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 = I1 = I2 = 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 : (R1 + 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 = I1 + I2 + 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 / R1 + 1 / R2) = 1 : {(R2 + R1) / R1*R2} = R1*R2 / R2 + R1.
W szczególnym przypadku, gdy opór każdego z pary przewodników jest równy, dochodzimy do takiego wzoru:
R total = R1*R2 / 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 = I1 + I2 + In
I – I1 – I2 – 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-E2 = 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.