Definitie van een eenvoudig elektrisch seriecircuit

Om grip te krijgen op de basisprincipes van elektronica, moet u circuits begrijpen, hoe ze werken en hoe u dingen kunt berekenen zoals de totale weerstand rond verschillende soorten circuits. Echte circuits kunnen ingewikkeld worden, maar je kunt ze begrijpen met de basiskennis die je oppikt van eenvoudigere, geïdealiseerde circuits.

De twee belangrijkste soorten circuits zijn serie en parallel. In een serieschakeling zijn alle componenten (zoals weerstanden) in een lijn gerangschikt, waarbij een enkele draadlus het circuit vormt. Een parallelle schakeling splitst zich op in meerdere paden met elk een of meer componenten. Het berekenen van serieschakelingen is eenvoudig, maar het is belangrijk om de verschillen te begrijpen en met beide typen te werken.

Elektriciteit stroomt alleen in circuits. Met andere woorden, het heeft een volledige lus nodig om iets te laten werken. Als je die lus doorbreekt met een schakelaar, stopt de stroom met stromen en gaat je licht (bijvoorbeeld) uit. Een eenvoudige circuitdefinitie is een gesloten lus van een geleider waar elektronen rond kunnen reizen, meestal bestaande uit een kracht bron (bijvoorbeeld een batterij) en een elektrisch onderdeel of apparaat (zoals een weerstand of een gloeilamp) en geleidende draad.

Je zult wat basisterminologie onder de knie moeten krijgen om te begrijpen hoe circuits werken, maar je zult bekend zijn met de meeste termen uit het dagelijks leven.

Een "spanningsverschil" is een term voor het verschil in elektrische potentiële energie tussen twee plaatsen, per ladingseenheid. Batterijen werken door een potentiaalverschil te creëren tussen hun twee terminals, waardoor een stroom van de ene naar de andere kan vloeien wanneer ze in een circuit zijn aangesloten. De potentiaal op een gegeven moment is technisch gezien de spanning, maar verschillen in spanning zijn in de praktijk het belangrijkste. Een batterij van 5 volt heeft een potentiaalverschil van 5 volt tussen de twee klemmen en 1 volt = 1 joule per coulomb.

Door een geleider (zoals een draad) op beide polen van een batterij aan te sluiten, ontstaat een circuit, waar een elektrische stroom omheen vloeit. De stroom wordt gemeten in ampère, wat coulombs (gratis) per seconde betekent.

Elke geleider heeft elektrische "weerstand", wat de weerstand van het materiaal tegen de stroomstroom betekent. Weerstand wordt gemeten in ohm (Ω), en een geleider met een weerstand van 1 ohm aangesloten over een spanning van 1 volt zou een stroom van 1 ampère mogelijk maken.

De relatie tussen deze is ingekapseld door de wet van Ohm:

In woorden: "spanning is gelijk aan stroom vermenigvuldigd met weerstand."

De twee belangrijkste soorten circuits onderscheiden zich door de manier waarop componenten erin zijn gerangschikt.

Een eenvoudige definitie van een serieschakeling is: "Een circuit met de componenten in een rechte lijn gerangschikt, zodat alle stroom op zijn beurt door elk onderdeel stroomt." Als je hebt een basisluscircuit gemaakt met een batterij die is aangesloten op twee weerstanden, en dan een verbinding hebt die terugloopt naar de batterij, de twee weerstanden zouden in serie. Dus de stroom zou van de positieve pool van de batterij gaan (volgens conventie behandel je stroom alsof het) komt uit het positieve uiteinde) naar de eerste weerstand, van die naar de tweede weerstand en dan terug naar de accu.

Een parallelschakeling is anders. Een circuit met twee parallelle weerstanden zou in twee sporen worden gesplitst, met op elk een weerstand. Wanneer de stroom een ​​knooppunt bereikt, moet dezelfde hoeveelheid stroom die het knooppunt binnenkomt ook het knooppunt verlaten. Dit wordt het behoud van lading genoemd, of specifiek voor elektronica, de huidige wet van Kirchhoff. Als de twee paden dezelfde weerstand hebben, zal er een gelijke stroom naar beneden vloeien, dus als 6 ampère stroom een ​​kruispunt bereikt met gelijke weerstand op beide paden, zal er elk 3 ampère naar beneden stromen. De paden komen dan weer samen voordat ze opnieuw worden aangesloten op de batterij om het circuit te voltooien.

Het berekenen van de totale weerstand van meerdere weerstanden benadrukt het onderscheid tussen serie vs. parallelle circuits. Voor een serieschakeling is de totale weerstand (R​_totaal) is slechts de som van de individuele weerstanden, dus:

Het feit dat het een serieschakeling is, betekent dat de totale weerstand op het pad slechts de som is van de individuele weerstanden erop.

Stel je voor een oefenprobleem een ​​serieschakeling voor met drie weerstanden:R​₁ = 2 Ω, ​R​₂ = 4 Ω enR​₃ = 6 Ω. Bereken de totale weerstand in het circuit.

Dit is gewoon de som van de individuele weerstanden, dus de oplossing is:

Voor parallelle circuits, de berekening vanR​_totaal ligt wat ingewikkelder. De formule is:

Onthoud dat deze formule je het omgekeerde van de weerstand geeft (d.w.z. één gedeeld door de weerstand). Dus je moet één door het antwoord delen om de totale weerstand te krijgen.

Stel je voor dat diezelfde drie weerstanden van vroeger in plaats daarvan parallel waren gerangschikt. De totale weerstand zou worden gegeven door:

Maar dit is 1 /R​_totaal, dus het antwoord is:

Je kunt alle schakelingen opsplitsen in combinaties van serie- en parallelschakelingen. Een aftakking van een parallelle schakeling kan drie componenten in serie hebben en een schakeling kan zijn samengesteld uit een reeks van drie parallelle, vertakkende secties op een rij.

Het oplossen van dit soort problemen betekent gewoon dat je het circuit opdeelt in secties en ze op hun beurt uitwerkt. Overweeg een eenvoudig voorbeeld, waarbij er drie takken op een parallelle schakeling zijn, maar aan een van die takken is een reeks van drie weerstanden bevestigd.

De truc om het probleem op te lossen is om de serieweerstandsberekening op te nemen in de grotere voor het hele circuit. Voor een parallelle schakeling moet je de uitdrukking gebruiken:

Maar de eerste takR​₁, is eigenlijk gemaakt van drie verschillende weerstanden in serie. Dus als je je hier eerst op concentreert, weet je dat:

Stel je voor datR​₄ = 12 Ω, ​R​₅ = 5 Ω enR​₆ = 3 Ω. De totale weerstand is:

Met dit resultaat voor de eerste tak kun je verder gaan met het hoofdprobleem. Met een enkele weerstand op elk van de resterende paden, zeg dat:R​₂ = 40 Ω enR​₃ = 10 Ω. U kunt nu berekenen:

Dus dat betekent:

Weerstand is veel gemakkelijker te berekenen op een serieschakeling dan op een parallelle schakeling, maar dat is niet altijd het geval. De vergelijkingen voor capaciteit (C) in serie en parallelle circuits werken in principe andersom. Voor een serieschakeling heb je een vergelijking voor de reciproke capaciteit, dus je berekent de totale capaciteit (C​_totaal) met:

En dan moet je een delen door dit resultaat om te vindenC​_totaal.

Voor een parallelle schakeling heb je een eenvoudigere vergelijking:

De basisbenadering voor het oplossen van problemen met series vs. parallelle circuits is hetzelfde.