Радио электронные средства бытового назначения

Постоянное резервирование в РЭА  производят по следующей схеме: входные  сигналы поступают на n логических схем, причем n> k, где k – число логических схем в нерезервированной схеме. Выходные сигналы всех n логических схем далее подают на решающий элемент, который согласно функции решения по этим сигналам определяет значения выходных сигналов всей схемы. Функция решения – правило отображения входных состояний решающего элемента на множество его выходных состояний.

Простейший и наиболее распространенный вид функции решения – «закон большинства», или мажоритарный закон. Решающий элемент обычно называют мажоритарным элементом. Работа мажоритарного элемента состоит в следующем: на входы элемента поступают двоичные сигналы от нечетного количества идентичных элементов; выходной сигнал элемента принимает значение, равное значению, которое принимает большинство входных сигналов.

По способу включения резервных  элементов функциональных устройств различают три вида резервирования [8-13]: постоянное, замещением и скользящее.

При постоянном резервировании предполагают, что любой отказавший элемент  или узел не влияет на выходные сигналы  и поэтому его прямого обнаружения не производится.    

Постоянное резервирование наиболее распространено в невосстанавливаемых устройствах. Кроме того, оно является единственно возможным в устройствах, где недопустим даже кратковременный перерыв в работе.

Постоянное резервирование вводится или с помощью решающего блока, или в виде однотипных элементов или блоков, включенных последовательно, параллельно или, например, согласно законам k-кратной логики.

В качестве решающего блока можно  использовать мажоритарные элементы с постоянными или переменными весами, кодирующие - декодирующие устройства и схемы из логических элементов И, ИЛИ, НЕ.

Резервирование замещением предполагает обнаружение отказавшего элемента или узла и подключение исправного. Замещение может происходить либо автоматически, либо вручную.

Резервирование замещением имеет  следующие достоинства. Для многих схем при включении резервного оборудования не требуется дополнительно регулировать выходные параметры, вследствие того, что электрические режимы в схеме не меняются. Резервная аппаратура до момента включения в работу обесточена, что повышает общую надежность системы за счет сохранения ресурса электронных устройств. Имеется возможность использования одного резервного элемента на несколько рабочих.

Вследствие сложности аппаратуры для автоматического включения  резерва резервирование замещением целесообразно применять к крупным блокам и отдельным функциональным частям РЭА.

При скользящем резервировании любой  резервный элемент может замещать любой основной элемент. Для осуществления этого резервирования необходимо иметь устройство, которое автоматически находит неисправный элемент и подключает вместо него резервный. Достоинство такого резервирования в том, что при идеальном автоматическом устройстве будет наибольший выигрыш в надежности по сравнению с другими методами резервирования. Однако осуществление скользящего резервирования возможно лишь при однотипности элементов.

Информационные  методы повышения надежности РЭА. Основное применение информационные методы находят в вычислительной технике. Реализуются они в виде корректирующих кодов. Назначение этих кодов состоит в том, чтобы обнаруживать и исправлять ошибки в РЭА без прерывания их работы.

Корректирующие коды предусматривают  введение в изделия некоторой избыточности. Различают временную и пространственную избыточность. Временная избыточность характеризуется неоднократным решением задачи. Полученные результаты сравниваются, и если они совпадают, то делается вывод, что задача решена правильно. Временная избыточность вводится в РЭА программным путем.

Пространственная избыточность характеризуется  удлинением кодов чисел, в которые  вводят дополнительно контрольные  разряды. Суть обнаружения и исправления ошибок с помощью корректирующих кодов состоит в следующем. В конечном множестве А выходных слов устройства выделяют подмножество В разрешенных кодовых слов (т. е. В Ì А). Эти слова могут появиться лишь в том случае, если все арифметические и логические операции, выполняемые РЭА, осуществляются правильно. Тогда очевидно, что подмножество А – В = С(A \ B = С) будет характеризовать запрещенные кодовые слова. Последние имеют место только при наличии ошибок.

Далее все слова на выходе устройства анализируют. Например, если слово b_i относится к подмножеству разрешенных кодовых слов (т. е. b ϵ B), то это означает, что процесс идет нормально; слово b_i считают правильным и его можно декодировать.

Если на выходе устройства появляется запрещенное кодовое слово с_i (c_i ϵ C), то это свидетельствует о наличии ошибки, и она фиксируется.

Для устранения обнаруженных таким  образом ошибок все запрещенные кодовые слова разбиваются на группы. Каждой такой группе ставится в соответствие только одно разрешенное кодовое слово. При декодировании запрещенные кодовые слова с_i автоматически заменяются разрешенными кодовыми словами из той группы, к которой принадлежит c_i.

Таким образом, корректирующие коды в  состоянии не только обнаруживать ошибки, но и устранять их.

Расчет надежности РЭА. Определив  из ТЗ требуемую вероятность безотказной работы аппаратуры, конструктор распределяет эту вероятность по составляющим РЭА модулям, подбирает элементы с необходимыми интенсивностями отказов, выявляет потребность и глубину резервирования, принимает меры по защите аппаратуры от воздействий дестабилизирующих факторов.

Расчет надежности РЭА состоит  в определении числовых показателей  надежности P(t) и Т_ср по известным интенсивностям отказов комплектующих РЭА элементов. При этом считается, что, если выход из строя любого элемента приводит к выходу из строя всей РЭА, то имеет место последовательное включение элементов. Усредненные данные по интенсивностям отказов микросхем, электрорадиоэлементов, узлов и электрическим соединениям являются известными.

При конструировании необходимы данные об ожидаемых изменениях характеристик  элементов в течение всего  срока службы РЭА. Например, если разрабатывается  аппаратура со сроком службы 10 лет, то необходимо предварительно в течение 10 лет, если не используется какой-либо метод ускоренных испытаний, собирать данные об изменении параметров комплектующих элементов, что в общем случае нереально, так как за это время может устареть как элементная база, так и сама разрабатываемая РЭА.

Поэтому трудно ожидать совпадения реального и рассчитанного поведения системы, но расчеты надежности необходимо выполнять, так как в ТЗ на разработку всегда указываются требуемые показатели надежности.

Вероятность безотказной работы системы  обычно вычисляется с использованием выражений:

где _i(t) – интенсивность отказов i-го модуля,

       n – число модулей системы.

Модули одного иерархического уровня имеют приблизительно равную надежность. Тогда для системы из К групп модулей одного уровня:

 

где n_i - число модулей i-го уровня иерархии.

Для экспоненциального закона распределения, когда интенсивность отказов  можно считать величиной постоянной:

 

В общем случае надежность конструкции  зависит от соотношения прочности  и устойчивости к нагрузке, которую  приходится выдерживать аппаратуре в процессе эксплуатации. Под прочностью здесь понимается способность аппаратуры выдерживать без разрушений внешние температурные, механические, влажностные и прочие воздействия, под устойчивостью – способность к работе при тех же воздействиях.

Создание аппаратуры без излишних запасов прочности – важная и  сложная задача, поскольку конструктор  не всегда имеет четкие количественные параметры внешних воздействий, отсутствуют или имеются неточные математические модели, позволяющие весьма ориентировочно произвести указанную оценку. Это приводит к внесению в конструкцию завышенных запасов прочности и устойчивости, так называемых коэффициентов незнания, уточнение которых – условие успешного обеспечения заданной надежности при минимальной себестоимости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Описание выбранной  схемы устройства

В соответствии с заданием на курсовое проектирование выполним оценку надежности предварительного усилителя  с изменяемой амплитудно-частотной  характеристикой.

Как известно [1, 5], данный усилитель предназначен для усиления сигналов в различных системах. Чаще всего используют в домашних аудио системах.

Схема данного усилителя приведена  в ПРИЛОЖЕНИИ А, а входящие в его  состав компоненты – в ПРИЛОЖЕНИИ Б.

Анализ данных материалов показывает, что усилитель собран на транзисторе VT1, включенный по схеме общий эмиттер.

R9 – коллекторная нагрузка;

R10, C6 – цепочка термостабилизации, по принципу отрицательной обратной связи;

R7, R8 – делители напряжения, обеспечивают положение исходной рабочей точки (положения покоя), задает смещение на базу VT1;

Rг – внутреннее сопротивление генератора;

R1 – R6, C1 – C4 – пассивный полосовой RC – фильтр;

С3, С5 – разделительные конденсаторы, пропускают переменный полученный сигнал, разделяют каскады по постоянному току;

R2, R5 – служат для коррекции АЧХ в области низких и высоких частот в пределах полосы пропускания;

VT1 – активный элемент, компенсирует потери, повышают эквивалентную добротность. 

 

В схеме использованы следующие  элементы:

• биполярные транзисторы;
• постоянные резисторы;
• переменные резисторы;
• керамические конденсаторы.

Рассмотрим более подробно данные компоненты. Как известно [1, 2, 7, 11], биполярные транзисторы являются дешевым, доступным компонентом. Принцип их работы основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, -дырок и электронов. В качестве постоянных резисторов в схеме выбраны углеродистые резисторы. Как известно из справочной литературы, например, [1, 2, 7, 11], они отличаются широким диапазоном рабочих частот, высокой надежностью и стабильностью параметров, качественным внешним исполнением и имеют минимальную стоимость. Переменные резисторы реализованы в виде композиционных резисторов. У этих резисторов токопроводящий материал получают путем смешивания проводящей компоненты (графита или сажи) со связывающими компонентами, наполнителем, пластификатором и отвердителем. В зависимости от состава композиционные материалы имеют очень широкий диапазон удельных сопротивлений. Они обладают высокой теплостойкостью (до 350°С) и имеют небольшие габариты. Недостатком композиционных резисторов является высокий уровень токовых шумов, что объясняется крупнозернистой структурой проводящего материала.

Керамические конденсаторы способны работать с сигналами, меняющейся полярности, обладают хорошими частотными характеристиками, малыми потерями, незначительными токами утечки, небольшими габаритными размерами и низкой стоимостью.

Интенсивность отказов всех входящих в схему компонентов  приведена в таблице 5.1.

 

Таблица 5.1- Интенсивность отказов элементов схемы

Наименование	Тип элемента	Интенсивность отказов
Транзисторы полупроводниковые	кремниевые	0,45 – 1,4
Резисторы переменные	композиционные	0,02 – 0,3
Резисторы постоянные	композиционные	0,005 – 0,3
Конденсаторы  постоянной емкости	Керамические	0,042 – 1,64
Элементы  монтажа	Плата печатная Разъемы	0,1 0,03 – 0,6
Пайка	Волной	0,01 – 0,04

 

 

 

6 Расчет надежности

Требования  к надежности разрабатываемого изделия  задаются в техническом задании на разработку [1-4]. На ранних стадиях разработки изделия составляются план обеспечения надежности, который на последующих стадиях разработки детализируется и уточняется. Одним из элементов этого плана является расчет надежности проектируемого изделия. Первые расчеты делают на ранних стадиях разработки, а с уточнением сведений об изделии уточняются и расчеты надежности. Существующие методы расчета надежности позволяют получить расчетным путем количественные характеристики надежности разрабатываемого изделия и сопоставить эти характеристики с заданными в техническом задании. Все расчеты надежности в основном сводятся к определению вероятности безотказной работы P(t) и средней наработке до первого отказаT_ср по известным интенсивностям отказов элементов схемы. В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на работу изделия и его надежность, последовательно проводят три расчета надежности: прикидочный, ориентировочный и окончательный.

Прикидочный расчет позволяет судить о принципиальной возможности обеспечения требуемой надежности изделия. Данный расчет используется при проверке требований по надежности, выдвинутых заказчиком в техническом задании, при сравнительной оценке надежности отдельных вариантов выполнения изделия на ранних стадиях разработки. При прикидочном расчете делается допущение, что все элементы схемы равнонадежны, поскольку принципиальные электрические схемы на изделие и его составные части окончательно не разработаны. Соединения элементов с точки зрения надежности таково, что выход из строя любого элемента приводит к отказу всего изделия. Интенсивность отказов элементов берутся для периода нормальной работы, т.е. λ_i(t)=const. Тогда имеем: