Definition av en enkel elektrisk seriekrets

Att lära känna elektronikens grunder innebär att förstå kretsar, hur de fungerar och hur man beräknar saker som det totala motståndet kring olika typer av kretsar. Verkliga kretsar kan bli komplicerade, men du kan förstå dem med de grundläggande kunskaper du hämtar från enklare, idealiserade kretsar.

De två huvudtyperna av kretsar är serier och parallella. I en seriekrets är alla komponenter (såsom motstånd) ordnade i en linje, med en enda trådslinga som utgör kretsen. En parallell krets delas upp i flera banor med en eller flera komponenter på vardera. Att beräkna seriekretsar är enkelt, men det är viktigt att förstå skillnaderna och hur man arbetar med båda typerna.

El flyter bara i kretsar. Med andra ord behöver den en fullständig slinga för att något ska fungera. Om du bryter slingan med en strömbrytare slutar strömmen att strömma och ditt ljus (till exempel) kommer att stängas av. En enkel kretsdefinition är en sluten slinga av en ledare som elektroner kan färdas runt, vanligtvis bestående av en effekt källa (till exempel ett batteri) och en elektrisk komponent eller enhet (som ett motstånd eller en glödlampa) och ledningskabel.

Du måste lära dig grundläggande terminologi för att förstå hur kretsar fungerar, men du känner till de flesta termerna från det dagliga livet.

En "spänningsskillnad" är en term för skillnaden i elektrisk potentialenergi mellan två platser, per laddningsenhet. Batterier fungerar genom att skapa en potentialskillnad mellan sina två terminaler, vilket gör att en ström kan strömma från den ena till den andra när de är anslutna i en krets. Potentialen vid ett tillfälle är tekniskt spänningen, men skillnader i spänning är det viktigaste i praktiken. Ett 5-volts batteri har en potentialskillnad på 5 volt mellan de två terminalerna och 1 volt = 1 joule per coulomb.

Att ansluta en ledare (som en ledning) till båda polerna på ett batteri skapar en krets med en elektrisk ström som flyter runt den. Strömmen mäts i ampere, vilket betyder coulomb (avgift) per sekund.

Varje ledare kommer att ha elektriskt "motstånd", vilket betyder materialets motstånd mot strömflödet. Motstånd mäts i ohm (Ω), och en ledare med 1 ohm motstånd ansluten över en spänning på 1 volt skulle tillåta en ström på 1 amp.

Förhållandet mellan dessa är inkapslat av Ohms lag:

Med ord är "spänning lika med ström multiplicerad med motstånd."

De två huvudtyperna av kretsar kännetecknas av hur komponenterna är ordnade i dem.

En enkel seriekretsdefinition är, "En krets med komponenterna ordnade i en rak linje, så all ström flyter igenom varje komponent i tur och ordning." Om du skapade en grundläggande slingkrets med ett batteri anslutet till två motstånd och sedan har en anslutning som går tillbaka till batteriet, de två motstånden skulle vara i serier. Så strömmen skulle gå från batteriets positiva terminal (enligt konvention behandlar du ström som om den fram från den positiva änden) till det första motståndet, från det till det andra motståndet och sedan tillbaka till det batteri.

En parallell krets är annorlunda. En krets med två motstånd parallellt skulle delas i två spår med ett motstånd på vardera. När strömmen når en korsning måste samma mängd ström som går in i korsningen också lämna korsningen. Detta kallas bevarande av laddning, eller specifikt för elektronik, Kirchhoffs nuvarande lag. Om de två vägarna har samma motstånd kommer en lika ström att strömma ner dem, så om 6 ampere med ström når en korsning med lika motstånd på båda vägarna, kommer 3 ampere att strömma ner var och en. Banorna sammanfogas sedan innan de återansluts till batteriet för att slutföra kretsen.

Beräkning av det totala motståndet från flera motstånd betonar skillnaden mellan serie vs. parallella kretsar. För en seriekrets är det totala motståndet (R​_total) är bara summan av de enskilda motstånden, så:

Det faktum att det är en seriekrets betyder att det totala motståndet på banan bara är summan av de individuella motstånden på den.

För ett träningsproblem, tänk dig en seriekrets med tre motstånd:R​₁ = 2 Ω, ​R​₂ = 4 Ω ochR​₃ = 6 Ω. Beräkna det totala motståndet i kretsen.

Detta är helt enkelt summan av de enskilda motstånden, så lösningen är:

För parallella kretsar beräknasR​_total är lite mer komplicerat. Formeln är:

Kom ihåg att denna formel ger dig det ömsesidiga motståndet (dvs. en delad av motståndet). Så du måste dela en med svaret för att få det totala motståndet.

Tänk dig att samma tre motstånd från tidigare var ordnade parallellt istället. Det totala motståndet skulle ges av:

Men det här är 1 /R​_total, så är svaret:

Du kan dela upp alla kretsar i kombinationer av serier och parallella kretsar. En gren av en parallell krets kan ha tre komponenter i serie, och en krets kan bestå av en serie av tre parallella, förgrenade sektioner i rad.

Att lösa problem som detta betyder bara att bryta ner kretsen i sektioner och utarbeta dem i sin tur. Tänk på ett enkelt exempel, där det finns tre grenar på en parallell krets, men en av dessa grenar har en serie med tre motstånd anslutna.

Tricket för att lösa problemet är att införliva seriemotståndsberäkningen i den större för hela kretsen. För en parallell krets måste du använda uttrycket:

Men den första grenen,R​₁, är faktiskt tillverkad av tre olika motstånd i serie. Så om du fokuserar på detta först vet du att:

Tänk dig attR​₄ = 12 Ω, ​R​₅ = 5 Ω ochR​₆ = 3 Ω. Det totala motståndet är:

Med detta resultat för den första grenen kan du gå vidare till huvudproblemet. Med ett enda motstånd på var och en av de återstående vägarna, säg detR​₂ = 40 Ω ochR​₃ = 10 Ω. Du kan nu beräkna:

Så det betyder:

Motstånd är mycket lättare att beräkna på en seriekrets än en parallell krets, men det är inte alltid fallet. Ekvationerna för kapacitans (C) i serie och parallella kretsar fungerar i princip tvärtom. För en seriekrets har du en ekvation för kapacitansens ömsesidighet, så du beräknar den totala kapacitansen (C​_total) med:

Och sedan måste du dela en med detta resultat för att hittaC​_total.

För en parallell krets har du en enklare ekvation:

Men den grundläggande metoden för att lösa problem med serier vs. parallella kretsar är desamma.