План курсовой работы

4.1. Общие методы повышение надежности РЭА на стадии проектирования

Вопросы обеспечения заданной надежности РЭА наиболее эффективно решаются на стадии ее проектирования. Среди большого количества факторов, технических и организацион-ных мероприятий, способствующих повышению надежности РЭА на стадии проектирования, наиболее значимыми являются:

- выбор схемных решений;
- выбор конструктивных решений;
- замена аналоговой обработки цифровой;
- выбор элементов и материалов;
- замена механических переключателей и управляющих устройств электронными;
- выбор температурных режимов работы различных эле-ментов и устройств;
- разработка мер по удобству технического обслуживания и эксплуатации;
- учет возможностей оператора и требований эргономики.
Ниже приведена краткая характеристика перечисленных средств достижения высокой надежности РЭА на стадии проектирования.

4.1.1. Выбор схемных решений

При выборе принципиальных схем предпочтение отдается схемам с наименьшим числом элементов, имеющим минимальное число органов регулировок, устойчиво работающих в широком интервале дестабилизирующих факторов.

Важное значение имеет выбор режимов работы радиоэлектронных элементов, т.к. их надежность зависит от коэффициентов нагрузки по мощности и по напряжению, которые определяются по формулам:


,
,

где - коэффициент нагрузки радиоэлемента по мощности;

- фактическое значение мощности рассеяния;
- предельное значение мощности рассеяния;
- коэффициент нагрузки радиоэлемента по напряжению;
- фактическое значение напряжения на радиоэлементе;
- предельное значение напряжения на радиоэлементе.
При расчете коэффициентов нагрузки радиоэлементов необходимо учитывать изменения фактических значений мощности и напряжения при изменении режима работы радиоэлектронного устройства.
Конфигурацию принципиальной схемы и параметры радиоэлементов необходимо выбирать такими, чтобы коэффициенты нагрузки по напряжению и по мощности, по возможности, не превышали 0,4 - 0,6.
При разработке электронных схем необходимо, по возможности, предусматривать автоматический контроль работоспособности отдельных блоков и узлов аппаратуры. В обязательном порядке следует рассчитывать наработку на отказ каждого блока и по результатам проведенного анализа изменять отдельные части схемы, чтобы наработка на отказ всех блоков аппаратуры была примерно одинаковой.
Практика показывает, что удовлетворение всех перечисленных выше условий трудно выполнимо, поэтому конструкторам приходится находить компромиссные решения.

4.1.2. Выбор конструктивных решений

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.

Для частичного или полного разрешения противоречий, возникающих при конструировании РЭА, рекомендуется:
- применять дробление устройства на независимые друг от друга блоки, чтобы при отказе одного блока его можно было изъять для ремонта, а остальная часть аппаратуры продолжала функционировать;
- при наличии вращающихся частей использовать подъемную силу лопастей вентилятора, чтобы уменьшить нагрузку на подшипники;
- в аппаратуре, предназначенной для работы в широком диапазоне температур, применять предварительное напряжение элементов конструкции, чтобы при минимальных рабочих температурах не возникали зазоры, ухудшающие технические параметры РЭА или приводящие к ее отказу;
- элементы конструкции РЭА, доступные обслуживающему персоналу, должны быть эквипотенциальны, чтоб исключить возможность отказа аппаратуры из-за случайного прикосновения к ней металлическим предметом;
- при выборе форм элементов конструкции, предназначенных для накопления или эффективной отдачи энергии, учитывать, что отношение объема к поверхности у шара максимально, а у диска - минимально.
Конструкция бытовой РЭА, ее устройства, блоки и узлы должны обеспечивать качественное проведение ручного, автоматизированного и автоматического контроля. Для этого все блоки и узлы РЭА должны монтироваться так, чтобы каждый из них выполнял строго определенные функции, имея минимум функциональных связей, позволяющих сократить количество контрольных точек и проверяемых параметров. Аппаратура должна иметь простые виды регулировок и минимальное их количество, а также необходимые контрольные выводы, разъёмы для проверки параметров и поиска неисправностей, обеспечивающее удобное и надёжное подключение аппаратуры контроля.

4.1.3. Замена аналоговой обработки сигналов цифровой

Начало 70-х годов прошлого века ознаменовалось научно-технической революцией в области технологии и производства аналоговых и цифровых микросхем малой и средней интеграции, а с середины 80-х годов - больших интегральных схем. Это привело к значительному снижению стоимости интегральных микросхем и позволило использовать их в бытовой радиоэлектронной аппаратуре.

Появление варакторных матриц для перестройки частоты позволило исключить из конструкции РЭА громоздкий механический блок переменных конденсаторов, что способствовало повышению виброустойчивости тракта высокой частоты и введению необходимого количества фиксированных настроек.
Вместо механических переключателей галетного и клавишного типа с зависимой и независимой фиксацией используются электронные аналоги с сенсорным управлением. Механические шкальные устройства с их примитивными механизмами перемещения стрелки заменены электронными устройствами цифровой индикации частоты настройки, гарантирующие точность отсчета кГц в АМ и кГц в ЧМ диапазонах. Внедрение цифровых синтезаторов частоты позволяет получить суммарную точность поддержания частоты Гц в АМ диапазонах и кГц в ЧМ диапазонах при воздействии различных дестабилизирующих факторов.
Быстрое прогрессирующее развитие цифровой элементной базы стимулировало создание новых схемотехнических и конструктивных решений для систем управления и применительно к ним модификаций традиционных аналоговых трактов РЭА.
В настоящее время в бытовую РЭА интенсивно внедряется цифровая схемотехника. Создано значительное число моделей РЭА с большим объёмом логической схемотехники, обеспечивающей перестройку, стабилизацию и отсчет частоты, коммутацию ВЧ и НЧ цепей и различного рода регулировок, выполняемых только электронными средствами.
В аппаратуре высшей категории сложности (Hi-Fi), насыщенной интегральными микросхемами и практически свободной от механических и электромеханических узлов, необходимый режим работы реализуется посылками постоянного тока или прямоугольных импульсов. Это позволяет повысить надёжность, упростить конструкцию и технологию изготовления, создать новый стиль дизайна, наиболее полно удовлетворяющий требованиям художественной эстетики, существенно расширить функциональные возможности и создать большой комплекс потребительских удобств, обеспечивающих комфорт обслуживания.
Системы управления, используемые в Hi-Fi аппаратуре высшей категории сложности, способны обеспечить:
- беспоисковую и бесшумную настройку на желаемую частоту путем прямого набора на клавиатуре передней панели РЭА или пульта дистанционного управления десятичного кода частоты, номера фиксированной настройки, ранее занесённой в ячейку памяти, приёма кода частоты из ячеек памяти по сигналу таймера;
- восстановление предшествующей настройки с помощью оперативного запоминающего устройства при перестройке на новую частоту в режиме плавной настройки;
- автоматическая установка после включения РЭА частоты настройки и всех режимов, существовавших в момент её выключения;
- ввод в ячейки памяти и вывод кодов заданного числа произвольно фиксированных настроек и долговременное хранение этой информации при отключенном питании;
- автоматический поиск передаваемой радиопрограммы;
- управление режимом работы РЭА (полоса пропускания, диаграмма направленности магнитной антенны и др.);
- отображение на общем дисплее всей информации, необходимой для эксплуатации и контроля аппаратуры с индикацией заданного режима работы, включённого поддиапазона частот, частоты настройки, номера фиксированной настройки, текущего времени, дня недели, относительного положения частоты настройки на электронной дискретной шкале, напряжённости поля принимаемого сигнала, характера принимаемой программы (речь, музыка, моно, стерео и др.).
Некоторые из перечисленных компонентов системы управления используются в аппаратуре пониженных категорий сложности, т.к. схемы цифровой обработки информации менее критичны к изменению параметров радиоэлементов и более надежны при работе, особенно в условиях шумов.

4.1.4. Выбор элементов и материалов.

Главное в проектируемой аппаратуре - использовать элементы, надежность которых соответствует требованиям к надежности самой аппаратуры. Применяемые конструкционные материалы должны иметь такую скорость старения, которая обеспечила бы нормальную эксплуатацию в течение всего срока службы. Поскольку требования к надежности аппаратуры постоянно растут, все более высокие требования предъявляются к надежности комплектующих элементов.

Важным фактором повышения надежности современной РЭА является широкое применение в ней микроэлектронных изделий, позволяющих значительно расширить ее функциональные возможности, уменьшить массу, габариты, потребляемую мощность и стоимость.
В настоящее время определились два направления конструирования микроэлектронной аппаратуры:
- на основе корпусированных интегральных микросхем, двух - и многослойных печатных коммуникационных плат;
- на основе бескорпусных интегральных микросхем и плат с пленочными соединениями и пассивными элементами.
В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы делят на полупроводниковые, пленочные и гибридные. По функциональному назначению интегральные микросхемы подразделяют на цифровые, аналоговые и СВЧ.
Полупроводниковые интегральные микросхемы являются более надежными и дешевыми из всех интегральных структур.
Полупроводниковые интегральные микросхемы обычно представляют кристалл кремния, на поверхности которого сформированы все элементы и межэлементные соединения. Пленочные интегральные микросхемы представляют совокупность расположенных на диэлектрической подложке пленочных пассивных элементов и соединений с навесными некорпусированными полупроводниковыми интегральными микросхемами и другими навесными элементами.
Опыт эксплуатации и систематизация данных по отказам полупроводниковых интегральных микросхем показал, что их надежность определяется следующими видами отказов:
- отказы внешних соединений, включая выводы корпусов интегральных микросхем и соединения их с контактами печатной или пленочной платы (33% от общего количества отказов);
- отказы внутренних контактных соединений за счет нарушения контакта легированных областей полупроводника с металлизацией, а также в результате образования микротрещин в проводящих пленках (26% от общего количества отказов);
- отказы вследствие нарушения герметичности корпусов (16% от общего количества отказов);
- отказы, зависящие от площади активной поверхности подложки интегральных микросхем (25% от общего количества отказов).
При экспоненциальном законе распределения вероятности безотказной работы РЭА, т.е. в период, когда приработка аппаратуры закончилась, а старение еще не наступило, интенсивность отказов полупроводниковых интегральных микросхем можно представить как


,

где: - интенсивность отказов интегральной микросхемы;

- интенсивность отказов внешних соединений;
- интенсивность отказов внутренних контактных соединений;
- интенсивность отказов корпусов;
- интенсивность отказа кристалла, определяемая его площадью.
Надежность современных интегральных микросхем средней степени интеграции достаточно высока и оценивается в настоящее время интенсивностью отказов 1/ч.

4.1.5. Замена контактных элементов бесконтактными.

Все современные вычислительные и радиоэлектронные комплексы содержат устройства с электрическими контактами. Это всевозможные соединительные и коммутационные изделия, т.е. разъёмы, гнёзда, колодки, выключатели, тумблеры, реле и др. устройства, содержащие разъёмные, разрывные или скользящие контакты. В системах автоматического или дистанционного управления электрические контакты могут быть в датчиках или исполнительных устройствах.

Практика показывает, что элементы схемы, содержащие электрические контакты, очень часто являются источниками отказов аппаратуры.
Основным источником отказов коммутирующих контактных элементов чаще всего является контактная пара, в которой наряду с механическим износом имеет место электрический износ, во многих случаях являющийся преобладающим. По этим причинам их технический ресурс определяется износоустойчивостью контактов и выражается количеством циклов работы.
Элементы и узлы аппаратуры, имеющие электрические контакты, обладают меньшей надежностью по сравнению с бесконтактными устройствами. В электрическом контакте с течением времени возрастает переходное сопротивление вследствие коррозии, что, как правило, приводит к отказу.
Для повышения надежности разрабатываемой электронной схемы, по возможности, необходимо:
- вместо контактных датчиков использовать бесконтактные;
- вместо электрических машин (электродвигатели, сельсины, тахогенераторы и др.), содержащих коллекторы, применять бесколлекторные машины;
- вместо электромагнитных реле и контакторов использовать транзисторы, тиристоры и др. бесконтактные коммутирующие элементы;
- свести к минимуму количество применяемых разъемов;
- исключить применение механических контактов в цепях с малым внутренним сопротивлением;
- свободные контактные пары в разъемах или реле подключать параллельно к рабочим парам с целью резервирования.
При замене механических контактов полупроводниковыми элементами необходимо учитывать переходные процессы, возникающие во время коммутации электрических цепей. Для исключения аварийных режимов в цепях электронных ключей нельзя допускать короткого замыкания этими ключами выводов заряженного конденсатора. Если требуется коммутировать цепь, содержащую катушку индуктивности, находящуюся под током, то необходимо принять меры для уменьшения э.д.с. самоиндукции, например, параллельно катушке включить диод или RC-цепочку.

4.1.6. Выбор температурных режимов работы элементов и устройств

На надежность РЭА влияние оказывают такие климатические параметры, как влажность, давление, температура и др. Среди климатических параметров температура окружающей среды является наиболее существенным параметром, т.к. она в значительной степени определяет температуру радиоэлементов в аппаратуре и может достигать больших сезонных ( С) и суточных ( С) колебаний.

В процессе производства, хранения и эксплуатации РЭА может подвергаться воздействию положительных и отрицательных температур, обусловленных влиянием окружающей среды, а также тепловыделениями самой РЭА. В результате этих воздействий может снизиться надёжность радиоэлектронного устройства. Степень снижения надёжности устройства оценивается величиной постепенного отклонения выходных параметров от номинальных значений и интенсивностью внезапных отказов.
Причинами постепенных отказов, вызванных тепловыми воздействиями, являются:
- снижение изоляционных свойств материалов;
- увеличение токов утечки;
- снижение пробивного напряжения;
- изменение коэффициентов усиления и нулевого тока коллекторов транзисторов;
- изменение параметров магнитных сердечников (снижение индуктивности насыщения при повышении температуры или пропадание магнитных свойств при достижении точки Кюри);
- изменение ёмкости, электрической прочности и потерь конденсаторов;
- изменение сопротивлений резисторов;
- увеличение тепловых шумов в резисторах и транзисторах и др.
Все эти явления могут привести к искажению сигналов до уровня, при котором нормальное функционирование РЭА становится невозможным.
Внезапные отказы РЭА, вызванные изменением температуры, обусловлены:
- нарушением целостности элементов конструкции вследствие различия температурного коэффициента линейного расширения её материалов (обрыв проводников, растрескивание металлостеклянных спаев, отслаивание и растрескивание подложек, нарушение паяных, сварных и клеевых соединений, растрескивание компаундов в результате внутренних напряжений, заклинивание кинематических пар и т.д.);
- замерзанием влаги, приводящим к расширению микротрещин в подложках;
- отслаиванием печатных проводников;
- расслаиванием многослойных печатных плат;
- конденсацией влаги, создающей закорачивающие перемычки и условия для возникновения электрохимической коррозии;
- затвердеванием или размягчением резины, что снижает качество герметизирующих прокладок и элементов амортизации;
- изменение вязкости смазок;
выделением газообразных составляющих из диэлектрических конструкционных материалов, что ведёт к снижению электрической прочности и образованию агрессивных сред;
- старением припоев (перекристаллизация, образо-вание пор) и др.
Допустимая температура для германиевого перехода составляет , для кремниевого- , для непропитанных волокнистых материалов (бумага, картон, натуральный шёлк) - , для материалов из стекловолокна, пропитанного эпоксидными лаками - .

4.1.7. Разработка мер по удобству технического обслуживания и эксплуатации

От конструктивных особенностей аппаратуры зависит как время поиска отказавшего элемента, так и время его замены, которое в основном зависит от доступности к элементу.

Время замены элемента также зависит от особенностей его крепления, конструкции разъемов, массы и объема съемных деталей.
Конструкция РЭА должна быть рассчитана на возможность технического обслуживания и ремонта одним человеком. Конструктивные решения должны обеспечивать удобство технического обслуживания и эксплуатации аппаратуры. В аппаратуре должны быть предусмотрены контрольные гнезда, легкий доступ ко всем блокам аппаратуры, удобство контроля ее состояния и настройки, простота смены блоков, а также меры, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала.
Настроечные и регулировочные элементы после проведения настройки и регулировки аппаратуры должны фиксироваться. Фиксация не должна исключать возможности их использования при проведении последующего технического обслуживания или ремонта.
Конструкция аппаратуры должна исключать необходимость снятия других деталей и узлов, не относящихся непосредственно к проведению данного вида технического обслуживания или ремонта. Кабели и жгуты должны быть проложены так, чтобы не препятствовать доступу к сборочным единицам (платам). Длина монтажных навесных проводов должна обеспечивать монтаж без натяжения с запасом не менее, чем на три пайки и три последующих задела. Поворот или другие перемещения сборочных единиц, необходимые для проведения технического обслуживания или ремонта, не должны ограничиваться длиной проводов, соединяющих их с элементами, расположенными на шасси. Фиксация крепежных деталей не должна затруднять демонтаж стандартным инструментом. Крепление деталей и узлов методом отгибки должно осуществляться лепестками, принадлежащими этим деталям и узлам, а не конструкции. Откидывающиеся шасси должны фиксироваться в удобном для ремонта положении.

4.1.8. Учет возможностей оператора и требований эргономики

Установлением взаимосвязи параметров человека и машины занимается эргономика. Эргономика - это научная дисциплина, комплексно изучающая человека в конкретных условиях его деятельности, связанной с использованием технических средств. Человек, машина и среда рассматриваются в эргономике как сложное функциональное целое, в котором ведущая роль принадлежит человеку.

При проектировании РЭА следует учитывать эргометрические показатели качества конструкции, а также эстетические средства их реализации. Эргономические показатели конструкции делятся на:
- гигиенические показатели (освещенность, вентилируемость, температура, напряжённость электрического и магнитного полей, токсичность, шум, вибрация),
- антропометрические показатели (соответствие конструкции РЭА размерам и форме тела человека и его частей, входящих в контакт с аппаратурой),
- физиологические и психофизиологические показатели (соответствие конструкции РЭА силовым, скоростным, зрительным возможностям человека),
- психологические показатели (соответствие конструкции РЭА возможностям восприятия и переработки информации, закреплённым и вновь формируемым навыкам человека).
Эргономика требует учета психофизиологических возможностей операторов и создания для них оптимальных условий. Органы управления и контроля должны располагаться так, чтобы не утомлять оператора, не вызывать излишних напряжений и не требовать больших физических усилий.
При эргономическом анализе качества конструкции РЭА обращают внимание на то, чтобы выполнялись следующие требования:
- расположение приборов и органов управления такое, которое обеспечивает удобное положение человека при работе с аппаратурой,
- органы управления размещены в пределах досягаемости, а прилагаемые к ним усилия допустимы с точки зрения физиологии,
- органы индикации размещены на оптимальном расстоянии в поле зрения,
- деления шкал видны достаточно четко,
- индикаторы расположены близко от соответствующих органов управления,
- по положению органов управления и индикации возможно быстро определить ситуацию (например, включено/выключено),
- рука при перемещении органа управления не закрывает шкалу индикатора.
С позиций эргономики ошибки оператора в системе "человек-машина" приводят к частичному или полному невыполнению поставленной задачи. Влияние действий обслуживающего персонала в ряде случаев бывает более значительным, чем всех остальных факторов. До 30% отказов аппаратуры является следствием недостаточной квалификации обслуживающего персонала, а проведённые исследования говорят о том, что при хорошей подготовке операторов и правильной организации эксплуатации надёжность РЭА в 3-5 раз выше, чем при плохой организации и низкой подготовке операторов.