Радио электронные средства бытового назначения

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее  время развиваются радиоэлектронные средства бытового назначения [1]. Они обладают определенными свойствами и качествами. Одним из основных свойств является надежность. Надежность характеризует работоспособность объекта при заданных параметрах в течении требуемого промежутка времени [2]. Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами “жизненного цикла” РЭС от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании изделия его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации - реализуется. В связи с этим проблема надежности является комплексной проблемой, и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами. Так, на этапе проектирования изделия определяется его структура, производится выбор или разработка элементной базы. В связи с этим здесь имеются наибольшие возможности обеспечения требуемого уровня надежности РЭС. Основным методом решения этой задачи являются расчеты надежности (в первую очередь - безотказности), в зависимости от структуры объекта и характеристик его составляющих частей, с последующей необходимой коррекцией проекта. Теория надежности также устанавливает и изучает количественные характеристики надежности и исследует связь между показателями экономичности и надежности. Основные показателями, определяющими надежность устройства являются средняя интенсивность отказов λ_ср и средняя наработка на отказ Т_ср.

В курсовой работе рассчитываются  параметры  надежности генератора синусоидальных колебаний и показывается возможность  повышения надежности, путем полного резервирования схемы устройства.

1 Основные параметры  надежности

1.1 Одним из основных параметров радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является надежность [2, 3]. Она зависит как от надежности используемой элементной базы, так и от принятых схемотехнических и конструкторских решений. Требования к надежности аппаратуры постоянно повышаются. Вопросам повышения надежности РЭА на всех этапах ее проектирования и производства уделяется самое большое внимание.

Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение  требуемого промежутка времени или  требуемой наработки при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортировки [2, 3].

Надежность – это сложное  комплексное понятие, с помощью  которого оценивают такие важнейшие  характеристики изделий, как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость и др. [2].

В любой момент времени РЭА может  находиться в исправном или неисправном состоянии. Если РЭА в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение вычислительных процессов (точность, быстродействие и др.), так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации, то такое состояние называют исправным состоянием [1-4].

Неисправное состояние – это  состояние РЭА, при котором она  в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, установленных в отношении как основных, так и второстепенных параметров [1-4].

Не каждая неисправность приводит к невыполнению РЭА заданных функций. Различают неисправности основные и второстепенные. Второстепенные неисправности называют дефектами.

1.2 Основные эксплуатационные свойства изделий с позиций обеспечения надежной работы: безотказность, ремонтоспособность, долговечность и сохраняемость.

Наработка – продолжительность (или  объем) работы изделия, измеряемая временем, циклами, периодами и т. п. [3]. В процессе эксплуатации или испытания изделия в зависимости от его назначения различают суточную или месячную наработку, наработку на отказ, среднюю наработку до первого отказа, гарантийную наработку и т. п. Суточная и месячная наработки оцениваются временем (циклами, периодами), которое изделие проработало в течение суток или месяца.

Наработка на отказ – среднее  значение наработки ремонтируемого изделия между отказами [1-4].

Если наработка выражена в единицах времени, то используется термин среднее время безотказной работы. Под средней наработкой до первого отказа понимают среднее значение наработки изделий в партии до первого отказа. Для неремонтируемых изделий этот термин равнозначен понятию средней наработки до отказа.

Гарантийная наработка представляет собой наработку изделия, до завершения которой изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение определенных требований к изделию, при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в том числе правил хранения и транспортировки [1-4]. Срок гарантии устанавливается в технической документации или договорах между изготовителем и заказчиком.

Безотказностью называют свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Безотказность измеряется в единицах наработки [1-4].

Ремонтоспособность – свойство РЭА, заключающееся в приспособлении к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов [1-4].

Долговечность – свойство РЭА сохранять  работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов [1-4]. Предельное состояние определяется технической непригодностью РЭА из-за снижения эффективности эксплуатации или требований техники безопасности и оговаривается в технической документации.

Сохраняемость – свойство изделия  сохранять эксплуатационные показатели в течение заданного срока хранения и после него [1-4].

1.3 Интенсивность отказов – зависимость интенсивности отказов от времени [1-4].

Различают три вида отказов, отличающихся их причинами [1-4]:

• скрытыми ошибками в конструкторско-технологической документации и производственными дефектами при изготовлении изделий;
• старением и износом радио- и конструкционных элементов;
• случайными факторами различной природы.

Для оценки надежности систем введены  понятия «работоспособность» и  «отказ».

1.4 Рассмотрим понятия работоспособности и отказов [1-4]. Работоспособность – это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации. Отказ – событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности изделия. По характеру изменения параметров аппаратуры отказы подразделяют на внезапные и постепенные.

Внезапные (катастрофические) отказы характеризуются скачкообразным изменением одного или нескольких параметров аппаратуры и возникают в результате внезапного изменения одного или нескольких параметров элементов, из которых построена РЭА (обрыв или короткое замыкание). Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента исправным или его ремонтом.

Постепенные (параметрические) отказы характеризуются изменением одного или нескольких параметров аппаратуры с течением времени. Они возникают  в результате постепенного изменения  параметров элементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов. Это может быть последствием старения элементов, воздействия колебаний температуры, влажности, механических воздействий, и т.п. Устранение постепенного отказа связано либо с заменой, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией за счет изменения параметров других элементов.

По взаимосвязи между собой  различают отказы независимые, не связанные с другими отказами, и зависимые. По повторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся. Сбой – однократно возникающий самоустраняющийся отказ, перемежающийся – многократно возникающий сбой одного и того же характера.

По наличию внешних признаков  различают отказы явные – имеющие  внешние признаки появления, и неявные (скрытые), для обнаружения которых требуется провести определенные действия.

По причине возникновения отказы подразделяют на конструкционные, производственные и эксплуатационные, вызванные нарушением установленных норм и правил при конструировании, производстве и эксплуатации РЭА.

По характеру устранения отказы делятся на устойчивые и самоустраняющиеся. Устойчивый отказ устраняется заменой отказавшего элемента (модуля), а самоустраняющийся исчезает сам, но может повториться. Самоустраняющийся отказ может проявиться в виде сбоя или в форме перемежающегося отказа. Отказ типа сбоя особенно характерен для РЭА. Появление сбоев обусловливается внешними и внутренними факторами.

К внешним факторам относятся колебания  напряжения питания, вибрации, температурные колебания. Специальными мерами (стабилизации питания, амортизация, термостатирование и др.) влияние этих факторов может быть значительно ослаблено. К внутренним факторам относятся флуктуационные колебания параметров элементов, несинхронность работы отдельных устройств, внутренние шумы и наводки.

 2 Количественные характеристики  надежности

Надежность как сочетание свойств  безотказности, ремонтоспособности, долговечности и сохраняемости, а также сами эти качества количественно характеризуются различными функциями и числовыми параметрами [1-6]. Правильный выбор количественных показателей надежности РЭА позволяет объективно сравнивать технические характеристики различных изделий как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации (правильный выбор системы элементов, технические обоснования работы по эксплуатации и ремонту РЭА, объем необходимого запасного имущества и др.).

Возникновение отказов носит случайный  характер [4-8]. Процесс возникновения отказов в РЭА описывается сложными вероятностными законами. В инженерной практике для оценки надежности РЭА вводят количественные характеристики, основанные на обработке экспериментальных данных [4-8].

Безотказность изделий, определяющая скорость снижения надежности во времени, характеризуется вероятностью безотказной работы P(t), частотой отказов F(t), (t), средней наработкой на отказTλ_cp интенсивностью отказов. Надежность РЭА можно также оценивать вероятностью отказа [1-8]

Рассмотрим оценку надежности неремонтируемых  систем. Следует отметить, что данные характеристики верны и для ремонтируемых систем, если их рассматривать для случая до первого отказа.

Пусть на испытания поставлена партия, содержащая N изделий. В процессе испытаний к моменту времени t вышли из строя n изделий. Осталось исправными:

Отношение является оценкой вероятности выхода из строя изделия за время t. Чем больше число изделий, тем точнее оценка надежности результатов, строгое выражение для которой выглядит следующим образом:

Величина P(t), равная

называется теоретической вероятностью безотказной работы и характеризует  вероятность того, что к моменту t не произойдет отказа [4-8].

Вероятность безотказной работы изделия  может быть определена и для произвольного  интервала времени (t₁; t₂) с момента начала эксплуатации. В этом случае говорят об условной вероятности P(t₁; t₂) в период (t₁; t₂) при рабочем состоянии в момент времени t₁. Условная вероятность P(t₁; t₂) определяется отношением [4-8]:

где P(t₁) и P(t₂) - соответственно значения вероятностей в начале (t₁) и конце (t₂) наработки.

Значение частоты отказов за время t в данном опыте определяется отношением [4-8]:

В качестве показателя надежности неремонтируемых  систем чаще используют производную по времени от функции отказа Q(t), которая характеризует плотность распределения наработки изделия до отказа f(t) [4-8]:

Величина f(t)dt характеризует вероятность того, что система откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии, что в момент времени t она находилась в рабочем состоянии [4-8].

Критерием, более полно определяющим надежность неремонтируемой РЭА  и ее модулей, является интенсивность  отказов (t) [2, 4-8]. Интенсивность отказов l(t) представляет условную вероятность возникновения отказа в системе в некоторый момент времени наработки при условии, что до этого момента отказов в системе не было.

Величина l(t) определяется отношением [4-8]:

Из анализа данного соотношения  следует, что величина l(t)dt характеризует условную вероятность того, что система откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии, что в момент времени t она находилась в работоспособном состоянии.

Вероятность безотказной работы связана  с величинами l(t) и f(t) следующими выражениями [4-8]:

Зная одну из характеристик надежности P(t), l(t) или f(t), можно найти две другие.

Если необходимо оценить условную вероятность, можно воспользоваться следующим выражением:

Если РЭА содержит N последовательно соединенных однотипных элементов, то

Правильно понимать физическую природу  и сущность отказов очень важно  для обоснованной оценки надежности технических устройств. В практике эксплуатации различают три характерных типа отказов [4-8]:

- приработочные отказы,

- внезапные отказы,

- отказы из-за износа.

Они различаются физической природой, способами предупреждения и устранения и проявляются в различные  периоды эксплуатации технических  устройств.

Отказы удобно характеризовать  «кривой жизни» изделия, которая  иллюстрирует зависимость интенсивности происходящих в нем отказов l(t) от времени t. Такая идеализированная кривая для РЭА приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Типичная зависимость  интенсивности отказов систем

от времени

Анализа рисунка 2.1 показывает, что  зависимость интенсивности происходящих в системе отказов имеет три явно выраженных периода:

- приработки I,

- нормальной эксплуатации II,

- износа III.

При этом приработочные отказы наблюдаются в первый период (0 – t₁) эксплуатации РЭА и возникают, когда часть элементов, входящих в состав РЭА, являются бракованными или имеют скрытые дефекты. Физический смысл приработочных отказов может быть объяснен тем, что электрические и механические нагрузки, приходящиеся на компоненты РЭА в приработочный период, превосходят их электрическую и механическую прочность. Поскольку продолжительность периода приработки РЭА определяется в основном интенсивностью отказов входящих в ее состав некачественных элементов, то продолжительность безотказной работы таких элементов обычно сравнительно низка, поэтому выявить и заменить их удается за сравнительно короткое время.

В зависимости от назначения РЭА  период приработки может продолжаться от нескольких до сотен часов. Чем более ответственное изделие, тем больше продолжительность этого периода. Период приработки составляет обычно доли и единицы процента от времени нормальной эксплуатации РЭА во втором периоде.

Участок «кривой жизни» РЭА, как следует из анализа рисунка 2.1, соответствующий периоду приработки I, представляет собой монотонно убывающую функцию l(t), крутизна которой и протяженность во времени тем меньше, чем совершеннее конструкция, выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены режимы приработки. Период приработки считают завершенным, когда интенсивность отказов РЭА приближается к минимально достижимой (для данной конструкции) величине l_min в точке t₁.

Приработочные отказы могут быть следствием конструкторских (например, неудачная компоновка), технологических (некачественное выполнение сборки) и эксплуатационных (нарушение режимов приработки) ошибок.

С учетом этого при изготовлении изделий предприятиям рекомендуется проводить прогон изделий в течение нескольких десятков часов работы (до 2–5 суток) по специально разработанным методикам, в которых предусматривается работа при влиянии различных дестабилизирующих факторов (циклы непрерывной работы, циклы включений-выключений, изменения температуры, напряжения питания и пр.).

В период нормальной эксплуатации (t₁–t₂) могут наблюдаться внезапные отказы РЭА [4-8]. Они возникают неожиданно вследствие действия ряда случайных факторов, и предупредить их приближение практически не представляется возможным, поскольку к этому времени в РЭА остаются только полноценные компоненты. Однако и такие отказы все же подчиняются определенным закономерностям. В частности, частота их появления в течение достаточно большого промежутка времени одинакова в однотипных классах РЭА.

Физический смысл внезапных  отказов может быть объяснен тем, что при быстром количественном изменении (обычно – резком увеличении) какого-либо параметра в компонентах РЭА происходят качественные изменения, в результате которых они утрачивают полностью или частично свои свойства, необходимые для нормального функционирования. К внезапным отказам РЭА относят, например, пробой диэлектриков, короткие замыкания проводников, неожиданные механические разрушения элементов конструкции и т.п.

Период нормальной эксплуатации РЭА  характеризуется тем, что интенсивность ее отказов в интервале времени (t₁–t₂) минимальна и имеет почти постоянное значение l_min » const. Величина l_min тем меньше, а интервал (t₁–t₂) тем больше, чем совершеннее конструкция РЭА, выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены режимы эксплуатации. Период нормальной эксплуатации РЭА общетехнического назначения может продолжаться десятки тысяч часов. Он может даже превышать время морального старения аппаратуры.

В конце строка службы аппаратуры количество отказов снова начинает нарастать. Возникает так называемый период износа [4-8]. Наблюдаемые в данный период отказы в большинстве случаев являются закономерным следствием постепенного износа и естественного старения используемых в аппаратуре материалов и элементов. Зависят они главным образом от продолжительности эксплуатации и «возраста» РЭА.

Средний срок службы компонента до износа - величина более определенная, чем время возникновения приработочных и внезапных отказов. Их появление можно предвидеть на основании опытных данных, полученных в результате испытаний конкретной аппаратуры.

Физический смысл отказов из-за износов может быть объяснен тем, что в результате постепенного и  сравнительно медленного количественного  изменения некоторого параметра компонента РЭА этот параметр выходит за пределы установленного допуска, полностью или частично утрачивает свои свойства, необходимые для нормального функционирования. При износе происходит частичное разрушение материалов, при старении – изменение их внутренних физико-химических свойств.

К отказам в результате износа относят  потерю чувствительности, точности, механический износ деталей и др. Участок (t₂–t₃) «кривой жизни» РЭА, соответствующий периоду износа, представляет собой монотонно возрастающую функцию, крутизна которой тем меньше (а протяженность во времени тем больше), чем более качественные материалы и комплектующие изделия использованы в аппаратуре. Эксплуатация аппаратуры прекращается, когда интенсивность отказов РЭА приблизится к максимально допустимой для данной конструкции.

Возникновение отказов в РЭА  носит случайный характер. Следовательно, время безотказной работы является случайной величиной, для описания которой используют понятия распределения плотности вероятностей [1-4, 6-8]. В частности, распределения Вейбулла, экспоненциальный закон, распределение Пуассона.

Отказы в РЭА, содержащей большое  число однотипных неремонтируемых элементов, достаточно хорошо подчиняются распределению Вейбулла [2, 5-13]. Экспоненциальное распределение основано на предположении постоянной во времени интенсивности отказов и успешно может быть использовано при расчетах надежности аппаратуры одноразового применения, содержащей большое число неремонтируемых компонентов.

Следует отметить, что при длительной работе РЭА для планирования ее ремонта необходимо знать не вероятность возникновения отказов, а их число за определенный период эксплуатации. В этом случае применяют распределение Пуассона, позволяющее подсчитать вероятность появления любого числа случайных событий за некоторый период времени [2, 5-13]. Распределение Пуассона применимо для оценки надежности ремонтируемой РЭА с простейшим потоком отказов.

3 Структурная надежность аппаратуры

3.1 Структурная надежность любого радиоэлектронного аппарата, в том числе и РЭА, представляет собой результирующую надежность при известной структурной схеме и известных значениях надежности всех элементов, составляющих структурную схему [1, 2, 8-13]. При этом под элементами понимаются как интегральные микросхемы, резисторы, конденсаторы и т. п., выполняющие определенные функции и включенные в общую электрическую схему РЭА, так и элементы вспомогательные, не входящие в структурную схему РЭА: соединения паяные, разъемные, элементы крепления и т. д.

Надежность указанных элементов  достаточно подробно изложена в специальной  литературе, например, [8-13]. При дальнейшем рассмотрении вопросов надежности РЭА будем исходить из того, что надежность элементов, составляющих структурную (электрическую) схему РЭА, задана однозначно.

Для нахождения количественных характеристик структурной надежности РЭА необходимо составить структурную схему устройства, указать элементы устройства (блоки, узлы), а также связи между ними. Затем производят анализ схемы и выделяют элементы и связи, которые определяют выполнение основной функции данного устройства. Из выделенных основных элементов и связей составляют функциональную (надежностную) схему. При анализе в данной схеме выделяют элементы не по конструктивному, а по функциональному признаку с таким расчетом, чтобы каждому функциональному элементу обеспечивалась независимость, т.е. чтобы отказ одного функционального элемента не вызывал изменения вероятности появления отказа у другого соседнего функционального элемента.

Кроме того, при составлении отдельных надежностных схем (устройств узлов, блоков) иногда следует объединять те конструктивные элементы, отказы которых взаимосвязаны, но не влияют на отказы других элементов.

Такая методика, основанная на определении количественных показателей надежности РЭА с помощью структурных схем, дает возможность решать вопросы выбора наиболее надежных функциональных элементов, узлов, блоков, из которых состоит РЭА, наиболее надежных конструкций, панелей, стоек, пультов, рационального порядка эксплуатации, профилактики и ремонта РЭА, состава и количества ЗИП.

3.2 При построении надежностных структурных схем используют последовательное, параллельное и последовательно-параллельное включение элементов, показанные на рисунке 3.1.

       а                         б                                                      в

Рисунок 3.1 – Схемы включения  элементов 

в надежностной структурной схеме

При последовательном включении элементов, показанном на рисунке 3.1,а, для надежной работы схемы необходима работа всех функциональных элементов. Вероятность безотказной работы такой схемы будет равна произведению вероятностей безотказной работы всех функциональных элементов:

где n – число элементов схемы.

Для параллельного соединения элементов, показанного на рисунке 3.1,б, отказ всей схемы будет иметь место тогда, когда откажут все элементы, будет определяться соотношением [8-13]:

где m - число параллельно соединенных элементов;

    Q_i(t) - вероятность отказов каждого из элементов, входящих в схему.

При этом вероятность безотказной  работы всей схемы:

4 Методы повышения надежности

Методы повышения надежности можно  разделить на структурные и информационные [2, 8-13].

Структурные методы повышения надежности. Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показатели их надежности реально. Повышение уровня надежности РЭА достигается, прежде всего, устранением причин, вызывающих в ней отказы, т.е. сведением к минимуму конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.

Значительного повышения надежности РЭА достигают созданием новых элементов. Однако повышением надежности элементов не удается полностью решить проблему, что вызвано значительным опережением роста сложности вновь разрабатываемых РЭА. В связи с этим одним из путей повышения надежности РЭА является введение схемной избыточности.

Повышение надежности РЭА резервированием. Резервирование – способ повышения надежности аппаратуры, заключающийся в дублировании РЭА в целом или отдельных ее модулей или элементов [8-13]. Резервирование предполагает включение в схему устройства дополнительных элементов, которые позволяют скомпенсировать отказы отдельных частей устройств и обеспечить его надежную работу. В то же время резервирование эффективно только в том случае, когда неисправности являются статистически независимыми. Различают следующие виды резервирования: постоянное (резервные элементы включены вместе с основным и функционируют в тех же режимах); резервирование замещением (обнаружение отказавшего элемента и замена его резервным); скользящее резервирование (любой резервный элемент может замещать любой отказавший).

Если P_c(t) – вероятность безотказной работы системы, то установка и включение параллельно нескольких таких же систем приводит к увеличению результирующей вероятности безотказной работы резервированной системы P(t), которую можно определить из выражения:

где m – число резервных систем, включенных параллельно основной.

В РЭА применяется общее (резервируются  отдельные модули), и поэлементное резервирование на уровне микросхем или отдельных элементов. При одинаковом количестве резервных элементов поэлементное резервирование эффективнее общего, но требует большого числа дополнительных электрических связей.