להתמודד עם יסודות האלקטרוניקה פירושו להבין מעגלים, כיצד הם עובדים וכיצד לחשב דברים כמו ההתנגדות הכוללת סביב סוגים שונים של מעגלים. מעגלים בעולם האמיתי יכולים להסתבך, אך אתה יכול להבין אותם בעזרת הידע הבסיסי שאתה קולט ממעגלים פשוטים ואידיאליים יותר.
שני סוגי המעגלים העיקריים הם סדרות ומקבילות. במעגל סדרתי, כל הרכיבים (כגון נגדים) מסודרים בקו, עם לולאת חוט אחת המרכיבה את המעגל. מעגל מקביל מתפצל למספר נתיבים עם אחד או יותר רכיבים בכל אחד מהם. חישוב מעגלי סדרות הוא קל, אך חשוב להבין את ההבדלים וכיצד לעבוד עם שני הסוגים.
היסודות של מעגלים חשמליים
חשמל זורם רק במעגלים. במילים אחרות, הוא זקוק לולאה שלמה על מנת שמשהו יעבוד. אם תפסיק את הלולאה הזו עם מתג, הכוח מפסיק לזרום, והאור שלך (למשל) יכבה. הגדרת מעגל פשוטה היא לולאה סגורה של מוליך שהאלקטרונים יכולים לנוע סביבם, בדרך כלל מורכבת מכוח מקור (סוללה, למשל) ורכיב חשמלי או מכשיר (כמו נגד או נורה) וחוט מוליך.
יהיה עליך להתמודד עם טרמינולוגיה בסיסית בכדי להבין כיצד מעגלים עובדים, אך אתה מכיר את רוב המונחים מחיי היום יום.
"הפרש מתח" הוא מונח להבדל באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית בין שני מקומות, ליחידת טעינה. סוללות פועלות על ידי יצירת הבדל בפוטנציאל בין שני המסופים שלהן, מה שמאפשר לזרם לזרום מהאחד לשני כאשר הם מחוברים במעגל. הפוטנציאל בנקודה מסוימת הוא טכנית המתח, אך הבדלי המתח הם הדבר החשוב בפועל. לסוללה של 5 וולט יש הפרש פוטנציאלי של 5 וולט בין שני המסופים, ו- 1 וולט = 1 ג'ול לכל קולומב.
חיבור מוליך (כגון חוט) לשני הדקים של הסוללה יוצר מעגל, כשזרם חשמלי זורם סביבו. הזרם נמדד במגברים, כלומר קולומבים (של מטען) לשנייה.
לכל מוליך תהיה "התנגדות" חשמלית, שמשמעותה התנגדות החומר לזרימת הזרם. ההתנגדות נמדדת באום (Ω), ומוליך עם התנגדות אוהם 1 המחובר על מתח של 1 וולט יאפשר לזרם של 1 אמפר.
היחסים בין אלה נכללים בחוק אוהם:
V = IR
במילים, "מתח שווה לזרם מוכפל בהתנגדות."
סדרה נגד מעגלים מקבילים
שני הסוגים העיקריים של המעגלים נבדלים על ידי האופן שבו מסודרים רכיבים בהם.
הגדרת מעגל פשוטה מסדרה היא, "מעגל עם הרכיבים המסודרים בקו ישר, כך שכל הזרם זורם בתורו דרך כל רכיב." אם עשית מעגל לולאה בסיסי עם סוללה המחוברת לשני נגדים, ואז יש לך חיבור החוזר לסוללה, שני הנגדים יהיו סִדרָה. אז הזרם יעבור מהמסוף החיובי של הסוללה (על פי ההסכם אתה מתייחס לזרם כאילו הוא מגיח מהקצה החיובי) אל הנגד הראשון, מזה לנגד השני ואז חזרה ל סוֹלְלָה.
מעגל מקביל שונה. מעגל עם שני נגדים במקביל יתפצל לשני מסלולים, עם נגד בכל אחד מהם. כאשר הזרם מגיע לצומת, אותה כמות זרם שנכנסת לצומת צריכה לעזוב גם את הצומת. זה נקרא שימור מטען, או באופן ספציפי עבור אלקטרוניקה, החוק הנוכחי של קירכהוף. אם לשני הנתיבים התנגדות שווה, זרם שווה יזרום במורדם, כך שאם 6 אמפר זרם יגיע לצומת עם התנגדות שווה בשני הנתיבים, 3 אמפר יזרמו לאורך כל אחד מהם. השבילים ואז מצטרפים לפני שהם מתחברים מחדש לסוללה כדי להשלים את המעגל.
חישוב התנגדות למעגל סדרה
חישוב ההתנגדות הכוללת ממספר נגדים מדגיש את ההבחנה בין סדרה לעומת מעגלים מקבילים. עבור מעגל סדרתי, ההתנגדות הכוללת (רסך הכל) הוא רק סכום ההתנגדויות האינדיבידואליות, כך:
R_ {total} = R_1 + R_2 + R_3 + ...
העובדה שמדובר במעגל סדרתי פירושה שההתנגדות הכוללת על הנתיב היא רק סכום ההתנגדויות האישיות עליו.
לבעיית תרגול, דמיין מעגל סדרתי עם שלושה התנגדויות:ר1 = 2 Ω, ר2 = 4 Ω ו-ר3 = 6 Ω. חשב את ההתנגדות הכוללת במעגל.
זה פשוט סכום ההתנגדויות האינדיבידואליות, ולכן הפיתרון הוא:
\ התחל {align} R_ {total} & = R_1 + R_2 + R_3 \\ & = 2 \; \ אומגה \; + 4 \; \ אומגה \; +6 \; \ אומגה \\ & = 12 \; \ אומגה \ סוף {מיושר}
חישוב התנגדות למעגל מקביל
עבור מעגלים מקבילים, החישוב שלרסך הכל הוא קצת יותר מסובך. הנוסחה היא:
{1 \ מעל {2pt} R_ {total}} = {1 \ מעל {2pt} R_1} + {1 \ מעל {2pt} R_2} + {1 \ מעל {2pt} R_3}
זכור שנוסחה זו נותנת לך את הדדיות של ההתנגדות (כלומר, אחת מחולקת על ידי ההתנגדות). אז אתה צריך לחלק אחד לפי התשובה כדי לקבל את ההתנגדות הכוללת.
דמיין שאותם שלושת הנגדים שלפני כן היו מסודרים במקביל במקום זאת. ההתנגדות הכוללת תינתן על ידי:
\ התחל {align} {1 \ מעל {2pt} R_ {total}} & = {1 \ מעל {2pt} R_1} + {1 \ מעל {2pt} R_2} + {1 \ מעל {2pt} R_3} \\ & = {1 \ מעל {2pt} 2 \; Ω} + {1 \ מעל {2pt} 4 \; Ω} + {1 \ מעל {2pt} 6 \; Ω} \\ & = {6 \ מעל {2pt} 12 \; Ω} + {3 \ מעל {2pt} 12 \; Ω} + {2 \ מעל {2pt} 12 \; Ω} \\ & = {11 \ מעל {2pt} 12Ω} \\ & = 0.917 \; Ω ^ {- 1} \ end {מיושר}
אבל זה 1 /רסך הכלאז התשובה היא:
\ התחל {align} \ R_ {total} & = {1 \ מעל {2pt} 0.917 \; Ω^{-1}}\\ &= 1.09 \; \ אומגה \ סוף {מיושר}
כיצד לפתור סדרה ומעגל שילוב מקביל
ניתן לפרק את כל המעגלים לשילובים של סדרות ומעגלים מקבילים. ענף של מעגל מקביל עשוי להכיל שלושה מרכיבים בסדרה, ומעגל יכול להיות מורכב מסדרה של שלושה מקטעים מקבילים, מסועפים ברצף.
פתרון בעיות כאלה פירושו רק לפרק את המעגל לחלקים ולעבד אותם בתורם. שקול דוגמה פשוטה, שבה ישנם שלושה ענפים במעגל מקביל, אך לאחד מאותם ענפים יש סדרה של שלושה נגדים מחוברים.
הטריק לפתרון הבעיה הוא לשלב את חישוב התנגדות הסדרה לתוך הגדול יותר עבור כל המעגל. למעגל מקביל, עליך להשתמש בביטוי:
{1 \ מעל {2pt} R_ {total}} = {1 \ מעל {2pt} R_1} + {1 \ מעל {2pt} R_2} + {1 \ מעל {2pt} R_3}
אבל הענף הראשון,ר1, עשוי למעשה משלושה נגדים שונים בסדרה. אז אם אתה מתמקד בזה קודם, אתה יודע ש:
R_1 = R_4 + R_5 + R_6
דמיין שר4 = 12 Ω, ר5 = 5 Ω ו-ר6 = 3 Ω. ההתנגדות הכוללת היא:
\ התחל {align} R_1 & = R_4 + R_5 + R_6 \\ & = 12 \; \ אומגה \; + 5 \; \ אומגה \; + 3 \; \ אומגה \\ & = 20 \; \ אומגה \ סוף {מיושר}
עם תוצאה זו עבור הסניף הראשון, תוכל לעבור לבעיה העיקרית. עם נגד יחיד בכל אחד מהנתיבים הנותרים, אמור זאתר2 = 40 Ω ו-ר3 = 10 Ω. כעת תוכל לחשב:
\ התחל {align} {1 \ מעל {2pt} R_ {total}} & = {1 \ מעל {2pt} R_1} + {1 \ מעל {2pt} R_2} + {1 \ מעל {2pt} R_3} \\ & = {1 \ מעל {2pt} 20 \; Ω} + {1 \ מעל {2pt} 40 \; Ω} + {1 \ מעל {2pt} 10 \; Ω} \\ & = {2 \ מעל {2pt} 40 \; Ω} + {1 \ מעל {2pt} 40 \; Ω} + {4 \ מעל {2pt} 40 \; Ω} \\ & = {7 \ מעל {2pt} 40 \; Ω}\\ &= 0.175 \; Ω ^ {- 1} \ end {מיושר}
אז זה אומר:
\ התחל {align} \ R_ {total} & = {1 \ מעל {2pt} 0.175 \; Ω^{-1}}\\ &= 5.7 \; \ אומגה \ סוף {מיושר}
חישובים אחרים
הרבה יותר קל לחשב התנגדות במעגל סדרתי מאשר במעגל מקביל, אבל זה לא תמיד המקרה. המשוואות לקיבול (ג) בסדרות ובמעגלים מקבילים בעצם עובדים הפוך. עבור מעגל סדרתי, יש לך משוואה לדדי הקיבול, לכן מחשבים את הקיבול הכולל (גסך הכל) עם:
{1 \ מעל {2pt} C_ {total}} = {1 \ מעל {2pt} C_1} + {1 \ מעל {2pt} C_2} + {1 \ מעל {2pt} C_3} + ...
ואז אתה צריך לחלק אחת לפי התוצאה הזו כדי למצואגסך הכל.
למעגל מקביל יש לך משוואה פשוטה יותר:
C_ {total} = C_1 + C_2 + C_3 + ...
עם זאת, הגישה הבסיסית לפתרון בעיות בסדרות לעומת. מעגלים מקבילים זהים.
