Алексей Швец | Артем Сорокин, к. т. н. | Сергей Панин | Владислав Безруков
В статье рассмотрены вопросы расчетного подтверждения надежности источников вторичного питания, разработанных ООО «Трион». Приводится анализ положений действующих руководящих документов по экспериментальному подтверждению полученных расчетным путем оценок показателей надежности и даны практические предложения по порядку их реализации.
Применение энергоэффективных технологий в современной светотехнике тесно связано с использованием светодиодного освещения, чья работа во многом зависит от качества установленных в светильниках источников вторичного питания. Одним из основных свойств, определяющих качество источников вторичного питания, является их надежность, порядок расчета и экспериментального подтверждения которой предлагается рассмотреть на примере источника питания STAR 100–700T Industrial разработки ООО «Трион».
Согласно техническим условиям [1], STAR 100–700T Industrial ТРЕГ.565122.020 (далее — источник) — это стабилизированный одноканальный источник вторичного электропитания модульного исполнения, обеспечивающий режим работы светодиодных модулей со стабилизацией тока в заданном диапазоне выходного напряжения при питании от первичной (в том числе промышленной) однофазной сети переменного тока 230 В ±20% и частотой 50 Гц ±10%.
По своему назначению, выполняемым задачам, возможности восстановления работоспособности после отказа в процессе эксплуатации и возможности технического обслуживания источник в соответствии с классификацией, установленной ГОСТ 27.003 [2], представляет собой невосстанавливаемый, обслуживаемый объект конкретного назначения и многократного циклического применения, надежность которого характеризуется средней наработкой до отказа.
Анализ состава источника показал, что элементами, определяющими его работоспособность, являются следующие нерезервируемые электрорадиоизделия (далее — ЭРИ): микросхемы, диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы, варисторы, дроссели, трансформаторы, кабели и печатная плата.
В результате анализа отечественной и зарубежной нормативно-технической литературы по надежности электрорадиоизделий [2–8] можно сделать вывод, что наиболее актуальные сведения об их надежности, находящиеся в открытом доступе, содержатся в справочниках ФГУП «22 ЦНИИ МО РФ» [6, 7].
Справочник «Надежность изделий электронной техники для устройств народно-хозяйственного назначения» [5] отсутствует в открытом доступе и с момента выпуска в 1990 году до настоящего времени, вероятно в связи с ликвидацией ВНИИ «Электростандарт», не переиздавался.
В источнике, как и во многих современных радиоэлектронных устройствах, применяется технология поверхностного монтажа ЭРИ, модель расчета надежности которой отсутствует в справочниках ФГУП «22 ЦНИИ МО РФ» [6, 7], но ее можно найти в разделе 16 справочника MIL-HDBK-217F [8]. В целом анализ справочников [6, 7] показывает, что в зависимости от наличия исходных данных возможны несколько вариантов расчета надежности радиоэлектронных устройств:
— первый: расчет надежности по характеристикам надежности электрорадиоизделий — аналогов отечественного производства в усредненных условиях эксплуатации;
— второй: расчет надежности по характеристикам надежности электрорадиоизделий — аналогов отечественного производства с определением коэффициентов моделей, учитывающих условия эксплуатации изделия;
— третий: расчет надежности по характеристикам надежности электрорадиоизделий — аналогов импортного производства с определением коэффициентов моделей, учитывающих условия эксплуатации изделия и качество изготовления электрорадиоизделий коммерческого (не военного) назначения импортного производства.
Из представленных вариантов расчета самым простым является вариант первый. Простота расчета объясняется наличием в справочнике [6] расчетных значений эксплуатационной интенсивности отказов групп изделий в типовых усредненных условиях функционирования. Основной недостаток данного варианта расчета — отсутствие учета конкретных условий эксплуатации изделия, что в ряде случаев может приводить к недостоверным оценкам. Метод используется на начальном этапе проектирования в основном как предварительный при отсутствии исходных данных, необходимых для определения учитывающих условия эксплуатации коэффициентов модели, определение которых предусмотрено во втором и третьем вариантах расчета.
Второй и третий варианты расчета представляются более трудоемкими, но дающими более достоверные результаты. В связи с использованием в источнике элементной базы импортного производства в невоенной сфере в отношении расчета надежности источника выбран третий вариант расчета.
Для расчета средней наработки источника до отказа использован структурный метод, основанный на анализе источника как объекта оценки надежности. Структурная схема надежности (далее — ССН) источника приведена на рис. 1.
Определение средней наработки источника до отказа проведено с учетом допущения о постоянстве интенсивности отказов ЭРИ по формуле:
где λэi — эксплуатационная интенсивность отказов i-го элемента ССН, определяемая по формуле:
где Nij — количество i-х элементов ССН j-го типа; λэij — эксплуатационная интенсивность отказов i-х элементов ССН j-го типа.
Модель определения эксплуатационных интенсивностей отказов элементов ССН, показанная на примере микросхем и конденсаторов, приводится ниже. Аналогично были рассчитаны и модели для остальных элементов источника.
Определение эксплуатационной интенсивности отказов микросхем
В терминах справочника [7] используемые в источнике микросхемы классифицируются как микросхемы герметизированные SMT интегральные полупроводниковые аналоговые с количеством бит 10–100. Эксплуатационная интенсивность их отказов определяется по формуле:
где λкр — интенсивность отказов кристалла микросхемы; Kt — коэффициент режима в зависимости от температуры кристалла микросхемы; λкорп — интенсивность отказов корпуса микросхемы; Kэ —– коэффициент жесткости условий эксплуатации; Kпр — коэффициент качества изготовления.
Интенсивность отказов кристалла аналоговых микросхем определяется по данным справочника [7] таблицы 3 раздела «Интегральные микросхемы».
Расчет коэффициента режима в зависимости от температуры кристалла микросхемы в соответствии с таблицей 10 раздела «Интегральные микросхемы» справочника [7] проводится по формуле:
где Ea — коэффициент модели, определяемый по данным таблицы 10 раздела «Интегральные микросхемы» справочника [7] (для аналоговых микросхем Ea = 0,65); Tj — температура кристалла, определяемая по формуле [7]:
где Т — температура окружающей среды, °С; Rθja — тепловое сопротивление «кристалл — окружающая среда», °С/Вт; Р — фактическая мощность рассеивания. Интенсивность отказов корпуса герметизированных SMT микросхем в соответствии с таблицей 7 раздела «Интегральные микросхемы» справочника [7] определяется по формуле:
где N — количество выводов микросхемы
Коэффициент жесткости условий эксплуатации микросхемы определяется по данным таблицы 13 раздела «Интегральные микросхемы» справочника [7]. Для стационарных объектов Кпр = 0,5. Коэффициент качества изготовления микросхемы определяется по данным таблицы 11 раздела «Интегральные микросхемы» справочника [7]. Для коммерческих микросхем Кпр = 10.
Определение эксплуатационной интенсивности отказов конденсаторов
Эксплуатационная интенсивность отказов конденсаторов в соответствии с разделом «Конденсаторы» справочника [7] определяется по формуле:
где λб.с.г — характеристика надежности группы конденсаторов, определяемая по таблице 2 раздела «Конденсаторы» справочника [7]; Kt — коэффициент режима в зависимости от температуры окружающей среды; KС — коэффициент номинальной емкости конденсатора; Ks — коэффициент электрической нагрузки конденсатора; Kп.с — коэффициент последовательного сопротивления для оксидно-полупроводниковых конденсаторов. Поскольку конденсаторы, применяемые в источнике, не являются оксидно-полупроводниковыми, то Kп.с = 1.
Расчет коэффициента режима конденсатора в зависимости от температуры окружающей среды в соответствии с таблицей 3 раздела «Конденсаторы» справочника [7] проводится по формуле:
где Ea — коэффициент модели, определяемый по данным таблицы 3 раздела «Конденсаторы» справочника [7] (для керамических конденсаторов постоянной емкости, в том числе поверхностного монтажа, Ea = 0,35); T — температура окружающей среды. Коэффициент номинальной емкости конденсатора определяется в соответствии с таблицей 4 раздела «Конденсаторы» справочника [7]. Для всех групп конденсаторов он определяется по формуле:
для электролитических:
где С — номинальная емкость конденсатора, мкФ. Коэффициент электрической нагрузки конденсатора определяется в соответствии с таблицей 5 раздела «Конденсаторы» справочника [7]. Для керамических постоянной емкости конденсаторов коэффициент электрической нагрузки определяется по формуле:
где S — электрическая нагрузка, определяемая по формуле:
где Uраб — рабочее напряжение конденсатора; Uмакс — максимальное напряжение конденсатора.
Коэффициент качества изготовления конденсаторов определяется по данным таблицы 7 раздела «Конденсаторы» справочника [7].
Для конденсаторов без контроля качества Militari Кпр = 10. Коэффициент жесткости условий эксплуатации конденсаторов определяется по данным таблицы 8 раздела «Конденсаторы» справочника [7]. Для стационарных объектов Кэ = 1.
С применением вышеуказанных моделей получены оценки характеристик надежности элементов ССН источника, результаты представлены в таблице 1.
По результатам расчета с учетом исходных данных, представленных в таблице 1, по формуле (1) определена средняя наработка источника до отказа, которая составила:
Полученная достаточно высокая оценка средней наработки источника до отказа вдохновила нашу команду разработчиков, но перед нами сразу встал вопрос ее экспериментального подтверждения. Проведенный анализ нормативно-технической литературы по экспериментальному подтверждению надежности изделий [9–12] показал, что наиболее полно для инженерной практики порядок оценки показателей надежности по экспериментальным данным раскрыт в РД 50-690-89 [10]. В соответствии с РД 50-690-89 [10] для определения экспериментальных оценок показателей надежности проводят следующие работы:
1. Выбор плана испытаний на надежность.
2. Планирование испытаний.
3. Сбор необходимой информации.
4. Статистическую обработку информации.
В интересах разработки предложений по экспериментальному подтверждению надежности источника более подробно рассмотрим первые два этапа работ.
Выбор плана испытаний на надежность
План испытаний на надежность устанавливает число объектов испытаний, порядок проведения испытаний (с восстановлением работоспособного состояния изделия после отказа, заменой отказавшего изделия или без восстановления и замены) и критерий их прекращения. Обозначения и определения планов испытаний на надежность достаточно полно представлены в ГОСТ 27.410 [11].
В соответствии с принятыми правилами объектами испытаний являются однотипные изделия, не имеющие конструктивных или других различий, изготовленные по единой технологии и испытываемые в идентичных условиях.
Выбор планов испытаний зависит от типа объекта испытаний, целей испытаний, оцениваемых показателей надежности, условий испытаний и других технико-экономических факторов. В соответствии с приложением 3 РД 50-690-89 [10] для невосстанавливаемых объектов при проведении определительных испытаний на надежность для средней наработки объекта до отказа рекомендованы следующие планы испытаний: [NUN], [NUr], [NUz], [NUT], [NRr], [NRT]. При этом для сокращения продолжительности испытаний применяют планы [NRr], [NRT], для повышения точности оценок показателей — [NUN].
Термины и определения рассматриваемых планов, соответствующие обязательному приложению 2 ГОСТ 27.410 [11], представлены в таблице 2.
Планирование испытаний на надежность
Планирование испытаний на надежность предусматривает определение требуемого объема тестов для вычисления оценок показателей надежности с заданной точностью (относительной ошибкой ε в оценке показателя надежности) и достоверностью (доверительной вероятностью q).
В соответствии с обязательным приложением 2 РД 50-690-89 [10] для деталей, обусловливающих внешний вид изделия, его комфортабельность ε = 0,15; 0,20; q = 0,80; 0,90.
Под объемом испытаний понимают для планов:
— [NUN] — число объектов испытаний N;
— [NUr], [NRr] — число объектов испытаний N и число отказов r испытываемых объектов
— [NUT], [NRT], [NUz] — число объектов испытаний N и продолжительность испытаний T, z.
Определение объема испытаний осуществляется в соответствии с рекомендуемым приложением 4 РД 50-690-89 [10].
Определение объема испытаний для плана [NUN]
Объем испытаний для оценки средней наработки до отказа определяют по таблице 6 приложения 4 РД 50-690-89 [10] для совокупностей неограниченного объема и по таблицам 15–19 приложения 4 РД 50-690-89 [10] для совокупностей ограниченного объема.
Исходные данные для расчета:
— предельная относительная ошибка ε;
— доверительная вероятность q;
— вид закона распределения случайной величины (наработки до отказа);
— коэффициент вариации ν;
— объем совокупности М (для совокупностей ограниченного объема).
Если по результатам испытаний получен коэффициент вариации ν больше заданного, то объем испытаний пересчитывают для найденного коэффициента вариации и испытания продолжают.
Определение объема испытаний для плана [NUr]
Число отказов r для оценки средней наработки до отказа определяют по таблице 6 приложения 4 РД 50-690-89 [10], полагая вместо N значение r для совокупностей неограниченного объема.
Объем выборки N определяют в предположении, что задана относительная продолжительность испытаний x = Ти/Тср
для распределения Вейбулла (экспоненциального) [11]:
где {z} — целая часть z;
Г(·) — гамма-функция;
b — параметр формы распределения Вейбулла.
С учетом того, что при b = 1 распределение Вейбулла преобразуется в экспоненциальное, а Г(n + 1) = n!, для экспоненциального распределения формула (14) упрощается и имеет вид:
Если по результатам испытаний получен коэффициент вариации v больше заданного, то объем испытаний пересчитывают для найденного коэффициента вариации и испытания продолжают.
Определение объема испытаний для планов [NUТ], [NUz]
Объем выборки N или относительную продолжительность испытаний x для оценки средней наработки до отказа определяют следующим образом:
— для исходных данных (ε, q) определяют прогнозируемое число отказов r по таблице 6 приложения 4 РД 50-690-89 [10], полагая вместо N значение r;
— для найденного значения r определяют объем выборки по формуле (4), полагая, что относительная продолжительность испытаний x задана, или определяют значение x, полагая, что объем выборки N задан.
Если по результатам испытаний за N объектами за время Т получено число отказов меньше прогнозируемого, то испытания следует продолжить до наступления r отказов или снизить требования к точности и (или) достоверности оценки показателя.
Порядок определения объема испытаний для плана [NUz] в РД 50-690-89 [10] отсутствует. Анализ терминологии, представленной в таблице 2, показывает, что план [NUz] является частным случаем плана [NUТ], определение объема которого может быть сделано аналогичным образом.
Определение объема испытаний для плана [NRr], [NRT]
Для плана [NRr] число отказов r для оценки средней наработки до отказа определяют по таблице 27 приложения 4 РД 50-690-89 [10] в предположении экспоненциального закона распределения наработки до отказа.
Исходные данные для расчета:
— предельная относительная ошибка ε;
— доверительная вероятность q. Для плана [NRТ] объем выборки N или относительную продолжительность испытаний x для оценки средней наработки до отказа вычисляют по формуле:
Формулы для оценки средней наработки до отказа изделия при различных планах испытаний
Точечная оценка (состоятельная, несмещенная, асимптотически эффективная) средней наработки до отказа изделия при различных планах испытаний определяется по формулам [9]:
по плану [NUN]:
по плану [NUr]:
по плану [NUz]:
по плану [NUT]:
где r — количество выявленных отказов; ti — наработка изделия до i-го отказа; T — время завершения испытания.
При отсутствии отказов (r = 0) при испытаниях средняя наработка на отказ может быть определена по формуле:
Расчет и анализ планов испытаний источника для подтверждения средней наработки до отказа
Расчет планов испытаний источника для подтверждения средней наработки до отказа проведен с учетом представленных выше подходов, результаты расчета показаны в таблицах 3–7.
Анализ результатов расчета планов испытаний, представленных в таблицах 3–7, показывает, что минимальное количество источников, требующихся для испытаний на надежность при относительной ошибке ε = 0,2 и доверительной вероятности q = 0,8
в зависимости от плана испытаний составляет 1–10 единиц.
Анализ выше представленного порядка экспериментального подтверждения надежности показал, что, помимо величины относительной ошибки (ε) и уровня доверительной вероятности (q), при планировании испытаний определяющее значение имеет величина относительной продолжительности испытаний (x). С учетом полученной в расчете величины средней наработки источника до отказа ( ) при х = 0,2 продолжительность испытаний должна составлять 1,87 года (685 суток), при х = 0,9 — 8,4 года (3079 суток). При этом оптимальной считается относительная продолжительность, равная х = 0,8, с продолжительностью испытаний, которая составляет 65 000 ч (7,4 года).
Ознакомившись с результатами планирования испытаний источника на надежность, наша команда пришла к выводу о нецелесообразности реализации такого подхода из-за неприемлемой продолжительности испытаний при сжатых сроках реализации опытно-конструкторской работы.
Столкнувшись с проблемой реализации предложенного в научно-технической литературе метода экспериментального подтверждения надежности источника, при отсутствии технической возможности реализовать форсированные испытания (функция стабилизации тока в заданном диапазоне выходного напряжения такой возможности не дает), был разработан и предложен к реализации следующий порядок действий.
Для экспериментального подтверждения надежности источника и принятия мер по его совершенствованию (при необходимости) планируем организовать наблюдение за техническим состоянием источников на одном или нескольких объектах эксплуатации.
Количество наблюдаемых источников не менее 50 штук — чем больше, тем лучше, но в разумных пределах, то есть в объеме выделенных на проект ресурсов.
Продолжительность наблюдения от 1 года до 3 лет, с оформлением ежегодной или полугодовой отчетности по контролю надежности и совместным принятием решения о необходимости продолжения наблюдений.
В ходе наблюдений за техническим состоянием источников планируем собирать для каждого источника следующую информацию:
— заводской номер (однократно для формирования базы данных);
— дата изготовления (однократно для формирования базы данных);
— дата ввода в эксплуатацию (однократно для формирования базы данных);
— условия эксплуатации (характеристики помещения, улица и т. д., характеристики питающего напряжения; однократно для формирования базы данных);
— наработка (ежеквартально или один раз в полгода);
— наработка до отказа (при возникновении отказа);
— условия, при которых произошел отказ (характеристики входного напряжения и нагрузки и другие параметры, которые помогут нам подтвердить отсутствие нарушений правил эксплуатации источника эксплуатирующей организацией);
— результаты исследования причин отказа источника: классификация причин на конструкционные, производственные, эксплуатационные, повреждение комплектующего изделия, с выработкой (по возможности) предложений по исключению повторения причин отказа.
Для мотивации процессов совершенствования конструкции источника или совершенствования технологических процессов его изготовления вводим при экспериментальной оценке надежности источника понятие зачетности и незачетности отказа.
Отказ источника считать незачетным, если:
— отказ вызван нарушениями правил эксплуатации или неправильными действиями эксплуатирующего персонала;
— отказ произошел по причине выхода за требуемые пределы внешних факторов, оговоренных и заданных в ТУ (питающее напряжение, температура окружающей среды, относительная влажность воздуха и т. д.);
— причины отказа однозначно устранены и не могут проявляться в дальнейшем.
Остальные отказы, в том числе по которым невозможно исключить причины их возникновения, считаются зачетными и учитываются в расчете надежности.
Незачетные отказы в расчете надежности не учитываются.
Впереди — написание программы наблюдений, обработка их результатов, отработка технологии изготовления и много другой интересной инженерной работы.
Литература
1. Источник питания STAR серии Industrial. Технические условия. ТУ 27.11.50.002-27335237-2022. М.: ООО «ТРИОН», 2022.
2. ГОСТ 27.003-2016. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.
3. ГОСТ Р 27.102-2021. Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения.
4. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.
5. Надежность изделий электронной техники для устройств народно-хозяйственного назначения. Справочник. Разработан в соответствии с руководящим документом РД 50-670-88. М.: ВНИИ «Электростандарт», 1990.
6. Надежность электрорадиоизделий. Справочник. Разработан в соответствии с руководящим документом РД В 319.01.20-98. М.: ФГУП «22 ЦНИИ МО РФ», 2006.
7. Надежность электрорадиоизделий импортного производства. Справочник. Разработан в соответствии с руководящим документом РД В 319.01.20-98. М.: ФГУП «22 ЦНИИ МО РФ», 2006.
8. Reliability prediction of electronic equipment: Military Handbook MIL–HDBK-217F, Notic 2. Washington, Department of Air Force, 1995.
9. Аронов И. З., Бодин Б. В., Лапидус В. А. Надежность и эффективность в технике. Т. 6. Экспериментальная отработка и испытания. М.: Машиностроение, 1989.
10. Методические указания. Надежность в технике. Методы оценки показателей надежности по экспериментальным данным. РД 50-690-89. М., 1990.
11. ГОСТ 27.410-87. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность.
12. ГОСТ 27.402-95. Надежность в технике. Планы испытаний для контроля средней наработки до отказа (на отказ). Часть 1. Экспоненциальное распределение.