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Analisi dei guasti dei componenti

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Anonim

Analisi dei guasti dei componenti

Capitolo 5 - Serie e circuiti paralleli


Il lavoro di un tecnico spesso comporta "risoluzione dei problemi" (localizzazione e correzione di un problema) in circuiti malfunzionanti. Una buona risoluzione dei problemi è uno sforzo impegnativo e gratificante, che richiede una conoscenza approfondita dei concetti di base, la capacità di formulare ipotesi (spiegazioni proposte di un effetto), la capacità di giudicare il valore di diverse ipotesi basate sulla loro probabilità (quanto probabile una causa particolare potrebbe essere sopra un altro) e un senso di creatività nell'applicare una soluzione per correggere il problema. Mentre è possibile distillare queste competenze in una metodologia scientifica, i più esperti strumenti di risoluzione dei problemi concorderebbero sul fatto che la risoluzione dei problemi comporta un tocco d'arte e che può richiedere anni di esperienza per sviluppare appieno quest'arte.

Un'abilità essenziale da avere è una comprensione pronta e intuitiva di come i guasti dei componenti influenzano i circuiti in diverse configurazioni. Esploreremo alcuni degli effetti dei guasti dei componenti in entrambi i circuiti in serie e in parallelo, quindi in misura maggiore alla fine del capitolo "Circuiti in serie paralleli".

Iniziamo con un circuito di serie semplice:

Con tutti i componenti di questo circuito funzionanti ai loro valori corretti, possiamo determinare matematicamente tutte le correnti e le cadute di tensione:

Supponiamo ora che R 2 non sia in corto. Shorted significa che il resistore ora agisce come un filo dritto, con poca o nessuna resistenza. Il circuito si comporterà come se un filo "jumper" fosse collegato su R2 (nel caso ve lo stiate chiedendo, "jumper wire" è un termine comune per un collegamento temporaneo del cavo in un circuito). Ciò che causa la condizione di cortocircuito di R 2 non ci interessa in questo esempio; ci interessa solo il suo effetto sul circuito:

Con R 2 in cortocircuito, tramite un ponticello o un guasto del resistore interno, la resistenza totale del circuito diminuirà . Poiché la tensione in uscita dalla batteria è costante (almeno nella nostra simulazione ideale qui), una diminuzione della resistenza totale del circuito significa che la corrente totale del circuito deve aumentare :

Con l'aumento della corrente del circuito da 20 milliampere a 60 milliampere, la tensione scende su R 1 e R 3 (che non hanno modificato le resistenze), così che i due resistori stanno facendo cadere tutti i 9 volt. R 2, essendo bypassato dalla bassissima resistenza del cavo jumper, viene effettivamente eliminato dal circuito, la resistenza da un cavo all'altro è stata ridotta a zero. Pertanto, la caduta di tensione su R 2, anche con la corrente totale aumentata, è zero volt.

D'altra parte, se R 2 dovesse fallire, la resistenza "aperta" aumentando a livelli quasi infiniti, creerebbe anche effetti di ampia portata nel resto del circuito:

Con R 2 a resistenza infinita e resistenza totale essendo la somma di tutte le singole resistenze in un circuito in serie, la corrente totale diminuisce a zero. Con la corrente a circuito zero, non c'è flusso di elettroni per produrre cadute di tensione su R 1 o R 3 . R 2, d'altra parte, manifesterà la piena tensione di alimentazione attraverso i suoi terminali.

Possiamo applicare la stessa tecnica prima / dopo l'analisi anche ai circuiti paralleli. In primo luogo, determiniamo come dovrebbe comportarsi un circuito parallelo "sano".

Supponendo che R 2 si apra in questo circuito parallelo, ecco quali saranno gli effetti:

Si noti che in questo circuito parallelo, un ramo aperto influenza solo la corrente attraverso quel ramo e la corrente totale del circuito. La tensione totale condivisa equamente tra tutti i componenti in un circuito parallelo, sarà la stessa per tutti i resistori. A causa del fatto che la tendenza della sorgente di tensione è di mantenere costante la tensione, la sua tensione non cambierà e, essendo in parallelo con tutti i resistori, manterrà tutte le tensioni dei resistori come prima: 9 volt. Poiché la tensione è l'unico parametro comune in un circuito parallelo e gli altri resistori non hanno cambiato il valore di resistenza, le rispettive correnti di ramo rimangono invariate.

Questo è ciò che accade in un circuito di lampade per uso domestico: tutte le lampade ottengono la tensione di esercizio dal cablaggio di alimentazione disposto in modo parallelo. Accendere e spegnere una lampada (un ramo in quella chiusura e apertura del circuito parallelo) non influenza il funzionamento di altre lampade nella stanza, solo la corrente in quella lampada (circuito derivato) e la corrente totale che alimenta tutte le lampade in la stanza:

In un caso ideale (con fonti di tensione perfette e filo di collegamento a resistenza zero), le resistenze cortocircuitate in un circuito parallelo semplice non avranno alcun effetto su ciò che sta accadendo in altri rami del circuito. Nella vita reale, l'effetto non è esattamente lo stesso, e vedremo perché nel seguente esempio:

Un resistore in cortocircuito (resistenza di 0 Ω) teoricamente assorbirebbe corrente infinita da qualsiasi sorgente di tensione finita (I = E / 0). In questo caso, la resistenza zero di R 2 diminuisce anche la resistenza totale del circuito a zero Ω, aumentando la corrente totale fino a un valore di infinito. Finché la sorgente di tensione rimane fissa a 9 volt, tuttavia, le altre correnti di ramo (I R1 e I R3 ) rimarranno invariate.

L'ipotesi critica in questo schema "perfetto", tuttavia, è che l'alimentazione di tensione rimarrà stabile alla sua tensione nominale mentre fornisce una quantità infinita di corrente a un carico di cortocircuito. Questo semplicemente non è realistico. Anche se il cortocircuito ha una piccola quantità di resistenza (al contrario di una resistenza assolutamente nulla), nessuna sorgente di tensione reale potrebbe fornire arbitrariamente un'enorme corrente di sovraccarico e mantenere allo stesso tempo una tensione costante. Ciò è dovuto principalmente alla resistenza interna intrinseca a tutte le fonti di energia elettrica, derivante dalle ineludibili proprietà fisiche dei materiali di cui sono costituiti:

Queste resistenze interne, per quanto piccole, trasformano il nostro semplice circuito parallelo in un circuito di combinazione in serie-parallelo. Di solito, le resistenze interne delle sorgenti di tensione sono sufficientemente basse da poter essere ignorate in sicurezza, ma quando si incontrano correnti elevate derivanti da componenti cortocircuitati, i loro effetti diventano molto evidenti. In questo caso, un R 2 in cortocircuito si tradurrà in quasi tutta la tensione che viene rilasciata attraverso la resistenza interna della batteria, con quasi nessuna tensione residua per i resistori R 1, R 2 e R 3 :

Basti dire che i cortocircuiti diretti intenzionali attraverso i terminali di qualsiasi fonte di tensione sono una cattiva idea. Anche se l'elevata corrente risultante (calore, lampi, scintille) non provoca danni alle persone vicine, la fonte di tensione probabilmente subirà danni, a meno che non sia stata specificamente progettata per gestire i cortocircuiti, che la maggior parte delle fonti di tensione non lo sono.

Alla fine in questo libro ti guiderò attraverso l'analisi dei circuiti senza l'uso di alcun numero, cioè analizzando gli effetti del guasto di un componente in un circuito senza sapere esattamente quanti volt produce la batteria, quanti ohm di resistenza si trovano in ogni circuito resistenza, ecc. Questa sezione serve come passo introduttivo a quel tipo di analisi.

Mentre la normale applicazione della legge di Ohm e le regole dei circuiti in serie e paralleli sono eseguite con quantità numeriche ( "quantitative" ), questo nuovo tipo di analisi senza precisi valori numerici è qualcosa che mi piace definire un'analisi qualitativa . In altre parole, analizzeremo le qualità degli effetti in un circuito piuttosto che le quantità precise. Il risultato, per voi, sarà una comprensione intuitiva molto più profonda del funzionamento del circuito elettrico.

  • REVISIONE:
  • Per determinare cosa succederebbe in un circuito in caso di guasto di un componente, ri-disegnare quel circuito con la resistenza equivalente del componente guasto e ricalcolare tutti i valori.
  • La capacità di determinare in modo intuitivo che cosa accadrà a un circuito con qualsiasi guasto di un determinato componente è un'abilità cruciale per lo sviluppo di una risoluzione dei problemi di elettronica. Il modo migliore per imparare è sperimentare con i calcoli del circuito e i circuiti della vita reale, prestando molta attenzione a cosa cambia con un guasto, cosa rimane lo stesso e perché !
  • Un componente in corto è uno la cui resistenza è drasticamente diminuita.
  • Un componente aperto è uno la cui resistenza è drammaticamente aumentata. Per la cronaca, i resistori tendono a non aprirsi più spesso di quanto non si riesca a cortocircuitare, e quasi mai falliscono se non sottoposti a sollecitazioni fisiche o elettriche (abusi fisici o surriscaldamenti).