Параллельное и последовательное соединение


Два важнейших понятия в любой схеме это напряжение и ток, которые измеряются во времени, так как в противном случае их измерение не представляет интереса для понимания работы схемы.

Напряжение — (U или реже E) это разность потенциалов между двумя точками или энергия (работа) затраченная на перемещение положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом. Измеряется в вольтах.

1 В *1000 = КилоВольт
1В * 0.001 = МиллиВольт
1В * 0.000001 = МикроВольт

Ток (I) - скорость перемещение электрического заряда в точке, измеряется в Амперах (А) и обычно встречается в пределах микро(10-6) или милли(10-3), реже встречается наноампер(10-9) и пикоампер(10-12).

Напряжение измеряется между двумя точками в схеме, а ток протекает через точку или элемент схемы

Часто можно слышать, как говорят напряжение в реле или на симисторе, т. е. в точке схемы, теоретически так говорить не правильно, но на практике все понимают, что имеется ввиду напряжение между элементом и «землей» (точка схемы с известным для всех потенциалом)

https://alexragulin.ru/img/lesson/bc/bcab24a44582b22445632e38507ac05620210215163129.jpg

Физика это в целом наука о допущениях, т. е. для одних напряжений и токов длина проводов и их влияние друг на друга упускается, как незначительное, в других же наших примерах является очень важным элементом, который невозможно не учесть.

Токи втекающие в точку равны токам вытекающих из ее и это называется закон Кирхгофа для токов. Из этого следует, что в последовательно цепи ток во всех точках одинаковый, а в параллельной складывается из сумм токов всех участков цепи. Для простоты понимания представим водопровод и будем считать сколько мы наберем ведер воды из наполовину открытого крана, предположим что ведро мы набираем за 5 минут, если после этого крана нарастить трубу и поставить еще один кран открытый на половину, то мы так же наберем ведро за 5 минут, но если мы поставим два крана параллельно и будем набирать в два ведра, то за 2.5 минуты у нас будет две половины или 1 одно целое ведро.

При параллельном соединение напряжение одинаково на каждом из элементов или как гласит закон Кирхгофа для напряжений сумма падений напряжений в замкнутом контуре схемы равна 0.

U*I=P (Мощность)

Мощность это работа совершенная за единице времени. Мощность может как рассеваться (нагрев), так и накапливаться(АКБ). Современный пример рассеянной мощности является компьютер, где часть потраченной энергии переходит в тепловую и если для ноутбука это не принципиально и не значительно, то для современных серверов с сайтами система отведение тепла или охлаждения, является одной из важнейших.

Между Током и Напряжением всегда есть зависимость и существует очень много элементов схем обладающих определенными характеристиками относительно этой зависимости, так например

-Резистор (ток прямо пропорционален напряжению)
-Конденсатор (ток пропорционален скорости изменения напряжения)
-Диод (Ток протекает только в одном направлении)
-Термистор (Сопротивление зависит от температуры)
-Тензорезистор (Сопротивление зависит от деформации)

Любые провода или проводники в схеме обладают сопротивлением, но при разработке или проектирование инженеры подбирают такое их сечение, чтобы для токов этой схемы сопротивление их было настолько незначительно, что можно было им пренебречь. Так для зажигания светодиода где ток 0.02А, а напряжение 5V достаточно очень тонких проводников, в тоже время если поднять напряжение до 220 вольт, а силу тока до 20 ампер, то провода попросту не выдержат такого тока и расплавятся, а для схемы это будет существенное сопротивление.

R = U / I

Сопротивление измеряется в Омах и чаще всего встречается от 1 Ом до 20 МОм (20 000 000 Ом), часто называют резисторы сопротивлением, но сопротивление это характеристика резистора, поэтому так говорить не совсем корректно, это как называть все автомобиль дизелями или мерседесами. Второй наиболее важный параметр резистора это мощность, которую он способен рассеивать, наиболее частое значение ¼ Ватт или 0.25 W, но по мимо этого у резисторов есть такие величины как

-Допуск
-Температурный коэффициент
-Уровень шума
-Коэффициент напряжения
-Стабильность во времени
-Индуктивность
и т. д.

Резисторы применяются для преобразования напряжения в ток и обратно

При последовательном соединении резисторов их сопротивление равно сумме, а при параллельном соединение резисторов их общее сопротивление всегда меньше чем сопротивление любого из резисторов. Так например если взять классическую московскую пробку, то пропускная способность дороги складывается из основной части, обочины и прилегающей дворовой территории, если во дворе поставить шлагбаум, а по обочине сделать ограждение, то напряжение водителей на этом участке вырастет, ведь ехать они станут медленнее.

Последовательно R=R1+R2
Параллельно R=1/(1/R1+1/R2)

У большинства элементов схем есть вход и выход, чаще всего на вход подается напряжение и на выходе мы тоже снимаем его же. Так например усилитель звука получает на свой вход маленькое напряжение, а на выходе у него напряжение той же формы, но существенно выше значением. Значительную роль во многих схемах играет делитель напряжения, по сути это анти-усилитель изображенный на рисунке.

https://alexragulin.ru/img/lesson/c9/c989302ac786f7f35b4e0ca33ca6e6ab20210215163045.jpg

Простейший делитель напряжения состоит из двух резисторов и как мы знаем, сила тока равна входному напряжения, поделенному на общее сопротивление I = Uвх./(R1+R2) Если же на интересно выходное напряжение, то мы берем тот же ток, ведь у нас последовательное соединение и он на всех участках цепи одинаков и делим на сопротивление этой цепи или R2,

Uвых.=Uвх. R2 / (R1+R2)

Два ключевых понятия о которых мы говорим это Напряжение и ТОК, у которых есть свои источники, простым примером источника напряжения является батарейка, которая обеспечивает напряжение 1.5 Вольт, имея внутренне сопротивление 0.25 Ом и запас энергии примерно 10 000 Вт*с, по мере эксплуатации характеристики эти ухудшаются и напряжение становится ниже 1 вольта, а внутреннее сопротивление увеличивается до 2-3 Ом.
По мимо источника напряжения, есть и понятие источник тока, которое при идеальных раскладах является «черным ящиком» с двумя выводами поддерживающий между ними постоянный ток не зависимо от величины сопротивления нагрузки и напряжения. Источник тока предпочитает нагрузку в виде замкнутой цепи, в отличие от источника напряжения, который предпочитает разомкнутую цепь.

https://alexragulin.ru/img/lesson/7e/7ede6d4f33bd3127fcbc78614e7edb4f20210215163130.jpg

Если у нас много источников напряжения и много резисторов, то согласно теории эквивалентности их можно заменить на эквивалентный источник напряжения и эквивалентный резистор, см. рисунок
Эквивалентное сопротивление или сопротивление источника или внутреннее сопротивление должно быть всегда существенно ниже нагрузки, чтобы не рассеивалась значительная мощность и не требовались большие токи.

Комментарии и вопросы