Обеспечение надежности схем

Обеспечение надежности при проектировании электрооборудования

Требование обеспечения надежности является одним из основных требований, предъявляемых к любым устройствам или системам ЭОЛА. Под надежностью понимают способность системы, узла, блока электрооборудования выполнять определенные функции в определенных условиях за определенное время. В тех случаях, когда системы, узел, блок электрооборудования весьма дороги, и невозможно их отремонтировать после аварии или отказа (например спутники, ракеты), обеспечение надежности является правилом, а не исключением.

Известно довольно много способов повышения надежности функционирования любых электронных систем и устройств, к наиболее важным из которых относятся совершенствование комплектующих элементов, снижение импульсных мощностных воздействий, упрощение схем и систем, соответствующий отбор комплектующих, технологий изготовления и сборки и д.р.

После использования всех вышеперечисленных методов дальнейшее повышение надежности возможно только с помощью поэлементного или посхемного резервирования, гарантирующего достижения требуемого уровня надежности.

После обеспечения нормальных рабочих режимов отдельных комплектующих элементов, определяющих их надежную работу, а именно, уменьшения максимальных значений тока, напряжения или мощности, обеспечения нормального напряжения питания, правильной компоновки и проч., разработчик должен проверить схему и оценить ее полную надежность.

Удобно рассматривать надежность отдельно от остальных требований, которым удовлетворяют схемы.

Во-первых, схема должна выполнять свои функции, во-вторых, разработка схемы непосредственно связана с надежностью комплектующих ее элементов. После разработки исходной системы необходимо провести математический анализ надежности отдельных схем, чтобы проверить, имеет ли исходная система требуемое значение показателей надежности. По качеству удачно выполненной разработки можно судить о ее надежности.

На полную надежность системы или устройства оказывает влияние три следующих фактора – надежность используемых комплектующих элементов, надежность разработки и надежность технологии и производства, т.е.

P_a = P_d P_c P_f,

где P_a - полная надежность; P_d – надежность разработки; P_c – надежность элементов; P_f - надежность производства.

5.1.1. Надежность разработки. Иногда для повышения надежности, КПД и качества электроэнергии больших систем, например системы электроснабжения спутника, необходим системный подход. Не вызовет удивления, если вдруг между первичным источником электропитания и приемниками электроэнергии обнаружатся несколько последовательно соединенных стабилизаторов.

Каждый из таких стабилизаторов ненадежен и неэффективен. Значительная часть полезной энергии первичного источника выделяется в виде тепла, и поэтому надежность системы уменьшается. Такая ситуация может возникнуть, когда отдельные блоки разрабатываются отдельно друг от друга, и ее можно избежать при должном управлении на системном уровне.

Общий стабилизатор. Если две (или более) подсистемы питаются от одного стабилизатора, и нет возможности отключить питание от каждой из них, то в этом случае для избегания влияния отказа одной подсистемы на остальные между общим стабилизатором и каждой подсистемой необходимо включать блок аварийного отключения (БАО), как показано на рис. 5.1.

Рис. 5.1 Защита БАО от КЗ

При внезапном коротком замыкании в какой-либо нагрузке схема управления БАО быстро отреагирует на это событие и отключит отказавший потребитель от стабилизатора.

В противном случае стабилизатор может перейти в режим токоограничения или режим с обратным наклоном характеристики и постепенно обесточить все потребители. В соответствии с этим БАО должен реагировать не только на любое уменьшение входного импеданса контролируемой подсистемы, но также и на скорость его изменения. Если не принимать специальных мер, при следующих обстоятельствах возможен выход из строя проходного транзистора БАО:

а) в случае появления обратного напряжения, которое возникает при отключении активной нагрузки;

б) в случае отказа любого другого потребителя, питающегося от этого же стабилизатора и на короткое время закорачивающего его выход. В течение этого времени входное напряжение рассматриваемого БАО падает до нуля, а напряжение на его выходном конденсаторе прикладывается между эмиттером и коллектором проходного транзистора, что может привести к его зенеровскому (стабилитронному) пробою и вывести его из строя до того, как отказавший потребитель будет отключен от стабилизатора.

Проблема может быть решена путем включения антипараллельного проходному транзистору БАО диода, обеспечивающего контур для быстрого разряда выходного конденсатора.

Входной фильтр. В некоторых случаях для сопряжения потребителей с источником электропитания необходимо применение LC-фильтров.

Рис. 5.2 Защита LC-фильтра Рис. 5.3 Источник управляющего сигнала

при сопряжении с источником с ограничивающими диодами

питания и стабилитроном

.В такой ситуации требуется анализ переходного процесса при включении потребителя, поскольку в этом режиме возможны резкие выбросы тока или напряжения, которые могут превысить уровни, опасные для используемых элементов. Например, при размыкании контакта реле (рис. 5.2, а) на фильтре сопряжения возможен переходный процесс с большим отрицательным выплеском напряжения. Избежать этого позволяет введение в схему двух диодов, как показано на рис. 5.2, б.

Управление. Простейшим источником управляющего сигнала является резистор с двумя ограничивающими диодами (рис. 5.3, а) или со стабилитроном (рис. 5.3, б). В том случае, если уровни напряжений простейшего источника управляющего сигнала по каким-либо причинам неприемлемы, можно использовать схему с выходным транзистором. На рис. 5.4 и изображены две такие схемы.

Рис. 5.4. Источник управляющего сигнала с выходным транзистором

Логические элементы, управляемые ключевыми элементами. Когда необходимо подать управляющий сигнал на вход логического вентиля с помощью механического переключателя, можно воспользоваться схемой, изображенной на рис. 5.5, а.

Резистор ослабляет влияние шумовой перекрестной помехи при разомкнутых контактах. Однако замыкание-размыкание механического переключателя сопровождается “дребезгом” его контактов, генерирующим серию беспорядочных импульсов. Поэтому в данном случае полезно применить одновибратор, выдающий одиночный импульс или задерживающий прохождение сигнала на время, достаточное для завершения “дребезгом”.

Если же имеется перекидной механический переключатель, целесообразно использовать хорошо известную “бездребезговую” схему с перекрестными связями (рис. 5.5, б).

Рис. 5.5. ТТЛ-вентиль, управляемый непосредственно механическим переключателем (а) и с помощью «бездребезговой» схемы (б)

Можно использовать также специализированные буферные ИМС.

Сопряжение с реле. Реле и цепи их управления являются цепями с импульсным потреблением мощности. Очень часто эти схемы весьма восприимчивы к помехам и шумам, поэтому надежная работа реле играет значительную роль для обеспечения нормальной работы различных устройств и систем. Чтобы отличить команду от внешних шумов, схема сопряжения должна формировать сигнал, имеющий достаточную амплитуду и длительность.

Широко применяется схема сопряжения с входным RC- фильтром (рис. 5.6, а). Недостатком этой схемы является отсутствие гистерезиса, обеспечивающего помехоустойчивость. Обычно RC - цепь имеет тенденцию интегрировать любой повторяющийся входной сигнал. В зависимости от коэффициента заполнения шумов и относительных постоянных времени заряда и разряда конденсатора RC -цепи напряжение на нем может достигнуть уровня, достаточного для отпирания транзистора.

Рис. 5.6. Схемы управления реле

Схема, изображенная на рис. 5.6, б [5], свободна от этих недостатков. Она формирует четкий выходной сигнал требуемых амплитуды и длительности, а благодаря наличию гистерезиса обладает высокой помехоустойчивостью.

Сопряжение с цифровыми схемами. Как правило, данные в цифровых системах передаются с помощью 8- или 16-битных слов. Каждая подсистема-пользователь располагается по отдельному адресу и принимает информацию по тактовой линии, последовательной линии данных и линии адреса.

Подсистемы должна иметь входную декодирующую схему, устанавливающую факт обращения к данной подсистеме для передачи команды или данных.

Когда дешифратор идентифицирует обращение к подсистеме, генерируется импульс, инициализирующий синхронизатор, а данные загружаются в сдвиговый регистр. При подаче или восстановлении питания выходной сигнал сдвигового регистра может принимать произвольное значение, что в некоторых случаях является причиной сбоев.

Например, такая произвольная установка выходного сигнала может вызвать несанкционирование срабатывания (замыкание-размыкание) различных реле, узлов, элементов подсистемы, а в случае космического летательного аппарата вызывает нарушение его положения на орбите и как следствие – потерю ориентации солнечной батареи и др. Для предотвращения этого явления необходимо при разработке схемы принимать специальные меры для того, чтобы при подаче или восстановлении питания выход схемы принудительно устанавливался в определенное безопасное состояние, когда выполнение любых команд может быть задержано.

ТТЛ-микросхемы. При разработке систем с использованием ИМС для обеспечения надежности необходимо соблюдать ряд предосторожностей и использовать некоторые специальные приемы функциональной разработки, например развязку питания ИМС и др.

Неиспользованные входы всех элементов ИЛИ и ИЛИ-НЕ, а также секции элементов И, ИЛИ и НЕ должны быть подключены к общей шине. Длительность сигналов очистки или установки должна быть больше длительности тактовых импульсов. Неиспользованные J- и K- входы, входы очистки и установки следует подключить к общей шине так же, как и использованные входы логических элементов.

Дата добавления: 2014-12-10