Sériové a paralelní zapojení: schémata zapojení

V minulé lekci jsme se podívali na sériové zapojení vodičů. S ním je proudová síla ve všech částech obvodu stejná ($I = I_1 = I_2 = . = I_n$) a odpor celého obvodu je součtem odporů všech vodičů, které tvoří nahoru ($R = R_1 + R_2 + . + R_n$). Napětí (obdobné jako odpor) celého obvodu se vypočítá sečtením napětí na koncích všech prvků, které tvoří takový elektrický obvod ($U = U_1 + U_2 + . + U_n$).

V této lekci se podíváme na jiný typ připojení vodičů – paralelně. Takto jsme připojili voltmetr, když jsme měřili napětí na libovolné části obvodu. Nyní se podíváme na vzory pro proud, odpor a napětí v obvodu pro tento typ zapojení.

Paralelní zapojení prvků v elektrickém obvodu

Které zapojení vodičů se nazývá paralelní?

Sestavme elektrický obvod s takovým zapojením. Obvod se bude skládat ze zdroje proudu, klíče a dvou elektrických lamp. Elektrické lampy jsou součástí obvodu paralelní (obrázek 1).

Schéma tohoto elektrického obvodu je na obrázku 2.

Diagram ukazuje dva body A и B. Důležitý bod:

Při paralelním zapojení jsou všechny vodiče v něm obsažené připojeny jedním koncem k bodu A, a druhý konec – do jiného bodu B.

Můžeme tak připojit několik dalších lamp nebo řadu dalších spotřebičů elektřiny. Proto všechny vzory, které budeme uvažovat níže, budou platit pro libovolný počet paralelně zapojených vodičů v obvodu mezi body A и B.

Napětí v obvodu s paralelním zapojením vodičů

Voltmetr je zapojen do obvodu paralelně. Podívejte se na obrázek 3.

Můžeme říci, že měříme napětí pouze na jedné z lamp? Žádný. Ukazuje se, že současně měříme napětí na jedné i druhé lampě. Dostáváme se k následujícímu závěru.

Napětí na obvodu AB a na koncích všech paralelně zapojených vodičů je stejné:
$U = U_1 = U_2 = … = U_n$.

To znamená, že napětí je elektrická veličina, která je stejná pro všechny paralelně zapojené vodiče.

Z tohoto důvodu je v každodenním životě a technologii velmi výhodné použít paralelní typ připojení vodičů. Proč?

Za prvé, v tomto případě jsou všichni spotřebitelé elektřiny vyráběni na základě stejné hodnoty napětí. Za druhé, pokud je z okruhu vyloučen jeden spotřebitel, ostatní budou nadále fungovat. Okruh zůstane uzavřený.

Síla proudu v obvodu, když jsou vodiče zapojeny paralelně

Nyní se podívejme, co se stane s proudovou silou při paralelním zapojení.

Podívejte se na obrázek 4, a. Na místě B proud se větví na dva proudy: $I_1$ a $I_2$.

Tyto dva proudy se v určitém bodě opět sbíhají A. Význam tohoto okamžiku je velmi podobný rozvětvení řeky (obrázek 4, b) na dva proudy vody, které se po určité vzdálenosti opět sbíhají do jednoho koryta.

Jak je síla proudu v obvodu před jeho větvením vyjádřena pomocí proudových sil v jednotlivých větvích větvení?

Intenzita proudu v nerozvětvené části obvodu je rovna součtu intenzit proudu v jednotlivých paralelně zapojených vodičích:
$I = I_1 + I_2 + … + I_n$.

Odpor v obvodu, když jsou vodiče zapojeny paralelně

Přejděme k odporu. Při paralelním zapojení si můžete představit všechny vodiče jako jeden. Tento jeden vodič bude mít jednoznačně větší průměr než každý z nich samostatně. Ukazuje se, že zdá se, že se plocha průřezu vodiče zvětšuje s takovým spojením.

Odpor se vypočítá pomocí vzorce $R = frac$. Čím větší průřez, tím menší odpor.

Proto, celkový odpor obvodu klesá. Stává se menší než odpor každého z vodičů, které jsou součástí takového elektrického obvodu.

V zapojení na obrázku 1 máme dvě stejné lampy s odpory $R_1$. Celkový odpor obvodu $R$ bude poloviční než odpor každé žárovky: $R = frac$.

Celkový odpor obvodu při paralelním připojení vodičů se vypočítá podle vzorce:
$frac = frac + frac + … + frac$.

Jak se změní celkový odpor větve po zvýšení počtu vodičů ve větvi?

Je zřejmé, že čím více vodičů je ve větvi, tím nižší bude celkový odpor obvodu.

Příklad paralelního zapojení vodičů

Podívejte se na obrázek 5. Zde je znázorněna část schématu elektrického obvodu. Zde jsou paralelně zapojeny elektrické lampy, topná zařízení a elektromotor.

Kde lze takové schéma zapojení použít?
Například v obytných oblastech. V bodech A и B dráty jsou zavedeny do bytu.

Také v našich bytech jsou všechny standardní zásuvky na stejné napětí 220 $ prostor V$. Většina výrobců zařízení vyrábí zařízení právě pro toto napětí.

Použití paralelního připojení ke stejnému okruhu je velmi výhodné, protože do něj mohou být zahrnuti různí spotřebitelé energie (obrázek 6).

Díky tomuto způsobu připojení, když zhasneme světla v našem bytě, nezhasneme je u našich sousedů. Jakékoli elektrické spotřebiče mohou fungovat bez ohledu na to, zda jsou jiné připojeny nebo odpojeny od sítě.

V praxi je to také často vidět smíšená sloučenina vodičů. V takových obvodech existuje jak sériový, tak paralelní typ připojení.

Ukázkový úkol

Osvětlovací síť místnosti obsahuje dvě elektrické lampy, jejichž odpory jsou rovné 200 $ vesmírných ohmů $ a 300 $ vesmírných ohmů $. Síťové napětí je 120 $ space V$. Určete proud v každé lampě, proud ve vodivých drátech (tedy proud před rozvětvením), celkový odpor sekce sestávající ze dvou lamp.

Předpokládá se, že lampy jsou připojeny k síti paralelně. Zapišme si podmínky problému a vyřešme jej.

Vzhledem k:
$R_1 = 200 prostorových ohmů $
$R_2 = 300 prostorových ohmů $
$U = 120 prostor В$

řešení:

Známe hodnotu odporu. Jak je to s napětím v této oblasti?
Protože jsou lampy zapojeny paralelně, napětí na každé se bude rovnat napětí v celém obvodu:
$U_1 = U_2 = U = 120 mezer v $
Potom můžeme vypočítat proud v každé lampě.

Síla proudu v první lampě:
$I_1 = frac$,
$I_1 = frac = 0.6 mezery A$.

Síla proudu ve druhé lampě:
$I_2 = frac$,
$I_2 = frac = 0.4 mezery A$.

Síla proudu před rozvětvením se bude rovnat součtu sil těchto dvou proudů v lampách:
$I = I_1 + I_2 $,
$I = 0.6 mezery A + 0.4 mezery A = 1 mezera A$.

Celkový odpor obvodu můžeme určit dvěma způsoby.

Metoda # 1
Použití Ohmova zákona pro část obvodu sestávající ze dvou paralelně zapojených lamp:
$I = frac$,
$R = frac$,
$R = frac = 120 prostorových ohmů $.

Metoda # 2
Použití vzorce pro výpočet odporu při paralelním připojení vodičů:
$frac = frac + frac$,
$frac = frac + frac = frac = frac$.

Při řešení tohoto problému jsme dbali na to, aby celkový odpor obvodu byl menší než odpor každého z paralelně zapojených vodičů: $R < R_1 < R_2$.

Odpověď: $I_1 = 0.6 mezery A$, $I_2 = 0.4 mezery A$, $I = 1 mezera A$, $R = 120 mezera Ohm$.

Cvičení

Cvičení č. 1

Dva vodiče s odporem $10 space Ohm$ a $15 space Ohm$ jsou zapojeny paralelně a připojeny k napětí $12 space V$. Určete proud v každém vodiči a proud před větví.

Vzhledem k:
$R_1 = 10 prostorových ohmů $
$R_2 = 15 prostorových ohmů $
$U = 12 prostor В$

Ukaž řešení a odpověz

řešení:

Napětí bude stejné v celém obvodu a na koncích každého ze dvou vodičů.

Napíšeme Ohmův zákon pro první vodič a vypočítáme v něm proudovou sílu:
$I_1 = frac$,
$I_1 = frac = 1.2 mezery A$.

Udělejme totéž pro druhý vodič:
$I_2 = frac$,
$I_2 = frac = 0.8 mezery A$.

Síla proudu před rozvětvením v obvodu se bude rovnat součtu sil proudu v každém vodiči:
$I = I_1 + I_2 $,
$I = 1.2 mezery A + 0.8 mezery A = 2 mezera A$.

Odpověď: $I_1 = 1.2 mezery А$, $I_2 = 0.8 mezery А$, $I = 2 mezery А$.

Cvičení č. 2

Proč musí být domácí spotřebiče v místnosti zapojeny paralelně?

Protože domácí spotřebiče jsou navrženy pro stejné napětí dodávané z městské sítě – 220 $ prostor V$. Při paralelním zapojení bude toto napětí ve všech částech obvodu stejné.

Paralelní připojení také umožňuje zapínat a vypínat zařízení nezávisle na sobě, což u sériového připojení není možné.

Cvičení č. 3

Tři spotřebiče s odpory $20 space Ohm$, $40 space Ohm$ a $24 space Ohm$ jsou zapojeny paralelně. Napětí na koncích této části obvodu je $24 prostor V$. Určete sílu proudu v každém spotřebiči, celkový proud v části obvodu a odpor části obvodu.

Vzhledem k:
$R_1 = 20 prostorových ohmů $
$R_2 = 40 prostorových ohmů $
$R_3 = 24 prostorových ohmů $
$U = 24 prostor В$

Ukaž řešení a odpověz

řešení:

Napětí na koncích této části obvodu se bude rovnat napětí na koncích každého spotřebiče, protože jsou zapojeny paralelně: $U_1 = U2 = U_3 = U = 24 mezera V$.

Pomocí Ohmova zákona pro úsek obvodu vypočítáme sílu proudu u každého spotřebiče elektřiny.

Pro prvního spotřebitele:
$I_1 = frac$,
$I_1 = frac = 1.2 mezery A$.

Pro druhého spotřebitele:
$I_2 = frac$,
$I_2 = frac = 0.6 mezery A$.

Pro třetího spotřebitele:
$I_3 = frac$,
$I_3 = frac = 1 mezery A$.

Síla proudu před rozvětvením v okruhu se bude rovnat součtu sil proudu v každém spotřebiteli elektřiny:
$I = I_1 + I_2 + I_3 $,
$I = 1.2 mezera A + 0.6 mezera A + 1 mezera A = 2.8 mezera A$.

Nyní použijeme Ohmův zákon, který představuje část obvodu se třemi spotřebiči jako jednu část obvodu:
$I = frac$,
$R = frac$,
$R = frac přibližně 8.6 prostorového ohm$.

Odpověď: $I_1 = 1.2 mezery A$, $I_2 = 0.6 mezery A$, $I_3 = 1 mezera A$, $I = 2.8 mezery A$, $R přibližně 8.6 mezery Ohm$.

Cvičení č. 4

Oba vodiče mají odpor rovný 5 $ prostorových ohmů $ a 500 $ prostorových ohmů $. Proč, když jsou tyto vodiče zapojeny do série, bude jejich celkový odpor větší než 500 $ prostorových ohmů $ a při paralelním zapojení méně než 5 $ prostorových ohmů $?

Když jsou vodiče zapojeny do série, celkový odpor obvodu se bude rovnat součtu odporů jeho jednotlivých vodičů.
Celkový odpor v sériovém zapojení:
$R = R_1 + R_2 = 5 prostor Ohm + 500 prostor Ohm = 505 prostor Ohm $.

Tato hodnota je skutečně vyšší než 500 $ vesmírných ohmů.

Při paralelním zapojení vypočítáme celkový odpor takto:
$frac = frac + frac$,
$frac = frac + frac = frac$,
$R = frakce = frakce přibližně 5 prostorových Ohmů.

Souhlaste s tím, že 5 $ vesmírných ohmů $ je mnohem méně než 500 $ vesmírných ohmů $.

Na tento problém se můžete podívat z druhé strany. Odpor se vypočítá pomocí vzorce $R = frac$. To přímo úměrné délce vodiče и nepřímo úměrné jeho průřezové ploše.

Při zapojování vodičů do série to můžeme říci délka vodiče se prodlužuje. Prostředek, zvyšuje se také odpor. Celkový odpor bude větší než odpor každého jednotlivého vodiče.

A s paralelním připojením zvětšuje se plocha průřezu. Prostředek, odpor se sníží. Ukazuje se, že celkový odpor takového obvodu bude menší než odpor každého z vodičů.

Cvičení č. 5

Obrázek 7 ukazuje schéma smíšeného zapojení vodičů, jejichž odpory jsou: $R_1 = 4 prostor Ohm$, $R_2 = 6 prostor Ohm$, $R_3 = 12 prostor Ohm$, $R_4 = 2 prostor Ohm$. Ampérmetr ukazuje aktuální sílu $1 mezera A$. Určete napětí mezi body B a C a proud v každém vodiči.

Vzhledem k:
$R_1 = 4 prostorových ohmů $
$R_2 = 6 prostorových ohmů $
$R_3 = 12 prostorových ohmů $
$R_4 = 2 prostorových ohmů $
$I_3 = 1 mezera A$

Ukaž řešení a odpověz

řešení:

Ampérmetr je zapojen do série s vodičem $R_3$. Ukazuje aktuální $I_3 = 1 mezera A$. To je aktuální síla po větvi.

Pomocí Ohmova zákona pro tento vodič vypočítáme napětí na jeho koncích:
$I_3 = frac$,
$U_3 = I_3R_3$,
$U_3 = 1 mezera A cdot 12 mezera Ohm = 12 mezera B$.

Protože vodiče $R_3$ a $R_2$ jsou zapojeny paralelně k obvodu, napětí na každém z těchto vodičů se bude rovnat napětí na části obvodu, která je obsahuje. Toto je napětí mezi body B a C:
$U = U_3 = 12 mezer v $.

Pomocí Ohmova zákona vypočítáme proudovou sílu na vodiči $R_2$:
$I_2 = frac$,
$I_2 = frac = 2 mezery A$.

Nyní můžeme vypočítat sílu proudu, než se rozvětví – na vodičích $R_1$ a $R_4$. V tomto případě $I_1 = I_4 = I$, protože tyto vodiče jsou v obvodu zapojeny do série. To znamená, že síla proudu v jakékoli části takového obvodu bude stejná. V našem případě na vodiči $R_1$ a $R_4$.

Vypočítejme tento proud pomocí hodnot získaných z paralelně připojených vodičů. Intenzita proudu před větvením se bude rovnat součtu intenzit proudu v každém vodiči po větvení:
$I = I_2 + I_3 $,
$I = 1 mezery A + 2 mezery A = 3 mezera A$.

Odpověď: $U = 12 mezera B$, $I_1 = I_4 = I = 3 mezera A$, $I_2 = 2 mezera A$, $I_3 = 1 mezera A$.

Proud v elektrickém obvodu prochází vodiči od zdroje napětí k zátěži, to znamená k lampám a zařízením. Ve většině případů se jako vodiče používají měděné dráty. Obvod může obsahovat několik prvků s různými odpory. V přístrojovém obvodu mohou být vodiče zapojeny paralelně nebo sériově a mohou existovat i smíšené typy.

Prvek obvodu s odporem se nazývá odpor; napětí tohoto prvku je rozdíl potenciálů mezi konci odporu. Paralelní a sériová elektrická spojení vodičů se vyznačují jediným principem činnosti, podle kterého proud teče z plusu do mínusu a podle toho klesá potenciál. V elektrických obvodech se odpor vedení bere jako 0, protože je zanedbatelně nízký.

Paralelní zapojení předpokládá, že prvky obvodu jsou připojeny ke zdroji paralelně a jsou současně zapnuty. Sériové zapojení znamená, že odporové vodiče jsou zapojeny v přísném pořadí jeden po druhém.

Při výpočtu se používá metoda idealizace, která značně zjednodušuje pochopení. Ve skutečnosti v elektrických obvodech potenciál postupně klesá, jak se pohybuje kabeláží a prvky, které jsou součástí paralelního nebo sériového zapojení.

Posledovatelnoe soedinenie provodnikov

Schéma sériového připojení znamená, že jsou zapínány v určitém pořadí, jeden po druhém. Navíc je aktuální síla ve všech stejná. Tyto prvky vytvářejí celkové napětí v oblasti. Náboje se nehromadí v uzlech elektrického obvodu, protože jinak by byla pozorována změna napětí a proudu. Při konstantním napětí je proud určen hodnotou odporu obvodu, takže v sériovém obvodu se odpor změní, pokud se změní jedna zátěž.

Nevýhodou tohoto schématu je skutečnost, že pokud jeden prvek selže, ostatní také ztratí schopnost fungovat, protože obvod je přerušený. Příkladem může být girlanda, která nefunguje, pokud jedna žárovka vyhoří. To je klíčový rozdíl oproti paralelnímu zapojení, ve kterém mohou prvky fungovat samostatně.

Čtěte také: Co je to rezistor a k čemu slouží?

Sekvenční obvod předpokládá, že díky jednoúrovňovému zapojení vodičů je jejich odpor v kterémkoli bodě sítě stejný. Celkový odpor je roven součtu úbytků napětí jednotlivých prvků sítě.

U tohoto typu připojení je začátek jednoho vodiče spojen s koncem druhého. Klíčovou vlastností zapojení je, že všechny vodiče jsou na jednom vodiči bez odboček a každým z nich protéká jeden elektrický proud. Celkové napětí se však rovná součtu napětí na každém z nich. Na zapojení se můžete podívat i z jiného pohledu – všechny vodiče jsou nahrazeny jedním ekvivalentním rezistorem a proud na něm se shoduje s celkovým proudem, který prochází všemi odpory. Ekvivalentní kumulativní napětí je součet hodnot napětí na každém rezistoru. Takto se objeví potenciální rozdíl na rezistoru.

Použití řetězového připojení je užitečné, když potřebujete konkrétně zapnout a vypnout konkrétní zařízení. Například elektrický zvonek může zazvonit pouze při připojení ke zdroji napětí a tlačítku. První pravidlo říká, že pokud není žádný proud alespoň na jednom z prvků obvodu, pak nebude žádný proud na zbytku. Pokud je tedy proud v jednom vodiči, je také v ostatních. Dalším příkladem může být baterka na baterie, která se rozsvítí pouze v případě, že je stisknuta baterie, funkční žárovka a tlačítko.

V některých případech není sekvenční obvod praktický. V bytě, kde se osvětlovací systém skládá z mnoha lamp, svícnů, lustrů, není třeba organizovat schéma tohoto typu, protože není nutné zapínat a vypínat osvětlení ve všech místnostech současně. Pro tento účel je lepší použít paralelní zapojení, aby bylo možné rozsvítit světlo v jednotlivých místnostech.

Paralelní připojení vodičů

V paralelním obvodu jsou vodiče sadou rezistorů, jejichž některé konce jsou sestaveny do jednoho uzlu a druhé konce do druhého uzlu. Předpokládá se, že napětí v paralelním typu zapojení je stejné ve všech částech obvodu. Paralelní úseky elektrického obvodu se nazývají větve a procházejí mezi dvěma spojovacími uzly, mají stejné napětí. Toto napětí se rovná hodnotě na každém vodiči. Součet inverzních ukazatelů odporů větví je také inverzní vzhledem k odporu jednotlivého úseku obvodu paralelního obvodu.

Pro paralelní a sériové zapojení je systém výpočtu odporu jednotlivých vodičů odlišný. V případě paralelního obvodu proud protéká větvemi, což zvyšuje vodivost obvodu a snižuje celkový odpor. Když je paralelně zapojeno několik rezistorů s podobnými hodnotami, celkový odpor takového elektrického obvodu bude menší než jeden rezistor, kolikrát se rovná počtu rezistorů v obvodu.

Každá větev má jeden rezistor a elektrický proud, když dosáhne bodu větvení, se dělí a rozbíhá se do každého rezistoru, jeho konečná hodnota je rovna součtu proudů na všech odporech. Všechny rezistory jsou nahrazeny jedním ekvivalentním rezistorem. Při použití Ohmova zákona se hodnota odporu vyjasní – v paralelním obvodu se sečtou hodnoty inverzní k odporům na rezistorech.

U tohoto obvodu je hodnota proudu nepřímo úměrná hodnotě odporu. Proudy v rezistorech nejsou vzájemně propojené, takže pokud je jeden z nich vypnutý, nijak to neovlivní ostatní. Z tohoto důvodu se tento obvod používá v mnoha zařízeních.

Při zvažování možností použití paralelního obvodu v každodenním životě je vhodné poznamenat systém osvětlení bytu. Všechny lampy a lustry musí být v tomto případě zapojeny paralelně, zapnutí a vypnutí jednoho z nich neovlivní činnost zbývajících lamp. Přidáním spínače pro každou žárovku ve větvi okruhu tedy můžete zapínat a vypínat odpovídající světlo podle potřeby. Všechny ostatní lampy fungují nezávisle.

Všechny elektrospotřebiče jsou zapojeny paralelně do elektrické sítě o napětí 220 V, následně jsou připojeny k rozvodnému panelu. To znamená, že všechna zařízení jsou připojena bez ohledu na připojení dalších zařízení.

Zákony sériového a paralelního zapojení vodičů

Pro detailní pochopení v praxi obou typů spojení uvádíme vzorce vysvětlující zákonitosti těchto typů spojení. Výpočty výkonu pro paralelní a sériové připojení jsou různé.

V sériovém obvodu je ve všech vodičích stejný proud:

Podle Ohmova zákona se tyto typy spojení vodičů v různých případech vysvětlují různě. Takže v případě sériového obvodu jsou napětí navzájem rovna:

Ul = IR1, U1 = IR2.

Celkové napětí se navíc rovná součtu napětí jednotlivých vodičů:

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

Celkový odpor elektrického obvodu se vypočítá jako součet činných odporů všech vodičů bez ohledu na jejich počet.

V případě paralelního obvodu je celkové napětí obvodu podobné napětí jednotlivých prvků:

A celková síla elektrického proudu se vypočítá jako součet proudů, které existují ve všech paralelně umístěných vodičích:

Pro zajištění maximální účinnosti elektrických sítí je nutné pochopit podstatu obou typů zapojení a účelně je aplikovat s využitím zákonitostí a propočtením racionality praktické realizace.

Smíšené připojení vodičů

Sériové a paralelní odporové obvody lze v případě potřeby kombinovat do jednoho elektrického obvodu. Například je možné připojit paralelní odpory v sériovém obvodu k jinému odporu nebo skupině odporů, tento typ je považován za kombinovaný nebo smíšený.

V tomto případě se celkový odpor vypočítá sečtením hodnot pro paralelní připojení v systému a pro sériové připojení. Nejprve je nutné vypočítat ekvivalentní odpory rezistorů v sériovém obvodu a poté prvky paralelního obvodu. Sériové připojení je považováno za prioritu a obvody tohoto kombinovaného typu se často používají v domácích spotřebičích a spotřebičích.

Takže zvážením typů připojení vodičů v elektrických obvodech a na základě zákonů jejich fungování můžete plně pochopit podstatu organizace obvodů většiny domácích elektrických spotřebičů. Pro paralelní a sériové zapojení je výpočet odporu a proudu odlišný. Znáte-li principy výpočtu a vzorců, můžete kompetentně použít každý typ organizace obvodu k optimálnímu a s maximální efektivitou připojení prvků.

Jak správně vypočítat rezistor pro LED?

Co je to rezistor a k čemu slouží?

Ohmův zákon: Formulace, vzorce, grafická interpretace a aplikace

Jak číst schémata elektrických obvodů: Tipy a triky pro začátečníky

Co je usměrňovač napětí a proč je potřeba: typické obvody usměrňovače

Způsoby vzájemného spojování elektrických vodičů