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La fisica y quimica

Análisis de fallas de componentes

 

El trabajo de un técnico con frecuencia implica ” solución de problemas ” (localizar y corregir un problema) en los circuitos que funcionan mal. Una buena solución 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 en 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 experimentados 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 para tener es una comprensión lista 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 los circuitos en serie y en paralelo aquí, y luego en mayor grado al final del capítulo ” Circuitos de combinación en serie-serie “.

 

Análisis de fallas en un circuito en serie simple

 

Comencemos con un circuito en serie simple :

 

simple series circuit

 

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

 

simple series circuit table

 

Componentes en corto en un circuito en serie

 

Ahora supongamos que R 2 falla en corto. Cortocircuito significa que la resistencia ahora actúa como un 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 pregunte, “cable puente” es un término común para una conexión de cable temporal en un circuito). Lo que causa la condición en corto de R 2 no nos importa en este ejemplo; solo nos importa su efecto sobre el circuito:

 

shorted components series circuit

 

Con R 2 en corto, ya sea por un cable de puente o por una falla de la 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 :

 

shorted components series circuit table

 

A medida que la corriente del circuito aumenta de 20 miliamperios a 60 miliamperios, el voltaje cae a través de R 1 y R 3 (que no han cambiado las resistencias) también aumentan, de modo que Las dos resistencias están bajando los 9 voltios. R 2 , eludido por la resistencia muy baja 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 fallara en “abrir” —la resistencia aumenta a niveles casi infinitos— también crearía efectos de gran alcance en el resto del circuito:

 

opened components series circuit

 

opened components series circuit table

 

Con R 2 en resistencia infinita y 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 para producir 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

 

Podemos aplicar la misma técnica de análisis antes / después a circuitos paralelos también. Primero, determinamos cómo debe comportarse un circuito paralelo “saludable”.

 

simple parallel circuit

 

simple parallel circuit table

 

Componentes abiertos en un circuito paralelo

 

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

 

opened components parallel circuit

 

opened components parallel circuit table

 

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 en 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 todos los voltajes de las resistencias igual que estaban antes: 9 voltios. Siendo que el voltaje es el único parámetro común en un circuito paralelo, y las otras resistencias no han cambiado el valor de resistencia, sus respectivas corrientes derivadas permanecen sin cambios.

 

Aplicación de iluminación doméstica

 

Esto es lo que sucede en un circuito de lámparas domésticas: todas las lámparas obtienen su voltaje de funcionamiento del cableado de alimentación dispuesto de forma paralela. 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 todas las lámparas en la sala:

 

household lighting application

 

Componentes en corto 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 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:

 

shorted components parallel circuit

 

shorted components parallel circuit table

 

Una resistencia en cortocircuito (resistencia de 0 Ω) teóricamente extraería 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 derivadas (I R1 e I R3 ) permanecerán sin cambios.

 

Suposiciones no ideales en el análisis

 

La suposición crítica en este esquema “perfecto”, sin embargo, 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 (en oposición a una resistencia absolutamente nula), ninguna fuente de voltaje real 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 propiedades físicas ineludibles de los materiales con los que están construidos:

 

non ideal assumption diagram

 

Estas resistencias internas, por pequeñas que sean, convierten nuestro simple circuito paralelo en un circuito combinado serie-paralelo. Por lo general, las resistencias internas de las fuentes de voltaje son lo suficientemente bajas como para que puedan ignorarse con seguridad, pero cuando se encuentran altas corrientes resultantes de componentes en cortocircuito, sus efectos se vuelven muy notables. En este caso, un cortocircuito R 2 daría como resultado que se caiga casi todo el voltaje a través de la resistencia interna de la batería, con casi ningún voltaje restante para las resistencias R 1 , R [ 19459013] 2 y R 3 :

 

series parallel combination circuit

 

non-ideal assumptions table

 

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 daños a las personas cercanas, es probable que la fuente de voltaje sufra daños, a menos que haya sido específicamente diseñada para manejar cortocircuitos, que no son la mayoría de las fuentes de voltaje.

 

Eventualmente, en este libro lo guiaré a través del análisis de circuitos sin el uso de ningún número , es decir, analizando los efectos de la falla de componentes en un circuito sin saber exactamente cuántos voltios tiene la batería produce, cuántos ohmios de resistencia hay en cada resistencia, etc. Esta sección sirve como un paso introductorio para 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 ( “cuantitativo” ), este nuevo tipo de análisis sin cifras numéricas precisas es algo que me gusta llamar análisis cualitativo . 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.

 

REVISIÓN:

 

     

  • Para determinar qué sucedería en un circuito si falla un componente, vuelva a dibujar ese circuito con la resistencia equivalente del componente fallado y recalcule todos los valores.
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  • La capacidad de determinar intuitivamente qué sucederá con un circuito con cualquier falla en un componente dado es una habilidad crucial para que se 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 lo que cambia con una falla, lo que sigue siendo igual y por qué !
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  • Un componente en corto es aquel cuya resistencia ha disminuido drásticamente.
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  • Un componente abierto es aquel cuya resistencia ha aumentado dramáticamente. Para el registro, las resistencias tienden a abrirse con más frecuencia que a cortocircuito, y casi nunca fallan a menos que estén sobrecargadas física o eléctricamente (maltratadas o sobrecalentadas).
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HOJA DE TRABAJO RELACIONADA: