Анализ отказов компонентов

Работа техника часто включает в себя «поиск и устранение неисправностей» (обнаружение и устранение проблемы) неисправных цепей. Хорошее устранение неполадок - это требующие больших усилий и вознаграждающие усилия, требующие тщательного понимания основных концепций, способности формулировать гипотезы (предлагаемые объяснения эффекта), способности оценивать ценность различных гипотез на основе их вероятности (насколько вероятна одна конкретная причина может быть важнее другого), а также творческое начало в применении решения для исправления проблемы.

Несмотря на то, что эти навыки можно преобразовать в научную методологию, большинство опытных специалистов по устранению неполадок согласятся, что устранение неполадок требует особого искусства и что для полного развития этого искусства могут потребоваться годы опыта.

Необходимый навык - это готовое и интуитивное понимание того, как неисправности компонентов влияют на цепи в различных конфигурациях. Мы рассмотрим некоторые последствия отказов компонентов как в последовательных, так и в параллельных цепях здесь, а затем, в большей степени, в конце главы «Последовательно-параллельные комбинированные цепи».

Анализ отказов в простой последовательной цепи

Начнем с простой последовательной схемы:

Когда все компоненты в этой цепи функционируют надлежащим образом, мы можем математически определить все токи и падения напряжения:

Закороченные компоненты в последовательной цепи

Теперь предположим, что R ₂ не удается закоротить. Закорочено означает, что резистор теперь действует как прямой кусок провода с небольшим сопротивлением или без него. Схема будет вести себя так, как если бы перемычка была подключена к R ₂ . (на случай, если вам интересно, «перемычка» - это общий термин для временного подключения проводов в цепи). Что вызывает короткое замыкание R ₂ не имеет значения для нас в этом примере; мы заботимся только о его влиянии на схему:

С R ₂ закорочено перемычкой или внутренним отказом резистора, общее сопротивление цепи уменьшится . . Поскольку выходное напряжение батареи является постоянным (по крайней мере, в нашем идеальном моделировании здесь), уменьшение общего сопротивления цепи означает, что общий ток цепи должен возрасти :

Когда ток в цепи увеличивается с 20 мА до 60 мА, напряжение падает на R ₁ . и R ₃ (сопротивление которых не изменилось) также увеличиваются, так что два резистора падают на целые 9 вольт. R ₂ , будучи обойденным очень низким сопротивлением перемычки, эффективно исключается из схемы, при этом сопротивление от одного вывода к другому снижается до нуля. Таким образом, падение напряжения на R ₂ даже при увеличенном общем токе составляет ноль вольт.

Открытые компоненты в последовательной цепи

С другой стороны, если R ₂ в случае отказа «открыться» - сопротивление возрастает почти до бесконечного уровня - это также вызовет далеко идущие эффекты в остальной части схемы:

С R ₂ при бесконечном сопротивлении и общем сопротивлении, равном сумме всех отдельных сопротивлений в последовательной цепи, общий ток уменьшается до нуля. При нулевом токе цепи отсутствует ток, вызывающий падение напряжения на R ₁ . или R ₃ . R ₂ , с другой стороны, будет проявлять полное напряжение питания на его выводах.

Анализ сбоев в простой параллельной цепи

Мы можем применить тот же метод анализа до / после и к параллельным цепям. Во-первых, мы определяем, как должна вести себя «здоровая» параллельная цепь.

Открытые компоненты в параллельной цепи

Предположим, что R ₂ открывается в этой параллельной цепи, вот каковы будут эффекты:

Обратите внимание, что в этой параллельной цепи разомкнутая ветвь влияет только на ток через эту ветвь и общий ток цепи. Общее напряжение, равномерно распределяемое между всеми компонентами в параллельной цепи, будет одинаковым для всех резисторов. Из-за того, что источник напряжения имеет тенденцию поддерживать напряжение постоянным , его напряжение не изменится, и, будучи подключенным параллельно со всеми резисторами, он будет поддерживать все напряжения резисторов такими же, как и раньше:9 вольт. Поскольку это напряжение является единственным общим параметром в параллельной цепи, а другие резисторы не изменили значение сопротивления, их соответствующие токи ответвления остаются неизменными.

Приложение для домашнего освещения

Вот что происходит в цепи бытовой лампы:все лампы получают рабочее напряжение от силовой проводки, проложенной параллельно. Включение и выключение одной лампы (одна ветвь в этой параллельной цепи замыкается и размыкается) не влияет на работу других ламп в комнате, только ток в этой одной лампе (ответвленная цепь) и общий ток, питающий все лампы в комнате. комната:

Закороченные компоненты в параллельной цепи

В идеальном случае (с идеальными источниками напряжения и соединительным проводом с нулевым сопротивлением) закороченные резисторы в простой параллельной цепи также не будут влиять на то, что происходит в других ветвях цепи. В реальной жизни эффект не совсем такой, и мы увидим почему на следующем примере:

Закороченный резистор (сопротивление 0 Ом) теоретически будет потреблять бесконечный ток от любого конечного источника напряжения (I =E / 0). В этом случае нулевое сопротивление R ₂ уменьшает полное сопротивление цепи до нуля Ом, увеличивая общий ток до бесконечности. Однако пока источник напряжения стабильно составляет 9 вольт, другие токи ответвления (I _R1 и я _R3 ) останется без изменений.

Неидеальные предположения в анализе

Однако критическое допущение в этой «идеальной» схеме состоит в том, что источник питания будет поддерживать постоянное номинальное напряжение при подаче бесконечного количества тока на нагрузку короткого замыкания. Это просто нереально. Даже если короткая позиция имеет небольшое сопротивление (в отличие от абсолютно нулевого сопротивления), нет реального Источник напряжения мог произвольно подавать большой ток перегрузки и в то же время поддерживать стабильное напряжение.

Это в первую очередь связано с внутренним сопротивлением, присущим всем источникам электроэнергии, которое связано с неизбежными физическими свойствами материалов, из которых они построены:

Эти внутренние сопротивления, какими бы маленькими они ни были, превращают нашу простую параллельную схему в последовательно-параллельную комбинированную схему. Обычно внутреннее сопротивление источников напряжения достаточно низкое, чтобы им можно было спокойно пренебречь, но когда возникают большие токи, возникающие из-за короткого замыкания компонентов, их влияние становится очень заметным.

В этом случае закороченный R ₂ приведет к тому, что почти все напряжение упадет на внутреннем сопротивлении батареи, при этом почти не останется напряжения на резисторах R ₁ , R ₂ , и R ₃ :

Достаточно сказать, что преднамеренное прямое короткое замыкание на клеммах любого источника напряжения - плохая идея. Даже если возникающий в результате сильный ток (тепло, вспышки, искры) не причинит вреда людям, находящимся поблизости, источник напряжения, скорее всего, будет поврежден, если только он не был специально разработан для защиты от коротких замыканий, чего нет у большинства источников напряжения.

В конце концов, в этой книге я проведу вас через анализ цепей без использования каких-либо чисел . , то есть анализ последствий отказа компонентов в цепи, не зная точно, сколько вольт вырабатывает аккумулятор, сколько Ом сопротивления в каждом резисторе и т. д. Этот раздел служит вводным шагом к такому анализу.

В то время как обычное применение закона Ома и правил последовательной и параллельной цепей выполняется с числовыми величинами ( «количественные» ), этот новый вид анализа без точных числовых показателей я называю качественным . анализ. Другими словами, мы будем анализировать качества эффектов в цепи, а не точные количества . Результатом для вас станет более глубокое интуитивное понимание работы электрических цепей.

ОБЗОР:

• Чтобы определить, что произойдет в цепи в случае отказа компонента, заново начертите эту схему с эквивалентным сопротивлением отказавшего компонента и пересчитайте все значения.
• Способность интуитивно определять, что произойдет со схемой с любым заданным отказом компонента, является критически важным навык для любого специалиста по устранению неполадок в электронике. Лучший способ научиться - экспериментировать с расчетами схем и реальными схемами, уделяя пристальное внимание тому, что меняется с ошибкой, что остается прежним и почему !
• закорочено компонент, сопротивление которого резко снизилось.
• открытый компонент - это тот, сопротивление которого резко возросло. Для записи, резисторы имеют тенденцию выходить из строя чаще, чем закорачиваться, и они почти никогда не выходят из строя, если только они не подвергаются физическому или электрическому перенапряжению (физическому воздействию или перегреву).

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Таблица устранения неполадок базовой схемы