对任何电子设备或系统来讲，人们总是希望它们能长期稳定可靠地工作而不出故障，即要求具有较高的可靠性。整机的可靠性通常会受到电路设计、工艺操作、元器件选用及使用维护等多方面因素的影响。由于元器件是组成整机的基本单元，因而正确选择和使用元器件对整机可靠性的提高显得非常重要。除了应根据电路和成本等的实际需要而尽量选用固有可靠性（由材料和设计制造工艺决定）较高的元器件外，降额使用也是必须考虑的一个重要问题。下面我们来谈谈元器件的降额使用指的是什么以及如何合理降额使用。
元器件的失效及失效率
降额使用也称作减额使用。尽管有些爱好者对此可能感到生疏，但在实际使用元器件时，却已经或多或少地考虑了这个问题。例如，大家都知道把晶体管的集电极功耗限制在它的额定最大允许功耗P\(_{CM}\)之内，并留有一定的余量，这就是一种功耗降额使用。不过，类似这样的降额使用通常很少与整机的可靠性指标联系起来，往往仅出于不使元器件被烧坏的目的，考虑的因素也比较简单，因而不能较好地满足可靠性方面的需要。我们这里重点是从降低元器件的失效（损坏）率及提高整机可靠性的角度出发，对不同种类元器件实行不同内容和幅度的降额使用。由于一般都用“失效率”来衡量元器件及整机的可靠性高低，因此先对元器件的失效和失效率作些说明。
元器件的失效通常可分为毁坏型失效和蜕化型失效两种模式。前者指元器件完全失去功能，即一般所讲的包括击穿、断路和短路等在内的烧坏现象；后者主要表现为元器件某些参数的蜕变，即参数变到了超出所允许的上下限程度，但往往还具有部分功能。无论哪种失效，都可归结为一定应力作用下产生的结果。所谓应力，可以理解为元器件因内部缺陷或外界因素的作用而受到的影响。由于内部缺陷关系到元器件的固有可靠性，主要由制造材料和工艺决定，故这里不作讨论。外界因素有多种，包括温度、电压、电流、湿度、机械力、化学气体、射线及频率等等。在讨论一般元器件降额使用时，多考虑前三种因素所产生的应力，我们分别将它们简称为温度应力、电压应力和电流应力的作用。
任何元器件都具有承受一定额定应力的能力，超出额定应力使用元器件（即升额使用），元器件便会损坏或寿命大为缩短。例如，在晶体管的基、射极间施加大于BV\(_{EBO}\)的反向电压，管子的发射结就要击穿，倘若无有限流措施，发射结便会烧毁而使管子永久失效，这种失效即属于毁坏型失效。那么，在额定应力范围内使用元器件是否不会失效呢？当然不是。随着元器件工作时间的增长，其性能会逐渐老化，有关参数随之漂移改变。至一定时间后就达到蜕变程度元器件也就因此失效。这种失效属于蜕化型失效。
元器件的失效率常用λ来表示，其含义为元器件在实际工作环境下，在一个单位时间内的失效率的概率。λ的单位是“每小时分之几”。例如，λ=10-6/h（小时），即相当于100万个元器件工作一小时有一个失效或者说1万个元器件工作100小时有一个失效。对于可靠性特别高的元器件或整机系统，常用“非特”来表示λ，1非特=10\(^{-}\)9/h。
表1中列出了某些国产黑白电视机中部分主要元器件的λ。由表可见，如果仅就单个元器件的失效率来看，大多是非常低的。但对一台整机和一个系统而言，如一台分立元器件电视机约有400多个元器件。假如每个元器件的λ都以平均值10\(^{-}\)6/h来计，则分立机的元器件总失效率为4×10-4/h左右，这相当于每工作2500小时左右就会出现一次元器件失效。若不计入其它会使整机发生故障的因素，并设每天收看4小时，则平均无故障时间仅为2个月左右。但如果仅看其中的一个元器件，则在同等条件下的平均无故障时间将高达几千个月。可以说是极其可靠了。
元器件的降额使用
1．半导体器件的降额使用：半导体器件包括各种晶体二极管、三极管、场效应管和各类集成电路等。这里主要以二、三极管为例介绍半导体器件的降额使用，但对一般常用集成电路和场效应管等也同样有参考意义。
对半导体器件重点是要考虑温度的降额使用，因为温度应力是造成器件失效的主要原因。表2中摘录了部分国外器件的失效率随温度变化的关系。由表可见，器件的失效率与温度的关系极大，随着温度的递增，各种器件的失效率都将明显上升。实际上，器件的温度应力主要由其功耗和环境温度所产生。温度应力影响的表现是管子的结温变化。若温度应力过大，致使结温上升到超出允许值的程度，管子便会烧毁，其表现有EB结瞬时热断路或永久断路、EB结击穿、EC结短路及EB、CB、EC结均断路等。
在二、三极管手册上通常都给出最高结温T\(_{jM}\)（硅管为150～175℃，锗管为75～85℃，塑封管多为125℃），这可作为温度降额使用的依据，但应用起来不方便。实际可用管子的最大允许功耗PM来代替T\(_{jM}\)作降额使用的依据。因为管子结温Tj和功耗P、环境温度T\(_{a}\)、总热阻RT（管子的实际散热能力）等有着密切的关系，通常有P=（T\(_{j}\)－Ta）／R\(_{T}\)。其中的RT取决于管子的热阻和具体的散热条件。对于一只实际工作中的管子来说，RT通常是不改变的，T\(_{a}\)的变化幅度也很有限。在RT和T\(_{a}\)不变或变化很小的情况下，Tj就基本上取决于P了。因此温度降额一般都可归结为功耗降额。
实际应用时，常用功率比S\(_{P}\)来衡量降额的幅度。SP=P（实际使用功率）／P\(_{M}\)（管子最大允许功耗）。对于三极管，PM可以集电极最大耗散功率P\(_{CM}\)为准；对于二极管，可用额定正向电压VF和正向电流I\(_{F}\)的乘积作为PM。S\(_{P}\)与器件失效率的关系见图1。由图可见，硅管的SP在0.6～0.65以下时，λ的变化就不明显了。因此一般将硅器件的实际使用功率P取为P\(_{M}\)的0.6～0.65倍以下时，就能避开λ较大的区域，从而获得较高的可靠性。同时也不必将SP取得过小，因为对减少λ的作用并不明显，实际意义不大。实用中S\(_{P}\)常取0.5～0.6。对于锗管，SP取0.3～0.4以下时，可靠性较高。
应该注意，图1的曲线是在环境温度为65℃时作出的，对其它温度不一定适用。如当S\(_{P}\)=0.5时，Ta若由65℃降到25℃，则硅管的λ要减小约1倍，锗管则减小4倍左右。然而在不同T\(_{a}\)下的曲线变化规律却是相差不大的。
电压的降额使用也是提高器件可靠性的一种措施。第一，因为三极管的管耗P\(_{C}\)由IC和V\(_{CE}\)的乘积决定。IC确定后，V\(_{CE}\)愈大，PC也愈大，从而使S\(_{P}\)增大，λ上升。第二，许多三极管的hFE、I\(_{CEO}\)、BVCEO等参数的漂移与管子所加电压的高低有较大关系，尤其是硅平面三极管。在一定的范围内，电压愈高，有关参数的漂移量增长就愈快，导致蜕变型失效的速率也越快。
电压降额幅度常用S\(_{u}\)来衡量。它等于管子的实际使用电压U与额定最高允许电压UM之比值，即S\(_{u}\)=U/UM。对三极管来讲，S\(_{u}\)=VCE/BV\(_{CEO}\)和Su=V\(_{EB}\)/BVEBO。一般中小功率三极管S\(_{U}\)取0.3～0.45；大功率管常为0.4～0.6；脉冲放大状态下工作的管子可选0.6～0.8以下。如果管子性能不能满足所选Su的要求，则应换用其它型号的管子或采取不影响正常工作的限压措施。
以上讲的是三极管的电压降额使用。对二极管来讲电压降额使用也是需要的。尤其是整流或开关二极管，当其正向电流接近额定值，致使管子温升较高时，更需注意电压降额问题。通常S\(_{u}\)≤0.5～0.6为好。
半导体器件需降额使用的第三个方面是电流。在管子功耗不超出允许范围的情况下，电流应力过大将使管内的铝膜引线被烧断，造成永久失效的后果。电流降额的幅度用S\(_{I}\)表示，SI=I/IM。对三极管而言，S\(_{I}\)=IC/I\(_{CM}\)，一般SI选在0.7～0.9以下，要求不高。对二极管和可控硅，S\(_{I}\)可取0.5～0.6以下。二极管中要特别注意开关二极管的电流降额，通常SI选0.4～0.5以下。
在对元器件实行功率、电压或电流降额使用的同时，切不可忘了对电路中可能出现的各种浪涌（过）电压或电流进行抑制和吸收。事实表明，有许多器件的毁坏型失效都是在功耗和浪涌电压（电流）的双重作用下引起的。因此，尽管考虑了功率、电压和电流的降额使用，也不能放松或取消对浪涌电压（电流）的抑制及吸收，相关的保护电路仍必须设置，这对提高整机可靠性来讲是相当重要的。
2．电容器的降额使用：对电容器主要考虑电压和温度的降额使用。其电压降额幅度比S\(_{u}\)=U（实际使用电压）／UM（额定最大电压）。图2～图5分别示出了几种常用电容的S\(_{u}\)与λ的关系曲线。图2是纸介、金属化纸介及聚苯乙烯薄膜等电容的曲线，由图可见，当Su大于0.55时，曲线斜率明显增大，即随着S\(_{u}\)的增加，λ上升非常快。而在Su小于0.55的区域，曲线斜率很小。显然较佳的S\(_{u}\)应选在0.55以下，一般为0.4～0.55，再低作用就不明显了。图3～图5的情况类似，不再赘述。
图2～图5中的曲线都是在环境温度为65℃的情况下作出的。在此基础上，如果温度上升，则每升高7～8℃，电解电容器的失效率就增加1倍左右。但对其它类型电容器来讲，在允许工作范围内，T\(_{a}\)的变化对λ的影响不大。不过Ta变化会引起容量的改变（漂移），这对频率稳定性要求较高的电路（如电视机中的伴音鉴频、行振荡及本振等电路）来说，就必须考虑这种影响，否则会使电路性能变劣。由此可见，尽量降低电容，特别是电解电容和谐振回路中的电容周围的环境温度也是提高可靠性的一项措施。一般可将电容远离发热厉害的元器件安装，同时适当注意通风就可以了。
对于工作在脉冲大电流状态下的电容，如电视机中的行逆程电容和S形失真校正电容等因会产生温升，引起介质损耗增大，性能变劣，甚至会把电容内的引线或金属膜烧坏而造成毁坏型失效等，因此这类电容应选用具有较大电流耐量、较好的频率特性和较优的高温性能的品种，如CL（涤纶）、CBB（聚丙烯膜）、CY（云母）等型电容。
3．电阻和电位器的降额使用：电阻和电位器一般仅对使用功率进行降额。这是因为温度应力是造成电阻和电位器失效的主要因素。当使用功率超过电阻或电位器的额定功率时，电阻和电位器就很容易因温升过高而被烧毁。如果使用功率不超出但接近于额定功率，则电阻或电位器的温升也是比较高的，由此也会产生阻值漂移或接触不良等故障，严重时将形成蜕变型失效。所以必须考虑功率的降额使用。
电阻和电位器的功率降额幅度比S\(_{P}\)=P（实际使用功率）/PM（额定功率）。S\(_{P}\)与λ的关系曲线见图6和图7。由图可见，两条曲线都近似于直线，因此SP与λ的关系也呈近似线性变化。S\(_{P}\)选得愈小，λ也相应变得愈小，这与前述图1～图5中的曲线是不相同的。实际上电阻和电位器的温升不仅取决于使用功率，而且与环境温度也有关系。因此尽管一般电阻的λ很小，但当环境湿度较高不易散热和使用功率较大时，电阻的温升就比较明显，严重时甚至超过其所能承受的温度，此时λ就会显著变大。所以一般将电阻SP选在0.8以下。当环境温度高于40℃时，S\(_{P}\)应缩小到0.5～0.6以下。由图6、图7还可看出，电位器的失效率要比电阻大得多，这是由电位器的触点结构特点等造成的。因此对电位器更需要重视功率降额使用，一般SP可选0.5以下。(申薇)
