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

Рассмотренные факторы ускоряют процессы по сравнению с тепловым старением и могут быть учтены введением дополнитель­ ного члена S(P3j-i) в уравнение Аррениуса

определяемая как окружающей температурой, так и рассеиваемой

вприборе мощностью.

Внекоторых случаях, обычно при испытаниях приборов новых конструкций, проводят испытания циклированием мощности. Это более эффективный способ выявления скрытых дефектов, чем хра­

нение при температуре или испытание с постоянной нагрузкой. При таких испытаниях становятся более вероятными механические отказы, вызванные различием коэффициентов температурного рас­ ширения и сжатия деталей, а также давлением находящихся вну­ три корпуса газов, которые периодически расширяются. При циклировании мощности увеличивается усталость соединений, выяв­ ляются слабые места в спаях и сварных швах, что может привести к повреждению корпуса и нарушению герметичности. В литерату­ ре отмечаются более резкие изменения обратного тока коллектор­ ного перехода при циклировании мощности, чем при испытаниях в режимах с постоянной нагрузкой. При испытаниях с циклированной нагрузкой даже в случае более низких температур перехода транзисторы стареют скорее, чем при испытаниях с постоянной на­ грузкой.

Наиболее близки к реальным условиям испытания в режиме пе­ реключения. В этом случае, кроме воздействия температуры, на­ пряжения и токов, транзисторы и диоды, как и в реальных схе­ мах, подвергаются перегрузкам во время переходных процессов. Однако такие испытания трудоемки и требуют специального обо­ рудования.

Для того чтобы можно было распространить результаты уско­ ренных испытаний на нормальные условия, необходимо определить зависимость интенсивности старения от температуры и мощности рассеяния. Так как процесс старения в нормальных условиях про­ текает очень медленно, то практически такие зависимости могут быть определены только для области высоких нагрузок (темпера­ туры, мощности). Экстраполяцию к нормальным режимам можно осуществить лишь в значительной степени приближенно, так как всегда существует вероятность того, что в нормальных условиях в течение длительного времени и при относительно кратковремен­ ных повышенных нагрузках могут преобладать различные воздей­ ствующие факторы; различными будут и причины отказов. Напри­ мер, различно ускоряющее влияние температуры на процессы кор­ розии сварного соединения корпуса и процессы на поверхности кристалла транзистора (рис. 14). Так, имеются большие выбросы тока /1;о у транзисторов, хранившихся при комнатной температуре,

20

тельны. Эти выбросы /ко могут быть объяснены нарушением гер­ метичности корпуса. Аналогичные выбросы в случае хранения в условиях повышенной температуры при. пересчете времени к нор­ мальной температуре происходят при существенно большем вре­ мени хранения, что лишь подтверждает различие причин отказов.

Рассмотрим возможность экстраполяции результатов ускорен­ ных температурных испытаний к нормальному режиму. В общем случае исследуемый параметр транзистора является функцией мно­

Изменение этого параметра в процессе старения является след­

Положим, что Az<CzHb AXj<C*i- Тогда разложив уравнение (16) в ряд Тейлора (пренебрегая членами второго порядка малости) и

Разделив полученное выражение на (15), получим относительное изменение исследуемого параметра при старении:

каждого отдельного процесса в изменении исследуемого параметра.

21

Знак перед коэффициентом может быть как отрицательным, так и положительным, т. е. возможны процессы, приводящие как к дегра­ дации, так и к улучшению параметра.

В общем случае (при двухзнаковых процессах), если заранее не известны законы изменения от ускоряющих факторов каждого из этих процессов, даже приближенная экстраполяция ускоренных испытаний к нормальному режиму невозможна. Однако опыт соз­ дания различного рода приборов, устройств, машин и др. показы­ вает, что еще не было таких изделий, которые улучшали бы свои полезные характеристики в процессе эксплуатации (если не счи­ таться с отдельными относительно кратковременными процес­ сами) .

Поэтому принцип, на основе которого построены дальнейшие выводы, сформулируем следующим образом: воздействия на при­ бор в процессе испытания и длительность их настолько значитель­ ны, что все процессы, приводящие к улучшению характеристик, за­ кончились в начальной стадии и можно считать, . что в течение испытаний происходят лишь процессы, приводящие к деградации параметров (например, к уменьшению В и увеличению /ко). Ско­ рость многих реальных физико-химических процессов в функции температуры подчиняется экспоненциальному закону Аррениуса. Поэтому при экстраполяции результатов ускоренных испытаний в условиях повышенной температуры к нормальному режиму целесо­ образно воспользоваться именно этим законом.

Пусть изменения в результате старения исследуемого парамет­ ра являются следствием одного единственного химического процес­ са, подчиняющегося закону Аррениуса [см. формулу (13)]. Если известны скорости изменения параметра при Т\ и Т2>Т\, то коэф­ фициент ускорения процесса при повышении температуры до Т2 будет

t \\2

При этом, если известны результаты испытаний за время tn в условиях высокой температуры Т, может быть найдено необходи­ мое время испытаний tnx при другой температуре ТЖ<Т:

(21)

22

Таким образом, в рассматриваемом случае экстраполяция воз­ можна.

Если скорость изменения исследуемого параметра является функцией нескольких п независимых процессов, то, используя раз­ ложение в ряд Тейлора, аналогично рассмотренному выше, разде­ лив выражение (17) на А/ и перейдя к бесконечно малым, ее мож­ но представить как

Возможны два случая: когда А х~ А2~...«А л = Аа; Ег -

т. е. приводится к виду выражения (13), и, следовательно, экстрапо­ ляция возможна.

Во втором, наиболее общем случае, если неизвестны отдельные составляющие процессов, относительно точная экстраполяция невоз­ можна. Так, если экстраполяцию осуществлять с помощью закона Аррениуса, то для однознаковых процессов наибольшая ошибка будет при I = 2 и в случае, когда один из процессов не ускоряется темпе­ ратурой, т. е.

%■= Ахе ~ ^ + А2е~Г».

ускорение в то время, как реальное ускорение процессов выше. Пусть изменение параметра г происходит в соответствии с урав­

нением (22), а экстраполяция к меньшим температурам осуществлена в соответствии с уравнением Аррениуса. В этом случае наибольшая ошиб­ ка будет при условии, что испытания проводятся в интервале температур 7 И1 и 7'и2 при 7 „г > 7 „1 > 7 0, где роль зависящего от температуры

23