Основы конструирования электронных средств (РТФ 6 Семестр Бородин) / Экз / ОКЭС экзамен

Для большинства типов ЭС ориентировочное количество элементов, приходящееся на один усилительный (активный) элемент, берут из приблизительного расчета: 2…4 резистора, 1…3 конденсатора, 0…1 индуктивный элемент и т. д.

5. Вычисляют параметр потока отказов для всего изделия:

где r – количество функциональных узлов проектируемого изделия.

6. Определяют среднюю наработку на отказ изделия по формулам:

7. Определяют вероятность безотказной работы изделия

21. Оценка соответствия параметров надежности проектируемого изделия требованиям технических условий.

см. вопрос 20.

22. Классификация методов резервирования.

Резервированием называют применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких

его элементов. Резервирование – одно из средств обеспечения заданного уровня надежности объекта при наличии недостаточно надежных ЭРЭ, что особенно важно для обеспечения

безотказности ЭС.

Цель резервирования – обеспечить отказоустойчивость объекта в целом, т. е. сохранить его работоспособность, когда возник отказ одного или нескольких элементов.

Однако резервирование ухудшает ряд других показателей системы. Наличие

избыточных элементов усложняет схему, увеличивает массу, габариты, стоимость, время

отыскания повреждения, затрудняет эксплуатационное обслуживание и т. д. Поэтому, как

правило, к резервированию прибегают в случаях, когда обеспечить требуемый уровень надежности иными методами не удается.

По виду резерва различают следующие виды резервирования: информационное, функциональное, временное, структурное и нагрузочное.

Информационное резервирование заключается в использовании дополнительной

информации, которая позволяет скомпенсировать последствия отказа в объекте обработки или

передачи информации. Например, использование в модулях памяти ПЭВМ дополнительных битов четности. Это позволяет выявлять искажения хранимых в соответствующих ячейках

байтов информации.

Функциональное резервирование состоит в том, что некоторые элементы ЭС могут быть многофункциональными, и поэтому при отказе какого-либо элемента его функции принимают

на себя оставшиеся.

Временное резервирование – использование резерва времени, например, решение задачи несколько раз и последующее сравнение результатов.

Структурное резервирование – использование в ЭС дополнительных (резервных) элементов

Нагрузочное резервирование – применение элементов, способных работать при больших нагрузках, возникающих при отказе других элементов. Например, параллельное

включение двух и более одинаковых резисторов в сильноточные цепи, что позволяет снизить

выделяемую на каждом из них мощность. Это равносильно снижению коэффициента электрической нагрузки и увеличению времени наработки на отказ.

В дальнейшем рассматривается только структурное резервирование, поскольку другие виды в большей степени связаны с изменением принципов работы ЭС.

Различают два вида структурного резервирования: постоянное и динамическое. Постоянное резервирование осуществляется без изменения структуры объекта при

возникновении отказа его элемента. Существует два вида постоянного резервирования: общее и поэлементное.

Общее резервирование предполагает одновременную параллельную эксплуатацию не менее двух изделий или систем.

При поэлементном резервировании резервируются отдельные элементы изделия

(системы) или группа элементов.

Динамическое резервирование предполагает перестройку структуры объекта. Есть две разновидности динамического резервирования – замещением и скользящее.

При резервировании замещением функция основного элемента передается резервному

только после отказа первого.

Скользящее резервирование применяется в случае, если изделие содержит однотипные

элементы и любой резервный элемент может заменить любой отказавший основной.

По степени нагруженности состояние резервных элементов может быть оценено как

нагруженное, облегченное и ненагруженное.

Нагруженный резерв характеризуется тем, что внешние условия и режимы работы основных и резервных элементов одинаковые (например, последние находятся под теми же

напряжениями и токами).

Для облегченного резерва характерны сниженные уровни нагрузок на резервные

элементы по сравнению с основными.

При ненагруженном резерве резервные элементы отключены от источников энергии до

начала их функционирования. Это дает возможность сохранить ресурс резервных элементов и

уменьшить эксплуатационные расходы за счет экономии энергии.

Основным параметром, характеризующим резервирование, является его кратность. Под

кратностью резервирования понимают отношение числа резервных элементов (блоков,

систем) к числу резервируемых. Кратность резервирования определяется соотношением

где l – общее число элементов резервированного изделия (системы); h – число элементов, необходимое для нормальной работы соединения.

Тогда (l – h) – число резервных элементов.

Резервирование может быть с целой или дробной кратностью. Например, если резервируется один работающий элемент (узел, блок), то будет иметь место резервирование с

целой кратностью. В этом случае для нормальной работы схемы достаточно, чтобы был

исправным хотя бы один элемент. Резервированием с целой кратностью является

дублирование (m=1).

Дробная кратность резервирования имеет место тогда, когда резервируется несколько одновременно работающих элементов (например, три параллельно работающих блока

резервируются двумя резервными, m=2/3). Здесь нормальная работа схемы возможна при условии, если число исправных элементов не меньше необходимого. К резервированию с дробной кратностью, в частности, относится резервирование со скользящим резервом. При таком резервировании каждый из резервных элементов может замещать любой из основных

элементов системы, соединенных последовательно. Ясно, что скользящее резервирование

возможно лишь для узлов или блоков, составленных из однотипных элементов.

23. Оценка эффективности резервирования.

24. Влияние климатических факторов на ЭС.

Среди множества воздействующих на ЭС факторов особое место занимает группа

климатических факторов. Особенность рассматриваемой темы состоит в том, что факторы окружающей среды и объекта установки часто очень тесно связаны, поэтому в процессе проектирования ЭС их трудно разделить и в ТЗ они также пересекаются.

4.1. Виды климатических факторов.

Климат - характерная для данной области (региона) на поверхности Земли совокупность типичных изменений атмосферных процессов, обуславливаемых географическими координатами, уровнем солнечной радиации, строением земной поверхности, вертикальным теплообменом и другими определяющими метеорологическими факторами за длительное (20…30 лет) время.

Кклиматическим факторам относят:

-изменение температуры и тепловой удар;

-влажность окружающей среды;

-увеличение или уменьшение атмосферного давления;

-наличие движущихся потоков пыли и песка;

-присутствие активных веществ в окружающей атмосфере;

-наличие солнечной радиации;

-грибковые образования (плесень);

-микроорганизмы, насекомые, грызуны.

Рассмотрим, как сказывается наличие тех или иных климатических факторов на работе

ЭС.

Изменение температуры связано с изменением температуры окружающей среды и с

выделением тепла при работе ЭС. При повышении температуры происходит физическое изменение материалов, нарушение изоляционных свойств. Происходит интенсивное

старение материалов с потерей механических и электрических свойств. При колебании

температуры изменяется емкость конденсаторов, снижается сопротивление изоляции, меняется собственная емкость, добротность контуров и сопротивление резисторов. В

результате нарушается настройка ЭС, снижается чувствительность и избирательность радиоприемных устройств.

Если при разработке несущих конструкций не будут учтены изменения линейных

размеров при изменениях температуры, то при эксплуатации возможно заклинивание или

деформация связей.

Тепловой удар заключается в резком увеличении температуры и исчисляется минутами, а величина перепада - десятками градусов. От теплового удара в первую очередь разрушаются хрупкие материалы - стекло, керамика, некоторые пластмассы.

Атмосферное давление. Снижение его снижает электрическую прочность воздуха,

вследствие чего пробивное напряжение падает. Ухудшается и поверхностное сопротивление изоляционных деталей. Снижается теплопроводность воздуха, ухудшаются

условия охлаждения аппаратуры.

Влажность является одним из наиболее агрессивных факторов. Вода, содержащаяся в

атмосфере, всегда загрязнена активными веществами (углекислыми и сернистыми солями кальция, магния, железа, азотом, кислородом, углекислым газом и др.). Концентрация солей в воде морей и рек доходит до 5%. Капли дождя при ударах о корпус вызывают механические вибрации. Влага приводит к параметрическим и внезапным отказам.

Наиболее чувствительны к ней элементы и структуры ИС. Влага приводит к электрохимической и химической коррозии, образованию закорачивающихся перемычек, увеличению диэлектрической проницаемости, потерь и утечек в диэлектриках. На поверхности полупроводниковых приборов влага приводит к накоплению зарядов в полупроводнике под влиянием поверхностных ионов.

Конструкционные металлы в присутствии влаги корродируют. Наиболее устойчив к коррозии алюминий вследствие своей поверхностной окисной пленки. Недопустима для применения в конструкциях пара алюминий - медные сплавы с точки зрения электрохимической коррозии (корродирует алюминий). Латуни и бронзы устойчивы во влажном климате и промышленной атмосфере. Стали особенно сильно корродируют в присутствии хлоридов, SО2 и СО2. Однако содержание хрома более 12% делает стали

нержавеющими (15Х, 20Х).

Изоляционные материалы диффузно поглощают влагу. При этом поглощение происходит в сторону меньшей ее концентрации, т.е. при повышенной влажности воздуха молекулы воды проникают внутрь материала, а при сухой атмосфере - наружу, таким

образом происходит поглощение влаги и высыхание. Поглощение влаги диэлектриком приводит к уменьшению сопротивления его изоляции, увеличению диэлектрических потерь,

набуханию, механическим повреждениям.

Пыль и песок находятся в атмосфере и движутся вместе с воздушным потоком. Вблизи

городов и ТЭЦ содержание их увеличивается, причем большую часть составляют продукты

сгорания серы. Кроме того, в состав пыли входят как неорганические (зола, сажа), так и органические частицы текстильного и растительного происхождения. Сухие частицы

вследствие адсорбирования ионов могут быть заряжены и оседают на деталях, находящихся под напряжением.

Песок состоит из округленных частиц кварца размером 0,06…0,08 мм, концентрация

его увеличивается с увеличением скорости движения масс воздуха.

Грибковые образования чаще всего поражают изоляционные материалы на основе

целлюлозы. Грибки не имеют хлорофилла и используют для роста органические вещества. Помимо питательных веществ для развития плесени необходима влажность 70…100%, т.к. она не имеет защиты от испарения. Способствует росту плесени и неподвижность воздуха.

Поэтому ЭС в тропическом исполнении должна иметь защиту от плесневых грибов. Споры

грибов поступают из почвы и распространяются с пылью. Они имеют стойкость к холоду, жаре, ядам и несколько лет сохраняют способность к размножению. Стойкость против

образования имеют уретановые лаки с противоплесневыми ядами - фунгицидами.

Неисправности ЭС связаны также и с насекомыми, которые летят на свет и тепло. Их

трупы, особенно при повышенной влажности, способствуют коррозии и образуют благоприятную среду для грибковой плесени.

Другие группы факторов, такие как воздействия ветра и гололеда, солнечной радиации, полей СВЧ, также будут рассмотрено в соответствующих разделах курса.

Факторы окружающей среды делят на:

●рабочие, при которых ЭС должна сохранять требуемые значения выходных параметров в течение всего периода эксплуатации;

●предельные, при воздействии которых на ЭС необходимо сохранение работоспособности без сохранения номинальных значений выходных параметров в

течение заранее заданного периода времени (как правило до 6 часов).

Для учета факторов окружающей среды при проектировании ЭС в ТЗ в соответствующие разделы вносятся необходимые требования к аппаратуре.

4.2. Отражение в ТЗ факторов окружающей среды.

Существует несколько возможностей учета требований к ЭС в ТЗ. Одним из основных является задание варианта климатического исполнения аппаратуры.

Климатическое исполнение (ГОСТ 6019-78). Остановимся подробнее на этом пункте. В

зависимости от климата района эксплуатации ЭС различают девять основных климатических исполнений изделий:

Стандартизация и кодификация климатических исполнений существенно упрощает задание соответствующих требований, т.к. позволяет четко представить всю программу комплексного воздействия внешней среды в количественном выражении. Подробно вопрос воздействий рассмотрен в другом разделе ТТ, при обсуждении комплекса условий эксплуатации ЭС.

Категория размещения на объекте: пять укрупненных и шесть дополнительных категорий. Категории размещения на объекте также стандартизованы и кодифицированы:

25. Классификация печатных плат, основные термины и определения.