Análisis de fallas de componentes

El trabajo de un técnico con frecuencia implica "resolución de problemas" (localizar y corregir un problema) en circuitos que funcionan mal. La buena resolución de problemas es un esfuerzo exigente y gratificante, que requiere una comprensión profunda de los conceptos básicos, la capacidad de formular hipótesis (explicaciones propuestas de un efecto), la capacidad de juzgar el valor de diferentes hipótesis en función de su probabilidad (qué tan probable es una causa particular puede ser sobre otro), y un sentido de creatividad al aplicar una solución para rectificar el problema.

Si bien es posible resumir estas habilidades en una metodología científica, la mayoría de los solucionadores de problemas con experiencia estarían de acuerdo en que la resolución de problemas implica un toque de arte y que puede llevar años de experiencia desarrollar completamente este arte.

Una habilidad esencial que debe tener es una comprensión inmediata e intuitiva de cómo las fallas de los componentes afectan los circuitos en diferentes configuraciones. Exploraremos algunos de los efectos de las fallas de componentes en circuitos en serie y en paralelo aquí, luego en mayor grado al final del capítulo “Circuitos de combinación en serie-paralelo”.

Análisis de fallas en un circuito en serie simple

Comencemos con un circuito en serie simple:

Con todos los componentes de este circuito funcionando a sus valores adecuados, podemos determinar matemáticamente todas las corrientes y caídas de voltaje:

Componentes en cortocircuito en un circuito en serie

Ahora supongamos que R ₂ falla en cortocircuito. Corto significa que la resistencia ahora actúa como un trozo de cable recto, con poca o ninguna resistencia. El circuito se comportará como si un cable "puente" estuviera conectado a través de R ₂ (en caso de que se lo pregunte, "cable de puente" es un término común para una conexión de cable temporal en un circuito). ¿Qué causa la condición de cortocircuito de R ₂ no nos importa en este ejemplo; solo nos preocupamos por su efecto en el circuito:

Con R ₂ en corto, ya sea por un cable de puente o por una falla de resistencia interna, la resistencia total del circuito disminuirá . Dado que la salida de voltaje de la batería es constante (al menos en nuestra simulación ideal aquí), una disminución en la resistencia total del circuito significa que la corriente total del circuito debe aumentar :

A medida que la corriente del circuito aumenta de 20 miliamperios a 60 miliamperios, el voltaje cae en R ₁ y R ₃ (que no han cambiado las resistencias) también aumentan, de modo que las dos resistencias están cayendo los 9 voltios completos. R ₂ , al ser puenteado por la muy baja resistencia del cable de puente, se elimina efectivamente del circuito, la resistencia de un cable al otro se ha reducido a cero. Por lo tanto, la caída de voltaje en R ₂ , incluso con el aumento de la corriente total, es de cero voltios.

Componentes abiertos en un circuito en serie

Por otro lado, si R ₂ si fallara en "abrirse", aumentando la resistencia a niveles casi infinitos, también crearía efectos de gran alcance en el resto del circuito:

Con R ₂ a una resistencia infinita y la resistencia total es la suma de todas las resistencias individuales en un circuito en serie, la corriente total disminuye a cero. Con corriente de circuito cero, no hay corriente que produzca caídas de voltaje en R ₁ o R ₃ . R ₂ , por otro lado, manifestará el voltaje de suministro completo a través de sus terminales.

Análisis de fallas en un circuito paralelo simple

También podemos aplicar la misma técnica de análisis antes / después a circuitos en paralelo. Primero, determinamos cómo debe comportarse un circuito paralelo "saludable".

Componentes abiertos en un circuito paralelo

Suponiendo que R ₂ se abre en este circuito paralelo, estos serán los efectos:

Observe que en este circuito paralelo, una rama abierta solo afecta la corriente a través de esa rama y la corriente total del circuito. El voltaje total, que se comparte por igual entre todos los componentes de un circuito paralelo, será el mismo para todas las resistencias. Debido al hecho de que la tendencia de la fuente de voltaje es mantener el voltaje constante , su voltaje no cambiará, y al estar en paralelo con todas las resistencias, mantendrá todas las tensiones de las resistencias igual que antes:9 voltios. Dado que el voltaje es el único parámetro común en un circuito en paralelo, y las otras resistencias no han cambiado el valor de resistencia, sus respectivas corrientes de derivación permanecen sin cambios.

Aplicación de iluminación para el hogar

Esto es lo que sucede en el circuito de una lámpara doméstica:todas las lámparas obtienen su voltaje de funcionamiento del cableado de alimentación dispuesto en paralelo. Encender y apagar una lámpara (una rama en ese circuito paralelo que se cierra y se abre) no afecta el funcionamiento de otras lámparas en la habitación, solo la corriente en esa lámpara (circuito derivado) y la corriente total que alimenta a todas las lámparas en la habitación:

Componentes en cortocircuito en un circuito paralelo

En un caso ideal (con fuentes de voltaje perfectas y cable de conexión de resistencia cero), las resistencias en cortocircuito en un circuito paralelo simple tampoco tendrán ningún efecto sobre lo que está sucediendo en otras ramas del circuito. En la vida real, el efecto no es el mismo y veremos por qué en el siguiente ejemplo:

Una resistencia en cortocircuito (resistencia de 0 Ω) teóricamente extraería una corriente infinita de cualquier fuente finita de voltaje (I =E / 0). En este caso, la resistencia cero de R ₂ también disminuye la resistencia total del circuito a cero Ω, aumentando la corriente total a un valor de infinito. Sin embargo, mientras la fuente de voltaje se mantenga estable a 9 voltios, las otras corrientes de derivación (I _R1 y yo _R3 ) permanecerá sin cambios.

Supuestos no ideales en el análisis

Sin embargo, la suposición crítica en este esquema "perfecto" es que el suministro de voltaje se mantendrá estable a su voltaje nominal mientras suministra una cantidad infinita de corriente a una carga de cortocircuito. Esto simplemente no es realista. Incluso si el corto tiene una pequeña cantidad de resistencia (a diferencia de una resistencia absolutamente nula), no hay real La fuente de voltaje podría suministrar arbitrariamente una gran corriente de sobrecarga y mantener el voltaje constante al mismo tiempo.

Esto se debe principalmente a la resistencia interna intrínseca a todas las fuentes de energía eléctrica, derivada de las ineludibles propiedades físicas de los materiales con los que están construidas:

Estas resistencias internas, por pequeñas que sean, convierten nuestro circuito paralelo simple en un circuito de combinación serie-paralelo. Por lo general, las resistencias internas de las fuentes de voltaje son lo suficientemente bajas como para que se puedan ignorar con seguridad, pero cuando se encuentran altas corrientes resultantes de componentes en cortocircuito, sus efectos se vuelven muy notables.

En este caso, un R ₂ en corto daría como resultado que casi todo el voltaje cayera a través de la resistencia interna de la batería, con casi ningún voltaje sobrante para las resistencias R ₁ , R ₂ y R ₃ :

Baste decir que los cortocircuitos directos intencionales a través de los terminales de cualquier fuente de voltaje son una mala idea. Incluso si la alta corriente resultante (calor, destellos, chispas) no causa daño a las personas cercanas, es probable que la fuente de voltaje sufra daños, a menos que haya sido diseñada específicamente para manejar cortocircuitos, lo cual no ocurre con la mayoría de las fuentes de voltaje.

Eventualmente, en este libro lo guiaré a través del análisis de circuitos sin el uso de números , es decir, analizar los efectos de la falla de un componente en un circuito sin saber exactamente cuántos voltios produce la batería, cuántos ohmios de resistencia hay en cada resistor, etc. Esta sección sirve como paso introductorio a ese tipo de análisis.

Mientras que la aplicación normal de la Ley de Ohm y las reglas de los circuitos en serie y en paralelo se realiza con cantidades numéricas ( "cuantitativas" ), este nuevo tipo de análisis sin cifras numéricas precisas es algo que me gusta llamar cualitativo análisis. En otras palabras, analizaremos las cualidades de los efectos en un circuito en lugar de las cantidades precisas . El resultado, para usted, será una comprensión intuitiva mucho más profunda del funcionamiento del circuito eléctrico.

REVISAR:

• Para determinar qué sucedería en un circuito si un componente falla, vuelva a dibujar ese circuito con la resistencia equivalente del componente fallado en su lugar y vuelva a calcular todos los valores.
• La capacidad de determinar intuitivamente qué le sucederá a un circuito con cualquier falla de un componente dado es crucial habilidad para que la desarrolle cualquier solucionador de problemas electrónicos. La mejor manera de aprender es experimentar con cálculos de circuitos y circuitos de la vida real, prestando mucha atención a qué cambia con una falla, qué permanece igual y por qué !
• Un cortocircuito componente es uno cuya resistencia ha disminuido drásticamente.
• Un abierto componente es aquel cuya resistencia ha aumentado drásticamente. Para que conste, las resistencias tienden a fallar al abrirse con más frecuencia que a fallar en cortocircuito, y casi nunca fallan a menos que estén sobrecargadas física o eléctricamente (abusadas físicamente o sobrecalentadas).

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de resolución de problemas de circuito básico