Расчет надежности РЭС аналитическим методом

Техническое задание №1 на курсовую работу

«Расчет показателей надежности РЭС аналитическим методом»

 

Рассматриваемое устройство представляет собой регулируемый импульсный стабилизированный источник питания мощностью более 500 Вт и обладает следующими техническими и эксплуатационными характеристиками:

1. Мощность, отдаваемая в нагрузку: 1 кВт.

2. Выходное напряжение: ±50 В.

3. Максимальный ток в нагрузке: 10 А.

4. Выходное напряжение при максимальном токе (не менее): +48 В.

5. Ток срабатывания защиты около: 14 А.

6. Частота преобразования: 50 кГц.

Принципиальная схема импульсного блока питания (ИБП) показана на чертеже в Приложении 1.

 

Принцип работы ИБП

 

В основу схемы положена микросхема DA1 TL494CN семейства контроллеров с широтно-импульсной модуляцией. Эта микросхема применяется в ИБП компьютеров и очень хорошо себя зарекомендовала. Рассмотрим ее работу в схеме преобразователя более подробно. TL494CN включает в себя усилитель ошибки, встроенный регулируемый генератор, компаратор регулировки "мертвого" времени, триггер управления, прецизионный источник опорного напряжения (ИОН) 5 В и схему управления выходным каскадом. Усилитель ошибки выдает синфазное напряжение в диапазоне 0,3...2 В. Компаратор регулировки "мертвого" времени имеет постоянное смещение, которое ограничивает минимальную длительность "мертвого" времени величиной порядка 5% от длительности выходного импульса. Независимые выходные формирователи на транзисторах обеспечивают возможность работы выходного каскада в схеме с общим эмиттером. Ток выходных транзисторов микросхемы - до 200 мА. TL494CN работоспособна при напряжении питания 7...40 В. На рис.1 показаны схема включения микросхемы и структурная компоновка ее внутренних цепей. При подаче питания запускается генератор пилообразного напряжения 2 и источник опорного напряжения 5. Пилообразное напряжение с выхода генератора 2 (рис.2,а) подается на инвертирующие входы компараторов 3 и 4. На неинвертирующий вход компаратора 4 поступает напряжение от усилителя ошибки 1. Поскольку выходные напряжения источника питания в этот момент еще отсутствуют, сигнал обратной связи с делителя R2R4 на неинвертирующий вход усилителя ошибки равен нулю. На инвертирующий вход этого усилителя подается положительное напряжение с делителя R5R7, к которому уже подключено опорное напряжение Uoп с выхода ИОН. Выходное напряжение усилителя ошибки 1 в первоначальный момент равно нулю, но в процессе увеличения напряжения в цепи обратной связи с делителя R2R4 оно нарастает. Напряжение на выходе усилителя ошибки также увеличивается. Поэтому выходное напряжение компаратора 4

Рисунок 1- Схема включения микросхемы и структурная компоновка ее внутренних цепей

имеет вид последовательности нарастающих по ширине импульсов (рис.2,6). Неинвертирующий вход компаратора 3, обеспечивающего паузу, соединен с выводом 4 микросхемы. На этот вывод подается напряжение с внешней RC-цепи C2R3, соединенной с шиной опорного напряжения Uoп. При появлении опорного напряжения оно прикладывается к этой цепи. По мере заряда конденсатора С2 ток через него и резистор R3 уменьшается: напряжение Uoп на резисторе R3 имеет форму спадающей экспоненты (рис.2,в) Выходное напряжение компаратора 3 представляет собой последовательность импульсов, уменьшающихся по ширине (рис.2,г) Из диаграммы выходных напряжений компараторов 3 и 4 (рис.2,6, г) видно, что они взаимно противоположны. Выходные напряжения компараторов 3 и 4 являются входными для логического элемента "2ИЛИ". Поэтому ширина импульса на выходе логического элемента определяется наиболее широким входным импульсом. Выходное напряжение элемента "2ИЛИ" показано на рис.2,д, из которого следует, что в начальный момент времени ширина выходных импульсов компаратора 3 превышает ширину выходных импульсов компаратора 4, поэтому переключения компаратора 4 не влияют на ширину выходного импульса элемента "2ИЛИ". В интервале времени (t0; t1) (рис.2,а) определяющую роль играет выходное напряжение компаратора 3. На рис.2,е,ж показаны выходные импульсы на коллекторах транзисторов VT1, VT2. Ширина этих импульсов в интервале (t0; t1) плавно нарастает. В момент t1 выходной импульс компаратора 3 сравнивается с выходным импульсом компаратора 4. При этом управление логическим элементом "2ИЛИ" передается от компаратора 3 к компаратору 4, так как его выходные импульсы начинают превышать по ширине выходные импульсы компаратора 3. Таким образом, в промежутке времени (t0; t1) выходные импульсы на коллекторах транзисторов VT1, VT2 плавно нарастают и обеспечивают плавный запуск преобразователя напряжения. Перед каждым включением ИБП конденсатор С2 (рис.1), обеспечивающий плавный запуск, должен быть разряжен.

Рисунок 2 – Эпюры

Обратимся к общей схеме преобразователя напряжения. Функцию конденсатора плавного запуска в ней выполняет конденсатор СЗ. При снятии питания конденсатор быстро разряжается через резистор R1, переход база-коллектор транзистора VT1 и диод VD1. Транзисторы VT1, VT2 выполняют функцию триггерной защиты. При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора VT2 он открывается. Одновременно открывается транзистор VT1, шунтируя конденсатор СЗ и блокируя, таким образом, работу преобразователя напряжения. Напряжение с коллектора транзистора VT1 через цепь R4VD2 удерживает в открытом состоянии транзистор VT2. Отключение триггерной защиты происходит только после снятия напряжения питания.В качестве силовых ключей применены мощные полевые транзисторы с довольно большой емкостью затвор-исток. Поэтому для управления этими транзисторами применены два блока ключей на транзисторах VT3, VT5, VT7 и VT4, VT6, VT8. Рассмотрим работу одного из них. Когда на выводе 8 микросхемы DAI присутствует высокое напряжение (транзистор внутри микросхемы закрыт), открываются полевые транзисторы VT3 и VT7. Последний шунтирует емкость затвора транзистора VT9, мгновенно разряжая ее. Транзистор VT5 закрыт. Как только на выводе 8 микросхемы установится низкое напряжение, транзисторы VT3 и VT7 закроются, а VT5 откроется и на затвор транзистора VT9 поступит отпирающее напряжение. Резистор R18 предотвращает выход из строя транзисторов VT5, VT7, если один из них закрыт, а другой открыт не полностью. Осциллограммы напряжений на затворах транзисторов VT9,VT10 показаны на рис.2,3, и. В цепи затворов транзисторов VT9, VT10 включены резисторы R20, R21, которые вместе с емкостями затворов образуют фильтр нижних частот, уменьшающий уровень гармоник при открывании ключей. Цепи R22, R23, С8, С9, VD5-VD8 также служат для уменьшения гармоник при работе преобразователя. Первичная обмотка трансформатора Т1 включена в стоковые цепи транзисторов VT9, VT10. Напряжение обратной связи для стабилизации напряжения преобразователя снимается с обмотки III трансформатора. Через делитель на резисторах R7, R8 оно поступает на микросхему DA1. Резистором R10 можно в небольших пределах регулировать выходное напряжение ИБП. Элементы R6, С4 определяют частоту работы внутреннего генератора пилообразного напряжения микросхемы DA1 (при указанных на схеме номиналах эта частота близка к 50 кГц). Меняя сопротивление резистора R6 и емкость конденсатора С4, можно при необходимости изменить частоту работы преобразователя напряжения. Силовая часть схемы питается через сетевой фильтр С10, Cl1, L1, выпрямительVD4 и конденсаторы С12, С13. Резистор R24 разряжает конденсатор фильтра в выключенном преобразователе. Микросхема DA1 и ключи на транзисторах VT3-VT8 питаются от стабилизированного источника питания на элементах Т2, VD3, С5-С7 и стабилизатора DA2. Резистор R25 служит для уменьшения броска тока через конденсаторы фильтра в момент включения ИБП в сеть. Выпрямитель выходного напряжения преобразователя выполнен по мостовой схеме на диодах VD12-VD15. Плавный запуск преобразователя напряжения позволяет использовать во вторичных цепях конденсаторы фильтров довольно большой емкости, что необходимо при питании усилителя мощности. Дроссели L2, L3 вместе с конденсаторами фильтра сглаживают пульсации выходного напряжения ИБП. Защита преобразователя напряжения потоку выполнена на транзисторах VT11, VT12. При увеличении тока через резисторы R27-R30 транзисторы VT11, VT12 открываются и загораются светодиоды в оптопарах Ul.l, U1.2. Транзисторы оптопар открываются и подают на базу транзистора VT2 отпирающее напряжение, что приводит к срабатыванию триггерной защиты. Конденсатор С1 предотвращает срабатывание защиты от случайных импульсных помех [1].

Расчет надежности РЭС аналитическим методом

Для расчета надежности рассматриваемого РЭС примем схему надежности, состоящую из последовательно соединенных невосстанавливаемых элементов, и математическую модель надежности, имеющую экспоненциальное распределение. При её составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут находиться в одном из двух состояний: работоспособном или неработоспособном.

Основным показателем надежности ЭРЭ является функция λ(t), называемая интенсивностью отказов. Интенсивностью отказов характеризует уровень надежности элементов в каждый момент времени, так как для каждого момента времени определяется доля отказавших элементов из числа исправных к этому моменту времени. Для широкого класса ЭРЭ в период нормальной эксплуатации λ(t)=const:

n_i– число i - ых элементов РЭС;

λ_i– интенсивность отказа i - ого элемента РЭС, 1/ч;

α_i– коэффициент, учитывающий влияние внешних воздействий на i - ый элемент РЭС;

α_т– коэффициент, учитывающий влияние тепла на i - ый элемент РЭС;

α_в– коэффициент, учитывающий влияние влажности на i - ый элемент РЭС;

α_м– коэффициент, учитывающий влияние механических воздействий на i - ый элемент РЭС;

t– время работы изделия, ч:

;

;

P(t)– вероятность безотказной работы РЭС [2]:

.

Составим базу данных электрорадиоэлементов, приведенную в табл. 1.

Таблица 1. База данных электрорадиоэлементов

№ п/п	Наименование элемента	ni	Интенсивность отказов
	Резистор постоянный металлодиэлектрический С2-23 ОЖО.467.081 ТУ
	Конденсатор постоянный керамический К10-17б ОЖО.460.107 ТУ
	Конденсатор электролитический К50-29 ОЖО.464.156ТУ
	ИМС
	Транзистор биполярный
	Транзистор полевой
	Диод
	Оптопара
	Трансформатор ТПр35 АГО.471.017 ТУ
	Дроссель Д137 ОЮО.475.000 ТУ
	Переключатель
	Вилка ВЛ-220
	Разъем
	Соединения пайкой		0,01

Определим предварительные значения параметров безотказной работы элементов, входящих в РЭС, предварительно положив = 1 год, = 1 . Время работы изделия составит 365 ч.

Результаты расчета надежности аналитическим методом по базе данных электрорадиоэлементов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Расчет надежности аналитическим методом

					αi
№	наименование	ni	λi*10-6, 1/ч	αт	αв	αм	ni*λi*αi	Λ,
	Резистор постоянный металлодиэлектрический С2-23 ОЖО.467.081 ТУ			1,3	1,2		655,2
	Конденсатор постоянный керамический К10-17б ОЖО.460.107 ТУ			1,2	1,2		244,8
	Конденсатор электролитический К50-29 ОЖО.464.156 ТУ			1,2	1,2
	ИМС			1,4			2,8
	Транзистор биполярный			1,4			5,6
	Транзистор полевой			1,4			11,2	2893,244
	Диод			1,4			22,4
	Оптопара			1,4			1,4
	Трансформатор ТПр35 АГО.471.017ТУ			1,3	1,2
	Дроссель Д137 ОЮО.475.000 ТУ			1,3	1,2
	Переключатель
	Вилка ВЛ-220
	Разъем
	Соединения пайкой		0,01		1,2		2,844

Вероятность безотказной работы равна:

P(t)= =0,348

 

Для повышения значения P(t), потому что полученное значение меньше заданного значения P(t)=0,91, заменим некоторые элементы РЭС на более надежные. Приоритет при замене будут иметь элементы, оказывающие наиболее существенное влияние на надежность РЭС, а именно:

1) Постоянные металлодиэлектрические резисторы С2-23 с на постоянные непроволочные прецизионные резисторы С2-29В ,

2) электролитические конденсаторы К50-29 с на танталовые ЭТО-1с ,

3) трансформатор ТПр35 с на трансформатор БТИ12 с ,

4) дроссель Д137 с с на дроссель B82721 с .

 

Сократим время работы изделия, предварительно положив = 0,5 год, = 0,5 . Время работы изделия составит 91,25 ч.

 

Составим новую элементную базу, приведенную в таблице 3.

 

Таблица 3. База данных элементов после замены на более надежные

№ п/п	Наименование элемента	ni	Интенсивность отказов
	Резистор постоянный непроволочный прецизионный ТУ С2-29В ОЖО.467.130 ТУ
	Конденсатор постоянный керамический К10-17б ОЖО.460.107 ТУ
	Конденсатор танталовый ЭТО-1
	ИМС
	Транзистор биполярный
	Транзистор полевой
	Диод
	Оптопара
	Трансформатор БТИ12 ОЮО.222.004ТУ
	Дроссель B82721
	Переключатель
	Вилка ВЛ-220
	Разъем
	Соединения пайкой		0,01

 

Результаты расчета надежности аналитическим методом после замены элементов на более надежные приведены в таблице 4.

 

 

Таблица 4. Расчет надежности аналитическим методом после замены элементов

					αi
№	наименование	ni	λi*10-6, 1/ч	αт	αв	αм	ni*λi*αi	Λ,
	Резистор постоянный непроволочный прецизионный С2-29В ОЖО.467.130 ТУ			1,3	1,2		327,6
	Конденсатор постоянный керамический К10-17б ОЖО.460.107 ТУ			1,2	1,2		244,8
	Конденсатор танталовый ЭТО-1			1,2	1,2		100,8
	ИМС			1,4			2,8
	Транзистор биполярный			1,4			5,6	998,44
	Транзистор полевой			1,4			11,2
	Диод			1,4			22,4
	Оптопара			1,4			1,4
	Трансформатор БТИ12 ОЮО.222.004ТУ			1,3	1,2
	Дроссель B82721			1,3	1,2
	Переключатель
	Вилка ВЛ-220
	Разъем
	Соединения пайкой		0,01		1,2		2,844

Вероятность безотказной работы равна:

P(t)= =0,913

Путем замены некоторых элементов РЭС на более надежные и сокращения времени работы изделия, мы добились необходимого значения вероятности безотказной работы РЭС.

 

Техническое задание №2 на курсовую работу

«Расчет допусков на основные параметры четырехполюсника»

 

В данной работе необходимо произвести расчет допусков на входное и выходное сопротивление и на коэффициент передачи четырехполюсника, схема которого представлена на рис.3.

 

Рисунок 3 – Электрическая схема четырёхполюсника.