Работа технического специалиста предполагает «поиск и устранение неисправностей», другими словами – обнаружение и устранение проблемы неисправных электрических цепей. Качественное устранение неисправностей требует немалых (но хорошо оплачиваемых) усилий. Требуется глубокое понимание основных концепций, умение выдвигать и формулировать гипотезы (т.е. предлагаемые объяснения получаемого эффекта). Приветствуется способность давать верную оценку различным гипотезам на основе их вероятности (т.е. насколько вероятна конкретная возможная причина и насколько она вероятнее чем другие причины). Также очень ценится творческое начало в применении решения для исправления проблемы.
Несмотря на то, что эти навыки можно перевести в строгую научную методологию, большинство опытных специалистов согласятся, что устранение неполадок требует особого мастерства, на оттачивание которого могут уйти годы.
Важнейший навык – интуитивное понимание того, как неисправности элементов влияют на цепи различных конфигураций. Здесь мы рассмотрим некоторые последствия отказов компонентов как в последовательных, так и в параллельных цепях, а затем в большей степени рассмотрим эти вопросы и в конце главы «Последовательно-параллельные комбинированные цепи».
Анализ отказов в простой последовательной цепи
Начнем с простой последовательной схемы:
Рис. 1. Простая последовательная схема.
Если все компоненты в этой схеме исправно функционируют, можно с помощью нехитрых математических манипуляций определить силу тока и напряжение для каждого элемента:
Рис. 2. Таблица для простой последовательной схемы, со всеми значениями E, I и R.
Закороченные элементы в последовательной цепи
Предположим, что резистор R2 не удаётся замкнуть. Короткое замыкание означает, что резистор теперь работает как обычный кусок провода с небольшим сопротивлением или даже практически без него. Схема будет вести себя так, как если бы к резистору R2 была подключена «перемычка» (если вам интересно, «перемычка» – это общий термин для подключённых временных проводов в цепи). Что именно вызвало короткое замыкание в резисторе R2 к теме нашей лекции не относится, нас заботит только его влияние на работу цепи:
Рис. 3. Закороченный резистор в последовательной цепи.
При коротком замыкании резистора R2 из-за перемычки или неисправности самого резистора общее сопротивление цепи уменьшится. Поскольку выходное напряжение источника питания является постоянным (по крайней мере, в нашем идеальном моделировании для данной схемы), уменьшение общего сопротивления цепи означает, что общая сила тока в цепи должна увеличиться:
Рис. 4. Таблица для последовательной цепи с закороченным элементом.
Если ток в цепи увеличивается с 20 до 60 мА, напряжение на резисторах R1 и R3 (значение сопротивления для которых осталось неизменным) также увеличивается, так что напряжение 9 вольт распределяется между двумя оставшимися резисторами. На резисторе R2 теперь низкое сопротивлением из-за перемычки, этот элемент эффективно исключается из схемы, при этом сопротивление от одного вывода к другому уменьшено практически до нуля. Таким образом, напряжение на R2 даже при увеличении общей силы токе равно нулю вольт.
Разомкнутые элементы в последовательной цепи
С другой стороны, если R2 продолжает оставаться разомкнутым элементом цепи – сопротивление возрастёт почти до бесконечности, – что также вызовет далеко идущие последствия для остальной части схемы:
Рис. 5. Разомкнутый элемент в последовательной цепиРис. 6. Таблица для последовательной цепи с разомкнутым элементом.
Когда R2 имеет бесконечное сопротивление, а общее сопротивление является суммой всех сопротивлений в последовательной цепи, сила общего тока уменьшается до нуля. При нулевой силе тока в цепи в ответвлениях сила тока также будет равна 0, что вызовет падение напряжения до нуля на R1 и R3. На выводах R2, с другой стороны, значение напряжения будет таким же, как и для источника питания.
Анализ отказов в простой параллельной цепи
Мы можем применить тот же метод анализа «до/после» и к параллельным цепям. Сначала определяем, как должна вести себя «здоровая» параллельная цепь.
Рис. 7. Простая параллельная цепь.Рис. 8. Таблица для простой параллельной цепи.
Разомкнутые элементы в параллельной цепи
Предположим, что в этой параллельной цепи резистор R2 разомкнулся:
Рис. 9. Параллельная цепь с разомкнутым элементом.Рис. 10. Таблица для параллельной цепи с разомкнутым элементом.
Обратите внимание, что в данной параллельной цепи разомкнутая ветвь влияет только на ток, проходящий через неё, а также на общий ток цепи. Общее напряжение, равномерно распределяемое между всеми элементами в параллельной цепи, будет одинаковым для всех резисторов. Из-за того, что источник питания поддерживает постоянное напряжение, его напряжение не изменится и, будучи подключенным параллельно со всеми резисторами, он будет поддерживать напряжения на всех резисторах на том же уровне: 9 вольт. Поскольку напряжение является общим параметром в параллельной цепи, а другие резисторы не изменили значение сопротивления, соответствующие силы тока в остальных ветвях остались неизменными.
Применительно к домашнему освещению
Вот что происходит в электрической цепи для обычного освещения из нескольких ламп: все лампы получают рабочее напряжение от силовой проводки, проложенной параллельно. Включение/выключение одной лампы (одна ветвь в этой параллельной цепи замыкается и размыкается) не влияет на работу других ламп в комнате, а влияет только на силу тока в этой одной лампе (ответвленную цепь) и общий ток, питающий все лампы в комнате.
Рис. 11. Электрическая параллельная схема для домашнего освещения.
Закороченные элементы в параллельной цепи
В идеальном случае (с идеальным источником напряжения и соединительным проводом с нулевым сопротивлением) закороченные резисторы в простой параллельной цепи также не будут влиять на то, что происходит в других ветвях. В реальной же жизни эффект не совсем такой, и в следующем примере мы увидим, почему:
Рис. 12. Закороченный элемент в параллельной цепи.Рис. 13. Таблица для параллельной цепи с закороченным элементом.
Закороченный резистор (его сопротивление 0 Ом) теоретически будет потреблять бесконечный ток от любого конечного источника напряжения (I = E/0). В этом случае нулевое сопротивлениерезистора R2 также снижает общее сопротивление цепи до нуля Ом, увеличивая общую силу тока до бесконечности. Однако до тех пор, пока источник питания стабильно даёт напряжение в 9 вольт, сила тока в других ответвлениях (I для R1 и I для R3) останется неизменной.
Неидеальные предположения в анализе отказов электрических цепей
Однако критическое допущение в этой «идеальной» схеме состоит в том, что источник питания будет поддерживать постоянное номинальное напряжение, подавая бесконечный ток на нагрузку короткого замыкания. На практике это просто нереально. Даже если короткое замыкание имеет небольшое сопротивление (в отличие от абсолютно нулевого сопротивления), ни один реальный источник питания не может произвольно подавать большой ток, приводящий к перегрузкам и одновременно поддерживать стабильное напряжение во всей цепи. Это в первую очередь связано с внутренним сопротивлением, присущим всем источникам электроэнергии, проистекающим из физических свойств тех материалов, из которых они созданы:
Рис. 14. Диаграмма с неидеальным предположением.
Эти внутренние сопротивления, какими бы маленькими они ни были, превращают нашу простейшую параллельную схему в последовательно-параллельную комбинированную схему. Обычно внутреннее сопротивление источников напряжения настолько низкое, чтобы им можно спокойно пренебречь, однако, когда возникает большая сила тока, возникающие в результате короткого замыкания элементов, влияние этого сопротивления становится очень заметным. В этом случае замкнутый резистор R2 приведет к тому, что почти всё напряжение упадёт за счёт внутреннего сопротивления источника питания, а на резисторах R1, R2 и R3 почти не останется напряжения:
Рис. 15. Простая параллельная схема, являющаяся на самом деле последовательно-параллельной комбинированной цепью.Рис. 16. Таблица неидеальных допущений.
Достаточно сказать, что преднамеренное прямое короткое замыкание на клеммах любого источника питания – весьма скверная идея. Даже если возникающий в результате сильный ток (следствием которого могут быть тепло, вспышки, искры) не причинит вреда людям, находящимся поблизости, источник питания, скорее всего, будет поврежден, если только он не был специально разработан для защиты от коротких замыканий, чего нет у большинства источников напряжения.
В конце концов, в данной книге мы пройдём через подробный анализ цепей без использования каких-либо чисел, то есть анализ последствий отказа компонентов в цепи, не зная точно, сколько вольт вырабатывает батарея, сколько Ом сопротивления в ней, чему равно сопротивление каждого резистора 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 величинами (т.е. «количественный» анализ), этот новый вид анализа без точных цифр я люблю называть «качественным» анализом. Другими словами, мы будем анализировать качество эффектов, возникающих в цепи, а не их точные количественные показатели. Наградой для вас станет гораздо более глубокое интуитивное понимание работы электрической схемы.
Итог
Чтобы определить, что произойдет в цепи в случае отказа элементы, заново начертите эту схему с эквивалентным сопротивлением отказавшего компонента и пересчитайте все значения.
Способность интуитивно определять, что произойдет со схемой с любым заданным отказом компонента, является важным навыком для любого специалиста по устранению неполадок электроники. Лучший способ научиться - экспериментировать с расчётами схем и реальными физическими схемами, обращая пристальное внимание на то, что поменялось вследствие отказа, а что осталось без изменений – и, самое главное, выяснять почему!
Разомкнутый элемент – это тот, сопротивление которого резко возросло. Для справки: резисторы имеют тенденцию отказывать вследствие размыкания гораздо чаще, чем закорачиваться при отказе, и они почти никогда не выходят из строя, если только они не подвергаются физическому или электрическому перенапряжению (физическому воздействию или перегреву).
