Анализ неисправности компонентов
Работа технического специалиста часто включает в себя «поиск и устранение неисправностей» (troubleshooting, обнаружение и устранение проблемы) в неисправных схемах. Хорошее устранение неисправностей – это требующие больших усилий и вознаграждаемые усилия, требующие глубокого понимания основных концепций, способности формулировать гипотезы (предполагаемые объяснения, почему схема не работает), способности оценивать ценность различных гипотез на основе их вероятности (насколько одна конкретная причина может быть вероятнее другой), 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 неисправностей требует особого искусства, и что для полного развития этого искусства могут потребоваться годы опыта.
Обязательный навык – это интуитивное понимание того, как неисправности компонентов влияют на цепи в различных конфигурациях. Мы рассмотрим некоторые влияния неисправностей компонентов как в последовательных, так и в параллельных цепях здесь, а затем в большей степени в конце главы «Последовательно-параллельные комбинированные цепи».
Анализ неисправностей 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 R2 выходит из строя, создавая короткое замыкание. Короткое замыкание означает, что резистор теперь работает как простой кусок провода с небольшим сопротивлением или без него. Схема будет вести себя так, как если бы к R2 была подключена «перемычка» (если вам интересно, «перемычка» – это общий термин для временного подключения проводов в цепи). Что вызывает короткое замыкание в R2, в этом примере для нас не важно; нам интересно только его влияние на схему:
Если R2 закорочен либо перемычкой, либо из-за неисправности внутренней части резистора, общее сопротивление цепи уменьшится. Поскольку выходное напряжение батареи является постоянным (по крайней мере, в нашем идеальном моделировании), уменьшение общего сопротивления цепи означает, что общий ток цепи должен увеличиться:
Когда ток в цепи увеличивается с 20 мА до 60 мА, также увеличивается падение напряжения на R1 и R3 (которые не изменили сопротивления), поскольку на этих двух резисторах падают все 9 вольт. R2, обойденный очень низким сопротивлением перемычки, эффективно исключается из схемы, сопротивление между его выводами снижается до нуля. Таким образом, падение напряжения на R2 даже при увеличенном общем токе равно нулю вольт.
Оборванные компоненты в последовательной цепи
И напротив, если R2 выйдет из строя, создав «разрыв» (сопротивление возрастет почти до бесконечности), это также вызовет сильные изменения в остальной части схемы:
Когда резистор R2 имеет бесконечное сопротивление, а общее сопротивление является суммой всех отдельных сопротивлений в последовательной цепи, общий ток уменьшается до нуля. При нулевом токе цепи отсутствует ток, вызывающий падение напряжения на R1 или R3. На выводах R2, наоборот, появится полное напряжение питания цепи.
Анализ неисправностей в простой параллельной цепи
Мы можем применить тот же метод анализа до/после и к параллельным цепям. Сначала мы определяем, как должна вести себя исправная параллельная цепь.
Оборванные компоненты в параллельной цепи
Предположим, что в этой параллельной цепи R2 «оборван», последствия будут следующими:
Обратите внимание, что в этой параллельной цепи оборванная ветвь влияет только на ток через эту ветвь и общий ток цепи. Общее напряжение, одинаково распределяемое между всеми компонентами в параллельной цепи, будет одинаковым для всех резисторов. Из-за того, что источник напряжения имеет тенденцию поддерживать неизменное напряжение, его напряжение не изменится и, будучи подключенным параллельно со всеми резисторами, он будет поддерживать все напряжения на резисторах такими же, как и раньше: 9 вольт. Поскольку это напряжение является единственным общим параметром в параллельной цепи, а другие резисторы не изменили значения сопротивлений, их токи остаются неизменными.
Применительно к домашнему освещению
Вот что происходит в схеме домашнего освещения: все лампы получают рабочее напряжение от силовой проводки, проложенной параллельно. Включение и выключение одной лампы (одна ветвь в этой параллельной цепи разрывается и восстанавливается) не влияет на работу других ламп в комнате, только на ток в этой одной лампе (цепь ветви) и на общий ток, питающий все лампы в комнате.
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 R2 также уменьшает общее сопротивление цепи до нуля ом, увеличивая общий ток до бесконечности. Однако пока источник напряжения остается стабильным на уровне 9 вольт, токи других ветвей (IR1 и IR3) останутся неизменными.
Предположения о неидеальности
Однако критическое допущение в этой «идеальной» схеме состоит в том, что источник питания будет поддерживать неизменное номинальное напряжение при подаче бесконечного значения тока на короткозамкнутую нагрузку. Это просто нереально. Даже если короткое замыкание имеет небольшое сопротивление (в отличие от абсолютно нулевого сопротивления), ни один реальный источник напряжения не может выдерживать огромную перегрузку по току и одновременно поддерживать стабильное напряжение.
Это в первую очередь связано с внутренним сопротивлением, присущим всем источникам электроэнергии, которое связано с 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 мало, чтобы им можно было спокойно пренебречь, но когда возникают большие токи, появляющиеся из-за короткого замыкания компонентов, влияние внутреннего сопротивления источника становится очень заметным.
В этом случае закороченный R2 приведет к тому, что почти всё напряжение упадет на внутреннем сопротивлении батареи, при этом почти не останется напряжения на резисторах R1, R2 и R3:
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 конечном итоге, в этой книге я проведу вас через анализ цепей без использования каких-либо значений, то есть через анализ последствий неисправностей компонентов в цепи, не зная точно, сколько вольт выдает батарея, сколько ом сопротивления в ней, в каждом резисторе и т.д. Этот раздел служит вводным шагом к такому анализу.
В то время как обычное применение закона Ома и правил последовательных и параллельных цепей выполняется с числовыми значениями («количественно»), этот новый вид анализа без точных чисел я называю качественным анализом. Другими словами, мы будем анализировать качества эффектов в цепи, а не их точные количества. Результатом для вас станет гораздо более глубокое интуитивное понимание работы электрических схем.
Резюме
- Чтобы определить, что произойдет в цепи в случае неисправности компонента, заново начертите эту схему с эквивалентным сопротивлением отказавшего компонента и пересчитайте все значения.
- Способность интуитивно определять, что произойдет со схемой с любым неисправным компонентом, является важным навыком для любого специалиста по устранению неполадок в электронике. Лучший способ научиться – экспериментировать с расчетами схем и реальными схемами, уделяя пристальное внимание тому, что меняется в случае неисправности, что остается неизменным и почему!
- Закороченный компонент – это компонент, сопротивление которого резко снизилось.
- Оборванный компонент – это компонент, сопротивление которого резко возросло. Следует отметить, что резисторы имеют тенденцию выходить из строя, обрываясь, чаще, чем, закорачиваясь, и они почти никогда не выходят из строя, если только они не подвергаются физической или электрической перегрузке.