CC BY
23
Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2017, том 1
1 7tn т,
Ri (2 6 2to 6t2) Vto tg) tg J
(8)
Тогда выражение (7) для выходного сигнала весового сумматора пир подаче первого сложного воздействия будет
1
К1 >^2 6
Легко увидеть, что для момента времени t=tol выходной сигнал измерительной схемы будет зависеть только от параметров Я и С
Ко К2С3
Тг ^01
После получения информации о значении выходного сигнала измерительной схемы его запоминают в устройстве выборки и хранения. Параллельно с одним весовым сумматором для формирования сложного воздействия целесообразно расположить другой весовой сумматор, в котором те же сигналы с устройств выполняющих дополнительные операции, суммируются с другими весовыми коэффициентами для формирования второго сложного воздействия. Выбрав их таким образом, чтобы коэффициент при параметре — в выражении (7) равнялся единице,
«о =
2
_ _0 _ ьи _
а1 = ^ ; а2 = . ; а3 = ОТд t.
а *-о ^о
В этом случае в момент времени уравнение (7), записанное для второго весового сумматора, вырождается и содержит только для составляющие:
«ИС(*Ю2) = «в,
R
[-t + —
[«1i02+ to2
(9)
Выполнив вычитание выходного сигнала от первого воздействия из выходного сигнала, полученного от подачи второго сложного воздействия, получим информацию о интересующем параметре датчика:
Ü,
вых£ 2 (<•02.
(^02) = ^воз _ „ .
Tr-Ki
а
Таким образом, схема ИП с использованием метода подачи сложных воздействий на ИС и устройств, выполняющих дополнительные операции для формирования этих воздействий, должна содержать источник линейно изменяющегося сигнала генератор пилообразного напряжения (ГПН), ИС, два весовых сумматора и устройств фиксации выходного сигнала в моменты времени второго сумматора в момент времени ^2. Схема такого ИП представлена на рис.2.
остальные равнялись нулю, получим следующее значение коэффициентов суммирование для второго сумматора:
; Кл!]—'
-1 +1
и- 1/R,
СУ
УВХ2
Рисунок 2 Схема измерительного преобразователя
Используя периодический сигнал в виде треугольника, можно не только получить искомый параметр кондуктометрического датчика, но и снизить влияние смещения и дрейфа нуля ОУ, т.к. в этом случае возможно изменение знака входного воздействия, подаваемого на ИС. Фиксацию результата измерения можно выполнить с помощью устройства выборки хранения сигнала. Ключевые элементы
КЛ1 и КЛ2 служат для последовательной подачи на ИС сложных воздействий. Используя данный способ получения информации можно построить целый класс преобразователей параметров различных датчиков или параметров двухполюсных многоэлементных цепей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Берлинер М.А. Измерение влажности -2-е изд., перераб. И доп. -Энергия, 1973. -400с.
2. А.с. №875308 (СССР). Устройство для измерения параметров параллельных и последовательных колебательных контуров / В.И. Кулапин, А.И. Мартяшин, В.Ф. Рябов // БИ 1981. -№3 9.
3. Кулапин В.И. Разработка и исследование универсальных преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных цепей в унифицированный сигнал: Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. -Пенза, ППИ. -1987.
УДК 662. 621.3 Володин П.Н.
НИУ ВШЭ «Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова», Москва, Россия РАЗРАБОТКА МАКРОМОДЕЛИ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ ИМПУЛЬСНОГО ИВЭП
В данной статье объектом исследования является импульсный источник вторичного электропитания (ИВЭП) персональной вычислительной машины (ПВМ). Цель работы — анализ изменения показателей надежности ИВЭП в зависимости от температуры, электрической нагрузки и условий эксплуатации, построение модели надежности. В процессе выполнения исследовательской работы был проведен обзор литературных источников по теме исследования, обзор основных направлений научной деятельности. Был сделан вывод о том, что наиболее часто в теории надежности используются экспоненциальный закон распределения, распределения Вейбулла и Рэ-лея, логнормальный закон распределения и др. Сформулированы основные требования к модели характеристик надежности импульсных ИВЭП. Разработан алгоритм построения модели характеристики надежности импульсных ИВЭП, основанный на методах факторизации, планирования эксперимента и полного расчета надежности аппаратуры. Сформулированы необходимые исходные данные для формирования модели. Проведен обзор методов для этапов электрического расчета и расчета надежности, проведены соответствующие работы по получению необходимых исходных данных. После небольшого обзора программ позволяющих проводить схемотехническое моделирование и моделирование электрических процессов в схеме, было решено остановиться на Electronic Workbench. Для определения рабочих температур ЭРИ компьютерного БП, был проведен натурный эксперимент с использованием тепловизора. Далее была разработана макромодель интенсивности отказов ИВЭП с использованием метода полиномиальной аппроксимации.
Ключевые слова:
источник вторичного электропитания, надежность, эксплуатационная интенсивность отказов, модель, проектирование
Введение
Применение изделий электронной техники во всех сферах человеческой деятельности накладывает определенные требования по надежности, экономическим и эксплуатационным показателям, которые относятся как к ним самим, так и к их составным узлам и устройствам.
Одним из таких изделий, входящим практически во все виды электронной аппаратуры, является источник вторичного электропитания (ИВЭП). Стремление к улучшению КПД, массогабаритных показателей и расширению диапазона входных напряжений радиоэлектронной аппаратуры обусловило преимущественное распространение ИВЭП с импульсными способами преобразования энергии первичных источников питания[1].
На сегодняшний день существует великое множество ИВЭП, но мы в частности будем рассматривать те, что монтируются в персональные электронные вычислительные машины (ПЭВМ). От качества работы блока питания (БП) во много зависит и срок службы всего компьютера.
Современные методы проектирования электронных средств (ЭС), направленные на повышения показателей их надежности, улучшения технических характеристик, расширения спектра решаемых задач, а также применения элементной базы шестого поколения накладывают все более жесткие требования на характеристики входящих в них устройств, в том числе и на ИВЭП. Прежде всего, к этим требованиям относятся уровень стабильности и пульсаций выходных напряжений, токов потребления,
динамических параметров, высокий к.п.д., увеличения числа выполняемых функций, условия эксплуатации и пр. Такие требования привели к структурной и схемотехнической сложности устройств электропитания, наличию в их составе элементов и функциональных узлов с нелинейными характеристиками, использованию ключевого режима работы, которые обеспечивают высокие энергетические и удельные показатели. В результате резко усложнился процесс эскизного и технического проектирования таких устройств, который определяет надежность формируемых систем электроснабже-ния[2].
Поэтому возникла необходимость повысить надежность проектируемых систем электроснабжения (ИИП) за счет новых методов математического моделирования с помощью ЭВМ. Практическое решение этой задачи невозможно без тщательного рассмотрения и учета особенностей устройств электропитания, требований предъявляемых к ним, а также анализа моделей и методов расчета импульсные ИВЭП
Таким образом, актуальной является задача разработки модели надежности импульсных ИВЭП.
Основная часть
Практически любая структурная схема импульсного источника питания может быть сведена к структуре, изображенной на рис. 1, которая включает в себя следующие узлы: входной выпрямитель/фильтр; трансформатор, выходной выпрямитель/фильтр, схему защиты, цепь обратной связи, схему управления, источник питания устройств управления.
Рисунок 1 - Структурно-функциональная блок схема для импульсного источника питания
Для разработки макромодели в качестве полной и точной характеристики надежности источника питания выбрана интенсивность отказов, т.к. она характеризует степень надежности объекта в данный момент времени.
Интенсивность отказов - условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник [3].
Для построения модели надежности необходим набор статистических и экспериментальных данных, позволяющих: - оценивать влияние на характеристики надежности импульсных ИВЭП изменение нагрузки на выходе источника. - определять уровень воздействий окружающей среды на надежность источника для каждой группы аппаратуры по ГОСТ 2 0.39.304-98. - определить температуру нагрева элементов блока при изменяющейся нагрузке. -определить изменение электрической нагрузки элементом в схеме ИВЭП при меняющейся нагрузке на выходе источника.
При выборе исходных данных руководствуемся в первую очередь описанием реально существующих объектов и элементов в них, схемой источника, температурой окружающей среды, характером нагрузки, наиболее важными выходными, внутренними и внешними величинами.
Поскольку задача построения макромодели импульсных источников вторичного электропитания включает в себя ряд подзадач (рис. 2), то исходными данными являются данные каждой из задач.
На этапе электрического моделирования определяем состав электрической принципиальной схемы объекта исследования, режимы работы, предельные нагрузки на дискретных электрорадиоэлементах (ЭРЭ) и математические модели ЭРЭ с целью анализа в динамическом режиме [4 ст.137].
Задачей исследования не является получение макромодели функционального узла, которая определяла бы изменение взаимозависимых электрических процессов. Работа направлена на разработку макромодели показателя надежно импульсного ИВЭП, используя результаты электрических и тепловых расчетов.
Построение макромодели импульсного ИВЭП на этапе электрического расчета проводим, исследуя динамику изменения электрических характеристик элементов, с помощью программы MultiSim. Для этого описываем радиоэлектронное средство на уровне его дискретных компонентов. Далее фиксировались значения падения напряжения и протекающие токи через ЭРИ при изменении выходной нагрузки от 10 до 100%.
Рисунок 2 - Декомпозиция задачи м
Задача теплового расчета состоит в определение рабочих температур ЭРИ ИВЭП при изменяющейся нагрузке источника. Для этого был проведен натурный эксперимент.
Для проведения замеров рабочих температур элементов внутри блока было необходимо демонтировать верхнюю крышку компьютерного БП. Затем были подсоединяем нагрузочные сопротивления к шинам питания +3.3V, +5V и +12V. Далее устанавливаем на штатив «тренога» тепловизор ЕЫКА-4 0.
.кромоделирования импульсных ИВЭП
Через интерфейс USB соединяем тепловизор с ПВЭМ, на котором установлена программа
ThermaCAMResearcher. После запуска БП необходимо дождаться стабилизации тепловых процессов в блоке. С помощью программы сохраняем изображения с тепловизора на флэш-накопитель (рис. 3). Далее сопоставляя цвета ЭРИ с соответствующей цветовой шкалой температур, определяем нагрев ЭРИ.
Рисунок 3 - Картина нагрева ЭРИ в процессе работы БП при нагрузке 100%
Исходными данными для расчета надежности составных частей источника питания являются справочники отечественного и зарубежного производства.
На этапе расчета показателей надежности импульсного ИВЭП используем результаты первых двух этапов — электрический и тепловой расчет, а также данные нормативно-технической документации по каждому электрорадиоэлементу РЭС. Расчет проводим в системе АСОНИКА-К-СЧ.
Система расчета надежности электронных модулей АСОНИКА-К-СЧ позволяет проводить расчеты показателей безотказности и сохраняемости составных частей (электронных модулей 1-го уровня) электронных средств (ЭС). Система создана в обеспечение ГОСТ РВ 20.39.302-98 «Комплексная система общих технических требований. Содержание
базы данных системы отвечает положениям РДВ 319.01.20-98 «Положение о справочнике «Надежность ЭРИ»[5].
На основе полученной информации проводился расчет показателя надежности (интенсивность отказов) импульсного ИВЭП для групп аппаратуры 1.1...3.4 с помощью подсистемы анализа и обеспечения надежности и качества.
Сущность метода расчета надежности с учетом режимов работы элементов состоит в том, что в расчетных формулах для определения общей интенсивности отказов аппаратуры вместо табличных среднегрупповых интенсивностей отказов ^ подставляются значения интенсивностей отказов Л(у) , зависящие от режимов работы V. Значения Л(у)
берутся из соответствующих графиков или вычисляются по формулам[6].
В общем виде интенсивность отказов элементов с учетом реальной электрической нагрузки и температуры можно представить следующим выражением:
Л = Л + АЛ, + АЯ„
где
Л - интенсивность
' k + А^1го
отказов при
номинальном
режиме;
АЛ
поправка на отклонение реального
электрического режима от номинального;
АЛ
правка на отклонение реального температурного режима от номинального [7 ст. 45].
Данная модель интенсивности отказов предложена в работах [8, 9] применительно к ЭРЭ, а в работе [10] - к электронному модулю и дополнена коэффициентом, учитывающим жесткость условий эксплуатации по группам аппаратуры согласно классификации.
А = Аб • Кэ (/) • Кр (/,Т, Кн )
где Аб - базовая интенсивность отказов (интенсивность отказов СЧ при нормальных условиях (НУ) и номинальной нагрузке); Кэ - функция эксплуатации (функция, учитывающая жесткость условий эксплуатации); / - номер группы аппаратуры по классификации [13] (1 = 1,2Г...Г1, где I - ко-
функция режима (функция,
Т - темпера-
где А - интенсивность отказов при номинальном режиме; Кэ - коэффициент, учитывающий жесткость условий эксплуатации; 1 - номер группы аппаратуры по классификации [11] (1 = 1,2Г...Г1, где I - количество групп); Кя (/) - коэффициент электрической нагрузки, который определяется
отношением рабочей электрической нагрузки к максимально допустимой электрической нагрузки с фиксированным значением температуры не превышающей максимальную по ТУ.
Таким образом, при составлении макромодели переходим к коэффициентному методу расчета надежности
Ввиду недостатков существующих методов расчета показателей надежности импульсных ИВЭП поставлена задача разработки макромодели интенсивности отказов импульсных ИВЭП. Для разработки макромодели был использован метод упрощения структуры полной математической модели
А,,
= А,
= const [12]
Применение этого метода
личество групп); К,
P
^ИВЭП _ "НТД
позволяет унифицировать макромодель с математическими моделями эксплуатационной интенсивности отказов ЭРИ и упростить структуру макромодели интенсивности отказов для типоразмера ИВЭП до минимума:
Аз = А • Кпр (]■) • Кэ (/) • Кр (/,Т, Кн),
Ав - базовая интенсивность отказов; Ки
где:
"Пр
учитывающая режим эксплуатации); тура среды, окружающей СЧ;
K
н
•аб
кн
R„
- коэффициент нагрузки ( ном , где Яраб
и Яном - рабочая и номинальная (по НТД) электрическая нагрузка СЧ).
Коэффициент, учитывающий степень жесткости условий эксплуатации показывает, во сколько раз интенсивность отказов ЭРИ в аппаратуре конкретного класса (группы эксплуатации по [11]) выше при всех равных условиях, чем в наземной стационарной аппаратуре (группа 1.1).
Для корректировки изменяющихся условий вводятся функция режима, которая зависит от температуры и коэффициента нагрузки.
Однако, если тепловые и механические условия эксплуатации не меняются интенсивность отказов можно представить в виде:
Аэ =А • Кэ (/) • Кн (/)
функция качества; у - номер приемки по классификации [13]; Кэ - функция эксплуатации; 1 - номер группы аппаратуры по классификации [11]; Кр - функция режима; Т- температура среды, окружающей ИВЭП; Кн - коэффициент электрической нагрузки ИВЭП.
Заключение
Разработана методика макромоделирования характеристик надежности импульсных ИВЭП. Методика основана на использовании возможностей систем ТЬегшаСАМЯезеагсЬег, Ми1^Б1ш и АСОНИКА, позволяет провести исследование тепловых характеристик, электрических и показателя надежности (интенсивности отказов) импульсного ИВЭП.
Разработан алгоритм построения макромодели характеристики надежности импульсных ИВЭП.
Выполненные экспериментальные исследования определили вид макромодели импульсного ИВЭП
подтвердили выводов ра-
Лэ = Л • КПр (j) • кэ (i) • Kp (i,T, Кн ) , и
правильность основных положений и боты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: «Наука», 1976
2. Антипенский Р.В., Фадин А.Г. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств. - М.: Техносфера, 2007. - 128 с.
3. Брук Б.М. Курсовая работа по дисциплине «Информатика» Тема: «Аппроксимация методом наименьших квадратов» - Спб.: 2000. - 32 с.
4. Кожарский Г.В., Орехов В.И. Методы автоматизированного проектирования источников вторичного электропитания. -М.: Радио и связь, 1985. -184 е., ил.
5. Галушкин А.И., Зотов Ю.Я., Шикунов Ю.А. Оперативная обработка экспериментальной информации. М., «Энергия», 1972. - 360 с. Ил.
6. А.И. Дивеев Поиск закона изменения надежности электронных модулей методом символьной регрессии / А.И. Дивеев, Е.Ю. Шмалько, В.В. Жаднов // Надежность и качество сложных систем. - 2016. - № 1 (2). - С. 32-38.
7. Шишонок Н.А. Надежность радиоэлектронной аппаратуры Лекции 6-8 «Методы расчета надежности радиоэлектронной аппаратуры » Киев, 1962.(печатные лекции Сергея)
8. Тумковский С.Р. Разработка методов автоматизированного схемотехнического проектирования бортовых устройств электропитания радиотехнических систем диссертация на соиск. Уч. Степ.Кан. Тех. Наук — М.: МИЭМ, 1989
9. Жданкин В. Надежность преобразователей напряжения и ее количественная оценка - М.:// В записную книжку инженера № 4, 1997 (журнал электронный)
10. Надежность ЭРИ: Справочник. // Прытков С.Ф., Горбачева В.М., Борисов А.А. и др. / Науч. Рук. С.Ф. Прытков - М.: 22ЦНИИИ МО РФ, 2002. -547 с.
11. ГОСТ РВ 20.39.301-98 Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования к стойкости внешних воздействующих факторов.
12. О.Н. Герасимов Способ организации производственного контроля и диагностики РЭС с заданным уровнем остаточного / О.Н. Герасимов, А.В. Затылкин, Н.К. Юрков // Надежность и качество сложных систем. - 2016. - № 1 (2). - С. 94-98.
13. Надежность ЭРИ. Справочник. - М.: МО РФ, 2006. - 600 с.
