Последовательное и параллельное соединение: схемы подключений

Законы последовательного и параллельного соединения проводников

Для детального понимания на практике обоих типов соединений мы приводим формулы, объясняющие законы этих типов соединений. Расчет мощности для параллельного и последовательного подключения различается.

При последовательном соединении во всех проводниках присутствует одинаковая сила тока:

Я = I1 = I2.

Согласно закону Ома эти типы соединений проводников в разных случаях объясняются по-разному. Итак, в случае последовательной схемы напряжения равны между собой:

U1 = IR1, U2 = IR2.

Кроме того, полное напряжение равно сумме напряжений отдельных проводников:

U = U1 + U2 = I (R1 + R2) = IR.

Общее сопротивление электрической цепи рассчитывается как сумма активных сопротивлений всех проводников независимо от их количества.

В случае параллельной схемы полное напряжение схемы равно напряжению отдельных элементов:

U1 = U2 = U.

А общая сила электрического тока рассчитывается как сумма токов, имеющихся по всем проводникам, расположенным параллельно:

Я = I1 + I2.

Чтобы обеспечить максимальную эффективность электрических сетей, необходимо понимать суть обоих типов подключений и применять их соответствующим образом, используя законы и просчитывая рациональность практической реализации.

Разница между последовательным и параллельным соединением, преимущества и недостатки

Принципиальные отличия последовательного и параллельного соединения проводов по основным электрическим параметрам приведены в таблице:

Тип / параметр подключения	Последовательный	Параллельный
Электрическое сопротивление	он равен сумме электрических сопротивлений всех потребителей электроэнергии.	Меньше, чем значение электрического сопротивления каждого подключенного электроприбора.
Напряжение	Равно общему напряжению всех потребителей электроэнергии.	Одно и то же значение на всех участках электрической цепи.
Текущая сила	Одно и то же значение на всех участках электрической цепи.	Равен совокупному значению токов на каждом из устройств.

В силу своих особенностей каждый вид цепной сборки имеет свои достоинства и недостатки. Это позволяет использовать эти методы для решения различных электрических проблем.

Плюсы и минусы последовательного соединения

Основными преимуществами электрических схем последовательно соединенных устройств являются следующие характеристики:

• простота конструкции и построения схемы;
• невысокая стоимость сборки;
• возможность подключения устройств, рассчитанных на рабочее напряжение ниже номинального напряжения сети;
• выполнение функции регулирования тока — обеспечивает равномерную нагрузку на все устройства.

Однако у этого способа разводки есть и серьезные недостатки. Главный из них — ненадежность последовательно включенной цепи. Если какое-либо из подключенных устройств выходит из строя, вся цепь отключается.

Кроме того, недостатком является снижение напряжения при увеличении количества подключаемых потребителей. Примером может служить последовательное соединение нескольких ламп. Чем больше светильников подключено к источнику питания таким образом, тем менее яркий свет они будут давать.

Плюсы и минусы параллельного соединения

Использование параллельного соединения проводов дает следующие преимущества:

• стабильность напряжения на электроприборах независимо от их количества;
• возможность включать или выключать отдельные секции в нужный момент, не прерывая работу всей электрической схемы;
• надежность — в случае выхода из строя одного или нескольких компонентов сама электрическая цепь продолжает оставаться в рабочем состоянии.

Недостатком является более сложный расчет и сложная схема, использование которой увеличивает стоимость комплектования электрической сети.

Не допускается подключение устройств с номинальным рабочим напряжением ниже напряжения сети. Параллельное соединение аккумуляторов с разными значениями напряжения связано с протеканием тока в аккумуляторе с более низким значением, что может вызвать ускоренный износ аккумуляторов.

Зависимость сопротивления

Величина электропроводности зависит от нескольких факторов, которые необходимо учитывать при расчете, изготовлении резистивных нагрузочных элементов (резисторов), ремонте и проектировании устройств. Эти факторы включают следующее:

1. Температура окружающей среды и материала.
2. Электрические величины.
3. Геометрические свойства вещества.
4. Тип материала, из которого изготовлен проводник (полупроводник).

Электрические величины включают разность потенциалов (напряжение), электродвижущую силу (ЭДС) и силу тока. Геометрия проводника — это его длина и площадь поперечного сечения.

Электрические величины

Зависимость величины электропроводности от параметров электричества определяется законом Ома. Есть две формулировки: одна для сайта, а другая для всей цепочки поставок. В первом случае соотношение определяется на основе значений тока (I) и напряжения (U) по простой формуле: I = U / R. Из соотношения можно увидеть прямо пропорциональную зависимость ток от величины напряжения, а также обратно пропорционален сопротивлению. Вы можете выразить R: R = U / I.

Для расчета электропроводности всего участка необходимо использовать соотношение между ЭДС (e), током (i) и внутренним сопротивлением источника питания (Rvn): i = e / (R + Rvn) . В этом случае значение R рассчитывается по формуле: R = (e / i) — Rvn. Однако при проведении расчетов необходимо также учитывать геометрические параметры и тип проводника, так как они могут существенно повлиять на расчеты.

Тип и геометрические параметры

Свойство вещества проводить электричество определяется структурой кристаллической решетки и количеством свободных носителей. Исходя из этого, тип вещества является ключевым фактором, определяющим значение электропроводности. В науке коэффициент, определяющий тип вещества, обозначается буквой «р» и называется удельным сопротивлением. Его значение для различных материалов (при температуре +20 градусов Цельсия) можно найти в специальных таблицах.

Иногда для удобства расчета используется обратная величина, называемая удельной проводимостью (σ). Это связано с удельным сопротивлением следующим соотношением: p = 1 / σ. Площадь поперечного сечения (S) влияет на электрическое сопротивление. С физической точки зрения зависимость можно понять так: при малом сечении более часты взаимодействия частиц электрического тока с узлами кристаллической решетки. Сечение можно рассчитать по специальному алгоритму:

1. Измерение геометрических параметров проводника (диаметра или длины сторон) штангенциркулем.
2. Визуально определите форму материала.
3. Рассчитайте площадь поперечного сечения по формуле, найденной в справочнике или в Интернете.

В случае, если кондуктор имеет сложную конструкцию, необходимо рассчитать S-значение элемента, а затем результат умножить на количество элементов, входящих в его состав. Например, если провод многопроволочный, то S следует рассчитывать для одного провода. Далее нужно полученное значение S умножить на количество ядер. Зависимость R от вышеуказанных значений можно записать в виде отношения: R = p * L / S. Буква «L» — это длина проводника. Однако для получения точных расчетов необходимо учитывать температурные показатели внешней среды и проводника.

Температурные показатели

Имеются данные о температурной зависимости удельного сопротивления материала на основе физических экспериментов. Для проведения эксперимента необходимо собрать электрическую схему, состоящую из следующих элементов: источника питания, нихромовой спирали, соединительных кабелей для амперметра и вольтметра. Необходимы устройства для измерения значений тока и напряжения соответственно. Когда течет электричество, нихромовая пружина нагревается. По мере прогрева показание амперметра уменьшается. В этом случае наблюдается значительное падение напряжения на участке цепи, о чем говорят показания вольтметра.

В радиотехнике уменьшение величины напряжения называется просадкой или провалом. Формула температурной зависимости p выглядит следующим образом: p = p0 * 1 + a * (t — 20). Значение p0 — это удельное сопротивление материала из таблицы, а буква «t» — температура проводника.

Температурный коэффициент «а» принимает следующие значения: для металлов — а> 0 и для растворов электролитов — а <0. Чтобы получить формулу, определяющую все зависимости, необходимо подставить все соотношения в общую формулу зависимости R от типа материала, температуры, длины и сечения: R = p0 * 1 + a * (t — 20) * L / S. Формулы используются только для расчетов и изготовления резисторов. Омметр используется для быстрого измерения значения сопротивления.

Способы соединения резисторов, решение задачи смешанного соединения проводников: видео

Примеры вычисления напряжения при параллельном и последовательном соединении

Возьмем, например, схему с двумя резисторами. Если они соединены параллельно, вольтметр покажет одинаковые значения для любого участка цепи:

U = U1 = U2 = 10 Вольт

При последовательном включении полное напряжение равно сумме показателей обоих устройств, т.е.

U = 10 + 10 = 20 Вольт.

Последовательное соединение проводников

Последовательное подключение подразумевает, что они включаются в определенной последовательности один за другим. Кроме того, сила тока во всех них одинакова. Эти элементы создают полную нагрузку на сайт. Заряды не накапливаются в узлах электрической цепи, иначе будет наблюдаться изменение напряжения и тока. При постоянном напряжении ток определяется значением сопротивления цепи, поэтому при последовательной схеме сопротивление изменяется при изменении нагрузки.

Недостатком такой схемы является то, что при выходе из строя одного элемента остальные также теряют работоспособность, так как цепь обрывается. Примером может служить гирлянда, которая не работает, если перегорела лампочка. Это ключевое отличие от параллельного соединения, при котором элементы могут работать отдельно.

Последовательная схема предполагает, что из-за одноуровневого соединения проводников их сопротивление в любой точке сети одинаково. Общее сопротивление равно сумме понижений напряжения отдельных элементов сети.

При таком типе подключения начало одного проводника соединяется с концом другого. Ключевой особенностью соединения является то, что все проводники находятся на одном проводе без разветвлений, и электрический ток течет через каждый из них. Однако общее напряжение равно сумме напряжений на каждом из них. Также можно рассмотреть подключение с другой точки зрения: все проводники заменены эквивалентным резистором, а ток на нем совпадает с полным током, проходящим через все резисторы. Накопленное эквивалентное напряжение — это сумма значений напряжения на каждом резисторе. Так проявляется разность потенциалов на резисторе.

Параллельное соединение проводников

Параллельное соединение проводов выглядит так.

параллельное соединение резисторов

Что ж, я думаю, мы начнем с сопротивления.

Особенности включения

Чтобы упростить тему смешанного подключения резисторов, поиск неисправностей должен быть ограничен цепями, подключенными к источнику постоянного тока без реактивных компонентов. В этом случае можно исключить сложные колебательные процессы, связанные с циклами переменного энергопотребления в нагрузке. Для определения основных зависимостей достаточно воспользоваться классической формулой закона Ома:

I (ток) = U (напряжение) / R (сопротивление).

В первой части рисунка показан серийный проводник. Тот же самый ток можно измерить при любом прерывании с помощью мультиметра. Но даже без экспериментов ясно, что такой результат обеспечивается единством пути его прохождения, созданного без разветвлений. Однако при установке разных резисторов (R1 ≠ R2 ≠ R3) напряжение на отдельных элементах разное (U1 ≠ U2 ≠ U3). Суммарное значение будет равно потенциалу на клеммах генератора (Uip = U1 + U2 + U3). Общее сопротивление рассчитывается аналогично:

Rtot = R1 + R2 + R3.

Следующий пример — параллельное подключение. Здесь каждый ток проходит после разветвления по собственному пути (ответвлению). Согласно предыдущему алгоритму рассуждений легко установить соответствующие зависимости:

• если R1 ≠ R2 ≠ R3, то I1 ≠ I2 ≠ I3;
• Iip = I1 + I2 + I3;

Если используется параллельное соединение, формула для напряжений преобразуется в равенство:

Uip = U1 = U2 = U3.

Довожу до вашего сведения. Другие типы соединений представляют собой комбинации представленных вариантов. Описанные выше правила применяются к отдельным участкам цепочки.

Сопротивление при параллельном соединении проводников

Мы сообщаем о терминалах как A и B

В этом случае полное сопротивление RAB будет найдено по формуле

Если у нас есть только два параллельно соединенных проводника

Итак, в этом случае вы можете упростить длинную и неудобную формулу, и она примет форму этой формы.

Напряжение при параллельном соединении проводников

Здесь, думаю, не стоит гадать. Поскольку все проводники соединены параллельно, напряжение будет у всех одинаковым.

Получается, что напряжение на R1 будет такое же, как на R2, как на R3, так и на Rn

Сила тока при параллельном соединении проводников

Если с натяжением все понятно, то с силой тока могут быть небольшие затруднения. Как вы помните, при последовательном подключении сила тока на каждом проводе была одинаковой. Здесь как раз наоборот. У каждого проводника будет своя сила тока. Как вы это рассчитываете? Придется снова прибегнуть к закону Ома.

Чтобы нам было еще проще, давайте рассмотрим все это на реальном примере. На рисунке ниже мы видим параллельное соединение трех резисторов, подключенных к источнику питания U.

Как мы уже знаем, каждый резистор имеет одинаковое напряжение U. Но будет ли сила тока такой же, как во всей цепи? Нет. Следовательно, для каждого резистора мы должны рассчитать силу тока по закону Ома I = U / R. Следовательно, мы получаем, что

I1 = U / R1

I2 = U / R2

I3 = U / R3

Если бы у нас еще были резисторы, включенные параллельно, то для них

В = U / Rn

В этом случае ток в цепи будет равен:

Задача

Вычислите силу тока на каждом резисторе и силу тока в цепи, если вы знаете напряжение питания и значения резистора.

Решение

Воспользуемся приведенными выше формулами.

I1 = U / R1

I2 = U / R2

I3 = U / R3

Если бы у нас еще были резисторы, включенные параллельно, то для них

В = U / Rn

Следовательно,

I1 = U / R1 = 10/2 = 5 ампер

I2 = U / R2 = 10/5 = 2 Ампер

I3 = U / R3 = 10/10 = 1 Ампер

Далее воспользуемся формулой

найти силу тока, протекающую в цепи

I = I1 + I2 + I3 = 5 + 2 + 1 = 8 ампер

второй способ найти я

I = U / Rtotal

Чтобы найти Rtotal, нам нужно использовать формулу

Чтобы не тратить время на расчеты, существуют онлайн-калькуляторы. Вот один из них. Я уже понял это для вас. При параллельном подключении 3 резисторов номиналом 2, 5 и 10 Ом получается 1,25 Ом, то есть Rtotal = 1,25 Ом.

I = U / Rtotal = 10 / 1,25 = 8 ампер.

Параллельное соединение резисторов в электронике еще называют делителем тока, поскольку резисторы делят ток между собой.

Что ж, вот вам бонус — объяснение, что такое последовательное и параллельное соединение проводников от лучшего учителя России.

Подробное объяснение на видео:

Типичные подключения

Любой вариант соединений можно разделить на элементарные компоненты согласно способу, описанному выше. На следующем рисунке показаны типовые соединения и основные формулы для расчетов

Расчёт комбинированных схем

Принцип упрощения и расчета эквивалентного сопротивления можно изучить на конкретном примере. Исходные данные (кОм):

• R1 = 1;
• R2 = 3;
• R3 = 3;
• R4 = 3.

Объяснение компьютерной техники

Алгоритм действий:

• сложить разрезы в последовательной цепи: 3 + 3 = 6;
• рассчитать сопротивление параллельного участка: 3 * 6 / (3 + 6) = 2;
• завершите расчет: 2 + 1 = 3.

Общие сведения о напряжении

Напряжение обозначается буквой U. В системе СИ используется вольт. Его измеряют специальным прибором — вольтметром. Формула напряжения:

U = I * R,

где I — сила тока, А;

R — сопротивление жилы, Ом.

Подведем итог

Когда два или более резистора соединены так, что оба вывода одного резистора подключены к соответствующим выводам другого резистора или резисторов, они считаются подключенными параллельно. Напряжение на каждом резисторе одинаково в параллельной комбинации, но токи, протекающие через них, могут отличаться друг от друга в зависимости от размера сопротивлений каждого резистора.

Эквивалент или полное сопротивление параллельной комбинации всегда будет меньше минимального сопротивления резистора, включенного в параллельное соединение.