Выходные и первичные параметры

Все физические величины, характеризующие объект, процесс или внешнюю среду, в технике называются параметрами. Применительно к ЭУ различают выходные и первичные параметры.

Выходной параметр характеризует меру функций, для выполнения которых предназначена конструкция РЭУ или технологический процесс. Все другие параметры конструкции или технологического процесса, а также параметры внешней среды, которые в той или иной степени влияют на выходной параметр, называют первичными (иногда входными) параметрами.

Например, для неинвертирующего источника опорного напряжения, на базе операционного усилителя DA1 (рис.), в качестве выходного параметра может рассматриваться выходное напряжение Uвых. Первичными параметрами в этом случае являются параметры резисторов R1-R3, напряжение стабилизации стабилитрона VD1, напряжение источника питания А1, параметры операционного усилителя DA1 (коэффициент усиления, входное сопротивление и т.д.) и параметры окружающей среды.

Устройство (конструкция) или технологический процесс характеризуются совокупностью выходных параметров. Для усилителя звуковых частот это, например, выходная мощность, коэффициент усиления по мощности, коэффициент нелинейных искажений, диапазон воспроизводимых частот и т.д. В зависимости от решаемой задачи может рассматриваться один или несколько выходных параметров.

Каждый элемент ЭУ может описываться совокупностью первичных параметров. Однако в зависимости от сущности рассматриваемого выходного параметра ЭУ во внимание могут приниматься один или несколько первичных параметров.

Под внутренними и внешними понимают параметры, характеризующие соответственно составные части ЭУ (технологического процесса) и внешнюю по отношению к нему среду. Например, если для источника опорного напряжения в качестве выходного параметра рассматривать напряжение U_вых то внутренними параметрами будут сопротивления резисторов R1-RЗ, напряжение стабилизации стабилитрона VD1, и параметры операционного усилителя, а внешними – сопротивление нагрузки, напряжение источника питания А1, температура окружающей среды и др. как уже отмечалось, внутренние и внешние параметры обобщеннообобщённо называются первичными. Употребление терминов "выходной" и "первичный" параметры в известной степени носит условный характер и зависит от уровня структурной единицы конструкции РЭУ или технологического процесса. Например, выходные параметры каскадов и функциональных узлов могут рассматриваться как первичные параметры для блоков, а выходные параметры блоков – как первичные для радиоэлектронного аппарата в целом.

Чтобы использовать РЭУ по назначению, надо чтобы его выходной параметр у лежал в определённых пределах от Y_min до Y_max. Из-за наличия производственного разброса параметров элементов ЭУ выходной параметр может выходить за пределы указанного диапазона.

Пример – за счёт неудачного сочетания производственных отклонений параметров элементов (резисторов, транзистора, конденсатора) коэффициент усиления каскада Ку может выйти за пределы заранее оговорённых норм.

Для количественной оценки процента выхода годных к эксплуатации устройств используют вероятность

Р(Y_min £ Y £Y_max).

в инженерной практике обычно используют гипотезу о нормальном законе распределения выходного параметра. Тогда вероятность численно равна заштрихованной площади на рис.

Виды допусков, устанавливаемых на параметры

В общем случае под допуском понимают характеристику параметра, которая ограничивает (регламентирует) его предельные отклонения.

В конструировании и технологии ЭУ различают электрические, механические, оптические и т.д. допуски в зависимости от того, на какие параметры они устанавливаются. Кроме того, различают производственный, ремонтный и эксплуатационный допуски.

Производственный допуск регламентирует предельные отклонения (разброс, погрешность) параметра, обусловленные чисто производственными причинами. Производственные отклонения параметров также называют начальными отклонениями или технологическими отклонениями. По этой причине производственные допуски называют также технологическими допусками.

Эксплуатационный допуск регламентирует предельные отклонения параметра, обусловленные как производственными причинами, так и действием факторов окружающей среды и процессов старения. Значение эксплуатационного допуска на изделие обычно указывается в технической документации.

Ремонтный допуск, в отличие от эксплуатационного, не учитывает процессы старения. По значению этого допуска выполняется приёмка изделий в условиях производства и после ремонта.

Допуски могут ограничивать разброс параметров, вызываемый действием отдельных эксплуатационных факторов. В зависимости от того, какой фактор рассматривается, различают: температурный допуск, допуск старения (здесь фактор – время) и т.д.

Температурный допуск на параметр – это характеристика параметра, регламентирующая его разброс, обусловленный действием температуры в заданном диапазоне. Аналогично может быть дано определение и другим допускам (допуску старения и т.п.).

В КД используют как симметричные относительно номинального значения, так и несимметричные допуски.

Пример симметричного допуска: R = 1 кОм ± 10%;

Пример несимметричного допуска: ;

На параметры могут устанавливаться как двухсторонние, так и односторонние допуски.

Приведённые примеры симметричных и несимметричных допусков являются также примерами двухсторонних допусков. Для одностороннего допуска ограничение с другой стороны также имеет место, но значение этой характеристики равно нулю и поэтому может не записываться. Односторонние допуски устанавливают в тех случаях, когда одна из границ параметра (верхняя или нижняя) не играет принципиальной роли. Например, для биполярного транзистора требование к параметру h₂₁ может указываться в виде h₂₁ >20, а для коэффициента пульсации Кп источника питания – в виде Кп <0,01.

На практике для задания допусков используются следующие характеристики (рис):

1. Нижнее (НО) и верхнее (ВО) предельные отклонения.

2. Ширина поля допуска v.

3. Половина поля допуска d.

4. Координата середины поля допуска Е.

Точность выходного параметра характеризует степень приближения его истинного значения к номинальному, при отклонениях первичных параметров, соответствующих производственным погрешностям. Неточность выходных параметров обуславливается производственными отклонениями первичных параметров, иногда говорят начальными или технологическими отклонениями.

На практике для оценки точности как свойства пользуются производственной погрешностью выходного параметра. В силу того, что производственные погрешности первичных параметров являются случайными, случайной является также и производственная погрешность выходного параметра. Отметим, что понятие случайности производственных погрешностей как первичных, так и выходных параметров, не означает "полный хаос". Значения параметров или их погрешностей всегда ограничиваются характеристиками, называемыми производственными допусками. На практике под точностью параметра понимают близость рассматриваемого параметра к его номинальному значению, не уточняя причин, которые вызвали отклонение от номинального уровня.

При эксплуатации РЭУ на них оказывают влияние фактор времени и различные внешние воздействия. Наиболее характерные виды воздействий – тепловые, механические, действие влаги. Под влиянием времени и внешних воздействий в физических структурах элементов РЭУ происходят явления, приводящие к изменению их параметров. Это вызывает изменение выходных параметров. Степень изменения выходных параметров под влиянием времени и воздействующих факторов оценивают таким свойством, как стабильность.

Стабильность – это свойство параметра сохранять своесвоё значение неизменным (постоянным) относительно начального значения при воздействии факторов среды и с течением времени. Когда говорят "низкая стабильность выходного параметра", то имеют в виду, что этот параметр заметно изменяется при воздействии указанных причин. В зависимости от того, какой дестабилизирующий фактор рассматривается при анализе, можно говорить о температурной стабильности, стабильности при действии влаги и т.д.

Определение производственного допуска методом "min-max"

Этот метод иначе называют "определением допусков, исходя из наихудшего случая рассеивания первичных параметров".

Исходными данными являются:

а) производственные (технологические) допуски первичных параметров, обычно в виде значений относительных производственных погрешностей, М(Dх_i/х_i), i = 1, ..., n;

б) уравнение относительной производственной погрешности выходного параметра в виде

где Bi - коэффициент влияния i-го первичного параметра;

Вначале определяется максимальное отклонение выходного параметра, которое он может принять в левой (отрицательной) стороне относительно номинального значения. Затем определяют максимальное отклонение выходного параметра в правой (положительной) стороне. При подсчете указанных отклонений пользуются непосредственно уравнением относительной производственной погрешности выходного параметра, подставляя в него предельные (наихудшие) значения относительных отклонений первичных параметров. При этом предполагается, что известны или каким-либо образом найдены значения коэффициентов влияния В_i. Допуск на выходной параметр устанавливается с учётом рассчитанных отклонений для левой и правой стороны.

Пример.Пусть ЭУ представляет собой делитель напряжения (рис.). В качестве выходного параметра делителя напряжения будем рассматривать коэффициент деления Кд.

Для этого параметра справедливо

Пусть:

R1 = 3 кОм ± 10%;

R2 = 2 кОм ± 10%.

Установим, используя метод "min-max", допуск на коэффициент деления рассматриваемого делителя.

Решение.

1. Получим уравнение относительной производственной погрешности для коэффициента деления. Для этого вначале определим коэффициенты влияния резисторов R1 и R2, воспользовавшись выражением для определения B_i. Получим

Заметим, что коэффициенты влияния первичных параметров могут быть как положительными, так и отрицательными; как меньше единицы, так и больше единицы.

2. Пользуясь выражением для относительной производственной погрешности выходного параметра, получаем уравнение относительной производственной погрешности коэффициента деления Кд.

3. С учетомучётом предельных отклонений относительных производственных погрешностей сопротивлений резисторов, т.е. величин DR1/R1 и DR2/R2, находим максимальное значение относительной погрешности коэффициента деления в левой стороне (или, как говорят иначе, "в минимуме"). Обратим внимание, что максимальному отклонению выходного параметра "в минимуме" соответствуют относительное отклонение -10% для сопротивления резистора R1 и значение +10% -- для сопротивления резистора R2. Получим

4. Аналогично находим максимальное значение величины DК_Д/К_Д в правой стороне ("в максимуме"). Получим

Здесь использованы значения относительных отклонений +10% для параметра R1 и значение -10% для параметра R2.

5. Производственный допуск на коэффициент деления в окончательном виде

D_ПР =(-12 ¼ + 12)% = ±12%.

Основным недостатком метода "min - max" является то, что он даетдаёт в большинстве случаев завышенное значение допуска, причём, допуск завышен тем больше, чем большее число первичных параметров входит в математическую модель устройства или процесса. Следствием этого являются неоправданно жёсткие требования к диапазонам изменения (допускам) первичных параметров. Вероятность возникновения наихудшего случая, как правило, крайне мала и реальный разброс выходных параметров оказывается намного меньше, чем предсказанный по методу "min - max".

Достоинством метода является его простота. Если полученный допуск устраивает заказчика, то нет необходимости применять более сложные методы.