Существует три основных типа электрических цепей: последовательные, параллельные и комбинированные.
Понимание этих схемных конфигураций поможет вам в анализе цепей, и с помощью нескольких основных правил вы сможете легко рассчитать ток и напряжение каждого компонента. Итак, в этой статье давайте более подробно рассмотрим основы последовательной и параллельной цепей, сравним последовательное соединение с параллельным, а также перечислим некоторые области применения последовательной и параллельной цепей. В заключение рассмотрим особенности подключения электронагревателей последовательно или параллельно.
Простая цепь постоянного тока состоит из замкнутого пути, по которому течет постоянный ток. Простейшим источником постоянного тока является батарея, и если мы подключим небольшую лампу к клеммам батареи, то получится простая цепь постоянного тока. Но практические схемы состоят из большего количества компонентов, чем одна лампа.
Если цепь состоит из более чем одного компонента и если все они соединены встык так, что через них протекает один и тот же ток, то такая цепь называется последовательной цепью.
Если мы возьмем в качестве примера простейший электрический компонент, к примеру, резистор, то следующая схема показывает три резистора, соединенных последовательно с источником напряжения. В последовательной цепи ток может течь только одним путем.
Если V - напряжение питания, I - ток в цепи, R 1 , R 2 , R 3 - сопротивления, а V R1 , V R2 и V R3 - напряжения на соответствующих резисторах, то применяя закон Ома, получаем .
V R1 = I x R 1 , V R2 = I x R 2 и V R3 = I x R 3
V = V R1 + V R2 + V R3 = IR 1 + IR 2 + IR 3
Если R — полное сопротивление цепи, то V = IR и, следовательно,
IR = IR 1 + IR 2 + IR 3
R = R 1 + R 2 + R 3
Таким образом, общее сопротивление цепи последовательного резистора равно сумме сопротивлений отдельных элементов.
Из приведенного выше объяснения последовательной цепи вы, возможно, заметили интересный момент о напряжениях на отдельных резисторах. Давайте упростим это обсуждение, рассмотрев всего два последовательно соединенных резистора.
V = IR = V R1 + V R2 = IR 1 + IR 2
Если мы посчитаем напряжение на R 2 , то получим
V R2 = V * R 2 / (R 1 + R 2 )
Напряжение на резисторе R 2 является частью входного напряжения. Это известно как схема делителя напряжения или схема делителя потенциала.
Из предыдущей последовательной схемы, состоящей из трех резисторов, мы установили, что напряжение источника равно сумме напряжений на отдельных резисторах.
V = V R1 + V R2 + V R3
Преобразовывая это уравнение, мы получаем закон Кирхгофа о напряжении.
V – V R1 – V R2 – V R3 = 0
Согласно закону Кирхгофа о напряжении, алгебраическая сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю.
Одним из самых известных примеров применения последовательной цепи являются наши праздничные новогодние гирлянды. Во время Нового Года и других праздников мы украшаем наши дома разноцветными огнями, состоящими из нескольких последовательно соединенных лампочек.
Основная проблема с праздничными лампочками с последовательным соединением заключается в том, что даже если одна лампочка перегорает, это прерывает подачу тока, и вся гирлянда не загорается. Поэтому у многих есть целые пакеты неработающих гирлянд, которые можно вроде как и пройти тестером по каждой лампочке и устранить неисправность простой скруткой проводков, но все руки не доходят и проще купить новую.
В последовательной цепи есть только один путь для протекания тока. При переходе к параллельной цепи будет более одного пути для протекания тока. Если еще раз взять три резистора, то на следующих изображениях показаны разные конфигурации нескольких элементов схемы, соединенных параллельно.
Схемы на изображении выше могут выглядеть по-разному, но на самом деле они одинаковы. Если присмотреться, то один конец всех элементов схемы (в данном случае резисторов) общий, а другой конец тоже. Итак, параллельная цепь из двух элементов состоит из двух общих точек.
Чтобы больше понять о параллельных цепях, рассмотрим следующую схему, в которой у нас есть три резистора, подключенных параллельно к источнику напряжения. Поскольку все три резистора подключены к источнику напряжения, напряжение на всех резисторах одинаково.
I = I R1 + I R2 + I R3
Применяя закон Ома , получаем I R1 = V / R 1 , I R2 = V / R 2 и I R3 = V / R 3
Если R - полное сопротивление цепи, I = V / R. Используя все это в приведенном выше уравнении, мы получаем
V / R = V / R 1 + V / R 2 + V / R 3
Итак, 1/R = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3
Для параллельно соединенных резисторов обратная величина полного сопротивления равна сумме обратных величин отдельных сопротивлений.
Из приведенного выше обсуждения мы имеем общий ток в цепи как сумму отдельных токов в соответствующих резисторах.
Мы можем изменить приведенное выше уравнение и получить закон тока Кирхгофа.
I – I R1 – I R2 – I R3 = 0
Согласно закону токов Кирхгофа, алгебраическая сумма токов, входящих в узел и выходящих из узла, равна нулю.
Точно так же, как последовательная цепь резисторов может быть сконфигурирована как цепь делителя напряжения, параллельная цепь резисторов может привести к цепи делителя тока.
Хотя делитель напряжения довольно популярен, использование делителя тока зависит от сферы применения.
Важным примером применения параллельной схемы является наша домашняя электропроводка. Базовая проводка во всех домах на самом деле является параллельной конфигурацией. Таким образом, все параллельные ветви получают полные 120 В (или 240 В), а ток зависит от нагрузки.
Даже если возникает проблема/неисправность в одной параллельной ветви или цепи, затрагиваются только приборы или устройства, подключенные к этой цепи, в то время как остальные ветви работают нормально.
В следующей таблице показано простое сравнение последовательных и параллельных цепей.
Последовательная цепь
Параллельная цепь
В последовательной цепи через все элементы протекает одинаковый ток.
В параллельной цепи ток может иметь более одного пути.
Все компоненты соединены встык, имея только одну общую точку между компонентами.
Один конец всех компонентов в параллели соединен с общей точкой, а другой конец с другой общей точкой. Итак, параллельная цепь имеет две общие точки.
Напряжение на компонентах неодинаково и зависит от индивидуального сопротивления.
Напряжение на всех компонентах в параллельной цепи одинаково и равно напряжению питания.
Если в последовательной цепи выходит из строя один компонент, то вся цепь перестает функционировать, поскольку существует только один путь тока.
Даже если одна из параллельных ветвей выходит из строя, остальные ветки продолжают нормально работать.
Ток одинаков во всех компонентах, а сумма отдельных напряжений равна напряжению питания.
Напряжение одинаково для всех компонентов, включенных параллельно, а сумма отдельных токов равна общему току в цепи.
Если у нас есть три последовательно соединенных резистора, то эквивалентное сопротивление представляет собой сумму отдельных сопротивлений (R = R 1 + R 2 + R 3 ).
Если мы соединили три резистора параллельно, то инверсия эквивалентного сопротивления равна сумме инверсий отдельных сопротивлений (1/R = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 )
Давайте разберемся, как же правильно подключать электронагреватели к сети питания: параллельно или последовательно? Как мы уже выяснили раньше, отказ хотя бы одного элемента при последовательном соединении приводит к отказу всей ветви цепи. Поэтому параллельно можно подключить большое количество нагревателей, но при последовательном обычно используют не больше 2-3 ТЭНов. При этом, если нужно подключить ТЭНы последовательно, они обязательно должны быть одинаковой мощности, чтобы получать одинаковое напряжение. Например, можно последовательно подключить два нагревателя, рассчитанные на 240 В к источнику питания 480 В. При параллельном соединении источник питания должен совпадать с номинальным напряжением нагревателя.
Параллельное подключение нагревателей
Последовательное подключение нагревателей
На каждый ТЭН будет подаваться одинаковое напряжение
Для одинаковых ТЭНов напряжение будет рассчитываться по формуле Uобщ/количество ТЭНов
Общая мощность нагревателей = сумма мощностей всех ТЭНов
Общая мощность нагревателей = Мощность одного ТЭНа / количество нагревателей
Поломка одного ТЭНа снизит мощность системы, но не повлияет на работу в целом
Поломка даже одного нагревателя приведет полностью к отказу всей цепи
Частой причиной того, что нагреватели подключают последовательно, не смотря на все недостатки этого метода, заключается в том, что в наличии имеются ТЭНы, не рассчитанные на напряжение источника питания и таким способом нужно уменьшить напряжение, подаваемое на ТЭН. Но помните, что последовательно можно подключать только одинаковые нагреватели, чтобы напряжение между ними делилось равномерно.
Но все же рекомендуем вам выбирать или изготавливать на заказ нагревательные элементы, которые максимально будет подходить для вашей системы и источника питания, чтобы не пришлось подключать их последовательно только из-за несоответствия параметров.
Серийные и параллельные цепи являются двумя основными формами электрических цепей. Четкое понимание этих двух схем поможет вам легко проанализировать любую сложную схему. Мы изучили основы последовательной цепи, параллельной цепи, сравнили серию и параллельную цепь, а также некоторые примеры их применения и подробно рассмотрели применение последовательного и параллельного соединения для подключения нагревателей.
Остались вопросы? Задайте их нам по телефону или по электронной почте. Наши специалисты ответят на все и помогут с подбором нагревательных элементов. Компания ТЕРМОЭЛЕМЕНТ производит промышленные нагреватели и материалы к системам нагрева.
Возврат к списку
