论延长贵重电子设备的使用寿命

作者/林明勇、林德耀、叶轻舟、林淑华，福建工程学院信息科学与工程学院(福建福州350118)

论延长贵重电子设备的使用寿命

作者/林明勇、林德耀、叶轻舟、林淑华，福建工程学院信息科学与工程学院(福建福州350118)

电子设备的使用寿命虽说与电子设备本身的质量密切相关，但即使设备本身质量一流，如果使用与维护不当，设备很快就会损坏。作者阐述了电子设备在电路设计、所选元器件及其装配焊接工艺均完好的情况下，针对如何提高电子设备尤其是贵重电子设备的使用寿命进行多方位的剖析。从建立设备可靠性的数学模型入手，阐述如何运用正确的方法对设备进行实时与定期维护相结合,才能避免电子设备易损元器件在工作中所发生的瓶颈效应。以彩色电视集中信号源为例，进行设备的可靠性分析，给出了提高设备使用寿命的操作规程。实际证明，作者提出的维护方法有效地延长了该套设备的使用年限。

贵重电子设备；延长寿命；维护；瓶颈效应

提高电子设备的使用寿命是人们所关心的问题。无论购进何种设备，只要使用、维护得当，就会延长设备的使用寿命；反之，无论怎样先进、质量怎样好的电子设备，在日常使用与维护中如果方法不当，就会加速设备的老化与损坏；上述正反两方面的例子在现实生活中不甚枚举。本文以理论做向导，引领人们对设备进行科学的维护，结合实例阐述如何让设备为人们发挥最大的效益。

1.电子设备的使用寿命

■1.1 电子设备可靠性与寿命的关系

电子设备使用寿命一般指设备经过众专家认定设备确已损坏且无法修复待报废的日期减去设备购进日期的值，称之为设备的使用寿命，单位为“年”。设备的使用寿命可采用可靠性指标来衡量，可靠性MTBF，一般是指平均无故障时间，英文全称是“Mean Time Between Failure”，是衡量一个产品（尤其是电子产品）的可靠性指标，单位为“小时”，它定义为利用数学统计方法计算出设备发生两次故障之间的运行时间，一般采用发生10次数两次故障时间的平均值。MTBF值越大，设备质量就越好寿命也越长，反之则越低；也可用λ值表示，λ值是表示年平均故障率，λ=1/MTBF，显然λ值越低质量越好寿命越长，反之则相反。

■1.2 电子设备故障率的估算

（1）以国家标准GB9813–2000中对电脑的MTBF要求为4000小时，那么λ=1/4000=0.00025，若电脑每天24小时不停工作，单台电脑年平均发生的故障次数：0.00025×24×365=2.19次，即单台发生故障的平均时间：365/2.19=167(天)，相当于近半年发生一次故障；同理，如果是MTBF值为8000小时，就相当于1年维修一次。

（2）若电子设备一天工作8小时，MTBF要求为6000小时，那么λ=1/6000=0.00016667，单台年平均发生的故障次数为：0.00016667×8×365 ≈ 0.5（次），即单台发生故障的平均时间为：365/0.5=730(天) = 2年。

2.故障树构成与结构函数的描述

■2.1 建立故障树的动机

故障树的建立是为了便于更好地分析系统设备发生故障的概率，首先建立系统故障树分析模型[3]，找出系统可能发生故障的环节，进一步确定影响系统可靠性的薄弱点，以便于对系统进行更好的维护，从而延长系统设备的使用寿命。

■2.2 模型的框图符号建立

（1）图形符号：“□”表示顶事件，顶事件表示逻辑门的输出，指系统设备不该发生的事件，即故障。

■2.3 故障树的结构框图

本故障树的结构为串联模型[3]，由底事件、顶事件、逻辑“或”门系统构成，其框图如图1所示。

图1 故障树的串联结构模型

■2.4 故障树结构函数的描述

（1）设n个底事件，即构成子设备的元器件,且事件间的故障是彼此独立的，φ (X)为故障树的数学结构函数，变量 Xi表示故障树底事件元器件工作状态的状态变量，φ (X )取值 0，1。

(2)故障树“或门”输出的结构函数

从式（1）可看出，当结构树函数的底事件Xi（Xi只能为0或1），即构成子设备的元器件一个或多个失效（ Xi=1），造成底事件故障；由式（3）获悉，经过“或门”处理后，输出的系统顶事件（系统设备）就发生故障，这是串联型可靠性系统结构的特点。总之，只要子设备中一个或一个以上的元器件失效，就会构成子设备的故障，导致顶事件系统设备发生故障。

■2.5 故障树数学模型的建立与分析

故障树数学模型的建立[1]满足二项分布规则。

二项分布参数假设：

（1）试验次数n是一定的；

（2）试验的结果只有成功概率p与失败概率q两种，且p、q为常数，p+q=1。

在n次试验中，r次成功和（n–r）次不成功的概率Pr为：

若随机变量X服从二项分布，那么期望E(X)及方差Var(x)分别为：

在一个系统若含有n个相同的元件，至少有r个元件完好，则系统完好的概率为：

如果n=r，那么上述（8）式可改为：

例：如果一个设备其中一个元件或器件的完好率均为99.99%，若该设备有100个类似的元件或器件构成，那么设备的总完好率P大约是多少？由上式简化公式(9)得：

P（完好率）=pr=(99.99%)100=99.005%

综上所述，当设备所含的元器件越多，设备的完好率就越低、故障率就越高。

3.探寻延长贵重电子设备的使用年限

■3.1 贵重电子设备主要特征

贵重电子设备顾名思义也是由不同的元器件组合而成其明显特征有三点：其一是电子设备价值高，一般在10万元以上；其二电子设备结构较为复杂、精致。其三电子设备操作难度大，操作人员一般均需要培训，培训合格后方可上岗操作。

贵重电子设备构成特征：一般是由一个或若干个子设备或子部件组合而成。这些子设备或子部件都是由不同的电子元器件焊接装配而成。电子元件一般指电阻、电容、电感、晶振、滤波器等；器件一般指二极管、稳压管、三极管、集成电路等。

■3.2 贵重电子设备“长寿”秘诀

俗话说：“知己知彼，才能百战不殆”，要让它“长寿”，就得知道其长寿的秘诀，一般情况下可以这样认为，只要有一个元件或器件损坏，就认为设备已损坏，元器件的损坏有内部和外部的原因。内部原因即元器件的自身质量问题，外部原因就是设备的使用问题。在撇开设备自身质量的情况下，探寻设备损坏是由外部何原因引起；也就是要探寻设备元器件的损坏，尤其是易损元器件损坏的原因。

易损件指二、三极管，集成电路，电阻、电容等；非易损件如电感、滤波器，晶振等。对于贵重电子设备，若日常使用与维护方法得当，就会延长电子设备的使用寿命；反之，则容易造成电子设备的故障，从而缩短电子设备的使用寿命。

3.2.1 易损元器件特征及其损坏原因

所谓设备的易损件，换言之就是容易损坏的元器件；前述设备中只要一个元件或器件损坏，就可视为设备已损坏，可见易损元器件是造成设备使用寿命瓶颈效应的祸端。因此欲延长设备的使用寿命，就必须要先了解易损元器件的特征。

（1）电解电容器，在检测电解电容器时，要先对电容器进行放电，特别是对于大容量的电解电容器，直接短路两个引脚进行放电，然后用机械式万用表，一般情况下，1000μF以下的电解电容器可采用R×1kΩ档，大于1000μF以上的电解电容器采用R×100Ω档，红表笔接电容负极，黑表笔接电容正极，在刚接触的瞬间，电容器被充电，电容量越大万用表指针即向右偏转幅度也就越大；接着逐渐向左回转，直到指针停在某一位置，此时的阻值即是电解电容的正向漏电阻，正向漏电阻略大于反向漏电阻。电解电容的漏电阻一般应在几百kΩ以上，电容量越大漏电阻越小，反之则越大。在测试中，若正向、反向均无充电的迹象即万用表表针正负极同时分别碰触电容器两个引脚的瞬间，表指针始终停留原位均不偏移，则说明此电容容量消失或内部断路；如果所测阻值很小或为零，说明此电容漏电大或已击穿损坏，不能使用。电解电容在设备中使用量大损坏率高。主要有以下几种表现：一是完全失去容量或容量变小；二是轻微或严重漏电；三是失去容量或容量变小兼有漏电；损坏原因一般是过压引起或设备长期断电不用电解液干枯造成的。

（2）电阻：开路（∞）或阻值变大；损坏原因大多是过压或过流造成。

（3）二、三极管，若是硅材料制作的，如二极管1N4007、1N4148,三极管如2SC9013、2SC9018等，正常时PN结的正向电阻3～7k，反向电阻为∞。损坏时表现为PN结击穿（电阻为零）或开路（电阻为∞）；损坏原因大多为过压或过流造成。

（4）集成电路，内部电路或击穿烧毁或开路，检测时在脱机状态下，疑是损坏的集成块与好的同型号集成块逐脚对接地脚测其电阻进行比较后，即可确认该集成块是否已损坏；损坏原因大多也是过压或过流造成。

3.2.2 避开易损元器件的瓶颈效应，提高设备使用“寿命”

避开易损元器件的瓶颈效应，就应从易损件损坏的原因入手，易损件是在特定的条件下，才会发生元器件的损坏；如果我们在使用中避开这些特定条件，“易损”元器件就可以转化为“非易损”元器件，这样就避开了易损件对设备使用寿命所产生的瓶颈效应，也就能延长系统设备的使用寿命。具体做法如下：

（1）严格按设备操作规程开、关机；避免了非正常开、关机，电路中的易损元器件受瞬间异常电压的冲击而损坏。

（2）电子设备不宜在高温下长时间工作，以免易损件因表面温度过高而烧毁；设备应在温湿度适宜的环境中工作。

（3）电子设备不应在空气湿度大或潮湿的状态下开机；因为空气是流动的，潮湿空气会弥漫到设备内部以及各个元器件的表面，至于会不会造成电路故障，这就要视各个设备电路属性；大多数的局部电路工作均正常，但有的局部电路对湿度很敏感或许就会造成电路工作异常而使设备损坏。对于长期不用的电子设备，每隔一段时间，在晴天湿度低的情况下，开机约半小时，其一可去除湿气；其二可激活设备中各个电子元器件的活力，起到抗衰老的作用，如电解电容器，开机后有利于电解电容器内部电荷的流动，这样电解液就不易干枯而损坏。

（4）市电电压要稳定，否则设备中的易损件易受市电瞬间电压波动的冲击而损坏。

（5）电子设备要注意防尘，以免设备内部易损件在静电效应中而损坏。

4. “彩色电视集中信号源”贵重电子设备的“长寿”实例剖析

作者以本单位2000年从福建某大型（破产）工厂廉价购进曾用于生产线上的“彩色电视集中信号源”设备，作为实例进行剖析，该设备是上世纪80年代初期由福建某工厂从日本购进，当年购进的原值为140多万元人民币，属闭路电视播放设备。电子设备的寿命一般在5～15年左右，依据《中华人民共和国公共安全行业标准GA185–1998》附件3（常见设备经济寿命参考年限）的有关规定，获悉闭路电视播放设备使用寿命参考年限为10 年。

该设备采用下述的维护方法，延长了使用寿命，至今已使用33年，远远大于使用年限为10年的参考年限。该设备曾与卫星电视构成电类专业学生“卫星与有线电视安装调试”为期一周的工程实践必修课；如今该设备仍然焕发着生机，还能与电话网、互联网设备构成三网融合的实验如图2所示。

图2 三网的融合实验

■4.1 彩色电视集中信号源构成

该设备由各个频道的有线电视通路混合后形成，每一频道通路均有①视频信号发生器，②音频信号发生器，③特定频道电视调制器，④特定频道放大器，⑤各自频道供电电路构成，⑥各自频道无源滤波器，⑦无源混合器组成，其结构框图如图3所示。上述①～⑦各个子设备如视频信号发生器、音频信号发生器的子设备等构成故障树的n=7个底事件或基本事件，只要一个或一个以上子设备出现故障，彩色电视集中信号源的设备就可视为发生故障。

■4.2 分析影响设备可靠性的因素

电子设备的维护从技术角度来说，不应分贵重与非贵重。但若设备贵重，意味着设备价值高，更会引起人们的关注。

原则上来讲，系统设备上所有元器件的损坏都会造成系统设备的故障，只是对于易损件来说更易造成设备的故障。

影响本系统设备可靠性指标的主要因素是上述4.1所指的①～⑤子设备，要通电后子设备才能工作，称为有源子设备，属易损子设备；而⑥、⑦子设备，无需通电就能工作，称无源子设备，属非易损子设备，其故障率极低，一般情况下，在影响系统设备的可靠性方面可忽略不计。本系统设备的各个子设备均属电子产品，这些子设备同时工作、通力协作，才能实现系统设备的功能。

图3 彩色电视集中信号源的构成框图

■4.3 彩色电视集中信号源的可靠性分析

依据式（9），P（完好率）= R = Pn= Pr所计算出的彩色电视集中信号源各个子设备的完好率如表1 所示，视频信号发生器的可靠性为99.27%，音频信号发生器的可靠性为99.39%，电视频道调制器的可靠性为99.19%，电视频道调制器的可靠性为99.98%，频道供电电路系统的可靠性为99.27%，电视频道的可靠性为99.27%，设备总完好率即总可靠性为96.87%。在这可靠性仅为96.87%的情况下，如何克服设备中易损元器件给设备的使用寿命构成瓶颈效应,充分发挥构成设备基本单元各个元器件的潜能，延长设备发生故障的时间，这是下节所要阐述的内容。

表1 彩色电视集中信号源可靠性

■4.4 制定彩色电视集中信号源的操作规程

制定严格的操作规程，激活电子设备各元器件的活力，避开易损元器件的瓶颈效应，提高设备的使用寿命。

4.4.1 开机去潮、去湿

（1）本系统设备属于不常用的设备，约1至2周内必须开机半小时,去潮除湿。

先开视、音频发生器小电流的电源，后依次打开电视调制器、频道放大器，中、大电流的电源，相应的指示灯被点亮；开机半小时后关机，关机时本着先开后关、后开先关的原则依次使设备处于关机状态。

（2） 信号源各设备的调校规程

按上述（1）的步骤开机后，预热时夏天隔2分钟、冬天5分钟后，对各仪器设备要进行调校。

4.4.2 监视器调校步骤

按下监视器面板PAL开关，使监视器处于接收彩色电视广播测试图的PAL信号如图4所示，彩色电视广播测试图的信号即刻显示在屏幕上，调亮度、对比度、色度等旋钮使图像色彩、亮度与灰度都处于最佳状态,各指标如下：

（1）制式：PAL或PAL/N、M处于PAL/D制。数字视频信号编码，数字信号的格式为RGB4;工作频率13.5MHZ主要技术规定符合相关国标的要求。

（2）图形：标准的彩色电视广播测试图（飞利蒲标准）该测试图包括黑白矩形护边框，护边框内是灰度白方格和六种色差信号。

图4 飞利蒲彩色电视广播测试图

①图形的正中央是大圆，圆内信号包括台标、频道数、彩条、黑白方格、灰度、清晰度线、中心十字、黑针（还可包括台徽）。边框（非显区）：水平的左右分别为1.777μs垂直的上下（非显区）分别为14行和13行；显示区水平为48.446μs、垂直为548行。

②底白线：水平线14条，线宽1行/场，共2行，垂直线18条，线宽222ns（标准为230ns±10ns）。

③圆的尺寸：垂直高度504行（占全图垂直方向的87.7%），水平宽度34.2μs。圆中心在垂直方向288行，水平方向26μs，处于（屏幕）显示区正中心位置。

④灰底：从黑到白的50%等级。

⑤圆内多波群：分别为（从右到左）4.8（450线）、3.8（380线）、2.8（300线）、1.8（220线）0.8MHz（140线）。

⑥彩色块：100/0/75/0彩条。75%幅度的黄、青、绿、紫、红、蓝。

⑦圆外色差信号：左上长条为：—（R—Y）270度，短条为G－Y=0 ， 326度（右上短条同）左下长条为＋（RY）90度，左下短条为（G－Y）=0，146度（右下同），右上长条为－（B－Y）=0，180度，右下长条为＋（B－Y），0度。

⑧圆内白色十字线：水平线宽2行，垂直线宽222ns。

（3）视频输出：正极性幅度 1Vp–p，75Ω。

（4）同步信号：水平同步15625HZ；垂直同步50Hz。

（5）色度信号：副载波频率：4.433619MHz。矢量误差：小于3度（PAL）。

（6）伴音：内调制6.5MC/1000Hz（特殊要求可定做），外调制可音频输入，音量大小可调节。

（7）频道：1–56频道（L频段1–5，H频段6–12，U频段 13–56）。

（8）总功耗≤100W。

4.4.3 PAL制矢量示波器操作规程

521A VECTORSCOPE PAL制矢量示波器操作规程：分别按下仪器左侧“CHA”、“FULL FIELD”、“AΦ/BΦ ALT”健，再按下右侧“VECTOR”按键，其余按键弹出，VECTORS拨动开关至中间位置，调PHASE旋钮，使代表色幅度和相位的各绿色亮点与基准信号的绿色亮点重合。

4.4.4 逐行示波器操作规程

1485R WAVEFORM逐行示波器操作规程：将面板左侧的档位开关至相应位置：INPUT →A ,VOLTS→PULL,SCALE→1.0,RESPONSE→TLAT，VERTICAL→ 适中，左侧下方FAST，SYNC、OPER逐个按下；右侧MAGNIFIER，DISPAL 至中间位置。

调亮度、对比度电位器至适当位置，直至屏幕显示波形清晰为止。

4.4.5 检修

要定期地对各个子设备进行电性能检测，遇到异常等问题应立即进行检修。

5.结论

电子设备实际上就是若干数量的电子流（正电荷或负电荷） 按各个设备电路原理所规定的路径、运动速度有规则地运动着，形成了功能各异的电子产品，为各行各业的人们服务。

上述这些电子在运动的过程中，若电荷运动的通路受阻或运动速度突然加快等原因均会造成电荷瞬间在某处堆积、挤压与碰撞，导致局部元器件发热、发烫而烧毁。如何避免这种现象的发生，激发构成电子设备基本单元的元器件活力，延长设备的使用寿命,也正是作者的经验之谈。

（1）加强对贵重设备管理人员的素质教育，制度化管理与人性化管理相结合，本着对人民财产负责任的态度，积极开展对贵重设备的维护工作。

（2）加强对贵重设备的管理，订立贵重设备操作规程，操作人员应培训合格后方可持证上岗；同时建议订立贵重设备管理问责制。

（3）保持贵重设备的的良好工作环境，一般情况下，室内温度保持在摄氏25±1℃，湿度45±5%较为合适，特殊设备以产品说明书为准。

（4） 防尘与除尘：对长期不用的设备要进行断电处理，断电后要用防尘布遮盖，以免灰尘通过空气的流动而进入设备；同时还要定期对设备表面进行清洁的除尘处理，以免粉尘聚集发生静电感应而损坏设备。

（5）防潮、防湿、防水与防高温：不宜将电子设备放置在阴暗、潮湿，高温与太阳光直射等地方，应放置在干燥、阴凉、通风的地方，以免设备受损。

（6）开关机顺序：对于大型设备，一般都有若干个子设备组成，开机时应先开小电流的子设备，如前置小信号放大器或小信号发生器，再开中电流的如功率激励级电源，后开大电流的子设备，如末级功率放大器；关机时则相反，先关大电流的子设备、再关中电流的子设备，后关小电流的子设备。以免末级电路的输入端在异常开、关机状态时，受瞬间脉冲电压的冲击造成过载而损坏设备。

（7）设备在工作时，要善于听、闻、观、测，发现异常立即关机，请专业人员进行维护，以免故障扩大化造成更大的损失，如发生下列异常现象：

①听；若突然听到机器内发出“劈劈啪啪”等异常声，应立即关机，这说明机器内部局部存在放电现象，应立即送修。

②闻：突然感觉空气中弥漫着“烧焦”等异味，应立即关机，这说明机器内部局部存在过流、过压或某元器件已烧毁等异常现象，应立即送修。

③观：设备在运行中，若发现平常视觉可看到的部分出现异常，如平常监视设备信号波形或图形发生异常，应立即关机，这说明机器内部工作异常，应立即送修。

④测：对于贵重仪器，在尽量不打开外壳的情况下，对仪器的各检测点按出厂规定进行定期检测保养，发现异常状况要及时地与专业人员反馈、及时排除隐患。

（8）贵重设备的除尘保养，每隔一段时间（一般2年）视具体情况而定，请专业人员在断电的情况下，打开外壳小心翼翼地进行除尘处理，切莫外力挤压相邻元器件以免造成短路，如是高频通信设备，也切莫碰触LC元件以免谐振条件遭破坏而失谐；同时要观察各元器件的外观是否正常，如发现电解电容外壳鼓起，说明此电解电容已有漏电迹象，应立即予以更换，所有的隐患都排除后，才能重新投入使用。

＊ [1]郭永基.可靠性工程原理[M].北京:清华大学出版社.2002

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