Файл: Расчёт надежности.docx

Расчёт надежности
Расчёт надёжности производится на этапе проектирования. Для расчёта задаются ориентировочные данные. В качестве температуры окружающей среды может быть принято среднее значение температуры внутри блока устройства. Для большинства маломощных полупроводниковых устройств она не превышает 40`C.

Для различных элементов при расчётах надёжности служат различные параметры. Для резисторов и транзисторов это допустимая мощность рассеивания, для конденсаторов допустимое напряжение, для диодов прямой ток. Коэффициенты нагрузок для элементов каждого типа могут быть определены по величине напряжения источника питания. Так для конденсаторов номинальное напряжение рекомендуется брать в 1,5 – 2 раза выше напряжения источника питания. Рекомендуемые коэффициенты приведены в таблице 1.
Таблица 1- Рекомендуемые средние коэффициенты нагрузки

Наименование элемента	Контролируемые параметры	Импульсный режим	Статический режим
Транзисторы	Ркдоп kн = Рф/Ркдоп	0,5	0,2
Диоды	Iпрmax kн = Iф/Iпрт	0,5	0,2
Конденсаторы	Uобкл kн = Uф/Uобкл	0,7	0,5
Резисторы	Ртрас kн = Рф/Рдоп	0,6	0,5
Трансформаторы	Iн kн = Iф/Iндоп	0,9	0,7
Соединители	Iконтакта kн = Iф/Iкдоп	0,8	0,5
Микросхемы	Imax вх /Imax вых	-	-

Допустимую мощность рассеяния следует брать в качестве номинального параметра. Допустимую мощность рассеивания резисторов можно определить по обозначениям из таблицы 2:

Таблица 2- Классификация резисторов по номинальной мощности

Номинальная мощность (Вт)	0,05	0,125	0,25	0,5	1	2	5	10
Обозначение на схеме

---

Фактическое значение параметра надо брать в половину меньше согласно таблице 2.

Для конденсаторов номинальным параметром в расчете надёжности считается допустимые напряжения на обкладках конденсатора. В большинстве схем этот параметр не указывается. Его следует выбирать исходя из напряжения источника питания U_н, для конденсатора следует брать в два раза (или в полтора) больше напряжения источника питания. При этом следует учитывать, что согласно ГОСТу конденсаторы выпускают на допустимое напряжение (в вольтах) 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350.

Фактическое значение (U_ф) для конденсаторов расчёте надежности следует брать в половину меньше выбранного.

Для транзисторов номинальный параметр Р_к допустимое следует брать из справочников.

Для диодов контролируемый параметр величина прямого тока I_ПР брать в справочниках.

Фактическое значение этих параметров следует брать исходя из рекомендаций таблицы 3.1.1. При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность отказов увеличивается. Она так же возрастает, если элемент эксплуатируется в более жёстких условиях: при повышенной температуре, влажности, при ударах л вибрациях. В стационарной аппаратуре, работающей в отапливаемых помещениях, наибольшее влияние на надёжность аппаратуры имеет температура.

Определяя интенсивность отказов при t° - 20°С, справочные данные приведены в таблице 3. Интенсивность отказов обозначается λ_o. Измеряется λ_o в ( 1/час ).
Таблица 3- Интенсивность отказов радиоэлементов.

Наименование элемента	λo*10-6 1/час
Микросхемы средней степени интеграции	0,013
Большие интегральные схемы	0,01
Транзисторы германиевые: Маломощные	0,7
Средней мощности	0,6
мощностью более 200мВт	1,91
Кремниевые транзисторы: Мощностью до 150мВт	0,84
Мощностью до 1Вт	0,5
Мощностью до 4Вт	0,74
… Низкочастотные транзисторы: Малой мощности	… 0,2
Средней мощности	0,5
Транзисторы полевые	0,1
Конденсаторы: Бумажные	0,05
Керамические	0,15
Слюдяные	0,075
Стеклянные	0,06
Пленочные	0,05
Электролитические (алюминиевые)	0,5
Электролитические (танталовые)	0,035
Воздушные переменные	0,034
Резисторы: Композиционные	0,043
Плёночные	0,03
Угольные	0,047
Проволочные	0,087
Диоды: Кремниевые	0,2
Выпрямительные	0,1
Универсальные	0,05
Импульсные	0,1
Стабилитроны кремниевые	0,157
Трансформаторы Силовые	0,25
Звуковой частоты	0,02
Высокочастотные	0,045
Автотрансформаторные	0,06
Дроссели:	0,34
Катушки индуктивности	0,02
Реле	0,08
Антенны	0,36
Микрофоны	20
Громкоговорители	4
Оптические датчики	4,7
Переключатели, тумблеры, кнопки	0,07n
Соединители	0,06n
Гнезда	0,01n
Пайка навесного монтажа	0,01
Пайка печатного монтажа	0,03
Пайка объемного монтажа	0,02
Предохранители	0,5
Волновые гибкие	1,1
Волновые жесткие	9,6
Электродвигатели: Асинхронные	0,359
Асинхронные вентиляторы	2,25

---

Порядок расчёта

В таблицу 8 заносятся данные из принципиальной схемы. Таблица заполняется по колонкам. В первую колонку заносится наименование элемента, его тип определяется по схеме. Часто в схемах не указывается тип конденсаторов, а даётся только его ёмкость. В этом случае следует по емкости, и выбирать подходящий тип конденсатора в справочнике. Тип элемента заносится во вторую колонку. Однотипные элементы записываются одной строкой, а их число заносится в колонку 4.

Микросхемы вне зависимости от типа объединяются в одну группу и записываются в одну строку. Это связанно с тем, что у них независимо от типа одинаковая интенсивность отказов, и они могут работать в достаточно широком диапазоне температур. В колонку 4 заносится температура окружающей среды. Её надо определять, исходя из назначения прибора или устройства. Если устройство работает в отапливаемом помещении и не имеет мощных транзисторов, температуру можно брать 40˚С. Далее следует заполнить колонку 6, пользуясь теми рекомендациями, которые были даны выше.

Студенту, как правило, не известны фактические параметры элементов. Тогда, выбирать их надо, руководствуясь рекомендациями таблицы 3.1.1, содержащей средние значения.

Коэффициенты нагрузок:

• 
  Для транзисторов: k_н = Р_ф/Р_кдоп = Р_ф/Р_н (3.1.1)
  
• 
  Для диодов: k_н = I_ф/I_прср = I_ф/I_н (3.1.2)
  
• 
  Для конденсаторов: k_н = U_ф/U_н (3.1.3)
  
• 
  Для резисторов: k_н = Р_ф/Р_н (3.1.4)
  

Зная k_н определяем фактическое значение параметра и заполняем колонки 5 и 8. Если k_н в таблице для элемента не указанно, то следует ставить прочерк или брать k_н = 0,5.

Колонка 7 заполняется по справочнику.

Далее определяется коэффициент влияния α, который показывает, как влияет на интенсивность отказов окружающая элемент температура в связи с коэффициентом нагрузки. Находят α по таблице 4.
Таблица 4- Температурный коэффициент влияния.

t˚С	Значение α при k равном
	0,1	0,3	0,5	0,8	1
Кремниевые полупроводниковые приборы
20 40 70	0,02 0,05 0,15	0,05 0,15 0,35	0,15 0,30 0,75	0,5 1 1	1 - -
Керамические конденсаторы
20 40 70	0,15 0,30 0,30	0,30 0,30 0,50	0,35 0,50 0,75	0,65 1,00 1,5	1 1,4 2,2
Бумажные конденсаторы
20 40 70	0,35 0,50 0,7	0,55 0,60 1,0	0,70 0,80 1,4	0,85 1,00 1,8	1,0 1,2 2,3
Электролитические конденсаторы
20 40 70	0,55 0,65 1,45	0,65 0,80 1,75	0,75 0,90 2,0	0,90 1,1 2,5	1,0 1,2 2,3
Металлодиэлектрические или металлооксидные резисторы
20 40 70	0,40 0,45 0,50	0,50 0,60 0,75	0,65 0,80 1,0	0,85 1,1 1,5	1,0 1,35 2
Силовые трансформаторы
20 40 70	0,40 0,42 1,5	0,43 0,50 2	0,45 0,60 3,1	0,55 0,90 6,0	1 1,5 10,0

---

Для германиевых полупроводниковых диодов коэффициент α брать таким, как у кремниевых. Если в таблице нет тех элементов, которые есть в конкретной схеме, следует спросить у преподавателя, как быть.

Колонка 10 заполняется из соответствующей таблицы 3.

Колонка 11 рассчитывается по формуле:
λi = α · λо (3.1.5)
где:

_i - произведение коэффициентов влияний;

 - коэффициент влияния температуры;

_о - интенсивность отказов.

Колонка 12 рассчитывается по формуле:
λс = λi · n (3.1.6)
где:

n – количество элементов.

Если изделие испытывает воздействие ударных нагрузок или реагирует на влажность, атмосферное давление, следует учесть это влияние. В этом случае λi в колонке 11:
λi = λо · α · α1 · α2 · α3 (3.1.7)
где:

α – коэффициент влияния температуры;

α1 – коэффициент влияния механических воздействий;

α2 - коэффициент влияния влажности;

α3 - коэффициент влияния атмосферного давления.

Значения α1, α2, α3 определяются по нижеследующим таблицам.
Таблица 5- Коэффициент влияния механических воздействий.

Условия эксплуатации аппаратуры	Вибрация	Ударные нагрузки	Суммарное воздействие
Лабораторные	1,0	1,0	1,0
Стационарные	1,04	1,03	1,07
Корабельные	1,3	1,05	1,37
Автофургонные	1,35	1,08	1,46
Железнодорожные	1,4	1,1	1,54
Самолётные	1,4	1,13	1,65

Таблица 6- Коэффициент влияния влажности

Температура ˚С	Влажность%	Поправочный коэффициент α2
20-40	6-70	1,0
20-25	90-98	2,0
30-40	90-98	2,5

Таблица 7- Коэффициент влияния атмосферного давления.

---

Давление кПа	Поправочный коэффициент α3	Давление кПа	Поправочный коэффициент
0,1-1,3	1,45	32,0-42,0	1,2
1,3-2,4	1,40	42,0-50,0	1,16
2,4-4,4	1,36	50,0-65,0	1,14
4,4-12,0	1,35	65,0-80,0	1,1
12,0-32,0	1,3	80,0-100,0	1,0

Когда колонка 12 заполнена, можно рассчитать среднее время наработки на отказ Тср. Для этого суммируют все значения колонки 12, получая Σ λс, тогда Тср = 1/ Σ λс (час).

Тогда, Тср = 1/∑λc (час).

Следует помнить, что ∑λc - число, умноженное на 10^-6, т.е. при делении 10^-6 перейдет в числитель.

Расчёт

Приступая к выполнению расчёта, заполним таблицу 8 по колонкам, сгруппировав одинаковые элементы.

Стоит заметить, что в ходе расчета коэффициента влияния не будут учитываться коэффициенты влияния: влажности, атмосферного давления и механического воздействия, так как наше устройство предназначено для эксплуатации в не агрессивной среде, и не содержит предельно чувствительных к уровню влажности и атмосферного давления компонентов и элементов.

Элементную базу устройства составляют:

• 
  51 постоянный металлопленочный резистор типа МЛТ 0.125;
  
• 
  12 постоянных металлопленочных резистора типа С2-33;
  
• 
  8 пленочных неполярных конденсаторов типа К73-17;
  
• 
  2 керамических неполярных конденсатора типа КМ5Б;
  
• 
  5 электролитических конденсатора типа К50-35;
  
• 
  1 диод типа КД522Б
  
• 
  2 диода типа КД213А
  
• 
  4 транзистора типа КТ972А;
  
• 
  3 транзистора типа КТ853А;
  
• 
  3 транзистора типа КТ315Г;
  
• 
  4 транзистора типа КТ361Г;
  
• 
  Трансформатор типа ТС-40-2;
  
• 
  Кварц. резонатор HC-49U.
  

Исходя из электрических параметров схемы нашего устройства, примем за номинальное напряжение для радиоэлементов — максимально допустимое напряжение от источника питания, 9 В. Тогда, номинальные мощность рассеивания резисторов и номинальный максимальный примой ток остальных элементов возьмем по справочнику.

Фактические параметры резисторов для колонки 4 рассчитаем, взяв усредненные коэффициенты нагрузок из таблицы 1. Но, для конденсаторов, значение фактического параметра возьмём равным 9 В, поскольку согласно электрической принципиальной схеме устройства, мы знаем максимальное напряжение в цепи включения конденсаторов.

---