Меню

Расчет надежности для блока питания

Онлайн-калькуляторы для определения мощности ПК — теория и практика

Узнать мощность своего компьютера можно по-разному: вооружиться мультиметром и тестировать вручную или зайти на онлайн-калькулятор и посчитать все за 5 минут. Последние выдают результаты автоматически — вбиваешь свои данные и готово. А мы в этом материале проверяем онлайн-калькуляторы на честность. Какие из них выдают более точные данные, какими проще и удобнее пользоваться? И стоит ли вообще доверять готовым алгоритмам или лучше все перепроверить самому?

Тестируем реальную мощность ПК

Перед проверкой калькуляторов сначала нужно определить реальную мощность ПК. Тестируем пару персональных компьютеров двумя способами:

  • Амперметром ACM91 измеряется ток по выходным линиям блока питания. Далее рассчитывается, затем суммируется мощность.
  • По входу блока питания (220 В) измеряется мощность. В этом случае делается поправка на КПД блока питания и используется как справочное значение.

ПК нагружались тестом стабильности от AIDA, видеокарта — дополнительно стресс-тестом от FurMark. Все компоненты ПК работали в штатном режиме, без разгонов. Для видеокарты была установлена максимальная производительность из предложенных производителем Profiles.

Конфигурации ПК1 и ПК2

SSD A-Data SX6000 Pro, 256 ГБ, М.2 2280

Измеренная потребляемая мощность ПК

U12CPU —линия питания процессора;

(I5-8400, TDP 65 Вт)

(I5-4460, TDP 84 Вт)

Тесты онлайн-калькуляторов мощности

Калькулятор от Bequiet

Онлайн-калькулятор от известного производителя солидных блоков питания Bequiet.

Разработчики калькулятора не стали мудрить и предусмотрели в калькуляторе расчет только по четырем основным компонентам: процессор, видеокарта, система и охлаждение. Это упрощает использование калькулятора и, надо сказать, без вреда для правильного выбора блока питания.

Калькулятор предлагает обширный список моделей процессоров — от самых древних до процессоров последних поколений.

Мощность потребления процессора, как правило, определяется по его TDP. Однако для последних моделей процессоров разработчики калькулятора учитывают максимальное пиковое потребление, которое в течение определенного времени может превышать TDP. Например, в соответствии со спецификацией для ЦП i5-10600K TDP составляет 125 Вт, при этом максимальная непродолжительная пиковая мощность процессора может достигать 182 Вт. И блок питания должен обеспечивать данную мощность, что и учитывается в калькуляторе. Для процессора можно указать два режима разгона: «Разогнанная версия (ОС)» и «Экстремальный разгон». При этом первый режим добавит к потреблению ЦП 10 %, а второй 25 %.

Мощность видеокарты учитывается в соответствии с характеристиками от производителя. Стоить отметить, что для последних моделей видеокарт в калькуляторе учитываются более высокие мощности, по сравнению с данными от производителя. Так, для видеокарты RTX3060Ti для расчетов используется значение мощности в 330 Вт против 200 Вт, указанных производителем. Список моделей внушительный — до самых последних моделей. Нашлась даже скромная GTX 1650 Super. Как и для процессоров, для видеокарты можно также указать режимы разгона. Первый режим добавит 10 % к номинальной мощности, а второй 25 %.

В разделе «Система» можно указать количество модулей памяти, устройств SATA и даже устройств PATA. Каждый модуль памяти добавляет 4 Вт к рассчитываемой мощности, каждое устройство SATA или PATA — по 15 Вт. В качестве устройства SATA я укажу свой SSD М.2, так как в калькуляторе отсутствует отдельное поле для указания таких устройств.

В разделе «Охлаждение» можно указать дополнительные вентиляторы в системе и (или) систему водяного охлаждения. Каждый вентилятор добавляет 5 Вт.

В калькуляторе предусмотрена еще одна установка — «Использование USB 3.1 Gen 2 для передачи энергии».

Спецификация USB 3.1 Gen 2 в теории подразумевает возможность передачи до 100 Вт мощности. И действительно, если установить здесь галочку, то рассчитанная потребляемая мощность компьютера увеличится на 100 Вт.

В результате мы получаем рассчитанную максимальную потребляемую мощность системы и возможность указать свои пожелания для дальнейшего выбора блока питания.

Приоритетом мы указали цену и в качестве первой рекомендованной модели получили be quiet! SYSTEM POWER 9 400W.

Источник

Расчет надежности блока (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4

6.3. Расчет надежности блока.

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности элементов и условиям эксплуатации.

На надежность блока оказывают влияние такие факторы, как характер построения блока, энергетический режим работы, условия эксплуатации, сложность устройства.

Расчет надежности выполняется на основе логической модели безотказной работы блока. В нашем случае мы имеем дело с невосстанавливаемым РЭС — согласно п.5.3. ТЗ блок КМ1 не ремонтопригоден.

Проанализируем отказы, встречающееся в блоке. В состав блока КМ1 входят 5 МСБ, три конденсатора и блок питания, т. е. в блоке превалируют тонкопленочные МСБ. В тонкопленочных МСБ преобладают внезапные отказы, обусловленные отказами тонкопленочной части и отказами навесных компонентов. Наиболее характерными отказами элементов тонкопленочной части МСБ являются: разрывы соединений между контактной зоной на поверхности подложки ИС и выводом корпуса; разрывы металлизированных соединительных линий, вызванные царапинами; короткое замыкание металлизированных соединительных линий вследствие дефектов травления при изготовлении соединений и контактных площадок и др. Постепенные отказы тонкопленочных элементов — резисторов проявляются в виде дрейфа сопротивлений, вызванного процессами окисления, механиеским повреждением и загрязнением резистивных пленок. Как правило, такие отказы определяются технологическими дефектами. В нашем случае в качестве резитивного материала был использован кермет К50-С, который довольно стоек к процессам окисления (кроме того, технологически можно управлять процессами старения резистора, а также ТКС, изменяя скорость напыления, что приводит к практически полному устранению постепенных отказов). Наиболее характерными отказами навесных компонентов являются обрывы металлизации и выводов, короткое замыкание р-n переходов. Отказы МСБ, вызванные особенностями космических условий эксплуатации (нестационарное ядерное излучение, влияние быстрых нейтронов, коротких импульсов рентгеновского и гамма-излучения) можно не учитывать, так как им в основном подвержены ИС и МСБ с большой плотностью упаковки, выполненными по 10-ти микронной технологии и менее, а в нашем случае ширина проводников составляет 250 мкм. С учетом вышеприведенного анализа, расчет надежности блока проводим по внезапным отказам.

Будем полагать, что отказы элементов независимы, а элементы и в целом блок могут находится в одном из двух состояний: работоспособном или неработоспособном. В нашем случае блок не имеет резервирования, поэтому, в нашем случае будет использоваться последовательная логическая схема надежности (отказ элемента ведет к отказу блока).

В основе расчета лежит определение вероятности безотказной работы блока и среднего времени наработки до отказа , где — время непрерывной работы изделия, — эксплуатационное значение интенсивности отказов (ИО) блока.

Для последовательной логической схемы надежности:

где — ИО 1ФЯ (табл. 4.4. );

-ИО модулей М4 (тонкопленочных МСБ);

-ИО модуля M1 (тонкопленочная МСБ);

-ИО трех керамических конденсаторов К10-17-1В, расположенных на 2ФЯ;

-ИО соединителей (Х1,Х2,ХЗ, Х4);

-ИО соединителя на печатной плате;

-ИО паяных соединений;

-ИО проводных соединений;

-ИО печатных плат 2-й и 3-й ФЯ;

-коэффициент механической нагрузки, =1,65 (ракетная аппаратура)[23];

-коэффициент, отражающий влияние на работоспособность приборов давления, которое уменьшается с увеличением высоты, =1,17 (Минимальное давление в отсеке 20 кПа соответствует давлению на высоте 17000 м [9]) [23];

(«1») -коэффициент, показывающий степень воздействия на надежность устройств — влажности, в сочетании с определенной температурой, =2 (относительная влажность 98% при температуре 25°С) [23];

Рассчитаем надежность МСБ. Так как МСБ M1 и М4 выполняются по одной и той же технологией на одном и том же оборудовании) и имеют практически одинаковую структуру, то рассчитаем надежность модуля М4 (так как он непосредственно разрабатывался в дипломном проекте) и распространим расчетное значение ИО модуля М4 на модуль M1. В состав МСБ модуля М4 входят 9 тонкопленочных резисторов с номиналом 100 кОм±5%, 6 безкорпусных ИМС 765КП1-1 и навесной конденсатор К10-17-1В-Н90-О,1мкФ-5.

Расчет надежности МСБ будем производить на основе методики, разработанной для аппаратуры на дискретных элементах [23]. Она заключается в суммировании ИО отдельных элементов с учетом электрического режима работы и условий эксплуатации. Для удобства расчета будем считать, что МСБ М4 корпусированна (полагаем, что корпус стандартный). Тогда модель ИО корпусированной МСБ имеет вид:

где — ИО безкорпусной ИМС;

— ИО тонкопленочного резистора;

— ИО навесного конденсатора;

— ИО проволочной перемычки (золото 999,9 пробы, =0,03 мм),

— ИО сварного соединения МСБ, [14];

— ИО паяного соединения МСБ, [14];

— ИО подложки МСБ, [23];

— ИО корпуса МСБ, (пластмассовый корпус) [23];

— количество тонкопленочных резисторов, ;

— количество навесных конденсаторов, ;

— количество выводов у ИМС 765 КП1-1, ;

— количество проволочных перемычек, ;

-количество внешних (задействованных) выводов, ;

Определим ИО безкорпусной ИМС 765КП1-1:

где — интенсивность отказов микросхемы в нормальных условиях эксплуатации

Для ИМС 765КП1-1 [23] ;

— коэффициент режима работы ИМС;

Читайте также:  Визуальный метод со снятием крышки

— коэффициент электрической нагрузки. Для микросхем зависит от напряжения питания;

где — напряжение питания, ;

— максимально допустимое напряжение питания ИМС 765КП1-1, [3];

Определим коэффициент режима работы безкорпусной ИМС . Коэффициент зависит от коэффициента нагрузки ИМС и температуры ИМС :

ля и по графику определяем [23].

Определим ИО тонкопленочного резистора:

где — базовая ИО пленочного резистора, [23];

— коэффициент режима работы пленочного резистора;

— коэффициент, учитывающий нагрузку тонкопленочного резистора;

— коэффициент, учитывающий номинальное сопротивление. Для тонкопленочных

Источник



Расчет надежности для блока питания

СКИТ - Системы Кабельного Интерактивного Телевидения

Введение
Развитие современной аппаратуры характеризуется значительным увеличением ее сложности. Усложнение обуславливает повышение гарантии своевременности и правильности решения задач.
Проблема надежности возникла в 50-х годах, когда начался процесс быстрого усложнения систем, и стали вводиться в действие новые объекты. В это время появились первые публикации, определяющие понятия и определения, относящиеся к надежности [ 1 ] и была создана методика оценки и расчета надежности устройств вероятностно-статистическими методами.
Исследование поведения аппаратуры (объекта) во время эксплуатации и оценка ее качества определяет его надежность. Термин «эксплуатация» происходит от французского слова «exploitation», что означает получение пользы или выгоды из чего-либо.
Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.
Для количественного выражения надежности объекта и для планирования эксплуатации используются специальные характеристики — показатели надежности. Они позволяют оценивать надежность объекта или его элементов в различных условиях и на разных этапах эксплуатации.
Более подробно с показателями надежности можно ознакомиться в ГОСТ 16503-70 — «Промышленные изделия. Номенклатура и характеристика основных показателей надежности.», ГОСТ 18322-73 — «Системы технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения.», ГОСТ 13377-75 — «Надежность в технике. Термины и определения».

Определения
Надежность — свойство [далее — (сво-во)] объекта [далее — (ОБ)] выполнять требуемые функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в течение заданного периода времени.
Надежность представляет собой комплексное сво-во, сочетающее в себе понятие работоспособности, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохранности.
Работоспособность — представляет собой состояние ОБ, при котором он способен выполнять свои функции.
Безотказность — сво-во ОБ сохранять свою работоспособность в течение определенного времени. Событие, нарушающее работоспособность ОБ, называется отказом. Самоустраняющийся отказ называется сбоем.
Долговечность — сво-во ОБ сохранять свою работоспособность до предельного состояния, когда его эксплуатация становится невозможной по техническим, экономическим причинам, условиям техники безопасности или необходимости капитального ремонта.
Ремонтопригодность — определяет приспособляемость ОБ к предупреждению и обнаружению неисправностей и отказов и устранению их путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость — сво-во ОБ непрерывно поддерживать свою работоспособность в течение и после хранения и технического обслуживания.

Основные показатели надежности
Основными качественными показателями надежности является вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.
Вероятность безотказной работы P(t) представляет собой вероятность того, что в пределах указанного периода времени t, отказ ОБ не возникнет. Этот показатель определяется отношение числа элементов ОБ, безотказно проработавших до момента времени t к общему числу элементов ОБ, работоспособных в начальный момент.
Интенсивность отказов l (t) — это число отказов n(t) элементов ОБ в единицу времени, отнесенное к среднему числу элементов Nt ОБ, работоспособных к моменту времени D t:
l ( t )= n ( t )/( Nt * D t ) , где
D t — заданный отрезок времени.
Например: 1000 элементов ОБ работали 500 часов. За это время отказали 2 элемента. Отсюда, l ( t )= n ( t )/( Nt * D t )=2/(1000*500)=4*10 -6 1/ч, т.е. за 1 час может отказать 4-е элемента из миллиона.
Показатели интенсивности отказов комплектующих берутся на основании справочных данных [ 1, 6, 8 ]. Для примера в табл. 1 приведена интенсивность отказов l (t) некоторых элементов.

0 P ( t ) и p (0)=1, а p ( ¥ )=0
Средняя наработка до отказа To — это математическое ожидание наработки ОБ до первого отказа:
To=1/ L =1/( ål i) , или , отсюда : L =1/To
Время безотказной работы равно обратной величине интенсивности отказов.
Например: технология элементов обеспечивает среднюю интенсивность отказов l i =1*10 -5 1/ч. При использовании в ОБ N=1*10 4 элементарных деталей суммарная интенсивность отказов l о= N * l i =10 -1 1/ч . Тогда среднее время безотказной работы ОБ To =1/ l о=10 ч. Если выполнить ОБ на основе 4-х больших интегральных схем (БИС), то среднее время безотказной работы ОБ увеличится в N/4=2500 раз и составит 25000 ч. или 34 месяца или около 3 лет.

Расчет надежности
Формулы позволяют выполнить расчет надежности ОБ, если известны исходные данные — состав ОБ, режим и условия его работы, интенсивности отказов его компонент (элементов). Однако при практических расчетах надежности есть трудности из-за отсутствия достоверных данных о интенсивности отказов для номенклатуры элементов, узлов и устройств ОБ. Выход из этого положения дает применение коэффициентного метода. Cущность коэффициентного метода состоит в том, что при расчете надежности ОБ используют не абсолютные значения интенсивности отказов l i , а коэффициент надежности ki , связывающий значения l i с интенсивностью отказов l b какого-либо базового элемента:
ki = l i / l b
Коэффициент надежности ki практически не зависит от условий эксплуатации и для данного элемента является константой, а различие условий эксплуатации ku учитывается соответствующими изменениями l b . В качестве базового элемента в теории и практике выбран резистор. Показатели надежности комплектующих берутся на основании справочных данных [ 1, 6, 8 ]. Для примера в табл. 2 приведен коэффициенты надежности ki некоторых элементов. В табл. 3 приведены коэффициенты условий эксплуатации ku работы для некоторых типов аппаратуры.
Влияние на надежность элементов основных дестабилизирующих факторов — электрических нагрузок, температуры окружающей среды — учитывается введением в расчет поправочных коэффициентов a. В табл. 4 приведены коэффициенты условий a работы для некоторых типов элементов. Учет влияния других факторов — запыленности, влажности и т.д. — выполняется коррекцией интенсивности отказов базового элемента с помощью поправочных коэффициентов.
Результирующий коэффициент надежности элементов ОБ с учетом поправочных коэффициентов:
ki’=a1*a2*a3*a4*ki*ku, где
ku — номинальное значение коэффициента условий эксплуатации
ki — номинальное значение коэффициент надежности
a1 — коэффициент учитывающий влияние электрической нагрузки по U, I или P
a2 — коэффициент учитывающий влияние температуры среды
a3 — коэффициент снижения нагрузки от номинальной по U, I или P
a4 — коэффициент использования данного элемента, к работе ОБ в целом

Порядок расчета состоит в следующем:
1. Определяют количественные значения параметров, характеризующие нормальную работу ОБ.
2. Составляют поэлементную принципиальную схему ОБ, определяющую соединение элементов при выполнении ими заданной функции. Вспомогательные элементы, использующиеся при выполнении функции ОБ, не учитываются.
3. Определяются исходные данные для расчета надежности:

  • тип, количество, номинальные данные элементов
  • режим работы, температура среды и другие параметры
  • коэффициент использования элементов
  • коэффициент условий эксплуатации системы
  • определяется базовый элемент l b и интенсивность отказов l b
  • по формуле: ki ‘= a 1* a 2* a 3* a 4* ki * ku определяется коэффициент надежности

4. Определяются основные показатели надежности ОБ, при логически последовательном (основном) соединении элементов, узлов и устройств:

  • вероятность безотказной работы: P(t)=exp , где
    Ni — число одинаковых элементов в ОБ
    n — общее число элементов в ОБ, имеющих основное соединение
  • наработка на отказ:
    To=1/

Если в схеме ОБ есть участки с параллельным соединением элементов, то сначала делается расчет показателей надежности отдельно для этих элементов, а затем для ОБ в целом.
5. Найденные показатели надежности сравниваются с требуемыми. Если не соответствуют, то принимаются меры к повышению надежности ОБ (см. часть 2).
6. Средствами повышения надежности ОБ являются:
— введение избыточности, которая бывает:

  • внутриэлементная — применение более надежных элементов
  • структурная — резервирование — общее или раздельное

Пример расчета:
Рассчитаем основные показатели надежности для вентилятора на асинхронном электродвигателе. Схема приведена на рис. 1. Для пуска М замыкают QF, а затем SB1. KM1 получает питание, срабатывает и своими контактами КМ2 подключает М к источнику питания, а вспомогательным контактом шунтирует SB1. Для отключения М служит SB2.

В защите М используются FA и тепловое реле KK1 с КК2. Вентилятор работает в закрытом помещении при T=50 C в длительном режиме. Для расчета применим коэффициентный метод, используя коэффициенты надежности компонент схемы. Принимаем интенсивность отказов базового элемента l b =3*10 -8 . На основании принципиальной схемы и ее анализа, составим основную схему для расчета надежности (см. рис. 2). В расчетную схему включены компоненты, отказ которых приводит к полному отказу устройства. Исходные данные сведем в табл. 5.

По результатам расчета можно сделать выводы:
1. Наработка до отказа устройства: To=3524 ч.
2. Вероятность безотказной работы: p(t)=0,24. Вероятность того, что в пределах заданного времени работы t в заданных условиях работы не возникнет отказа.

Частные случай расчета надежности.

1. Объект (далее ОБ) состоит из n блоков, соединенных последовательно (см. рис. 3). Вероятность безотказной работы каждого блока p. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом.

Решение: P = p n
2. ОБ состоит из n блоков, соединенных параллельно (см. рис. 4). Вероятность безотказной работы каждого блока p. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом.

Решение: P =1-(1- p ) 2
3. ОБ состоит из n блоков, соединенных параллельно (см. рис. 5). Вероятность безотказной работы каждого блока p. Вероятность безотказной работы переключателя (П) p1. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом.

Решение: P=1-(1-p)*(1-p1*p)
4. ОБ состоит из n блоков (см. рис. 6), с вероятность безотказной работы каждого блока p. С целью повышения надежности ОБ произведено дублирование, еще такими-же блоками. Найти вероятность безотказной работы системы: с дублированием каждого блока Pa, с дублированием всей системы Pb.

Решение: Pa =[1-(1- p ) 2 ] n Pb =[1-(1- p ) n ] 2
5. ОБ состоит из n блоков (см. рис. 7), с вероятность безотказной работы каждого блока p, величина которой условно показаны на рисунке. С целью повышения надежности ОБ произведено дублирование, еще такими-же блоками, наименее надежных блоков. Найти вероятность безотказной работы P системы.

Решение: P =[1-(1- p 1) 2 ]*[1-(1- p 2) 3 ]* p 3* p 4*[1-(1- p 5)*(1- p 6)]
6. ОБ состоит из 3-х узлов (см. рис. 8). В первом узле n1 элементов, во втором узле n2 элементов. В третьем узле n3 элементов. Вероятность безотказной работы каждого элемента p. Найти вероятность безотказной работы P системы.

Решение: P 1= p n 1 P 2= p n 2 P 3= p n 3
P23=1-(1-p n2 )*(1-p n3 )
P= p n1 *[1-(1-p n2 )*(1-p n3 )]
7. ОБ состоит из 2-х узлов U1 и U2, соединенных последовательно, и стабилизатора C (см. рис. 9). При исправном C вероятность безотказной работы U1=p1, U2=p2. При неисправном C вероятность безотказной работы U1=p1′, U2=p2′. Вероятность безотказной работы C=ps. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом.

Решение: P = ps * p 1* p 2+(1- ps )* p ’1* p ’2
8. ОБ состоит из 2-х узлов U1 и U2, соединенных параллельно, и стабилизатора C (см. рис. 10). При исправном C вероятность безотказной работы U1=p1, U2=p2. При неисправном C вероятность безотказной работы U1=p1′, U2=p2′. Вероятность безотказной работы C=ps. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом.

Решение: P = ps *[1-(1- p 1)*(1- p 2)]+(1- ps )*[1-(1- p 1′)*(1- p 2′)]
9. ОБ состоит из 2-х узлов U1 и U2. Вероятность безотказной работы за время t узлов: U1 p1=0.8, U2 p2=0.9. По истечении времени t ОБ несправен. Найти вероятность, что:
— H1 — неисправен узел U1
— H2 — неисправен узел U2
— H3 — неисправны узлы U1 и U2
Решение: Очевидно, имело место H0, когда оба узла исправны.
Событие A=H1+H2+H3
Априорные (первоначальные) вероятности:
P(H1)=(1-p1)*p2=(1-0.8)*0.9=0.2*0.9=0.18
P(H2)=(1-p2)*p1=(1-0.9)*0.8=0.1*0.8=0.08
P(H3)=(1-p1)*(1-p2)=(1-0.8)*0.9=0.2*0.1=0.02
A=i=1 å 3 *P(Hi)=P(H1)+P(H2)+P(H3) =0.18+0.08+0.02=0.28
Апостерионые (конечные) вероятности:
— P(H1/A)=P(H1)/A=0.18/0.28=0.643
— P(H2/A)=P(H2)/A=0.08/0.28=0.286
— P(H3/A)=P(H3)/A=0.02/0.28=0.071
10. ОБ состоит из m блоков типа U1 и n блоков типа U2. Вероятность безотказной работы за время t каждого блока U1=p1, каждого блока U2=p2. Для работы ОБ достаточно, чтобы в течение t работали безотказно любые 2-а блока типа U1 и одновременно с этим любые 2-а блока типа U2. Найти вероятность безотказной работы ОБ.
Решение: Событие A (безотказная работа ОБ) есть произведение 2-х событий:
— A1 — (не менее 2-х из m блоков типа U1 работают)
— A2 — (не менее 2-х из n блоков типа U2 работают)
Число X1 работающих безотказно блоков типа U1 есть случайная величина, распределенная по биномиальному закону с параметрами m, p1. Событие A1 состоит в том, что X1 примет значение не менее 2, поэтому:

P(A1 )=P2>=1-P(X1 m +m*g2 m-1 *p1), где g1=1-p1

аналогично : P(A2)=1-(g2 n +n*g2 n-1 *p2), где g2=1-p2

Вероятность безотказной работы ОБ:

R =P(A)=P(A1)*P(A2)=[1-(g1 m +m*g2 m-1 *p1)]*[1-(g2 n +n*g2 n-1 *p2)], где g1=1-p1, g2=1-p2

11. ОБ состоит из 3-х узлов (см. рис. 11). В узле U1 n1 элементов с интенсивностью отказов l1. В узле U2 n2 элементов с интенсивностью отказов l2. В узле U3 n3 элементов с интенсивностью отказов l2, т.к. U2 и U3 дублируют друг друга. U1 выходит из строя если в нем отказало не менее 2-х элементов. U2 или U3, т.к. дублируются, выходят из строя если в них отказал хотя бы один элемент. ОБ выходит из строя если отказал U1 или U2 и U3 вместе. Вероятность безотказной работы каждого элемента p. Найти вероятность того, что за время t ОБ не выйдет из строя.

Решение: Вероятность выхода из строя одного элемента U1, U2 или U3 за t равны:

p1=1-e — l 1*t p2=p3=1-e — l 2*t

Вероятность выхода из строя U 1 за t равна:

R1=1-(1-p1) n1 *n1*p1*(1-p1) n1-1

Вероятности выхода из строя U 2 и U 3 равны:

R2=1-(1-p2) n2 R3=1-(1-p3) n3

Вероятности выхода из строя всего ОБ:
R=R1+(1-R1)*R2*R3

Литература:

  • Малинский В.Д. и др. Испытания радиоаппаратуры, «Энергия», 1965 г.
  • ГОСТ 16503-70 — «Промышленные изделия. Номенклатура и характеристика основных показателей надежности».
  • Широков А.М. Надежность радиоэлектронных устройств, М, Высшая школа, 1972 г.
  • ГОСТ 18322-73 — «Системы технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения».
  • ГОСТ 13377-75 — «Надежность в технике. Термины и определения».
  • Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики, М, Сов. Радио, 1975 г.
  • Перроте А.И., Сторчак М.А. Вопросы надежности РЭА, М, Сов. Радио, 1976 г.
  • Левин Б.Р. Теория надежности радиотехнических систем, М, Сов. Радио, 1978 г.
  • ГОСТ 16593-79 — «Электроприводы. Термины и определения».

Источник

Все о блоках питания. Часть 1

Не секрет, что от правильного выбора блока питания (далее БП), его конструкции и качества сборки зависит работа устройства, на которое он нагружен. Здесь я постараюсь рассказать об основных моментах выбора, расчета, конструирования и применения блоков питания.

1. Выбор блока питания

Первым делом следует четко уяснить, что именно будет подключено к БП. Главным образом нас интересует ток нагрузки. Это будет основным пунктом ТЗ. По этому параметру будет подобрана схема и элементная база. Приведу примеры нагрузок и их средние потребляемые токи

1. Световые эффекты на светодиодах (20-1000мА)

2. Световые эффекты на миниатюрных лампах накаливания (200мА-2А)

3. Световые эффекты на мощных лампах (до 1000А)

4. Миниатюрные полупроводниковые радиоприемники (100-500мА)

5. Портативная аудиотехника (100мА-1А)

6. Автомобильные магнитолы (до 20А)

7. Автомобильные УМЗЧ (по линии 12В до 200А)

8. Стационарные полупроводниковые УМЗЧ (при выходной мощности не выше 1кВт до 40А)

9. Ламповые УМЗЧ (10мА-1А – анод, 200мА-8А – накал)

10. Ламповые КВ трансиверы [выходной каскад в классе С характеризуется наибольшим КПД] (при мощности передатчика до 1кВт, до 5А – анод, до 10А – накал)

11. Полупроводниковые КВ трансиверы, Си-Би (при мощности передатчика до 100Вт, 1 – 5А)

12. Ламповые УКВ радиостанции (при мощности передатчика до 50Вт, до 1А – анод, до 3А — накал)

13. Полупроводниковые УКВ радиостанции (до 5А)

14. Полупроводниковые телевизоры (до 5А)

15. Вычислительная техника, оргтехника, сетевые устройства [концентраторы LAN, точки доступа, модемы, роутеры] (500мА — 30А)

16. Зарядные устройства для АКБ (до 10А)

17. Управляющие блоки бытовой техники (до 1А)

Следует отметить, что во многих устройствах потребляемый ток в процессе работы может значительно колебаться. Это УМЗЧ, трансиверы (особенно в телеграфном режиме), мощные СДУ. Поэтому при выборе БП следует ориентироваться ни на средний потребляемый ток и уж тем более ни на ток в режиме молчания, а на пиковую потребляемую мощность. Для питания аналоговой электроники с потребляемой мощностью до 500Вт, я рекомендую линейные блоки питания. При чем многоканальные (с несколькими выходными напряжениями). Как правило, цепи с большим потребляемым током позволяют обойтись без стабилизации напряжения. Так же следует обратить внимание на развязку напряжений. Это, прежде всего, относится к аудиотехнике и аппаратуре радиосвязи. В ряде случаев может потребоваться даже гальваническая развязка между цепями (например при конструировании ламповых УМЗЧ класса Hi-End гальваническая развязка анодных цепей позволит избежать влияния выходного каскада на усилитель напряжения. В том числе перекроет паразитные ОС по питанию). Как это делается будет рассказано ниже. Для более мощной аналоговой техники, а так же любой цифровой можно рекомендовать импульсные БП, ибо тепловой режим и массогабаритные характеристики линейных БП такой мощности оставляют желать лучшего. Вообще мощные узлы аппаратуры не особенно взыскательны к питанию, за то от качества питания во многом зависит работа помехонеустойчивых слаботочных узлов. Итак, рассмотрим кормушку изнутри.

2. Правила безопасности

Не будем забывать, что БП это самый высоковольтный узел в любом устройстве (за исключением разве что телевизора). При чем опасность представляет не только промышленная электросеть (220В). Напряжение в анодных цепях ламповой аппаратуры может достигать десятков и даже сотен (в рентгеновских установках) киловольт (тысяч вольт). Поэтому все высоковольтные участки (включая общий провод) должны быть изолированы от корпуса. Это хорошо знает тот, кто поставив ногу на системный блок трогал батарею. Электрический ток может быть опасен не только для человека и животных, но и для самого устройства. Имеются ввиду пробои и короткие замыкания. Эти явления не только выводят из строя радиокомпоненты, но и весьма пожароопасны. Мне попадались некоторые изолирующие элементы конструкций, которые в следствии подачи высокого напряжения были пробиты и выгорели до угля при чем выгорели не полностью, а каналом. Уголь проводит ток и создает таким образом короткое замыкание (далее КЗ) на корпус. При чем внешне это не видно. Поэтому между двумя проводами, припаянными к плате, должно быть расстояние из расчета примерно 2мм на вольт. Если речь идет о смертельно опасных напряжениях, то в корпусе должны быть предусмотрены микропереключатели, которые автоматически обесточивают прибор при удалении стенки с опасного участка конструкции. Элементы конструкции, которые в процессе работы сильно нагреваются (радиаторы, мощные полупроводниковые и электровакуумные приборы, резисторы мощностью свыше 2Вт) должны быть вынесены с платы (наилучший вариант) или хотя бы приподняты над ней. Так же не допускается касание корпусов разогревающихся радиоэлементов, за исключением тех случаев, когда второй элемент является датчиком температуры первого. Такие элементы не разрешается заливать эпоксидной смолой и другими компаундами. Более того, должен быть обеспечен приток воздуха к участкам с большой рассеиваемой мощностью, а при необходимости и принудительное охлаждение (вплоть до испарительного). Так. Страху нагнал, теперь о работе.

3. Законы Ома и Кирхгофа были и будут основой разработки любого электронного устройства.

3.1. Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку и обратно пропорциональна сопротивлению участка. На этом принципе основана работа всех ограничительных, гасящих и балластных резисторов.
5-187-1.png

Эта формула хороша тем, что под «U» можно подразумевать как напряжение на нагрузке, так и напряжение на участке цепи, последовательно соединенном с нагрузкой. Например у нас есть лампочка на 12В/20Вт и источник 17В, к которому нам нужно подключить эту лампочку. Нам нужен резистор, который понизит 17В до 12.

Иллюстрация закона Ома
Рис.1

Итак, мы знаем что при последовательном соединении элементов напряжения на них могут отличаться, но ток всегда одинаковый на любом участке цепи. Вычислим ток, потребляемый лампочкой:

5-187-3.png

Значит, через резистор протекает такой же ток. В качестве напряжения берем падение напряжения на гасящем резисторе, ведь это действительно то самое напряжение, которое действует на этом резисторе (5-187-4.png)

5-187-5.png

Из приведенного примера совершенно очевидно, что 5-187-6.png. Причем это относится не только к резисторам, но и, например, к динамикам, если мы вычисляем какое напряжение нужно подвести к динамику с заданной мощностью и сопротивлением, чтобы он развил эту мощность.

3.2. Закон Ома для полной цепи

Прежде, чем мы перейдем к нему, нужно четко уяснить физический смысл внутреннего и выходного сопротивлений. Предположим, у нас есть некоторый источник ЭДС. Так вот, внутреннее (выходное) сопротивление это мнимый резистор, включенный последовательно с ним.

Закон Ома для полной цепи
Рис.2

Естественно, фактически в источниках тока таких резисторов нет, но у генераторов есть сопротивление обмоток, у розеток – сопротивление проводки, у АКБ – сопротивление электролита и электродов и т.д. Это сопротивление при подключении нагрузки ведет себя именно как последовательно включенный резистор.

5-187-8.png
где: ε – ЭДС
I – сила тока
R – сопротивление нагрузки
r – внутреннее сопротивление источника

Из формулы видно, что с возрастанием внутреннего сопротивления уменьшается мощность вследствие просадки во внутреннем сопротивлении. Это видно и из закона Ома для участка цепи.

3.3 Правило Кирхгофа нас будет интересовать только одно: сумма токов, входящих в цепь равна току (сумме токов), выходящему из нее. Т.е. какой бы не была нагрузка и из скольки бы ветвей она не состояла, сила тока в одном из питающих проводов будет равна силе тока во втором проводе. Собственно, этот вывод вполне очевиден, если мы говорим о замкнутой цепи.

С законами протекания тока вроде все ясно. Посмотрим как это выглядит в реальном «железе».

4. Начинка

Все БП во многом схожи по схеме и элементной базе. Это вызвано тем, что по большому счету они выполняют одни и те же функции: изменение напряжения (всегда), выпрямление (чаще всего), стабилизация (часто), защита (часто). Теперь рассмотрим способы реализации этих функций.

4.1. Изменение напряжения чаще всего реализуется при помощи различных трансформаторов. Этот вариант наиболее надежен и безопасен. Существуют так же безтрансформаторные БП. В них для понижения напряжения используется емкостное сопротивление конденсатора, включенного последовательно между источником тока и нагрузкой. Выходное напряжение таких БП полностью зависит от тока нагрузки и ее наличия. Даже при кратковременном отключении нагрузки такие БП выходят из строя. Кроме того, они могут только понижать напряжение. Поэтому я не рекомендую такие БП для питания РЭА. Итак, остановимся на трансформаторах. В линейных БП используются трансформаторы на 50Гц (частота промышленной сети). Трансформатор состоит из сердечника, первичной обмотки и нескольких вторичных обмоток. Переменный ток, поступая на первичную обмотку создает в сердечнике магнитный поток. Этот поток, как магнит, наводит ЭДС во вторичных обмотках. Напряжение на вторичных обмотках определяется количеством витков. Отношение количества витков (напряжения) вторичной обмотки к количеству витков (напряжению) первичной обмотки называется коэффициентом трансформации (η). Если η>1 трансформатор называют повышающим, в противном случае – понижающим. Есть трансформаторы у которых η=1. Такие трансформаторы не меняют напряжение и служат только для гальванической развязки цепей (цепи считаются гальванически развязанными, если у них нет непосредственного общего электрического контакта. Хотя токи, протекающие через них, могут действовать друг на друга. Например «Blue Tooth» или лампочка и поднесенная к ней солнечная батарея или ротор и статор электродвигателя или неоновая лампа, поднесенная к антенне передатчика). Поэтому использовать их в БП нет смысла. Импульсные трансформаторы работают по такому же принципу с той лишь разницей, что на них не подается напряжение непосредственно из розетки. Сначала оно преобразуется в импульсы более высокой частоты (обычно 15-20кГц) и уже эти импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора. Частота следования этих импульсов называется частотой преобразования импульсного БП. С возрастанием частоты увеличивается индуктивное сопротивление катушки, поэтому обмотки импульсных трансформаторов содержат меньшее количество витков по сравнению с линейными. Это делает их более компактными и легкими. Однако импульсные БП характеризуются бОльшим уровнем помех, худшим тепловым режимом и схемотехнически более сложны, следовательно менее надежны.

4.2. Выпрямление подразумевает преобразование переменного (импульсного) тока в постоянный. Этот процесс заключается в разложении положительных и отрицательных полуволн на соответствующие полюса. Есть достаточно много схем, позволяющих это сделать. Рассмотрим те, которые наиболее часто используются.

4.2.1. Четвертьмост

Схема однополупериодного выпрямителя
Рис.3

Самая простая схема однополупериодного выпрямителя. Работает следующим образом. Положительная полуволна проходит через диод и заряжает С1. Отрицательная полуволна блокируется диодом и цепь оказывается как бы оборванной. В этом случае нагрузка питается за счет разрядки конденсатора. Очевидно, что для работы на 50Гц емкость С1 должна быть сравнительно велика, чтобы обеспечивать низкий уровень пульсаций. Поэтому схема применяется в основном в импульсных БП ввиду более высокой рабочей частоты.

4.2.2 Полумост (удвоитель Латура-Делона-Гренашера)

Схема полумоста
Рис.4

Принцип работы похож на четвертьмост, только здесь они соединены как бы последовательно. Положительная полуволна проходит через VD1 и заряжает С1. На отрицательной полуволне VD1 закрывается и С1 начинает разряжаться, а отрицательная полуволна проходит через VD2. Таким образом между катодом VD1 и анодом VD2 появляется напряжение, в 2 раза превосходящее напряжение вторичной обмотки трансформатора (рис.4а). Этот принцип можно использовать для построения расщепленного БП. Так называются БП, выдающие 2 одинаковых по модулю, но противоположных по знаку напряжения (рис.4б). Однако не следует забывать, что это 2 соединенных последовательно четвертьмоста и емкости конденсаторов должны быть достаточно велики (из расчета, как минимум, 1000мкФ на 1А потребляемого тока).

4.2.3. Полный мост

Самая распространенная схема выпрямителя имеет наилучшие нагрузочные характеристики при минимальном уровне пульсаций и может применяться как в однополярных (рис.5а), так и в расщепленных БП (рис.5б).

Мостовые выпрямители
Рис.5

На рис.5в,г показана работа мостового выпрямителя.

Как уже говорилось, различные схемы выпрямителей характеризуют разные значения коэффициента пульсаций. Точный расчет выпрямителя содержит громоздкие вычисления и на практике редко бывает необходим, поэтому ограничимся ориентировочным расчетом, который можно выполнить по таблице

Схема

Uобр

Источник