Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Институт электронных информационных систем

Кафедра проектирование и технология радиоаппаратуры

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

Лабораторная работа по дисциплине

«Основы конструирования и надежности электронных средств»

Для специальности «Проектирование и технология электронных средств»

Отчёт

Преподаватель

__________ Петрова О.Н.

«__» _________ 2012г.

Студент гр. 9021

__________Егерев Н.В.

«__» _________ 2012г.

1 Цель работы

Целью работы является закрепление студентами теоретических знаний и получение практических навыков в области методов расчёта надёжности.

2 Объект исследования

Объектом исследования являются генератор перепадов и синхронизатор СВЧ Я4С-20А (далее «генератор») для передвижной радиолокационной станции.

Условия эксплуатации:

- Нормальные условия: температура окружающей среды ; относительная влажность ; атмосферное давление кПа.

- Рабочие условия: температура окружающей среды ; относительная влажность при температуре ;

- Жёсткие условия: температура окружающей среды ; относительная влажность 100 при температуре ; атмосферное давление кПа. аппаратуры группы В 2 по ГОСТ 15150-69.

3 Результаты исследования

3.1 Допущения

Для расчета надежности генератора необходимо ввести некоторые допущения:

а) Изделие восстанавливаемое, элементы не восстанавливаемые;

б) Оценивать ремонт не нужно;

в) Интенсивность отказов для конкретных типов элементов величена постоянная;

г) ;

д) Последовательная схема надежности; для запасные части, инструментов, принадлежностей – параллельная;

е) Отказ механической части не влияет на надежность (кроме печатной платы);

ж) Отказ полный, внезапный, устойчивый;

з) В приборе существует десяти градусный перегрев.

3.1 Структурные схемы надежности

Расчет надежности любого изделия предваряется построением модели расчета — структурной схемы, на которой изображается соединение элементов расчета надежности.

Элемент расчета надежности — часть системы, имеющая количественную характеристику, самостоятельно учитываемую при расчете надежности изделия.

Элементами расчета надежности в зависимости от уровня анализа могут быть ИЭТ, модули, функциональные узлы, блоки и т.п.

В теории надежности рассматриваются два способа соединения элементов в изделии с позиции влияния отказов элементов на отказ системы: основное и резервное.

Основное соединение элементов — такое, при коем отказ соединения наступает после отказа одного и любого элемента (рисунок 5).

Основное соединение элементов часто называют последовательным. Однако не следует его путать или жестко связывать с электрическим последовательным соединением элементов, так как при основном соединении элементов электрически они могут соединяться и последовательно, и параллельно.

Резервное соединение — такое, при котором изделие отказывает только после отказа всех его элементов.

Структурная схема надежности представлена в приложении А, элементы в таблицы 1.

Таблица 1 – Элементы структурной схемы

Элемент изделия	Наименование ИЭТ	Схемное обозначение		Элемент изделия	Наименование ИЭТ	Схемное обозначение
	Плата	3.662.023		2
	Плата	3.662.024			ОМЛТ
	Плата	3.662.025			ППБ-1Б
	ОМЛТ				МОН
	К40У-9				КМ-4б
	КТП-3В				Катушки
	Катушка				КД514А
	Тумблер				Трансформатор в.ч.
	1И308К				Плата печатная	3.662.024
	Дроссель в.ч				Пайки	88
	Лампа			Плата 3
	Предохранитель				ОМЛТ
	Выводы электрические				СП4-1
	Выводы в.ч.				КМ-4б	C1,C4,C5
	Трансформатор				КМ-6
	Трансформатор в.ч.				Катушки
	Соединения	63			2Т603В
	Пайки	126			1Т311А
Плата 1					1Т313А
	ОМЛТ				КД514А
	СП5				1И308В
	К50-6				Плата печатная	3.662.025
	Д237Б				Пайки	134

Окончание таблицы

Элемент изделия	Наименование ИЭТ	Схемное обозначение		Элемент изделия	Наименование ИЭТ	Схемное обозначение
	2С168А
	Д814А
	МП15
	П214А
	1Т403А
	Плата печатная	3.662.023
	Пайки

3.2 Расчётная часть

Интенсивность отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия:

где номинальная интенсивность отказов; коэффициенты, учитывающие воздействие механических факторов; коэффициент, учитывающий воздействие влажности и температуры; коэффициент, учитывающий давление воздуха; коэффициент, учитывающий температуру поверхности ИЭТ и нагрузку ( ).

В таблицах 2–5 представлены значения коэффициентов.

Таблица 2 – Коэффициенты нагрузки ИЭТ (

Наименование видов ИЭТ	Рекомендуемые значения	Наименование видов ИЭТ	Рекомендуемые значения
Транзисторы	0,5	Резисторы	0,6
Полупроводниковые диоды	0,5	Трансформаторы	0,8
Конденсаторы	0,7

Таблица 3 – Коэффициенты влияния механических воздействий

Условия эксплуатации аппаратуры	Вибрация	Ударные нагрузки
Стационарные (полевые)	1,04	1,03

Таблица 4 – Коэффициент влияния влажности

Влажность, %	Температура, 0С	Поправочный коэффициент
90…98	30…40	2,5

Таблица 5 – Коэффициент влияния атмосферного давления

Давление, кПа	Поправочный коэффициент
42,0…50,0	1,16

Вероятность безотказной работы в течение заданной наработки для нерезервированных изделий рассчитывается по формуле

где число групп элементов

Интенсивность отказов изделия или его составных частей рассчитывается по формуле:

и среднее время наработки до отказа:

Интенсивности отказов элементов в жёстких условиях представлена в таблице 6

Таблица 6 – Интенсивности отказов элементов проектируемого изделия

Наименование ИЭТ	Схемное обозначение	Тип ИЭТ	1/час				1/час	1/час
1	2	3	4	5	6	7	8	9
ОМЛТ	R	Пленочный резистор	0,03	0,6	60	0,95	0,09	0,09
СП5	R	Проволочный резистор	0,087	0,6	60	0,95	0,27	0,26
ППБ-1Б	R	Проволочный резистор	0,087	0,6	60	0,95	0,27	0,26
МОН	R	Пленочный резистор	0,03	0,6	60	0,95	0,09	0,09
СП4-1	R	Композитный резистор	0,043	0,6	60	0,95	0,13	0,13
К50-6	C	Электролитический конденсатор	0,035	0,7	60	0,6	0,11	0,07
КМ-4б	C	Керамический конденсатор	0,15	0,7	60	0,6	0,47	0,28
КМ-6	C	Керамический конденсатор	0,15	0,7	60	0,6	0,47	0,28
К40У-9	C	Бумажный конденсатор	0,05	0,7	60	0,6	0,16	0,09
КТП-3В	C	Керамический конденсатор	0,15	0,7	60	0,6	0,47	0,28
МП15	Т	Германиевый транзистор	0,3	0,5	60	2,4	0,93	2,24
П214А	Т	Германиевый транзистор	0,3	0,5	60	2,4	0,93	2,24
1Т403А	Т	Германиевый транзистор	0,3	0,5	60	2,4	0,93	2,24
2Т603В	Т	Кремниевый транзистор	0,5	0,5	60	2,4	1,55	3,73
1Т311А	Т	Германиевый транзистор	0,3	0,5	60	2,4	0,93	2,24
1Т313А	Т	Германиевый транзистор	0,3	0,5	60	2,4	0,93	2,24
Д237Б	Д	Кремниевый диод	0,2	0,5	60	1,8	0,62	1,12
2С168А	Д	Кремниевый диод	0,2	0,5	60	1,8	0,62	1,12
Д814А	Д	Кремниевый диод	0,2	0,5	60	1,8	0,62	1,12

Окончание таблицы

1	2	3	4	5	6	7	8	9
КД514А	Д	Кремниевый диод	0,2	0,5	60	1,8	0,62	1,12
1И308К	Д	Германиевый диод	0,157	0,5	60	1,8	0,49	0,88
Катушки	L		0,02	1	60	1	0,06	0,06
Тумблер	В		0,06	1	60	1	0,19	0,19
Дроссель в.ч	Др		2,1	1	60	1	6,52	6,52
Лампа	Л		8	1	60	1	24,85	24,85
Предохранитель	Пр		0,5	1	60	1	1,55	1,55
Выводы электрические	Ш		0,045	1	60	1	0,14	0,14
Выводы в.ч.	Ш		2,63	1	60	1	8,17	8,17
Трансформатор	Тр		1,09	0,8	60	6	3,39	20,32
Трансформатор в.ч.	Тр		0,045	0,8	60	6	0,14	0,84
Соединения			0,015	1	60	1	0,05	0,05
Пайки			0,01	1	60	1	0,03	0,03

Интенсивность отказов генератора и его составных частей в жестких условиях расписаны в таблицах 7–10.

Таблица — 7 Интенсивность отказов платы 3.662.023

Наименование элементов (ИЭТ, функциональных узлов, групп)	Количество элементов	1/час	1/час
ОМЛТ	4	0,09	0,35
СП5	2	0,26	0,51
К50-6	6	0,07	0,39
Д237Б	6	1,12	6,71
2С168А	1	1,12	1,12
Д814А	4	1,12	4,47
МП15	1	2,24	2,24
П214А	1	2,24	2,24
1Т403А	1	2,24	2,24
Плата печатная	1	0,7	0,70
Пайки	92	0,03	2,76
Сумма	164		23,73

Таблица — 8 Интенсивность отказов платы 3.662.024

Наименование элементов (ИЭТ, функциональных узлов, групп)	Количество элементов	1/час	1/час
ОМЛТ	12	0,09	1,06
ППБ-1Б	2	0,26	0,51
МОН	2	0,09	0,18
КМ-4б	3	0,28	0,84
Катушки	2	0,06	0,12
КД514А	1	1,12	1,12
Трансформатор в.ч.	1	0,84	0,84
Плата печатная	1	0,7	0,70
Пайки	88	0,03	2,64
Сумма	155		8,01

Таблица — 9 Интенсивность отказов платы 3.662.025

Наименование элементов (ИЭТ, функциональных узлов, групп)	Количество элементов	1/час	1/час
ОМЛТ	15	0,09	1,33
СП4-1	4	0,13	0,51
КМ-4б	3	0,28	0,84
КМ-6	2	0,28	0,56
Катушки	3	0,06	0,18
2Т603В	2	3,73	7,46
1Т311А	1	2,24	2,24
1Т313А	1	2,24	2,24
КД514А	1	1,12	1,12
1И308В	1	0,88	0,88
Плата печатная	1	0,7	0,70
Пайки	134	0,03	4,02
Сумма	168		22,06

Таблица — 10 Интенсивность отказов генератора

Наименование элементов (ИЭТ, функциональных узлов, групп)	Количество элементов	1/час	1/час
Плата 3.662.023	1	23,73	23,73
Плата 3.662.024	1	8,01	8,01
Плата 3.662.025	1	22,06	22,06
ОМЛТ	3	0,09	0,09
К40У-9	2	0,09	0,09
КТП-3В	2	0,28	0,28
Катушка	2	0,06	0,06

Окончание таблицы

Наименование элементов (ИЭТ, функциональных узлов, групп)	Количество элементов	1/час		1/час
Тумблер	7	0,19		0,19
1И308К	2	0,88		0,88
Дроссель в.ч	2	6,52		6,52
Лампа	1	24,85		24,85
Предохранитель	1	1,55		1,55
Выводы электрические	8	0,14		0,14
Выводы в.ч.	2	8,17		8,17
Трансформатор	1	20,32		20,32
Трансформатор в.ч.	2	0,84	0,84
Соединения	63	0,05	3,15
Пайки	126	0,03	3,78
Сумма	227		124,71

Вероятность безотказной работы в разных условиях эксплуатации представлена в таблице 11.

Таблица 11 – Вероятности безотказной работы

Время работы,	Условия эксплуатации
	Нормальные условия	Рабочие условия	Жёсткие условия
24	1,00	1,00	1,00
1000	0,94	0,91	0,88
5000	0,72	0,63	0,54
10000	0,51	0,39	0,29

Интенсивности отказов изделия в разных условиях представлены в таблице 12

Таблица 12 – Интенсивности отказов

	Условия эксплуатации
	Нормальные условия	Рабочие условия	Жёсткие условия
	67	93,25	124,71

Среднее время наработки до отказа в разных условиях показана в таблице 13

Таблица 13 – Среднее время наработки до отказа

	Условия эксплуатации
	Нормальные условия	Рабочие условия	Жёсткие условия
	14924	10724	8018

Графики вероятности безотказной работы представлены на рисунках 1–3.

Рисунок 1 – Вероятности безотказной работы при нормальных условиях

Рисунок 2 – Вероятности безотказной работы при рабочих условиях

Рисунок 3 – Вероятности безотказной работы при жёстких условиях

3.3 Методика расчета эксплуатационной интенсивности отказов отдельных групп

3.3.1 Конденсатор

Математическая модель для расчета эксплуатационной интенсивности отказов бумажных конденсаторов К40У-9:

где исходная интенсивность отказов группы ЭРИ; приведенная к нормальным условиям; коэффициент режима; коэффициент конденсатора от величины номинальной емкости; коэффициент приемки; коэффициент эксплуатации.

Значение коэффициента режима рассчитывается по математической модели (6):

где постоянные коэффициенты модели; температура окружающей среды, ; рабочее напряжение, В; номинальное напряжение, В.

3.3.2 Резисторы

Математическая модель для расчета эксплуатационной интенсивности отказов пленочных резисторов ОМЛТ:

где коэффициент резистора от величины номинального сопротивления;

Значение коэффициента режима рассчитывается по математической модели (8):

где постоянные коэффициенты модели; температура окружающей среды, ; рабочая мощность рассеяния резисторов, Вт; номинальная мощность рассеяния резисторов, Вт.

3.4 Повышение надежности изделия

Надежность генератора при эксплуатации в жестких условиях не удовлетворяет условиям ТЗ. В данном изделии элементы с величинами интенсивностей отказов на порядок (в 10 раз) большими, чем у других изделий электронной техники являются: трансформатор входной, лампа накаливания, дроссели высокочастотные.

Для повышения надежности необходимо:

1) Повышение надежности при проектировании

а) Схемные решения:

- использование в схемах высококачественных надежных изделий электронной техники (замена лампы накаливания на светодиод).

б) Системные решения:

- выбор и воплощение структурной схемы надежности изделия с равномерными (одинаковыми) показателями надежности ее элементов;

- резервирование элементов с наихудшей надежностью (функциональный ненагруженный (холодный) резерв высокочастотных дросселей).

г) Конструкторские решения:

- обеспечение наименьшего перегрева (снижение температуры входного трансформатора на 20 );

- электрическое соединение (контакт) должно иметь только одно функциональное назначение - электрический контакт с минимальным и постоянным омическим сопротивлением; не должно быть никаких других функций, особенно функции обеспечения механической прочности;

- защита электрических контактов от внешних механических (вибрации, удары), климатических, агрессивных и других воздействий;

- наилучший выбор материалов, особенно с позиции старения.