Проблемы надежности в электронике

Надежностью называется способность изделия сохранять зало­женные в нем при проектировании и изготовлении технические ха­рактеристики и параметры в течение заданного времени эксплуата­ции, хранения и транспортировки. Понятие надежности распростра­няется на все технические объекты — от детали до сложного изде­лия в целом. Надежность сложного изделия зависит от надежности каждого из входящих в него элементов.

Проблемы безотказной — надежной — работы изделий имеют огромное народнохозяйственное значение, так как влияют на эко­номические показатели и, что не менее важно, оказывают воздей­ствие на социальные, морально-нравственные и научно-технические факторы; высокая надежность изделий стимулирует ускорение на­учно-технического прогресса, низкий уровень надежности тормозит техническое развитие.

Надежность — комплексное свойство изделий, характеризуемое безотказной работой, долговечностью, ремонтопригодностью и сохра­няемостью как изделия в целом, так и его частей. Выход из строя отказ — хотя бы одного элемента приводит к отказу всего изделия или ухудшению качества работы. Различные элементы устройства — лампы, транзисторы, микросхемы, трансформаторы, электродвигате­ли, механизмы и т. д. — обладают неодинаковой надежностью. Под надежностью или безотказностью изделия понимается также его свойство поддерживать выходные параметры в пределах допусков в течение определенного интервала времени в реальных условиях эксплуатации, т. е. при заданных входных воздействиях; по окон­чании этого интервала изделие может оставаться исправным (удов­летворять предъявляемым требованиям) или неисправным — (не удовлетворять предъявляемым требованиям). Эти противоположные состояния изделия в общем случае являются вероятностными собы­тиями.

Надежность оценивают качественными и количественными пока­зателями. Качественная оценка основана на сопоставлении соответ­ствия или, несоответствия основных характеристик изделия примени­тельно к конкретной цели. Часто в ней не отражаются такие факторы, как экономичность, стоимость, доступность и т. д. Количественные показатели надежности позволяют дать всестороннюю оценку как безотказной работоспособности изделия, так и других критериев, з том числе экономичности, срока службы изделия, состава комплекта запасных частей, стоимости выполнения поставленной задачи и т. д. Для количественной оценки надежности применяются теория вероят­ностей и теория случайных процессов, а также статическое про­граммирование, теория массового обслуживания и другие теорети­ческие и экспериментальные (статистические) математические мето­ды. Определение надежности должно быть теоретически обосновано для каждого конкретного изделия с учетом его принципа работы.

Отказ — это полная или частичная утрата работоспособности, т. е. нарушение нормального функционирования изделия. Отказы подразделяются на внезапные и постепенные, независимые и зави­симые, полные и частичные, устойчивые и самоустраняющиеся (или перемежающиеся), очевидные (явные) и скрытые — неявные. Каж­дый из них имеет причинные связи и по-разному влияет на рабо­тоспособность изделия. Например, внезапные отказы возникают в результате резкого изменения рабочих параметров от случайных внешних факторов; часто им предшествуют не обнаруженные в про­изводстве дефекты или своевременно недооцененные факторы. Пос­тепенные отказы проистекают вследствие изнашивания или старения деталей и т. д.

При испытании объектов — изделий — на надежность удобно подразделять их на две группы: 1) изделия непрерывного действия, не допускающие остановок в работе, например ракеты, управляемые снаряды, искусственные спутники Земли и т. д., и 2) изделия перио­дического действия, во время эксплуатации которых возможны оста­новки; к ним относятся металлообрабатывающие станки, автомоби­ли, телевизоры и т. д.

Для количественной оценки надежности обеих групп изделий часто пользуются такими критериями, как вероятность безотказной работы, частота отказов, интенсивность отказов, среднее время без­отказной работы, среднее время между соседними отказами и др. Выбор тех или иных количественных характеристик зависит от то­го, насколько глубоко оценивается надежность изделия.

Вероятностью безотказной работы P(t) называется вероятно­стная функция интервала времени, в течение которого не случается ни одного отказа работы устройства, тождественно равная стати­стическому показателю

Р (t) =р(Т₁ – 1) = N/N₀ = (N_Q – n)/N₀,

где T_l — время работы изделия до первого отказа; t — время, в те­чение которого определяется вероятность безотказной работы; N₀ — общее количество изделий, включенных в работу; /V — количество оставшихся исправными изделий, отработавших в течение времени t; n — количество изделий, получивших повреждение до окончания заданного интервала времени. P(t) является убывающей функцией времени (рис. 1) и изменяется в пределах 0≤р(t)≤1 при p(0) = 1 и p(∞)=0.

Рис. 1. Изменение вероятности без­отказной работы P(t) со временем.

При подсчете вероятности безотказной работы теоретический результат практически совпадает с результатом обработки стати­стических данных, полученных при испытании большого количества изделий.

Наравне с вероятностью безотказной работы часто пользуются функцией Q(t)—вероятностью отказов — событием, противополож­ным P(t):

Q(t) = 1- P(t) = 1 – N₀-n/N₀= (N₀- N₀ + n)/N₀ = n/ N₀

Уменьшение вероятности безотказной работы (рост числа отка­зов) со временем означает износ элементов, т. е. уменьшение ресур­са надежности. Вероятность безотказной работы сколь угодно слож­ного изделия равна произведению вероятностей безотказной работы ее элементов:

i=N₀

P(t) =П P_i(t),

i=1

где П — произведение вероятностей Р_i- отдельных деталей.

Частотой отказов a(t) называется отношение числа отказавших изделий в единицу времени к первоначальному количеству изделий

α(t) = n(∆t)/ N₀(∆t),

где n(∆t) — число отказавших образцов в интервале времени от t— ∆t /2 до t + ∆t/2.

Можно определить зависимость между a(t) и P(t), которую часто применяют при подсчете надежности. Если обозначить: N(t) — число образцов, исправных в начале работы, и N(t + ∆t) — число ис­правных образцов в конце интервала ∆t, после преобразований получим:

n(∆t) = N(t) – N(t+(∆t);

N(t)=N₀ P(t);

N(t + ∆t)= N₀ P(t +(∆t);

α(t) = (P(t) - P(t + (∆t))/∆t

Частота отказов a(t) есть плотность вероятности времени рабо­ты изделия до первого отказа.

Интенсивность отказов λ(t) — это отношение числа отказавших изделий в единицу времени к среднему числу изделий, исправно ра­ботающих в данный отрезок времени:

λ(t) = n/N∆t

где N= (N_i + N_i+1)/2 — среднее число образцов, исправно работаю­щих в интервале времени ∆t; N_i — количество исправных изделий в начале, N_i+1 — в конце интервала времени.

График интенсивности отказов λ(t) со временем приведен на рис. 2.

Рис. 2. Изменение интенсивности от­казов λ(t) со временем.

Начальный участок I отражает процесс приработки, во время которого отказывают элементы со скрытыми производствен­ными дефектами, приводящими, как правило, к внезапным отказам. Число отказов возрастает по экспоненциальному закону. Участок II отражает нормальную работу всех элементов изделия, интенсив­ность отказов остается примерно постоянной. Длительность этого участка обусловлена техническим уровнем производства, т. е. качест­вом изготовления изделий. На участке III (участке износа) воз­растает число отказов вследствие постепенного увеличения парамет­ров выше предельно допустимых. Этот показатель часто применя­ется для оценки надежности, так как входит в качестве сомножи­теля в другие, более общие характеристики систем, например эффек­тивность, стоимость и др.

При подсчете интенсивности отказов связь между λ(t), a(t) и P(t) определяется формулой λ(t) = a(t)/P(t).

Интенсивность отказов обозначается в единицах времени 1/ч = ч^-1, умноженных на соответствующий коэффициент (10^-3, 10^-6, ...), и для различных типов элементов меняется в широких пределах; она приводится в справочных таблицах и имеет примерно следующие значения: для мощного лампового триода 20 10^-6, для германиевого транзистора 0,9 10^-6, для кремниевого транзистора 0,5 10^-6, для электродвигателя 30 10^-6, аккумулятора 7,2 10^-6, ин­тегральной микросхемы 0,8 10^-8 ч^-1 и т.д. Если все элементы дан­ного типа равнонадежны, интенсивность отказов изделия будет равна:

n

λ(t) = Σ N _i λ_i

i=1

где N — число элементов i-го типа; r — число типов элементов

Среднее время безотказной работы Т_cр оценивается математи­ческим ожиданием времени работы изделия до первого отказа. Оно равно среднему времени работы одного изделия вплоть до момента повреждения

i =N₀

Т_cр = (Σt_i)/N₀

i =1

Количественную оценку надежности изделий периодического действия производят не только при помощи показателей, приведен­ных выше, но и таких, как среднее время между соседними отказа­ми t_ср, среднее время восстановления во время работы τ, коэффи­циент готовности Кr и др.

Средним временем между соседними отказами t_ср является среднее суммарное время работы одного из изделий (i-ro изделия);

i = n

t_ср = (Σt_i)/n

i = 1

Подсчет количественных показателей надежности часто осущест­вляется по формулам (законам) распределения времени безотказной работы, предложенным отдельными авторами. Наиболее универсаль­ным, пожалуй, является экспоненциальный закон, связывающий вероятность безотказной работы с интенсивностью отказов:

P(t) = ехр (- ∫ λ(t)dt) ≈ e^{- λt}

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ СТАНДАРТИЗАЦИИ

Понятие стандартизация охватывает широкую область общественной деятельности, включающую в себя научные, технические, хозяйственные, экономические, юридические, эстетические и политические аспекты. Во всех странах повышение эффективности производства, улуч-1ение качества продукции, рост жизненного уровня связаны с широким 1рименением различных форм и методов стандартизации. Правильно [оставленная стандартизация способствует развитию специализации и ^оперирования производства, успешной сертификации продукции.

В Российский Федерации действует Государственная система стан­дартизации (ГСС), объединяющая и упорядочивающая работы по стан­дартизации на всех уровнях производства и управления на основе комплекса государственных стандартов, ГСС включает в себя стандарты, содержащие совокупность взаимосвязанных правил и положений, опре­деляющих основные понятия, цели и задачи стандартизации; организа­цию и методику планирования и проведения работ по стандартизации; порядок разработки, внедрения и обращения стандартов и других нор­мативно-технических документов по стандартизации; порядок внесения в них изменений; контроль за внедрением и соблюдением стандартов; объекты стандартизации; категории и виды стандартов; правила по­строения, изложения, оформления и содержания стандартов и др.

Основные понятия и термины в области стандартизации разработа­ны с учетом рекомендаций международных организаций по стандарти­зации и приняты многими странами.

Стандартизация — установление и применение правил с целью упо­рядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон в частности для достижения все­общей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации (использования) и требований безопасности. Стандартизация основыва­ется на объединенных достижениях науки, техники и передового опыта и определяет основу не только настоящего, но и будущего развития и должна осуществляться неразрывно с прогрессом.

Приведенное определение показывает многогранность деятельности по стандартизации. Из него, в частности, следует, что, будучи направленной на разработку обязательных для исполнения норм, правил и требований к продукции, стандартизация должна обеспечить возможно полное удовлетворение интересов производителя и потребителя, повышение производительности труда, экономное расходование материалов, || энергии, рабочего времени и гарантировать безопасность при производстве и эксплуатации.

Объектами стандартизации являются изделия, нормы, правила, требования, методы, термины, обозначения и т.п., имеющие перспективу многократного применения в науке, технике, промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и связи, в культуре, здравоохранении, других сферах деятельности, а также в международной торговле.

В последние десятилетия имело место распространение стандартиза­ции также на область управленческой и организационно-методической деятельности. В зависимости от формы руководства стандартизацией и сферы действия стандартов различают государственную, национальную и международную стандартизацию.

Государственная стандартизация — форма развития и проведения стандартизации, осуществляемая под руководством государственных органов по единым Государственным планам стандартизации.

Национальная стандартизация — проводится в масштабе государст­ва без государственной формы руководства.

Международная стандартизация — проводится специальными меж­дународными организациями или группой государств с целью облегчения взаимной торговли, научных, технических и культурных связей.

Особое место в международной стандартизации занимают работы, проводимые странами-членами СНГ и в интересах их развития и эконо­мической интеграции.

Устанавливаемые при стандартизации нормы оформляются в виде нормативно-технической документации по стандартизации — стандар­тов и технических условий.

Стандарт — нормативно-технический документ по стандартизации, устанавливающий комплекс норм, правил, требований к объекту стандар­тизации и утвержденный (принятый) компетентными органами. Стандарт разрабатывается на основе достижений науки, техники, передового опыта и должен предусматривать решения, оптимальные для общества. Стандарт может быть разработан как на материальные предметы (продукцию, сы­рье, образцы веществ), так и на нормы, правила, требования к объектам организационно-методического и общетехнического характера, порядок разработки документов, нормы безопасности, системы управления качеством, правила и порядок сертификации и др.

Технические условия (ТУ) — нормативно-технический документ по стандартизации, устанавливающий комплекс требований к конкретным типам, маркам, артикулам продукции. Технические условия являются неотъемлемой частью комплекта технической документации на продук­цию, на которую они распространяются.