Вплив різноманітних факторів на показники надійності електронних апаратів

Вплив різноманітних факторів на показники надійності електронних апаратів

Вплив різноманітних факторів на показники надійності електронних апаратів (ЕА)

Вступ

У процесі виробництва та експлуатації на апаратуру діють різні фактори, які впливають на її надійність. Ці фактори умовно можна поділити на дві групи: субєктивні та обєктивні.

Субєктивні фактори тією або іншою мірою залежать від діяльності людини. До них відносяться всі заходи, повязані з вибором схемного та конструктивного рішень під час проектування; вибором елементів і матеріалів, забезпеченням нормальних робочих режимів, організацією технічного обслуговування та експлуатації апаратури.

До обєктивних факторів відносяться різні несприятливі для роботи апаратури впливи зовнішнього оточення, повязані з кліматичними, метеорологічними, біологічними, механічними та іншими діями.

За характером дії фактори можна поділити на конструктивно-виробничі та експлуатаційні.

Поділ за такою ознакою зручний з точки зору раціонального розподілу зусиль у забезпеченні надійності між розробниками та споживачами апаратури.

До групи конструктивно-виробничих факторів належать фактори, повязані з розробкою, проектуванням та виготовленням апаратури. Вплив цих факторів на надійність апаратури є найбільш сильним та визначальним.

До експлуатаційних відносять фактори, які впливають на надійність апаратури в процесі її практичного використання. Вони включають обєктивні фактори, обумовлені впливом зовнішнього оточення, та субєктивні, повязані з організацією системи технічного обслуговування, ремонту, забезпечення запасними елементами, кваліфікацією обслуговуючого персоналу тощо.

Наведемо дані статистичних досліджень факторів, які впливають на надійність.

Таблиця 1 - Фактори, які впливають на надійність ЕА

Етапи і види робітПричини відмовВідмови апаратури %Помилки, зроблені під час розробки схеми Е3, принципу дії апаратури та конструкції1. Електричні 1.1 Недоліки схеми Е3 1.2 Хибний вибір електричних величин 1.3 Неправильне застосування елементів 2. Механічні 2.1 Хибний вибір елементів 2.2 Неправильна механічна конструкція 11 10 12 5 5Помилки, допущені під час виробництва (Технологічні відмови)1. Виготовлення не відповідає технічним умовам 2. Недоброякісна сировина та напівфабрикати 18 2Експлуатаційні відмови1. Кліматичні і механічні навантаження не відповідають заданим 2.Неправильне обслуговування 3. Хибний режим експлуатації 12 10 8Інші відмови1.Спрацювання, старіння матеріалів та елементів 2. Невстановлені та різні 4 3

Ми розглядатимемо фактори обєктивного і субєктивного характеру, які впливають на ЕА в процесі її експлуатації. Під час розробки та виготовлення елементів зазвичай передбачаються визначені, так звані нормальні умови роботи (ГОСТ 11478-88): температура + (25±10)°С, атмосферний тиск - 105Па, номінальний електричний режим, відносна вологість (60610)%, відсутні механічні навантаження. Інтенсивність відмов елементів у номінальному режимі експлуатації називають номінальною інтенсивністю відмов λні. Інтенсивність відмов елементів при експлуатації в реальних умовах λі дорівнює номінальній інтенсивності відмов λні, помноженій на поправочний коефіцієнт, який враховує вплив будь-якого фактора

λі=λні·Кі. (1)

Розглянемо ці фактори

1 Час експлуатації та діяльність обслуговуючого персоналу

Час експлуатації є одним з основних факторів, які визначають надійність апаратури на всіх етапах. Технологічні та конструктивні недоліки частіше за все виникають за перший період експлуатації, оскільки за цей період виявляються багато явних і прихованих дефектів апаратури в цілому та її елементів. Цей період для різної апаратури може коливатися до 10% довжини періоду нормальної експлуатації.

Після достатньо тривалої експлуатації апаратури (другий період) настає останній, третій період, який характеризується значним зростанням інтенсивності відмов через старіння та спрацювання елементів. Зростання інтенсивності відмов пояснюється незворотними змінами параметрів і характеристик елементів.

Процеси старіння відбуваються безперервно, але можуть пришвидшитися під виливом різних факторів (тепло, волога, світло тощо).

Причиною старіння є складні фізико-хімічні процеси, які відбуваються в елементах апаратури протягом всього часу її експлуатації. До них відносяться: структурні зміни в діелектриках і дротах, хімічні перетворювання в матеріалах, які є єднальні і насичені, порушення електричної та механічної міцності матеріалів та елементів конструкції, порушення герметичності тощо. Швидкість старіння також визначається режимами роботи.

кваліфікація обслуговуючого персоналу;

дотримування правил технічної експлуатації;

ступінь організованості системи технічного обслуговування.

Одним з важливих факторів є кваліфікація обслуговуючого персоналу.

Кваліфікація відбивається на якості підготовки ЕА до роботи, а також на процесі поновлення її працездатності після відмов. Чітке виконання правил технічної експлуатації сприяє утриманню ЕА у справному стані, оскільки ці правила передбачають саме такі дії обслуговуючого персоналу, які забезпечують якісну експлуатацію ЕА.

Ступінь організованості і системи обслуговування визначає кращі методи і форми організації експлуатації ЕА, при яких забезпечується висока безвідмовність і довговічність апаратури. Вона передбачає організацію ряду заходів (профілактика, ремонт, постачання запасних елементів), спрямованих на забезпечення експлуатації з найбільш високим значенням коефіцієнта готовності.

Слід зазначити, що поліпшенню експлуатації сприяє надійне збирання та опрацювання даних експлуатації ЕА.

Отримані статистичні дані та їх аналіз допомагає краще організувати систему технічного обслуговування, забезпечення запасними елементами та прогнозувати можливі відмови. Ці результати також корисні і під час розробки нової апаратури, оскільки допомагають заздалегідь врахувати особливості експлуатації і недоліки попередніх розробок.

Електричні режими

електронний апарат надійність

Всі елементи ЕА характеризуються припустимими навантаженнями за потужністю розсіяння, струмом, напругою тощо. Отже, робота елементів при гранично припустимих навантаженнях скорочує термін їх служби і не гарантує надійної роботи. Зменшення навантаження до оптимального збільшує надійність роботи.

Про значення реального навантаження роблять висновки за систематичними даними експлуатації та заміром режимів роботи елементів. Для оцінки режиму роботи використовують коефіцієнт навантаження за потужністю і за напругою.

Коефіцієнт навантаження за потужністю:

Кр=Рр /Рн,(2)

де Рр - робоче значення потужності розсіяння;

Рн - номінальне значення потужності розсіяння.

Коефіцієнт навантаження за напругою:

Кu=Up /Uн,(3)

де Up - робоче значення навантаження;н - номінальне значення навантаження.

Під час проектування зазвичай приймають коефіцієнт електричного навантаження 0,5-0,6.

Істотно впливає на температуру усередині апарата та температуру окремих елементів температура зовнішнього середовища. Сезонне коливання температури досягає (60-80)°С, добове коливання становить (20-40)°С.

Підвищення температури елемента приводить до підвищення коефіцієнта навантаження. Неабияким фактором є швидкість і циклічність зміни температури в апараті.

Несприятливі дії на надійність чинять як негативні, так і позитивні температури. Особливо помітне зростання інтенсивності відмов під час дії позитивних температур. Так, наприклад, при збільшенні температури від +20°С до 85°С зростає інтенсивність відмов германієвих транзисторів втричі
(від 0,2·10-7 1/год до 0,6·10-7 1/год), а інтегральних мікросхем - у 3-5 разів
(від 0,1·10-7 1/год до 0,5·10-7 1/год).
Підвищена температура сприяє розпаду органічних матеріалів, погіршенню ізоляційних властивостей різних заливок, обмоток, механічних властивостей полімерів, що приводить до деформування деталей і виходу їх з ладу.
Періодичні зміни низьких і високих температур особливо швидко приводить до порушення різних обмоток (трансформаторів, індуктивностей, дроселів). При негативних температурах пластмаси втрачають міцність, гумові деталі стають крихкими. У тріщини, що виникли в ізоляції, потрапляє волога, зменшується її електрична міцність.

Легко руйнується зєднання пластика з металами, сплави метала зі склом, порушується пайка, зменшується ємність електролітичних конденсаторів, зменшується коефіцієнт підсилення транзисторів.

Слід зазначити, що в результаті підвищення вологості помітно знижується надійність ЕА:

λв= λн·в·Кв, (4)

де λн·в - інтенсивність відмови при нормальній вологості;

Кв - поправочний коефіцієнт на підвищену вологість.

Наведемо значення поправочного коефіцієнта для різної вологості.

Таблиця 2 - Значення поправочного коефіцієнта для різної вологості

Вологість, %Температура, °СПоправочний коефіцієнт60-70 90-98 90-9820-40 20-25 30-401 2 2,5

Знижений тиск, забрудненість повітря

Вплив зниженого тиску в основному поширюється на апаратуру, яка використовується в літаках, гелікоптерах, космічній апаратурі, ракетах, а також у гірській місцевості на висоті понад 1000 м. Значення атмосферного тиску залежить від висоти підйому, температури і широти місця.

Знижений тиск впливає на ізоляційну властивість повітря, приводить до зміни ємності повітряних конденсаторів та характеристик інших елементів, в яких повітря використовується як ізолятор.

При зниженому тиску легко виникає тліючий розряд між дротами, які знаходяться під високою напругою. При зміні висоти від 1000 м до 1600 м значення пробивної напруги зменшується в чотири рази.

Знижений тиск погіршує відведення тепла від елементів ЕА, що може привести до їх перегріву, особливо на великих висотах, оскільки уже на висоті 6 км теплоємність повітря зменшується вдвічі порівняно з його теплоємністю біля землі.

Знижений тиск приводить до деякого збільшення інтенсивності відмов:

λ= λНД ·КД, (5)

де λНД - інтенсивність відмов при нормальному тиску.

Залежність атмосферного тиску від висоти та значення поправочного коефіцієнта КД наведена в табл. 3

Висота, кмТиск, мм. рт. ст. (Па)Поправочний коефіцієнт, КД0,1 1 3 5 10700 (93100) 670 (89110) 520 (69160) 405 (53865) 195 (25935)1 1,05 1,14 1,16 1,3

Окремий поправочний коефіцієнт на забруднення повітря не запроваджується.

Механічні навантаження

Основними механічними навантаженнями є удари та вібрація. Наслідками удару є коливання, які затухають, та великі прискорення, які передаються елементам ЕА.

Удари та вібрації приводять до порушення цілісності паяння, контактів, пошкодження електронних елементів, обривів монтажних дротів, до порушення регулювань тощо.

Механічні впливи прийнято оцінювати за значенням створюваного прискорення та вимірювати в одиниці прискорення вільного падіння.

Ударні прискорення можна вирахувати за формулою:

y=V 2/2·9,81ℓy,(5)

де gy - прискорення в відносних одиницях;- миттєва швидкість у момент удару, м/с;

ℓy - переміщення тіл при ударі.

Вібрації являють собою складні механічні коливання, що зазнає апаратура при безпосередньому контакті з джерелом коливань. Характеристиками вібрацій є їх довготривалість, діапазон частот та значення відносного прискорення.

Відносне прискорення при вібраціях можна визначити за відомою частотою коливань та амплітудою переміщення:

в=4πf 2ℓв /9,81,(6)

де f - частота коливань;

ℓв - амплітуда переміщення, м.

Внаслідок вібрацій та ударів параметр потоку відмов однієї і тієї самої апаратури, встановленої в літаках та ракетах, буде у 100 разів вище, ніж на землі.

Будь-яка апаратура, в тому числі і побутова, проходить випробування на впливи зовнішніх механічних і кліматичних факторів.

Наприклад, ГОСТ-11478-88 „Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Нормы и методы испытаний на воздействие внешних механических и климатических факторов містить вимоги на міцність при транспортуванні, вібростійкість і режими, в яких проводяться випробування ЕА за оцінкою впливу наведених факторів.

Характеристики за вібраціями та перевантаженням різних видів перевезення наведені в табл. 4.

Таблиця 4 - Характеристики за вібраціями та перевантаженням різних видів перевезення