Analyse van componentstoringen

Het werk van een technicus omvat vaak het "opsporen en oplossen van problemen" (opsporen en verhelpen van een probleem) in defecte circuits. Een goede probleemoplossing is een veeleisende en lonende inspanning, die een grondig begrip van de basisconcepten vereist, het vermogen om hypothesen te formuleren (voorgestelde verklaringen van een effect), het vermogen om de waarde van verschillende hypothesen te beoordelen op basis van hun waarschijnlijkheid (hoe waarschijnlijk is een bepaalde oorzaak kan zijn boven een ander), en een gevoel van creativiteit bij het toepassen van een oplossing om het probleem op te lossen.

Hoewel het mogelijk is om deze vaardigheden in een wetenschappelijke methodologie te distilleren, zijn de meeste ervaren probleemoplossers het erover eens dat het oplossen van problemen een beetje kunst is en dat het jaren van ervaring kan vergen om deze kunst volledig te ontwikkelen.

Een essentiële vaardigheid om te hebben is een klaar en intuïtief begrip van hoe componentfouten circuits in verschillende configuraties beïnvloeden. We zullen hier enkele effecten van componentfouten in zowel serie- als parallelle circuits onderzoeken, en dan in grotere mate aan het einde van het hoofdstuk "Series-parallelle combinatiecircuits".

Het analyseren van storingen op een eenvoudig serieschakeling

Laten we beginnen met een eenvoudige serieschakeling:

Met alle componenten in dit circuit die op hun juiste waarden werken, kunnen we wiskundig alle stromen en spanningsdalingen bepalen:

Verkorte componenten in een serieschakeling

Laten we nu aannemen dat R₂ mislukt kortgesloten. kortgesloten betekent dat de weerstand nu werkt als een recht stuk draad, met weinig of geen weerstand. Het circuit zal zich gedragen alsof er een "jumper"-draad is aangesloten over R₂ (voor het geval je je afvroeg, "jumperdraad" is een veelgebruikte term voor een tijdelijke draadverbinding in een circuit). Wat veroorzaakt de kortgesloten toestand van R₂ maakt voor ons in dit voorbeeld niet uit; we geven alleen om het effect op het circuit:

Met R₂ kortgesloten, hetzij door een jumperdraad of door een interne weerstandsfout, zal de totale circuitweerstand afnemen . Aangezien de spanningsoutput door de batterij constant is (tenminste in onze ideale simulatie hier), betekent een afname van de totale circuitweerstand dat de totale circuitstroom moet toenemen :

Naarmate de stroomkring toeneemt van 20 milliampère naar 60 milliampère, daalt de spanning over R₁ en R₃ (die de weerstanden niet hebben veranderd) nemen ook toe, zodat de twee weerstanden de hele 9 volt laten vallen. R₂ , die wordt omzeild door de zeer lage weerstand van de jumperdraad, wordt effectief uit het circuit geëlimineerd, waarbij de weerstand van de ene kabel naar de andere tot nul is teruggebracht. Dus de spanningsval over R₂ , zelfs met de verhoogde totale stroom, is nul volt.

Geopende componenten in een serieschakeling

Aan de andere kant, als R₂ als het "open" zou mislukken - weerstand zou toenemen tot bijna oneindige niveaus - zou dit ook verreikende effecten creëren in de rest van het circuit:

Met R₂ bij oneindige weerstand en totale weerstand de som is van alle individuele weerstanden in een serieschakeling, neemt de totale stroom af tot nul. Met nul circuitstroom is er geen stroom om spanningsdalingen over R₁ . te produceren of R₃ . R₂ , aan de andere kant, zal de volledige voedingsspanning over zijn terminals manifesteren.

Fouten analyseren op een eenvoudig parallel circuit

We kunnen dezelfde voor/na-analysetechniek ook toepassen op parallelle circuits. Eerst bepalen we hoe een "gezond" parallel circuit zich moet gedragen.

Geopende componenten in een parallel circuit

Stel dat R₂ opent in dit parallelle circuit, dit is wat de effecten zullen zijn:

Merk op dat in dit parallelle circuit een open tak alleen de stroom door die tak en de totale stroom van het circuit beïnvloedt. Totale spanning - gelijk verdeeld over alle componenten in een parallelle schakeling, zal hetzelfde zijn voor alle weerstanden. Vanwege het feit dat de spanningsbron de neiging heeft om de spanning constant te houden , zal de spanning niet veranderen, en parallel aan alle weerstanden, zal het alle spanningen van de weerstanden hetzelfde houden als voorheen:9 volt. Omdat die spanning de enige algemene parameter is in een parallelle schakeling, en de andere weerstanden de weerstandswaarde niet hebben veranderd, blijven hun respectievelijke aftakstromen ongewijzigd.

Toepassing voor huishoudelijke verlichting

Dit is wat er gebeurt in een huishoudelijk lampencircuit:alle lampen krijgen hun bedrijfsspanning van parallel geschakelde stroomkabels. Het in- en uitschakelen van één lamp (één tak in dat parallelle circuit dat sluit en opent) heeft geen invloed op de werking van andere lampen in de kamer, alleen de stroom in die ene lamp (vertakkingscircuit) en de totale stroom die alle lampen in de kamer:

Verkorte componenten in een parallel circuit

In een ideaal geval (met perfecte spanningsbronnen en een nulweerstandsverbindingsdraad), hebben kortgesloten weerstanden in een eenvoudig parallel circuit ook geen effect op wat er in andere takken van het circuit gebeurt. In het echte leven is het effect niet helemaal hetzelfde, en we zullen in het volgende voorbeeld zien waarom:

Een kortgesloten weerstand (weerstand van 0 ) zou theoretisch oneindige stroom trekken van elke eindige spanningsbron (I=E/0). In dit geval is de nulweerstand van R₂ verlaagt ook de totale weerstand van het circuit tot nul Ω, waardoor de totale stroom wordt verhoogd tot een waarde van oneindig. Zolang de spanningsbron stabiel blijft op 9 volt, zullen de andere aftakstromen (I_R1 en ik_R3 ) blijft ongewijzigd.

Niet-ideale veronderstellingen in analyse

De kritische veronderstelling in dit "perfecte" schema is echter dat de voedingsspanning stabiel zal blijven op de nominale spanning terwijl een oneindige hoeveelheid stroom wordt geleverd aan een kortsluitbelasting. Dit is gewoon niet realistisch. Zelfs als de short een kleine hoeveelheid weerstand heeft (in tegenstelling tot absoluut nul weerstand), geen echte spanningsbron kan willekeurig een enorme overbelastingsstroom leveren en tegelijkertijd de constante spanning handhaven.

Dit komt voornamelijk door de interne weerstand die inherent is aan alle elektrische stroombronnen, als gevolg van de onontkoombare fysieke eigenschappen van de materialen waaruit ze zijn gemaakt:

Deze interne weerstanden, hoe klein ze ook zijn, maken van ons eenvoudige parallelle circuit een serie-parallel combinatiecircuit. Gewoonlijk zijn de interne weerstanden van spanningsbronnen zo laag dat ze veilig kunnen worden genegeerd, maar wanneer hoge stromen als gevolg van kortgesloten componenten worden aangetroffen, worden hun effecten zeer merkbaar.

In dit geval een kortgesloten R₂ zou resulteren in het wegvallen van bijna alle spanning over de interne weerstand van de batterij, met bijna geen spanning over voor weerstanden R₁ , R₂ , en R₃ :

Het volstaat te zeggen dat opzettelijke directe kortsluitingen over de klemmen van een spanningsbron een slecht idee is. Zelfs als de resulterende hoge stroom (hitte, flitsen, vonken) geen schade toebrengt aan mensen in de buurt, zal de spanningsbron waarschijnlijk schade oplopen, tenzij deze specifiek is ontworpen om kortsluitingen op te vangen, wat bij de meeste spanningsbronnen niet het geval is.

Uiteindelijk zal ik je in dit boek door de analyse van circuits leiden zonder het gebruik van getallen , dat wil zeggen, het analyseren van de effecten van componentstoringen in een circuit zonder precies te weten hoeveel volt de batterij produceert, hoeveel ohm weerstand in elke weerstand zit, enz. Dit gedeelte dient als een inleidende stap voor dat soort analyse.

Terwijl de normale toepassing van de wet van Ohm en de regels van serie- en parallelle circuits wordt uitgevoerd met numerieke grootheden (“kwantitatief” ), is dit nieuwe soort analyse zonder precieze numerieke cijfers iets wat ik graag kwalitatief noem analyse. Met andere woorden, we analyseren de kwaliteiten van de effecten in een circuit in plaats van de precieze hoeveelheden . Het resultaat, voor u, zal een veel dieper intuïtief begrip zijn van de werking van elektrische circuits.

BEOORDELING:

• Om te bepalen wat er in een circuit zou gebeuren als een onderdeel uitvalt, tekent u dat circuit opnieuw met de equivalente weerstand van het defecte onderdeel en berekent u alle waarden opnieuw.
• Het vermogen om intuïtief te bepalen wat er met een circuit zal gebeuren met een bepaalde componentfout is een cruciaal vaardigheid voor elke probleemoplosser voor elektronica om te ontwikkelen. De beste manier om te leren is door te experimenteren met circuitberekeningen en real-life circuits, waarbij u goed let op wat er verandert bij een storing, wat hetzelfde blijft en waarom !
• Een kortgesloten component is er een waarvan de weerstand dramatisch is afgenomen.
• Een open component is er een waarvan de weerstand dramatisch is toegenomen. Voor de goede orde, weerstanden hebben de neiging om vaker open te gaan dan kortgesloten, en ze falen bijna nooit, tenzij fysiek of elektrisch overbelast (fysiek misbruikt of oververhit).

GERELATEERD WERKBLAD:

• Werkblad voor het oplossen van problemen met basiscircuits