Надежность электронных приборов

Основным качественным показателем электронных устройств является надежность их работы, которая определяется надежно­стью отдельных деталей и узлов.

Под надежностью понимается свойство системы (изделия), связанное с ее безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью и обеспечивающее выполнение заданных функций.

Безотказность определяет свойство системы (изделия) непрерывно сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации.

Долговечность — это свойство изделия или системы длительно сохранять работоспособность в определенных режимах и усло­виях эксплуатации. Долговечность количественно оценивается техническим ресурсом, представляющим собой сумму интервалов времени безотказной работы за период эксплуатации до разру­шения или другого предельного состояния.

Ремонтопригодность — это свойство изделия или системы, ха­рактеризующее ее приспособленность к предупреждению, обнару­жению и устранению отказов.

Отказом называется такая неисправность, без устранения которой невозможно дальнейшее выполнение аппаратурой всех или хотя бы одной из ее основных функций. Отказы могут быть пол­ными и частичными (условными), внезапными и постепенными, зависимыми и независимыми. Физический смысл внезапного от­каза сводится к тому, что в результате скачкообразного измене­ния какого-либо параметра элемент схемы теряет свойства, необ­ходимые для обеспечения нормальной работы. К полным отка­зам можно отнести отказы, связанные с полной потерей работо­способности прибора вследствие обрывов или коротких замыка­ний внутренних или внешних выводов, пробоя PN-перехода и т. д.

Причинами внезапных отказов могут быть конструктивные недоработки, скрытые производственные дефекты, нарушение пра­вил эксплуатации и внешние воздействия, не свойственные нор­мальной эксплуатации (удары, вибрации, перегрев, повышенное напряжение и т. д.). Такие отказы чаще всего возникают в на­чальный период эксплуатации.

Постепенные отказы связаны с изменением параметров прибо­ров (изделия) во времени и проявляются в виде выходов пара­метров за пределы норм, установленных в технических условиях. Постепенные отказы обусловлены несовершенством технологии или ее нарушением в процессе изготовления приборов.

Основная часть отказов полупроводниковых приборов происходит за счет постепенного ухудшения параметров, в основном вызванного изменением состояния поверхности полупроводников. Попадание влаги или кислорода на поверхность кристалла приво­дит к образованию проводящих каналов на поверхности полупро­водника, что может вызвать увеличение обратного тока перехода и уменьшение коэффициента передачи тока транзистора. Вслед­ствие этого приборы, выполненные по планарной технологии, име­ют более высокую стабильность параметров, так как у них поверх­ность полупроводников покрыта защитной окисной пленкой, не­жели приборы, выполненные по сплавной технологии.

В электровакуумных приборах такие отказы могут возникать из за ухудшения вакуума лампы и уменьшения эмиссии катода во времени. Постепенные отказы могут быть частичными или услов­ными, где изменение параметров прибора в одних случаях могут вызвать отказ работы схемы, в других — только частичное изме­нение параметров. За критерий условных отказов принимают из­менение основных параметров (для транзисторов это обычно из­менение коэффициента передачи и обратного тока коллектора) в определенное число раз сверх норм, предусмотренных техничес­кими условиями. Правильно рассчитанная схема допускает зна­чительные изменения параметров прибора, поэтому условно отка­завшие приборы могут не вызвать отказа ее работы.

Для количественной оценки надежности используют понятие интенсивность (опасность) отказов, под которой понимают отно­шение числа отказов приборов в единицу времени к числу исправ­но работающих приборов. Интенсивность отказов

(8)

где п — число отказавших приборов за время t в часах; N — об- щее число работающих приборов. Так как обычно n<<N_t то

(9)

Рисунок 142- Типовая кривая интенсивности отказов

Для оценки надежности элек­тронных приборов (устройств) пользуются понятием: /вероят­ность безотказной работы р за определенный интервал времени эксплуатации

(10)

Типовая кривая интенсивности отказов приведена на рис. 142. Эту кривую можно разделить на три участка, Участок 1 ха­рактеризуется повышенной интенсивностью внезапных отказов, которые являются следствием низкого качества изготовления, вы­явившегося с началом эксплуатации изделия. Участок 2 соответ­ствует нормальному сроку эксплуатации. Интенсивность отказов здесь уменьшается, так как период приработки закончился, износ приборов еще не наступил. Участок 3 характеризуется новым нарастанием интенсивности отказов, являющихся результатом ста­рения или износа элементов (например, потерей эмиссии катода электровакуумного прибора). Для большинства типов полупро­водниковых приборов не удалось установить наличие области из­носа, что объясняется их большим сроком службы.

С целью исключения ранних отказов приборы повышенной надежности подвергают специальной тренировке и различным ви­дам дополнительных испытаний. Интенсивность отказов электро­вакуумных приборов составляет порядка (10^-3... 10^-6) 1/ч, полу­проводниковых приборов (10^-5... 10^-9) 1/ч.

Таким образом, одним из основных показателей электронных устройств является надежность их работы — свойство изделия, обусловленное его работоспособностью, долговечностью и ремонтоспособностью.

Для количественной оценки надежности используют понятие интенсивность отказов Я, под которой понимают отношение числа отказов приборов в единицу времени к числу непрерывно работа­ющих приборов.

Анализ нагрузочного режима транзистора

Работа усилительного элемента с нагрузкой

Если в выходную цепь усилительного элемента включить сопротивление нагрузки R_К, а во входную – источник сигнала Е_С, и к входу и выходу подать постоянное напряжение источника питания, то транзистор будет работать в нагрузочном режиме (динамическом режиме).

Рисунок 139 – Схема включения БТ в нагрузочном режиме

Напряжение источника питания Е_К в выходной цепи распределяется между сопротивлением R_К и выходными зажимами транзистора U_КЭ по закону Кирхгофа:

E_КЭ=U_КЭ+U_RН=U_КЭ+I_КR_К

Уравнение является уравнением прямой линии, которую можно построить по двум точкам, отложенным по осям координат на выходных статических характеристиках транзистора. Точку А на оси напряжений получаем, приравняв I_К к нулю. При этом напряжение U_КЭ=E_К, точку В на оси токов получаем при U_КЭ=0. В этой точке I_К=Е_К/R_К. Проведенная через эти точки прямая является нагрузочной линией по постоянному току.

Рисунок 140 – Построение нагрузочной прямой на выходных статических характеристиках

Нагрузочная прямая позволяет определить для каждого значения тока I_К, соответствующее ему значение напряжения U_КЭ при данном сопротивлении нагрузки R_К и ЭДС источника питания E_К. Если напряжение источника сигнала E_C=0, то в этих цепях установится постоянные токи и напряжения. Такой режим работы называется режимом покоя, на характеристике обозначается точкой Р.Т.

На основе нагрузочной линии по переменному току делается анализ работы биполярного транзистора в нагрузочном режиме.

Рисунок 141 – Анализ работы БТ в нагрузочном режиме по переменному току

На вход подано постоянное напряжение смещения, для выбора точки покоя (точка Р.Т.). При данном напряжении на выходе также будет постоянное напряжение смещения U_КЭ0, которое задается резистором R_К. На вход также подано напряжение источника сигнала U_ВХ = U_ВХmsint. В соответствии с этим напряжением меняются токи I_Б и I_К, при этом токи I_Бmin и I_Бmax находятся в месте пересечения данной выходной статической характеристики с нагрузочной линией. В месте их пересечения им соответствуют токи I_Кmax и I_Кmin. Проекция этих точек на ось напряжения U_КЭ позволяет определить напряжение U_КЭmin, а I_Кmin – I_Кmax. Таким образом, при подаче на базу переменного напряжения меняется соответственно I_К и U_КЭ. Напряжение сигнала на выходе усилительного элемента будет в противофазе напряжению сигнала на входе (поворачивает фазу сигнала на 180⁰). С увеличением входного сигнала увеличивается ток I_К, а напряжение U_КЭ соответственно уменьшается, и наоборот.

С помощью выходной нагрузочной линии можно определить:

- выходную мощность усиленного сигнала:

P_ВЫХ=I_КmU_КЭm/2,

- мощность, потребляемую от источника сигнала:

Р₀=I_К0E_К,

- КПД:

=Р_ВЫХ/Р₀*100%.

При значении тока базы большем, чем т. N транзистор переходит в режим насыщения. При значении тока базы меньшем, чем М, транзистор в режиме отсечки.

Положение нагрузочной линии

1. При изменении напряжения источника питания нагрузочная характеристика перемещается параллельно исходной. Перемещение нагрузочной линии вызывает изменение рабочей точки, так как рабочая точка Р.Т. перемещается по статической характеристике, снятой при I_Б0.

Рисунок 142- Изменение положения нагрузочной прямой при изменении Е_к

2. При изменении выходного сопротивления нагрузки коллекторной цепи R_К изменяется угол наклона характеристики. Рабочая точка перемещается по характеристике, снятой при I_Б0.

Рисунок 143 – Изменение положения нагрузочной прямой при изменении R_к

3. При расчете рабочего режима транзистора следует учесть, что получение большой мощности ограничено рядом факторов. Нельзя превышать предельный ток коллектора, напряжение U_КЭ или U_КЭ, и мощности, выделяющейся в транзисторе Р_Кmax.Рабочая область ограничена U_КЭmax, I_Кmax, P_Кmax.

Рисунок 144 – Предельный режим работы БТ

Процессы усиления сигналов

Принцип усиления электрических сигналов

Одной из важнейших функций в любой электронной аппаратуре является усиление электрических сигналов – это значит увеличить его мощность, т.е. амплитуду тока и напряжения исходного сигнала до требуемой величины.

Рисунок 145 – Схема включения БТ в активном режиме работы

Наибольшим усилением по мощности обладает биполярный транзистор, включенный по схеме с ОЭ. Рассмотрим работу биполярного транзистора в активном режиме.

На вход подан сигнал U_ВХ, при этом незначительное изменение входного напряжения U_БЭ вызовет значительное изменение тока базы I_Б, ток коллектора при этом увеличится соответственно I_К=I_Б*h_21э. Этот ток вызовет соответствующее изменение выходного напряжения U_КЭ=I_К*R_К. Так как R_К> R_ВХ, а ток I_К=I_Б, то и I_К=I_Б, соответственно U_КЭ>U_ЭБ (U_ЭБ=I_Б*R_ВХ). Таким образом, схема обеспечивает усиление по току и по напряжению, а соответственно и по мощности (Р₀=I²_Б*R_К). Но очень большого усиления по мощности получить не удается из-за того, что изменение мощности на выходе только управляет изменением мощности на входе. При этом тратиться энергия источника питания постоянного тока Р₀, включенного на входе и выходе усилительного элемента. Чтобы получить на выходе сигнал без искажений на вход необходимо подать сигнал Р_ВХ<Р₀, соответственно теряется часть энергии источника питания и КПД усилителя при этом будет < 100%.

Процесс усиления электрических сигналов по мощности является процессом преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока, который меняется по закону поданного на вход напряжения или тока усиливаемого сигнала.

Рассмотрим процесс усиления на основе числовых примеров:

Для расчета примем напряжение источника питания Е₁=0,2В, Е₂=12В, сопротивление нагрузки R_Н=4кОм, выходное сопротивление транзистора при отсутствии сигнала на входе r₀=4кОм, амплитуда коллекторного тока I_Кm=1мА. Расчет произведем для амплитуды входного напряжения U_БЭ=0,1В.

1. При отсутствии входного сигнала:

Полное сопротивление в коллекторной цепи равно сумме сопротивлений r₀ и R_К.

Ток в коллекторной цепи равен: I_К0=Е₂/(R_К+r₀)

I_К0=12/(4*10³+4*10³)=1,5*10^-3=1,5мА

Так как сопротивления R_К и r₀ равны, то напряжение Е₂ делится по полам U_К0=6В и U_КЭ0=6В

2. при положительной полуволне входного сигнала:

Т.к. на вход подан сигнал амплитудой 0,1В, то напряжение на входе будет суммироваться с напряжением питания.

U_ВХ=Е₁+U_КЭm=0,1+0,2=3В

Ток на выходе также увеличивается:

I_К=I_К0+I_Кm=1*10^-3+1,5*10^-3=2,5*10^-3=2,5мА

Этот ток вызовет на сопротивлении нагрузки падение напряжения:

U_Нmax=I_Кmax-R_Нmax=12-10=2В

Следовательно сопротивление r_ЭК уменьшится до:

3. При отрицательной полуволне напряжение на входе минимально:

U_Вхmin=Е₁-U_КЭm=0,2-0,1=0,5мА

Этот ток вызовет падение напряжения на сопротивлении нагрузки:

U_Нmin=I_Кmin*R_Н=0,5*10^-3*4*10³=2В

На выходе транзистора напряжение увеличится и будет максимально:

U_КЭmax=E₂-U_Нmin=12-2=10В

Следовательно сопротивление r_КЭ увеличится до:

Вывод: подача на вход транзистора переменного напряжения амплитудой 0,1В вызовет изменение сопротивления r_КЭ от 0,8 до 20кОм, при этом амплитуда напряжения на нагрузке составит 4В. Т.е. амплитуда сигнала на выходе в 40 раз больше, чем на входе.

Режимы работы усилительных элементов

На вход транзистора подается переменное напряжение и через электронный прибор протекает переменный ток. Для того, чтобы переменная составляющая тока совпадала по форме напряжением, необходимо иметь линейную зависимость между током и напряжением.

Рисунок 146 – Входная характеристика, имеющая линейный характер

Рисунок 147 – Входные характеристики БТ

Входные статические характеристики биполярного транзистора являются нелинейными. Соответственно, при подаче на вход переменного сигнала, на выходе сигнал будет с искажениями. Отсутствия искажений можно добиться, используя участок, наиболее близкий к прямой – участок АВ.

Подадим на вход переменный сигнал u_ВХ=U_ВХm*sint. При этом входной ток транзистора будет меняться пропорционально изменению напряжения входного сигнала. Для того, чтобы переменная составляющая тока не выходила за рамки участка АВ, на вход необходимо подать постоянное напряжение U_ЭБ0.

Точка на участке статической характеристики, однозначно определяемая постоянным напряжением на входе называется точкой покоя (точка М).

Постоянное напряжение, которое подается на вход усилительного элемента для выбора точки покоя, называется напряжением смещения (напряжение U_ЭБ0).

Результирующий ток на выходе i_Б, также меняется по закону входного напряжения сигнала i_Б=I_Б*sint, и содержит постоянную составляющую.

Режим работы усилительного элемента, при подаче на его элементы постоянного напряжения и в отсутствии на его входе напряжения электрического сигнала, называется режимом покоя.

145