После обеспечения нормальных рабочих режимов отдельных комплектующих элементов, определяющих их надежную работу, а именно, уменьшение максимальных значений тока, напряжения или мощности, обеспечение нормального напряжения питания, правильной компоновки и проч., разработчик должен проверить схему и оценить ее полную надежность.
Удобно рассматривать надежность отдельно от остальных требований, которым удовлетворяют схемы.
Во-первых, схема должна выполнять свои функции, во-вторых, разработка схемы непосредственно связана с надежностью комплектующих ее элементов. После разработки исходной системы необходимо провести математический анализ надежности отдельных схем, чтобы проверить, имеет ли исходная система требуемое значение показателей надежности. По качеству удачно выполненной разработки можно судить о ее надежности.
На полную надежность системы или устройства оказывает влияние три следующих фактора – надежность используемых комплектующих элементов, надежность разработки и надежность технологии и производства, т.е.
Pa = Pd Pc Pf,
где Pa – полная надежность; Pd – надежность разработки; Pc – надежность элементов; Pf – надежность производства.
5.1.1. Надежность разработки. Иногда для повышения надежности, КПД и качества электроэнергии больших систем, например системы электроснабжения спутника, необходим системный подход. Не вызовет удивления, если вдруг между первичным источником электропитания и приемниками электроэнергии обнаружатся несколько последовательно соединенных стабилизаторов.
Каждый из таких стабилизаторов ненадежен и неэффективен. Значительная часть полезной энергии первичного источника выделяется в виде тепла, и поэтому надежность системы уменьшается. Такая ситуация может возникнуть, когда отдельные блоки разрабатываются отдельно друг от друга, и ее можно избежать при должном управлении на системном уровне.
Общий стабилизатор. Если две (или более) подсистемы питаются от одного стабилизатора, и нет возможности отключить питание от каждой из них, то в этом случае для избегания влияния отказа одной подсистемы на остальные между общим стабилизатором и каждой подсистемой необходимо включать блок аварийного отключения (БАО), как показано на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Защита БАО от КЗ
При внезапном коротком замыкании в какой-либо нагрузке схема управления БАО быстро отреагирует на это событие и отключит отказавший потребитель от стабилизатора.
В противном случае стабилизатор может перейти в режим токоограничения или режим с обратным наклоном характеристики и постепенно обесточить все потребители. В соответствии с этим БАО должен реагировать не только на любое уменьшение входного импеданса контролируемой подсистемы, но также и на скорость его изменения. Если не принимать специальных мер, при следующих обстоятельствах возможен выход из строя проходного транзистора БАО:
а) в случае появления обратного напряжения, которое возникает при отключении активной нагрузки;
б) в случае отказа любого другого потребителя, питающегося от этого же стабилизатора и на короткое время закорачивающего его выход.
В течение этого времени входное напряжение рассматриваемого БАО падает до нуля, а напряжение на его выходном конденсаторе прикладывается между эмиттером и коллектором проходного транзистора, что может привести к его зенеровскому (стабилитронному) пробою и вывести его из строя до того, как отказавший потребитель будет отключен от стабилизатора. Проблема может быть решена путем включения антипараллельного проходному транзистору БАО диода, обеспечивающего контур для быстрого разряда выходного конденсатора.
Входной фильтр. В некоторых случаях для сопряжения потребителей с источником электропитания необходимо применение LC-фильтров.
В такой ситуации требуется анализ переходного процесса при включении потребителя, поскольку в этом режиме возможны резкие выбросы тока или напряжения, которые могут превысить уровни, опасные для используемых элементов. Например, при размыкании контакта реле (рис. 5.2, а) на фильтре сопряжения возможен переходный процесс с большим отрицательным выплеском напряжения. Избежать этого позволяет введение в схему двух диодов, как показано на рис. 5.2, б.
Управление. Простейшим источником управляющего сигнала является резистор с двумя ограничивающими диодами (рис. 5.3, а) или со стабилитроном (рис. 5.3, б).
Рис. 5.2. Защита LC-фильтра Рис. 5.3. Источник управляющего сигнала
при сопряжении с источником с ограничивающими диодами
питания и стабилитроном
В том случае, если уровни напряжений простейшего источника управляющего сигнала по каким-либо причинам неприемлемы, можно использовать схему с выходным транзистором. На рис. 5.4 и изображены две такие схемы.
Рис. 5.4. Источник управляющего сигнала с выходным транзистором
Логические элементы, управляемые ключевыми элементами. Когда необходимо подать управляющий сигнал на вход логического вентиля с помощью механического переключателя, можно воспользоваться схемой, изображенной на рис. 5.5, а.
Резистор ослабляет влияние шумовой перекрестной помехи при разомкнутых контактах. Однако замыкание-размыкание механического переключателя сопровождается «дребезгом» его контактов, генерирующим серию беспорядочных импульсов. Поэтому в данном случае полезно применить одновибратор, выдающий одиночный импульс или задерживающий прохождение сигнала на время, достаточное для завершения «дребезгом». Если же имеется перекидной механический переключатель, целесообразно использовать хорошо известную «бездребезговую» схему с перекрестными связями (рис. 5.5, б). Можно использовать также специализированные буферные ИМС.
Рис. 5.5. ТТЛ-вентиль, управляемый непосредственно механическим переключателем (а) и с помощью «бездребезговой» схемы (б)
Сопряжение с реле. Реле и цепи их управления являются цепями с импульсным потреблением мощности. Очень часто эти схемы весьма восприимчивы к помехам и шумам, поэтому надежная работа реле играет значительную роль для обеспечения нормальной работы различных устройств и систем. Чтобы отличить команду от внешних шумов, схема сопряжения должна формировать сигнал, имеющий достаточную амплитуду и длительность. Широко применяется схема сопряжения с входным RC- фильтром (рис. 5.6, а). Недостатком этой схемы является отсутствие гистерезиса, обеспечивающего помехоустойчивость.
Обычно RC- цепь имеет тенденцию интегрировать любой повторяющийся входной сигнал. В зависимости от коэффициента заполнения шумов и относительных постоянных времени заряда и разряда конденсатора RC -цепи напряжение на нем может достигнуть уровня, достаточного для отпирания транзистора.
Схема, изображенная на рис. 5.6, б [5], свободна от этих недостатков. Она формирует четкий выходной сигнал требуемых амплитуды и длительности, а благодаря наличию гистерезиса обладает высокой помехоустойчивостью.
Сопряжение с цифровыми схемами. Как правило, данные в цифровых системах передаются с помощью 8- или 16-битных слов. Каждая подсистема-пользователь располагается по отдельному адресу и принимает информацию по тактовой линии, последовательной линии данных и линии адреса.
Рис. 5.6. Схемы управления реле
Подсистемы должны иметь входную декодирующую схему, устанавливающую факт обращения к данной подсистеме для передачи команды или данных.
Когда дешифратор идентифицирует обращение к подсистеме, генерируется импульс, инициализирующий синхронизатор, а данные загружаются в сдвиговый регистр. При подаче или восстановлении питания выходной сигнал сдвигового регистра может принимать произвольное значение, что в некоторых случаях является причиной сбоев.
Например, такая произвольная установка выходного сигнала может вызвать несанкционирование срабатывания (замыкание-размыкание) различных реле, узлов, элементов подсистемы, а в случае космического летательного аппарата вызывает нарушение его положения на орбите и как следствие – потерю ориентации солнечной батареи и др. Для предотвращения этого явления необходимо при разработке схемы принимать специальные меры для того, чтобы при подаче или восстановлении питания выход схемы принудительно устанавливался в определенное безопасное состояние, когда выполнение любых команд может быть задержано.
ТТЛ-микросхемы. При разработке систем с использованием ИМС для обеспечения надежности необходимо соблюдать ряд предосторожностей и использовать некоторые специальные приемы функциональной разработки, например развязку питания ИМС и др.
Неиспользованные входы всех элементов ИЛИ и ИЛИ-НЕ, а также секции элементов И, ИЛИ и НЕ должны быть подключены к общей шине. Длительность сигналов очистки или установки должна быть больше длительности тактовых импульсов. Неиспользованные J- и K-входы, входы очистки и установки следует подключить к общей шине так же, как и использованные входы логических элементов.
Условия работы
Информационные материалы различных фирм изготовителей содержат полную информацию об условиях эксплуатации выпускаемых ими элементов и приборов, и разработчик обязан прежде всего определить режимы работы и условия, т.е. напряжение, ток, мощность рассеяния, область безопасной работы (ОБР) как при прямом, так и при обратном смещении (для транзисторов), температуру окружающей среды и прочие условия, в которые могут попасть используемые элементы, и обеспечить невозможность выхода параметров за допускаемые пределы.
Например, представим себе, что выпрямитель-фильтр на вторичной стороне преобразователя постоянного напряжения рассчитан из предположения, что нагрузка постоянно подключена к преобразователю. Таким образом, подобранный преобразователь не может быть включен, если к нему не подключена нагрузка.
Следует отметить, что в ряде случаев напряжение питания подается и без какой-либо нагрузки. Тогда выходные конденсаторы, выбранные из расчета, что нагрузка постоянно присутствует, выходят из строя, поскольку напряжение на них превышает расчетное значение.
Если же необходимо работать при напряжении более высоком, чем допустимое напряжение одного конденсатора, и это напряжение получается путем соединения двух конденсаторов последовательно друг с другом (рис. 5.7), следует принимать меры предосторожности, для того чтобы избежать выхода конденсаторов из строя из-за неровного деления напряжения между ними (из-за разброса емкости 20 %). Эта проблема решается с помощью резисторов с допустимым разбросом параметров 5 %.
Рис. 5.7. Последовательное включение емкостей
Допустимый разброс параметров. При разработке схем для обеспечения их надежности надо ориентироваться на худшие условия эксплуатации и учитывать разброс параметров. Отказ схемы может произойти из-за естественного старения элементов. Некоторые усилители при этом могут загенерировать и т.д.
Надежность элементов. Надежность работы элементов может быть значительно повышена, если при эксплуатации они не будут испытывать значительных мощностных воздействий.
Например, коэффициент снижения для композиционных резисторов равен 50 % Р ном, а напряжение на них не должно превышать 80 % U max.доп.
Коэффициент разветвления по выходу цифровых ИМС не должен превышать 30 % разрешенного фирмой-изготовителем значения.
В случае аналоговых ИМС необходимо принимать меры предосторожности, чтобы снижение напряжения смещения, оговоренного изготовителями, не приводило к сбою или аварийным режимам работы микросхем. Коэффициент снижения напряжения питания для них достигает 50 % U max ном и т.д.
При выборе элементов надо учитывать и условия их применения – окружающую среду и пр. Например, некоторые элементы не могут использоваться в схемах с низким импедансом (например, фильтры) без последовательно включенных токоограничивающих резисторов.
Надежность производства
Схемы, собранные в единый блок по отдельности, работающие хорошо, могут начать вести себя совершенно неожиданно.
При неудовлетворительных технологии, сборке, монтаже, условиях производства система может функционировать совсем не так, как ожидалось, хотя надежность ее разработки и надежность элементов очень высоки, таким образом, вопросу ее производства надо уделять много внимания.
Испытания. Для обеспечения надежности на разных стадиях производства необходимо проводить испытания (тестирования) создаваемого изделия.
Производственный процесс включает в себя ряд обязательных правил, которым производитель должен неукоснительно следовать.
Некоторые материалы при длительном хранении коррозируют, поэтому их применение должно быть исключено.
Ряд процедур, например пайка, при неправильном их проведении вызывают закаливание выводов и приводят к последующему отказу элемента или устройства.
Если работа ИМС вызывает сомнение, часто ее вынимают из сотека («кроватки») и заменяют другой, не снимая питание со схемы в целом. В этом случае может иметь место бросок тока, опасный для ИМС, и неопытный оператор может вывести из строя целую партию ИМС, меняя их последовательно одну на другую.
В некоторых случаях на модуль, содержащий ИМС, ошибочно может быть подано напряжение питания более высокое, чем U max доп. Схемное решение данной проблемы показано на рис. 5.8.
Рис. 5.8. Включение ограничивающего резистора
Здесь избыточное напряжение падает на последовательном резисторе и развивающем конденсаторе, а на ИМС попадает уже нужное напряжение. Однако риск повреждения ИМС при ее замене и не снятом питании остается, поскольку напряжение на конденсаторе С1 и свободном сотеке возрастает до полного напряжения питания большего U max доп. Чтобы избежать этого, принимают следующие меры: паять ИМС непосредственно на панель, размещать соответствующие предостерегающие надписи в руководствах по проведению испытаний и на испытательном оборудовании.
Изготовление и сборка
Надежность любой системы в значительной мере зависит от технологии и методов сборки как самих систем, так и используемых в них элементов.
Высококвалифицированная сборка повышает надежность системы или значительно снижает.
Приведем такой пример. Часто обмотки трансформаторов или других моточных элементов выполняются из провода разного диаметра, которые наматывают друг на друга. Если обмотка выполнена из тонкого провода и намотана поверх «толстой» обмотки, то она «поглощается» «толстой» обмоткой, тепловое расширение которой может «раздавить» «тонкую» обмотку и оборвать ее. Для предотвращения этого явления обмотка, выполненная из провода большего диаметра, обматывается слоем тефлоновой ленты или нескольких слоев трансформаторной бумаги, поверх которого уже наматывается «тонкая» обмотка (межслоевая и межобмоточная изоляция).
