Wie unterscheidet sich eine Parallelschaltung von einer Reihenschaltung?

Die Stromkreise, die in alltäglichen Elektronik- und Haushaltsgeräten verwendet werden, können verwirrend erscheinen. Wenn Sie jedoch die grundlegenden Prinzipien von Elektrizität und Magnetismus verstehen, die ihre Funktionsfähigkeit bewirken, können Sie verstehen, wie sich verschiedene Schaltkreise voneinander unterscheiden.

Um den Unterschied zwischen Reihen- und Parallelschaltungen in Schaltungen zu erklären, sollten Sie zunächst verstehen, wie sich Parallel- und Reihenschaltungen voneinander unterscheiden.ParallelschaltungenVerwenden Sie Zweige, die unterschiedliche Schaltungselemente haben, seien es Widerstände, Induktivitäten, Kondensatoren oder andere elektrische Elemente.

​Reihenschaltungenordnen im Gegensatz dazu alle ihre Elemente in einer einzigen, geschlossenen Schleife an. Dies bedeutet, dassStrom, der Ladungsfluss in einem Kreislauf, undStromspannung, die elektromotorische Kraft, die den Stromfluss verursacht, unterscheiden sich auch die Messungen zwischen Parallel- und Reihenschaltung.

Parallelschaltungen werden im Allgemeinen in Szenarien verwendet, in denen mehrere Geräte von einer einzigen Stromquelle abhängen. Dadurch ist sichergestellt, dass sie sich unabhängig voneinander verhalten können, so dass, wenn einer aufhört zu arbeiten, die anderen weiterarbeiten. Lampen, die viele Glühbirnen verwenden, können jede Glühbirne parallel verwenden, sodass jede Glühbirne unabhängig voneinander leuchten kann. Steckdosen in Haushalten verwenden normalerweise einen einzigen Stromkreis, um verschiedene Geräte zu handhaben.

Obwohl sich Parallel- und Reihenschaltungen voneinander unterscheiden, können Sie nach den gleichen Prinzipien der Elektrizität Strom, Spannung undWiderstand, die Fähigkeit eines Schaltungselements, dem Ladungsfluss entgegenzuwirken.

Für Beispiele für Parallel- und Reihenschaltungen können Sie folgenKirchhoffs zwei Regeln. Der erste besteht darin, dass Sie sowohl in einer Reihen- als auch in einer Parallelschaltung die Summe der Spannungsabfälle über alle Elemente in einer geschlossenen Schleife gleich Null setzen können. Die zweite Regel ist, dass Sie auch jeden Knoten oder Punkt in einem Stromkreis nehmen und die Summen des an diesem Punkt eintretenden Stroms gleich der Summe des Stroms setzen können, der diesen Punkt verlässt.

In Reihenschaltungen ist der Strom in der gesamten Schleife konstant, sodass Sie den Strom einer einzelnen Komponente in einer Reihenschaltung messen können, um den Strom aller Elemente der Schaltung zu bestimmen. In Parallelschaltungen sind die Spannungsabfälle an jedem Zweig konstant.

In beiden Fällen verwenden SieOhm'sches Gesetz​ ​V = IRfür SpannungV(in Volt), Stromich(in Ampere oder Ampere) und WiderstandR(in Ohm) für jede Komponente oder für die gesamte Schaltung selbst. Wenn Sie beispielsweise den Strom in einer Reihenschaltung kennen, könnten Sie die Spannung berechnen, indem Sie die Widerstände aufsummieren und den Strom mit dem Gesamtwiderstand multiplizieren.

​Widerstände zusammenfassenvariiert zwischen Parallel- und Reihenschaltungsbeispielen. Wenn Sie eine Reihenschaltung mit verschiedenen Widerständen haben, können Sie die Widerstände summieren, indem Sie jeden Widerstandswert addieren, um den. zu erhaltenGesamtwiderstand, gegeben durch die Gleichung

für jeden Widerstand.

In Parallelschaltungen summiert sich der Widerstand über jeden Zweig zuKehrwert des Gesamtwiderstandsindem sie ihre Umkehrungen addieren. Mit anderen Worten, der Widerstand für eine Parallelschaltung ist gegeben durch

für jeden Widerstand parallel, um den Unterschied zwischen Reihen- und Parallelkombination von Widerständen darzustellen.

Diese Unterschiede beim Summieren des Widerstands hängen von den intrinsischen Eigenschaften des Widerstands ab. Der Widerstand stellt den Widerstand des Schaltungselements gegen den Ladungsfluss dar. Wenn die Ladung in einer geschlossenen Schleife einer Reihenschaltung fließen würde, gibt es nur eine Richtung für den Stromfluss, und dieser Fluss wird nicht durch Änderungen der Pfade für den Stromfluss aufgeteilt oder summiert.

Das bedeutet, dass an jedem Widerstand der Ladungsfluss konstant bleibt und die Spannung, wie viel Potenzial von Ladung an jedem Punkt verfügbar ist, unterscheidet sich, da jeder Widerstand diesem Pfad des immer mehr Widerstand hinzufügt Strom.

Wenn dagegen der Strom einer Spannungsquelle wie einer Batterie mehrere Wege hätte, würde er sich aufteilen, wie es bei einer Parallelschaltung der Fall ist. Aber wie bereits erwähnt, muss die Strommenge, die an einem bestimmten Punkt eintritt, gleich der Strommenge sein, die austritt.

Wenn der Strom von einem festen Punkt in verschiedene Pfade abzweigt, sollte dieser Regel folgend, er gleich dem Strom sein, der am Ende jedes Zweigs in einen einzelnen Punkt wieder eintritt. Wenn sich die Widerstände an jedem Zweig unterscheiden, dann ist der Widerstand gegen jede Strommenge unterschiedlich, und dies würde zu Unterschieden in den Spannungsabfällen an den Parallelschaltungszweigen führen.

Schließlich weisen einige Schaltungen Elemente auf, die sowohl parallel als auch in Reihe geschaltet sind. Bei der Analyse dieserSerien-Parallel-Hybride, sollten Sie die Schaltung je nach Anschluss entweder in Reihe oder parallel behandeln. Auf diese Weise können Sie die Gesamtschaltung neu zeichnen, indem Sie Ersatzschaltungen verwenden, eine der Komponenten in Reihe und die andere parallel. Dann verwenden Sie die Kirchhoffschen Regeln sowohl für die Reihen- als auch für die Parallelschaltung.

Mit den Kirchhoffschen Regeln und der Natur elektrischer Schaltungen können Sie eine allgemeine Methode finden, um sich allen Schaltungen zu nähern, unabhängig davon, ob sie in Reihe oder parallel geschaltet sind. Beschriften Sie zunächst jeden Punkt im Schaltplan mit den Buchstaben A, B, C,... um es einfacher zu machen, jeden Punkt anzuzeigen.

Suchen Sie die Verbindungsstellen, an denen drei oder mehr Drähte verbunden sind, und beschriften Sie sie mit den Strömen, die in sie hinein- und herausfließen. Bestimmen Sie die Schleifen in den Schaltkreisen und schreiben Sie Gleichungen, die beschreiben, wie sich die Spannungen in jeder geschlossenen Schleife auf Null summieren.

Parallel- und Reihenschaltungsbeispiele unterscheiden sich auch in anderen elektrischen Elementen. Neben Strom, Spannung und Widerstand gibt es Kondensatoren, Induktivitäten und andere Elemente, die je nach Parallel- oder Reihenschaltung variieren. Die Unterschiede zwischen den Schaltungsarten hängen auch davon ab, ob die Spannungsquelle Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) verwendet.

Gleichstromkreise lassen Strom in eine einzige Richtung fließen, während Wechselstromkreise den Strom in regelmäßigen Abständen zwischen Vorwärts- und Rückwärtsrichtung wechseln und die Form einer Sinuswelle annehmen. Die bisherigen Beispiele waren Gleichstromkreise, aber dieser Abschnitt konzentriert sich auf Wechselstromkreise.

In Wechselstromkreisen bezeichnen Wissenschaftler und Ingenieure den sich ändernden Widerstand alsImpedanz, und das kann erklärenKondensatoren, Schaltungselemente, die Ladung über die Zeit speichern, undInduktoren, Schaltungselemente, die als Reaktion auf den Strom in der Schaltung ein Magnetfeld erzeugen. In Wechselstromkreisen schwankt die Impedanz mit der Zeit entsprechend der Wechselstromaufnahme, während der Gesamtwiderstand die Summe der Widerstandselemente ist, die über die Zeit konstant bleibt. Dies macht Widerstand und Impedanz zu unterschiedlichen Größen.

Wechselstromkreise beschreiben auch, ob die Stromrichtung zwischen den Schaltungselementen phasengleich ist. Wenn zwei Elemente sindgleichphasig, dann sind die Wellen der Ströme der Elemente synchron zueinander. Mit diesen Wellenformen können Sie berechnenWellenlänge, der Abstand eines vollen Wellenzyklus,Frequenz, die Anzahl der Wellen, die jede Sekunde über einen bestimmten Punkt laufen, undAmplitude, die Höhe einer Welle, für Wechselstromkreise.

Die Impedanz eines AC-Reihenkreises messen Sie mit

für dieKondensatorimpedanz​ ​X_CundInduktorimpedanz​ ​X​_L weil die Impedanzen, wie Widerstände behandelt, linear summiert werden, wie es bei Gleichstromkreisen der Fall ist.

Der Grund, warum Sie die Differenz zwischen den Impedanzen von Induktivität und Kondensator anstelle ihrer Summe verwenden, liegt darin, dass diese zwei Schaltungselemente schwanken in ihrer Strom- und Spannungsstärke im Laufe der Zeit aufgrund der Schwankungen der Wechselspannung Quelle.

Diese Schaltungen sindRLC-Schaltungenwenn sie einen Widerstand (R), eine Induktivität (L) und einen Kondensator (C) enthalten. Parallele RLC-Schaltungen summieren die Widerstände als

auf die gleiche Weise werden parallel geschaltete Widerstände mit ihren Kehrwerten summiert, und dieser Wert1/Zist auch als. bekanntZulassungeiner Schaltung.

In beiden Fällen können Sie die Impedanzen messen alsX_C = 1/ωCundX_L = ωLfür Kreisfrequenz "omega" ω, KapazitätC(in Farad) und InduktivitätL(in Henries).

KapazitätCkann auf Spannung bezogen werden alsC = Q/VoderV = Q/Czum Laden eines KondensatorsQ(in Coulomb) und Spannung des KondensatorsV(in Volt). Induktivität beziehen sich auf Spannung alsV = LdI/dtzur Änderung des Stroms im Laufe der ZeitdI/dt, InduktorspannungVund InduktivitätL. Verwenden Sie diese Gleichungen, um nach Strom, Spannung und anderen Eigenschaften von RLC-Schaltungen aufzulösen.

Obwohl Sie die Spannungen um eine geschlossene Schleife in einer Parallelschaltung gleich Null summieren können, ist das Aufsummieren der Ströme komplizierter. Anstatt die Summe der Stromwerte selbst, die in einen Knoten eintreten, gleich der Summe der Stromwerte zu setzen, die den Knoten verlassen, müssen Sie die Quadrate jedes Stroms verwenden.

Für eine RLC-Schaltung parallel ist der Strom über den Kondensator und die Induktivität als

für Versorgungsstromich_S, Widerstandsstromich_R, Induktorstromich_Lund Kondensatorstromich​_C unter Verwendung der gleichen Prinzipien zum Summieren der Impedanzwerte.

In RLC-Schaltungen können Sie den Phasenwinkel berechnen, wie phasenverschoben ein Schaltungselement zum anderen ist, indem Sie die Gleichung für den Phasenwinkel "phi" verwendenΦwieΦ = braun^-1((X_L -X_C)/R)in welchembräunen​​^-1 ()stellt die inverse Tangensfunktion dar, die eine Proportion als Eingabe verwendet und den entsprechenden Winkel zurückgibt.

In Reihenschaltungen werden Kondensatoren mit ihren Kehrwerten aufsummiert als

während Induktivitäten linear summiert werden als

für jeden Induktor. Parallel dazu werden die Berechnungen umgekehrt. Bei einer Parallelschaltung werden Kondensatoren linear aufsummiert

und Induktoren werden mit ihren Inversen aufsummiert

für jeden Induktor.

Kondensatoren funktionieren, indem sie den Ladungsunterschied zwischen zwei Platten messen, die durch ein dielektrisches Material zwischen ihnen getrennt sind, das die Spannung verringert und gleichzeitig die Kapazität erhöht. Wissenschaftler und Ingenieure messen auch die KapazitätCwieC =₀ε_rAnzeigemit "epsilon nichts" ε₀ als Wert der Permittivität für Luft, die 8,84 x 10-12 F/m beträgt.ε_rist die Permittivität des dielektrischen Mediums, das zwischen den beiden Platten des Kondensators verwendet wird. Die Gleichung hängt auch von der Fläche der Platten abEINin m² und Abstand zwischen den Plattendim m.