Zapoznanie się z podstawami elektroniki oznacza zrozumienie obwodów, sposobu ich działania i sposobu obliczania takich rzeczy, jak całkowita rezystancja wokół różnych typów obwodów. Obwody w świecie rzeczywistym mogą się komplikować, ale możesz je zrozumieć dzięki podstawowej wiedzy, którą wyniesiesz z prostszych, wyidealizowanych obwodów.
Dwa główne typy obwodów to szeregowe i równoległe. W obwodzie szeregowym wszystkie komponenty (takie jak rezystory) są ułożone w linii, z pojedynczą pętlą drutu tworzącą obwód. Obwód równoległy dzieli się na wiele ścieżek z jednym lub kilkoma komponentami na każdej. Obliczanie obwodów szeregowych jest łatwe, ale ważne jest, aby zrozumieć różnice i jak pracować z obydwoma typami.
Podstawy obwodów elektrycznych
Energia elektryczna płynie tylko w obwodach. Innymi słowy, aby coś zadziałało, potrzebuje pełnej pętli. Jeśli przerwiesz tę pętlę przełącznikiem, prąd przestanie płynąć, a twoje światło (na przykład) zgaśnie. Prosta definicja obwodu to zamknięta pętla przewodnika, po której mogą przemieszczać się elektrony, zwykle składająca się z mocy źródło (na przykład bateria) i element elektryczny lub urządzenie (takie jak rezystor lub żarówka) oraz przewód przewodzący.
Aby zrozumieć, jak działają obwody, musisz opanować podstawową terminologię, ale większość terminów z życia codziennego jest Ci zaznajomiona.
„Różnica napięcia” to termin określający różnicę w energii potencjalnej między dwoma miejscami na jednostkę ładunku. Baterie działają, tworząc różnicę potencjałów między ich dwoma zaciskami, co umożliwia przepływ prądu z jednego do drugiego, gdy są połączone w obwodzie. Potencjał w jednym punkcie to technicznie napięcie, ale różnice w napięciu są ważne w praktyce. Akumulator 5-woltowy ma różnicę potencjałów wynoszącą 5 woltów między dwoma zaciskami, a 1 wolt = 1 dżul na kulomb.
Podłączenie przewodnika (takiego jak drut) do obu zacisków akumulatora tworzy obwód, w którym przepływa prąd elektryczny. Prąd jest mierzony w amperach, co oznacza kulomby (ładunku) na sekundę.
Każdy przewodnik będzie miał „rezystancję elektryczną”, co oznacza sprzeciw materiału wobec przepływu prądu. Rezystancja jest mierzona w omach (Ω), a przewód o rezystancji 1 om połączony z napięciem 1 wolta pozwala na przepływ prądu o natężeniu 1 ampera.
Związek między nimi jest zawarty w prawie Ohma:
V=IR
Słowem „napięcie równa się prądowi pomnożonemu przez opór”.
Seria a Obwody równoległe
Dwa główne typy obwodów wyróżnia to, w jaki sposób ułożone są w nich komponenty.
Prosta definicja obwodu szeregowego brzmi: „Obwód z komponentami ułożonymi w linii prostej, dzięki czemu cały prąd przepływa po kolei przez każdy komponent”. Gdyby zrobiłeś podstawowy obwód pętli z baterią podłączoną do dwóch rezystorów, a następnie masz połączenie biegnące z powrotem do baterii, dwa rezystory byłyby w seria. Tak więc prąd płynie z dodatniego zacisku akumulatora (umownie traktuje się prąd tak, jakby był) wyłania się z dodatniego końca) do pierwszego rezystora, z tego do drugiego rezystora, a następnie z powrotem do bateria.
Obwód równoległy jest inny. Obwód z dwoma opornikami połączonymi równolegle podzieliłby się na dwie ścieżki, z opornikiem na każdym. Kiedy prąd dociera do skrzyżowania, ta sama ilość prądu, która wpływa do skrzyżowania, musi również opuścić skrzyżowanie. Nazywa się to zachowaniem ładunku, a konkretnie dla elektroniki, obecnym prawem Kirchhoffa. Jeśli obie ścieżki mają jednakową rezystancję, popłynie po nich jednakowy prąd, więc jeśli 6 amperów dotrze do złącza o równej rezystancji na obu ścieżkach, po każdej z nich popłyną 3 ampery. Ścieżki następnie łączą się ponownie przed ponownym podłączeniem do akumulatora, aby zakończyć obwód.
Obliczanie rezystancji dla obwodu szeregowego
Obliczenie całkowitej rezystancji z wielu rezystorów podkreśla różnicę między szeregiem a obwody równoległe. W przypadku obwodu szeregowego całkowita rezystancja (Rcałkowity) to tylko suma poszczególnych oporów, więc:
O_{ogółem}=O_1 + O_2 + O_3 + ...
Fakt, że jest to obwód szeregowy, oznacza, że całkowity opór na ścieżce jest tylko sumą poszczególnych rezystancji na niej.
Aby rozwiązać problem praktyczny, wyobraź sobie obwód szeregowy z trzema rezystancjami:R1 = 2 Ω, R2 = 4 Ω iR3 = 6 Ω. Oblicz całkowity opór w obwodzie.
Jest to po prostu suma poszczególnych oporów, więc rozwiązaniem jest:
\begin{wyrównane} R_{ogółem}&=R_1 + R_2 + R_3 \\ &=2 \; \Omega \; + 4 \; \Omega \; +6 \; \Omega \\ &=12 \; \Omega \end{wyrównany}
Obliczanie rezystancji dla obwodu równoległego
Dla obwodów równoległych obliczenieRcałkowity jest nieco bardziej skomplikowana. Formuła to:
{1 \above{2pt}R_{ogółem}} = {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}
Pamiętaj, że ten wzór podaje odwrotność oporu (tj. jedną podzieloną przez opór). Więc musisz podzielić jeden przez odpowiedź, aby uzyskać całkowity opór.
Wyobraź sobie, że te same trzy oporniki, które były wcześniej, zostały ustawione równolegle. Całkowity opór dawałby wzór:
\begin{aligned} {1 \above{2pt}R_{całkowita}} &= {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}\\ &= {1 \above{2pt}2 \; Ω} + {1 \above{2pt}4 \; Ω} + {1 \above{2pt}6\; Ω}\\ &= {6 \above{2pt}12 \; Ω} + {3 \above{2pt}12 \; Ω} + {2 \above{2pt}12 \; Ω}\\ &= {11 \above{2pt}12Ω}\\ &= 0,917 \; Ω^{-1} \end{wyrównany}
Ale to jest 1 /Rcałkowity, więc odpowiedź brzmi:
\begin{aligned} \ R_{total} &= {1 \above{2pt}0.917 \; Ω^{-1}}\\ &= 1.09 \; \Omega \end{wyrównany}
Jak rozwiązać szeregowy i równoległy obwód kombinowany?
Wszystkie obwody można rozbić na kombinacje obwodów szeregowych i równoległych. Gałąź obwodu równoległego może składać się z trzech elementów połączonych szeregowo, a obwód może składać się z serii trzech równoległych, rozgałęzionych sekcji w rzędzie.
Rozwiązywanie takich problemów oznacza po prostu rozbicie obwodu na sekcje i przepracowanie ich po kolei. Rozważmy prosty przykład, w którym są trzy gałęzie w obwodzie równoległym, ale jedna z tych gałęzi ma dołączoną serię trzech rezystorów.
Sztuczka do rozwiązania problemu polega na włączeniu obliczenia rezystancji szeregowej do większej wartości dla całego obwodu. W przypadku obwodu równoległego musisz użyć wyrażenia:
{1 \above{2pt}R_{ogółem}} = {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}
Ale pierwsza gałąź,R1, w rzeczywistości składa się z trzech różnych rezystorów połączonych szeregowo. Więc jeśli najpierw skupisz się na tym, wiesz, że:
R_1=R_4 + R_5 + R_6
Wyobraź sobie, żeR4 = 12 Ω, R5 = 5 Ω iR6 = 3 Ω. Całkowity opór to:
\begin{wyrównane} R_1&=R_4 + R_5 + R_6 \\ &= 12 \; \Omega \; + 5 \; \Omega \; + 3 \; \Omega \\ &= 20 \; \Omega \end{wyrównany}
Mając taki wynik dla pierwszej gałęzi, możesz przejść do głównego problemu. Z jednym rezystorem na każdej z pozostałych ścieżek, powiedz, żeR2 = 40 Ω iR3 = 10 Ω. Możesz teraz obliczyć:
\begin{aligned} {1 \above{2pt}R_{całkowita}} &= {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}\\ &= {1 \above{2pt}20 \; Ω} + {1 \above{2pt}40 \; Ω} + {1 \above{2pt}10\; Ω}\\ &= {2 \above{2pt}40 \; Ω} + {1 \above{2pt}40 \; Ω} + {4 \above{2pt}40 \; Ω}\\ &= {7 \above{2pt}40 \; Ω}\\ &= 0.175 \; Ω^{-1} \end{wyrównany}
Wiec to znaczy:
\begin{wyrównane} \ R_{całkowite} &= {1 \above{2pt}0.175 \; Ω^{-1}}\\ &= 5.7 \; \Omega \end{wyrównany}
Inne obliczenia
Opór jest znacznie łatwiejszy do obliczenia w obwodzie szeregowym niż w obwodzie równoległym, ale nie zawsze tak jest. Równania na pojemność (do) w obwodach szeregowych i równoległych zasadniczo działają odwrotnie. W przypadku obwodu szeregowego masz równanie na odwrotność pojemności, więc obliczasz całkowitą pojemność (docałkowity) z:
{1 \above{2pt}C_{całkowita}} = {1 \above{2pt}C_1} + {1 \above{2pt}C_2} + {1 \above{2pt}C_3} + ...
A potem musisz podzielić jeden przez ten wynik, aby znaleźćdocałkowity.
Dla obwodu równoległego masz prostsze równanie:
C_{ogółem} = C_1 + C_2 + C_3 + ...
Jednak podstawowe podejście do rozwiązywania problemów z szeregami vs. obwody równoległe są takie same.