Zalety i wady szeregowych i równoległych obwodów elektrycznych (część I)

Łańcuch przedstawia się jako schemat łączonych przewodów, kabli, zacisków, złączy, które są częściami obwodu elektrycznego. Rozróżnia się połączenia szeregowe, równoległe i kombinowane.

Istota połączenia szeregowego

Prosta konstrukcja wygląda w następujący sposób: do źródła zasilania podłączona zostaje jedna żarówka, do niej – druga, następnie przewód łączy się z wyłącznikiem obwodu (kluczem) i pozostałym przewodem jest podłączany do akumulatora. Tak tworzy się łańcuch, w którym występowanie każdego elementu jest obowiązkowe. Jeśli coś przestaje działać, to reszta obwodu staje się nieaktywna.

 

Cechą charakterystyczną jest jednakowy prąd w każdym punkcie poboru energii. Jeśli napięcie jest stałe, wartość prądu jest korygowana przez zmianę oporu.

Rtotal = I= I= In

U = U1 + U2 + Un

U = I*R1 + I*R2 + I*Rn

W takim typie obwodu elektrycznego prąd pozostaje stały w dowolnym miejscu, a całkowity opór jest sumą wartości składników. Suma spadków napięcia zgodnie z prawem Ohma jest równa napięciu sieciowemu.

Dzielnik napięcia

W literaturze z zakresu radioelektroniki można znaleźć pojęcie dzielnika napięcia. Jest to zamknięty obwód elektryczny stworzony z dwóch lub większej ilości elementów.

Na takim prostym schemacie widać, że w obwodzie występują dwa rezystory. Umożliwia to znalezienie wartości prądu według następującego wzoru:

I = U : (R+ R2)

U2 = I*R2

I = U : (R1 + R2)

UR2 = U*R2 : (R1 + R2) – dla drugiego rezystora

UR1 = U*R1 : (R1 + R2) – dla pierwszego rezystora

Teraz udowodnimy, że napięcie w obwodzie równa się sumie spadków napięcia na obu rezystorach:

U = UR1 + UR2 = U*R1 : (R1 + R2) / U*R2 : (R1 + R2) = U* (R1 + R2) / (R1 + R2) = U

Zgodnie z prawem Kirchhoffa, w obwodzie szeregowym przy występowaniu zamkniętej pętli suma napięć będzie zerowa.

U = U1 + U2;

U – U1 – U2 = 0.

Przykładem obwodu szeregowego jest prosta świąteczna girlanda. Gdy tylko jeden element ulegnie przepaleniu, przepływ prądu przez przewody staje się niemożliwy i pozostałe żarówki się wyłączają.

Istota obwodu równoległego

W zamkniętym obwodzie żarówki są podłączone w taki sposób, aby ich końce i początki były odpowiednio połączone w jednym punkcie (fazie). Elektryczność będzie przepływać przez obwód różnymi ścieżkami. Liczba przewodników może wynosić od 1-2 do setek sztuk. Wartości napięć dla każdego elementu są równe, ale prąd będzie się różnić.

U = U1 = U2 = Un

I  = I+ I+ In

U = I*R1 + I*R2 + I*Rn

Według prawa Ohma: I = U : R

IR1 = U : R1, IR2 = U : R2, IR3 = U : R3

U / R = U / R1 + U / R2 + U / R3

Dzieląc wyrażenie przez U, otrzymujemy:

1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3

Wniosek: odwrotna wartość całkowitego oporu składa się z sumy odwrotnych wartości oporów każdego z przewodników.

Można przedstawić to wyrażenie inaczej. Uprośćmy, biorąc schemat z dwóch przewodników:

R = 1 : (1 / R + 1 / R2) = 1 : {(R2 + R1) / R1*R2} = R1*R/ R2 + R1.

W szczególnym przypadku, gdy opór każdego z pary przewodników jest równy, dochodzimy do takiego wzoru:

total = R1*R/ R2 + R1 = R2 / 2 = 0,5 R2,

oznacza to, że łączny opór dwóch przewodników w sieci o równych wartościach indywidualnych oporów jest równy połowie kwadratu wartości R.

Prawo Kirchhoffa dla obwodu równoległego wygląda inaczej niż dla obwodu szeregowego:

 I = I+ I+ In

I – I– I– In = 0

Suma wartości prądów w obwodzie wynosi 0.

Połączenie równoległe występuje częściej niż szeregowe. Przykładem może być dowolne pomieszczenie mieszkalne, w którym jest wiele urządzeń elektrycznych. Każde jest włączane w swoim trybie, można je wyłączyć, a sieć będzie nadal działać dla innych odbiorców energii. Na rysunku pokazano, że przewód zerowy, do którego są aktywowane obiekty, jest uziemiony. Faza łączy wszystkie wyłączniki w osobną linię.

Kombinowane połączenie przewodników w obwodzie

Składniki są połączone ze sobą w schemat równoległy, a do rezystora są podłączone szeregowo. Aby obliczyć całkowity opór według schematu, trzeba osobno określić wartości w różnych obwodach podłączeń. Pierwsze obliczenia są wykonywane w obwodzie szeregowym.

Obliczenie takich obwodów podlega drugiemu prawu Kirchhoffa. Mówi ono: gdy istnieje zamknięty obwód, suma generowanych SEM (siła elektromotoryczna) jest równa sumie spadków napięć.

Rozważając na przykładzie, otrzymujemy takie rozwiązanie:

E1-E2 = I*R1 + I*R2

Do obliczeń ważne jest wyznaczenie sumy algebraicznej, ponieważ różnokierunkowe SEM i prądy skierowane w przeciwnych kierunkach przy spadkach napięć mają różne znaki matematyczne.

E1-E2 – suma algebraiczna SEM

I*R1 + I*R2 – suma spadków napięć

E1-E= I*R1 + I*R2

I = (E1 – E2) / (R + R1 + R2)

Porównanie wyników w dwóch schematach modelowania obwodu

Następnie skupmy się na głównych różnicach między schematami elektrycznymi, stworzonymi z uwzględnieniem podstawowych schematów połączeń elementów.

Szeregowe

Zalety:

  • Schemat ma bardzo prostą konstrukcję: łatwo jest go opracować, a następnie wdrożyć w praktyce.
  • Można używać urządzeń, których napięcie jest niższe niż wartość nominalna napięcia sieciowego.
  • Na każde urządzenie działa taka sama siła prądu.
  • Umiarkowany koszt wyposażenia obwodu.

Wady:

  • Obniżenie napięcia przy zwiększeniu liczby podłączonych konsumentów energii.
  • Jeśli jedno z urządzeń w obwodzie się zepsuje, pozostałe również przestaną działać.

Równoległe

Zalety:

  • Podłączanie i odłączanie urządzeń nie wpływa na pozostałych odbiorców prądu w obwodzie.
  • Jeśli jakiś element obwodu nie działa, pozostałe nadal działają w dotychczasowym trybie.
  • Można podłączać urządzenia o różnym natężeniu prądu – napięcie będzie dostarczane stabilnie do wszystkich naraz.

Wady:

  • Zabronione jest podłączanie do sieci sprzętu, w którym wartość napięcia podczas pracy jest niższa niż sieciowa.
  • Opracowanie schematu będzie trwało dłużej, a jego realizacja w praktyce będzie kosztowniejsza.
  • Szeregowa opcja rozwiązania nadaje się do użycia przełączników i wyłączników. Stosuje się je w przypadku tworzenia obwodu z urządzeń o niskim napięciu roboczym. Na przykład, gdy trzeba zmniejszyć ogólną pojemność urządzeń, stosuje się połączenie szeregowe, które zmniejsza wartość o połowę.

Jak zainstalować przyrządy pomiarowe w tworzonym obwodzie?

Dość często trzeba dodać do eksperymentalnego obwodu urządzenia mierzące wartości: amperomierz do wyświetlania rzeczywistego pomiaru prądu i woltomierz do określenia wartości napięcia. Jak to zrobić poprawnie?
Amperomierz umieszcza się szeregowo w obwodzie z obciążeniem roboczym. Połączenie równoległe spowoduje uszkodzenie przyrządu pomiarowego. Wartość oporu powinna być bardzo mała, aby nie tworzyć zakłóceń dla urządzeń.
Sytuacja z woltomierzem jest inna. Przyrząd powinien mieć dużą wartość oporu. Wtedy można zignorować prąd, który zużywa urządzenie. Podczas podłączania umieszcza się go równolegle do źródła wytwarzającego elektryczność lub ją zużywającego.

Scroll to Top

Formularz zamówienia i pytań

* Pola oznaczone gwiazdką są obowiązkowe
Pola opcjonalne

Order and Question Form