직렬 및 병렬 회로 문제 해결
전자 엔지니어와 기술자의 업무에는 종종 오작동하는 회로의 문제를 해결하여 문제를 찾아 수정하는 것이 포함됩니다. 직렬 및 병렬 회로에서 저항기 고장의 영향 중 일부를 살펴보겠습니다.
전자 엔지니어와 기술자의 업무에는 종종 오작동하는 회로의 문제를 해결하여 문제를 찾아 수정하는 것이 포함됩니다. 좋은 문제 해결은 다음을 포함한 수많은 기술이 필요한 까다롭고 보람 있는 노력입니다.
- 기본 전자 개념에 대한 이해
- 가설(문제에 대한 제안된 설명)을 공식화하는 능력
- 확률(특정 원인이 다른 원인보다 얼마나 가능성이 높은가)을 기반으로 다양한 가설의 가치를 판단하는 능력
- 문제를 바로잡기 위한 솔루션 적용에 있어서 창의성
이러한 기술을 과학적인 방법론으로 정제하는 것은 가능하지만, 대부분의 숙련된 문제 해결사는 문제 해결에 예술적 감각이 필요하며, 이를 완전히 개발하려면 수년간의 경험이 필요하다는 데 동의할 것입니다.
필수적인 기술은 구성 요소 오류가 다양한 구성의 회로에 어떤 영향을 미치는지에 대한 즉각적이고 직관적인 이해입니다. 여기서는 직렬 및 병렬 회로에서 구성 요소 오류의 효과 중 일부를 살펴보겠습니다.
직렬 회로에서 단락 회로 문제를 해결하는 방법
9V 배터리와 3개의 저항기가 직렬로 연결된 간단한 직렬 회로(그림 1)부터 시작해 보겠습니다.
이 회로의 모든 구성 요소가 적절한 값으로 작동하면 표 1에 표시된 것처럼 옴의 법칙 표 방법을 사용하여 모든 전류와 전압 강하를 결정할 수 있습니다.
표 1. 그림 1의 직렬 회로에 옴의 법칙 표 방법을 적용합니다.
일반 글꼴의 값은 회로에서 직접 채울 수 있는 항목입니다. 굵은 글씨의 값은 옴의 법칙 과 직렬 회로 규칙을 사용하여 계산됩니다 .
이제 그림 2에서 설명한 것처럼 저항기 R 2가 단락 회로로 실패했다고 가정해 보겠습니다 . 단락 회로는 저항기가 이제 저항이 거의 없거나 전혀 없는 직선 와이어 조각처럼 작동한다는 것을 의미합니다. 이 예에서 R 2 의 단락 상태를 유발하는 원인은 중요하지 않습니다. 우리는 회로에 미치는 영향만 신경 씁니다. 회로는 점퍼 와이어가 R 2 에 연결된 것처럼 작동합니다 . 궁금하시다면 점퍼 와이어는 회로에서 일시적인 와이어 연결을 나타내는 일반적인 용어입니다.
총 회로 저항은 R 2가 단락 되면 감소합니다 . 배터리의 전압 출력은 일정 9V(적어도 우리의 이상적인 예에서는)이므로 총 직렬 회로 저항이 감소하면 총 회로 전류가 증가해야 합니다.
표 2에 나타난 대로 회로 전압, 전류, 전체 저항을 다시 계산해 보겠습니다.
표 2. 저항 R 2 를 단락시킨 후 회로 V, I 및 R을 다시 계산합니다 .
회로 전류가 20mA에서 60mA로 증가함에 따라 R 1 과 R 3 (저항은 변경되지 않음)의 전압 강하도 증가하여 두 저항이 전체 9V를 떨어뜨립니다. R 2는 한 리드에서 다른 리드로의 저항이 0으로 감소하여 회로에서 효과적으로 제거됩니다. 따라서 총 전류가 증가하더라도 R 2 의 전압 강하는 0V입니다.
이제 회로 동작의 이러한 변화를 문제 해결에 적용해 보겠습니다. 회로 전류가 예상보다 높으면 하나 이상의 구성 요소에서 단락을 찾습니다. 각 구성 요소의 전압을 측정하면 단락 위치를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 단락된 구성 요소는 매우 낮은 전압 강하를 갖습니다.
단락의 원인은 다음과 같습니다.
- 장치 오류
- 습기로 인한 손상
- 솔더 마이그레이션
- 직렬 회로의 단락된 구성 요소
직렬 회로의 개방 회로 문제 해결
전자 부품 고장의 또 다른 유형은 저항이 거의 무한대로 증가하는 개방 회로 고장입니다. R 2가 개방으로 고장이 발생하면 그림 3에서와 같이 회로의 나머지 부분에서 광범위한 효과가 발생합니다.
우리는 다시 옴의 법칙 표 방법을 사용하여 결과 회로 전류와 전압 강하를 계산할 것입니다(표 3).
표 3. 저항 R2의 개방 회로 고장으로 회로 V, I 및 R 재계산
R 2 가 무한 저항일 때, 전체 직렬 회로도 이제 무한합니다. 따라서 총 전류는 0으로 감소합니다. 회로 전류가 0일 때, R 1 또는 R 3 에 전압 강하를 생성할 전류는 없습니다 . R 2 . 반면에, 이것은 단자에 전체 공급 전압을 나타냅니다.
이러한 결과를 바탕으로 이 교훈을 문제 해결에 적용할 수 있습니다. 회로 전류가 너무 낮거나 심지어 0인 경우 회로 내부 어딘가에 단락이 있다고 추론할 수 있습니다. 전압계를 사용하여 전압이 전부 또는 대부분 떨어진 회로의 구성 요소 또는 섹션을 찾을 수 있습니다. 이것이 개방 회로의 위치입니다.
개방 회로 고장은 진동, 충격 또는 장치 오류로 인해 연결이 끊어져서 발생할 수 있습니다.
병렬 회로의 단락 문제를 해결하는 방법
이전 섹션에서 사용한 것과 동일한 분석 전후 기술을 병렬 회로의 문제 해결에 적용할 수 있습니다.
먼저, 그림 4의 "건강한" 병렬 회로가 어떻게 동작해야 하는지 확인하는 것으로 시작하겠습니다.
우리는 옴의 법칙과 병렬 회로 규칙을 신중하게 적용하여 알려지지 않은 회로 매개변수를 계산하여 표 4에 나타난 결과에 도달했습니다. 회로에서 직접 입력한 값은 일반 글꼴로 표시되고 계산된 값은 굵은 글꼴로 표시됩니다.
표 4. 그림 4의 병렬 회로에 옴의 법칙 표 방법을 적용한 예.
이상적인 경우(완벽한 전압원과 저항이 없는 연결 와이어)에는 간단한 병렬 회로의 단락된 저항이 회로의 다른 분기에서 일어나는 일에 영향을 미치지 않습니다. 실제로는 그 효과가 완전히 같지 않으며, 그림 5의 다음 예제 회로에서 그 이유를 살펴보겠습니다.
단락된 저항(저항 0Ω)은 이론적으로 모든 유한 전압원에서 무한 전류를 끌어낼 것입니다. 왜냐하면 I = V/0이기 때문입니다. 이 경우 R 2 의 제로 저항은 회로의 총 등가 저항을 0Ω로 감소시키고 총 전류를 무한대 값으로 증가시킵니다(표 5).
표 5. 저항 R 2 의 개방 회로 고장으로 회로 V, I 및 R을 다시 계산합니다 .
전압원이 무한 전류를 공급하는 동안 9V로 안정적으로 유지되는 한, 저항기 R1 및 R3을 통한 다른 분기 전류 는 변하지 않습니다 .
단락 회로가 있는 경우의 현실적인 병렬 회로 동작
그러나 이 "완벽한" 계획의 중요한 가정은 전압 공급이 단락 회로 부하에 무한한 양의 전류를 공급하는 동안 정격 전압에서 안정적으로 유지된다는 것입니다. 이는 단순히 현실적이지 않습니다. 단락에 작은 양의 저항이 있더라도(절대적으로 0인 저항과 대조적으로) 실제 전압 소스는 임의로 거대한 과부하 전류를 공급하고 동시에 안정적인 전압을 유지할 수 없습니다.
이런 상황은 주로 모든 전기적 전원에 내재된 내부 저항으로 인해 발생하는데, 이는 그림 6에서 볼 수 있듯이 전원을 구성하는 재료의 피할 수 없는 물리적 특성에서 비롯됩니다.
이러한 내부 저항은 아무리 작더라도 우리의 간단한 병렬 회로를 직렬-병렬 조합 회로로 바꿔줍니다. 일반적으로 전압원의 내부 저항은 안전하게 무시할 수 있을 만큼 낮지만, 단락된 구성 요소로 인해 발생하는 높은 전류가 발생하면 그 효과가 매우 눈에 띄게 됩니다.
그림 7의 보다 복잡한 회로에서 단락된 R2는 배터리 의 내부 저항을 통해 거의 모든 전압이 떨어지고 저항 R1, R2, R3에 거의 전압 이 남지 않게 됩니다 .
종종 전압원의 정확한 내부 저항을 알 수 없습니다. 다행히도 추정치만으로 회로 분석을 진행할 수 있습니다. 표 6은 특정 값 대신 일반적이고 정성적인 추정치를 사용하여 작성되었습니다. 저항 R 2 의 단락 회로로 인해 세 저항 모두의 전압이 낮을 것임을 알고 있습니다. 또한 대부분의 전류가 R 2 를 통과할 것임을 알고 있습니다 . 따라서 전류는 높지만 다른 분기 전류는 낮을 것입니다.
표 6. 병렬 회로의 단락 회로에 대한 전압 및 전류 추정.
옴의 법칙과 직렬 및 병렬 회로의 규칙의 일반적인 적용은 수치적 양("정량적")으로 수행되는 반면, 정확한 수치가 없는 이런 종류의 분석은 "정성적 분석"이라고 부르고 싶습니다. 다시 말해, 우리는 정확한 양이 아닌 회로의 효과의 질을 분석할 수 있습니다. 그 결과, 여러분은 전기 회로 작동에 대한 훨씬 더 깊은 직관적 이해를 하게 될 것입니다. 또한 정확한 수치 값 없이도 문제 해결을 진행할 수 있습니다.
전압원의 단자를 가로지르는 의도적인 직접 단락은 나쁜 생각이라고 말하는 것으로 충분합니다. 결과적으로 발생하는 높은 전류(열, 섬광, 불꽃)가 주변 사람들에게 해를 끼치지 않더라도 전압원은 단락을 처리하도록 특별히 설계되지 않은 한 손상될 가능성이 높습니다. 대부분의 전압원은 단락을 처리하도록 설계되지 않았습니다.
병렬 회로의 개방 회로 문제 해결
이제 그림 8의 병렬 회로에서 개방 회로를 살펴보겠습니다.
이제 표 7에 표시된 대로 옴의 법칙 표를 다시 채울 수 있습니다.
표 7. 저항 R 2 의 개방 회로 고장으로 회로 V, I 및 R을 다시 계산합니다 .
이 병렬 회로에서 열린 분기는 해당 분기를 통과하는 전류와 회로의 총 전류에만 영향을 미칩니다. 9V의 총 전압은 병렬 회로의 모든 구성 요소에 동일하게 공유되며 모든 저항에 대해 동일합니다.
전압원의 경향은 전압을 일정하게 유지하는 것이므로 전압은 변하지 않습니다. 또한 전압은 병렬 회로에서 유일한 공통 매개변수이고 다른 저항은 저항 값을 변경하지 않았으므로 각각의 분기 전류는 변하지 않습니다.
가정용 조명 병렬 회로의 예
가정용 조명의 경우 모든 조명은 그림 9에서 보듯이 병렬로 배열된 전원 배선에서 작동 전압을 얻습니다. 하나의 램프를 끄면 회로의 해당 분기에 개방 회로가 생성됩니다.
이 병렬 회로에서 한 분기의 개폐는 실내 다른 조명의 작동에 영향을 미치지 않습니다. 단지 해당 조명(분기 회로)의 전류와 실내 모든 램프에 전원을 공급하는 총 전류만 변경합니다.
직렬 및 병렬 회로 문제 해결 검토
주어진 구성 요소 오류가 있는 회로에 어떤 일이 일어날지 직관적으로 판단하는 능력은 모든 전자 문제 해결사가 개발해야 할 중요한 기술입니다. 배우는 가장 좋은 방법은 회로 계산과 실제 회로를 실험하고 오류가 발생하면 무엇이 바뀌고 무엇이 변하지 않으며 그 이유가 무엇인지 주의 깊게 살펴보는 것입니다.
- 단락된 부품이란 저항이 급격히 감소한 부품, 일반적으로 0에 가까운 부품을 말합니다.
- 개방형 구성 요소란 저항이 극적으로 증가한 구성 요소를 말합니다.
- 부품이 고장났을 때 회로에서 어떤 일이 일어나는지 확인하려면 고장난 부품의 등가 저항을 제자리에 두고 회로를 다시 그린 후 모든 값을 다시 계산합니다.
- 기록상으로는 저항기는 단락으로 고장나는 것보다 개방으로 고장나는 경우가 더 잦고, 물리적으로 과도한 스트레스(낙하, 진동, 습기, 온도)나 전기적으로 과도한 스트레스(전압이나 전류)가 가해지지 않는 한 고장나는 경우는 거의 없습니다.