4.4 Расчет надежности Б5-71/1ПРО
Произведем расчет надежности рассматриваемого устройства.
Таблица 4.2 — Интенсивность отказов отдельных элементов схемы
| № | Наименование элемента | Интенсивность отказов, *10-5, 1/ч |
| 1 | Резисторы | 0,0001…1,5 |
| 2 | Конденсаторы | 0,001…16,4 |
| 3 | Трансформаторы | 0,002…6,4 |
| 4 | Катушки индуктивности | 0,002…4,4 |
| 5 | Реле | 0,05…101 |
| 6 | Диоды | 0,012…50 |
| 7 | Триоды | 0,01…90 |
| 8 | Коммутационные устройства | 0,0003…2,8 |
| 9 | Разъемы | 0,001…9,1 |
| 10 | Соединения пайкой | 0,01…1 |
| 11 | Провода, кабели | 0,01…1 |
Таблица 4.3 – Коэффициент надежности отдельных элементов схемы
| № | Наименование элемента | Коэффициент надежности |
| 1 | Резисторы | 1,0 |
| 2 | Конденсаторы | 0,25…0,83 |
| 3 | Трансформаторы | 1,3…3,0 |
| 4 | Катушки индуктивности | 1…2 |
| 5 | Реле | 1…10 |
| 6 | Диоды | 1,3…30,0 |
| 7 | Триоды | 1,3…75,0 |
Таблица 4.4 – Расчёт надёжности функционального узла
| Наименование | Тип | Количество n | α | λ0, 1/ч | λi=α*λ0 | λc=λi*n |
| Конденсаторы | К50 | 6 | 0,8 | 0,000164 | 0,000131 | 0,000787 |
| Конденсаторы | КМ | 2 | 0,8 | 0,000164 | 0,000131 | 0,000262 |
| Диоды | КД272А, 2С218Ж | 4 | 0,7 | 0,0005 | 0,00035 | 0,0014 |
| Микросхема | GBU25M | 1 | 0,62 | 0,000075 | 4,65E-05 | 4,65E-05 |
| Предохранитель | 112163 / Z-C10/SE | 2 | 0,83 | 0,000028 | 2,32E-05 | 4,65E-05 |
| Дроссель | B82726S2163N0 | 1 | 0,55 | 0,000044 | 2,42E-05 | 2,42E-05 |
| Транзистор | Полевой | 1 | 0,66 | 0,000026 | 1,72E-05 | 1,72E-05 |
| Резистор | МЛТ-0,125 | 6 | 1,0 | 0,000015 | 0,000015 | 0,00009 |
| Провод | Многожильный ПВХ | 20 | 1 | 0,00001 | 0,00001 | 0,0002 |
Далее рассчитаем Λ для всей схемы, для этого сложим все цифры из последнего столбца и в итоге получим: Λ = 0,002874 1/ч.
Рассчитаем среднюю наработку до отказа по формуле:
Тср = 1/Λ (2.2)
В нашем случае получим:
Тср = 1/Λ = 1/ 0,002874 = 347,95437622218 ≈ 347,95 час.,
Заполним таблицу 4.5.
Таблица 4.5
| t | 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 |
| P(t)=e-Λ*t | 1,0000 | 0,7502 | 0,5628 | 0,4222 | 0,3168 | 0,2376 | 0,1783 |
По полученным значениям (табл. 4.5) построим график функции P = f(t).
Как видим реальное время безотказной работы намного меньше заявленного значения в техническом задании (10000 час.). Очевидно, что поднять значение выше расчетного будет очень трудно и в большей степени невозможно.
Раздел 5. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
5.1 Исследование Б5-71/1ПРО на компьютерной модели на предмет возможности выполнимости поставленных задач и оптимизации параметров устройства
Рабочий цикл преобразователя состоит из двух фаз: фазы накачки энергии и фазы разряда на нагрузку.
Рабочая частота стабилизатора задается схемой управления и определяется так
где Т — период коммутации схемы управления стабилизатора.
Введем понятие – относительная длительность импульса (или коэффициент заполнение). Это отношение длительности открытого состояния ключа, при котором происходит накачка энергии, к периоду коммутации.
где f — рабочая частота коммутации ключа.
Для сглаживания импульсов напряжения на нагрузке в схему включается сглаживающий фильтр. В нашем случае мы используем классическую Г-образную схему LC-фильтра.
Операция выделения постоянной составляющей эквивалентна определению среднего значения сигнала. Математически операция сглаживания выглядит следующим образом
где i(t) — мгновенное значение тока в нагрузке.
Когда ключ открыт, то Uн = Un. Когда ключ закрыт, Uн =0.
Отсюда следует, что
Как мы видим, напряжение на нагрузке прямо пропорционально относительной ширине импульса g.
Таким образом, при наличии хорошего сглаживающего фильтра, управляя только коэффициентом заполнения, увеличивая или уменьшая длительность открытого состояния ключа, мы можем регулировать напряжение на нагрузке. Из выражения (5.4) следует, что в данной схеме принципиально невозможно получить напряжение на нагрузке больше, чем напряжение питания преобразователя.
Для получения качественного выходного напряжения данного преобразователя следует принимать меры к увеличению q — коэффициента сглаживания пульсаций напряжения. Как известно, q — это отношение амплитуды первой гармоники пульсаций на входе фильтра к амплитуде первой гармоники на его выходе.
Коэффициент сглаживания однозвенного Г-образного фильтра, можно оценивать по следующей простой формуле:
Для большинства реальных схем, построенных на основе Г-образного фильтра, этим расчетом можно ограничиться. Во избежание резонансных явлений в фильтре рекомендуется задаваться коэффициентом сглаживания не менее 3.
Рекомендуемое значение коэффициента сглаживания для однозвенного фильтра — не более 10000. Однако уже при q > 30 однозвенный фильтр становится неоптимальным по затратам индуктивности и емкости. Соответственно, неоптимальными становятся и массогабаритные показатели. Вопрос оптимизации может остро встать перед разработчиками автономной малогабаритной аппаратуры, перед проектировщиками очень мощных источников и перед создателями автоматических регуляторов тока с высокими динамическими показателями. Именно здесь, моделирование работы таких устройств может оказать существенную помощь разработчикам.
При необходимости получения очень высоких коэффициентов сглаживания необходимо переходить к проектированию многозвенных фильтров.
Следует также учитывать возможность возникновения резонанса на высших гармониках выходного напряжения. В маломощных стабилизаторах подобное резонансное явление практически незаметно и им вполне можно пренебречь. Однако в мощных схемах, в которых, строго нормированы пульсации в нагрузке, необходимо рассчитывать фильтр так, чтобы свести его передаточную функцию к апериодическому виду.
5.2 Исследование параметров Б5-71/1ПРО с помощью программного комплекса Simulink
Исследуем модель Б5-71/1ПРО с повышением преобразованого постоянного напряжения.
Повышающие преобразователи постоянного напряжения широко используются для получения высоких напряжений от низковольтных источников напряжения, например аккумуляторов.
Пусть в схему входят: источник питания — аккумуляторная батарея напряжением 12 В и внутренним сопротивлением 0,2 Ом; дроссель индуктивностью L = 1 мГн, ключевой IGBT транзистор, накопительный конденсатор C и диод VD.
Нагрузка активного характера может изменяться в пределах 30 – 300 Ом.
Модель данного преобразователя легко составить из хорошо известных блоков (рис. 5.1).
Подсистема Calcul_Power, схема которой дана на рисунке 5.2, предназначена для вычисления нескольких параметров преобразователя.
Во-первых, она позволяет вычислить мощность источника питания Ри, т.е. мощность, потребляемую преобразователем от аккумуляторной батареи.
Во-вторых, она вычисляет мощность, выделяемую в нагрузке Рн. При вычислении мощности используются блоки RMS.
По значениям полученных мощностей определяется коэффициент полезного действия преобразователя, как КПД = 100%·Рн/Ри.
Модель позволяет наблюдать осциллограммы: выходного напряжения преобразователя, тока через ключевой транзистор и ток через диод.
При желании можно исследовать и другие параметры преобразователя.
Для управления ключевым IGBT транзистором в модели используется генератор импульсов Pulse Generator, окно параметров которого приведено на рисунке 5.4. Частота выходных импульсов генератора равна 1000 Гц (период 0,001 с). Относительная длительность импульсов 50%.
На том же рисунке показаны части окон параметров блоков Multimeter, которые используются в подсистеме Calcul_Power и там носят названия Generator и Nagryzka.
При периодическом замыкании ключа, через индуктивность протекает ток, пилообразной формы, как показано на рисунке 5.3.
После размыкания ключа, ток через дроссель продолжает протекать, плавно снижаясь и заряжая через диод накопительный конденсатор. Диод нужен для того, чтобы при очередном замыкании транзистора конденсатор не разряжался через него. В результате, на выходе преобразователя, то есть на сопротивлении нагрузки формируется напряжение, осциллограмма которого показана на рисунке 5.4.
Проведя ряд опытов на модели, изменяя сопротивление нагрузки, можно получить любые, интересующие исследователя, характеристики преобразователя. Например, на рисунке 5.5, 5.6, 5.7 показаны зависимости выходного напряжения и КПД преобразователя от величины сопротивления нагрузки, выходная характеристика преобразователя.
5.3 Исследование параметров Б5-71/1ПРО с помощью Electronics Workbench
Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench предназначена для моделирования и анализа электрических схем.
Electronics Workbench может проводить анализ схем на постоянном и переменном токах. При анализе на постоянном токе определяется рабочая точка схемы в установившемся режиме работы. Результаты этого анализа не отражаются на приборах, они используются для дальнейшего анализа схемы. Анализ на переменном токе использует результаты анализа на постоянном токе для получения линеаризованных моделей нелинейных компонентов. Анализ схем в режиме АС может проводиться как во временной, так и в частотной областях.
В Electronics Workbench можно исследовать переходные процессы при воздействии на схемы входных сигналов различной формы. Программа также позволяет производить анализ цифро-аналоговых и цифровых схем большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов.
Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно.
Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки.
Программа Electronics Workbench совместима с программой P-SPICE, т.е. предоставляет возможность экспорта и импорта схем и результатов измерений в различные ее версии.
Electronics Workbench позволяет разместить схему таким образом, чтобы были четко видны все соединения элементов и одновременно вся схема целиком.
Программа использует стандартный интерфейс Windows, что значительно облегчает ее использование.
Для установки программы необходимы:
- IBM-совместимый компьютер с модификацией процессора не ниже 486;
- не менее 4 МВ свободного пространства на жестком диске;
- операционная система Microsoft Windows 3.1 или более поздние версии;
- манипулятор типа мышь.
В библиотеки компонентов программы входят пассивные элементы, транзисторы, управляемые источники, управляемые ключи, гибридные элементы, индикаторы, логические элементы, триггерные устройства, цифровые и аналоговые элементы, специальные комбинационные и последовательные схемы. Активные элементы могут быть представлены моделями как идеальных, так и реальных элементов. Возможно также создание своих моделей элементов и добавление их в библиотеки элементов.
В программе используется большой набор приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, осциллограф, мультиметр, Боде-плоттер (графопостроитель частотных характеристик схем), функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь.
Electronics Workbench позволяет строить схемы различной степени сложности при помощи следующих операций:
- выбор элементов и приборов из библиотек;
- перемещение элементов и схем в любое место рабочего поля;
- поворот элементов и групп элементов на углы, кратные 90°;
- копирование, вставка или удаление элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем;
- изменение цвета проводников;
- выделение цветом контуров схем для более удобного восприятия;
- одновременное подключение нескольких измерительных приборов и наблюдение их показаний на экране монитора;
- присваивание элементу условного обозначения;
- изменение параметров элементов в широком диапазоне.
Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры. Управление только с клавиатуры невозможно.
Путем настройки приборов можно:
- изменять школы приборов в зависимости от диапазона измерений;
- задавать режим работы прибора;
- задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармонические токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы).
Графические возможности программы позволяют:
- одновременно наблюдать несколько кривых на графике;
- отображать кривые на графиках различными цветами;
- измерять координаты точек на графике;
- импортировать данные в графический редактор, что позволяет произвести необходимые преобразования рисунка и вывод его на принтер.
Electronics Workbench позволяет использовать результаты, полученные в программах P-SPICE, PCB, а также передавать результаты на Electronics Workbench в эти программы. Можно вставить схему или ее фрагмент в текстовый редактор и напечатать в нем пояснения или замечания по работе схемы.
Приведем результаты проверки работоспособности отдельных блоков рассматриваемой схемы.
Вносить изменения в схему и конструкцию рассматриваемой схемы не целесообразно.