Файл: Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 17.10.2024

Просмотров: 132

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

1 № образ­ ца

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а !

Величина тока / к0 в мА

для транзисторов типа

П13 при

С/к=15

В и различных Г в *С

+ 20

-5 8

-5 0

-4 0

-3 0

-1 5

- 1 0

+ 5

1

1,5—0,9

0,1

0,1

0,15

0,15

0,7

1,9

2,3

2

1,6—0,9

2 ,0 - 1 ,2

2,1—1,6

1,8

2,1

2,1

2,9

21,8

3

1,1—1,0

0,1

0,1

0,1

0,1

0,75

1,8

9,1

4

5,2—2,1

2,0

1,9

1,3

1,4

2,5

4,1

125

5

1,8—1,1

0,1

0,1

0,1

0,15

0,5

1,1

100

6

2,6—1,4

0,1

0,1

0,1

0,1

0,3

0,8

14—11

7

1,3—1,0

0,25

0,2

0,2

0,6

1,1

2,0

300—220

8

2,0—1,1

2,75

2,75

1,3

1,6

1,75

2,1

26—17

9

2,1—1,3

0,1

0,1

0,1

0,2

0,8

1,6

8,2

10

3,0—2,5

2,2

3,2—2,8

2,2

2,1

2,9

3,2

11,2

11

1

0,25

0,25

0,25

0,5

0,6

1,9

30—26

12

1,3

1,3

1,0

0,8

0,8

1,8

6,1

195

13

6,0—5,6

3,2

2,7

3,1—2,7

3,0

4,7

8,0

125—130

14

1,6

0,3

0,4

0,4

0,4

1,4

6—2,5

105

15

2,5

0,2

0,2

0,25

0,3

0,9

2,4

45

16

4ч-2,4

0,2

0,25

0,25

0,25

0,7

1,8

19

17

0,8

0,1

0,1

0,15

0,1

0,75

2,5

18

18

0,85

0,1

0,15

0,2

0,1

0,5

1,23

14

19

6,8

1,7

1,5

1,5

0,8

1,0

1,05

70

20

0,75

0,1

0,1

0,1

0,1

0,15

0,4

135

Представление о наибольших значениях тока /ко транзисторовМП39 при разных температурах и напряжениях окружающей сре­ ды дают интегральные кривые распределения значений 1Ко = !( ияТ) (см. рис. 12). Для построения кривых использовали максималь­ ные значения /ко, наблюдаемые при замерах: начальные, если дрейф»

отрицательный, и установившиеся,

если дрейф положительный.

Это позволяет избежать появления

перемежающихся отказов.

Как видно не кривых, для части

(до 20%) транзисторов П13

зависимость от напряжения выражена достаточно сильно. Очевид­ но, нежелательна работа транзисторов при напряжении более 10В..

Для транзисторов П25 (рис. 12, б) при увеличении напряжения от 4 до 24 В ток /к0 меняется незначительно. При росте напряже­ ния до 60В у отдельных образцов (4—6%) ток /ко сильно возрас­ тает. Таким образом, при низких напряжениях транзисторы П2& отличаются от П13 меньшей зависимостью токов /ко от напряже­ ния. Однако начальные значения /ко Для транзисторов П25 выше.

Исследованиями установлено, что в области отрицательных температур составляющая тока 1'ко быстро уменьшается. Величина /ко -при этом в основном определяется токами утечки, которые сла­ бо зависят от температуры. Поэтому примерно при —30°С сум­ марный ток достигает минимального значения и при дальнейшем понижении температуры почти не меняется (табл. 1 и 2).

15


Т а б л и ц а

Величина тока / к0 в мА для транзисторов П25 при £/к = —24В и различных Т в

образца

 

20

- 5 5

-4 0

-3 0

+2

+ 17

+30

1

6,4

0,1

0,1

0,1

80—25

18,0

17,0

2

4,0

о д

0,1

0,1

70—40

6 ,5

12,0

3

3,5

0,1

0,1

0,1

30—15

4,1

11,0

4

5,0

0,3

0,4

0,6

46—20

60,0

13,0

5

3,0

0,1

0,1

0,1

21

3,8

10,6

6

5,0

0,2

0,2

0,5

12

5,5

20,5

7

5,4

0,1

0,1

0,1

120—100

8,5

23,5

8

4,2

ОД

0,1

0,1

15—14

5,2

20,0

9

4,0

0,3

0,8

0,25

39—20

7,0

18,5

10

3,7

0,1

0,1

0,1

27—10

4,6

17,5

Неблагоприятные условия для нормальной работы транзисто­ ра создаются в случае повышения температуры окружающей сре­ ды с переходом из области отрицательных температур в область положительных. При этом у некоторых транзисторов наблюдается резкий рост /ко (табл. 1, см., например, образцы 4, 5, 7, 12, 13, 14, 20). Это связано с конденсацией влаги как внутри корпуса транзи­ стора и на поверхности перехода, если транзистор имел плохую герметизацию, так и на поверхности корпуса. Поэтому нельзя ут­ верждать, что транзисторы, имеющие значительный выброс /ко при переходе температуры через 0, являются недоброкачествен­ ными.

Изложенное выше необходимо иметь в виду при установке ап­ паратуры на открытом воздухе. В этом случае транзисторы, а так­ же другие элементы должны быть залиты герметизирующим ком­ паундом. Кроме того, параметры схемы необходимо выбрать так, чтобы возможное увеличение /ко не влияло на ее» работоспособ­ ность; иначе в устройствах возможны перемежающиеся отказы.

§ 4. Испытания транзисторов на долговечность

Для определения статистических характеристик старения тран­ зисторов с достаточной достоверностью необходимо вести наблю­ дение за большим количеством образцов в течение длительного времени.

Чтобы пояснить это, определим необходимую выборку п и длительность ta испытаний для заданной величины параметра потока отказов ЯСр при доверительной вероятности а и точности 6 (последняя учитывает разброс X относительно ХСр) ■

16


- i Для расчета удобно использовать биномиальное распределение, !^ГРгласно которому

 

Р, =

C P " ( l - / - r ,

(6)

I где

Р] — вероятность того,

что случайная величина

примет зна­

 

чение т {т= 0, 1, 2, .... п) ;

 

 

р — параметр распределения.

превысит т'

 

Вероятность того, что случайная величина т не

 

 

т г

(7)

 

Р2=Вер(т<т')= ^ С п р ”1qn~m,

где

q= 1—р.

О

 

 

 

 

Под доверительной верфятностью при этом понимают

 

а = Вер (тн ч£тфтв).

(8)

Односторонние нижняя и верхняя доверительные вероятности:

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

а„ = Вер(т>тн) =

1— 2

С7 рт(\ —р)п~т\

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

ав= В ер (т ^ т в) = £ С„ р т(1 - р Т ~ т-

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

При этом а = ан-фаВ'—1 или,

если ан= ав = ао> то а =

2ао—1.

Эти выражения при т ф 0 можно свести к виду [1]:

 

 

D

 

тн

 

т

 

 

( 9 )

 

п

1

т

\

1

 

 

 

 

 

D

 

тв

1

т

\

( 1 0 )

 

*

в п

т

 

 

 

 

 

п Я г (/и ; — ; а в j

 

 

где

Ян и Ра — соответственно нижняя и верхняя

границы Я;

/?i [т\ - f - ; <*»);

 

 

 

 

 

 

 

R 2 {m\

aBj — табулированные

коэффициенты [1].

 

При т>0 вероятности Рн и Рв несимметричны относительно р. Однако при достаточно больших значениях п и т биномиальное распределение приближается к нормальному и, следовательно, становится симметричным. В, этом случае

Я„ =

т(Ь)

.

Яв = т(Ъ)

( П )

 

п (1 +

3) ’

 

 

где (1+8) = Я /(m; ~

; ан) ;

(1 — Ь ) = р 2(т;

; ав) ;

о — коэффициент точности, 6 = ^ ^

17


Тогда необходимая величина выборки при заданной точности 6-100% и доверительной вероятности а может быть определена, например, по Рв:

 

 

п =

т(Ь)

 

 

 

 

( 12)

 

 

Рв (1— о)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В этом случае по заданной

величине о, воспользовавшись табли­

цами для

(R2) [1]> м о ж н о

определить т{8), а затем

по заданной

величине

Р 3— необходимую

выборку п.

Результаты

расчетов мини­

мальных выборок для разных значений Хв

t\ §j

при

а0 = 0,95

(это значение

а0 принято для возможности использования табулиро­

ванных

коэффициентов R\

и

R2 [1])

представлены

на

рис.

13.

Там же

представлены зоны выборок n(t),

которые необходимы

для

подтверждения уровня надежности транзисторов, достигнутого в аппаратуре телеуправления БСТ-59 и ЭСТ-62.

Расчеты показывают, что для того, чтобы подтвердить уровень надежности Х=10~7 транзисторов в системе телеуправления ЭСТ-62

при

одностороннем ограничении и

доверительной

вероятности

ссо =

0,95, необходимо

1000 транзисторов испытывать

примерно

47,5-103ч, или 5,4 года.

Верхняя доверительная граница X=10_s,

уровень которой в настоящее время

является желательным для

многих промышленных и железнодорожных электронных устройств и систем, может быть подтверждена испытанием 1000 транзисто­ ров в течение 54 лет.

В некоторых случаях может потребоваться подтверждение па­ раметра Хер при достаточно узких двусторонних границах. Объем испытаний при этом еще более возрастает (рис. 13, б). Как видим,

10°

W1

Ю*

Ю6 t,4

О

0,5

0 ,75 0,9 1,0

1 -0

Рис. 13. Зависимости выборки п, необходимой для подтверждения заданной верхней границы Яв при односторонней доверительной вероятности а о = 0,95, ог времени t испытаний (а) и от точности б при а = 0,9 (б)

18


даже

для

подтверждения

относительно

невысокого

уровня

ЯСр =

Ю-7,

необходимого

для

обеспечения

удовлетворительной

работы железнодорожных

ЭСА и ТУ,

объем испытаний

оказы­

вается значительным (примерно 3 ,3 - 1 0 5

шт. при /=104

и 6= 0,1),

а при

требованиях большей надежности — практически

невыпол­

нимым. В этом случае единственным выходом являются ускорен­ ные испытания.

§ 5. Ускоренные испытания транзисторов

Ускоренные испытания транзисторов выполняют в основном двумя методами: хранением при высоких температурах и испыта­ нием с электрической нагрузкой при повышенных мощностях рас­ сеяния. При испытаниях транзисторов на хранение предполагают, что основным фактором, постепенно приводящим к выходу их из строя, является температура. Повышенная температура активизи­ рует действие ионизирующих примесей на поверхности перехода, а потому скорость деградации параметров оказывается достаточ­ но большой.

Этот вывод базируется на уравнении Аррениуса, определяю­

щем скорость протекания химической реакции:

 

2Г =

^ Д

(13)

где z — исследуемый параметр

(например, В, /ко);

 

А, Е — некоторые константы.

 

стоимость и

Преимуществами такого метода являются низкая

простота испытаний. Однако при испытаниях на хранение не выяв­

ляются некоторые механизмы отказов,

связанные с наличием на

переходах токов и напряжений.

нагрузкой — более строгий

Метод испытания с электрической

и точный. Наличие на переходах напряжений и токов

вызывает

проявление дополнительных механизмов отказов сверх

действую­

щих при повышенной температуре. Напряжение смещения стиму­ лирует миграцию ионов на поверхности кристаллов. Характерной особенностью при работе транзистора в импульсном режиме (осо­ бенно для мощных транзисторов) является кумуляция токов в от­ дельных областях, небольших по сравнению с общей площадью

переходов, вызванная

конечной скоростью протекания процессов

в базе и переходах транзисторов.

Кумуляция токов

может быть вызвана неравномерностью

толщины базы или распределения примесей в запирающем слое транзистора (диода). Это приводит к дополнительным перегревам отдельных областей переходов и ускорению процессов старения. Вследствие рассеяния мощности Рэл внутри прибора возникают температурные градиенты, увеличивающие возможности от­ каза.

19