книги / Обеспечение надежности стабилизаторов напряжения при проектировании и производстве
..pdfБиблиотека
конструктора*
технолога
радиоэлектронной
аппаратуры
К . Н . М а л о в и к
Обеспечение
надежности
стабилизаторов
напряжения
при проектировании и производстве
©
Москва «Радио и связь» 1988
М 19 УДК 621.316.722.1.019.3:621.382.3
Р е ц е н з е н т канд. техн. наук О. С. Потураев
Редакция литературы по конструированию и технологии производства радиоэлектронной аппаратуры
Маловик К. Н.
М19 Обеспечение надежности стабилизаторов напряжения при проектировании и производстве. — М.: Радио и связь, 1988. — 96 с.: ил. — (Б-ка конструктора-технолога РЭА).
ISBN 5-256-00008-Х
Приведены методы анализа технической надежности и определения ра ботоспособности различных типов транзисторных компенсационных стабили заторов напряжения на этапах проектирования и производства. В система тизированном виде даны способы расчета показателей надежности стабили заторов напряжения. Предложены метод и средства динамического контроля для испытаний стабилизаторов напряжения в условиях серийного произ
водства.
Для инженерно-технических работников, специализирующихся в области проектирования и производства устройств электронной техники.
ББК 30.14
ISBN 5-256-00008-Х |
© Издательство «Радио и связь», 1988 |
Предисловие
Задачи повышения качества при проектировании и изго товлении современной РЭА, увеличения серийности в производ стве и снижения стоимости могут быть успешно решены лишь на', основе обеспечения надежности РЭА, обязательно включающей: в свой состав стабилизаторы напряжения.
Проверка стабилизаторов различных типономииалов в процес се изготовления и приемосдаточных испытаний является сложной и трудоемкой задачей и требует установления взаимосвязи с на учно обоснованными полями допусков на многочисленные стати ческие и динамические параметры стабилизаторов напряжения. С этой целью в настоящей книге рассматриваются основные методы анализа и оценки работоспособности линейных стабилизаторов на пряжения во взаимосвязи с процессами динамического контроля и с повышением качества изготовляемых стабилизаторов напря жения.
Анализ линейных стабилизаторов напряжения как объекта ав томатического регулирования позволяет классифицировать их структуры построения. Методика оценки допустимых значений ди намических параметров стабилизаторов напряжения основывается на решении задачи определения вероятности несовместимости ус ловия инвариантности предельно допустимого отклонения выход ного напряжения от номинала и условия устойчивости, характе ризующих техническую надежность стабилизаторов. Работоспо собность стабилизаторов напряжения анализируется на основе аналитических методов теории вероятностей и математической ста тистики с учетом экспериментально-статистических данных.
На основе рассмотренной методологии предлагаются режимы динамического контроля линейных стабилизаторов напряжения в серийном производстве с использованием рациональной последо вательности испытаний. Рассматриваются рекомендации по повы шению качества и эффективности контроля работоспособности ста билизаторов с учетом автоматизации их проверки. Излагаются принципы построения средств контроля и испытаний линейных ста билизаторов напряжения .в условиях серийного производства.
В данной книге автор попытался восполнить пробел в вопро сах проектирования и изготовления надежных линейных стабили заторов напряжения на транзисторах для цифровой вычислитель ной техники, обобщив разрозненные сведения из многих книг и статей, а также результаты собственных работ.
Реализация предложенных автором в книге методик и рекомен даций по обеспечению повышения качества и эффективности конт роля работоспособности стабилизаторов напряжения позволяет разработать требования к контролю технической надежности, со кратить затраты на регулировочные работы и проведение ряда ис пытаний, целенаправленно автоматизировать процессы контроля работоспособности и испытаний стабилизаторов напряжения в ус ловиях серийного производства.
ОСОБЕННОСТИ И ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЛИНЕЙНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
Одной из основных и актуальных задач экономической по литики КПСС является повышение качества продукции при самом высоком уровне требований и сокращении доли ручного труда, внедрение механизации и автоматизации производства..
Информационные управляющие средства (ИУС) и различные радиоэлект ронные комплексы комплектуются сотнями транзисторных линейных компенса ционных стабилизаторов напряжения (СН). Для того чтобы обеспечить радио электронную аппаратуру СН, заводы выпускают их достаточно большими се риями. Например, годовая программа 'производства СН, обеспечивающих элект ропитание ИУС, может составлять несколько десятков тысяч штук. Стабилиза торы напряжения, применяемые в других радиоэлектронных устройствах, вы пускают также крупными сериями (до ста тысяч штук и более), а выпуск мик роэлектронных СН, используемых в широком классе аппаратуры, построенной на интегральных схемах, планируется до нескольких сотен тысяч штук.
Стабилизатор напряжения является довольно сложным радиоэлектронным устройством и характеризуется большим числом контролируемых параметров. Основные характеристики СН рассмотрены в [8], а электрические параметры и технические требования установлены соответствующей технической документа цией. Необходимо отметить, что в зависимости от условий применения для раз ных СН контролируемые параметры и характеристики существенно отличаются как количественно, так и качественно. Например, анализируя технические ус ловия на СН, используемые в технических средствах ЕС ЭВМ, и СН для ИУС можно указать, что к последним предъявляют более высокие требования к динамнческнм характеристикам при импульсном режиме нагрузки.
Для серийного производства современных СН характерны следующие осо бенности. Во-первых, выпускаются СН различных типономиналов. Во-вторых, процессы регулировки и приемосдаточных испытаний СН требуют обеспечения большого числа режимов работы. В-третьих, проверка СН является сложной вадачеб, так как необходимо контролировать разнообразные параметры: неста бильность при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки в уста новившемся и переходных режимах; напряжение пульсаций; температурный и временной дрейф; токи и мощности потребления; уровни срабатывания различ ного рода защит и т. д. В-четвертых, из-за разброса параметров элементов, входящих в СН, выходные параметры находятся в определенном поле допус ков, правильное определение которых является трудной и малоисследованной вадачеб. В-пятых, для качественного, надежного и экономичного в условиях се рийного производства контроля СН требуется создавать специальные средства контроля (специальные контрльно-испытательные рабочие места или сложную
•автоматизированную аппаратуру) н обеспечить их высококвалифицированное •обслуживание. В-шестых, проверка работоспособности СН является повторяю щимся процессом, который может неоднократно проводиться на зав оде-изгото вителе, заводах-потребителях, объектах.
Сведения о процессах проверки работоспособности СН в усло виях серийного производства слабо освещены в отечественной и зарубежной литературе. При этом отмечается [8], что контроль. СН в соответствии с требованиями технических условий на них — довольно сложная задача. Проверка СН производится по требо ваниям методики, указанной в технических условиях на СН. При чем, как было сказано выше, для СН разных разработок эти тре бования существенно отличаются друг от друга. Эти различия при водят к выбору разных направлений исследований и технических решений, способствующих повышению качества контроля и про пускной способности при проверке работоспособности серийных СН. Следует отметить, что повышенная потребность в разных СН -определила производственную необходимость использования авто матизированных средств контроля.
Необходимо указать, что существует определенная тенденция унификации требований к параметрам и режимам контроля СН, что в общем случае способствует упорядочению процесса провер ки их работоспособности. Особенности серийного производства оп ределяют необходимость установления ряда требований к пара метрам и режимам контроля СН, способствующих повышению эф фективности и качества процесса проверки их работоспособности.
Рассмотрение процессов проверки работоспособности СН тре бует исследования объекта контроля, в результате которого долж ны быть выявлены возможные причины неработоспособности СН с учетом реальных условий их серийного производства и эксплу атации; определены допусковые области контролируемых парамет ров и характеристик; установлены требования к электрическим параметрам и режимам контроля с учетом выбора наиболее жест ких (экстремальных) из них по обеспечению статистической точ ности и необходимого запаса работоспособности СН; определены необходимые проверки и испытания для рационального, с точки зрения обнаружения отказов, технологического процесса проверки работоспособности СН и устройств электропитания (УЭП) с уче том применения автоматизированных средств.
Решение этих вопросов целесообразно производить примени тельно к наиболее современным СН, комплектующим ИУС, а так же к цифровым вычислительным системам (ЦВС). Причем, учи тывая аналогичность технических решений СН, необходимо при исследовании СН как объекта контроля акцентировать внимание на тех требованиях, выполнение которых гарантирует производ ство надежных СН, обеспечивающих высокое качество электро питания потребителей с учетом реальных условий их работы. Вы ше было сказано, что такие требования предъявляются в более жесткой степени к СН для ИУС. Поэтому необходимые исследо-
ваиия целесообразно производить, учитывая опыт производства
иэксплуатации СН.
Всвязи с указанным представляется актуальным исследование
процессов проверки работоспособности СН в условиях их серий ного производства. Результат такого исследования должен быть использован для разработки научно обоснованного технологичес кого процесса этого цикла производства СН, при котором повы шается качество выпускаемой продукции и обеспечивается высо кая пропускная способность контроля при максимальном экономи ческом эффекте.
Проверка работоспособности СН должна обеспечивать такой контроль параметров и характеристик, который повышает надеж ную работу СН в процессе эксплуатации. В связи с этим представ ляется целесообразным рассмотреть требования к параметрам и режимам СН. Это позволит выработать рекомендации по выбору контролируемых параметров и режимов проверки, способствующих улучшению технической надежности СН. Под технической надеж ностью понимается надежность изделия на этапе производства, ко торая определяется: надежностью изготовления, определяемой про изводственно-технологическими отказами; и теоретической надеж ностью, обусловленной надежностью конструкции, схемы и ком плектующих элементов.
Стабилизатор напряжения как линейная система стабилизации с запаздыванием обладает определенными качественными призна ками и степенью устойчивости. Качественные признаки, обеспечи вающие независимость параметров СН от изменений внешних (на пряжения питающей сети, тока нагрузки и т. д.), а также внут ренних (параметров комплектующих элементов и т. д.) дестаби лизирующих факторов, принято характеризовать инвариантностью (т. е. независимостью) от этих факторов [6]. Как известно, тре бования к обеспечению инвариантности и устойчивости являются противоречивыми. В связи с этим представляется целесообразным произвести сравнительный анализ многочисленных разнотипных схем линейных СН как систем автоматического регулирования [15] для определения вероятности несовместимости условий инва риантности до допустимого значения е и устойчивости СН как од ного из критериев, характеризующих техническую надежность се рийных СН. Тогда появляется возможность оценить область допу стимых значений полосы пропускания частот и рекомендовать включение соответствующих требований по проверке частных ха рактеристик и устойчивой работы в технические условия на СН.
При серийном производстве СН важным является момент выхо да их из производства. Это первый момент, когда можно оценить техническую надежность СН как вероятность соответствия истин ных характеристик аппаратуры требуемым. К сожалению, требо вания по обеспечению технической надежности серийных -СН в; технической документации отсутствуют, а также слабо освещены в отечественной и зарубежной литературе. В связи с этим целесо образна оценка статистической точности, которая может харак
теризовать вероятностный разброс контролируемого параметра (параметров) на момент выхода изделия из производства [17]. Статистическая точность может оцениваться допусками на конт ролируемый параметр (параметры), определяемыми по заданной вероятности нахождения контролируемого параметра при наличии технологического (производственного) разброса [17]. При этом технологический разброс параметра вызывается производственны ми факторами, к которым можно отнести: дефекты оборудования, колебания режимов работы, неоднородность исходных материалов и комплектующих элементов, погрешности измерительных инстру ментов, приборов и др.
Используя аппарат математической статистики, можно произ водить сравнительный анализ влияния технологического разброса контролируемого параметра (параметров) на вероятность рабо тоспособности СН. Это позволяет разработать и установить тре бования' по обеспечению технической надежности серийных СН, что способствует выявлению факторов, которые не могли быть уч тены при проектировании, например, из-за неполного соответствия принятых допущений реальным условиям серийного производства [16]. Кроме того, исследование статистической точности СН целе сообразно для выбора рациональных контрольных сигналов и до пусков контролируемых параметров.
Рассматривая СН как объект контроля, целесообразно иссле довать состояние, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, ус тановленных нормативно-технической документацией. Это состоя ние согласно ГОСТ 13377—75 называется работоспособностью, и для его оценки необходим выбор характеристики, иаилучшим об разом отражающей процесс функционирования и требующей для своих расчетов доступной и получаемой с необходимой достовер ностью исходной информации. В качестве такой характеристики, как критерий работоспособности СН, следует использовать коэф фициент регенерации, который характеризует коэффициент усиле ния одноконтурных систем в разомкнутом состоянии и в совокуп ности с постоянными времени системы определяет как ее инва риантность, так и динамические свойства (устойчивость, качество переходных процессов и т. д.).
Тогда можно оценить запас работоспособности СН с помощью вероятности отсутствия отказа. При этом целесообразно восполь зоваться понятиями «нагрузка» и «прочность», имеющими в дан ном случае несколько условный смысл, а именно «напрузкой» яв ляется действующее значение исследуемого параметра (характе ристики), а «прочностью» — его допустимые значения [10, 20]. Тогда, определив область работоспособности СН с помощью ме тода корневого годографа [6], можно более широко учесть реаль ные воздействия и условия работы СН, в том числе при крайних допустимых пределах, и количественно оценить изменения запаса работоспособности. Кроме того, в результате такого исследования
появляется возможность прогнозирования работоспособности се рийных СИ.
Стабилизаторы напряжения, рассматриваемые в настоящей ра боте, предназначены главным образом для электропитания уст ройств, работающих в импульсном режиме. Причем ток нагр.узки может меняться периодически или непериодически с достаточно большой скоростью, а время его воздействия может составлять как десятки часов, так и десятки и даже единицы микросекунд [14]. Поэтому СН должны быть работоспособны в пределах определен ного диапазона частот импульсного изменения тока нагрузки. При чем в зависимости* от технических требований, предъявляемых к СН, а также структурного построения систем электропитания ИУС и ЦВС могут оговариваться параметры переходных характеристик СН не только при скачкообразном изменении тока нагрузки, но и напряжения питания. В связи с этим нужно выбрать режимы ди намического контроля, обеспечивающего проверку стабильности устойчивости, т. е. сохранения состояния устойчивой работы при изменении (вариации) параметров комплектующих элементов и. динамической устойчивости с учетом требований к статистической точности СН. При этом необходимо исследование реакции СН на детерминированные воздействия в виде последовательности им пульсов контрольных сигналов.
Следует отметить, что в технической документации на серий ные СН такой контроль не оговаривается. В тоже время его при менение позволяет получить более полную информацию о динами ческих свойствах серийных СН. При этом целесообразно учиты вать реальные условия технологического процесса изготовления СН: применение различных вариантов включения корректирующих звеньев, использование диапазона корректирующих емкостей, вли яние разброса параметров элементов комплектующих СН, а так же допустимые технические неточности [16], определяемые влия нием производственных факторов. На основании указанных иссле дований можно и целесообразно построить рациональный процесс проверки работоспособности серийных СН, который должен быть рассчитан на использование автоматизированных средств конт роля.
Рост требований к качеству работы СН, обеспечивающих электропитание ИУС, ЦВС и различных УЭП, делает решение таких задач, как обеспечение технической надежности и статистической точности, снижение трудозатрат при выполнении технологических и приемосдаточных испытаний, повышение эффек тивности контроля их работоспособности, важной научно-технической пробле мой. Решение этих задач предполагает выявление критерия, характеризующего техническую надежность СН; разработку методик « рекомендаций, использова ние которых позволяет снизить вероятную долю СИ с необнаруженными отка зами или обладающих недостаточным запасом работоспособности; установление требований по обеспечению технической надежности и выбор наиболее рацио,
нальной с точки зрения обнаружения |
отказов последовательности испытаний |
для проверки работоспособности СН |
в условиях их серийного производства. |
учитывающего использование устройств формирующих специальные контроль ные сигналы и обеспечивающего проверку переходных и частотных характерис тик СН.
Особый практический интерес представляет выбор рациональ ного объема и содержания проверок и испытаний серийных СН, при котором обеспечивается повышение качества контроля их функционирования, а следовательно, и техническая надежность.
Актуальность рационального выбора последовательности испы таний при динамическом контроле работоспособности серийных СН, а также применение специальных средств контроля опреде ляются большим числом разнотипных СН, выпускаемых различ ными отраслями промышленности, контролируемые параметры и характеристики которых существенно отличаются как количест венно, так и качественно, и отсутствием требований по обеспече нию технической надежности. Решение этой задачи приобретает в настоящее время особое значение, поскольку их надежная ра бота в составе УЭП сокращает расходы при комплексной регули ровке и испытаниях МУС, ЦВС и позволяет выявить критические дефекты, наличие которых может привести к невыполнению ра диоэлектронными комплексами технических функций.
Цель работы состоит в разработке единого -подхода к анали зу и синтезу разнотипных серийных СН. как объектов контроля; создании методик по определению допусковых областей контроли руемых параметров и характеристик и оценке статистической точ ности и запаса работоспособности СН, обуславливающих выбор режимов и средств динамического контроля; построении наиболее рациональной последовательности испытаний для проверки рабо тоспособности СН в условиях серийного производства. В книге поставлены и решены следующие основные задачи:
1. На базе использования теории автоматического регулирова ния предложена классификация разнотипных серийных СН как линейных систем стабилизации с запаздыванием, инвариантных до допустимого значения ошибки е.
2. На основе статистического анализа установлена вероятность несовместимости условий инвариантности до е и устойчивости как критерия, характеризующего техническую надежность серийных СН, н разработана методика оценки допустимых значений полосы пропускания частот СН с учетом: различных вариантов включе ния корректирующих звеньев, диапазона подбора корректирующих емкостей, влияния запаздывающих аргументов СН и разброса па раметров элементов комплектующих СН.
3. На базе полученных экспериментально-статистических дан ных при использовании аналитических методов теории вероятно стей и математической статистики разработаны методики: оцен ки допусковых областей статических и динамических параметров СН, анализа запаса работоспособности относительно изменений ко эффициента регенерации, а также определяющих контролируемых параметров СН.
4. Предложены режимы динамического контроля для построе ния наиболее рациональной последовательности испытаний в про цессе проверки работоспособности серийных СН.
5. Разработаны рекомендации по повышению качества и эф фективности контроля работоспособности СН; установлению тре бований с целью обеспечения технической надежности; автомати зации процесса проверки работоспособности серийных СН.
6. Предложены принципы построения средств контроля и ис пытаний, предназначенных для автоматизации процесса проверки работоспособности СН в условиях серийного производства.
Реализация предложенных в книге методик и рекомендаций позволяет при проектировании СН примять меры по уменьшению влияния разброса параметров комплектующих элементов и конт рольных сигналов, а также других производственных факторов на статистическую точность и запас работоспособности СН; разра ботать требования по обеспечению и контролю технической надеж ности; повысить качество и эффективность контроля работоспособ ности серийных СН; сократить расходы на ремонтные и восстано вительные работы и временные затраты на определенные виды ис пытаний СН, а также основных потребителей электропитания ло гических и запоминающих устройств ИУС и ЦВС; автоматизиро вать процессы контроля работоспособности и испытаний серий ных СН.
Г л а в а 2
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗНОТИПНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ КАК СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ
Назначение, принцип действия, схемотехника СН, а также основные электрические параметры и технические требования до статочно полно описаны в [8]. При этом в соответствии с основны ми требованиями, предъявляемыми к устройствам ИУС и ЦВС, стабилизаторы напряжения должны обеспечивать высокие пока затели надежности и динамические характеристики [19].
Стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием’ целесообразно рассматривать как линейную систему стабилиза ции [15]. При этом необходимо учитывать запаздывание регули рующего элемента, что определяет СН как особую линейную сис тему. Известно [6], что линейным системам с запаздыванием свой ственны эффекты повышения колебательности (резонансного ти па) протекающих процессов внутри области их устойчивой рабо ты. Такие эффекты при контроле работоспособности СН могут про являться в виде самовозбуждения, а также существенного изме нения параметров динамических характеристик. Вместе с этим СН„ предназначенные для устройств ИУС и ЦВС, должны обеспечить, •высокую стабильность питающих напряжений при изменении ос~