Надежность радиодеталей и компонентов

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение города Москвы «Политехнический колледж им. Н.Н. Годовикова» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по профессиональному модулю Технология формирования систем автоматического управления типовых технологических процессов, средств измерений, несложных мехатронных устройств и систем для специальности 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) ЛЕКЦИЯ 5 Надежность радиодеталей и компонентов Составитель Е. В. Елисеева Москва 2018 1 Содержание Тема 1 Расчет надёжности радиодеталей и радиокомпонентов…………… 3 Тема 2 Надёжность резисторов и конденсаторов…………………………... 7 Тема 3 Надёжность полупроводниковых приборов…………………………13 Тема 4 Надежность реле и коммутирующих устройств…………………….16 Тема 5 Надежность трансформаторов, дросселей и катушек индуктивности …………………………………………………………………………………..19 Тема 6 Расчет надежности радиодеталей, радиокомпонентов и радиоэлектронной аппаратуры, собранной на них…………………………..22 2 Тема 1. Расчет надежности радиодеталей и радиокомпонентов. Интенсивность отказов радиодеталей и радиокомпонентов и меры для ее уменьшения. Надежность РЭА в значительной степени определяется безотказностью работы элементов, на которых она построена. Следовательно, задача обеспечения надежности РЭА сводится главным образом к обеспечению безотказной работы этих элементов. Наиболее удобной количественной характеристикой надежности элементов, как указывалось выше, является интенсивность (опасность) отказов. В табл. 5.1 приведены данные по интенсивности отказов λ0 распространенных элементов, полученные на основе статистического анализа данных в периоде нормальной работы аппаратуры определенного типа и назначения. В этом периоде интенсивность отказов элементов данного типа можно считать постоянной, т.е. λ0=const. Таблица 5.1 Интенсивность отказов элементов зависит от многих факторов: от качества исходных материалов, конструкции, технологии изготовления и культуры производства, от условий эксплуатации и режима работы элемента. 3 При определении интенсивности отказов по табл. 5.1 нужно учитывать уровень надежности элементов, условия эксплуатации, режим работы и окружающую температуру. Учет этих факторов производится с помощью соответствующих коэффициентов. Уровень надежности элементов. Элементов одного и того же назначения изготавливают с различными уровнями надежности: верхний (В), средний (С) и низкий (Н). Максимальные значения, указанные в табл. 5.1 относятся к элементам уровня B. Интенсивность отказов элементов среднего и низкого уровней надежности увеличивается в К ун раз по сравнению с элементами верхнего уровня надежности: λ= λ0Кун, где Кун – коэффициент уровня надежности. Для элементов среднего уровня надежности он равен 10, а для элементов низкого уровня 100; λ0 определяют по табл. 5.1. Уровень надежности элементов закладывается при конструировании и зависит от того, насколько учитывается при этом возможные условия эксплуатации. 4 Условия эксплуатации элементов. Значительное количество отказов элементов связано с воздействием на них механических возмущений и климатических факторов: холода, тепла, влаги, и т.д. Влияние условий эксплуатации на опасность отказов элементов можно приближенно учесть с помощью рис. 5.1. При этом опасность отказов элементов с учетом уровня их надежности λ= λ0КуКун, где λ0 – минимальное значение опасности отказов, взятое из табл. 5.1; Ку – коэффициент, учитывающий условия эксплуатации (определяется из рис. 5.1). Пример. Определить интенсивность отказов резисторов, установленных в наземной аппаратуре, если они имеют уровень надежности С (Кун=10). Решение. По табл. 5.1 находим λ0=0,0001×10-3, по рис. 5.1 определяем Кун≈13. Следовательно, λ=0,0001×10-3×10×13= 0,013×10-3 отказов/ч. Режим работы и окружающая температура. Каждый работающий элемент РЭА испытывает электрическую, тепловую и механическую нагрузки, которые существенно влияют на величину опасности отказов. Существуют номинальные величины электрической, тепловой и механической нагрузок, при которых допустима работа элементов. Для учета влияния нагрузки на величину опасности отказов используют коэффициент нагрузки Кн. Если опасность отказов при номинальной нагрузке равна λ0, то при нагрузке, отличающейся от номинальной, она будет равна λ= λ0Кн. Коэффициент нагрузки определяют, как отношение рабочего (расчетного или физического) значения контролируемого параметра КР к номинальному значению соответствующего параметра элемента Кном, взятого из НТД, т.е. Кн=Кр/Кном. Контролируемым параметром элемента называют такой, который в наибольшей мере, чем другие, определяет режим, характер и надежность его работы. Так, для конденсатор контролируемый параметр - приложенное к 5 нему напряжение, для резистора – рассеиваемая мощность. Некоторые элементы имеют два и более контролируемых параметров. Например, для реле контролируемыми параметрами являются: ток или напряжение обмотки возбуждения, напряжение переключающей цепи; ток, проходящий через контакты переключаемой цепи. Использование элементов в перегруженном режиме (Кн>1) резко сокращает срок их службы. Наоборот, использование их в недогруженном режиме (Кн<1) уменьшает среднюю частоту отказов аппаратуры и значительно увеличивает продолжительность ее нормальной работы. Исходя из этого, в большинстве современных образцов РЭА большая часть элементов работает в недогруженном режиме. Практика показывает, что свыше 50% используемых в РЭА резисторов работают с Кн<0,1, а с Кн>0,5 – менее 5% всех используемых резисторов. Основная часть используемых в РЭА конденсаторов также имеет Кн<0,1, а в режиме превышающем допустимую нагрузку (КН>1), работает лишь около 2% используемых конденсаторов. Допустимые значения коэффициентов нагрузки элементов зависят от характера и условий работы аппаратуры. На основе опыта разработки и эксплуатации данного вида изделия устанавливают оптимальные значения коэффициентов нагрузки. С учетом коэффициента нагрузки экспоненциальный закон надежности элементов будет иметь вид P(t)=exp(-Кн λ0t), где λ0 – опасность отказов при номинальной нагрузке. Температура является одним из наиболее активных факторов, влияющих на отказы элементов. Под действием тепла и холода изменяются как физические, так и химические свойства материалов, из которых сделаны радиодетали и радиокомпоненты. Чрезмерное изменение свойств материалов может привести к недопустимым изменениям геометрических размеров, электрических и механических параметров элементов, т.е. к их отказу. 6 Тема 2. Надежность резисторов и конденсаторов. Надежность резисторов и конденсаторов обычно характеризуется интенсивностью отказов λ и средней наработкой до первого отказа Tср. Резисторы являются наиболее массовыми типовыми элементами РЭА. Их надежность по сравнению с другими элементами относительно велика. Однако отказы аппаратуры, вызываемые выходом резисторов и конденсаторов из строя, наблюдаются довольно часто в связи с тем, что в аппаратуре их в несколько раз больше, чем остальных элементов (иногда они составляют 50% от всех элементов). Резисторы. Статические данные показывают, что обрыв токопроводящего слоя и нарушение контакта резистора – наиболее типичный вид отказа (свыше 50%). Значительный процент отказов (35-40%) относят за счет перегорания токопроводящего слоя. Около 5% отказов вызывается резким изменением величины сопротивления резистора (в 10-100 раз и более). Количество отказов резисторов меняется с течение времени и зависит в основном от условий применения, технологии производства, качества материалов. Нагрев резистивного слоя за счет мощности, рассеиваемой на резисторе в рабочем режиме, и резкие изменения температуры окружающей среды вызывают необратимые накапливающиеся изменения в резисторе. Такие изменения нередко приводят к внезапному отказу. Снижения электрической нагрузки резистора, создание условий работы, исключающих резкие изменения температуры, повышают его надежность. Электрическую нагрузку непроволочных и проволочных резисторов постоянного сопротивления удобно характеризовать коэффициентом нагрузки резистора – отношением фактической мощности Pф, рассеиваемой на резисторе, к номинальной Pном. Кн=PФ/Pном. 7 Чем больше это отношение, тем в более тяжелом режиме используется резистор и, следовательно, можно ожидать меньшего срока его службы и наступления отказа. Зависимость интенсивности отказов пленочных (1), проволочных (2) и углеродистых (3) резисторов от температуры t окружающей среды при номинальной нагрузке дана на рис. 5.2, а на рис. 5.3 – зависимость интенсивности отказов объемного резистора с номинальной мощность рассеяния в 1 Вт от окружающей температуры t при разных коэффициентах нагрузки Кн. Из приведенных кривых видно, что резисторы целесообразно использовать в облегченных режимах. Загружать резисторы номинальной нагрузкой можно только при определенной температуре. Например, 40 оС для резисторов типа ВС и 70оС – для МЛТ (данные приводятся в НТД на конкретные типы резисторов). На надежность резисторов отрицательно влияет влага. Она ускоряет коррозию контактных выводов, что нередко приводит к их обрыву, и способствует растрескиванию защитных эмалей. Проникшая через трещины влага разрушает резистивный слой или проволоку. 8 При длительных механических воздействиях происходят усталостные изменения в материалах, используемых в конструкции резисторов, что в конечном итоге приводит к скачкообразному изменению свойств резисторов, т.е. к их внезапному отказу. С конструктивной точки зрения, надежность резисторов существенно зависит от качества проводящего слоя и его геометрических размеров. Чем меньше сечение проводящего слоя и чем больше его длина, тем ниже надежность. Этим объясняется сравнительно низкая надежность поверхностных резисторов со спиральной нарезкой и резисторов с номиналами более 0,5 МОм. Наиболее надежными являются резисторы композиционного типа, так как отказать они могут только при механических повреждениях тела резистора, что в нормальных условиях эксплуатации бывает очень редко. Мгновенные отказы резисторов возможны из-за нарушения целостности контактного узла. Наиболее частые отказы этого вида наблюдаются у поверхностных резисторов из-за возникающих механических перенапряжений. У объемных резисторов таких отказов нет, так как у них контактный вывод работает на сжатие. При работе резисторов иногда появляются необратимые изменения величины активного сопротивления, что ведет к уходу параметров изделия за допустимые пределы (у объемных резисторов чаще, у поверхностных – реже). Необратимые изменения величины активного сопротивления наиболее вероятны у резисторов, работающих в цепях постоянного тока. Это объясняется возникновением электрических процессов в керамическом стержне, приводящих к разрушению краев витков проводящего слоя. Электрические процессы усиливаются при недопустимо высоких влажности и температуре. Снижение влажности и температуры уменьшает их. У нарезных резисторов, работающих при импульсных нагрузках, также имеют место необратимые изменения величины активного сопротивления. Это можно объяснить неравномерным распределением потенциала на витках 9 токопроводящего слоя и, как следствие, образованием большой плотности тока у канавки. При прохождении через резистор импульсных токов в местах максимальной плотности возникают значительные перегревы, вызывающие тепловое разрушение проводящего слоя. Снижение рассеиваемой на резисторе мощности в этом случае повышает его надежность. Большинство резисторов имеют в начальный период работы такую же надежность, как и в период нормальной работы. Характерной особенностью резисторов при их работе в схемах является то, что их отказы более чем в 50% случаев вызывают конденсаторов, отказы короткие других элементов, замыкания в например, пробои электровакуумных и полупроводниковых приборах. Это обстоятельство заставляет обращать серьезное внимание на надежность резисторов при их конструировании, изготовлении и испытаниях. Конденсаторы. Наиболее частым видом отказов конденсатора является пробой диэлектрика и перекрытие изоляции между обкладками (поверхностный заряд). Эти отказы составляют около 80% всех отказов и возникают из-за наличия слабых мест в диэлектрике и технологических дефектов, допущенных при производстве. Довольно часто конденсаторы выходят из строя из-за обрывов выводов. Около 15% отказов конденсаторов вызваны уменьшением из емкости ниже допустимой. Чаще это наблюдается у электрических конденсаторов. Из-за уменьшения сопротивления изоляции выходят из строя около 5% конденсатора. Количество отказов конденсаторов зависит и от их назначения в схеме. Наибольшая опасность отказов наблюдается у разделительных и блокировочных конденсаторов, наименьшая – у контурных и накопительных. Это объясняется различием режимов их работы. На надежность конденсаторов существенное влияние оказывает температура, влажность и частота питающего напряжения. Конденсаторы с большей электрической и тепловой нагрузкой имеют повышенное число отказов. 10 Электрическая нагрузка конденсаторов постоянной емкости характеризуется коэффициентом нагрузки Кн, равный отношению рабочего напряжения Up к номинальному Uном. Кн=Up/Uном. Из формулы ясно, что увеличение Кн означает увеличение рабочего напряжения Up на конденсаторе, а это всегда снижает сопротивление изоляции, нередко вызывает появление внутренней короны и пробой диэлектрика. Например, повышение рабочего напряжения электролитических конденсаторов на 30% от номинального обычно приводит к их пробою. Нагрев конденсатора снижает электрическую прочность диэлектрика и сопротивление изоляции, увеличивает тангенс угла диэлектрических потерь. Причем местное уменьшение сопротивления изоляции вызывает повышение температуры конденсатора и, как следствие, еще большее возрастание потерь и снижение сопротивления изоляции. Развитие этих процессов приводит к пробою конденсатора. Особенно опасно для возникновения этого процесса место, занимаемое контактным выводом. Пропиточные и заливочные составы, используемые в конденсаторах, могут служить причиной их разрушения. При нагреве давления в корпусе герметизированного конденсатора достигает значительной величины, что может привести к деформации корпуса. При 11 низкой температуре происходит усадка заливочного материала, а это может вызвать перекрытие или пробой оголенной секции. Зависимости интенсивности отказов от температуры при разных коэффициентах нагрузки для керамических конденсаторов приведены на рис. 5.4, a, а для слюдяных – на рис. 5.4, б. Из графиков видно, что надежность конденсаторов с уменьшением температуры и Кп заметно повышается. Влажность окружающей среды является причиной увеличения тангенса угла диэлектрических потерь, снижения электрической прочности и сопротивления изоляции, что ведет к снижению пробивного напряжения. Это особенно сильно заметно в негерметизированных конденсаторах. У керамических конденсаторов, предназначенных для работы при высоком напряжении, повышенная влажность окружающей среды может привести к снижению пробивного испытательного. При напряжения, набухании и оно эмалевого может покрытия оказаться ниже керамического конденсатора под действием влаги и проникновении ее на межразрядный участок резко увеличивается проводимость на этом участке из-за электролиза и миграции серебра, что может послужить причиной замыкания электродов. Замыкание по поверхности разрушает керамическое основание конденсатора. Аналогичное явление происходит в слюдяных и стеклоэмалевых конденсаторах с обкладками из серебра. Надежное влагозащитное покрытие замедляет протекание нежелательных процессов под действием влаги. Среди керамических наиболее надежны низковольтные конденсаторы КГК и КДК, однако при относительно высокой влажности они менее надежны, чем, например, КТК. На высоких частотах (500 – 700 МГц) используют конденсаторы КДУ. конденсаторы КПК. Наименее В тепло- высоконадежной и влагостойкими аппаратуре их являются применение нецелесообразно. В противоположность резисторам основное количество отказов у конденсаторов наблюдается в начальный период эксплуатации. Так, около 12 70% всех пробоев происходит до наступления нормального периода работы, где действует условие λ=const. Это обстоятельство дает возможность значительно повысить надежность конденсаторов путем отбраковки малонадежных образцов. Тема 3. Надежность полупроводниковых приборов. Полупроводниковые приборы, обладая целым рядом преимуществ, нашли большое применение в РЭА. Одним из важнейших их преимуществ является более высокая надежность, чем у электровакуумных приборов повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам и малые значения рассеиваемой мощности. В проблеме надежности полупроводниковых приборов сложность заключается в получении их стабильных параметров при воздействии внешних факторов. Дело в том, что электрические свойства полупроводникового материала сильно зависят от внешних воздействий и главным образом от влияния температуры. Высшая температура для полупроводникового прибора определяется переходом базы в область собственной проводимости. Для германия эта температура лежит в пределах 80 – 1000С, для кремния 150 – 200оС, для карбида кремния 300-400оС. Полупроводниковые приборы очень чувствительны к перегрузкам по току и по напряжению и выходят из строя даже при кратковременных перегрузках. Основной причиной внезапных отказов полупроводниковых приборов является перенапряжение между коллектором и базой, возникающее во время переходных процессов. Иногда отказы могут быть обусловлены обратными импульсными выбросами на участке база – эмиттер. Частым видом внезапных отказов является также обрыв электрической цепи, короткие замыкания и недопустимые отклонения параметров элемента от номинала. Постепенные отказы полупроводниковых приборов возникают большей частью из-за изменения их параметров, причем наиболее 13 интенсивное изменение параметров отмечаются в начальный период эксплуатации, составляющий несколько сотен часов. В дальнейшем скорость изменения параметров уменьшается и с наступлением периода старения снова растет. Изменения параметров полупроводниковых приборов большей частью наблюдаются при повышенных напряжениях на коллекторе или из-за проникновения влаги в прибор при нарушении герметичности. Такое нарушение обычно вызывается различием коэффициентов линейного расширения металлов и проходных изоляторов. Отказы полупроводниковых приборов могут появляться в результате изменения структуры полупроводникового материала за счет случайного проникновения посторонних веществ в прибор при его сборке и герметизации. Надежность полупроводниковых приборов, главным образом, зависит от температуры перехода, определяемой по формуле: tпер=tокр+ θPср, где tпер – температура перехода (для транзисторов температура коллекторного перехода); tокр – температура окружающей среды или температура корпуса (приборы с жесткими выводами); Pcр – средняя мощность рассеяния при температуре перехода (для транзисторов – температура коллекторного переход); θ – тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой (для приборов с мягкими выводами) или между переходом и корпусом ( для приборов с жесткими выводами). Для наиболее употребительных транзисторов тепловое сопротивление между переходом и корпусом θ=0,11оС/мВт, а между переходом и окружающей средой θ=0,25оС/мВт. Опасность отказов полупроводниковых приборов зависит от температуры окружающей среды и от коэффициента нагрузки. Причем опасность отказов транзисторов выше, чем опасность отказов диодов, так как транзисторы имеют два перехода, более сложную конструкцию и большее число выводов. 14 Коэффициент нагрузки полупроводниковых приборов в общем случае определяют по формуле: Кн=Pp/Pном, Где Pp и Pном – рабочая и номинальная мощности рассеяния. Характеристики кремниевых и германиевых приборов показывают, что во всем интервале снижения номинальных параметров опасность отказов их меняется непрерывно от какой-то определенной установившейся величины приблизительно в одинаковой пропорции. Однако кремниевые полупроводниковые приборы работают без снижения номинальных параметров до более высоких температур, чем германиевые, а поэтому опасность отказов кремниевых полупроводниковых приборов при той же температуре будет ниже. Особенно сильное влияние температуры на опасность отказов полупроводниковых приборов достижения некоторого критического значения Кн начинается кр, после связанного с температурой окружающей среды следующим соотношением: Кн кр=exp [-3(To – 25)/(Tmax – 25)], Где To – температура окружающей среды, оС; Tmax – максимально допустимое значение температуры окружающей среды, оС, оговоренное в НТД. 15 На основе оценки опасности отказов точечных транзисторов установлено, что влияние температуры и мощности рассеяния на надежность этих транзисторов можно определить из уравнения: λ=4,445×10-4exp [-1,336(1/To – 1/358,16) + 0,046PP], где To – окружающая температура (в градусах Кельвина К); 358,16=85oС – максимально допустимая температура электронно-дырочного перехода; Pp – рабочая мощность рассеяния, мВт. На рис. 5.5 даны расчетные зависимости интенсивности отказов точечных транзисторов от температуры окружающей среды и мощности рассеяния (штриховая кривая – для хранения), полученные по этому уравнению. Тема 4. Надежность реле и коммутирующих устройств. Реле и коммутирующие устройства довольно широко используют в РЭА. Их относят к электромеханическим элементам, для которых характерны постепенные отказы. При оценке интенсивности отказов этих элементов обязательно указывают период времени, к которому относится эта интенсивность. Около 25% отказов реле, контакторов, выключателей и различного рода соединителей возникает в конце заданного срока службы и только около 2,5% в период, соответствующий 70% за данного срока службы. Причем для реле, контакторов и выключателей интенсивность отказов принято относить к одному циклу включения, а для соединителей – к одному контакту. Надежность реле обычно достаточно высокая (одно неверное срабатывание на 107 включений). Для реле типичны следующие отказы: неисправности в контактных системах (около 56% отказов), в обмотках реле (около 20% отказов), нарушение паек и механические повреждения. 16 Наиболее часто встречающимся отказами являются: обгорание, загрязнение и замыкание контактов, разрегулировка, поломка и ослабление контактных пружин, пробои изоляции обмотки на корпус. Реже встречаются отказы из-за обрывов и межвитковых замыканий обмоток, отказы из-за ухода параметров за пределы допусков, плохого центрирования контактов и снижения упругости пружин. Все эти отказы частично можно предотвратить при соответствующей культуре производства и эксплуатации. Отказ контактов может быть вызвана большим током включений, большой величиной установившегося тока или скачком напряжения при размыкании индуктивной цепи. Контакты реле и переключателей в ряде случаев испытывают значительные кратковременные перегрузки в результате переходных процессов в коммутируемых цепях. Например, контакты, стоящие в цепях питания электродвигателей, испытывают десятикратные перегрузки из-за больших пусковых токов. Способность к свариванию контактов тем больше, чем ниже температура плавления металла контакта, больше его удельное сопротивление и твердость. Ложные срабатывания реле возникают при недостаточном контактном давлении, вибрации или вследствие усталости материала. При нагревании катушек реле летучие продукты лаков и компаундов осаждаются на контактные поверхности. Это приводит к отказам в контактах, по которым проходят малые токи. Повышение температуры катушек реле вызывает увеличение их сопротивления, и ток в обмотке реле может уменьшиться до величины, недостаточной для срабатывания реле. При длительном пребывании реле, контакторов, выключателе, разъемов и других электромеханических элементов во влажной атмосфере сопротивление изоляции между токонесущими частями сильно снижается, что может служить причиной их отказа. При работе электромеханических элементов в условиях пониженного давления облегчается образование дуги и коронного разряда. Отказы по этой причине особенно часто возникает у реле, микровыключателей 17 и штепсельных разъемов, не приспособленных для работы при низком давлении. При оценке надежности реле, переключателей и коммутирующих устройств, как было указано выше, часто других вместо показателей, связанных со временем их работы, используют показатели, связанные с числом их срабатываний (циклов). В этом случае наработка на отказ выражается средним числом срабатываний, приходящихся на один отказ, опасность отказов – числом отказов, приходящихся на одно срабатывание, а вероятность безотказной работы оценивают за определенное число срабатываний. Известная средняя скорость срабатывания устройства позволяет легко перейти к временным параметрам. Так, для реле, имеющего наработку на отказ 120 000 циклов при средней скорости переключения 15 циклов/ч, наработки на отказ равна 120 000/15=8000 ч. Надежность реле и коммутирующих устройств зависит в значительной степени и от числа контактов, плотности тока и числа срабатываний. Зависимость интенсивности отказов от указанных характеристик можно 18 записать в виде λ= λ0+ Δ λкƞкNк, где λ0 – интенсивность отказов реле данного назначения и конструкции; λк – дополнительная доля интенсивности отказов одной пары контактов, зависящая от числа срабатываний в час и от предельного числа срабатываний; ƞк – коэффициент, учитывающий плотность тока контакта; Nк – число действующих контактов. Зависимость Δ λк от числа срабатывания реле, рассчитанных на различное предельное число срабатываний, и ƞк от коэффициента нагрузки контакта приведены на рис. 5.6. Большое влияние на надежность реле и коммутирующих устройств оказывают вибрации. При определенной амплитуде и частоте вибраций возникают временные сбои в работе вследствие беспорядочного размыкания и замыкания контактов. Тема 5. Надежность трансформаторов, дросселей и катушек индуктивности. Опасность отказов трансформаторов, дросселей и катушек индуктивности имеет примерно тот же порядок, что и резисторы, если эти элементы применяют в соответствии с ТУ на них. Характерными для этих элементов являются отказы: перегорание и обрыв обмоток, пробой изоляции обмоток на корпус, замыкания между обмотками и между витками. Основное влияние на надежность трансформаторов, дросселей и катушек индуктивности оказывают электрические режимы (плотность тока в обмотках и напряжение между обмотками), а также влага и температура окружающей среды. К основным причинам отказов этих изделий относят: повышенное напряжение первичной обмотки; повышенный ток вторичных обмоток; флюктуацию частоты входного сигнала. Если напряжение первичной обмотки будет превышает номинальное напряжение на 20%, то произойдет преждевременный пробой. Если же это напряжение будет значительно выше, то произойдет мгновенный пробой изоляции. Повышенный ток вторичных обмоток ведет к перегреву трансформатор, что 19 уменьшает электрическую прочность изоляции, к обрыву или короткому замыканию обмотки, деформации или разрушению корпуса в результате расширения заливочного материала. Работа на частотах ниже допустимых снижает реактивное сопротивление и повышает ток, а работа на частотах выше допустимых увеличивает потери в сердечнике. В обоих случаях температура трансформатора (дросселя) превышает номинальную и электрическая прочность изоляции уменьшается, так как между этими величинами существует обратная зависимость. Причиной значительного числа повреждений трансформаторов, дросселей и катушек индуктивности является влага. С изменением температуры влага проникает внутрь обмотки или, наоборот, испаряется. Помимо непосредственного проникновения через заливочный материал, влага впитывается и через выводы обмоток. Попавшая внутрь обмоток влага снижает сопротивление изоляции между витками обмоток, способствует пробою изоляции и возникновению электролитического процесса за счет растворенных в воде солей – все это снижает надежность. Поэтому очень важная роль в повышении надежности трансформаторов, дросселей и катушек индуктивности принадлежит пропитке обмоток влагозащитными материалами и герметизации. Повышение температуры окружающей среды на 8 – 10оС снижает срок службы изоляции. Окраска внутренней и внешней поверхностей защитного кожуха черной матовой краской способствует снижению температуры магнитопровода трансформатора (дросселя) на 5 – 7оС. Для оценки свойств трансформаторов при длительном функционировании используют интенсивность отказов λ. При этом для трансформаторов питания при температуре окружающей среды +20оС и номинальной нагрузке значение λ лежит в интервале (0,00005 – 0,002)×10-3, а при температуре +85оС – ухудшается примерно в 30 раз. Отказы трансформаторов в основном обусловлены процессами старения изоляции под 20 действием высокой температуры и не носят случайного характера. Поэтому λ неточно отражает закономерности отказов трансформаторов. Однако в трансформаторах наблюдаются также внезапные отказы по чисто случайным причинам, которые можно описывать, используя λ и экспоненциальный закон надежности. При этом для определения λ при испытаниях трансформаторов учитывают только те отказы, которые не обусловлены старением материалов. Высокостабильные и крупногабаритные дроссели и катушки индуктивности с использованием провода диаметром более 0,5 мм, рассчитанные на большие рассеиваемые мощности, имеют хорошую механическую прочность. Поэтому внезапные отказы у них наблюдаются чрезвычайно редко. Для повышения механической прочности и влагостойкости, миниатюрные катушки индуктивности и дросселей на тороидальных и броневых сердечниках с использование проводов диаметром меньше 0,1 мм пропитывают, обволакивают или заливают компаундами, или смолами. При затвердевании их в катушках индуктивности и дросселей возникают значительные механических воздействиях к увеличению числа внезапных отказов в виде обрыва провода обмоток. Из вышесказанного ясно, что λ разных катушек индуктивности и дросселей имеют разную величину. Этим объясняется значительное различие λ, приводимых в разных источниках. 21 Тема 6. асчет надежности радиодеталей, радиокомпонентов и радиоэлектронной аппаратуры, собранной на них. Существующие методы расчета надежности радиодеталей и радиокомпонентов и РЭА, собранной на них, позволяют получить ориентировочную оценку ожидаемой надежности на стадии конструирования. Эта оценка дает возможность сопоставить полученные расчетным путем, количественные характеристики надежности с заданными характеристиками и принять решение об их соответствии или несоответствии ожидаемым значениям критериев надежности. Если расчетная надежность ниже требуемой, принимают меры схемного, конструктивного или технологического характера для ее повышения. Расчет надежности всех радиодеталей и радиокомпонентов сводится обычно к определению количественных значений наработки на отказ To и вероятности безотказной работы P(t) по известным интенсивностям отказов λ. Пример 1. Определить среднюю наработку на отказ Tср резистора, имеющего λ=0,002×10-3 1/ч (см. табл. 5.1). Решение: Tср=To=1/ λ=1/0,002×10-3=5×105 ч. Пример 2. Определить вероятность безотказной работы конденсатора, имеющего λ=0,05×10-3 1/ч за 50 ч. Решение: P(50)=e- λT=e-0,05*10-3*50=e-0,0025=0,9975. Расчет надежности РЭА подразделяют на два вида: приближенный (ориентировочный) и полный (окончательный). Для приближенного расчета исходными данными служат усредненные значения интенсивностей отказов λi типовых элементов и число Ni элементов определенного типа в каждой группе. В группу объединяют элементы, имеющие достаточно близкую интенсивность отказов. В отдельных случаях для ориентировочного расчета надежности конструируемой РЭА достаточно 22 знать общее число элементов в системе и данные о надежности аналогичной аппаратура, полученные из опыта эксплуатации. Приближенный расчет, как правило, выполняют на стадии эскизного проектирования, когда идет анализ различных вариантов электрической схемы (с целью выбора наиболее оптимального). Полный расчет выполняется для отработанной схемы с учетом данных о реальных электрических, механических 23