Komponentenfehleranalyse

Anonim

Komponentenfehleranalyse

Kapitel 5 - Reihen- und Parallelschaltungen


Die Aufgabe eines Technikers beinhaltet häufig "Fehlersuche" (Lokalisieren und Korrigieren eines Problems) in fehlerhaften Schaltungen. Eine gute Fehlersuche ist eine anspruchsvolle und lohnende Aufgabe, die ein gründliches Verständnis der grundlegenden Konzepte, die Fähigkeit, Hypothesen zu formulieren (vorgeschlagene Erklärungen eines Effekts), die Fähigkeit, den Wert verschiedener Hypothesen basierend auf ihrer Wahrscheinlichkeit (wie wahrscheinlich eine bestimmte Ursache) zu beurteilen möglicherweise über ein anderes), und ein Gefühl der Kreativität in der Anwendung einer Lösung, um das Problem zu beheben. Obwohl es möglich ist, diese Fähigkeiten in eine wissenschaftliche Methodologie aufzuspalten, würden die meisten geübten Troubleshooter darin übereinstimmen, dass die Fehlersuche einen Hauch von Kunst beinhaltet und dass es Jahre der Erfahrung dauern kann, diese Kunst vollständig zu entwickeln.

Eine wesentliche Fähigkeit ist es, schnell und intuitiv zu verstehen, wie Komponentenfehler Schaltungen in verschiedenen Konfigurationen beeinflussen. Wir werden hier einige der Auswirkungen von Komponentenfehlern in Reihen- und Parallelschaltungen untersuchen, dann in größerem Umfang am Ende des Kapitels "Serien-Parallel-Kombinationsschaltungen".

Beginnen wir mit einer einfachen Serienschaltung:

Wenn alle Komponenten in dieser Schaltung mit ihren richtigen Werten funktionieren, können wir alle Ströme und Spannungsabfälle mathematisch bestimmen:

Nehmen wir nun an, dass R 2 kurzgeschlossen ist. Kurzschluss bedeutet, dass der Widerstand jetzt wie ein gerades Stück Draht wirkt, mit wenig oder keinem Widerstand. Die Schaltung verhält sich so, als ob ein "Jumper" über R 2 verbunden wäre (falls Sie sich wundern, "Jumper-Draht" ist eine gebräuchliche Bezeichnung für eine temporäre Drahtverbindung in einer Schaltung). Was die kurzgeschlossene Bedingung von R 2 verursacht, ist uns in diesem Beispiel egal; wir kümmern uns nur um seine Wirkung auf die Schaltung:

Wenn R 2 kurzgeschlossen ist, entweder durch eine Überbrückungskabel oder durch einen internen Widerstandsfehler, wird der gesamte Schaltungswiderstand abnehmen . Da die von der Batterie abgegebene Spannung konstant ist (zumindest in unserer idealen Simulation hier), bedeutet eine Verringerung des Gesamtwiderstandes, dass der Gesamtkreisstrom erhöht werden muss :

Wenn der Schaltungsstrom von 20 Milliampere auf 60 Milliampere ansteigt, nehmen auch die Spannungsabfälle über R 1 und R 3 (die die Widerstände nicht geändert haben) zu, so daß die beiden Widerstände die gesamten 9 Volt abfallen. R2, das durch den sehr niedrigen Widerstand des Schaltdrahtes überbrückt wird, wird effektiv aus der Schaltung eliminiert, wobei der Widerstand von einer Leitung zu der anderen auf Null reduziert wurde. Somit ist der Spannungsabfall über R2 selbst mit dem erhöhten Gesamtstrom Null Volt.

Auf der anderen Seite, wenn R & sub2; den "offenen" Widerstand nicht erreichen würde, der auf nahezu unendliche Niveaus ansteigt, würde dies auch weitreichende Effekte in dem Rest der Schaltung erzeugen:

Mit R 2 bei unendlichem Widerstand und Gesamtwiderstand als Summe aller Einzelwiderstände in einer Reihenschaltung sinkt der Gesamtstrom auf Null. Bei einem Nullkreisstrom liegt kein Elektronenfluss vor, um Spannungsabfälle über R 1 oder R 3 zu erzeugen. R 2 wird andererseits die volle Versorgungsspannung an seinen Anschlüssen anzeigen.

Wir können die gleiche Vorher / Nachher-Analysetechnik auch auf parallele Schaltungen anwenden. Zuerst bestimmen wir, wie sich eine "gesunde" Parallelschaltung verhalten soll.

Angenommen, R 2 öffnet sich in dieser Parallelschaltung, hier sind die Auswirkungen:

Beachten Sie, dass in dieser Parallelschaltung ein offener Zweig nur den Strom durch diesen Zweig und den Gesamtstrom der Schaltung beeinflusst. Die Gesamtspannung, die gleichmäßig auf alle Komponenten in einer Parallelschaltung aufgeteilt wird, ist für alle Widerstände gleich. Aufgrund der Tatsache, dass die Tendenz der Spannungsquelle besteht, die Spannung konstant zu halten, wird sich ihre Spannung nicht ändern, und parallel zu allen Widerständen werden alle Spannungen der Widerstände wie zuvor gehalten: 9 Volt. Da diese Spannung der einzige gemeinsame Parameter in einer Parallelschaltung ist und die anderen Widerstände ihren Widerstandswert nicht geändert haben, bleiben ihre jeweiligen Zweigströme unverändert.

Dies geschieht in einer Haushaltslampenschaltung: Alle Lampen erhalten ihre Betriebsspannung von parallel angeordneten Stromkabeln. Das Ein- und Ausschalten einer Lampe (ein Zweig in dieser Parallelschaltung schließt und öffnet) hat keinen Einfluss auf den Betrieb anderer Lampen im Raum, nur den Strom in dieser einen Lampe (Zweigschaltung) und den Gesamtstrom, der alle Lampen einspeist das Zimmer:

Im Idealfall (mit perfekten Spannungsquellen und nullohmigem Anschlussdraht) haben kurzgeschlossene Widerstände in einer einfachen Parallelschaltung auch keinen Einfluss auf das, was in anderen Zweigen der Schaltung passiert. Im wirklichen Leben ist der Effekt nicht ganz der gleiche, und wir werden sehen, warum im folgenden Beispiel:

Ein kurzgeschlossener Widerstand (Widerstand von 0 Ω) würde theoretisch unendlich Strom von jeder endlichen Spannungsquelle ziehen (I = E / 0). In diesem Fall verringert der Nullwiderstand von R2 den Schaltungsgesamtwiderstand ebenfalls auf Null, was den Gesamtstrom auf einen Wert von unendlich erhöht. Solange die Spannungsquelle konstant bei 9 Volt bleibt, bleiben jedoch die anderen Zweigströme (I R1 und I R3 ) unverändert.

Die kritische Annahme in diesem "perfekten" Schema ist jedoch, dass die Spannungsversorgung konstant bei ihrer Nennspannung bleibt, während eine unendliche Menge an Strom einer Kurzschlusslast zugeführt wird. Das ist einfach nicht realistisch. Selbst wenn der Kurzschluss einen kleinen Widerstand hat (im Gegensatz zu einem Widerstand von Null), könnte keine echte Spannungsquelle willkürlich einen großen Überlaststrom liefern und gleichzeitig eine konstante Spannung aufrechterhalten. Dies ist in erster Linie auf den inneren Widerstand zurückzuführen, der allen elektrischen Stromquellen innewohnt und von den unausweichlichen physikalischen Eigenschaften der Materialien herrührt, aus denen sie bestehen:

Diese inneren Widerstände, so klein sie auch sein mögen, verwandeln unsere einfache Parallelschaltung in eine Reihen-Parallel-Kombinationsschaltung. Üblicherweise sind die internen Widerstände von Spannungsquellen niedrig genug, dass sie sicher ignoriert werden können, aber wenn hohe Ströme, die von kurzgeschlossenen Komponenten herrühren, auftreten, werden ihre Auswirkungen sehr bemerkbar. In diesem Fall würde ein kurzgeschlossener R2 dazu führen, dass fast die gesamte Spannung über den Innenwiderstand der Batterie fällt, wobei fast keine Spannung mehr für die Widerstände R1, R2 und R3 übrig bleibt:

Es genügt zu sagen, dass beabsichtigte direkte Kurzschlüsse über die Anschlüsse einer beliebigen Spannungsquelle eine schlechte Idee sind. Selbst wenn der daraus resultierende hohe Strom (Hitze, Blitze, Funken) Menschen in der Nähe keinen Schaden zufügt, wird die Spannungsquelle wahrscheinlich Schaden erleiden, es sei denn, sie wurde speziell für Kurzschlüsse ausgelegt, was bei den meisten Spannungsquellen nicht der Fall ist.

Schließlich werde ich Sie in diesem Buch durch die Analyse von Schaltkreisen ohne die Verwendung von Zahlen führen, dh die Auswirkungen von Bauteilversagen in einem Schaltkreis analysieren, ohne genau zu wissen, wie viele Volt die Batterie produziert, wie viele Ohm Widerstand in jedem ist Widerstand usw. Dieser Abschnitt dient als einleitender Schritt zu dieser Art von Analyse.

Während die normale Anwendung des Ohmschen Gesetzes und die Regeln von Reihen- und Parallelschaltungen mit numerischen Größen ( "quantitativ" ) durchgeführt werden, nenne ich diese neue Art der Analyse ohne genaue Zahlenangaben eine qualitative Analyse. Mit anderen Worten, wir werden die Qualitäten der Effekte in einem Kreis analysieren anstatt die genauen Mengen . Das Ergebnis wird für Sie ein viel tieferes intuitives Verständnis des elektrischen Schaltkreisbetriebs sein.

  • REZENSION:
  • Um festzustellen, was in einer Schaltung passieren würde, wenn eine Komponente ausfällt, zeichnen Sie diese Schaltung mit dem entsprechenden Widerstand der fehlerhaften Komponente neu und berechnen Sie alle Werte neu.
  • Die Fähigkeit, intuitiv zu bestimmen, was mit einem gegebenen Komponentenfehler einer Schaltung passieren wird, ist eine entscheidende Fähigkeit, die jeder Elektronik-Problemlöser entwickeln kann. Der beste Weg zu lernen ist, mit Schaltungsberechnungen und realen Schaltungen zu experimentieren, wobei genau darauf geachtet wird, was sich mit einer Störung ändert, was gleich bleibt und warum !
  • Eine kurzgeschlossene Komponente ist eine Komponente, deren Widerstand drastisch abgenommen hat.
  • Eine offene Komponente ist eine Komponente, deren Widerstand dramatisch zugenommen hat. Zur Erinnerung, Widerstände neigen dazu, häufiger offen zu öffnen, als Fehler kurzgeschlossen, und sie fast nie versagen, es sei denn physisch oder elektrisch überlastet (physisch missbraucht oder überhitzt).