Czym różni się obwód równoległy od obwodu szeregowego?

Obwody elektryczne używane w codziennej elektronice i urządzeniach mogą wydawać się mylące. Ale zrozumienie podstawowych zasad elektryczności i magnetyzmu, które powodują, że działają, może pomóc ci zrozumieć, jak różne obwody różnią się od siebie.

Aby zacząć wyjaśniać różnicę między połączeniami szeregowymi i równoległymi w obwodach, należy najpierw zrozumieć, czym różnią się od siebie obwody równoległe i szeregowe.Obwody równoległeużywaj gałęzi, które mają różne elementy obwodu, między innymi rezystory, cewki indukcyjne, kondensatory lub inne elementy elektryczne.

​Obwody szeregowe, natomiast ułóż wszystkie ich elementy w jedną, zamkniętą pętlę. To znaczy żeobecny, przepływ ładunku w obwodzie, orazNapięcie, siła elektromotoryczna, która powoduje przepływ prądu, pomiary między obwodami równoległymi i szeregowymi również się różnią.

Obwody równoległe są zwykle używane w scenariuszach, w których wiele urządzeń zależy od jednego źródła zasilania. Gwarantuje to, że mogą zachowywać się niezależnie od siebie, tak że jeśli jeden przestanie pracować, inni będą kontynuować pracę. Lampy wykorzystujące wiele żarówek mogą używać każdej żarówki równolegle ze sobą, dzięki czemu każda z nich może świecić niezależnie od siebie. Gniazda elektryczne w gospodarstwach domowych zazwyczaj wykorzystują jeden obwód do obsługi różnych urządzeń.

Chociaż obwody równoległe i szeregowe różnią się od siebie, możesz użyć tych samych zasad elektryczności, aby zbadać ich prąd, napięcie iodporność, zdolność elementu obwodu do przeciwstawiania się przepływowi ładunku.

W przypadku przykładów obwodów równoległych i szeregowych można śledzićDwie zasady Kirchhoffa. Po pierwsze, zarówno w obwodzie szeregowym, jak i równoległym, można ustawić sumę spadków napięcia na wszystkich elementach w zamkniętej pętli równą zero. Drugą zasadą jest to, że możesz również wziąć dowolny węzeł lub punkt w obwodzie i ustawić sumy prądu wchodzącego do tego punktu równe sumie prądu opuszczającego ten punkt.

W obwodach szeregowych prąd jest stały w całej pętli, dzięki czemu można zmierzyć prąd pojedynczego składnika w obwodzie szeregowym w celu określenia prądu wszystkich elementów obwodu. W obwodach równoległych spadki napięcia na każdej gałęzi są stałe.

W obu przypadkach używaszPrawo Ohma​ ​V = IRdla napięciaV(w woltach), prądja(w amperach lub amperach) i rezystancjiR(w omach) dla każdego komponentu lub dla całego obwodu. Gdybyś znał na przykład prąd w obwodzie szeregowym, mógłbyś obliczyć napięcie, sumując rezystancje i mnożąc prąd przez całkowitą rezystancję.

​Podsumowując oporyróżni się między przykładami obwodów równoległych i szeregowych. Jeśli masz obwód szeregowy z różnymi rezystorami, możesz zsumować rezystancje, dodając każdą wartość rezystora, aby uzyskaćcałkowity opór, podane przez równanie

dla każdego rezystora.

W obwodach równoległych rezystancja w każdej gałęzi sumuje się doodwrotność całkowitego oporudodając ich odwrotności. Innymi słowy, opór dla obwodu równoległego jest wyrażony przez

dla każdego rezystora równolegle, aby przedstawić różnicę między szeregową i równoległą kombinacją rezystorów.

Te różnice w sumowaniu rezystancji zależą od wewnętrznych właściwości rezystancji. Opór reprezentuje sprzeciw elementu obwodu wobec przepływu ładunku. Jeśli ładunek miałby płynąć w zamkniętej pętli obwodu szeregowego, istnieje tylko jeden kierunek przepływu prądu, a przepływ ten nie jest dzielony ani sumowany przez zmiany ścieżek przepływu prądu.

Oznacza to, że na każdym rezystorze przepływ ładunku pozostaje stały, a napięcie, ile potencjału ładunek jest dostępny w każdym punkcie, różni się, ponieważ każdy rezystor dodaje coraz większą rezystancję do tej ścieżki obecny.

Z drugiej strony, jeśli prąd ze źródła napięciowego, takiego jak bateria, miałby wiele ścieżek do przejęcia, rozdzieliłby się tak, jak w przypadku obwodu równoległego. Ale, jak wspomniano wcześniej, ilość prądu wchodzącego do danego punktu musi być równa ilości prądu wypływającego.

Zgodnie z tą zasadą, jeśli prąd miałby rozgałęziać się na różne ścieżki z ustalonego punktu, powinien być równy prądowi, który ponownie wchodzi do jednego punktu na końcu każdego odgałęzienia. Jeśli rezystancje na każdej gałęzi różnią się, to sprzeciw wobec każdej ilości prądu jest różny, a to prowadziłoby do różnic w spadkach napięcia na równoległych gałęziach obwodów.

Wreszcie, niektóre obwody mają elementy, które są zarówno równoległe, jak i szeregowe. Analizując tehybrydy szeregowo-równoległe, należy traktować obwód jako szeregowy lub równoległy, w zależności od tego, jak są połączone. Pozwala to na ponowne narysowanie całego obwodu przy użyciu równoważnych obwodów, jednego z komponentów szeregowo, a drugiego równolegle. Następnie użyj reguł Kirchhoffa zarówno dla obwodu szeregowego, jak i równoległego.

Korzystając z reguł Kirchhoffa i natury obwodów elektrycznych, możesz wymyślić ogólną metodę podejścia do wszystkich obwodów, niezależnie od tego, czy są połączone szeregowo, czy równolegle. Najpierw oznacz każdy punkt na schemacie literami A, B, C,... aby ułatwić wskazywanie każdego punktu.

Zlokalizuj złącza, do których są podłączone trzy lub więcej przewodów, i oznacz je, używając prądów wpływających i wypływających z nich. Określ pętle w obwodach i napisz równania opisujące, jak napięcia sumują się do zera w każdej zamkniętej pętli.

Przykłady obwodów równoległych i szeregowych różnią się również innymi elementami elektrycznymi. Oprócz prądu, napięcia i rezystancji istnieją kondensatory, cewki indukcyjne i inne elementy, które różnią się w zależności od tego, czy są połączone równolegle, czy szeregowo. Różnice między typami obwodów zależą również od tego, czy źródło napięcia wykorzystuje prąd stały (DC) czy prąd przemienny (AC).

Obwody prądu stałego umożliwiają przepływ prądu w jednym kierunku, podczas gdy obwody prądu przemiennego zmieniają prąd między kierunkami do przodu i do tyłu w regularnych odstępach czasu i przyjmują postać fali sinusoidalnej. Do tej pory przykładami były obwody prądu stałego, ale ta sekcja koncentruje się na obwodach prądu przemiennego.

W obwodach prądu przemiennego naukowcy i inżynierowie odnoszą się do zmieniającej się rezystancji jakoimpedancja, a to może tłumaczyćkondensatory, elementy obwodu, które przechowują ładunek w czasie, orazcewki indukcyjne, elementy obwodu, które wytwarzają pole magnetyczne w odpowiedzi na prąd w obwodzie. W obwodach prądu przemiennego impedancja zmienia się w czasie zgodnie z poborem prądu przemiennego, podczas gdy całkowita rezystancja jest sumą elementów rezystora, która pozostaje stała w czasie. To sprawia, że ​​rezystancja i impedancja są różne.

Obwody prądu przemiennego opisują również, czy kierunek prądu jest w fazie między elementami obwodu. Jeśli dwa elementy sąw fazie, wtedy fala prądów elementów są ze sobą zsynchronizowane. Te przebiegi pozwalają obliczyćdługość fali, odległość pełnego cyklu fali,częstotliwość, liczba fal, które przechodzą przez dany punkt w ciągu sekundy, orazamplituda, wysokość fali dla obwodów prądu przemiennego.

Mierzysz impedancję szeregowego obwodu prądu przemiennego za pomocą

dlaimpedancja kondensatora​ ​X_doiimpedancja cewki indukcyjnej​ ​X​_L ponieważ impedancje, traktowane jak rezystancje, są sumowane liniowo, tak jak w przypadku obwodów prądu stałego.

Powodem, dla którego używasz różnicy między impedancjami cewki indukcyjnej i kondensatora zamiast ich sumy, jest to, że te dwa elementy obwodu zmieniają się, ile prądu i napięcia mają w czasie ze względu na wahania napięcia AC źródło.

Te obwody sąObwody RLCjeśli zawierają rezystor (R), cewkę (L) i kondensator (C). Równoległe obwody RLC sumują rezystancje jako

w ten sam sposób rezystory połączone równolegle są sumowane za pomocą ich odwrotności, a ta wartość1/Zjest również znany jakowstępobwodu.

W obu przypadkach możesz zmierzyć impedancje jakoX_do = 1/ωCiX_L = ωLdla częstotliwości kątowej „omega” ω, pojemnośćdo(w Faradach) i indukcyjnościL(w Henrach).

Pojemnośćdomoże być powiązany z napięciem, ponieważC = Q/VlubV = Q/Cdo ładowania na kondensatorzeQ(w kulombach) i napięcie kondensatoraV(w woltach). Indukcyjność odnosi się do napięcia, jakV = LdI/dtna zmianę prądu w czasiedI/dt, napięcie cewki indukcyjnejVi indukcyjnośćL. Użyj tych równań, aby rozwiązać prąd, napięcie i inne właściwości obwodów RLC.

Chociaż można zsumować napięcia wokół zamkniętej pętli jako równe zero w obwodzie równoległym, sumowanie prądów jest bardziej skomplikowane. Zamiast ustawiać sumę samych bieżących wartości, które wchodzą do węzła równe sumie bieżących wartości opuszczających węzeł, należy użyć kwadratów każdego prądu.

W przypadku równoległego obwodu RLC, prąd na kondensatorze i cewce indukcyjnej jako

dla prądu zasilaniaja_S, prąd rezystoraja_R, prąd induktoraja_Li prąd kondensatoraja​_do stosując te same zasady do sumowania wartości impedancji.

W obwodach RLC można obliczyć kąt fazowy, jak przesunięty jest jeden element obwodu od drugiego, używając równania na kąt fazowy „phi”Φtak jakΦ = tan^-1((X_L -X_do)/R)w którymdębnik​​^-1 ()reprezentuje funkcję odwrotną styczną, która jako dane wejściowe przyjmuje proporcję i zwraca odpowiedni kąt.

W obwodach szeregowych kondensatory są sumowane za pomocą ich odwrotności jako

natomiast cewki indukcyjne są sumowane liniowo jako

dla każdej cewki indukcyjnej. Równolegle obliczenia są odwrócone. W przypadku obwodu równoległego kondensatory sumowane są liniowo

a cewki indukcyjne są sumowane za pomocą ich odwrotności

dla każdej cewki indukcyjnej.

Kondensatory działają poprzez pomiar różnicy ładunku między dwiema płytkami, które są oddzielone od siebie materiałem dielektrycznym, który zmniejsza napięcie, jednocześnie zwiększając pojemność. Naukowcy i inżynierowie również mierzą pojemnośćdotak jakC = ε₀ε_rOgłoszeniez „epsilon nic” ε₀ jako wartość przenikalności dla powietrza, która wynosi 8,84 x 10-12 F/m.ε_rjest przenikalnością medium dielektrycznego zastosowanego między dwiema płytkami kondensatora. Równanie zależy również od powierzchni płytekZAw mln² i odległość między płytamirew m.