Affrontare le basi dell'elettronica significa comprendere i circuiti, come funzionano e come calcolare cose come la resistenza totale attorno a diversi tipi di circuiti. I circuiti del mondo reale possono diventare complicati, ma puoi capirli con le conoscenze di base che ottieni da circuiti più semplici e idealizzati.
I due principali tipi di circuiti sono serie e parallelo. In un circuito in serie, tutti i componenti (come i resistori) sono disposti in linea, con un singolo anello di filo che costituisce il circuito. Un circuito parallelo si divide in più percorsi con uno o più componenti su ciascuno. Il calcolo dei circuiti in serie è facile, ma è importante capire le differenze e come lavorare con entrambi i tipi.
Le basi dei circuiti elettrici
L'elettricità scorre solo nei circuiti. In altre parole, ha bisogno di un ciclo completo affinché qualcosa funzioni. Se rompi quel loop con un interruttore, la corrente smette di fluire e la tua luce (ad esempio) si spegne. Una semplice definizione di circuito è un circuito chiuso di un conduttore attorno al quale possono viaggiare gli elettroni, solitamente costituito da una potenza sorgente (ad esempio una batteria) e un componente o dispositivo elettrico (come un resistore o una lampadina) e un filo conduttore.
Dovrai fare i conti con una terminologia di base per capire come funzionano i circuiti, ma avrai familiarità con la maggior parte dei termini della vita quotidiana.
Una "differenza di tensione" è un termine per la differenza di energia potenziale elettrica tra due luoghi, per unità di carica. Le batterie funzionano creando una differenza di potenziale tra i loro due terminali, che consente alla corrente di fluire dall'uno all'altro quando sono collegate in un circuito. Il potenziale a un certo punto è tecnicamente la tensione, ma le differenze di tensione sono la cosa importante nella pratica. Una batteria da 5 volt ha una differenza di potenziale di 5 volt tra i due terminali e 1 volt = 1 joule per coulomb.
Il collegamento di un conduttore (come un filo) a entrambi i terminali di una batteria crea un circuito, con una corrente elettrica che scorre attorno ad esso. La corrente viene misurata in ampere, il che significa coulomb (di carica) al secondo.
Qualsiasi conduttore avrà una "resistenza" elettrica, che significa l'opposizione del materiale al flusso di corrente. La resistenza viene misurata in ohm (Ω) e un conduttore con 1 ohm di resistenza collegato a una tensione di 1 volt consentirebbe il flusso di una corrente di 1 amp.
La relazione tra questi è incapsulata dalla legge di Ohm:
V=IR
In parole, "la tensione è uguale alla corrente moltiplicata per la resistenza".
Serie contro Circuiti paralleli
I due principali tipi di circuiti si distinguono per la disposizione dei componenti al loro interno.
Una semplice definizione di circuito in serie è "Un circuito con i componenti disposti in linea retta, quindi tutta la corrente scorre a turno attraverso ciascun componente". Se hai realizzato un circuito di base con una batteria collegata a due resistori, e quindi hai una connessione che torna alla batteria, i due resistori sarebbero in serie. Quindi la corrente andrebbe dal terminale positivo della batteria (per convenzione si tratta la corrente come se fosse) esce dal polo positivo) al primo resistore, da quello al secondo resistore e poi di nuovo al batteria.
Un circuito parallelo è diverso. Un circuito con due resistori in parallelo si dividerebbe in due tracce, con una resistenza su ciascuna. Quando la corrente raggiunge una giunzione, la stessa quantità di corrente che entra nella giunzione deve uscire anche dalla giunzione. Questa è chiamata la conservazione della carica, o specificamente per l'elettronica, l'attuale legge di Kirchhoff. Se i due percorsi hanno la stessa resistenza, una corrente uguale scorrerà lungo di essi, quindi se 6 ampere di corrente raggiungono una giunzione con uguale resistenza su entrambi i percorsi, 3 ampere scorreranno lungo ciascuno. I percorsi quindi si ricongiungono prima di riconnettersi alla batteria per completare il circuito.
Calcolo della resistenza per un circuito in serie
Il calcolo della resistenza totale da più resistori enfatizza la distinzione tra serie e resistenza. circuiti paralleli. Per un circuito in serie, la resistenza totale (Rtotale) è solo la somma delle singole resistenze, quindi:
R_{totale}=R_1 + R_2 + R_3 + ...
Il fatto che sia un circuito in serie significa che la resistenza totale sul percorso è solo la somma delle singole resistenze su di esso.
Per un problema pratico, immagina un circuito in serie con tre resistenze:R1 = 2 Ω, R2 = 4 Ω eR3 = 6 Ω. Calcola la resistenza totale nel circuito.
Questa è semplicemente la somma delle singole resistenze, quindi la soluzione è:
\begin{allineato} R_{totale}&=R_1 + R_2 + R_3 \\ &=2 \; \Omega\; + 4 \; \Omega\; +6 \; \Omega \\ &=12 \; \Omega \end{allineato}
Calcolo della resistenza per un circuito parallelo
Per i circuiti in parallelo, il calcolo diRtotale è un po' più complicato. La formula è:
{1 \above{2pt}R_{totale}} = {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}
Ricorda che questa formula ti dà il reciproco della resistenza (cioè uno diviso per la resistenza). Quindi devi dividere uno per la risposta per ottenere la resistenza totale.
Immagina che quegli stessi tre resistori di prima fossero invece disposti in parallelo. La resistenza totale sarebbe data da:
\begin{allineato} {1 \above{2pt}R_{totale}} &= {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}\\ &= {1 \sopra{2pt}2 \; Ω} + {1 \sopra{2pt}4 \; Ω} + {1 \sopra{2pt}6\; Ω}\\ &= {6 \above{2pt}12 \; Ω} + {3 \sopra{2pt}12 \; Ω} + {2 \above{2pt}12 \; Ω}\\ &= {11 \above{2pt}12Ω}\\ &= 0,917 \; Ω^{-1} \end{allineato}
Ma questo è 1/Rtotale, quindi la risposta è:
\begin{allineato} \ R_{totale} &= {1 \above{2pt}0.917 \; Ω^{-1}}\\ &= 1.09 \; \Omega \end{allineato}
Come risolvere un circuito combinato in serie e parallelo
È possibile suddividere tutti i circuiti in combinazioni di circuiti in serie e in parallelo. Un ramo di un circuito parallelo potrebbe avere tre componenti in serie e un circuito potrebbe essere composto da una serie di tre sezioni parallele e ramificate in fila.
Risolvere problemi come questo significa semplicemente suddividere il circuito in sezioni e risolverle a turno. Considera un semplice esempio, in cui ci sono tre rami su un circuito parallelo, ma uno di quei rami ha una serie di tre resistori collegati.
Il trucco per risolvere il problema è incorporare il calcolo della resistenza in serie in quello più grande per l'intero circuito. Per un circuito parallelo, devi usare l'espressione:
{1 \above{2pt}R_{totale}} = {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}
Ma il primo ramo,R1, è in realtà costituito da tre diversi resistori in serie. Quindi, se ti concentri prima su questo, sai che:
R_1=R_4 + R_5 + R_6
ImmaginaloR4 = 12 Ω, R5 = 5 eR6 = 3 Ω. La resistenza totale è:
\begin{allineato} R_1&=R_4 + R_5 + R_6 \\ &= 12 \; \Omega\; + 5 \; \Omega\; + 3 \; \Omega \\ &= 20 \; \Omega \end{allineato}
Con questo risultato per il primo ramo, puoi passare al problema principale. Con un singolo resistore su ciascuno dei restanti percorsi, diciamo cheR2 = 40 Ω eR3 = 10 Ω. Ora puoi calcolare:
\begin{allineato} {1 \above{2pt}R_{totale}} &= {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}\\ &= {1 \sopra{2pt}20 \; Ω} + {1 \above{2pt}40 \; Ω} + {1 \sopra{2pt}10\; }\\ &= {2 \above{2pt}40 \; Ω} + {1 \above{2pt}40 \; Ω} + {4 \above{2pt}40 \; }\\ &= {7 \above{2pt}40 \; Ω}\\ &= 0.175 \; Ω^{-1} \end{allineato}
Quindi significa:
\begin{allineato} \ R_{totale} &= {1 \above{2pt}0.175 \; Ω^{-1}}\\ &= 5.7 \; \Omega \end{allineato}
Altri calcoli
La resistenza è molto più facile da calcolare su un circuito in serie rispetto a un circuito parallelo, ma non è sempre così. Le equazioni per la capacità (C) nei circuiti in serie e in parallelo funzionano sostanzialmente al contrario. Per un circuito in serie, hai un'equazione per il reciproco della capacità, quindi calcoli la capacità totale (Ctotale) con:
{1 \above{2pt}C_{totale}} = {1 \above{2pt}C_1} + {1 \above{2pt}C_2} + {1 \above{2pt}C_3} + ...
E poi devi dividere uno per questo risultato per trovareCtotale.
Per un circuito parallelo hai un'equazione più semplice:
C_{totale} = C_1 + C_2 + C_3 + ...
Tuttavia, l'approccio di base per risolvere i problemi con serie vs. circuiti paralleli è lo stesso.
