Analisis Kegagalan Komponen

Pekerjaan teknisi sering kali memerlukan "pemecahan masalah" (menemukan dan memperbaiki masalah) di sirkuit yang tidak berfungsi. Pemecahan masalah yang baik adalah upaya yang menuntut dan bermanfaat, membutuhkan pemahaman menyeluruh tentang konsep dasar, kemampuan untuk merumuskan hipotesis (penjelasan yang diusulkan tentang suatu efek), kemampuan untuk menilai nilai hipotesis yang berbeda berdasarkan probabilitasnya (seberapa besar kemungkinan satu penyebab tertentu mungkin lebih dari yang lain), dan rasa kreativitas dalam menerapkan solusi untuk memperbaiki masalah.

Meskipun dimungkinkan untuk menyaring keterampilan ini menjadi metodologi ilmiah, sebagian besar pemecah masalah yang dipraktikkan akan setuju bahwa pemecahan masalah melibatkan sentuhan seni dan bahwa diperlukan pengalaman bertahun-tahun untuk mengembangkan seni ini sepenuhnya.

Keterampilan penting yang harus dimiliki adalah pemahaman yang siap dan intuitif tentang bagaimana kesalahan komponen memengaruhi sirkuit dalam konfigurasi yang berbeda. Kami akan mengeksplorasi beberapa efek kesalahan komponen pada rangkaian seri dan paralel di sini, kemudian ke tingkat yang lebih besar di akhir bab “Rangkaian Kombinasi Seri-Paralel”.

Menganalisis Kegagalan pada Rangkaian Seri Sederhana

Mari kita mulai dengan rangkaian seri sederhana:

Dengan semua komponen di sirkuit ini berfungsi pada nilai yang tepat, kita dapat secara matematis menentukan semua arus dan penurunan tegangan:

Komponen Korsleting dalam Rangkaian Seri

Sekarang mari kita misalkan bahwa R₂ gagal korsleting. Dipendekkan berarti bahwa resistor sekarang bertindak sebagai sepotong kawat lurus, dengan sedikit atau tanpa hambatan. Sirkuit akan berperilaku seolah-olah kabel "jumper" terhubung di R₂ (jika Anda bertanya-tanya, "kawat jumper" adalah istilah umum untuk koneksi kabel sementara di sirkuit). Apa yang menyebabkan kondisi korsleting R₂ tidak masalah bagi kita dalam contoh ini; kami hanya peduli tentang efeknya pada sirkuit:

Dengan R₂ korsleting, baik oleh kabel jumper atau oleh kegagalan resistor internal, resistansi rangkaian total akan menurun . Karena keluaran tegangan baterai adalah konstan (setidaknya dalam simulasi ideal kami di sini), penurunan resistansi rangkaian total berarti bahwa arus rangkaian total harus meningkat :

Saat arus rangkaian meningkat dari 20 miliamp menjadi 60 miliamp, tegangan turun di R₁ dan R₃ (yang tidak mengubah resistansi) meningkat juga, sehingga kedua resistor menjatuhkan keseluruhan 9 volt. R₂ , yang dilewati oleh resistansi yang sangat rendah dari kabel jumper, secara efektif dihilangkan dari sirkuit, resistansi dari satu ujung ke ujung lainnya telah dikurangi menjadi nol. Jadi, tegangan jatuh pada R₂ , bahkan dengan peningkatan arus total, adalah nol volt.

Komponen Terbuka dalam Rangkaian Seri

Sebaliknya, jika R₂ gagal "terbuka"—perlawanan meningkat ke tingkat yang hampir tak terbatas—itu juga akan menciptakan efek jangkauan yang luas di seluruh rangkaian:

Dengan R₂ pada resistansi tak terbatas dan resistansi total adalah jumlah dari semua resistansi individu dalam rangkaian seri, arus total berkurang menjadi nol. Dengan arus rangkaian nol, tidak ada arus yang menghasilkan penurunan tegangan pada R₁ atau R₃ . R₂ , di sisi lain, akan menunjukkan tegangan suplai penuh di seluruh terminalnya.

Menganalisis Kegagalan pada Rangkaian Paralel Sederhana

Kita dapat menerapkan teknik analisis sebelum/sesudah yang sama untuk rangkaian paralel juga. Pertama, kita menentukan seperti apa seharusnya rangkaian paralel yang "sehat".

Komponen Terbuka dalam Rangkaian Paralel

Misalkan R₂ terbuka di rangkaian paralel ini, inilah efeknya:

Perhatikan bahwa dalam rangkaian paralel ini, cabang terbuka hanya mempengaruhi arus yang melalui cabang itu dan arus total rangkaian. Tegangan total—dibagi secara merata di semua komponen dalam rangkaian paralel, akan sama untuk semua resistor. Karena fakta bahwa sumber tegangan cenderung mempertahankan tegangan konstan , tegangannya tidak akan berubah, dan paralel dengan semua resistor, ia akan menahan semua tegangan resistor sama seperti sebelumnya:9 volt. Karena tegangan adalah satu-satunya parameter umum dalam rangkaian paralel, dan resistor lainnya tidak mengubah nilai resistansi, arus cabang masing-masing tetap tidak berubah.

Aplikasi Pencahayaan Rumah Tangga

Inilah yang terjadi pada rangkaian lampu rumah tangga:semua lampu mendapatkan tegangan operasinya dari kabel listrik yang disusun secara paralel. Menyalakan dan mematikan satu lampu (satu cabang di rangkaian paralel menutup dan membuka) tidak mempengaruhi pengoperasian lampu lain di ruangan itu, hanya arus di satu lampu itu (rangkaian cabang) dan arus total yang menyalakan semua lampu di ruangan:

Komponen Korsleting pada Rangkaian Paralel

Dalam kasus yang ideal (dengan sumber tegangan yang sempurna dan kawat penghubung tanpa hambatan), resistor korsleting dalam rangkaian paralel sederhana juga tidak akan berpengaruh pada apa yang terjadi di cabang rangkaian lainnya. Dalam kehidupan nyata, efeknya tidak persis sama, dan kita akan melihat alasannya dalam contoh berikut:

Sebuah resistor korsleting (resistansi 0 ) secara teoritis akan menarik arus tak terbatas dari sumber tegangan yang terbatas (I=E/0). Dalam hal ini, resistansi nol dari R₂ menurunkan resistansi total rangkaian ke nol juga, meningkatkan arus total ke nilai tak terhingga. Namun, selama sumber tegangan tetap stabil pada 9 volt, arus cabang lainnya (I_R1 dan saya_R3 ) akan tetap tidak berubah.

Asumsi Non-ideal dalam Analisis

Asumsi kritis dalam skema "sempurna" ini, bagaimanapun, adalah bahwa suplai tegangan akan tetap stabil pada tegangan pengenalnya sambil memasok arus dalam jumlah tak terbatas ke beban hubung singkat. Ini tidak realistis. Bahkan jika short memiliki sejumlah kecil resistensi (berlawanan dengan resistensi nol mutlak), tidak ada nyata sumber tegangan dapat secara sewenang-wenang memasok arus beban berlebih yang besar dan mempertahankan tegangan tetap pada saat yang sama.

Hal ini terutama disebabkan oleh resistansi internal yang melekat pada semua sumber daya listrik, yang berasal dari sifat fisik yang tak terhindarkan dari bahan yang mereka buat:

Resistansi internal ini, sekecil apa pun, mengubah rangkaian paralel sederhana kita menjadi rangkaian kombinasi seri-paralel. Biasanya, resistansi internal sumber tegangan cukup rendah sehingga dapat diabaikan dengan aman, tetapi ketika arus tinggi yang dihasilkan dari komponen korsleting ditemui, efeknya menjadi sangat nyata.

Dalam hal ini, korsleting R₂ akan mengakibatkan hampir semua tegangan turun pada resistansi internal baterai, dengan hampir tidak ada tegangan tersisa untuk resistor R₁ , R₂ , dan R₃ :

Cukuplah untuk mengatakan, hubungan pendek langsung yang disengaja di terminal sumber tegangan apa pun adalah ide yang buruk. Bahkan jika arus tinggi yang dihasilkan (panas, kilatan, percikan api) tidak membahayakan orang di sekitar, sumber tegangan kemungkinan akan mengalami kerusakan, kecuali jika telah dirancang khusus untuk menangani korsleting, yang sebagian besar sumber tegangan tidak.

Akhirnya, dalam buku ini saya akan memandu Anda melalui analisis rangkaian tanpa menggunakan angka apa pun , yaitu, menganalisis efek kegagalan komponen dalam rangkaian tanpa mengetahui secara pasti berapa volt yang dihasilkan baterai, berapa ohm hambatan dalam setiap resistor, dll. Bagian ini berfungsi sebagai langkah pengantar untuk analisis semacam itu.

Sedangkan penerapan normal Hukum Ohm dan aturan rangkaian seri dan paralel dilakukan dengan besaran numerik (“kuantitatif” ), jenis analisis baru ini tanpa angka numerik yang tepat adalah sesuatu yang saya suka menyebutnya kualitatif analisis. Dengan kata lain, kami akan menganalisis kualitas efek di sirkuit daripada kuantitas yang tepat . Hasilnya, bagi Anda, akan menjadi pemahaman intuitif yang jauh lebih dalam tentang operasi sirkuit listrik.

TINJAUAN:

• Untuk menentukan apa yang akan terjadi dalam rangkaian jika komponen gagal, gambar ulang rangkaian tersebut dengan resistansi ekivalen dari komponen yang gagal pada tempatnya dan hitung ulang semua nilainya.
• Kemampuan untuk secara intuitif menentukan apa yang akan terjadi pada sirkuit dengan kesalahan komponen tertentu adalah penting keterampilan untuk setiap pemecah masalah elektronik untuk dikembangkan. Cara terbaik untuk belajar adalah dengan bereksperimen dengan perhitungan sirkuit dan sirkuit kehidupan nyata, memperhatikan apa yang berubah dengan kesalahan, apa yang tetap sama, dan mengapa !
• A kependekan komponen adalah salah satu yang resistensinya telah menurun drastis.
• Sebuah terbuka komponen adalah salah satu yang resistensi telah meningkat secara dramatis. Sebagai catatan, resistor cenderung gagal terbuka lebih sering daripada gagal korsleting, dan resistor tersebut hampir tidak pernah gagal kecuali jika ditekan secara fisik atau listrik (disalahgunakan secara fisik atau terlalu panas).

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Pemecahan Masalah Sirkuit Dasar