Ορισμός ενός κυκλώματος απλής ηλεκτρικής σειράς

Η ενασχόληση με τα βασικά των ηλεκτρονικών σημαίνει κατανόηση κυκλωμάτων, πώς λειτουργούν και πώς να υπολογίζετε πράγματα όπως η συνολική αντίσταση γύρω από διαφορετικούς τύπους κυκλωμάτων. Τα κυκλώματα πραγματικού κόσμου μπορεί να γίνουν περίπλοκα, αλλά μπορείτε να τα κατανοήσετε με τις βασικές γνώσεις που συλλέγετε από απλούστερα, εξειδικευμένα κυκλώματα.

Οι δύο κύριοι τύποι κυκλωμάτων είναι σειριακοί και παράλληλοι. Σε ένα κύκλωμα σειράς, όλα τα εξαρτήματα (όπως οι αντιστάσεις) είναι διατεταγμένα σε μια γραμμή, με ένα μόνο βρόχο σύρματος να αποτελεί το κύκλωμα. Ένα παράλληλο κύκλωμα χωρίζεται σε πολλαπλές διαδρομές με ένα ή περισσότερα εξαρτήματα σε κάθε μία. Ο υπολογισμός των κυκλωμάτων σειράς είναι εύκολος, αλλά είναι σημαντικό να κατανοήσετε τις διαφορές και τον τρόπο εργασίας και με τους δύο τύπους.

Η ηλεκτρική ενέργεια ρέει μόνο σε κυκλώματα. Με άλλα λόγια, χρειάζεται έναν πλήρη βρόχο για να λειτουργήσει κάτι. Εάν σπάσετε αυτόν τον βρόχο με ένα διακόπτη, η ισχύς σταματά να ρέει και το φως σας (για παράδειγμα) θα σβήσει. Ένας απλός ορισμός κυκλώματος είναι ένας κλειστός βρόχος ενός αγωγού που μπορούν να ταξιδεύουν τα ηλεκτρόνια, συνήθως αποτελούμενο από ισχύ πηγή (μια μπαταρία, για παράδειγμα) και ένα ηλεκτρικό εξάρτημα ή συσκευή (όπως μια αντίσταση ή μια λάμπα) και καλώδιο αγωγού.

Θα πρέπει να ασχοληθείτε με κάποια βασική ορολογία για να καταλάβετε πώς λειτουργούν τα κυκλώματα, αλλά θα εξοικειωθείτε με τους περισσότερους όρους από την καθημερινή ζωή.

Η «διαφορά τάσης» είναι ένας όρος για τη διαφορά στην ενέργεια ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο θέσεων, ανά μονάδα φόρτισης. Οι μπαταρίες λειτουργούν δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο ακροδεκτών τους, η οποία επιτρέπει σε ένα ρεύμα να ρέει από το ένα στο άλλο όταν είναι συνδεδεμένα σε ένα κύκλωμα. Το δυναμικό σε ένα σημείο είναι τεχνικά η τάση, αλλά οι διαφορές στην τάση είναι το σημαντικό πράγμα στην πράξη. Μια μπαταρία 5 volt έχει δυνητική διαφορά 5 volt μεταξύ των δύο ακροδεκτών και 1 volt = 1 joule ανά coulomb.

Η σύνδεση ενός αγωγού (όπως ένα καλώδιο) και στους δύο ακροδέκτες μιας μπαταρίας δημιουργεί ένα κύκλωμα, με ρεύμα γύρω από αυτό. Το ρεύμα μετράται σε ενισχυτές, που σημαίνει coulombs (φόρτισης) ανά δευτερόλεπτο.

Οποιοσδήποτε αγωγός θα έχει ηλεκτρική «αντίσταση», που σημαίνει την αντίθεση του υλικού στη ροή του ρεύματος. Η αντίσταση μετράται σε ohms (Ω) και ένας αγωγός με 1 ohm αντίστασης συνδεδεμένος σε μια τάση 1 volt θα επέτρεπε να ρέει ρεύμα 1 amp.

Η σχέση μεταξύ αυτών περιλαμβάνεται στον νόμο του Ohm:

Με άλλα λόγια, «η τάση ισούται με το ρεύμα πολλαπλασιασμένο επί της αντίστασης».

Οι δύο κύριοι τύποι κυκλωμάτων διακρίνονται από τον τρόπο με τον οποίο τα εξαρτήματα είναι διατεταγμένα σε αυτά.

Ένας απλός ορισμός κυκλώματος σειράς είναι, "Ένα κύκλωμα με τα εξαρτήματα διατεταγμένα σε ευθεία γραμμή, οπότε όλο το ρεύμα ρέει διαδοχικά σε κάθε στοιχείο." Αν κάνατε ένα βασικό κύκλωμα βρόχου με μια μπαταρία συνδεδεμένη σε δύο αντιστάσεις και, στη συνέχεια, έχετε μια σύνδεση που τρέχει πίσω στην μπαταρία, οι δύο αντιστάσεις θα ήταν σειρά. Έτσι, το ρεύμα θα πήγαινε από το θετικό τερματικό της μπαταρίας (κατά κανόνα αντιμετωπίζετε το ρεύμα σαν να βγαίνει από το θετικό άκρο) στην πρώτη αντίσταση, από εκείνη στη δεύτερη αντίσταση και μετά πίσω στην μπαταρία.

Ένα παράλληλο κύκλωμα είναι διαφορετικό. Ένα κύκλωμα με δύο αντιστάσεις παράλληλα θα χωριζόταν σε δύο ίχνη, με μια αντίσταση σε κάθε μία. Όταν το ρεύμα φτάσει σε μια διασταύρωση, η ίδια ποσότητα ρεύματος που εισέρχεται στη διασταύρωση πρέπει επίσης να φύγει από τη διασταύρωση. Αυτό ονομάζεται η διατήρηση της χρέωσης, ή ειδικά για τα ηλεκτρονικά, ο ισχύων νόμος του Kirchhoff. Εάν οι δύο διαδρομές έχουν ίση αντίσταση, ένα ίδιο ρεύμα θα ρέει προς τα κάτω, οπότε αν 6 αμπέρ ρεύματος φθάσουν σε μια διασταύρωση με ίση αντίσταση και στις δύο διαδρομές, 3 αμπέρ θα ρέουν κάτω κάθε μία. Στη συνέχεια, οι διαδρομές επανέρχονται πριν από την επανασύνδεση στην μπαταρία για να ολοκληρωθεί το κύκλωμα.

Ο υπολογισμός της συνολικής αντίστασης από πολλαπλές αντιστάσεις υπογραμμίζει τη διάκριση μεταξύ σειρών έναντι παράλληλα κυκλώματα. Για κύκλωμα σειράς, η συνολική αντίσταση (Ρ​_σύνολο) είναι απλώς το άθροισμα των μεμονωμένων αντιστάσεων, οπότε:

Το γεγονός ότι είναι ένα κύκλωμα σειράς σημαίνει ότι η συνολική αντίσταση στο μονοπάτι είναι μόνο το άθροισμα των μεμονωμένων αντιστάσεων σε αυτό.

Για ένα πρόβλημα εξάσκησης, φανταστείτε ένα κύκλωμα σειράς με τρεις αντιστάσεις:Ρ​₁ = 2 Ω, ​Ρ​₂ = 4 Ω καιΡ​₃ = 6 Ω. Υπολογίστε τη συνολική αντίσταση στο κύκλωμα.

Αυτό είναι απλά το άθροισμα των μεμονωμένων αντιστάσεων, οπότε η λύση είναι:

Για παράλληλα κυκλώματα, ο υπολογισμός τουΡ​_σύνολο είναι λίγο πιο περίπλοκο. Ο τύπος είναι:

Θυμηθείτε ότι αυτός ο τύπος σας δίνει την αμοιβαιότητα της αντίστασης (δηλαδή, διαιρεμένη με την αντίσταση). Επομένως, πρέπει να διαιρέσετε ένα με την απάντηση για να λάβετε τη συνολική αντίσταση.

Φανταστείτε ότι οι ίδιες τρεις αντιστάσεις από πριν ήταν τοποθετημένες παράλληλα. Η συνολική αντίσταση θα δοθεί από:

Αλλά αυτό είναι 1 /Ρ​_σύνολο, έτσι η απάντηση είναι:

Μπορείτε να αναλύσετε όλα τα κυκλώματα σε συνδυασμούς σειρών και παράλληλων κυκλωμάτων. Ένας κλάδος ενός παράλληλου κυκλώματος μπορεί να έχει τρία συστατικά σε σειρά, και ένα κύκλωμα θα μπορούσε να αποτελείται από μια σειρά τριών παράλληλων, διακλαδισμένων τμημάτων στη σειρά.

Η επίλυση προβλημάτων όπως αυτό σημαίνει απλώς τη διάσπαση του κυκλώματος σε τμήματα και την επεξεργασία τους με τη σειρά. Εξετάστε ένα απλό παράδειγμα, όπου υπάρχουν τρεις κλάδοι σε ένα παράλληλο κύκλωμα, αλλά ένας από αυτούς τους κλάδους έχει μια σειρά από τρεις αντιστάσεις συνδεδεμένες.

Το κόλπο για την επίλυση του προβλήματος είναι να ενσωματώσουμε τον υπολογισμό της αντίστασης της σειράς στο μεγαλύτερο για ολόκληρο το κύκλωμα. Για παράλληλο κύκλωμα, πρέπει να χρησιμοποιήσετε την έκφραση:

Αλλά το πρώτο υποκατάστημα,Ρ​₁, είναι πραγματικά κατασκευασμένο από τρεις διαφορετικές αντιστάσεις σε σειρά. Επομένως, αν εστιάσετε πρώτα σε αυτό, γνωρίζετε ότι:

Φαντάσου τοΡ​₄ = 12 Ω, ​Ρ​₅ = 5 Ω καιΡ​₆ = 3 Ω. Η συνολική αντίσταση είναι:

Με αυτό το αποτέλεσμα για τον πρώτο κλάδο, μπορείτε να προχωρήσετε στο κύριο πρόβλημα. Με μία αντίσταση σε κάθε μία από τις υπόλοιπες διαδρομές, πείτε τοΡ​₂ = 40 Ω καιΡ​₃ = 10 Ω. Τώρα μπορείτε να υπολογίσετε:

Αυτό σημαίνει:

Η αντίσταση είναι πολύ πιο εύκολο να υπολογιστεί σε ένα κύκλωμα σειράς από ένα παράλληλο κύκλωμα, αλλά αυτό δεν συμβαίνει πάντα. Οι εξισώσεις για χωρητικότητα (ντο) σε σειρές και παράλληλα κυκλώματα λειτουργούν ουσιαστικά το αντίθετο. Για ένα κύκλωμα σειράς, έχετε μια εξίσωση για την αμοιβαία χωρητικότητα, οπότε υπολογίζετε τη συνολική χωρητικότητα (ντο​_σύνολο) με:

Και τότε πρέπει να διαιρέσετε ένα με αυτό το αποτέλεσμα για να βρείτεντο​_σύνολο.

Για ένα παράλληλο κύκλωμα έχετε μια απλούστερη εξίσωση:

Ωστόσο, η βασική προσέγγιση για την επίλυση προβλημάτων με σειρές εναντίον Τα παράλληλα κυκλώματα είναι τα ίδια.