Практическое занятие № 4

Ориентировочный расчет надежности электронной лечебной аппаратуры (2 часа)

Надежность является одним из свойств, которые определяют качество электронной аппаратуры (ЭА), в том числе и электронной лечебной аппаратуры.

Выделяют два этапа оценки надежности блоков ЭЛА:

1) ориентировочный расчет показателей безотказности (выполняют на ранней стадии проектирования);

2) уточненный расчет показателей надежности (выполняют на заключительных стадиях проектирования).

Расчеты выполняются при следующих допущениях:

а) отказы элементов случайны и независимы;

б) для элементов справедлив экспоненциальный закон надежности;

в) принимаются во внимание только внезапные отказы, т.е. вероятность с точки зрения отсутствия постепенных отказов равна единице;

г) учитываются только элементы электрической схемы, а также монтажные соединения, если вид соединений заранее определен;

В настоящее время для высоконадежных элементов для оценки интенсивности отказов используют расчет и прогнозирование, принимая во внимание структурную сложность таких элементов и опыт эксплуатации аналогичных элементов. Интенсивность отказов (λ) современных элементов находится в диапазоне 10^–10…10^–5 1/ч. Для зарубежных компонентов в качестве размерности величины λ используют процент на 1000 ч работы, что равносильно введению множителя 10⁵. Интенсивность отказов на каждый конкретный элемент обычно указывается в технической документации предприятия изготовителя. Для учебных целей можно воспользоваться таблицей приложения А или учебной литературой, например [1]. Необходимо учитывать, что для элементов коммутации интенсивность отказов задается на один контакт кнопки, реле и т.п., штырь разъема, контактную группу переключателя и на метр длины монтажного или соединительного провода при номинальном токе (плотности тока).

При расчетах надежности необходимо учитывать то, что для поверхностномонтируемых (SMD) компонентов интенсивность отказов обычно ниже в несколько раз. Надежность ИМС слабо зависит от степени интеграции, т.к. максимальный вклад в ее ненадежность вносят корпус и соединения внутри него.

Надежность элементов зависит также от коэффициентов электрической нагрузки:

К _Н= F _РАБ/ F _НОМ, (4.1)

где F _РАБ ‑ электрическая нагрузка элемента в рабочем режиме, т.е. нагрузка, которая имеет место на рассматриваемом схемном элементе; F _НОМ ‑ номинальная или предельная по ТУ электрическая нагрузка элемента, выполняющего в конструкции функцию схемного элемента.

В качестве электрической нагрузки F _НОМ необходимо использовать номинальные или предельные по ТУ электрические характеристики элементов, выбранные для проектируемой ЭЛА. Электрические характеристики F_РАБ следует брать из результатов электрического расчета принципиальной электрической схемы ЭЛА или получать путем экспресс-анализа (ориентировочной оценки) электрических нагрузок схемных элементов.

На практике при определении коэффициента электрической нагрузки конкретного элемента выбирают такую электрическую характеристику (одну или несколько), которая в наибольшей степени влияет на надежность этого элемента. Например, для резисторов это мощность рассеяния, для конденсаторов – напряжение, для элементов коммутации низковольтных (до 300 В) – ток через контакт, для цифровых ИМС – выходной ток, для транзисторов – мощность, рассеиваемая на коллекторе (стоке), ток коллектора или напряжение на коллекторе и т.п.

Для транзисторов, диодов и аналоговых ИМС в качестве определяющего параметра выбирается тот, для которого К _Н ≥ 0,05…0,1.

Справочные значения интенсивностей отказов элементов соответствуют К _Н = 1 и нормальным (лабораторным условиям эксплуатации. На практике выбирают режимы работы ЭЛА с К _Н < 1 для ее элементов, а условия эксплуатации – более жесткие. Поэтому необходимо производить перерасчет справочных значений интенсивностей отказов с учетом реального коэффициента нагрузки и условий эксплуатации. Для перерасчета интенсивностей отказов пользуются выражением

, (4.2)

где λ (ν) – значение интенсивности отказов с учетом электрического режима и условий эксплуатации, λ ₀ – справочное значение интенсивности отказов,
φ (х ₁, …, х_n) – перерасчетная функция, х ₁, …, х_n – факторы, принимаемые во внимание (коэффициент нагрузки, температура, давление, характер электрического режима и т.п.

, (4.3)

где α (х_i) – поправочный коэффициент, учитывающий влияние фактора х_i, n – количество факторов.

При расчетах надежности изделий наиболее часто учитывают влияние двух факторов – коэффициента электрической нагрузки и температуры. В этом случае для определения перерасчетной функции можно пользоваться номограммами, построенными для различных видов элементов по результатам экспериментальных исследований (приложение Б).

На практике оценка показателей надежности проектируемой ЭЛА выполняется в предположении, что элементы в ней с точки зрения надежности соединены последовательно, их отказы случайны и независимы, используется экспоненциальный закон надежности элементов.

Пример ориентировочного расчета показателей безотказности выходного каскада, работающего в составе электромиостимулятора (рис. 4.1). Данный расчет надежности выполняется на ранней стадии проектирования. В качестве исходный данных выступают условия эксплуатации (наземные стационарные) и заданное время работы блока (t _з =1000 ч). Предполагается, что электромиостимулятор будет изготовлен с использованием печатного монтажа.

I_н

Uс

Рисунок 4.1 – Электрическая принципиальная схема выходного каскада электростимулятора

Дата добавления: 2015-04-30