Приемник прямого усиления

29

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших аспектов человеческой деятельности - производства, научных исследований, учебных программ - является надёжность используемой аппаратуры. От надёжности зависит качество жизни и работы человека, ведь мы не можем себе представить нашу жизнь без различных изделий электронной техники. Стремительный научно-технический прогресс обуславливает появление новых и всё более сложных радиоэлектронных средств, с современной элементной базой, требующих более бдительный контроль и более высокое качество.

В соответствии с современными стандартами, надёжность аппаратуры должна обеспечиваться системно, охватывая все стадии жизненного цикла. Основные аспекты обеспечения надёжности должны закладываться ещё на этапе проектирования.

Данная курсовая работа посвящена именно вопросам разработки требований по надёжности проектируемого устройства; будет произведён расчёт с целью выявления частей данного изделия, наиболее подверженных преждевременным отказам.

1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА И УСЛОВИЙ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

1.1 Анализ свойств объекта

Назначение - приём местных радиостанций на коротких волнах.

Область применения - радио и связь.

Функции - приём станций в диапазонах 41- и 49-метровых волн.

Структура: объект состоит из 4 функциональных узлов (входной контур, первый усилительный каскад, второй усилительный каскад, усилитель радиочастоты+детектор). Структурная схема объекта представлена на рис. 1.1.

Принципиальная схема и перечень элементов к ней приведены в прил. А и Б, соответственно.

Рисунок 1.1 - Структурная схема КВ-приёмника прямого усиления

1.2 Анализ условий применения

Класс использования прибора - наземная РЭА; группа использования - стационарная, подгруппа использования - бытовая. Группа исполнения - группа 1 - аппаратура, работающая в жилых помещениях.

В табл. 1.1 приведены внешние воздействующие факторы (ВВФ) для данного изделия.

Таблица 1.1 - Совокупность ВВФ, действующих на данный вид РЭА

Вид ВВФ	Короткая характеристика	Ед. изм.	Влияние на конструкцию РЭА
Механический удар, удар при свободном падении, сейсмический удар	Пиковое ударное ускорение	м·с-2	Повреждение конструктивных элементов, изменение электрических свойств, нарушение структуры конструкции, разрушение изоляции.
	Длительность действия ударного ускорения длительность импульса)	с
Механический удар, удар при свободном падении, сейсмический удар	Высота падения	м	Повреждение конструктивных элементов, изменение электрических свойств, нарушение структуры конструкции, разрушение изоляции.
	Длительность фронта ударного ускорения	с
Изменение температуры среды	Скорость изменения температуры среды	К·с-1	Внезапный отказ полупроводниковых элементов, перегрев миниатюрных дискретных радиокомпонентов
	Диапазон изменения температуры среды	К (?С)
статическая/ динамическая пыль	Массовая концентрация статической пили	г·м-3	Накопление пыли в устройствах охлаждения и выход из строя этих устройств, загрязнение контактных площадок.
	Длительность оседания пыли	часы, сутки
Электромагнитное излучение	Поток частиц	с-1	Выход из строя полупроводниковых элементов РЭА.
	Плотность потока частиц	с-1·см-2
	Длительность действия излучения	с, ч, сутки

Режим эксплуатации - периодическая работа в сухом отапливаемом помещении. Нормальная работа схемы возможна при температуре окружающей среды от +10°С до +40°С и относительной влажности не более 93%. После длительного воздействия низких температур, устройство должно прогреться перед включением. Необходимо оберегать устройство от ударов и падений, защищать от влаги и пыли.

Климатическое исполнение устройства - У (для умеренного климата). Нормы климатических и механических воздействий для данного изделия занесены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 - Нормы климатических и механических воздействий для изделия

Вид воздействия, характеристики	Нормы воздействий
Прочность при транспортировке: ускорение, g длительность ударного импульса, мс число ударов, не менее	15 11 1000
Теплоустойчивость: рабочая температура, ?С предельная температура, ?С	40 55
Пониженное атмосферное давление, кПа	70
Холодостойкость: предельная температура, ?С	-40
Влагоустойчивость: влажность, % температура, ?С	93 25

Для данного объекта предусматривается система технического обслуживания (ТО), которое проводится 2 раза в год, с целью проверки соответствия характеристик прибора предусмотренным нормам и для предупреждения преждевременных поломок.

Ремонт устройства может проводиться как в специальных радиомастерских, так и в домашних условиях пользователем.

2. РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К НАДЁЖНОСТИ ОБЪЕКТА

2.1 Классификация объекта по признакам при расчёте показателей надёжности

Объект является изделием конкретного назначения, имеющим два состояния - работоспособное или неработоспособное (изделие вида I по работоспособности). Изделие предназначено для многократного циклического применения. По возможности восстановления работоспособного состояния, изделие относится к восстанавливаемым. Основные процессы, определяющие переход в предельное состояние - процессы старения. Изделие является ремонтируемым обезличенным способом. Предусматривается возможность ТО, изделие относится к неконтролируемым перед применением. Не имеет отказов сбойного характера. Отказ или переход данного устройства в предельное состояние не приводит к последствиям катастрофического характера.

2.2 Определение критериев отказов и предельных состояний

приемник усиление надежность

Критерии отказов для данного устройства:

- прекращение выполнения заданных функций, а именно уменьшение диапазона рабочих частот, ухудшение избирательности в ФУ №1, уменьшение коэффициента усиления ФУ №2, ФУ №3, ФУ №4, изменение характеристик детекторной секции;

- внешние проявления, свидетельствующие о возможности наступления неработоспособного состояния (шум, нагрев, запах горелого).

Критерии предельных состояний для данного устройства:

- отказ одного или нескольких ФУ, восстановление или замена которых на месте эксплуатации не предусмотрены;

- изменение свойств материалов СЧ (резисторов, конденсаторов, микросхем), в результате внешних воздействий или с течением времени, способное привести к предельному состоянию.

2.3 Выбор номенклатуры показателей надёжности

Выступив в роли заказчика, установим следующие численные значения показателей надёжности:

- вероятность безотказной работы = 0,95;

- сеанс непрерывной работы ч.;

- среднее время восстановления ч.;

- средний ресурс Tp=2•104 ч.;

- срок хранения ч. (5 лет);

- средний срок службы ч. (3 года);

- коэффициент готовности ;

- коэффициент технического использования ;

- вероятность ненаступления предельного состояния =0,95.

3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ПО СОСТАВНЫМ ЧАСТЯМ ИЗДЕЛИЯ

Для каждого ФУ обозначим составляющие его элементы и соответствующие им базовые интенсивности отказов (табл. 3.1). Данные для расчёта приведены в табл. 3.1.

Найдём среднее значение интенсивности отказов для каждого ФУ:

,(3.1)

где - количество элементов данного типа в ФУ;

- базовая интенсивность отказов для элементов данного типа.

, , , .

Определим коэффициенты влияния каждого ФУ на ненадёжность всего изделия:

,(3.2)

где m - количество ФУ, m=4.

, , , .

Условие выполняется.

По заданной вероятности безотказной работы для всего устройства Р3(tб.р.)=0.95 и по заданному времени непрерывной работы tб.р=500 часов определяем заданную интенсивность отказов всего изделия:

 .(3.3)

Вычислим требуемые интенсивности отказов зi для каждого ФУ:

. (3.4)

, , , .

Найдём требуемые вероятности безотказной работы для каждого ФУ:

. (3.5)

, , , .

Таблица 3.1 - Среднестатистические значения интенсивностей отказов элементов

Тип элемента	Количество элементов в ФУ	Интенсивность отказов, ?·106 1/час
ФУ №1
Конденсатор	4	2,5
Катушка индуктивности	1	1,5
Контакты пайки, дорожки	15	0,05
ФУ №2
Резистор проволочный	1	1,2
Транзистор	1	4
Конденсатор	3	2,5
Контакты пайки, дорожки	15	0,05
ФУ №3
Резистор непроволочный	3	0,6
Конденсатор	3	2,5
Тип элемента	Количество элементов в ФУ	Интенсивность отказов, ?·106 1/час
Транзистор	1	4
Контакты пайки, дорожки	23	0,05
ФУ №4
Резистор непроволочный	1	0,6
Резистор проволочный	1	1,2
Конденсатор	2	2,5
Транзистор	1	4
Контакты пайки, дорожки	18	0,05

4. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЁТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ

На основе перечня элементов и справочных данных составим типовую таблицу (табл. 4.1):

Таблица 4.1 Исходные данные для ориентировочного расчёта ПН

Элемент	Данные по элементам	Суммарная интенсивность отказов, , час-1
	Типономинал	Количество, Nj	, час-1
Функциональный узел №1
Конденсаторы	К10-17	1	0.012	0.1
	КСГ-2	2	0.02	0.04
	КПК-2-8	1	0.1	0.1
Катушки инд.	5R0J	1	0,1	0.1
Пайки, дорожки		15	0,005	0.075
Всего по ФУ №1:
Функциональный узел №2
Резисторы	СП5-2ВБ	1	0.4	0.4
Конденсаторы	К10-17	1	0.018	0.018
	СКМ-1А	1	0.04	0.04
	КСГ-2	1	0.02	0.02
Транзисторы	SST310	1	0.27	0.27
Пайки, дорожки		15	0.005	0.075
Всего по ФУ №2:
Функциональный узел №3
Резисторы	МЛТ-0.125	3	0,007	0,021
Конденсаторы	КСГ-2	3	0.02	0.06
Транзисторы	КТ315	1	0.31	0.31
Пайки, дорожки		23	0.005	0.115
Всего по ФУ №3:
Функциональный узел №4
Резисторы	МЛТ-0.125	1	0.007	0.007
	СП5-2ВБ	1	0.4	0.4
Конденсаторы	К73-14	2	0.1	0.2
Транзисторы	КТ315	1	0.31	0.31
Пайки, дорожки		18	0.005	0.09
Всего по ФУ №4:

Получим значения показателей надежности для каждого узла и сравним их с требуемыми, полученными в разделе 3.

Вероятность безотказной работы:

.(4.1)

Средняя наработка до отказа:

.(4.2)

Занесем полученные по формулам (4.1), (4.2) расчетные значения показателей надежности, и требуемые значения в табл. 4.2.

Таблица 4.2 - Расчетные и требуемые показатели надежности

	ФУ №1	ФУ №2	ФУ №3	ФУ №4	Для изделия в целом
	0.996	0.993	0.994	0.992	0.975
	0.988	0.987	0.984	0.989	0.949
,1/час	1.225	1.345	1.625	1.17	5.365
1/час	2.342	2.572	3.107	2.237	10.258
	1.153	0.7559	0.8137	0.6423	0.6423

Как видно из табл. 4.2, условия для всех ФУ выполняются: расчётные интенсивности отказов меньше заданных, а расчётные вероятности безотказной работы больше заданных.

Получим значения для показателей ремонтопригодности. Для вычисления времени восстановления всего объекта зададимся временем восстановления для каждого ФУ, которое вычисляется по формуле

,(4.3)

где время обнаружения ошибки;

время устранения ошибки.

Получим, что ТВ1 = 1ч., ТВ2 = 1.5 ч., ТВ3 = 1.5 ч., ТВ4 = 1.5 ч. Среднее время восстановления для всего устройства получим по формуле

, (4.4)

где - суммарная интенсивность отказозов i-го функционального элемента;

- интенсивность отказов всего устройства;

- время восстановления для каждого узла.

Tв=1,144 ч.

Вычислим комплексные показатели готовности.

Функция коэффициента готовности вычисляется по формуле

, (4.5)

где полное время восстановления;

=0.186•105 - время наработки до отказа.

Зависимость коэффициента готовности от времени t представим на рис. 4.1

Рисунок 4.1 - График зависимости коэффициента готовности от времени

Зависимость коэффициента оперативной готовности от времени выражается формулой

. (4.6)

На рис. 4.2 представлен график зависимости коэффициента оперативной готовности от времени.

Рисунок 4.2 - График зависимости коэффициента оперативной готовности от времени

Коэффициент технического использования вычисляется по формуле

, (4.7)

где =ч;

ч - номинальный фонд времени, в течении которого объект может использоваться по назначению;

=6 ч. - время на техническое обслуживание;

1.496 ч

- суммарное время проведения ремонта (время восстановления объекта), n = 1.308.

Зависимость коэффициента технического использования от времени представлена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 - Зависимость коэффициента технического использования от времени

Изменение вероятности безотказной работы всего устройства происходит по закону

P(t)=e-??•t(4.8)

Зависимость вероятности безотказной работы от времени приведена на рис. 4.4.

Рисунок 4.4. График изменения вероятности безотказной работы с течением времени

5. УТОЧНЁННЫЙ РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ

Цель уточнённого расчёта - более точная (по сравнению с ориентировочным расчётом) оценка ПН на основании более полного учёта факторов, влияющих на безотказность объекта.

Для уточнённого расчёта надёжности выберем ФУ№1 - входной контур, выделяющий определённую длину волны для дальнейшего преобразования. Этот ФУ отмечен пунктирной линией на принципиальной схеме устройства (см. прил. А).

Схема моделирования данного ФУ приведена на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 - схема ФУ №1, собранная в ElectronicsWorkBench

Напряжения, измеренные на каждом элементе схемы, имеют следующие значения: UL1=74.2 мВ, UC1=2.32 В, UC2=74.2 мВ, UC3=52.5 мВ, UC4=21.6 мВ.

5.1 Уточнённый расчёт для элементов, подверженных внезапным отказам

Для каждого элемента узла определяется уточнённое значение интенсивности отказов по формуле

,(5.1)

где - базовое значение интенсивности отказов данного типа элементов для нормальных климатических условий и нормального электрического режима;

- коэффициенты, учитывающие условия и режимы эксплуатации конструкции.

Значения и определяются по справочным данным, приведенным в [2] и занесены в табл. 5.1 и 5.2.

Уточнённое значение интенсивности отказов для конденсаторов определяется по формуле

.(5.2)

Уточнённое значение интенсивности отказов для катушек индуктивности определяется по формуле:

.(5.3)

По формулам (5.2), (5.3) найдены значения уточненных интенсивностей отказов для конденсаторов С1…С3 и катушки индуктивности L1, и занесены в табл. 5.1.

По известным интенсивностям отказов для каждого элемента с постоянной интенсивностью отказов ФУ №1, определим общую интенсивность отказов по формуле

. (5.4)

.

Таблица 5.1 - Исходные данные и результаты расчётов уточнённых интенсивностей отказов каждого элемента с ?=const

Элемент	?0•105	?T	?C	?V	?Q	?E	Ea	D	A	B
C1	0.012	0.792	0.0926	1	0.03	20	0.35	0.09	10	0.6
	?утС1= 5.284•10-9
C2	0.02	0.792	0.1139	1	0.03	20	0.35	0.09	3	0.6
	?утС2= 1.084•10-8
C3	0.02	0.792	0.1259	1	0.03	20	0.35	0.09	10	0.6
	?утС3= 1.197•10-8
L1	0.1	1.007	-	-	0.03	12	-	-	-	-
	?утL1= 3.626•10-7

Зная, построим график зависимости Pвнез(t)= , который приведен на рис. 5.2.



Рисунок 5.2 - Зависимость вероятности безотказной работы по внезапным отказам от времени

5.2 Уточнённый расчёт для элементов с деградационными отказами

В ФУ №1 деградационным отказам подвержен один элемент - конденсатор переменной ёмкости С4. При деградационных отказах используем DN-распределение с двумя параметрами: параметр ? - параметр масштаба и ? - коэффициент вариации, в данном случае ?=1. Уточнённое значение интенсивности отказов для конденсатора С4 (?утС4) приведено в табл. 5.2.

Таблица 5.2 - Исходные данные и результат расчёта уточнённой интенсивности отказов для элемента с ??const

Элемент	?0•105	?T	?C	?V	?Q	?E	Ea	D	A	B
С4	0.1	0.792	0.136	1	0.03	20	0.35	0.09	3	0.5
	?утС4= 6.483•10-8

Определим параметр масштаба по формуле

,(5.5)

где коэффициенты T0j - средние наработки до отказа радиоэлементов с переменной интенсивностью отказов. В данном случае , которое определяется по известной ?утС4 и заданному времени tH=3·104 часов по номограмме [3]. µ=4,6•105.

Вероятность безотказной работы по деградационным отказам определяется по формуле

.(5.6)

F(t) находится из выражения

,(5.7)

где Ф - функция Лапласа.

График зависимости приведен на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 - Зависимость вероятности безотказной работы по деградационным отказам от времени

Общее уточнённое значение вероятности безотказной работы всего узла определяется по формуле

.(5.8)

Результаты уточнённого расчёта наглядно представлены на рис. 5.4.

Рисунок 5.4 - Совмещение графика общей уточнённой вероятности безотказной работы с графиками и заданным уровнем 0.95

На время t=tб.р, результаты таковы: =0.999804674, =1, =0.999804674 > Pзад=0.949.

6. РАСЧЕТ ПОЛЯ ДОПУСКА НА ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ ПАРАМЕТР ИССЛЕДУЕМОГО ФУ

Расчет проводится для ФУ №1. С точки зрения работоспособности, определяющей частью данного узла является фильтр L1C4. Определяющим параметром данной части узла является резонансная частота, которая находится по формуле

,(6.1)

где y - определяющий параметр; L1, C4 - первичные параметры.

Гц.

Рассчитаем коэффициенты влияния по формуле

,(6.2)

где - номинальное значение i-го первичного параметра;

- номинальное значение определяющего параметра.

.

По данным комплектующих элементов определяется среднее значение поля допуска на относительную погрешность каждого первичного параметра. Но в данном случае допуск симметричен, поэтому его среднее значение равно нулю. Следовательно, нулю равна и середина поля допуска на относительную погрешность определяющего параметра. Половина поля допуска на относительную погрешность определяющего параметра находится по формуле

,(6.3)

где ?=0,63 - коэффициент гарантированной надёжности (выбранный по вероятности Pnap?0.95);

=5% - половина поля допуска на относительную погрешность i-го первичного параметра, выбирается по справочным данным.

= 2.308, следовательно, ?н=-2.308 и ?в=2.308.

Предельные значения определяющего параметра (нижнее и верхнее допустимое значение) определим по формулам

,(6.4)

.(6.5)

yн=1.292•108, ув=1.234•108.

В итоге, допуск на определяющий параметр: Dy=[1.234•108…1.292•108] Гц.

7. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ВЫБРАННОГО ФУ ПО ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ОТКАЗАМ

Для расчета надежности выбранного ФУ по параметрическим отказам необходимы следующие исходные данные:

- значение допуска на определяющий пара метр Dy;

- значения коэффициентов влияния , которые для конденсатора С4 и катушки индуктивности L1 соответственно равны -0,5;

- справочные данные по интенсивностям параметрических отказов, которые для конденсаторов переменной ёмкости и катушек индуктивности соответственно равны 100 % и 0%.

Для влиятельных первичных параметров определим коэффициенты чувствительности по формуле

,(7.1)

где - номинальное значение определяющего параметра;

- номинальное значение i-го первичного параметра.

По формуле (7.1) получим, что АL1 = ; АC4 = .

Для влиятельных параметров определим интенсивность параметрических отказов:

,(7.2)

где К - доля параметрических отказов, выраженная в абсолютных величинах.

По формуле (7.2) получим =6.48•10-8 1/час.

По номограмме определим значение средней наработки до параметрического отказа по значениям интенсивности параметрических отказов при продолжительности испытаний ч. Для данного конденсатора получим, что T П = ч.

Определим среднюю скорость дрейфа каждого влиятельного параметра по формуле

,(7.3)

где х0 - номинальное значение;

хд - верхнее или нижнее допустимое значение параметра.

По формуле (7.3) получаем = 1.087•10-17 пФ/час.

Определим среднюю скорость изменения определяющего параметра вследствие дрейфа влиятельных первичных параметров

.(7.4)

Согласно (7.4) получим, что = 1.387 Гц/час.

Для получения вероятности параметрических отказов, необходимо найти коэффициент вариации выходного параметра

.(7.5)

По формуле (7.5) получим, что .

Тогда вероятность параметрических отказов получим по формуле

.(7.6)

Вероятность безотказной работы вычисляется как

.(7.7)

График изменения вероятности безотказной работы с течением времени приведен на рис. 7.1.

Рисунок 7.1 - График зависимости вероятности безотказной работы по параметрическим отказам от времени

8. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ УТОЧНЕННОГО РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ

Для обобщения результатов уточненного расчета надежности выбранного ФУ построим на одном графике (рис. 8.1) зависимости уточненной вероятности безотказной работы по внезапным отказам, по деградационным отказам, по параметрическим отказам, а также обощенную верояность, которая вычисляется по формуле

.(8.1)

0.99980466.

Также на графике изобразим пороговый уровень Pзад=0.95.

Рисунок 8.1 - Результаты уточнённого расчёта надёжности

ВЫВОДЫ

Цель данной курсовой работы заключалась в проведении расчёта ПН КВ-приёмника прямого усиления.

Работа состоит из 8 разделов - трёх теоретических и пяти расчётных. На каждом расчётном этапе вычислялись основные показатели надёжности и сравнивались с требуемыми. Ни один из расчётных показателей не нарушает установленной нормы, более того, условия выполняются со значительным запасом. Следовательно, в данном изделии возможно использование более дешевой элементной базы, с целью уменьшения его себестоимости. В каждом разделе приведены наглядные зависимости ПН от времени в пределах от начального момента до заданной длительности сеанса непрерывной работы (500ч.) и до заданного номинального времени (3 года = 26280ч.)

На первом этапе был проведен анализ объекта и желательных условий его эксплуатации, перечислены его основные функции и условия нормальной работы. На этапе разработки требований по надёжности объекта были перечислены основные требования к показателям назначения, названы критерии отказов и предельных состояний.

В ходе проведения расчётных этапов, были получены численные значения или графическое представление таких ПН как суммарная средняя интенсивность отказов для каждого ФУ, вероятности безотказной работы каждого ФУ и изделия в целом, коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности, коэффициент технического использования, уточнённые интенсивности отказов для наиболее ответственного ФУ, уточнённые вероятности безотказной работы по внезапным и деградационным отказам, пределы допустимого изменения определяющего параметра этого ФУ и интенсивность параметрических отказов его элементов, обобщённая уточнённая вероятность безотказной работы.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Журнал «Радиоконструктор» № 12 / А. Иванов - Москва, - 2006.

2. Справочник по интенсивностям отказов.

3.Анализ и обеспечение надёжности электронных аппаратов при проектировании /М.Ф. Бабаков. - учебное пособие. - Харьков: "ХАИ", 2002.

4. Проектная оценка надежности электронных аппаратов/М.Ф. Бабаков, О.С. Урусский - учебное пособие. - Харьков: "ХАИ", 2006.

5. Нормирование и расчёт надёжности РЭА /М.Ф. Бабаков, И.К. Васильева, И.И. Дерюга - учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию - Харьков: "ХАИ", 2008.

Размещено на Allbest.ru