7. Analiza circuitelor la defect

Acasă » Curent continuu » 05 - Circuite serie şi paralel

Introducere

Sarcina unui tehnician presupune adesea localizarea şi remedierea sau înlocuirea componentelor dintr-un circuit defect. Identificarea componentelor defecte presupune un efort considerabil, necesitând o foarte bună înţelegere a principiilor de bază, abilitatea de a formula ipoteze, de a judeca valoarea acestora bazându-se pe probabilităţi şi creativitate în aplicarea unei soluţii pentru remedierea problemei. Deşi este posibilă trasarea unor metode ştiinţifice în jurul acestor abilităţi, majoritatea tehnicienilor cu experienţă văd această activitate ca pe o artă ce necesită ani de experienţă pentru a o deprinde.

O abilitate esenţială este înţelegerea rapidă şi intuitivă a modului în care defectarea componentelor afectează comportamentului circuitului în ansamblul său, indiferent de configuraţia acestuia. Vom explora unele dintre aceste efecte atât în cazul circuitelor serie cât şi în cazul circuitelor paralel.

Analiza defectelor într-un circuit serie simplu

circuit pur rezistiv serie

Să considerăm circuitul alăturat

Mărime R1 R2 R3 Total Unitate
E 2 6 1 9 V
I 20 m 20 m 20 m 20 m A
R 100 300 50 450 Ω

Atunci când toate componentele acestui circuit funcţionează la parametrii normali, putem determina pe cale matematică toţi curenţii şi căderile de tensiune din circuit.

Şuntarea rezistorului

circuit pur rezistiv serie; şuntarea rezistorului

Să presupunem acum că rezistorul R2 este scurt-circuitat; acest lucru înseamnă de fapt că, în locul rezistorului avem un simplu fir ce prezintă o rezistenţa aproape nulă. Practic, în circuitul alăturat, spunem că am realizat o şuntare a rezistorului R2 iar firul utilizat poartă numele de conductor de şuntare, sau simplu, şunt.

Mărime R1 R2 R3 Total Unitate
E 6 0 3 9 V
I 60 m 60 m 60 m 60 m A
R 100 0 50 150 Ω

Odată cu scurt-circuitarea rezistorului R2, fie prin şuntarea intenţionată a acestuia fie printr-un defect intern, valoarea rezistenţei totale din circuit va fi mai mică. Din moment ce tensiunea la bornele bateriei rămâne aceeaşi, o scăderea a rezistenţei totale din circuit conduce la creşterea curentului total.

Odată cu creşterea curentului de la 20 mA la 60 mA, căderea de tensiune pe rezistorii R1 şi R3 (a căror rezistenţă nu s-a modificat) creşte şi ea, astfel încât căderea de tensiune totală pe cele două componente rămase va fi de tot 9 V. Rezistorul R2, fiind şuntat de rezistenţa foarte mică a conductorului de şuntare, este practic eliminat din circuit, rezistenţa dintre cele două capete ale conductorului fiind practic zero. Din această cauză, căderea de tensiune pe rezistorul R2 este de zero V, chiar dacă valoarea totală a curentului din circuit a crescut.

Înlăturarea rezistorului din circuit

circuit pur rezistiv serie; deschiderea circuitului

Pe de altă parte, dacă defectul suferit de rezistorul R2 este de aşa natură încât circuitul va rămâne deschis în acel punct - rezistenţa dintre cele două capete libere ale conductorilor rămaşi creşte practic spre infinit - efectele asupra circuitului iniţial vor fi diferite, dar la fel de radicale.

Mărime R1 R2 R3 Total Unitate
E 0 9 0 9 V
I 0 0 0 0 A
R 100 ∞ 50 ∞ Ω

Cu R2 având o rezistenţă infinită, iar rezistenţa totală într-un circuit serie fiind dată de suma tuturor rezistenţelor individuale, rezistenţa totală creşte spre infinit iar curentul total spre zero amperi. În această situaţie, nu va mai exista nicio deplasare a electronilor prin circuit, deplasare necesară producerii unor căderi de tensiune pe rezistorii R1 sau R3. În schimb, întreaga cădere de tensiune dezvoltată de baterie se va regăsi pe terminalii rezistorului R2.

Analiza defectelor într-un circuit paralel simplu

circuit pur rezistiv paralel

Putem aplica aceleaşi metode şi în cazul unui circuit paralel.

Mărime R1 R2 R3 Total Unitate
E 9 9 9 9 V
I 100 m 200 m 50 m 350 m A
R 90 45 180 25,71 Ω

Să observăm prima dată comportamentul unui circuit paralel „sănătos”.

Înlăturarea rezistorului

circuit pur rezistiv paralel; deschiderea rezistenţei

Să presupunem acum deschiderea rezistenţei R2 în acest circuit paralel.

Mărime R1 R2 R3 Total Unitate
E 9 9 9 9 V
I 100 m 0 50 m 150 m A
R 90 ∞ 180 60 Ω

Efectele acestui defect le putem observa în tabelul alăturat.

În cazul acestui circuit paralel, deschiderea unei ramuri afectează doar curentul prin acea ramură precum şi curentul total din circuit. Căderea de tensiune, fiind egală pe toate componentele va rămâne neschimbată pe toţi rezistorii. Datorită tendinţei sursei de alimentare de menţinere constantă a tensiunii de alimentare, aceasta nu se va modifica, şi datorită faptului că este conectată în paralel cu toţi rezistorii, căderea de tensiune pe fiecare dintre ei, după apariţia defectului, rămâne egală cu 9 V. Din această cauză (rezistenţa constantă, căderea de tensiune constantă) curentul prin ceilalţi doi rezistori nu se modifică nici ei.

circuit pur rezistiv paralel cu becuri

Acelaşi lucru îl putem observa şi într-un circuit casnic: toate becurile sunt conectate în paralel. La pornirea sau oprirea unui bec (o ramură din circuitul paralel se închide şi se deschide), funcţionarea celorlalte becuri nu este afectată; singurul lucru care se modifică este curentul prin acel bec (circuit de ramură) şi curentul total din circuit.

Şuntarea rezistorului

circuit pur rezistiv paralel; şuntarea rezistorului

Într-un caz ideal (surse de tensiune perfecte şi conductori cu rezistenţă zero), rezistorii scurt-circuitaţi dintr-un circuit paralel simplu nu vor avea niciun efect asupra comportamentului celorlalte ramuri din circuit. În realitate însă, efectul nu este acelaşi, după cum putem observa din exemplul alăturat.

Mărime R1 R2 R3 Total Unitate
E 9 9 9 9 V
I 100 m ∞ 50 m ∞ A
R 90 0 180 0 Ω

Un rezistor scurt-circuitat (rezistenţa de 0 Ω) va permite, teoretic, trecerea unui curent infinit de la orice sursă finită de tensiune (I = E / 0). În acest caz, rezistenţa nulă a rezistorului R2 descreşte rezistenţa totală a circuitului la zero Ω, ducând la creşterea valorii curentului spre infinit. Atâta timp cât tensiunea sursei rămâne constantă la 9 V, curenţii prin celelalte ramuri ale circuitului (IR1 şi IR3) rămân neschimbaţi.

Ipoteza critică pe care ne-am asumat-o în această situaţie este că tensiunea de alimentare rămâne constantă pentru un curent infinit introdus în circuit. Acest lucru nu este însă deloc realist. Chiar dacă scurt-circuitul prezintă o rezistenţa mică (faţă de o rezistenţa egală cu zero), nicio sursă reală de tensiune nu poate genera un supra-curent extrem de mare în acelaşi timp cu menţinerea valorii tensiunii la un nivel constant.

orice sursă de alimentare prezintă o rezistenţa internă

Acest lucru se datorează rezistenţei interne caracteristice tuturor surselor de putere electrice, rezistenţe datorate proprietăţilor intrinseci ale materialelor din care sunt construite.

circuit pur rezistiv paralel; şuntarea rezistorului

Aceste rezistenţe interne, oricât de mici, transformă circuitul paralel de mai sus într-o combinaţie serie-paralel. De obicei, rezistenţele interne ale surselor de putere sunt suficient de mici pentru a putea fi ignorate fără nicio problemă, dar odată cu apariţia curenţilor foarte mari datorită componentelor scurt-circuitate, efectelor lor nu mai pot fi neglijate. În acest caz, scurt-circuitarea rezistenţei R2 va duce la situaţia în care întreaga cădere de tensiune se va regăsi pe rezistenţa internă a bateriei, căderile de tensiune pe R1, R2 şi R3 fiind aproape de zero.

Mărime R1 R2 R3 Total Unitate
E mică mică mică mică V
I mic mare mic mare A
R 90 0 180 0 Ω

Concluzie

Scurt-circuitarea intenţionată a terminalilor surselor de alimentare, indiferent de tipul acestora, trebuie evitată cu orice preţ. Chiar şi în cazul în care curenţii mari dezvoltaţi (căldură, scântei, explozii) nu duc la rănirea niciunei persoane din apropiere, sursa de tensiune va suferi cu siguranţă unele defecte în cazul în care nu este proiectată a rezista la curenţi de scurt-circuit, iar majoritatea surselor de tensiune nu sunt prevăzute cu o astfel de protecţie.