Analyse des défaillances de composants

Le travail d'un technicien implique fréquemment un « dépannage » (localisation et correction d'un problème) dans des circuits défectueux. Un bon dépannage est un effort exigeant et gratifiant, nécessitant une compréhension approfondie des concepts de base, la capacité de formuler des hypothèses (explications proposées d'un effet), la capacité de juger de la valeur de différentes hypothèses en fonction de leur probabilité (quelle est la probabilité qu'une cause particulière peut-être sur un autre), et un sens de la créativité dans l'application d'une solution pour rectifier le problème.

Bien qu'il soit possible de distiller ces compétences dans une méthodologie scientifique, la plupart des dépanneurs expérimentés conviendraient que le dépannage implique une touche d'art et qu'il peut prendre des années d'expérience pour développer pleinement cet art.

Une compétence essentielle à avoir est une compréhension immédiate et intuitive de la façon dont les défauts des composants affectent les circuits dans différentes configurations. Nous explorerons ici quelques-uns des effets des défauts de composants dans les circuits série et parallèle, puis de manière plus approfondie à la fin du chapitre "Circuits combinés série-parallèle".

Analyse des pannes sur un circuit en série simple

Commençons par un simple circuit en série :

Avec tous les composants de ce circuit fonctionnant à leurs valeurs appropriées, nous pouvons déterminer mathématiquement tous les courants et chutes de tension :

Composants en court-circuit dans un circuit en série

Supposons maintenant que R₂ échoue en court-circuit. Raccourci signifie que la résistance agit maintenant comme un morceau de fil droit, avec peu ou pas de résistance. Le circuit se comportera comme si un fil "cavalier" était connecté à travers R₂ (au cas où vous vous poseriez la question, « fil de raccordement » est un terme courant pour une connexion filaire temporaire dans un circuit). Quelles sont les causes de la condition de court-circuit de R₂ nous importe peu dans cet exemple; nous ne nous soucions que de son effet sur le circuit :

Avec R₂ court-circuité, soit par un fil volant, soit par une défaillance de résistance interne, la résistance totale du circuit va diminuer . Étant donné que la tension de sortie de la batterie est une constante (du moins dans notre simulation idéale ici), une diminution de la résistance totale du circuit signifie que le courant total du circuit doit augmenter :

Lorsque le courant du circuit passe de 20 milliampères à 60 milliampères, la tension chute sur R₁ et R₃ (qui n'ont pas changé les résistances) augmentent également, de sorte que les deux résistances font chuter l'ensemble des 9 volts. R₂ , étant contourné par la très faible résistance du cavalier, est effectivement éliminé du circuit, la résistance d'un fil à l'autre ayant été réduite à zéro. Ainsi, la chute de tension aux bornes de R₂ , même avec l'augmentation du courant total, est de zéro volt.

Composants ouverts dans un circuit en série

En revanche, si R₂ devaient échouer « ouvert » - la résistance augmentant à des niveaux presque infinis - cela créerait également des effets de grande envergure dans le reste du circuit :

Avec R₂ à une résistance infinie et la résistance totale est la somme de toutes les résistances individuelles dans un circuit en série, le courant total diminue jusqu'à zéro. Avec un courant de circuit nul, il n'y a pas de courant pour produire des chutes de tension sur R₁ ou R₃ . R₂ , d'autre part, manifestera la pleine tension d'alimentation à ses bornes.

Analyse des pannes sur un circuit parallèle simple

Nous pouvons également appliquer la même technique d'analyse avant/après aux circuits parallèles. Tout d'abord, nous déterminons à quoi doit ressembler un circuit parallèle "sain".

Composants ouverts dans un circuit parallèle

Supposons que R₂ s'ouvre dans ce circuit parallèle, voici quels seront les effets :

Notez que dans ce circuit parallèle, une branche ouverte n'affecte que le courant à travers cette branche et le courant total du circuit. La tension totale, partagée également entre tous les composants d'un circuit parallèle, sera la même pour toutes les résistances. En raison du fait que la tendance de la source de tension est de maintenir la tension constante , sa tension ne changera pas, et étant en parallèle avec toutes les résistances, il maintiendra toutes les tensions de résistances comme avant :9 volts. Étant donné que la tension est le seul paramètre commun dans un circuit parallèle et que les autres résistances n'ont pas changé de valeur de résistance, leurs courants de dérivation respectifs restent inchangés.

Application d'éclairage domestique

C'est ce qui se passe dans un circuit de lampe domestique :toutes les lampes tirent leur tension de fonctionnement du câblage électrique disposé en parallèle. Allumer et éteindre une lampe (une branche dans cette fermeture et ouverture de circuit parallèle) n'affecte pas le fonctionnement des autres lampes dans la pièce, seulement le courant dans cette lampe (circuit de branche) et le courant total alimentant toutes les lampes dans la chambre :

Composants en court-circuit dans un circuit parallèle

Dans un cas idéal (avec des sources de tension parfaites et un fil de connexion à résistance nulle), les résistances en court-circuit dans un simple circuit parallèle n'auront également aucun effet sur ce qui se passe dans les autres branches du circuit. Dans la vraie vie, l'effet n'est pas tout à fait le même, et nous verrons pourquoi dans l'exemple suivant :

Une résistance en court-circuit (résistance de 0 ) tirerait théoriquement un courant infini de n'importe quelle source de tension finie (I=E/0). Dans ce cas, la résistance nulle de R₂ diminue également la résistance totale du circuit à zéro , augmentant ainsi le courant total jusqu'à une valeur infinie. Tant que la source de tension reste stable à 9 volts, cependant, les autres courants de dérivation (I_R1 et I_R3 ) restera inchangé.

Hypothèses non idéales en analyse

L'hypothèse critique dans ce schéma "parfait", cependant, est que l'alimentation en tension restera stable à sa tension nominale tout en fournissant une quantité infinie de courant à une charge de court-circuit. Ce n'est tout simplement pas réaliste. Même si le short a une faible résistance (par opposition à une résistance absolument nulle), pas de réel La source de tension pourrait fournir arbitrairement un courant de surcharge énorme et maintenir une tension constante en même temps.

Cela est principalement dû à la résistance interne intrinsèque à toutes les sources d'alimentation électrique, résultant des propriétés physiques incontournables des matériaux avec lesquels elles sont construites :

Ces résistances internes, aussi petites soient-elles, transforment notre simple circuit parallèle en un circuit combiné série-parallèle. Habituellement, les résistances internes des sources de tension sont suffisamment faibles pour qu'elles puissent être ignorées en toute sécurité, mais lorsque des courants élevés résultant de composants en court-circuit sont rencontrés, leurs effets deviennent très perceptibles.

Dans ce cas, un R₂ court-circuité entraînerait une chute de presque toute la tension sur la résistance interne de la batterie, avec presque aucune tension restante pour les résistances R₁ , R₂ , et R₃ :

Qu'il suffise de dire que les courts-circuits directs intentionnels aux bornes de toute source de tension sont une mauvaise idée. Même si le courant élevé qui en résulte (chaleur, éclairs, étincelles) ne cause aucun dommage aux personnes à proximité, la source de tension subira probablement des dommages, à moins qu'elle n'ait été spécialement conçue pour gérer les courts-circuits, ce que la plupart des sources de tension ne sont pas.

Finalement, dans ce livre, je vais vous guider à travers l'analyse des circuits sans l'utilisation de nombres , c'est-à-dire analyser les effets de la défaillance d'un composant dans un circuit sans savoir exactement combien de volts la batterie produit, combien d'ohms de résistance se trouve dans chaque résistance, etc. Cette section sert d'étape d'introduction à ce type d'analyse.

Alors que l'application normale de la loi d'Ohm et des règles des circuits série et parallèle s'effectue avec des quantités numériques (« quantitatives » ), ce nouveau type d'analyse sans chiffres précis est quelque chose que j'aime appeler qualitative Analyse. En d'autres termes, nous analyserons les qualités des effets dans un circuit plutôt que les quantités précises . Le résultat, pour vous, sera une compréhension intuitive beaucoup plus approfondie du fonctionnement des circuits électriques.

AVIS :

• Pour déterminer ce qui se passerait dans un circuit en cas de défaillance d'un composant, redessinez ce circuit avec la résistance équivalente du composant défaillant en place et recalculez toutes les valeurs.
• La capacité de déterminer intuitivement ce qui arrivera à un circuit avec un défaut de composant donné est un élément crucial compétence à développer pour tout dépanneur en électronique. La meilleure façon d'apprendre est d'expérimenter des calculs de circuits et des circuits réels, en portant une attention particulière à ce qui change avec un défaut, à ce qui reste le même et pourquoi !
• Un court-circuité composant est celui dont la résistance a considérablement diminué.
• Un ouvert composant est celui dont la résistance a considérablement augmenté. Pour mémoire, les résistances ont tendance à s'ouvrir plus souvent qu'à échouer en court-circuit, et elles ne tombent presque jamais en panne à moins d'être physiquement ou électriquement surchargées (abusées physiquement ou surchauffées).

FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Feuille de travail de dépannage de base des circuits