1.6. Характеристики стабильности
Стабильность параметров – это способность элементов сохранять свои первоначальные параметры в пределах, установленных ТУ и ГОСТ при воздействии внешних факторов.
Внешние воздействия делятся на климатические и механические.
К механическим воздействиям относятся вибрация и удары, а к климатическим – температура, влажность, атмосферное давление.
Наиболее существенное влияние на параметры оказывает колебание температуры. На ЭРЭ воздействует температура окружающей среды, подогрев со стороны других элементов, а также самонагрев ЭРЭ, связанный с выделением тепла. Под влиянием температуры происходит изменение размеров отдельных деталей и их взаимное перемещение, изменяются величина диэлектрической проницаемости диэлектриков и удельное электрическое сопротивление проводников.
Изменения, вызываемые температурой делятся на обратимые и необратимые. Обратимое изменение параметра – это такое, при котором параметр изменяется в соответствии с изменением температуры, а после установления первоначальной температуры параметр возвращается к своему исходному значению. Такие изменения характеризуются температурным коэффициентом (ТК).
ТК показывает относительное изменение величины параметра при изменении температуры на 1.
ТКЕ (с) – температурный коэффициент емкости, ТКС (r) –сопротивления, ТКИ (L) – индуктивности. В математическом виде:
ТКС=R/(R·t), ТКЕ=С/(С·t), ТКИ=L/(L·t).
Необратимые изменения – изменения при неоднократном воздействии температуры, когда параметр не возвращается к своему исходному значению при установлении первоначальной температуры. Они характеризуются коэффициентом температурной нестабильности (КТН).
КТН – относительное изменение параметра после изменений его температуры:
КТНС=r=R/R, КТНЕ=с=С/С, КТНИ=L=L/L.
Необратимые изменения свидетельствуют о несовершенстве конструкции элемента, в котором могут возникать остаточные деформации и проявляться механизмы старения.
Изменение атмосферного давления наиболее сильно сказывается на электрической прочности: при понижении давления электрическая прочность падает. Для защиты элементов применяется герметизация.
Механические воздействия: вибрации, удары, растяжение, скручивание могут привести к обрыву проволочного вывода или нарушению целостности контактного узла, что приводит к катастрофическим отказам. Кроме того, может иметь место нарушение герметичности конструкции, растрескивание заливочного компаунда или опрессовочной пластмассы.
Для оценки влияния механических воздействий введем следующие понятия.
Вибропрочность – свойство противостоять разрушающему воздействию вибрации и после длительного ее воздействия сохранять способность к выполнению своих функций.
Виброустойчивость – способность выполнять свои функции в условиях вибрации.
Особенно опасен механический резонанс, когда частота собственных колебаний совпадает с внешней частотой.
1.7. Параметры надежности
Надежность – свойство элемента выполнять все заданные функции в течение требуемого времени при определенных условиях эксплуатации и сохранять основные параметры в пределах заранее установленных допусков.
Для количественной характеристики надежности применяются такие показатели, как: гарантийный срок службы, интенсивность отказов, вероятность безотказной работы и др.
Гарантийный срок службы – время, в течение которого изготовитель гарантирует надежную работу элемента, т.е. изменение параметров в течение данного срока не должно превышать значений, допускаемых ТУ.
Вероятность безотказной работы – вероятность того, что время от включения элемента до первого отказа Т больше некоторого заданного времени t.
Так как T>t, то:
.
Время Т – случайная величина, а функция р(t) монотонно убывает от единицы до нуля. Статистически р(t) за время t определяется как отношение числа элементов нормально функционирующих к концу испытаний Nи к общему числу испытанных элементов N, подвергшихся испытаниям:
,
где число исправных элементов можно определить как:
,
где n(t) – число элементов, отказавших за время испытания.
Вероятность безотказной работы позволяет определить число элементов, нормально работающих к моменту времени t:
Интенсивность отказов – отношение количества элементов, отказавших в течение времени t к произведению количества работоспособных элементов к концу интервала времени t на его продолжительность:
,
где: n(t) – число элементов, отказавших за время t.
Зависимость интенсивности отказов от времени может быть получена экспериментально и представлена на рисунке 1.5.
Рис. 1.5. Зависимость интенсивности отказов от времени работы
На рисунке 1.5 можно выделить три характерных участка.
I – приработка, когда из строя выходит большое количество элементов из-за проявления скрытых дефектов и производственного брака. Эти дефекты в ЭРЭ можно выявить тренировкой.
II – период нормальной работы. На этом участке const.
III – период повышения числа отказов из-за естественного износа и старения. Указывает на необходимость ремонта или замены ЭРЭ.
Увеличить период нормальной работы можно облегченным режимом работы (см. рис. 1.5. (б)).
(t) зависит от качества изготовления ЭРЭ, и определяется уровнем производства. Большое влияние оказывают такие факторы, как: отклонения от установленного ТП, разброс параметров исходных материалов, а также окружающая среда.
Для расчетов интенсивность отказов ЭРЭ можно определить из справочной литературы. Например, для резисторов постоянного сопротивления интенсивность отказов составляет (0,5...1)·10-7 1/ч, а для резисторов переменного сопротивления 7·10-6 1/ч.
Отказ элемента – случайное событие, заключающееся в том, что он перестает выполнять свои функции полностью или частично. Отказы могут быть полными и условными.
Полный отказ – нарушение электрической или механической прочности ЭРЭ (обрыв, временное или постоянное короткое замыкание, перегорание, пробой и т.д.).
Условный отказ – изменение какого-либо параметра ЭРЭ свыше некоторых пределов, установленных в ТУ. Незначительное изменение параметров может привести к существенному изменению показателей надежности. Условные отказы некоторых элементов приводят к условному отказу схем (падение коэффициента усиления, шумы и т.д.), а также могут вызвать полный отказ схемы.
Важным параметром, определяющим надежность ЭРЭ и узлов ЭВА, является коэффициент нагрузки Кн, который представляет собой отношение фактического значения параметра к номинальному. Например, для рассеиваемой ЭРЭ мощности:
.
При использовании ЭРЭ в предельных режимах интенсивность отказов возрастает в 5...10 раз (см. рис. 1.6 и таблицу 1.1).
Рис. 1.6. Зависимость интенсивности отказов от нагрузки на ЭРЭ
Таблица 1.1.
Зависимость уровня нагрузки от интенсивности отказов
Уровень нагрузки |
(t), 1/ч |
Нижний |
2·10-4 |
Низкий |
3·10-5 |
Нормальный |
5·10-6 |
Разгруженный нормальный |
1,5·10-6 |
Высокий |
5·10-7 |
Разгруженный высокий |
10-7 |
Высший |
5·10-8 |
Контрольные вопросы
1. Поясните, как образуются номинальные значения резисторов?
2. Сколько номинальных значений будет содержать ряд Е192?
3. Чем отличается допуск от класса точности?
4. Расположите параметры, характеризующие электрическую прочность ЭРЭ, в порядке возрастания.
5. Что произойдет с рассеиваемой мощностью при повышении температуры окружающей среды?
6. Как уменьшить влияние Скин-эффекта?
7. В чем заключается эффект близости? В каких электроэлементах он проявляется сильнее всего?
8. Какие параметры характеризуют стабильность резисторов?
9. Чем отличается КТНС от ТКС?
10. Каково влияние климатических факторов на стабильность параметров резисторов?
11. Как влияют механические воздействия на параметры резисторов?
12. Перечислите параметры надежности. Какие из них являются справочными величинами и указываются в документации на электрорадиоэлемент?
13. Что определяет коэффициент нагрузки?
14. От чего зависит надежность электрорадиоэлемента?
15. Как можно изменить надежность резистора и на каком этапе его жизненного цикла?
16. В чем особенность условного отказа элемента?
17. Каковы типичные значения интенсивности отказов для резисторов?