Komponentenfehleranalyse

Die Arbeit eines Technikers beinhaltet häufig die „Fehlersuche“ (Lokalisieren und Beheben eines Problems) in fehlerhaften Stromkreisen. Eine gute Fehlersuche ist eine anspruchsvolle und lohnende Anstrengung, die ein gründliches Verständnis der grundlegenden Konzepte, die Fähigkeit, Hypothesen zu formulieren (vorgeschlagene Erklärungen für einen Effekt), die Fähigkeit, den Wert verschiedener Hypothesen anhand ihrer Wahrscheinlichkeit zu beurteilen (wie wahrscheinlich eine bestimmte Ursache ist) kann über einem anderen liegen) und ein Gefühl der Kreativität bei der Anwendung einer Lösung zur Behebung des Problems.

Obwohl es möglich ist, diese Fähigkeiten in eine wissenschaftliche Methodik zu fassen, würden die meisten geübten Troubleshooter zustimmen, dass die Fehlerbehebung einen Hauch von Kunst erfordert und dass es jahrelange Erfahrung erfordern kann, diese Kunst vollständig zu entwickeln.

Eine wesentliche Fähigkeit, die man haben sollte, ist ein schnelles und intuitives Verständnis dafür, wie sich Komponentenfehler auf Schaltungen in verschiedenen Konfigurationen auswirken. Wir werden hier einige der Auswirkungen von Komponentenfehlern in Reihen- und Parallelschaltungen untersuchen, dann am Ende des Kapitels „Serien-Parallel-Kombinationsschaltungen“ ausführlicher.

Fehleranalyse an einer einfachen Reihenschaltung

Beginnen wir mit einer einfachen Reihenschaltung:

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

Kurzgeschlossene Komponenten in einer Reihenschaltung

Nehmen wir nun an, dass R₂ versagt kurzgeschlossen. Kurzschluss bedeutet, dass der Widerstand jetzt wie ein gerades Stück Draht mit geringem oder keinem Widerstand wirkt. Die Schaltung verhält sich so, als ob ein „Jumper“-Draht über R₂ . angeschlossen wäre (Falls Sie sich fragen, "Brückendraht" ist ein gebräuchlicher Begriff für eine vorübergehende Drahtverbindung in einem Stromkreis). Was verursacht den Kurzschlusszustand von R₂ ist uns in diesem Beispiel egal; Wir kümmern uns nur um seine Wirkung auf die Schaltung:

Mit R₂ kurzgeschlossen, entweder durch ein Überbrückungskabel oder durch einen internen Widerstandsfehler, wird der Gesamtwiderstand des Schaltkreises abnehmen . Da die von der Batterie abgegebene Spannung konstant ist (zumindest in unserer idealen Simulation hier), bedeutet eine Verringerung des Gesamtwiderstands der Schaltung, dass der Gesamtstrom der Schaltung ansteigen muss :

Wenn der Strom der Schaltung von 20 Milliampere auf 60 Milliampere ansteigt, sinkt die Spannung an R₁ und R₃ (die die Widerstände nicht geändert haben) steigen ebenfalls an, so dass die beiden Widerstände die gesamten 9 Volt abfallen lassen. R₂ , die durch den sehr geringen Widerstand des Überbrückungskabels umgangen wird, wird effektiv aus dem Stromkreis eliminiert, da der Widerstand von einem Leiter zum anderen auf Null reduziert wurde. Somit ist der Spannungsabfall an R₂ , selbst mit dem erhöhten Gesamtstrom, ist null Volt.

Offene Bauteile in einer Reihenschaltung

Andererseits, wenn R₂ würde „offen“ versagen – der Widerstand steigt auf fast unendlich –, würde dies auch weitreichende Auswirkungen auf den Rest der Schaltung haben:

Mit R₂ bei unendlichem Widerstand und Gesamtwiderstand die Summe aller Einzelwiderstände in einer Reihenschaltung, sinkt der Gesamtstrom auf Null. Bei einem Stromkreis von Null gibt es keinen Strom, der Spannungsabfälle über R₁ . erzeugt oder R₃ . R₂ , andererseits zeigt die volle Versorgungsspannung an seinen Klemmen an.

Fehleranalyse in einer einfachen Parallelschaltung

Wir können die gleiche Vorher-/Nachher-Analysetechnik auch auf Parallelschaltungen anwenden. Zuerst legen wir fest, wie sich eine „gesunde“ Parallelschaltung verhalten soll.

Offene Komponenten in einer Parallelschaltung

Angenommen, R₂ in dieser Parallelschaltung öffnet, sind die Auswirkungen wie folgt:

Beachten Sie, dass in dieser Parallelschaltung ein offener Zweig nur den Strom durch diesen Zweig und den Gesamtstrom des Stromkreises beeinflusst. Die Gesamtspannung wird gleichmäßig auf alle Komponenten in einer Parallelschaltung verteilt und ist für alle Widerstände gleich. Aufgrund der Tatsache, dass die Spannungsquelle die Tendenz hat, die Spannung konstant zu halten , seine Spannung ändert sich nicht, und parallel zu allen Widerständen hält es die Spannungen aller Widerstände gleich wie zuvor: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.

Anwendung für Haushaltsbeleuchtung

In einer Haushaltslampenschaltung passiert Folgendes:Alle Lampen beziehen ihre Betriebsspannung aus einer parallel geschalteten Stromleitung. Das Ein- und Ausschalten einer Lampe (ein Zweig in diesem Parallelkreis schließt und öffnet) hat keinen Einfluss auf den Betrieb anderer Lampen im Raum, nur den Strom in dieser einen Lampe (Zweigkreis) und den Gesamtstrom, der alle Lampen versorgt das Zimmer:

Kurzgeschlossene Komponenten in einer Parallelschaltung

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

Ein kurzgeschlossener Widerstand (Widerstand 0 ) würde theoretisch unendlich viel Strom aus jeder endlichen Spannungsquelle ziehen (I=E/0). In diesem Fall ist der Nullwiderstand von R₂ verringert auch den Gesamtwiderstand der Schaltung auf null Ω, wodurch der Gesamtstrom auf einen Wert von unendlich erhöht wird. Solange die Spannungsquelle 9 Volt konstant hält, sind die anderen Zweigströme (I_R1 und I_R3 ) bleibt unverändert.

Nicht ideale Annahmen in der Analyse

Die kritische Annahme bei diesem „perfekten“ Schema besteht jedoch darin, dass die Spannungsversorgung ihre Nennspannung konstant hält, während sie eine Kurzschlusslast mit unendlich viel Strom versorgt. Das ist einfach nicht realistisch. Auch wenn der Short einen kleinen Widerstand hat (im Gegensatz zu absolut null Widerstand), kein echter Spannungsquelle kann beliebig einen großen Überlaststrom liefern und gleichzeitig die konstante Spannung aufrechterhalten.

Dies ist in erster Linie auf den inneren Widerstand aller elektrischen Stromquellen zurückzuführen, der auf die unvermeidlichen physikalischen Eigenschaften der Materialien zurückzuführen ist, aus denen sie bestehen:

Diese Innenwiderstände, so klein sie auch sein mögen, machen aus unserer einfachen Parallelschaltung eine Reihen-Parallel-Kombinationsschaltung. Normalerweise sind die Innenwiderstände von Spannungsquellen niedrig genug, um sie sicher zu ignorieren, aber wenn hohe Ströme durch kurzgeschlossene Komponenten auftreten, werden ihre Auswirkungen sehr deutlich.

In diesem Fall ein kurzgeschlossener R₂ würde dazu führen, dass fast die gesamte Spannung am Innenwiderstand der Batterie abfällt, wobei für die Widerstände R₁ . fast keine Spannung übrig bleibt , R₂ , und R₃ :

Es genügt zu sagen, dass absichtliche direkte Kurzschlüsse über die Klemmen einer beliebigen Spannungsquelle eine schlechte Idee sind. Selbst wenn der resultierende hohe Strom (Hitze, Blitze, Funken) Personen in der Nähe keinen Schaden zufügt, wird die Spannungsquelle wahrscheinlich Schaden nehmen, es sei denn, sie wurde speziell für den Umgang mit Kurzschlüssen entwickelt, was die meisten Spannungsquellen nicht sind.

Schließlich werde ich Sie in diesem Buch durch die Analyse von Schaltungen führen, ohne die Verwendung von Zahlen d. h. die Auswirkungen eines Komponentenfehlers in einer Schaltung analysieren, ohne genau zu wissen, wie viele Volt die Batterie erzeugt, wie viele Ohm der Widerstand in jedem Widerstand liegt usw. Dieser Abschnitt dient als Einführung in diese Art der Analyse.

Während die normale Anwendung des Ohmschen Gesetzes und der Regeln von Reihen- und Parallelschaltungen mit numerischen Größen („quantitativ“ ), diese neue Art der Analyse ohne genaue Zahlenangaben nenne ich gerne qualitativ Analyse. Mit anderen Worten, wir analysieren die Qualitäten der Effekte in einer Schaltung statt der genauen Mengen . Das Ergebnis für Sie wird ein viel tieferes intuitives Verständnis der Funktionsweise elektrischer Schaltungen sein.

RÜCKBLICK:

• Um zu bestimmen, was in einem Stromkreis passieren würde, wenn eine Komponente ausfällt, zeichnen Sie diesen Stromkreis mit dem Ersatzwiderstand der ausgefallenen Komponente neu und berechnen Sie alle Werte neu.
• Die Fähigkeit, intuitiv zu bestimmen, was mit einer Schaltung mit einem bestimmten Komponentenfehler passiert, ist entscheidend Fähigkeiten, die jeder Elektronik-Fehlersucher entwickeln kann. Der beste Weg, um zu lernen, ist, mit Schaltungsberechnungen und realen Schaltungen zu experimentieren und genau darauf zu achten, was sich bei einem Fehler ändert, was gleich bleibt und warum !
• Ein Kurzschluss Komponente ist eine, deren Widerstand dramatisch abgenommen hat.
• Ein offenes Komponente ist eine, deren Widerstand dramatisch zugenommen hat. Um es festzuhalten, Widerstände neigen dazu, häufiger offen als kurzgeschlossen zu versagen, und sie versagen fast nie, es sei denn, sie werden physisch oder elektrisch überbeansprucht (physisch missbraucht oder überhitzt).

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Grundlegendes Arbeitsblatt zur Fehlersuche im Schaltkreis