Análise de falha de componente

O trabalho de um técnico freqüentemente envolve a “solução de problemas” (localização e correção de um problema) em circuitos com defeito. Uma boa solução de problemas é um esforço exigente e recompensador, exigindo uma compreensão completa dos conceitos básicos, a capacidade de formular hipóteses (explicações propostas de um efeito), a capacidade de julgar o valor de diferentes hipóteses com base em sua probabilidade (qual a probabilidade de uma causa específica pode ser sobre outro), e um senso de criatividade na aplicação de uma solução para corrigir o problema.

Embora seja possível destilar essas habilidades em uma metodologia científica, a maioria dos solucionadores de problemas experientes concordaria que a solução de problemas envolve um toque de arte e que pode levar anos de experiência para desenvolver totalmente essa arte.

Uma habilidade essencial é uma compreensão pronta e intuitiva de como as falhas de componentes afetam os circuitos em diferentes configurações. Exploraremos alguns dos efeitos das falhas de componentes nos circuitos em série e paralelo aqui, e em maior grau no final do capítulo “Circuitos de combinação série-paralela”.

Análise de falhas em um circuito de série simples

Vamos começar com um circuito em série simples:



Com todos os componentes neste circuito funcionando em seus valores adequados, podemos determinar matematicamente todas as correntes e quedas de tensão:

Componentes em curto em um circuito em série

Agora vamos supor que R ₂ falha em curto. Shorted significa que o resistor agora age como um pedaço de fio reto, com pouca ou nenhuma resistência. O circuito se comportará como se um fio “jumper” estivesse conectado em R ₂ (caso você esteja se perguntando, “fio de jumper” é um termo comum para uma conexão de fio temporária em um circuito). O que causa a condição de curto-circuito de R ₂ não importa para nós neste exemplo; só nos preocupamos com seu efeito sobre o circuito:



Com R ₂ em curto, seja por um fio jumper ou por uma falha de resistor interno, a resistência total do circuito irá diminuir . Uma vez que a saída de tensão pela bateria é uma constante (pelo menos em nossa simulação ideal aqui), uma diminuição na resistência total do circuito significa que a corrente total do circuito deve aumentar :



Conforme a corrente do circuito aumenta de 20 miliamperes para 60 miliamperes, a tensão cai em R ₁ e R ₃ (que não alterou as resistências) aumentam também, de modo que os dois resistores estão diminuindo os 9 volts inteiros. R ₂ , sendo contornado pela resistência muito baixa do fio de ponte, é efetivamente eliminado do circuito, a resistência de um cabo para o outro tendo sido reduzida a zero. Assim, a queda de tensão em R ₂ , mesmo com o aumento da corrente total, é zero volts.

Componentes abertos em um circuito em série

Por outro lado, se R ₂ se falhassem "abertas" - a resistência aumentando para níveis quase infinitos - também criaria efeitos de amplo alcance no resto do circuito:





Com R ₂ na resistência infinita e a resistência total é a soma de todas as resistências individuais em um circuito em série, a corrente total diminui para zero. Com corrente de circuito zero, não há corrente para produzir quedas de tensão em R ₁ ou R ₃ . R ₂ , por outro lado, manifestará a tensão de alimentação total em seus terminais.

Análise de falhas em um circuito paralelo simples

Podemos aplicar a mesma técnica de análise antes / depois para circuitos paralelos também. Primeiro, determinamos como um circuito paralelo “saudável” deve se comportar.

Componentes abertos em um circuito paralelo

Supondo que R ₂ abre neste circuito paralelo, eis quais serão os efeitos:





Observe que, neste circuito paralelo, uma ramificação aberta afeta apenas a corrente através dessa ramificação e a corrente total do circuito. Tensão total - sendo compartilhada igualmente por todos os componentes em um circuito paralelo, será a mesma para todos os resistores. Devido ao fato de que a tendência da fonte de tensão é manter a tensão constante , sua tensão não mudará e, estando em paralelo com todos os resistores, manterá todas as tensões dos resistores iguais a antes:9 volts. Sendo que a tensão é o único parâmetro comum em um circuito paralelo, e os outros resistores não mudaram o valor da resistência, suas respectivas correntes de ramificação permanecem inalteradas.

Aplicação de iluminação doméstica

Isso é o que acontece em um circuito de lâmpadas domésticas:todas as lâmpadas obtêm sua voltagem operacional da fiação de energia disposta em paralelo. Ligar e desligar uma lâmpada (uma ramificação nesse circuito paralelo fechando e abrindo) não afeta o funcionamento das outras lâmpadas na sala, apenas a corrente naquela lâmpada (circuito ramificado) e a corrente total que alimenta todas as lâmpadas em a sala:

Componentes em curto em um circuito paralelo

Em um caso ideal (com fontes de tensão perfeitas e fio de conexão de resistência zero), resistores em curto em um circuito paralelo simples também não terão efeito sobre o que está acontecendo em outras ramificações do circuito. Na vida real, o efeito não é exatamente o mesmo e veremos o porquê no exemplo a seguir:





Um resistor em curto (resistência de 0 Ω) teoricamente consumiria corrente infinita de qualquer fonte finita de tensão (I =E / 0). Neste caso, a resistência zero de R ₂ diminui a resistência total do circuito para zero Ω também, aumentando a corrente total para um valor de infinito. Enquanto a fonte de tensão se mantiver estável em 9 volts, no entanto, as outras correntes de ramificação (I _R1 e eu _R3 ) permanecerá inalterado.

Suposições não ideais na análise

A suposição crítica neste esquema “perfeito”, entretanto, é que a alimentação de tensão se manterá estável em sua tensão nominal enquanto fornece uma quantidade infinita de corrente para uma carga de curto-circuito. Isso simplesmente não é realista. Mesmo se o curto tiver uma pequena quantidade de resistência (em oposição à resistência absolutamente zero), nenhum real a fonte de tensão pode fornecer arbitrariamente uma enorme corrente de sobrecarga e manter a tensão constante ao mesmo tempo.

Isso se deve principalmente à resistência interna intrínseca a todas as fontes de energia elétrica, decorrente das propriedades físicas inevitáveis ​​dos materiais de que são construídas:



Essas resistências internas, por menores que sejam, transformam nosso circuito paralelo simples em um circuito de combinação série-paralelo. Normalmente, as resistências internas das fontes de tensão são baixas o suficiente para que possam ser ignoradas com segurança, mas quando altas correntes resultantes de componentes em curto são encontradas, seus efeitos se tornam muito perceptíveis.

Neste caso, um R ₂ em curto resultaria na queda de quase toda a voltagem na resistência interna da bateria, com quase nenhuma voltagem sobrando para os resistores R ₁ , R ₂ e R ₃ :





Basta dizer que curtos-circuitos diretos intencionais nos terminais de qualquer fonte de tensão são uma má ideia. Mesmo que a alta corrente resultante (calor, flashes, faíscas) não cause danos às pessoas próximas, a fonte de tensão provavelmente sofrerá danos, a menos que tenha sido projetada especificamente para lidar com curtos-circuitos, o que a maioria das fontes de tensão não é.

Eventualmente, neste livro, irei conduzi-lo através da análise de circuitos sem o uso de quaisquer números , isto é, analisar os efeitos da falha de componente em um circuito sem saber exatamente quantos volts a bateria produz, quantos ohms de resistência há em cada resistor, etc. Esta seção serve como uma etapa introdutória a esse tipo de análise.

Considerando que a aplicação normal da Lei de Ohm e as regras dos circuitos em série e paralelo é realizada com quantidades numéricas ( “quantitativo” ), esse novo tipo de análise sem números numéricos precisos é algo que gosto de chamar de qualitativa análise. Em outras palavras, estaremos analisando as qualidades dos efeitos em um circuito, em vez das quantidades precisas . O resultado, para você, será uma compreensão intuitiva muito mais profunda da operação do circuito elétrico.



REVER:

• Para determinar o que aconteceria em um circuito se um componente falhasse, desenhe novamente esse circuito com a resistência equivalente do componente com falha no lugar e recalcule todos os valores.
• A capacidade de determinar intuitivamente o que acontecerá a um circuito com qualquer falha de componente é um crucial habilidade para qualquer solucionador de problemas eletrônicos desenvolver. A melhor maneira de aprender é experimentar cálculos de circuito e circuitos da vida real, prestando muita atenção ao que muda com uma falha, o que permanece o mesmo e por quê !
• Um curto componente é aquele cuja resistência diminuiu drasticamente.
• Um aberto componente é aquele cuja resistência aumentou dramaticamente. Para que conste, os resistores tendem a falhar na abertura com mais frequência do que em curto-circuito e quase nunca falham, a menos que sejam fisicamente ou eletricamente sobrecarregados (maltratados ou superaquecidos fisicamente).

PLANILHA RELACIONADA:

• Planilha de solução de problemas de circuito básico