Definition einer einfachen elektrischen Reihenschaltung

Sich mit den Grundlagen der Elektronik zu befassen, bedeutet, Schaltungen zu verstehen, wie sie funktionieren und wie man Dinge wie den Gesamtwiderstand um verschiedene Arten von Schaltungen berechnet. Reale Schaltungen können kompliziert werden, aber Sie können sie mit dem Grundwissen verstehen, das Sie von einfacheren, idealisierten Schaltungen erhalten.

Die beiden Haupttypen von Schaltungen sind Reihen- und Parallelschaltungen. In einer Reihenschaltung sind alle Komponenten (z. B. Widerstände) in einer Linie angeordnet, wobei eine einzige Drahtschleife die Schaltung bildet. Eine Parallelschaltung teilt sich in mehrere Pfade mit jeweils einer oder mehreren Komponenten auf. Die Berechnung von Reihenschaltungen ist einfach, aber es ist wichtig, die Unterschiede zu verstehen und mit beiden Typen zu arbeiten.

Strom fließt nur in Kreisläufen. Mit anderen Worten, es braucht eine vollständige Schleife, damit etwas funktioniert. Wenn Sie diese Schleife mit einem Schalter unterbrechen, hört der Strom auf und Ihr Licht (zum Beispiel) wird ausgeschaltet. Eine einfache Schaltungsdefinition ist eine geschlossene Schleife eines Leiters, in der sich Elektronen bewegen können, normalerweise bestehend aus einer Leistung Quelle (zum Beispiel eine Batterie) und ein elektrisches Bauteil oder Gerät (wie ein Widerstand oder eine Glühbirne) und ein leitendes Kabel.

Um die Funktionsweise von Schaltungen zu verstehen, müssen Sie sich mit einigen grundlegenden Begriffen vertraut machen, aber Sie werden mit den meisten Begriffen aus dem täglichen Leben vertraut sein.

Eine „Spannungsdifferenz“ ist ein Begriff für die Differenz der elektrischen potentiellen Energie zwischen zwei Orten pro Ladungseinheit. Batterien funktionieren, indem sie zwischen ihren beiden Anschlüssen einen Potenzialunterschied erzeugen, der es ermöglicht, dass ein Strom von einem zum anderen fließt, wenn sie in einem Stromkreis verbunden sind. Das Potential an einem Punkt ist technisch gesehen die Spannung, aber Spannungsunterschiede sind in der Praxis das Wichtigste. Eine 5-Volt-Batterie hat eine Potentialdifferenz von 5 Volt zwischen den beiden Anschlüssen und 1 Volt = 1 Joule pro Coulomb.

Das Anschließen eines Leiters (z. B. eines Drahts) an beide Pole einer Batterie erzeugt einen Stromkreis, um den herum ein elektrischer Strom fließt. Der Strom wird in Ampere gemessen, was Coulomb (kostenlos) pro Sekunde bedeutet.

Jeder Leiter hat einen elektrischen „Widerstand“, was bedeutet, dass das Material dem Stromfluss entgegensteht. Der Widerstand wird in Ohm (Ω) gemessen, und ein Leiter mit einem Widerstand von 1 Ohm, der über eine Spannung von 1 Volt angeschlossen wird, würde einen Strom von 1 Ampere fließen lassen.

Die Beziehung zwischen diesen wird durch das Ohmsche Gesetz gekapselt:

In Worten: „Spannung ist gleich Strom multipliziert mit Widerstand“.

Die beiden Haupttypen von Schaltungen unterscheiden sich darin, wie die Komponenten darin angeordnet sind.

Eine einfache Reihenschaltungsdefinition lautet: „Eine Schaltung, bei der die Komponenten in einer geraden Linie angeordnet sind, sodass der gesamte Strom der Reihe nach durch jede Komponente fließt.“ Wenn Sie haben eine grundlegende Schleifenschaltung mit einer an zwei Widerstände angeschlossenen Batterie erstellt und dann eine Verbindung zur Batterie zurückgeführt, die beiden Widerstände wären in, Serie. Der Strom würde also vom Pluspol der Batterie abfließen (konventionell behandeln Sie Strom so, als ob er tritt am positiven Ende aus) zum ersten Widerstand, von diesem zum zweiten Widerstand und dann zurück zum Batterie.

Anders sieht es bei einer Parallelschaltung aus. Eine Schaltung mit zwei parallel geschalteten Widerständen würde sich in zwei Spuren mit jeweils einem Widerstand aufteilen. Wenn der Strom eine Verbindung erreicht, muss die gleiche Strommenge, die in die Verbindung eindringt, auch die Verbindung verlassen. Dies nennt man Ladungserhaltung oder speziell für die Elektronik das aktuelle Kirchhoffsche Gesetz. Wenn die beiden Pfade den gleichen Widerstand haben, fließt ein gleicher Strom durch sie. Wenn also 6 Ampere Strom eine Verbindung mit gleichem Widerstand auf beiden Pfaden erreicht, fließen 3 Ampere durch jeden. Die Pfade werden dann wieder zusammengeführt, bevor sie wieder an die Batterie angeschlossen werden, um den Stromkreis zu schließen.

Die Berechnung des Gesamtwiderstands aus mehreren Widerständen unterstreicht den Unterschied zwischen Serie vs. parallele Schaltungen. Bei einer Reihenschaltung ist der Gesamtwiderstand (R​_gesamt) ist nur die Summe der Einzelwiderstände, also:

Die Tatsache, dass es sich um eine Reihenschaltung handelt, bedeutet, dass der Gesamtwiderstand auf dem Pfad nur die Summe der einzelnen Widerstände darauf ist.

Stellen Sie sich für eine Übungsaufgabe eine Reihenschaltung mit drei Widerständen vor:R​₁ = 2 Ω, ​R​₂ = 4 Ω undR​₃ = 6 Ω. Berechnen Sie den Gesamtwiderstand im Stromkreis.

Dies ist einfach die Summe der einzelnen Widerstände, also lautet die Lösung:

Für Parallelschaltungen ist die Berechnung vonR​_gesamt ist etwas komplizierter. Die Formel lautet:

Denken Sie daran, dass diese Formel Ihnen den Kehrwert des Widerstands gibt (d. h. eins geteilt durch den Widerstand). Sie müssen also eins durch die Antwort teilen, um den Gesamtwiderstand zu erhalten.

Stellen Sie sich vor, die gleichen drei Widerstände von zuvor wären stattdessen parallel angeordnet. Der Gesamtwiderstand wäre gegeben durch:

Aber das ist 1/R​_gesamt, also lautet die Antwort:

Sie können alle Stromkreise in Kombinationen von Reihen- und Parallelschaltungen zerlegen. Ein Zweig einer Parallelschaltung könnte drei Komponenten in Reihe haben, und eine Schaltung könnte aus einer Reihe von drei parallelen, sich verzweigenden Abschnitten in einer Reihe bestehen.

Probleme wie dieses zu lösen bedeutet nur, die Schaltung in Abschnitte zu unterteilen und diese nacheinander auszuarbeiten. Betrachten Sie ein einfaches Beispiel, bei dem drei Zweige in einer Parallelschaltung vorhanden sind, aber an einem dieser Zweige eine Reihe von drei Widerständen angeschlossen ist.

Der Trick zur Lösung des Problems besteht darin, die Serienwiderstandsberechnung in die größere für die gesamte Schaltung einzubeziehen. Für eine Parallelschaltung müssen Sie den Ausdruck verwenden:

Aber der erste Zweig,R​₁, besteht eigentlich aus drei verschiedenen Widerständen in Reihe. Wenn Sie sich also zuerst darauf konzentrieren, wissen Sie Folgendes:

Stell dir das vorR​₄ = 12 Ω, ​R​₅ = 5 Ω undR​₆ = 3 Ω. Der Gesamtwiderstand beträgt:

Mit diesem Ergebnis für den ersten Zweig können Sie zum Hauptproblem übergehen. Sagen Sie mit einem einzelnen Widerstand auf jedem der verbleibenden Pfade, dassR​₂ = 40 Ω undR​₃ = 10 Ω. Sie können jetzt berechnen:

Das bedeutet also:

Der Widerstand ist in einer Reihenschaltung viel einfacher zu berechnen als in einer Parallelschaltung, aber das ist nicht immer der Fall. Die Gleichungen für die Kapazität (C) in Reihen- und Parallelschaltungen funktionieren grundsätzlich umgekehrt. Für eine Reihenschaltung haben Sie eine Gleichung für den Kehrwert der Kapazität, also berechnen Sie die Gesamtkapazität (C​_gesamt) mit:

Und dann musst du eins durch dieses Ergebnis teilen, um zu findenC​_gesamt.

Für eine Parallelschaltung haben Sie eine einfachere Gleichung:

Der grundlegende Ansatz zur Lösung von Problemen mit Reihen vs. Parallelschaltungen sind gleich.