Способы защиты рэа от механических воздействий. Методы контроля радиоэлектронной аппаратуры в процессе производства

Введение

1. Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

4. Расчеты надежности при проектировании РЭА

Спецификация

Литература

Введение

Полупроводниковая электроника – прогрессирующая область науки и техники. Уже в первом десятилетии с момента изобретение транзисторов полупроводниковые приборы нашли широкое применение в самой разнообразной аппаратуре, основательно потеснив вакуумные лампы. Это было связанно с их преимуществом перед последними, такими как малая потребляемая мощность, отсутствие цепей накала, миниатюрное конструктивное исполнение, высокая механическая прочность и практически мгновенная готовность к работе, что позволило коренным образом изменить внешний облик и функциональные возможности аппаратуры. Существенно уменьшились ее габаритные размеры и энергоемкость. В частности, широкое распространение получили малогабаритные переносные радиоприемники, магнитофоны, телевизоры с батарейным питанием. Неизмеримо расширились возможности вычислительной техники: резко возросла вычислительная мощь и быстродействие ЭВМ при значительном снижении габаритных размеров и энергопотребления. Благодаря дискретным полупроводниковым приборам, аппаратура уверенно шагнула на борт самолета, ракеты, проникла в космос, все больше и больше принимая на себя функции управления процессами и различными объектами, являющийся ранее безраздельной областью деятельности человека.

Внедрение полупроводниковых приборов и интегральных микросхем в радиоэлектронную аппаратуру проходило в условиях преодоления существенных трудностей. Одной из основных при этом была проблема обеспечения высокой надежности функционирования приборов в аппаратуре. Теоретически долговечность идеального полупроводникового прибора исчислялась несколькими сотнями лет. И такое прогнозирование следует считать обоснованием, так как оно базируется на том, что долговечность прибора, в котором отсутствует движущиеся механические части и в качестве активной области используется твердый полупроводник, определяется в основном износостойкостью конструкционных материалов и скорость деградационных физико-химических процессов, стимулируемых прохождением тока через прибор и факторами внешних воздействий. На практике столь многообещающие прогнозы не подтвердились. Реальные полупроводниковые приборы, пришедшие на смену лампам, имели сравнительно низкую долговечность и выходили из строя.

Возникновение проблемы надежности в электроники относят к началу пятидесятых годов, когда развитие техники привело к созданию сложной радиоэлектронной аппаратуры и передачи ей основных функций управления. В этот период специалисты столкнулись с очень частыми отказами аппаратуры и, в первую очередь, за счет ее схемотехнического несовершенства и некачественных элементов. Для преодоления создавшихся трудностей необходим был научно обоснованный подход к обеспечению высокой работоспособности различной аппаратуры и приборов в нее входящих. Этот подход и вылился в создание нового научно направления – науки о надежности.

Основные положения общей теории надежности являются фундаментом для разработки прикладных вопросов надежности в различных областях техники, в том числе и в полупроводниковой электронике.

Большой объем работ, направленных на повышение надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, у нас в стране и за рубежом, и достигнутые успехи в этой области обеспечивают в большинстве случаев функционирование приборов в эксплуатации с надежностью, характеризуемой интенсивностью отказов. Однако постоянный рост сложности радиоэлектронной аппаратуры, расширение выполняемых ею управляющих функций выдвигают все более жесткие требования к комплектующим изделиям. Это в свою очередь стимулирует расширение фронта работ в области надежности и вызывает необходимость периодического обобщения получаемых результатов.

Материальной основой всей системы является подсистема сбора данных о надежности и анализ отказов приборов на всех этапах их жизненного цикла. Согласованность всех составляющих системы обеспечения надежности, постоянное совершенствование организационных основ системы должно идти в ногу с прогрессом в области полупроводниковой электроники.

1. Выбор и обоснование схемы электрической структурной

Блок преобразования кодов предназначен для преобразования двоично-десятичного кода технологических программ в двоичный код и обратное преобразование двоичного кода в двоично-десятичный с целью получения откорректированных перфолент и дубликатов с помощью перфоратора ПЛ.

Блок состоит из субблоков:

SB-443 3.082.443 Э3 – интерфейс;

SB-442 3.082.442 Э3 – общая часть преобразователя;

SB-441 3.082.441 Э3 – преобразование из двоичного кода в двоично-десятичный (2/2-10);

SB-440 3.082.440 Э3 – преобразование из двоично-десятичного кода в двоичный (2-10/2).

ЦП осуществляет управление блоком через регистры, которые имеют адреса:

166622 – РД 1 слово;

166624 – РД 2 слово;

Формат РС, разряды:

2 1 – преобразование 2-10/2, пишется, читается ЦП;

2 2 – преобразование 2/2-10, пишется, читается ЦП;

Обмен данными между ЦП и блоком осуществляется посредством программных операций.

Поскольку блок БПК и блок умножения имеют один интерфейс, то обращение к блокам определяется разрядом адреса АО4. Для БПК разряд АО4 равен единице, для блока умножения – нулю.

Адреса регистров БПК, пройдя через шинные формирователи (микросхемы D1 - D4), расшифровываются в СА (микросхемы D9, D10, D15) и запоминаются в регистре адреса РА (микросхемы D11, D12 субблока SB-443).

Управляющие сигналы «А00 – А04», «БАЙТ», «ВЫВОД» поступают на общую ячейку преобразователя кодов и используются для записи информации в РД (микросхемы D5 – D11) и РС (микросхемы D13, D14).

Данные с РД поступают в преобразователи кодов, где в зависимости от вида преобразования, определяемого состоянием разрядов РС, происходит преобразование кодов.

2. Основные определения теории надежности

Вся промышленная продукция, в том числе полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы характеризуются таким параметром как качество, представляющий собой совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением.

Свойства продукции делятся на простые и сложные. Надежность определяется одним из фундаментальных сложных свойств продукции и определяется как свойство объекта сохранять во времени, в установленных приделах, характеризующее способность выполнять требуемые функции в данных режимах и условиях применения технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Для описания конкретного прибора пользуются понятиями исправного и работоспособного состояния. Под исправными подразумевается состояние прибора, при котором он соответствует всем требованиям нормативной или конструктивной документации.

Работоспособность такое состояние, при котором все параметры, которые характеризует способность прибора выполнять заданные функции соответствуют нормативно-технической или конструкторской документации, способным выполнять основные функции в данном состоянии, либо повреждения, не влияющие на электрические параметры (нарушение маркировки, сколы, царапины, вмятины на корпусе).

Фундаментальным понятием теории надежности является определение отказа, как события, заключающегося в нарушении работоспособного состояния. При этом под нарушением работоспособного состояния понимается либо внезапное прекращение функционирования прибора, либо значительные изменения электрических параметров. Характеристикой прибора, связанной с его эксплуатацией является наработка, представляющая собой продолжительность объема работы прибора. Наработка измеряется в часах. Наработка прибора в часах от начала эксплуатации до наступления предельного состояния называют техническим ресурсом. Календарная продолжительность от начала эксплуатации до наступления предельного состояния называют сроком службы. Под безотказностью понимают свойство прибора непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени или некоторой наработки.

Из этого следует, что данное свойство отражает основное содержание надежности, так как главное назначение любого прибора, используемого по прямому назначению исправно выполнять предназначенные ему функции в течении определенного промежутка времени.

Применительно к полупроводниковым приборам и микросхемам под безотказностью понимается способность непрерывно сохранять исходные параметры при использовании в выпрямительном, усилительном, переключательном и других режимах, обусловленных схемами и условиями эксплуатации.

3. Количественные характеристики теории надежности

Для оценки аппаратуры используются критерии надежности.

Критерий надежности – признак, по которому оценивается надежность различных изделий, а характеристика – количественное значение критерия надежности конкретного изделия.

Изменение соотношения между частотными возмущения и собственной частотой конструкции (резонансная отстройка).

Демпфирование колебаний.

Введение в состав конструкции РЭА амортизаторов с целью придания вибро и ударо изоляции аппаратуры.

Резонансная отстройка. Направлена на уменьшение или устранение резонансных колебаний.

Для устранения резонансных колебаний необходимо, чтобы 1-я собственная частота колебаний была бы более чем на октаву выше максимальной частоты возмущающих колебаний. Это достигается изменением способа крепления конструкции и постановкой дополнительных опор.

Влиять на спектр собственных частот от колебаний можно изменением геометрических размеров плат, способов их крепления, материала, конфигурации и массы конструкции.

Демпфирование колебания

Один из путей уменьшения демпфирующих (гасящих колебания) свойств конструкции, т.е. повышение рассеяния энергии колебаний за счет сил трения.

Один из эффективных методов повышения устойчивости конструкции, как транспортируемой, так и стационарной, к воздействию вибраций, а также ударных и линейных нагрузок - использование амортизаторов. Действие амортизаторов основано на демпфировании резонансных частот, т. е. поглощении части колебательной энергии. Аппаратура, установленная на амортизаторах, в общем случае может быть представлена в виде механической колебательной системы с шестью степенями свободы: совокупностью связанных колебаний, состоящих из линейных перемещений, и вращательных колебаний по каждой из трех координатных осей.

Фиксация крепежных элементов. При воздействии вибраций возможно отвинчивание крепежных эле­ментов, для предотвращения которого вводят фиксаторы, увеличивают силы трения, устанавливают крепеж на краску и пр. При выборе методов фикса­ции крепежных элементов должны учитываться следующие соображения: обеспечение прочности соединения при заданных нагрузках и кли­матических воздействий; быстрота выполнения соединения, его стоимость; последствия, к которым приведет отказ соединения; срок службы.

Методы повышения механической прочности изделий

Повышение прочности конструкции РЭА связано с усилением ее конструктивной основы, применением ребер жесткости, контровки болтовых соединений и т. д. Особое значение имеет повышение прочности несущих конструкций и входящих в них узлов методами заливки и обволакивания. Заливка пеноматериалом позволяет сделать узел монолитным при незначительном увеличении массы.

Изобретение относится к области информационных технологий и может быть использовано при конструировании на компьютере сложных электротехнических изделий. Технический результат заключается в сокращении временных и вычислительных ресурсов, затрачиваемых на конструирование таких изделий, а также в повышении надежности проектируемых изделий за счет раннего выявления дефектов конструкции при проведении анализа долговечности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и унифицированных электронных модулей (ЭМ) в ее составе. Способ проведения анализа долговечности РЭА основан на анализе напряженно-деформированного состояния и подробной расчетной модели (РМ), которая включает подробные модели электрорадиоизделий (ЭРИ) и элементов конструкции. Анализ долговечности РЭА осуществляют с использованием тепловых, деформационных и прочностных РМ РЭА последовательно в четыре этапа: подготовительный этап, этап глобального анализа, этап промежуточного анализа и этап локального анализа. На подготовительном этапе создают тепловые РМ без детализации моделей элементов конструкции, деформационные РМ с детализацией ЭРИ и элементов конструкции, оказывающих влияние на жесткость конструкции, и подробные прочностные РМ конкретных элементов. На этапе глобального анализа проводят расчет температур РЭА, когда используют тепловые РМ. На этапе промежуточного анализа проводят расчет деформаций (перемещений) в РЭА по результатам теплового расчета РЭА этапа глобального анализа, при этом проводят выбор конкретного узла РЭА с использованием деформационных РМ. Затем выполняют локальный анализ, когда проводят расчет напряженно-деформированного состояния ЭРИ и элементов конструкции узла РЭА, по окончании расчета напряженно-деформированного состояния проводят расчет долговечности элементов РЭА, при этом используют прочностные РМ. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2573140

Изобретение относится к области информационных технологий и может быть использовано при конструировании на компьютере сложных электротехнических изделий. Реализация изобретения позволяет сократить временные и вычислительные ресурсы, затрачиваемые на конструирование таких изделий, а также повысить надежность проектируемых изделий за счет раннего выявления дефектов конструкции при проведении анализа долговечности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электронных модулей (ЭМ) в ее составе.

Известен способ проведения анализа долговечности ЭМ. (Прогнозирование надежности узлов и блоков радиотехнических устройств космического назначения на основе моделирования напряженно-деформируемых состояний: моногр. / С.Б. Сунцов, В.П. Алексеев, В.М. Карабан, С.В. Пономарев. - Томск: Изд-во Томск, гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2012. - 114 с.). Детализация используемой при этом расчетной модели (РМ) определяется анализом напряженно-деформированного состояния (НДС) и, как правило, соответствует подробной РМ ЭМ, которая включает: подробные модели электрорадиоизделий (ЭРИ), клеевые соединения, герметизацию, пайку, печатные проводники, переходные отверстия и их металлизацию и др. Данный способ взят за прототип.

Данный способ имеет существенные недостатки:

Использование единой РМ ЭМ с высокой степенью детализации приводит к значительному увеличению временных и вычислительных ресурсов, необходимых для проведения расчета;

Использование нескольких РМ для каждого типа проводимого анализа (тепловой, деформационный, прочностной) создает значительные трудности при формализации краевой задачи и передачи результатов с одной РМ на другую в связи с тем, что имеется большое расхождение в количестве узлов и элементов.

Задачей предлагаемого в изобретении способа проведения анализа долговечности является устранение указанных выше недостатков, а именно:

Снижение временных затрат при проведении расчетов;

Сокращение требуемых вычислительных ресурсов;

Облегчение формализации краевой задачи.

Предлагается проведение анализа долговечности выполнять в четыре этапа, при этом:

Использовать расчетные модели, оптимизированные под конкретный анализ;

Использовать интерполяцию результатов анализов для облегчения формализации краевой задачи и повышения точности передачи результатов с одной РМ на другую.

Поставленная задача решается за счет того, что анализ долговечности РЭА, заключающийся в прогнозировании надежности узлов и блоков РЭА космического назначения, осуществляют поэтапно с использованием созданных тепловых, деформационных и прочностных РМ РЭА, оптимизированных для проведения последующих этапов анализа долговечности, при этом на подготовительном этапе проводят создание тепловых РМ с игнорированием детализации моделей базовых несущих конструкций (скругления, отверстия), печатного узла (электрорадиоизделий, паяное соединение, печатные проводники, переходные отверстия и их металлизация), деформационных РМ с детализацией конкретных ЭРИ, базовых несущих конструкций (металлическая рамка, печатный узел), а также прочих конструктивных элементов РЭА (разъемы, заглушки и пр.), оказывающих влияние на жесткость конструкции; в качестве прочностной РМ используют подробную (детализированную) РМ конкретных элементов конструкции ЭМ, когда учитывают пайку, печатные проводники, металлизацию переходных отверстий; затем на этапе глобального анализа проводят расчет температур ЭМ в составе РЭА, когда используют тепловые РМ ЭМ, при этом учитывают переизлучение с соседних поверхностей ЭМ и теплопередачу теплопроводностью (кондукция) с соседних ЭМ; далее на этапе промежуточного анализа проводят расчет деформаций (перемещений) в ЭМ по результатам теплового расчета РЭА этапа глобального анализа, при этом проводят выбор конкретного ЭМ с последующей передачей температур посредством интерполяции с использованием деформационных РМ ЭМ; затем выполняют локальный анализ, когда проводят расчет напряженно-деформированного состояния элементов печатного узла ЭМ (ЭРИ, пайка, печатные проводники, переходные отверстия) посредством интерполяции результатов расчета деформаций (перемещений) ЭМ, полученных на этапе промежуточного анализа, по окончании расчета напряженно-деформированного состояния проводят расчет долговечности элементов ЭМ, при этом используют прочностные РМ ЭМ.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен алгоритм расчета посредством интерполяции, на фиг. 2 и 3 представлены изображения плоских линейных треугольного и четырехугольного элементов соответственно.

На фиг. 1 изображен алгоритм расчета посредством интерполяции, где:

Этап 0. Подготовительный.

Этап 1. Глобальный анализ.

Этап 2. Промежуточный анализ.

Этап 3. Локальный анализ.

Расчет можно произвести с применением метода конечных элементов. При этом расчетная область аппроксимируется системой элементов. В пределах элемента функция F(x,y,z) определяется следующим выражением:

где N i - функции формы элемента, f i - значение функции F в i-м узле элемента, f i =F(x i ,y i ,z i).

Таким образом, если известны функции формы элементов и узловые значения функции, то можно определить значение функции F в произвольной точке x * , y * , z * расчетной области. Если точка x * , y * , z * совпадает с узловой точкой x j , y j , z j , то:

.

Для определения функции F(x * ,y * ,z *) точки x * , y * , z * , располагаемой внутри или на границе элемента, используется выражение (1).

Рассмотрим методику определения функции F в точке x * , y * , z * на примере элементов первого порядка - плоского треугольного элемента и плоского четырехугольного элемента.

1. Плоский линейный треугольный элемент

Функция F(x,y) на таком элементе (фиг. 2) представляется линейным полиномом:

где i - коэффициенты полинома. Коэффициенты полинома (2) определяются по узловым значениям функции F(x,y). Для этого записывается система линейных алгебраических уравнений:

По правилу Крамера:

где ; ;

.

Детерминанты i можно раскрыть по столбцу, содержащему узловые значения функции:

где d ij - соответствующие детерминанты из (5).

При подстановке (4) и (6) в полином (2) получается:

В результате приходим к выражению (1), где функции формы элемента имеют вид:

Имея функции формы (8) элемента и узловые значения функции, можно вычислить значение функции в произвольной точке внутри элемента.

2. Плоский линейный четырехугольный элемент

Четырехугольный элемент (фиг. 3) в пространстве X, Y отображается на прямоугольник в пространстве , . Функции формы в пространстве , имеют вид:

Если для точки с координатами x * , y * , лежащей внутри четырехугольника, известны соответствующие координаты * , * , то по (1), используя (9), можно определить значение функции F(x( ,), y( ,)) в этой точке.

Зная координаты , , можно легко найти соответствующие им координаты x, y по формулам:

где x i , y i - координаты узлов четырехугольника. Однако обратный переход:

не имеет простого аналитического представления. Поэтому для выполнения этого перехода следует использовать численные методы. Возможно применение метода, аналогичного методу деления отрезка пополам. Его алгоритм содержит следующие этапы:

1. Среди координат x, y узлов четырехугольника существуют значения X min , X max и Y min , Y max , между которыми лежат величины x * и y * .

2. В пространстве , прямоугольник делится на четыре прямоугольника. Для каждого вновь получившегося прямоугольника с помощью формулы (10) определяются X min , X max и Y min , Y max .

3. Используя значения X min , X max и Y min , Y max находим прямоугольник, в который попадает точка с координатами x * , y * .

4. Если условия:

не выполняются, то возвращаются к п. 2. Если же условия выполняются, то переходят к п. 5.

5. Определяется координата * как среднеарифметическое координат по всем узлам прямоугольника. Таким же образом определяется координата * .

6. По формуле:

определяется значение функции в точке с координатами x * , y * .

Способ проведения анализа долговечности РЭА с использованием автоматического построения расчетных моделей в системе геометрического моделирования программно проработан и прошел отладку при конструировании бортовой РЭА космических аппаратов. Практическое применение данного способа позволяет уменьшить сроки конструирования РЭА, что подтверждает эффективность предложенного способа проведения анализа долговечности ЭМ РЭА на основе компьютерного моделирования термопрочностных процессов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ проведения анализа долговечности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), основанный на анализе напряженно-деформированного состояния и подробной расчетной модели (РМ), которая включает подробные модели электрорадиоизделий (ЭРИ) и элементов конструкции, отличающийся тем, что анализ долговечности РЭА осуществляют с использованием тепловых, деформационных и прочностных РМ РЭА последовательно в четыре этапа: подготовительный этап, этап глобального анализа, этап промежуточного анализа и этап локального анализа, при этом на подготовительном этапе создают тепловые РМ без детализации моделей элементов конструкции, деформационные РМ с детализацией ЭРИ и элементов конструкции, оказывающих влияние на жесткость конструкции, и подробные прочностные РМ конкретных элементов, затем на этапе глобального анализа проводят расчет температур РЭА, когда используют тепловые РМ, далее на этапе промежуточного анализа проводят расчет деформаций (перемещений) в РЭА по результатам теплового расчета РЭА этапа глобального анализа, при этом проводят выбор конкретного узла РЭА с использованием деформационных РМ, затем выполняют локальный анализ, когда проводят расчет напряженно-деформированного состояния ЭРИ и элементов конструкции узла РЭА, по окончании расчета напряженно-деформированного состояния проводят расчет долговечности элементов РЭА, при этом используют прочностные РМ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализ долговечности РЭА проводят с использованием РМ, оптимизированных под конкретный глобальный, промежуточный, локальный анализ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализ долговечности РЭА проводят с использованием интерполяции результатов температур и деформаций (перемещений) РЭА.

Методы повышения надежности можно разделить на структурные и информационные.

Структурные методы повышения надежности. Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показатели их надежности реально, и это является важнейшей научной и технической задачей. Повышение уровня надежности РЭА достигается, прежде всего, устранением причин, вызывающих в ней отказы, т. е. сведением к минимуму конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.

Значительного повышения надежности РЭА достигают созданием новых элементов. Так, применение интегральных схем для построения РЭА привело к значительному повышению надежности аппаратуры третьего и четвертого поколений.

Однако повышением надежности элементов не удается полностью решить проблему построения надежных РЭА, что вызвано значительным опережением роста сложности вновь разрабатываемых РЭА, большими затратами при получении элементов высокой надежности, а также существованием элементов, надежность которых довольно низка и трудно поддается повышению. Поэтому один из путей повышения надежности РЭА - введение схемной избыточности.

Повышение надежности РЭА резервированием. Резервирование - способ повышения надежности аппаратуры, заключающийся в дублировании РЭА в целом или отдельных ее модулей или элементов. Резервирование предполагает включение в схему устройства дополнительных элементов, которые позволяют скомпенсировать отказы отдельных частей устройств и обеспечить его надежную работу. Но резервирование эффективно только в том случае, когда неисправности являются статистически независимыми. Различают следующие виды резервирования: постоянное (резервные элементы включены вместе с основным и функционируют в тех же режимах); резервирование замещением (обнаружение отказавшего элемента и замена его резервным); скользящее резервирование (любой резервный элемент может замещать любой отказавший).

Если P c (t) - вероятность безотказной работы системы, то установка и включение параллельно нескольких таких же систем приводит к увеличению результирующей вероятности безотказной работы резервированной системы P(t), которую можно определить из выражения:

P(t) = 1 - m+1 ,

где m - число резервных систем, включенных параллельно основной. Так, например, при вероятности безотказной работы модуля 0,7 включение одного резервного модуля повысит вероятность безотказной работы до 0,91, а двух - до 0,973.

В РЭА применяется общее (резервируются отдельные модули), и поэлементное резервирование на уровне микросхем или отдельных элементов. При одинаковом количестве резервных элементов поэлементное резервирование эффективнее общего, но требует большого числа дополнительных электрических связей.

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. Наиболее широко используют мажоритарные элементы, работающие по закону «2 из З». В этих элементах значение выходного сигнала равно значению двух одинаковых входных сигналов.

Кроме того, известны мажоритарные элементы, работающие по закону «З из 5», «4 из 7» и т. д. Схема мажоритарного элемента, работающего по закону «2 из З» и построенного из логических элементов И и ИЛИ, основана на выражении z = x 1 x 2 + x 2 x 3 + x 1 x 3 и имеет вид, изображенный на рис. 7.4.1.

Рис. 5.3.1.

По способу включения резервных элементов функциональных устройств различают три вида резервирования: 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 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 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 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 известны /2/.

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:

P c (t) = exp(-(t) dt), (t) =? i (t),

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:

P c (t) = exp(- n i ? i (t) dt), (t) =n i ? i (t),

где n i - число модулей i-го уровня иерархии.

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

(t) = = const, P c (t) = exp(-t).

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.

Надежность РЭА зависит от многих факторов. Основные из них рас­смотрены в предыдущей главе. Οʜᴎ подразделяются на конструктив­но-производственные и эксплуатационные.

Высокая надежность объекта на стадии проектирования обеспе­чивается:

§ выбором схемных и конструктивных решений;

§ заменой аналоговой обработки цифровой;

§ выбором элементов и материалов;

§ заменой механических переключателœей и управляющих устройств электронными;

§ выбором режимов работы различных элементов и устройств;

§ разработкой мер по удобству технического обслуживания и экс­плуатации;

§ учетом возможностей оператора (потребителя) и требований эрго­номики.

При выборе принципиальных схем предпочтение отдается схемам с наименьшим числом элементов, схемам, имеющим минимальное число органов регулировок, устойчиво работающим в широком ин­тервале дестабилизирующих факторов. При этом удовлетворение всœех этих условий невозможно, и конструктору приходится искать компро­миссное решение.

Главное в проектируемой аппаратуре - использовать элементы, надежность которых соответствует требованиям к надежности самой аппаратуры.

Поскольку требования к надежности аппаратуры постоянно растут, всœе более высокие требования предъявляются к надежности комплек­тующих элементов.

Конструктивные решения также влияют на надежность РЭА. Круп­ноблочная конструкция технологически сложна и неудобна при ре­монте. Конструктивные решения должны обеспечить и необходимые тепловые режимы элементов РЭА, безотказность в условиях повышен­ной влажности и в условиях воздействия ударных и вибрационных нагрузок."

На повышении надежности заметно сказывается правильный выбор режимов работы элементов. Ранее указывалось, что оптимальные электрические нагрузки элементов не должны превышать 40-60% оху номинальных.

Техническим обслуживанием называют комплекс работ для поддержа­ния исправности или только работоспособности объекта при подготов­ке и использовании по назначению, при хранении и транспортировании.

Техническое обслуживание РЭА включает в себя следующие состав­ляющие:

§ контроль технического состояния;

§ профилактическое обслуживание;

§ снабжение;

§ сбор и обработка результатов эксплуатации.

Контроль технического состояния проводится для оценки состоя­ния аппаратуры, ᴛ.ᴇ. сопоставления истинных значений параметров конкретной аппаратуры с их номинальными значениями с учетом допусков.

Профилактическое обслуживание, на выполнение которого установ­лены сроки и время проведения, называют регламентными работами.

Снабжение предусматривает получение материалов, оборудования, приборов, инструментов для проведения профилактичес­кого обслуживания.

Сбор и обработка результатов эксплуатации проводятся для коли­чественной оценки эксплуатационно-технических показателœей за опре­делœенный период эксплуатации.

Профилактические работы предусматривают:

§ внешний осмотр и чистку аппаратуры;

§ контрольно-регулировочные работы;

§ прогнозирование отказов;

§ сезонные, смазочные и крепежные работы;

§ технические осмотры;

§ технические проверки.

Внешний осмотр аппаратуры выполняют для выявления внешних признаков возможных неисправностей, проверки правильности уста­новки органов управления, проверки состояния элементов и монтажа. Чистка аппаратуры предусматривает удаление с нее пыли, влаги, кор­розии.

Наиболее трудоемкой частью профилактического обслуживания являются контрольно-регулировочные работы и тесно связанные с ними работы по прогнозированию отказов. Контрольные работы вклю­чают контроль параметров РЭА относительно установленных допусков.

Регулировочные работы проводятся для восстановления утраченных аппаратурой свойств или работоспособности. Для бытовой РЭА на этом этапе проводят работы по снижению пожароопасности телœевизо­ров и восстановлению работоспособности кинœескопов, потерявших эмиссию катодов после длительной эксплуатации.

Прогнозирование отказов - метод предсказания отказов, который основывается на предположении, что возникновению отказов предше­ствует постепенное изменение параметров объекта или элементов. Прогнозирование осуществляется для постепенных отказов в целях своевременной замены (ремонта͵ регулировки) соответствующих элементов, блоков.

Сезонные, смазочные, крепежные работы проводятся в целях под­готовки РЭА к эксплуатации в определœенное время года, обеспечения работоспособности соответствующих деталей. При сезонных работах проводят мероприятия по уменьшению проникания влаги в аппарату­ру, по утеплению (зимой) и охлаждению (летом) аппаратуры, используют специальные масла для различных сезонов и т.д. После проведения сезонных работ на РЭА осуществляют контрольно-регулировочные работы. Важно заметить, что для систематического контроля за техническим состоянием аппаратуры проводят технические осмотры и технические осмотры аппаратуры.