5.7: Análisis de fallas de componentes

El trabajo de un técnico frecuentemente implica “resolver problemas” (localizar y corregir un problema) en circuitos que funcionan mal. Una buena solución de problemas es un esfuerzo exigente y gratificante, que requiere una comprensión profunda de los conceptos básicos, la capacidad de formular hipótesis (explicaciones propuestas de un efecto), la capacidad de juzgar el valor de diferentes hipótesis en función de su probabilidad (cuán probable puede ser una causa en particular sobre otro), y un sentido de creatividad en la aplicación de una solución para rectificar el problema. Si bien es posible destilar estas habilidades en una metodología científica, la mayoría de los problemáticos practicados estarían de acuerdo en que la solución de problemas implica un toque de arte, y que puede tomar años de experiencia para desarrollar completamente este arte.

Una habilidad esencial para tener es una comprensión fácil e intuitiva de cómo las fallas de componentes afectan a los circuitos en diferentes configuraciones. Aquí exploraremos algunos de los efectos de las fallas de componentes tanto en circuitos en serie como en paralelo, luego en mayor grado al final del capítulo “Circuitos combinados serie-paralelo”.

Empecemos con un circuito en serie simple:

Con todos los componentes de este circuito funcionando a sus valores adecuados, podemos determinar matemáticamente todas las corrientes y caídas de voltaje:

Ahora supongamos que R ₂ falla en cortocircuito. Cortocircuito significa que la resistencia ahora actúa como una pieza recta de alambre, con poca o ninguna resistencia. El circuito se comportará como si un cable “puente” estuviera conectado a través de R ₂ (en caso de que se lo preguntara, “cable puente” es un término común para una conexión de cable temporal en un circuito). Lo que causa la condición cortocircuitada de _R2 no nos importa en este ejemplo; solo nos importa su efecto sobre el circuito:

Con R ₂ cortocircuitado, ya sea por un cable puente o por una falla de resistencia interna, la resistencia total del circuito disminuirá. Dado que la salida de voltaje por la batería es una constante (al menos en nuestra simulación ideal aquí), una disminución en la resistencia total del circuito significa que la corriente total del circuito debe aumentar:

A medida que la corriente del circuito aumenta de 20 miliamperios a 60 miliamperios, las caídas de voltaje a través de R ₁ y R ₃ (que no han cambiado las resistencias) también aumentan, de modo que las dos resistencias están cayendo los 9 voltios completos. R ₂, al ser desviado por la muy baja resistencia del cable puente, se elimina efectivamente del circuito, habiéndose reducido a cero la resistencia de un cable al otro. Por lo tanto, la caída de voltaje a través de _R2, incluso con el aumento de la corriente total, es de cero voltios.

Por otro lado, si R ₂ fallara “abierto” —resistencia que aumenta a niveles casi infinitos— también crearía efectos de gran alcance en el resto del circuito:

Con R ₂ a resistencia infinita y resistencia total siendo la suma de todas las resistencias individuales en un circuito en serie, la corriente total disminuye a cero. Con corriente de circuito cero, no hay flujo de electrones para producir caídas de voltaje a través de R ₁ o R ₃. R ₂, por otro lado, manifestará el voltaje de suministro completo a través de sus terminales.

También podemos aplicar la misma técnica de análisis antes/después a circuitos paralelos. Primero, determinamos cómo debe comportarse un circuito paralelo “saludable”.

Suponiendo que R ₂ se abra en este circuito paralelo, esto es lo que serán los efectos:

Observe que en este circuito paralelo, una rama abierta solo afecta la corriente a través de esa rama y la corriente total del circuito. El voltaje total, que se comparte por igual entre todos los componentes en un circuito paralelo, será el mismo para todas las resistencias. Debido a que la tendencia de la fuente de voltaje es mantener la tensión constante, su voltaje no cambiará, y al estar en paralelo con todas las resistencias, mantendrá todas las tensiones de las resistencias igual que antes: 9 voltios. Siendo que el voltaje es el único parámetro común en un circuito paralelo, y las otras resistencias no han cambiado el valor de resistencia, sus respectivas corrientes de ramificación permanecen sin cambios.

Esto es lo que sucede en un circuito de lámparas domésticas: todas las lámparas obtienen su voltaje de funcionamiento del cableado de alimentación dispuesto de manera paralela. Encender y apagar una lámpara (una rama en ese circuito paralelo se cierra y se abre) no afecta el funcionamiento de otras lámparas en la habitación, solo la corriente en esa lámpara (circuito de derivación) y la corriente total que alimenta todas las lámparas de la habitación:

En un caso ideal (con fuentes de voltaje perfectas y cable de conexión de resistencia cero), las resistencias cortocircuitadas en un circuito paralelo simple tampoco tendrán efecto en lo que sucede en otras ramas del circuito. En la vida real, el efecto no es exactamente el mismo, y veremos por qué en el siguiente ejemplo:

Una resistencia en cortocircuito (resistencia de 0 Ω) teóricamente extraería corriente infinita de cualquier fuente finita de voltaje (I=E/0). En este caso, la resistencia cero de _R2 disminuye la resistencia total del circuito a cero Ω también, aumentando la corriente total a un valor de infinito. Sin embargo, mientras la fuente de voltaje se mantenga estable a 9 voltios, las otras corrientes de derivación (I _R1 e I _R3) permanecerán sin cambios.

La suposición crítica en este esquema “perfecto”, sin embargo, es que el suministro de voltaje se mantendrá estable a su voltaje nominal mientras suministra una cantidad infinita de corriente a una carga de cortocircuito. Esto simplemente no es realista. Incluso si el corto tiene una pequeña cantidad de resistencia (a diferencia de la resistencia absolutamente cero), ninguna fuente de voltaje real podría suministrar arbitrariamente una enorme corriente de sobrecarga y mantener un voltaje constante al mismo tiempo. Esto se debe principalmente a la resistencia interna intrínseca a todas las fuentes de energía eléctrica, derivada de las ineludibles propiedades físicas de los materiales con los que están construidos:

Estas resistencias internas, por pequeñas que sean, convierten nuestro sencillo circuito paralelo en un circuito combinado serie-paralelo. Por lo general, las resistencias internas de las fuentes de voltaje son lo suficientemente bajas como para que puedan ignorarse de manera segura, pero cuando se encuentran altas corrientes resultantes de componentes cortocircuitados, sus efectos se vuelven muy notorios. En este caso, un R ₂ cortocircuitado daría como resultado que casi todo el voltaje cayera a través de la resistencia interna de la batería, casi sin que quedara voltaje para las resistencias _R1, _R2 y _R3:

Baste decir, los cortocircuitos directos intencionales a través de los terminales de cualquier fuente de voltaje es una mala idea. Incluso si la alta corriente resultante (calor, destellos, chispas) no causa daño a las personas cercanas, la fuente de voltaje probablemente sufrirá daños, a menos que haya sido diseñada específicamente para manejar cortocircuitos, lo que la mayoría de las fuentes de voltaje no son.

Eventualmente en este libro te conduciré a través del análisis de circuitos sin el uso de ningún número, es decir, analizando los efectos de la falla de componentes en un circuito sin saber exactamente cuántos voltios produce la batería, cuántos ohmios de resistencia hay en cada resistor, etc. esta sección sirve como paso introductorio a ese tipo de análisis.

Mientras que la aplicación normal de la Ley de Ohm y las reglas de los circuitos en serie y paralelos se realiza con cantidades numéricas (“cuantitativas”), este nuevo tipo de análisis sin cifras numéricas precisas es algo que me gusta llamar análisis cualitativo. En otras palabras, estaremos analizando las cualidades de los efectos en un circuito más que las cantidades precisas. El resultado, para usted, será una comprensión intuitiva mucho más profunda del funcionamiento del circuito eléctrico.

Revisar

• Para determinar qué pasaría en un circuito si falla un componente, vuelva a dibujar ese circuito con la resistencia equivalente del componente fallido en su lugar y vuelva a calcular todos los valores.
• La capacidad de determinar intuitivamente lo que sucederá con un circuito con cualquier falla de componente dada es una habilidad crucial para que se desarrolle cualquier dispositivo de resolución de problemas electrónicos. La mejor manera de aprender es experimentar con cálculos de circuitos y circuitos de la vida real, prestando mucha atención a lo que cambia con una falla, lo que sigue siendo lo mismo, ¡y por qué!
• Un componente cortocircuitado es aquel cuya resistencia ha disminuido drásticamente.
• Un componente abierto es aquel cuya resistencia ha aumentado dramáticamente. Para que conste, las resistencias tienden a fallar abiertas con más frecuencia que fallan en cortocircuito, y casi nunca fallan a menos que estén físicamente o eléctricamente sobreestresadas (abusadas físicamente o sobrecalentadas).