Переваги та недоліки послідовних та паралельних електричних кіл

Ланцюг являє собою креслення з'єднувальних проводів, кабелів, затискачів, роз'ємів, які є частинами електричного ланцюга. Розрізняють послідовні, паралельні, комбіновані сполуки.

Сутність послідовного ланцюга

Проста конструкція виглядає так: до джерела живлення підключають одну лампу, до неї – другу, потім провід з'єднують з розмикачем ланцюга (ключом) і проводом, що залишився, приєднують до акумулятора. Утворюється ланцюжок складових, де кожен елемент є обов'язковим. А якщо щось перестає працювати, то й решта ланцюга стає неактивною.

Особливостями є однакова сила струму в кожній точці споживання енергії. Якщо напруга стала, то значення струму коригується зміною опору.

I_заг = I₁ = I₂ = I_n

U = U₁ + U₂ + U_n

U = I*R₁ + I*R₂ + I*R_n

При такому типі електричного ланцюга струм залишається постійним на будь-якій ділянці, а загальний опір є сумою значень складових компонентів. Сума падінь напруги відповідно до закону Ома дорівнює мережевому напрузі.

Дільник напруги

У літературі з радіоелектроніки можна зустріти таке поняття, як «дільник напруги». Він є створеним з 2-х і більше елементів замкнутим електричним контуром.

На такій простій схемі видно, що в ланцюзі 2 резистори. Тому значення струму можна знайти за такою формулою:

I = U : (R₁+R₂)

U₂ = I*R₂

I = U : (R₁ + R₂)

U_R2 = U*R₂ : (R₁ + R_{2< /sub>) – для другого резистора}

U_R1 = U*R₁ : (R₁ + R_{2< /sub>) – для першого резистора}

Тепер доведемо, що напруга в ланцюзі дорівнює сумі падінь напруги на обох резисторах:

U = U_R1 + U_R2 = U*R₁ : (R₁ + R< sub>2) / U*R₂ : (R₁ + R₂) = U* (R ₁ + R₂) / (R₁ + R₂) = U

За законом Кірхгофа, у послідовному ланцюзі за наявності замкнутого контуру сума напруг буде нульовою.

U = U1 + U2;

U - U1 - U2 = 0.

Приклад послідовного ланцюга – проста ялинкова гірлянда. Як тільки один елемент перегорає, проходження струму по проводах стає неможливим і інші лампочки відключаються.

Сутність паралельного ланцюга

У замкнутому контурі лампи провідники підключені таким чином, щоб кінці та початки були відповідно з'єднані в одній точці (фазі). Електрика проходитиме по ланцюгу різними шляхами. Кількість провідників може бути від 1-2 штук до сотень одиниць. Значення напруги для кожного елемента рівні, але струм буде відрізнятися.

U = U₁ = U₂ = U_n

I_заг= I₁ + I₂ + I_n

U = I*R₁ + I*R₂ + I*R_n

За законом Ома: I = U : R

I_R1 = U: R₁, I_R2 = U: R_2, I_R3 = U : R₃

U / R = U / R₁ + U / R₂ + U / R₃

Поділивши вираз на U, отримаємо:

1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / R₃

Робимо висновок: зворотне значення загального опору складається із суми зворотних значень опорів кожного з провідників.

Це вираз можна уявити інакше. Спростимо, взявши схему з 2-х провідників:

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

У окремому випадку, коли опір кожного з пари провідників дорівнює, приходимо в такій формулі:

R _заг = R₁*R₂ / R₂ + R_{1 = < /sub>R² / 2 = 0,5 R²,}

тобто, загальний опір двох провідників у мережі з рівними значеннями індивідуальних опорів дорівнює половині від квадрата значення R.

Закон Кірхгофа для паралельного ланцюга виглядає інакше, ніж для послідовного:

 I = I₁+I₂+I_n

I - I₁ - I₂ - I_n = 0

Сумарне значення струмів у ланцюзі дорівнює нулю.

Паралельна сполука зустрічається частіше, ніж послідовна. Прикладом може бути будь-яке житлове приміщення, де безліч електроприладів. Вони включаються кожен у своєму режимі, їх можна вимикати, а мережа продовжуватиме працювати для інших споживачів енергії. На малюнку показано, що нульовий провід, до якого активуються об'єкти, заземлений. А фаза поєднує в окрему лінію всі вимикачі.

Комбіноване з'єднання провідників у ланцюгу

Складники між собою об'єднані в паралельну схему, а до резистора підключені послідовно. Щоб підрахувати загальний опір за схемою, треба окремо визначити значення різних контурів підключень. Першими підрахунки робляться у послідовному ланцюзі.

Розрахунок подібних кіл підпорядковується другому закону Кірхгофа. Він говорить: коли є замкнутий контур, сума формованих ЕРС за значенням дорівнює сумі падінь напруги.

Якщо розглядати на прикладі, то отримуємо таке рішення:

E₁-E₂ = I*R₁ + I*R₂

Для розрахунку важливо обчислювати алгебраїчну суму, тому що у зі-спрямованих ЕРС і спрямованих у протилежні сторони струмів при падінні напруг є різні математичні знаки.

E₁-E₂ – алгебраїчна сума ЕРС

I*R₁ + I*R₂ – сума падінь напруги.

E₁-E₂ = I*R₁ + I*R₂

I = (E₁ – E₂) / (R + R₁ + R₂ )

Порівняння результатів за двох схем моделювання ланцюга

Давайте подивимося на основні відмінності електричних схем, зібраних з урахуванням основних схем з'єднань елементів.

Послідовне

Переваги

• Схема має дуже простий конструктив: легко креслиться, швидко збирається.
• Допускається використовувати прилади, напруга яких нижче значення номінального мережного потенціалу.
• На кожен пристрій впливає однакова сила струму.
• Помірна вартість комплектації контуру.

Недоліки

• Зниження напруги при збільшенні споживачів енергії, що підключаються.
• Якщо один із приладів у контурі зламається, решта теж не працюватиме.

Паралельне

Переваги

• Підключення та вимкнення пристроїв не впливає на інших споживачів струму в ланцюгу.
• Якщо елемент контуру не працює, інші продовжують функціонувати в попередньому режимі.
• Можна підключати прилади з різною силою струму – вольтаж подаватиметься стабільно всім відразу.

Недоліки

• Заборонено приєднувати в мережу обладнання, в якому значення напруги під час роботи нижче мережного.
• · Складання схеми проектуватиметься довше, а реалізація її на практиці обійдеться дорожче.

Послідовний варіант рішення підходить для використання тумблерів та вимикачів. Він застосовується у разі створення контуру з пристроїв, що мають низьку робочу напругу. Коли потрібно, наприклад, знизити загальну ємність приладів, застосовується послідовне з'єднання, що зменшує значення наполовину.

Як встановити у створюваний ланцюг вимірювальні прилади

Доволі часто потрібно в експериментальний контур додати вимірювальні значення пристрою: амперметр для відображення фактичного вимірювання струму та вольтметр для визначення значення напруги. Як це правильно зробити?

Послідовно в контур з робочим навантаженням розміщують амперметр. Паралельне включення призведе до поломки вимірювального приладу. Значення опору має бути дуже маленьким, щоб не створювати перешкод для пристроїв.

З вольтметром інша ситуація. У приладі має бути велике значення опору. Тоді можна не зважати на струм, який витрачається пристроєм. При підключенні він розташовується паралельно до того, що продукує електрику або споживає її.

Кілька прикладів для застосування послідовного та паралельного з'єднань

1. Лампочки розжарювання

Візьмемо 2 лампочки з ниткою розжарювання та потужністю 100 В кожна, зберемо послідовний ланцюг, створивши з одним із проводів скручування. Решту пари проводом підключимо на фазу і на нуль. У результаті струм через скручування активує другу лампочку, а далі «упирається в нуль».

Такий варіант розділить напругу навпіл. Для свічення кожної лампи буде використовуватися ≈ 110 В. І потужність у них на 50% зменшиться. У випадку, коли взято 2 лампочки з різною потужністю, напруга на кожній одиниці, що приймає, буде відрізнятися за значеннями. Застосовується в ялинкових гірляндах, освітленні під'їзду

У разі паралельного з'єднання лам їх сумарна потужність буде 200 Вт. Цей варіант підходить для люстр, світильників.

2. Батарейки

Акумуляторні елементи живлення з'єднуються послідовно, паралельно або за суміщеним способом.

- Послідовне підключення створює сумарний вольтаж. Загальний обсяг батарей визначається ємністю найслабшого компонента. Бажано використовувати батарейки з рівними значеннями ємності, щоб уникнути швидкої поломки приладу.

- Паралельне підключення має місце для формування акумулятора зі збільшеним значенням зарядів, що протікають провідником. Загальна ємність визначається додаванням окремих значень ємностей батарейок. Напруга буде однаковою на всіх ділянках. У паралельну електричну схему небажано поміщати акумулятори з різними значеннями напруги, ємності. Це призведе до перетікання струму від більш «сильного» компонента до більш «слабкого». Підсумком стає появи в мережі короткого замикання. Потрібно перевіряти, який струм утворюється на вході і як він змінюється в мережі.

- Поєднання перших двох видів. Застосовується для того, щоб використовувати найкращі характеристики кожного виду, а саме сумарну напругу та ємність. Комбінований пристрій вдається зробити двома способами:

* збирання потрібної кількості послідовно з'єднаних батарейок, які потім формують у великий комплект енергетичного потенціалу, використовуючи паралельне підключення;

• наголошують на створенні АКБ з паралельним підключенням елементів. Після досягнення потрібної ємності складові об'єднують у єдиний контур послідовним складанням.

3. Електронагрівачі

Ця тема має велике значення у промисловому аспекті. Коли йдеться про 2-3 нагрівачі, вибирають схему послідовного підключення. Потрібно, щоб вони мали однаковий вольтаж на формування рівної потужності. А при паралельному з'єднанні його вольтаж повинен відповідати і дорівнювати номінальному значенню аналогічного показника мережі.

Уявимо собі підприємство, де відбувається виготовлення виробів із пластмаси. На одну форму потрібно кілька десятків трубчастих нагрівачів, що працюють в єдиному тепловому режимі. Важливо, щоб сумарна напруга, що формується певною кількістю елементів, не перевищувала показники струму, що подається. Що робити, якщо вольтаж мережі не підходить до показників ТЕНів? Використовують послідовне з'єднання провідників у ланцюзі. Щоб U рівномірно розподілився між усіма термічними компонентами, слід монтувати лише однакові нагрівачі.

Виробнича компанія «Інтмакс» радить не ризикувати, підбираючи нагрівачі, а замовити їх потрібні параметри, щоб гарантовано забезпечити роботу технологічної лінії. І тоді можна буде вибрати ту систему організації підключення, яка буде більш вигідною в економічному плані та з позиції довговічності експлуатації ТЕНів. Пам'ятайте, що нагрівачі, підключені до послідовного складання електроланцюга, повинні працювати всі. Якщо хоч один із них вийде з ладу, решта також припинить нагрівати форму зі вмістом. Більш стабільною є комбінована модель, в якій задіяно послідовне та паралельне з'єднання провідників струму.

Розглянемо, які 2 закони діють під час роботи ТЕНів.

1. У виробах, що гріють, не визначають, де позитивні, а де негативні полюси. Робочим компонентом нагрівачів є фехралевий або ніхромовий сплав, що має високий показник резистивності по всій довжині.
2. Опір залежить від потужності та номінальної напруги. Якщо перевищити допустиму напругу, то почнуться проблеми з мережею, з тенами і це призведе до небезпечних ситуацій на виробництві. Тому потрібно застосовувати лише нагрівачі з номінальною напругою, допустимою для створеного електричного контуру.

На виробництві використовується трифазна мережа. При виборі схеми «зірка» один кінець ТЕНів приєднують до загальної канальної гілки, а другий – до окремої клеми. Між нульовим проводом та фазою напруга стабільна. До кожної галузі допускається приєднати кілька нагрівачів послідовно або паралельно. Лінійний струм та фазний однакові. Підходить для мережі в 220 В та 380 В.

Схема «трикутник» заснована на поетапному підключенні відповідних висновків встик. Утворюється 3 окремі плечі зі своїми фазами. Відсутність нейтральної точки формує збіг лінійної та фазної напруги. Ця схема використовується лише для 380-вольтної мережі.4

Вибір схеми підключення визначає подальші параметри використання провідників. Точне знання особливостей схем підключення та законів фізики допомагає не помилитися у типі формування контуру.