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: суб’єктивні та об’єктивні.

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

До об’єктивних факторів відносяться різні несприятливі для роботи апаратури впливи зовнішнього оточення, пов’язані 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, пов’язані 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 об’єктивні фактори, обумовлені впливом зовнішнього оточення, та суб’єктивні, пов’язані 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

Ми розглядатимемо фактори об’єктивного і суб’єктивного 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 λ_ні. Інтенсивність відмов елементів при експлуатації в реальних умовах λі дорівнює номінальній інтенсивності відмов λ_ні, помноженій на поправочний коефіцієнт, який враховує вплив будь-якого фактора

λі=λ_ні·К_і. (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.

Значно впливають на надійність ЕА у процесі її експлуатації фактори суб’єктивного характеру, пов’язані з діяльністю обслуговуючого персоналу. Основними з них є:

- 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.

2 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:

К_р=Р_р /Р_н , (2)

де Р_р – робоче значення потужності розсіяння;

Р_н – номінальне значення потужності розсіяння.

Коефіцієнт навантаження за напругою:

К_u=U_p /U_н , (3)

де U_p – робоче значення навантаження;

U_н – номінальне значення навантаження.

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

3 Температура, вологість, атмосферні опади

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^-71/_год до 0,6·10^-71/_год), а інтегральних мікросхем – у 3-5 разів
(від 0,1·10^-71/_год до 0,5·10^-71/_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 з’єднання 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:

λ_в= λ_н·в·К_в, (4)

де λ_н·в – інтенсивність відмови при нормальній вологості;

К_в – поправочний коефіцієнт на підвищену вологість.

Наведемо значення поправочного коефіцієнта для різної вологості.

Таблиця 2 – Значення поправочного коефіцієнта для різної вологості

4 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= λ_НД ·К_Д, (5)

де λ_НД – інтенсивність відмов при нормальному тиску.

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

Таблиця 3 – Залежність атмосферного та значення поправочного коефіцієнта

Окремий поправочний коефіцієнт на забруднення повітря не запроваджується.

5 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:

g_y=V ²/2·9,81ℓ_y,(5)

де g_y – прискорення в відносних одиницях;

V – миттєва швидкість у момент удару, м/с;

ℓ_y – 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:

G_в=4πf ²ℓ_в /9,81, (6)

де f – частота коливань;

ℓ_в – 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