Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Anno Accademico 2001/2002 Predizione di affidabilità di un sistema elettronico “ABANA Suppliers” Gruppo 14 Ansaloni M. Bulgarelli A. Neri D. Popovac A. Rocchetti A. INDICE 1.GENERALITA' ................................................................................2 1.1 IL SISTEMA ANALIZZATO .............................................................................2 2.SCHEMA ELETTRICO ED ELENCO COMPONENTI ...........................2 2.1 SCHEMA ELETTRICO ......................................................................................2 2.2 COMPONENTI ...................................................................................................3 3. CALCOLO DEL FAILURE RATE DI OGNI COMPONENTE .................4 3.1 DATI IN INGRESSO E IPOTESI.......................................................................4 3.2 RISULTATI .........................................................................................................4 4.CALCOLO DEL FAILURE RATE DEL SISTEMA COMPLESSIVO .........5 4.1.CALCOLO DI λ...................................................................................................5 4.1.1.CALCOLO DI A ...........................................................................................5 4.1.2.CALCOLO DI B ...........................................................................................6 4.1.3.FAILURE RATE COMPLESSIVO..............................................................6 4.1.4.TEMPO MEDIO AL GUASTO....................................................................6 4.2.FUNZIONI DISTRIBUZIONE DI PROBABILITA’ DI GUASTO E DENSITA’ DI PROBABILITA’ DI GUASTO.........................................................7 4.2.1.DISTRIBUZIONE DI PROBABILITA’ DI GUASTO ................................7 4.2.2.DENSITA’ DI PROBABILITA’ DI GUASTO ............................................8 Allegati Data sheet dei componenti analizzati Analisi di affidabilità – Abana Suppliers – Gruppo 14 1 1.GENERALITA' Viene qui presentata l'analisi di predizione di affidabilità di un sistema elettronico, condotta mediante il programma RDF93 della France Telecom, riveduto e corretto da N. Lovadina e M. Ansaloni. 1.1 IL SISTEMA ANALIZZATO Il sistema in esame è un alimentatore in tensione continua stabilizzato a 5V con erogazione massima di corrente pari a 1A, con l'esclusione del trasformatore in ingresso. 2.SCHEMA ELETTRICO ED ELENCO COMPONENTI 2.1 SCHEMA ELETTRICO 2 Analisi di affidabilità – Abana Suppliers – Gruppo 14 2.2 COMPONENTI C1 Condensatore elettrolitico (alluminio) Illinois Capacitors 108CKR050M 1000 µF - 63 V Temperatura di utilizzo: da -40C a +85C C2 Condensatore elettrolitico (alluminio) Illinois Capacitors 106PUM050M 10 µF - 63 V C3 Condensatore plastico (poliestere) Evox Rifa MMK5 103K63J01L4 100 nF - 63 V D2 4 diodi rettificatori a giunzione (Silicio) Fairchild 1N5391 D3 Diodo rettificatore (di protezione) a giunzione (Silicio) Philips 1N4001ID D4 Diodo LED Sanken SEL1010R JP1, JP2 Connettori a vite ("mammuth") R1 Resistore a film di carbonio KOA RD16S 330 Ohm , 1/4 W U1 stabilizzatore di tensione a 5V integrato ST L7805AB I dati completi relativi a tutti i componenti sono disponibili nei data sheet in allegato. Analisi di affidabilità – Abana Suppliers – Gruppo 14 3 3. CALCOLO DEL FAILURE RATE DI OGNI COMPONENTE 3.1 DATI IN INGRESSO E IPOTESI I dati in input al programma RDF93 sono stati ricavati dai data sheet dei componenti stessi, dall'analisi del circuito e da alcune ipotesi sul tipo di utilizzo del sistema e dall'ambiente in cui si è supposto che esso debba operare. In particolare 3 ipotesi sono state considerate valide per tutti i componenti: - classe di qualità CECC o equivalente (in quanto tutti i componenti aderiscono a queste specifiche) - condizioni climatiche Ground, Stationary, Weatherprotected (è stato ipotizzato un uso "domestico") - Temperatura ambiente di 25 °C Inoltre è stato considerato un uso non continuativo del sistema (l'analisi di alcuni componenti richiede questo tipo di ipotesi) Tutti gli altri dati in input sono desumibili dalle caratteristiche e dall'analisi del circuito. 3.2 RISULTATI Vengono di seguito riportati i failure rate calcolati per ogni componente (λf = PFR = Predicted Failure Rate) Componente C1 C2 C3 D2 D3 D4 JP1, JP2 R1 U1 -9 λf 0.8 * 10 / h 0.8 * 10-9 / h 0.3 * 10-9 / h 3.0 * 10-9 / h (per ognuno dei diodi) 2.4 * 10-9 / h 5.2 * 10-9 / h * 2.1 * 10-9 / h (per ogni connettore) 0.2 * 10-9 / h 8.4 * 10-9 / h Tabella 1: failure rate componenti * Per quanto riguarda il LED D4 l'output riporta che il failure rate si può assumere costante (dopo la "mortalità infantile"), specificando che tale assunzione può essere ritenuta valida per un periodo inferiore a 30 anni. 4 Analisi di affidabilità – Abana Suppliers – Gruppo 14 4.CALCOLO DEL FAILURE RATE DEL SISTEMA COMPLESSIVO 4.1.CALCOLO DI λ Il calcolo è svolto secondo le formule a pag. CH3 del manuale RDF93, qui riportate: [ ) ] ( [ ] A = ∑ π qs λ s ⋅ π R + 75 ⋅ 10 −3 ⋅ N S ⋅ π T ⋅ π R + λ R π E + ∑ π qf λ f + 50 ⋅ 10 −3 ⋅ N f ⋅ π T ⋅ π E + ∑ λ d ⋅ π qf ⋅ π E N 1 + 0. 1 S B = 5 ⋅ 10 −3 ⋅ π t ⋅ π c N t 1 + t + N p ⋅ ⋅ π L π pq ⋅ π E 3 S Equipped board failure rate = ( A + B ) ⋅ 10 −9 / h Tali formule tengono conto dei fattori di affidabilità introdotti nel montaggio. 4.1.1.CALCOLO DI A Il termine A considera la variazione di affidabilità dei componenti dovuta al montaggio degli stessi sulla piastra. Non essendo presenti componenti "surface mounted" il primo addendo della formula per il calcolo di A risulta nullo. Secondo addendo (di A) – componenti “through hole”: πqf = 2 (montaggio a mano) λf = failure rate del componente (vedi Tabella 1) Nf = numero connessioni di ogni componente sulla piastra (2 per tutti i componenti, tranne che per U1, per il quale Nf vale 3) πT = 10 (saldatura a mano) πE = 1 (ambiente: ground, stationary, weather protected) Terzo addendo (di A) – connessioni: Essendo i fattori λd, πqf e πE uguali per tutti i componenti, il terzo addendo della stessa formula risulta pari al prodotto di λd * πqf * πE * il numero di componenti (cioé13). λd = 0.5 (saldatura a mano) πqf = 2 (come sopra) πE = 1 (come sopra) In base a questi dati il valore di A risulta pari a 108.6 Analisi di affidabilità – Abana Suppliers – Gruppo 14 5 4.1.2.CALCOLO DI B Il termine B rappresenta il tasso di guasto della piastra a cui sono connessi i componenti πt = 1 (dal grafico a pag. CH3 del manuale) πC = 1 (numero strati della piastra = 1) S = 7.7 cm3 (superficie della piastra – dimensioni 3.5 cm x 3.5 cm) Nt = 27 (numero fori sulla piastra) πL = 1 (dimensione della traccia più larga circa 1 mm) πq1 = 1 (CECC) πq2 = 1.5 (no etching) πqg = πq1 * πq2 = 1.5 πE = 1 (ambiente: ground, stationary, weather protected) In base a questi dati il valore di B risulta pari a 4.92 4.1.3.FAILURE RATE COMPLESSIVO Il tasso di guasto complessivo del sistema assemblato risulta: λ= 113.52 * 10-9 / h 4.1.4.TEMPO MEDIO AL GUASTO Il valore di MTTF (Mean Time To Failure) risulta: 6 MTTF = 1 = 1 − 9 = 8.8 ⋅ 10 ore λ 113.52 ⋅ 10 Pari a 8809020ore 26min.13sec. 6 Analisi di affidabilità – Abana Suppliers – Gruppo 14 4.2.FUNZIONI DISTRIBUZIONE DI PROBABILITA’ DI GUASTO E DENSITA’ DI PROBABILITA’ DI GUASTO Sono di seguito riportate le funzioni distribuzione di probabilità di guasto e densità di probabilità di guasto relative all’analisi svolta, insieme ad una loro rappresentazione grafica. Al fine di ricavare tali funzioni si è utilizzala la distribuzione esponenziale, in base all’ipotesi di tasso di guasto costante. 4.2.1.DISTRIBUZIONE DI PROBABILITA’ DI GUASTO In base al valore di λ calcolato la funzione distribuzione di probabilità di guasto risulta: F (t ) = 1 − e − λt =1− e −113.52⋅10 −9 t con t espresso in ore Graficamente: 1 0.9 0.7 0.6 F(t) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 25 0 00 0 50 00 00 0 75 00 00 10 00 00 0 0 12 00 50 0 0 15 00 00 0 0 17 00 50 0 0 20 00 00 0 0 22 00 50 0 0 25 000 00 0 27 00 50 0 0 30 00 00 0 0 32 00 50 0 0 35 00 00 0 0 37 00 50 0 0 40 00 00 0 0 42 00 50 0 0 45 00 00 0 0 47 00 50 0 0 50 00 00 0 00 00 Probabilità di guasto 0.8 Tem po (ore) Analisi di affidabilità – Abana Suppliers – Gruppo 14 7 4.2.2.DENSITA’ DI PROBABILITA’ DI GUASTO In base al valore di λ calcolato la funzione densità di probabilità di guasto risulta: f (t ) = λe − λt −9 = 113.52 ⋅ 10 e −113.52⋅10 −9 t Graficamente: 9.E-08 Densità di probabilità di guasto 8.E-08 7.E-08 6.E-08 5.E-08 f(t) 4.E-08 3.E-08 2.E-08 1.E-08 25 00 0 50 00 00 0 75 00 00 10 00 00 0 0 12 000 50 0 15 000 00 0 17 000 50 0 20 000 00 0 22 000 50 0 25 000 00 0 27 000 50 0 30 000 00 0 32 000 50 0 35 000 00 0 37 000 50 0 40 000 00 0 42 000 50 0 45 000 00 0 47 000 50 0 50 000 00 00 00 0.E+00 Tem po (ore) 8 Analisi di affidabilità – Abana Suppliers – Gruppo 14