книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdfДля большинства расчетов и оценки надежности приборов СВЧ целесообразно пользоваться интенсивно стью отказов (ламбда-характеристикой), заведомо при нимая ее как усредненную ориентировочную величину за определенный интервал времени.
Из выражений (7.6) и (7.8) видна связь надежности приборов с их сроком службы, который наиболее пра
вильно отождествить со 'статистической |
величиной ТСр- |
В действующих технических условиях |
на электрон |
ные приборы СВЧ введено понятие долговечности при боров. Требование долговечности и испытание на долго вечность характеризуют свойства приборов продолжи тельно работать в определенных испытательных режи мах. Обычно вводят среднюю долговечность и оценива ют ее процентом годности. Процент годности вычисляют как отношение суммы часов «горения» приборов к ма ксимально возможному числу горения приборов, опре деляемых заданной долговечностью на прибор.
|
2 "А |
|
^ л |
Ь -1 0 0 ”/»- |
(7-9) |
где No— число испытанных приборов; |
в ЧТУ; |
|
D — долговечность |
прибора, оговоренная |
п — число приборов, выдержавших испытание в те чение времени U, не ухудшив свои параметры за пределы норм, установленных в качестве критериев долговечности.
Рассматривая, например, импульсные магнетроны, необходимо отметить, что в качестве критериев долго вечности их служат отдаваемая мощность, стабильность работы и спектр генерируемых колебаний, которые не должны выходить за пределы специально установленных норм. Режим испытания магнетронов на долговечность строго регламентирован и поддерживается на протяже нии испытаний неизменным.
Из формулы (7.9) и определения долговечности сле дует, что по мере увеличения количества испытуемых образцов и приближения режима и условий испытаний к реальным условиям эксплуатации процент годности при испытании на долговечность все ближе отражает
320
эксплуатационную надежность магнетронов. В этом случае по результатам испытаний можно оценивать интенсивность отказов Я и среднее время безотказной работы Гср. Естественный ход статистических кривых
выхода |
из |
строя |
электродных |
приборов |
таков, |
что |
ГСр > D (рис. 7.1). |
|
|
|
|
||
Из |
приведенных |
на рис. 7.1 |
графиков |
следует, |
что |
|
имеется три |
характерных периода отказов |
приборов. |
|
Рис. 7.1. Типичные статистические зависимости процента годности и интенсивности отказов электронных приборов от времени (срока службы).
Период / характеризуется повышенной интенсивно стью отказов, связанной с проявлением скрытых техно логических недостатков приборов. Это так называемые ранние отказы, большинство которых выявляется в про цессе приработки (тренировки или периода стабилиза ции параметров) приборов при изготовлении. Основная часть этой области показана на рис. 7.1 заштрихован ной.
В начальный период закон распределения отказов более близок к логарифмичеокому нормальному [20].
Период II является основным установившимся пе риодом эксплуатации. В этот период имеют место слу чайные отказы за счет неподдающихся контролю про цессов в приборах. Интенсивность -отказов в течение
2 1 -1 2 4 |
321 |
периода // изменяется незначительно и на небольших участках может быть принята -постоянной, т. е. может быть «принят экспоненциальный закон распределения
отказов.
Период Ш отказов связан со старением приборов — постепенным ухудшением параметров приборов. В этот период действует нормальный закон распределения от казов
|
( '- г ср)я |
|
j » w = - 4 = е |
й’ • |
<7Л°) |
с V 2я |
|
|
Надежность электронных |
приборов |
закладывается |
в процессе их разработки и |
в сильной |
мере зависит |
от технологии -изготовления*и «примененных материалов. Существенное влияние на надежность -приборов оказы вает система контроля качества продукции, правила хранения и способы проверки исправности приборов в эксплуатационных условиях. Всем этим вопросам по священ ряд работ отечественных и зарубежных авторов [22-32].
Наконец, надежность приборов в аппаратуре зави
сит .от их применения и |
-правильности |
эксплуатации |
|
в аппаратуре. |
|
эксплуатацион |
|
Таким образом, достижение высокой |
|||
ной. надежности электронных приборов |
в |
аппаратуре |
|
есть результат комплексных |
усилий в -сфере разработ |
ки, изготовления и эксплуатации аппаратуры и прибо ров (рис. 7.2).
Рассмотрим более подробно воп-рос о влиянии режи мов работы и условий использования приборов на коли чественные характеристики надежности. Анализ свойств приборов при изменении режимов был проведен выше применительно к триодам СВЧ, импульсным магнетро нам, отражательным клистронам и ЛБВ. Количествен ное влияние электрических и тепловых режимов на на
дежность работы |
детально изучено |
применительно |
|
к приемно-усилительным лампам [22, |
23, 24, |
33—37]. |
|
Эти. результаты с |
приемлемым приближением |
могут |
быть распространены на маломощные триоды, отража тельные клистроны, лампы бегущей и обратней волны.
Так, для ориентировочных расчетов учета влияния на пряжения накала на интенсивность "отказов маломощ-
322
пых приборов с оксидным катодом можно воспользо ваться зависимостью
(7.11)
где X — интенсивность отказов при эксплуатации при боров с номинальным напряжением накала С/н; V — интенсивность отказов приборов при напряже нии накала И\ь изменяющемся в пределах 5—20% от номинального значения напряже
ния UH;
А0— коэффициент, имеющий определенное значение для различных конструкций приборов.
Рис. 7.2. Схема достижения и поддержания надежности электронных приборов (пунктиром показаны обратные связи, воздействующие на повышение надежности приборов
в эксплуатационных условиях).
Подобная эмпирическая зависимость для прираще ния интенсивности отказов -показана на рис. 7.3. Из это го графика видно, что наиболее высокая надежность приборов имеет место при небольшом недокале.
Для приборов с рассеиваемой мощностью на элек тродах порядка 1 вт интенсивность отказов зависит
21* |
323 |
от температуры окружающей среды, точнее температу ры корпуса (баллона), и может быть ориентировочно определена выражением
<7 л 2 >
где Я — интенсивность отказов при эксплуатации прибо ров с номинальным значением температуры бал
лона /бал»
Я' — интенсивность отказов при температуре балло
на ¥бал!
п — показатель, изменяющийся для различных зна чений мощности, рассеиваемой та аноде;
В— коэффициент, имеющий определенное значение для различных конструкций приборов.
Рис. 7.3. График приращения интен сивности отказов маломощных элек тронных приборов от напряжения накала.
Формула (7.12) справедлива для ламп со стеклян ным баллоном при температуре до 200—220° С. При тем пературе баллона свыше 220° С для обычных стекол на чинается электролиз, газовыделение и размягчение стек-
324
ла, что приводит к резкому понижению надежности (рис. 7.4).
Зависимость относительного приращения интенсивно сти отказов приборов в стеклянном баллоне от измене ния температуры окружающей среды для различных
W
Рис. 7.4. Зависимость вероятности без отказной работы маломощных стеклян ных ламп от температуры баллона.
значений мощности Р а, рассеиваемой на аноде, приве дены на рис. 7.5.
Для приборов с анодным напряжением до 500 в за висимость интенсивности отказов от изменения анодного напряжения может быть определена следующей прибли
женной формулой: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Х ' ъ С Х ^ у . |
|
|
(7.13) |
|||
где %— интенсивность |
отказов |
при номинальном |
анод |
||||
ном напряжении С/а; |
при |
анодном |
напряже |
||||
А/ — интенсивность |
отказов |
||||||
нии |
£/'а; |
|
изменяющиеся для |
различных |
|||
т и С — коэффициенты, |
|||||||
конструкций |
приборов |
(обычно т —1,5-4-2,5). |
|||||
Данная |
зависимость |
показана |
графически |
на |
|||
рис. 7.6. |
|
|
|
|
|
|
|
325
Следует отметить, что зависимости интенсивностей отказов приборов СВЧ от влияния режима и условий использования изучены недостаточно и нуждаются в до полнительных уточнениях, тем более что процесс повы шения надежности приборов идет весьма быстро. '
Стремясь получить наибольший -потенциал, мини мальные габариты, вес и потребляемую мощность, ииог-
Рис. 7.5. Графики приращения интенсивности отказов маломощных электронных ламп от температуры балло на при различных значениях мощности, рассеиваемой на аноде.
да не обращают внимания на необходимость облегчения режимов работы электронных приборов, из-за чего при •выпуске аппаратуры в больших количествах и продол жительной ее эксплуатации сталкиваются с недостаточ ной надежностью, повысить которую без существенных переделок аппаратуры бывает затруднительно.
На рис. 7.7 показаны качественные зависимости ха рактера изменения интенсивности отказов совокупности
приборов в различных режимах. |
ви |
В связи с этим целесообразно для различных |
|
дов приборов установить коэффициенты нагрузки |
или |
коэффициенты запасов по режиму, которые, не оказы вая заметного влияния на электрические параметры
сI \ °А'
Рис. 7.G. Графики приращения интенсивности отка зов от изменения анодного напряжения.
327
аппаратуры, приведут к заметному повышению надеж ности аппаратуры.
Например, коэффициент нагрузки 'по мощности, рас сеиваемой в приборе, можно определить как
|
|
|
|
|
|
(7.14) |
А |
|
|
|
|
|
|
где У Р*— сумма мощности, |
рассеиваемой |
в катодном |
||||
iti |
узле и на |
электродах |
прибора в аппаратуре; |
|||
V Р0г— сумма мощности, |
рассеиваемой |
в катодном |
||||
i=i |
узле и на электродах прибора в номинальном |
|||||
|
режиме, |
установленном техническими |
усло |
|||
|
виями на данный тип прибора. |
|
|
|||
Подобные же коэффициенты нагрузки можно ввести |
||||||
по анодному напряжению Ки , |
анодному |
току |
, |
|||
температуре |
баллона ^ 6йЛ и т- п- Считается, что прибо |
ры применяются в допустимых режимах, если указан ные коэффициенты меньше или равны единице.
Вопрос, который при этом возникает, смогут ли при боры в выбранных режимах работы обеспечить задан ную надежность на аппаратуру или блок? Для ответа на этот вопрос необходимо вычислить вероятность без отказной работы каждого прибора, входящего в состав аппаратуры или блока, а затем по правилам теории вероятностей вычислить вероятность безотказной работы аппаратуры или блока по формуле
п
/’(0 = П л - > |
(7.15) |
где pi — вероятность безотказной работы |
i-го прибора.. |
Эта операция достаточно сложна, и можно поступить значительно проще. Полагая закон распределения ин
тенсивности отказов экспоненциальным, |
получаем |
п |
|
/7(0 = е |
(7.16) |
328
Логарифмируя данное выражение и произведя про стейшие преобразования, будем иметь
2 я4 = _ 1 Е £ Ё . |
(7.17) |
/=1
Правая часть равенства вычисляется, исходя из тре бований, заданных на аппаратуру.
Сумма интенсивностей отказов элементов, входящих в состав аппаратуры или блока, вычисляется по данным интенсивности отказов на каждый тип прибора с по правками на режим и условия использования прибора.
Если приборы в аппаратуре или блоке применены одинаковые, то выражение (7.17) может быть перепи сано в виде
1 _ |
In/7(0 |
(7.18) |
|
|
где N — общее количество применяемых приборов. Упрощенно можно сказать: если в аппаратуре при
меняется N одинаковых приборов, имеющих интенсив ность отказов Лол, то в течение времени t зависимость вероятности безотказной работы аппаратуры Р&п опре деляется выражением
Л ш ’= е |
№ W . |
( 7 . 1 9 ) |
|
Эта формула |
характеризует |
взаимосвязь |
надежно |
сти аппаратуры |
с надежностью |
приборов (элементов). |
В результате проведенного рассмотрения можно счи тать, что электронные приборы в аппаратуре по режи
мам работы и условиям |
использования |
применены пра |
вильно, если |
|
|
K P, K Va, |
K t бал, Kv . . . < |
1, |
(7.20)
i=l
В заключение приведем некоторые данные по интен сивности отказов приборов СВЧ, опубликованные в ма териалах симпозиумов по надежности, состоявшихся в последние годы в США (38], и обобщенные в работе [8].
329