第4节 组件故障分析（续）(修订中)
“我认为当我可以预测其解的性质而不实际求解它时，我就理解了一个方程。” ——帕姆·狄拉克，物理学家
狄拉克的话有很多道理。稍加修改，我可以将他的智慧扩展到电路，说：“我认为我理解了一个电路，当我可以预测对它所做的各种更改的近似效果时，无需实际执行任何计算。”
在串联 (opens new window)和并联 (opens new window)电路章节的最后，我们简要地考虑了如何以_定性_而不是_定量_的方式分析电路。培养这项技能是成为熟练的电路故障排除者的重要一步。一旦您彻底了解任何特定故障将如何影响电路（即您不必执行任何算术来预测结果），反过来工作就会容易得多：通过以下方式查明故障根源评估电路的行为方式。
在串联和并联电路章节的末尾还展示了表格方法如何在帮助故障分析和分析健康电路方面发挥作用。我们可以将这一技术更进一步，并将其用于全面的定性分析。“_定性”_是指使用代表“增加”、“减少”和“相同”的符号而不是精确的数字。
我们仍然可以使用串联和并联电路的原理，以及欧姆定律的 (opens new window)概念。我们将只使用符号_性质_而不是数字_量_。通过这样做，我们可以获得更多关于电路如何工作的直观“感觉”，而不是依赖于抽象方程，从而达到狄拉克对“理解”的定义。
# 1. 复杂电路的元器件失效分析
说够了。让我们在一个真实的电路示例中尝试这种技术，看看它是如何工作的：
这是我们在上一节中为分析而理顺的第一个“复杂”电路。由于您已经知道此特定电路如何简化为串联和并联部分，因此我将跳过该过程并直接进入最终形式：
R 3和R 4相互平行；R 1和 R 2也是如此。R 3 //R 4和R 1 //R 2的并联等效物彼此串联。以符号形式表示，该电路的总电阻如下：
R总计= (R 1 //R 2 )—(R 3 //R 4 )
首先，我们需要为这个电路制定一个包含所有必要行和列的表格：
# 2. 故障情景分析
接下来，我们需要一个失败场景。让我们假设电阻器 R 2未能短路。我们将假设所有其他组件都保持其原始值。因为我们将定性而不是定量地分析这个电路，所以我们不会在表格中插入任何实数。
对于部件失效后的任何数量没有变化，我们将使用“相同”一词来表示“与以前没有变化”。对于因失败而发生变化的任何数量，我们将使用向下箭头表示“减少”，使用向上箭头表示“增加”。
像往常一样，我们首先填写表格中各个电阻和总电压的空格，即我们的“给定”值：
与电路正常状态不同的唯一“给定”值是 R 2，我们说它是失败的短路（异常低电阻）。所有其他初始值都与以前相同，由“相同”条目表示。我们现在要做的就是通过熟悉的欧姆定律和串并联原理来确定所有其他电路值会发生什么。
首先，我们需要确定平行子部分 R 1 //R 2和 R 3 //R 4的电阻会发生什么变化。如果R 3和R 4的电阻值都没有变化，那么它们的并联组合也不会发生变化。
然而，由于 R 2的电阻降低了，而 R 1保持不变，它们的并联组合也必须降低电阻：
现在，我们需要弄清楚总阻力会发生什么。这部分很简单：当我们只处理电路中的一个元件变化时，总电阻的变化将与故障元件的变化方向相同。这并不是说单个组件和整个电路之间的变化_幅度相同，只是变化的__方向_。换句话说，如果任何单个电阻的值减小，则总电路电阻也必须减小，反之亦然。
在这种情况下，由于 R 2是唯一失败的组件，并且它的电阻已经降低，因此总电阻_必须_降低：
现在我们可以将欧姆定律（定性地）应用于表中的 Total 列。鉴于总电压保持不变且总电阻降低的事实，我们可以得出结论，总电流必须增加（I = E / R）。
# 3. 在故障分析中使用欧姆定律的定性评估
如果您不熟悉方程的定性评估，它的工作原理是这样的。首先，我们将方程写成求解未知量。在这种情况下，我们试图求解给定电压和电阻的电流：
既然我们的方程是正确的形式，我们评估“I”将经历什么变化（如果有的话），给定“E”和“R”的变化：
如果分数的分母值减小而分子保持不变，则分数的总值必须增加：
因此，欧姆定律 (I=E/R) 告诉我们电流 (I) 会增加。我们将在表格中用“向上”箭头标记这个结论：
在表格中填写所有电阻位置并在“总计”列中确定所有数量后，我们可以继续确定其他电压和电流。知道此表中的总电阻是 R 1 //R 2和 R 3 //R 4_串联_的结果，我们知道总电流的值将与 R 1 //R 2和R 3 //R 4（因为串联组件共享相同的电流）。
因此，如果总电流增加，则通过 R 1 //R 2和 R 3 //R 4的电流也必须随着 R 2的故障而增加：
从根本上说，我们在这里对欧姆定律和串联和并联电路规则的定性使用与我们之前对数字所做的没有什么不同。事实上，这要容易得多，因为您不必担心在计算中出现算术或计算器击键错误。相反，您只关注方程式背后的_原理。_
从上表中，我们可以看到欧姆定律应该适用于 R 1 //R 2和 R 3 //R 4列。对于 R 3 //R 4，我们计算电压会发生什么变化，假设电流增加且电阻没有变化。直观地，我们可以看到这必然导致 R 3 //R 4并联组合的电压增加：
# 4. 在故障分析中使用电路分析规则
但是，我们如何将相同的欧姆定律公式 (E=IR) 应用于 R 1 //R 2列，其中我们有电阻降低_和_电流增加？很容易确定是否只有一个变量在变化，就像 R 3 //R 4一样，但是有两个变量在移动并且没有确定的数字可以使用，欧姆定律不会有太大帮助。
但是，我们可以_水平应用另一个规则来确定 R_ 1 //R 2两端的电压会发生什么变化：串联电路中的电压规则。如果 R 1 //R 2和 R 3 //R 4两端的电压加起来等于总（电池）电压，并且我们知道 R 3 //R 4电压增加而总电压保持不变，那么R 1 //R 2 两端的电压_必须_随着 R 2电阻值的变化而降低：
现在我们准备好处理表中的一些新列。知道 R 3和 R 4组成并联子部分 R 3 //R 4，并且知道电压在并联组件之间平均分配，在并联组合 R 3 //R 4上看到的电压增加也必须在 R 上看到3和 R 4分别：
R 1和 R 2也是如此。在 R 1和 R 2的并联组合上看到的电压下降将分别在 R 1和 R 2上看到：
将欧姆定律垂直应用于电阻值不变（“相同”）的那些列，我们可以知道电流将通过这些组件做什么。在不变的电阻上增加电压会导致电流增加。相反，电阻不变的电压降低会导致电流降低：
我们再次发现自己处于欧姆定律无法帮助我们的位置：对于 R 2，电压和电阻都降低了，但不知道每个变化_了多少_，我们不能使用 I=E/R 公式定性地确定由此产生的电流变化。但是，我们仍然可以_水平_应用串联和并联电路的规则。我们知道通过 R 1 //R 2并联组合的电流增加了，我们也知道通过 R 1的电流减少了。
并联电路的规则之一是总电流等于各个支路电流的总和。在这种情况下，通过 R 1 //R 2的电流等于通过 R 1的电流加上通过 R 2的电流。如果通过 R 1的电流//R 2增加而通过 R 1的电流减少，则通过 R 2的电流 _必须_增加：
这样，我们的定性值表就完成了。由于所有详细的评论，这个特定的练习可能看起来很费力，但通过一些练习可以非常快速地执行实际过程。这里要意识到的重要一点是，一般程序与定量分析几乎没有什么不同：从已知值开始，然后确定总电阻，然后确定总电流，然后按照串联规则和并联电路到相应的列。
在进行此类分析时，可以记住一些一般规则以帮助和/或检查您的进度：
- 对于任何_单个_组件故障（开路或短路），总电阻将始终与故障组件的电阻变化方向相同（增加或减少）。
- 当一个组件发生短路故障时，它的电阻总是会降低。此外，通过它的电流会增加，而它两端的电压_可能会_下降。我说“可能”是因为在某些情况下它会保持不变（例如：具有理想电源的简单并联电路）。
- 当一个组件开路失败时，它的电阻总是增加。通过该组件的电流将减少到零，因为它是不完整的电气路径（无连续性）。这_可能_导致其两端的电压增加。上述相同的例外在这里也适用：在具有理想电压源的简单并联电路中，开路故障组件上的电压将保持不变。
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