Анализ цепей с неисправными компонентами

Любому радиолюбителю очень важно интуитивное понимание того, как неисправные компоненты влияют на различные конфигурации цепей. В данной статье мы исследуем только некоторые эффекты воздействия неисправных компонентов на последовательные и параллельные цепи, более подробно эта тема будет раскрыта позднее, в статьях про последовательно-параллельные цепи.

Давайте начнем с простой последовательной цепи:

Если все компоненты функционируют должным образом, то мы математически можем определить все токи и напряжения этой схемы:

Теперь предположим, что резистор R₂ у нас короткозамкнут. Короткое замыкание означает что резистор сейчас действует как обычный провод, который практически не имеет сопротивления. Схема в этом случае будет вести себя так,  как будто параллельно резистору подключена "перемычка" ("Перемычка" - это общий термин для временно подключенного провода в цепи). Причина короткого замыкания в этом примере для нас не имеет значения, нам важно только его влияние на схему:

При закороченном резисторе R₂ общее сопротивление цепи уменьшится. Так как напряжение, производимое батареей, является величиной постоянной, снижение общего сопротивления вызовет увеличение общей силы тока.

Поскольку сила тока в цепи увеличилась с 20 до 60 миллиампер, увеличится и напряжение на резисторах R₁ и R₃ (которые не изменили своего сопротивления). Резистор R₂, закороченный перемычкой, фактически устраняется из цепи, так как его сопротивление равно нулю. Напряжение на этом резисторе так же будет иметь нулевое значение.

Если резистор R₂ будет не замкнут а "оборван", то его сопротивление увеличится до бесконечности:

При бесконечном сопротивлении резистора R₂ общее сопротивление последовательной цепи так же будет бесконечно (для последовательной цепи R_общ = R₁ + R₂ + .... R_n). Общая сила тока в этом случае будет иметь нулевое значение, что означает отсутствие в цепи потока электронов, способного произвести напряжение на резисторах R₁ и R₃. Полное напряжение батареи проявится на выводах оборванного резистора R₂.

Аналогичный метод анализа можно применить и к параллельной цепи. Для начала мы проанализируем "исправную" параллельную цепь:

Если предположить, что резистор R₂ в этой цепи "оборван", то последствия будут следующими:

Заметьте, что "оборванная" ветвь нашей параллельной цепи влияет только на ток этой ветки и на общий ток  схемы. В связи с тем, что напряжение в параллельной цепи одинаково на всех ее компонентах, вышедший из строя резистор R₂ ни как не повлияет на напряжения резисторов R₁ и R₃ - оно останется прежним - 9 вольт. Отсюда следует, что при неизменных значениях напряжения и сопротивления резисторов R₁ и R₃ величина проходящего через них тока также не изменится.

Такая ситуация аналогична домашней системе освещения, в которой все лампочки получают рабочее напряжение от силовых проводов, смонтированных параллельным способом. Включение и выключение лампочки в одной комнате этой системы (включается и выключается одна ветвь параллельной цепи) не влияет на работу ламп в других комнатах. Данное действие затрагивает только  ток этой лампы, и общий ток системы освещения:

Теперь давайте рассмотрим короткое замыкание одного из резисторов в простой параллельной цепи. В идеальном случае (с идеальным источником напряжения и нулевым сопротивление соединительных проводов), короткозамкнутый резистор в одной из ветвей этой цепи не повлияет на другие ее ветви. Но это в идеале, в реальности же эффект будет не совсем таким, а почему, мы увидим в следующих примерах:

Короткозамкнутый резистор (сопротивление которого равно 0 Ом) теоретически потребляет бесконечный ток от любого источника напряжения (I = U/0). В нашем случае нулевое сопротивление резистора R₂ уменьшает общее сопротивление цепи до нуля, увеличивая тем самым общую силу тока до бесконечности. Пока источник напряжения поддерживает свою величину на уровне 9 вольт, токи оставшихся двух ветвей цепи (R₁ и R₃) не изменятся.

Отличительной особенностью этой "идеальной" схемы является то, что при подаче  бесконечного количества электронов (тока) на короткозамкнутую нагрузку, напряжение ее источника питания остается неизменным.  В реальной жизни такое невозможно.  Даже если короткозамкнутый резистор имеет небольшое сопротивление (не нулевое), никакой реальный источник напряжения не сможет одновременно выдержать огромные перегрузки по току и поддержать постоянную величину напряжения. Причиной всему этому служит внутреннее сопротивление, которое является неотъемлемой частью всех без исключения источников электрической энергии:

Внутренние сопротивления источников питания превращают простые параллельные цепи в последовательно-параллельные. Такие сопротивления как правило очень малы чтобы оказывать заметное влияние на работу схемы, но при больших токах, которые возникают вследствие замыкания компонентов, их влияние многократно увеличивается. В нашем случае, короткое замыкание резистора R₂ приведет к тому, что практически все напряжение сосредоточится на внутреннем сопротивлении источника, а резисторы R₁, R₂ и R₃ останутся почти без напряжения:

Следует отметить, что намеренное короткое замыкание через контакты любого источника напряжения - это плохая идея. Даже если полученный в результате такого замыкания ток (высокая температура, вспышки и искры) не причинит вреда находящимся поблизости людям, источник питания, скорее всего, будет поврежден, если он не был специально разработан для обработки коротких замыканий.

В последующих статьях мы подведем вас к анализу схем с неизвестными величинами, т. е. к анализу последствий отказов компонентов схем, в которых вам неизвестны значения напряжений источников питания, сопротивлений резисторов и т.д. Данная статья служит первым шагом к такому анализу.

В то время как обычный анализ (с применением Закона Ома и принципов последовательных и параллельных цепей), базирующийся на численных величинах - является количественным анализом, анализ схем с неизвестными величинами можно назвать качественным анализом. Другими словами, мы будем анализировать качественное влияние неисправностей на цепь, а не точные величины.  В конечном итоге вы добьетесь глубокого интуитивного понимания работы электрической схемы.