Определение надежности устройства РЭА

Содержание



Введение

Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

Основные определения теории надежности

Количественные характеристики теории надежности

Расчеты надежности при проектировании РЭА

Спецификация

Литература




Введение



Полупроводниковая электроника – прогрессирующая область науки и техники. Уже в первом десятилетии с момента изобретение транзисторов полупроводниковые приборы нашли широкое применение в самой разнообразной аппаратуре, основательно потеснив вакуумные лампы. Это было связанно с их преимуществом перед последними, такими как малая потребляемая мощность, отсутствие цепей накала, миниатюрное конструктивное исполнение, высокая механическая прочность и практически мгновенная готовность к работе, что позволило коренным образом изменить внешний облик и функциональные возможности аппаратуры. Существенно уменьшились ее габаритные размеры и энергоемкость. В частности, широкое распространение получили малогабаритные переносные радиоприемники, магнитофоны, телевизоры с батарейным питанием. Неизмеримо расширились возможности вычислительной техники: резко возросла вычислительная мощь и быстродействие ЭВМ при значительном снижении габаритных размеров и энергопотребления. Благодаря дискретным полупроводниковым приборам, аппаратура уверенно шагнула на борт самолета, ракеты, проникла в космос, все больше и больше принимая на себя функции управления процессами и различными объектами, являющийся ранее безраздельной областью деятельности человека.

Наибольшее распространение в первую очередь получили цифровые (логические) интегральные микросхемы и схемы памяти, так как их схемотехника основывается на бистабильных переключательных элементах, которые сравнительно легко реализуются в твердотельном исполнении. Сложнее оказалось положение дел с линейными интегральными схемами ввиду существенных ограничений, присущих монолитным интегральным микросхемам, обусловленных наличием паразитных связей через подложку, дискретностью сходных материалов, нестабильность усилительных и шумовых характеристик активных элементов схемы, ограниченным диапазоном номиналов твердотельных резисторов, конденсаторов, а также отсутствием твердотельных индуктивностей.

Внедрение полупроводниковых приборов и интегральных микросхем в радиоэлектронную аппаратуру проходило в условиях преодоления существенных трудностей. Одной из основных при этом была проблема обеспечения высокой надежности функционирования приборов в аппаратуре. Теоретически долговечность идеального полупроводникового прибора исчислялась несколькими сотнями лет. И такое прогнозирование следует считать обоснованием, так как оно базируется на том, что долговечность прибора, в котором отсутствует движущиеся механические части и в качестве активной области используется твердый полупроводник, определяется в основном износостойкостью конструкционных материалов и скорость деградационных физико-химических процессов, стимулируемых прохождением тока через прибор и факторами внешних воздействий. На практике столь многообещающие прогнозы не подтвердились. Реальные полупроводниковые приборы, пришедшие на смену лампам, имели сравнительно низкую долговечность и выходили из строя.

Возникновение проблемы надежности в электроники относят к началу пятидесятых годов, когда развитие техники привело к созданию сложной радиоэлектронной аппаратуры и передачи ей основных функций управления. В этот период специалисты столкнулись с очень частыми отказами аппаратуры и, в первую очередь, за счет ее схемотехнического несовершенства и некачественных элементов. Для преодоления создавшихся трудностей необходим был научно обоснованный подход к обеспечению высокой работоспособности различной аппаратуры и приборов в нее входящих. Этот подход и вылился в создание нового научно направления – науки о надежности.

Основные положения общей теории надежности являются фундаментом для разработки прикладных вопросов надежности в различных областях техники, в том числе и в полупроводниковой электронике.

Большой объем работ, направленных на повышение надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, у нас в стране и за рубежом, и достигнутые успехи в этой области обеспечивают в большинстве случаев функционирование приборов в эксплуатации с надежностью, характеризуемой интенсивностью отказов. Однако постоянный рост сложности радиоэлектронной аппаратуры, расширение выполняемых ею управляющих функций выдвигают все более жесткие требования к комплектующим изделиям. Это в свою очередь стимулирует расширение фронта работ в области надежности и вызывает необходимость периодического обобщения получаемых результатов.

Материальной основой всей системы является подсистема сбора данных о надежности и анализ отказов приборов на всех этапах их жизненного цикла. Согласованность всех составляющих системы обеспечения надежности, постоянное совершенствование организационных основ системы должно идти в ногу с прогрессом в области полупроводниковой электроники.




Выбор и обоснование схемы электрической структурной



Блок преобразования кодов предназначен для преобразования двоично-десятичного кода технологических программ в двоичный код и обратное преобразование двоичного кода в двоично-десятичный с целью получения откорректированных перфолент и дубликатов с помощью перфоратора ПЛ.

Блок состоит из субблоков:

SB-443 3.082.443 Э3 – интерфейс;

SB-442 3.082.442 Э3 – общая часть преобразователя;

SB-441 3.082.441 Э3 – преобразование из двоичного кода в двоично-десятичный (2/2-10);

SB-440 3.082.440 Э3 – преобразование из двоично-десятичного кода в двоичный (2-10/2).

ЦП осуществляет управление блоком через регистры, которые имеют адреса:

166620 –РС;

166622 – РД 1 слово;

166624 – РД 2 слово;

Формат РС, разряды:

21 – преобразование 2-10/2, пишется, читается ЦП;

22 – преобразование 2/2-10, пишется, читается ЦП;

Обмен данными между ЦП и блоком осуществляется посредством программных операций.

Поскольку блок БПК и блок умножения имеют один интерфейс, то обращение к блокам определяется разрядом адреса АО4. Для БПК разряд АО4 равен единице, для блока умножения – нулю.

Адреса регистров БПК, пройдя через шинные формирователи (микросхемы D1 - D4), расшифровываются в СА (микросхемы D9, D10, D15) и запоминаются в регистре адреса РА (микросхемы D11, D12 субблока SB-443).

Управляющие сигналы «А00 – А04», «БАЙТ», «ВЫВОД» поступают на общую ячейку преобразователя кодов и используются для записи информации в РД (микросхемы D5 – D11) и РС (микросхемы D13, D14).

Информация с регистров РД может читаться ЦП.

Данные с РД поступают в преобразователи кодов, где в зависимости от вида преобразования, определяемого состоянием разрядов РС, происходит преобразование кодов. 



2. Основные определения теории надежности



Вся промышленная продукция, в том числе полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы характеризуются таким параметром как качество, представляющий собой совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением.

Свойства продукции делятся на простые и сложные. Надежность определяется одним из фундаментальных сложных свойств продукции и определяется как свойство объекта сохранять во времени, в установленных приделах, характеризующее способность выполнять требуемые функции в данных режимах и условиях применения технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Для описания конкретного прибора пользуются понятиями исправного и работоспособного состояния. Под исправными подразумевается состояние прибора, при котором он соответствует всем требованиям нормативной или конструктивной документации.

Работоспособность такое состояние, при котором все параметры, которые характеризует способность прибора выполнять заданные функции соответствуют нормативно-технической или конструкторской документации, способным выполнять основные функции в данном состоянии, либо повреждения, не влияющие на электрические параметры (нарушение маркировки, сколы, царапины, вмятины на корпусе).

Фундаментальным понятием теории надежности является определение отказа, как события, заключающегося в нарушении работоспособного состояния. При этом под нарушением работоспособного состояния понимается либо внезапное прекращение функционирования прибора, либо значительные изменения электрических параметров. Характеристикой прибора, связанной с его эксплуатацией является наработка, представляющая собой продолжительность объема работы прибора. Наработка измеряется в часах. Наработка прибора в часах от начала эксплуатации до наступления предельного состояния называют техническим ресурсом. Календарная продолжительность от начала эксплуатации до наступления предельного состояния называют сроком службы. Под безотказностью понимают свойство прибора непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени или некоторой наработки.

Из этого следует, что данное свойство отражает основное содержание надежности, так как главное назначение любого прибора, используемого по прямому назначению исправно выполнять предназначенные ему функции в течении определенного промежутка времени.

Применительно к полупроводниковым приборам и микросхемам под безотказностью понимается способность непрерывно сохранять исходные параметры при использовании в выпрямительном, усилительном, переключательном и других режимах, обусловленных схемами и условиями эксплуатации.



3. Количественные характеристики теории надежности



Для оценки аппаратуры используются критерии надежности.

Критерий надежности – признак, по которому оценивается надежность различных изделий, а характеристика – количественное значение критерия надежности конкретного изделия.

К критериям надежности изделий, для невосстанавливаемой аппаратуры относятся: интенсивность отказов (t); вероятность безотказной работы в течение определенного времени Р(t); вероятность отказа в течение определенного времени Q(t); средняя наработка до первого отказа Тср.

При расчете интенсивности отказов изделия необходимо знать номенклатуру и количество входящих в схему элементов. При этом:





где λ – интенсивность отказов элементов схемы;

n1, n2, n3,…, nn – количество элементов каждого типа в схеме.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени не произойдет ни одного отказа. Вероятность безотказной работы рассчитывается по следующей формуле:







где e – основание натурального логарифма;

t – время нормальной работы изделия.

Отказ и безотказная работа являются событиями несовместимыми и противоположными, поэтому:








Средняя наработка до первого отказа связана с интенсивностью отказов следующим соотношением: 







4. Расчеты надежности при проектировании РЭА



Требования к надежности разрабатываемого изделия задаются в техническом задании на разработку. На ранних стадиях разработки изделия составляются план обеспечения надежности, который на последующих стадиях разработки детализируется и уточняется. Одним из элементов этого плана является расчет надежности проектируемого изделия. Первые расчеты делают на ранних стадиях разработки, а с уточнением сведений об изделии уточняются и расчеты надежности. Существующие методы расчета надежности позволяют получить расчетным путем количественные характеристики надежности разрабатываемого изделия и сопоставить эти характеристики с заданными в техническом задании. Все расчеты надежности в основном сводятся к определению вероятности безотказной работы P(t) и средней наработке до первого отказа Tср по известным интенсивностям отказов элементов схемы. В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на работу изделия и его надежность, последовательно проводят три расчета надежности: прикидочный, ориентировочный и окончательный.

Прикидочный расчет позволяет судить о принципиальной возможности обеспечения требуемой надежности изделия. Этот расчет используется при проверке требований по надежности, выдвинутых заказчиком в техническом задании, при сравнительной оценке надежности отдельных вариантов выполнения изделия на ранних стадиях разработки. При прикидочном расчете делается допущение, что все элементы схемы равнонадежны, так как принципиальные электрические схемы на изделие и его составные части окончательно не разработаны. Соединения элементов с точки зрения надежности таково, что выход из строя любого элемента приводит к отказу всего изделия. Интенсивность отказов элементов берутся для периода нормальной работы, т.е. i(t)=const. Тогда:







где λi - средняя интенсивность отказов равнонадежных элементов схемы;

N – общее количество элементов.

Ориентировочный расчет проводится тогда, когда на изделие и все его составные части разработаны электрические принципиальные схемы. При ориентировочном расчете учитывается влияния на надежность изделия количества и типов применяемых в схемах элементов. При расчете делаются следующие допущения: все элементы схемы работают в нормальном режиме, предусмотренном техническими условиями на эти элементы; все элементы изделия работают одновременно; интенсивности отказов элементов берутся для периода нормальной работы, т.е. λi(t)=const. Интенсивности отказов элементов каждого типа берутся по соответствующим таблицам из справочников по надежности. Таким образом, ориентировочный расчет надежности позволяет определить рациональный состав элементов в изделии и наметить пути повышения надежности.

Окончательный расчет проводится на этапе технического проектирования и учитывает влияние на характеристики надежности режимов работы элементов в схеме и конкретные условия эксплуатации изделия. В общем случае интенсивности отказов элементов зависят от электрического режима работы элемента в схеме, температуры окружающей среды, механических воздействий в виде вибраций и ударов, влажности воздуха, давления, радиации и ряда других возможных факторов. 

Расчет надежности.



Наименование

Тип элемента

Интенсивность отказов 

Средняя наработка



Интегральные микросхемы

Полупроводниковые

0.01 – 2.5

100

Конденсаторы постоянной емкости

Керамические

0.04 – 0.7

25

Элементы монтажа

Плата печатная 

Разъемы

0.1

0.03 – 0.6

10

33

Пайка

Волной

0.01





Расчет интенсивности отказов.

Микросхемы.



1/ч.

1/ч.



Конденсаторы.



1/ч.

1/ч.



Разъемы.



1/ч.

1/ч.



Плата.



1/ч.


Пайка.



1/ч.



Интенсивность отказов всего устройства.



1/ч.

1/ч.

1/ч.



Расчет вероятности безотказной работы.



,



где часов

Вероятность отказа.







Средняя наработка.



часов или 5.5 лет.






Наименование

Обозначение

Результат

Средняя интенсивность отказов



88.3 1/час

Средняя вероятность безотказной работы



0.55 1/час

Средняя вероятность отказа



0.45 1/час

Средняя наработка



5.5 лет




Литература



Методическое пособие для курсового проекта.