электродами из-за ухудшения междуэлектроідной изоляции, а также -ионноіго и тер­ моэлектронного токов сетки вследствие ухудшения вакуума и на­ пыления на нее атомов бария, испаряющихся с катода и т. д.

Из механических причин следует упомянуть: нарушение герме­ тичности баллона, разрушение нити накала, обрывы в цепях элек­ тродов, междуэлектродные замыкания, а также ухудшение крепле­

354

ния деталей и арматуры ламп при действии ударов и вибраций.. Наиболее устойчивы к действию вибраций лампы повышенной на­ дежности серии «В» и «К» (виброустойчивые). Это достигается дополнительным креплением катодного узла, траверз сеток и ано­ да, а также очень плотным прилеганием слюды к стенкам колбы. У ламп серии «К», кроме того, на некотором расстоянии от первых слюдяных пластинок установлены вторые, увеличивающие жест­ кость крепления элементов конструкции, что значительно повы­ шает вибростойкость. Длительная вибрация, как правило, на по­ рядок и более повышает интенсивность отказов.

Климатические условия: повышенная температура и влажность

режим прибора, что снижает его надежность. Повышенная влаж­ ность увеличивает утечки между электродами и может привести к замыканиям. Электронные лампы достаточно стойки к радиацион­ ному облучению.

' Для повышения надежности при эксплуатации электровакуум­ ных приборов желательно избегать предельно допустимых режи­ мов, но если необходимо использовать такие режимы, то следует

тельно слабее, причем увеличение интенсивности отказов с ростом Uа по отношению к номинальному значению Дао можно рассчитать по эмпирической формуле: А(Да.) ='Ао(Да/Дао/1,7 Изменение интен­ сивности отказов А при изменении напряжения накала £/н по отно­ шению к номинальному Дно, при котором Ао подчиняется приближен­ ной зависимости, <K('UH) =0,4Ао+0,6Ао(Дн/Дбо) 12-

Совместное действие теплового и электрического режима удоб­ но определять коэффициентом нагрузки Ки, который равен отноше­ нию суммы мощностей, рассеиваемых всеми электродами в данном режиме, к сумме номинально допустимых мощностей, рассеивае­ мых всеми электродами. При увеличении коэффициента нагрузки, надежность падает, т. е. надежность более мощных ламп, работаю­ щих в тяжелых режимах, меньше. Увеличение коэффициента на­ грузки на 30% от номинального сокращает долговечность в 40 раз.

При учете всех внешних факторов рассчитать увеличение А поотношению к номинальному значению Ао можно по эмпирической формуле: А=Ао (/І+а + 6), где а'учитывает отклонение напряжения накала, ab — температуру внешней среды и коэффициент нагрузки.

Для повышения надежности электровакуумных приборов необ­ ходимо соблюдать правила хранения и эксплуатации, а также ста­ билизировать режимы их работы. Особенно резко возрастает на­ дежность при стабилизации напряжения накала и выборе его на 2—3% ниже номинального. Облегченный режим также повышает надежность. Поэтому желательно использовать вместо одного кас-

355-

•када, работающего в перегруженном режиме, два в облегченном, несмотря на то, что выход из строя любого из каскадов приведет

.к отказу. Интенсивность отказов для электронных ламп в среднем »лежит в пределах: Л0=■ (■10~5н-10~6) 1/ч.

8.3. НАДЕЖНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

'В среднем надежность полупроводниковых приборов выше надежности электронных, поскольку интенсивность отказов у них на порядок меньше Яо~ ІО-7 1/ч. Надежность полупроводни­ ковых приборов можно повысить применением более совершенной -технологии и улучшением культуры производства.

В отличие от электровакуумных, полупроводниковые приборы -чувствительны к электрическим перегрузкам, даже .кратковремен­ ным, исчисляемым долями секунды. Кратковременные перенапря­ жения на эмиттерном и коллекторном переходах могут возникнуть во время переходных процессов в схеме и вывести прибор из строя. ^.Поэтому необходимо предусматривать защиту от этих перегрузок.

Если коэффициент нагрузки превысит критическое значение Днкр, определяемое как Л'Ні;р = ехр{—•3(7'0—25)/(Тт —25)}, где Г о - температура среды, а Тт — максимально допустимая температура прибора, указанная в технических условиях, то интенсивность от­ казов резко возрастет. Особенно заметно с повышением температу­ ры растет обратный ток / 0бР, ДоНаоборот, уменьшение коэффици­ ента нагрузки по отношению к номинальному в два раза уменьша­ ет интенсивность отказов в среднем в пять раз. Для повышения на­ дежности полупроводниковых приборов необходимо их эксплуати­ ровать в облегченных режимах. Постепенные отказы обусловлены в основном изменением поверхностных физических явлений под

. влиянием температуры и влажности и зависят от ряда других при­ чин. Параметрами, по которым чаще всего классифицируют посте­ пенные отказы, являются: обратные токи Дбр, -До, коэффициент пе­ редачи тока, уровень собственных шумов и т. д.

Полупроводниковые приборы значительно надежнее электрова­ куумных при действии вибраций, ударов и больших ускорений. Нейтронное облучение вызывает стойкие изменения характеристик и разрушение электронно-дырочных переходов, а у-облучение при­ водит к временному увеличению обратных токов и токов утечки. Радиация сильнее влияет на приборы, работающие на неосновных носителях. Следовательно, туннельные и обращенные диоды радиационно более стойки, чем обычные, транзисторы. Приборы, изго­ товленные из материала с большей шириной запрещенной зоны, радиационно более стойки. Чрезмерное увеличение интенсивности радиации может разрушить кристаллическую решетку 'Материала и

вывести прибор из строя.

Долговечность полупроводниковых приборов составляет тысячи часов и экспоненциально уменьшается с ростом тепловой мощно­ сти рассеяния на переходах.

356

Для повышения надежности полупроводниковых приборов; сле­ дует:

—при их пайке руководствоваться указаниями, приведенными

всправочнике по полупроводниковым диодам и транзисторам?

—при расчете схем не допускать предельных электрических режимов, а по возможности использовать облегченный на 3Q—50%;

—обеспечить нормальный тепловой режим;

—хорошо герметизировать приборы и не эксплуатировать их при повышенной влажности.

Надежность ионных приборов с накаленным катодом, как и большинства электровакуумных приборов, определяется в ос­ новном работоспособностью катода. У приборов с холодным като­ дом долговечность ограничивается катодным распылением — выле­ том атомов и молекул материала катода при ионной бомбардиров­ ке. Это разрушает катод. Распыляемые частицы поглощают газ, что при малом запасе газа в баллоне изменит характеристики при­ бора из-за уменьшения давления. Уменьшить катодное распыление можно подбором материала катода, а также состава и давления газа, заполняющего баллон. Напыление материала катода на изо­ ляторы может вызвать токи утечки, если не принять специальных конструктивных мер. Для каждого прибора можно подобрать та­ кой режим работы, когда катодное распыление минимально. Дол­ говечность особенно уменьшается, если значения анодного тока превышают предельно допустимые.

Случайные отказы тиратронов обусловлены изменением, глав­ ным образом, поверхностных свойств катода, что приводит к скач­ кообразному изменению напряжения отпирания. Наибольшие из­ менения поверхностных свойств катода наблюдаются при хранении и перерывах в работе. Поэтому после длительного хранения ионных приборов необходимо предварительно восстановить поверхностные свойства катода путем тренировки. Во время тренировки прибор работает с номинальным анодным током и катод очищается током разряда.

В качестве критериев годности при.определении долговечности приборов могут быть использованы следующие; увеличение напря­ жения зажигания, падение напряжения между анодом и катодом, падение напряжения в импульсе, напряжение стабилизации, напря­ жение зажигания по сетке. Для декатронов таким параметром яв­ ляется коэффициент пересчета.

Интенсивность отказов у ионных приборов с накаленным като­ дом Ао~ ІО-5 1/ч, а с холодным — Я0~!ІО_ві1/ч. Пассивные элементы имеют интенсивность отказов Яо= 109-Н І0 8,1/4.- Следует иметь-в ви­ ду, что данные об интенсивности отказов, полученные путем спе­ циальных испытаний на надежность, обычно на одиш два порядка ниже данных, полученных на основе их эксплуатации в аппаратуре.

357

П р и л о ж е н и е

СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Y 113—К ц + Ki21+ K2n + K221—К ц 2

Y 123= —Km—K211= -- Kii2 —- Кі22

Kl3 = —K„, —К 121= - "Кц2 —■ K2i2

Y 223= Kill = К ц 2+ K222+ К 122+ K2i2 ■

П р и м е ч а н и е .

Третий индекс в обозначении параметра указывает схему включения усили­

< 3 -