Definice jednoduchého elektrického obvodu

Zvládnutí základů elektroniky znamená porozumění obvodům, jejich fungování a výpočtu prvků, jako je celkový odpor kolem různých typů obvodů. Obvody reálného světa se mohou komplikovat, ale můžete jim porozumět se základními znalostmi, které získáte z jednodušších idealizovaných obvodů.

Dva hlavní typy obvodů jsou sériové a paralelní. V sériovém obvodu jsou všechny komponenty (například rezistory) uspořádány do řady, přičemž obvod tvoří jediná smyčka drátu. Paralelní obvod se rozděluje na více cest s jednou nebo více komponentami na každé z nich. Výpočet sériových obvodů je snadný, ale je důležité porozumět rozdílům a způsobu práce s oběma typy.

Elektřina teče pouze v obvodech. Jinými slovy, aby něco fungovalo, potřebuje úplnou smyčku. Pokud tuto smyčku přerušíte vypínačem, přestane proudit proud a vaše světlo (například) zhasne. Jednoduchou definicí obvodu je uzavřená smyčka vodiče, kterou mohou procházet elektrony, obvykle sestávající z síly zdroj (baterie, například) a elektrická součást nebo zařízení (například odpor nebo žárovka) a vodivý vodič.

Abyste pochopili, jak obvody fungují, budete se muset seznámit s některými základními terminologiemi, ale budete znát většinu pojmů z každodenního života.

„Rozdíl napětí“ je termín pro rozdíl v elektrické potenciální energii mezi dvěma místy na jednotku nabití. Baterie fungují tak, že vytvářejí rozdíl v potenciálu mezi jejich dvěma svorkami, což umožňuje proudu protékat z jednoho do druhého, když jsou připojeny v obvodu. Potenciál v jednom bodě je technicky napětí, ale rozdíly v napětí jsou v praxi důležité. 5voltová baterie má potenciální rozdíl 5 voltů mezi oběma svorkami a 1 volt = 1 joule na coulomb.

Připojením vodiče (například drátu) k oběma svorkám baterie vytvoříte obvod, kolem kterého bude proudit elektrický proud. Proud se měří v ampérech, což znamená coulomby (náboje) za sekundu.

Každý vodič bude mít elektrický „odpor“, což znamená odpor materiálu vůči toku proudu. Odpor se měří v ohmech (Ω) a vodič s odporem 1 ohm připojený přes napětí 1 volt by umožnil protékat proud 1 ampér.

Vztah mezi nimi je vyjádřen Ohmovým zákonem:

Řečeno slovy „napětí se rovná proudu vynásobenému odporem.“

Dva hlavní typy obvodů se liší podle toho, jak jsou v nich uspořádány komponenty.

Jednoduchá definice sériového obvodu je: „Obvod s komponentami uspořádanými v přímce, takže postupně proudí všechny komponenty každou komponentou.“ Li vytvořili jste základní smyčkový obvod s baterií připojenou ke dvěma rezistorům a pak byste měli připojení zpět k baterii, dva odpory by byly v série. Proud by tedy šel z kladného pólu baterie (podle konvence zacházíte s proudem, jako by to bylo) vychází z kladného konce) na první rezistor, z toho na druhý rezistor a poté zpět na baterie.

Paralelní obvod je jiný. Obvod se dvěma rezistory paralelně by se rozdělil na dvě stopy, s odporem na každé. Když proud dosáhne spojení, stejné množství proudu, které vstupuje do spojení, musí také opustit spojení. Tomu se říká zachování poplatku, nebo konkrétně pro elektroniku, Kirchhoffův současný zákon. Pokud mají obě cesty stejný odpor, bude po nich proudit stejný proud, takže pokud 6 ampérů proudu dosáhne křižovatky se stejným odporem na obou drahách, budou po každé z nich proudit 3 ampéry. Cesty se poté znovu připojí, než se znovu připojí k baterii a dokončí obvod.

Výpočet celkového odporu z více rezistorů zdůrazňuje rozdíl mezi sérií vs. paralelní obvody. U sériového obvodu je celkový odpor (R​_celkový) je jen součet jednotlivých odporů, takže:

Skutečnost, že jde o sériový obvod, znamená, že celkový odpor na cestě je pouze součtem jednotlivých odporů na něm.

Pro praktický problém si představte sériový obvod se třemi odpory:R​₁ = 2 Ω, ​R​₂ = 4 Ω aR​₃ = 6 Ω. Vypočítejte celkový odpor v obvodu.

Jedná se jednoduše o součet jednotlivých odporů, takže řešení je:

Pro paralelní obvody výpočetR​_celkový je trochu komplikovanější. Vzorec je:

Nezapomeňte, že tento vzorec vám dává převrácenou hodnotu odporu (tj. Ten vydělený odporem). Musíte tedy jeden vydělit odpovědí, abyste získali celkový odpor.

Představte si, že tytéž tři rezistory z minulosti byly místo toho uspořádány paralelně. Celkový odpor by byl dán:

Ale tohle je 1 /R​_celkový, takže odpověď zní:

Všechny obvody můžete rozdělit na kombinace sériových a paralelních obvodů. Pobočka paralelního obvodu může mít tři komponenty v sérii a obvod může být složen ze série tří paralelních větvících se sekcí v řadě.

Řešení takovýchto problémů znamená pouze rozdělení obvodu na jednotlivé části a jejich postupné řešení. Zvažte jednoduchý příklad, kde jsou na paralelním obvodu tři větve, ale jedna z těchto větví má připojenou řadu tří rezistorů.

Trik k řešení problému spočívá v začlenění výpočtu sériového odporu do většího pro celý obvod. Pro paralelní obvod musíte použít výraz:

Ale první větev,R​₁, je ve skutečnosti vyroben ze tří různých rezistorů v sérii. Pokud se na to nejprve zaměříte, víte, že:

Představ si toR​₄ = 12 Ω, ​R​₅ = 5 Ω aR​₆ = 3 Ω. Celkový odpor je:

S tímto výsledkem pro první větev můžete přejít k hlavnímu problému. Řekněme to s jediným rezistorem na každé ze zbývajících cestR​₂ = 40 Ω aR​₃ = 10 Ω. Nyní můžete vypočítat:

To znamená:

Odpor je mnohem jednodušší vypočítat na sériovém obvodu než na paralelním obvodu, ale není tomu tak vždy. Rovnice pro kapacitu (C) v sériových a paralelních obvodech v zásadě fungují opačně. Pro sériový obvod máte rovnici pro převrácenou kapacitu, takže vypočítáte celkovou kapacitu (C​_celkový) s:

A pak musíte jednu rozdělit tímto výsledkem, abyste našliC​_celkový.

Pro paralelní obvod máte jednodušší rovnici:

Základní přístup k řešení problémů s řadou vs. paralelní obvody jsou stejné.