วงจรขนานแตกต่างจากวงจรอนุกรมอย่างไร?

วงจรไฟฟ้าที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องใช้ในชีวิตประจำวันอาจดูสับสน แต่การเข้าใจหลักการพื้นฐานของไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ทำให้พวกมันทำงาน สามารถช่วยให้คุณเข้าใจว่าวงจรต่างๆ แตกต่างกันอย่างไร

ในการเริ่มอธิบายความแตกต่างระหว่างการเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนานในวงจร คุณควรเข้าใจก่อนว่าวงจรแบบขนานและแบบอนุกรมแตกต่างกันอย่างไรวงจรขนานใช้กิ่งก้านที่มีองค์ประกอบวงจรต่างกัน ไม่ว่าจะเป็นตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ หรือองค์ประกอบทางไฟฟ้าอื่นๆ

​วงจรอนุกรมในทางตรงกันข้าม ให้จัดเรียงองค์ประกอบทั้งหมดเป็นวงปิดเดียว หมายความว่าปัจจุบัน, การไหลของประจุในวงจร และแรงดันไฟฟ้าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ทำให้กระแสไหล การวัดระหว่างวงจรขนานและวงจรอนุกรมแตกต่างกันเช่นกัน

โดยทั่วไปแล้ววงจรขนานจะใช้ในสถานการณ์ที่อุปกรณ์หลายตัวขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานเดียว สิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าพวกเขาสามารถประพฤติตนเป็นอิสระจากกันเพื่อที่ว่าถ้าคนใดคนหนึ่งหยุดทำงานคนอื่นก็จะทำงานต่อไป ไฟที่ใช้หลอดไฟหลายหลอดสามารถใช้หลอดไฟแต่ละหลอดขนานกันได้ ดังนั้นแต่ละหลอดจึงสามารถให้แสงสว่างแยกจากกันได้ ปลั๊กไฟในครัวเรือนมักใช้วงจรเดียวเพื่อจัดการกับอุปกรณ์ต่างๆ

แม้ว่าวงจรขนานและวงจรอนุกรมจะต่างกัน แต่คุณสามารถใช้หลักการไฟฟ้าเดียวกันเพื่อตรวจสอบกระแส แรงดัน และแนวต้านซึ่งเป็นความสามารถขององค์ประกอบวงจรในการต่อต้านการไหลของประจุ

สำหรับตัวอย่างวงจรทั้งแบบขนานและแบบอนุกรม คุณสามารถทำตามกฎสองข้อของ Kirchhoff. อย่างแรกคือ คุณสามารถตั้งค่าผลรวมของแรงดันตกคร่อมองค์ประกอบทั้งหมดในวงจรปิดให้เท่ากับศูนย์ได้ กฎข้อที่สองคือคุณสามารถใช้โหนดหรือจุดใดก็ได้ในวงจรและตั้งค่าผลรวมของกระแสที่เข้าสู่จุดนั้นเท่ากับผลรวมของกระแสที่ออกจากจุดนั้น

ในวงจรอนุกรม กระแสจะคงที่ตลอดวงจร คุณจึงสามารถวัดกระแสของส่วนประกอบเดียวในวงจรอนุกรมเพื่อกำหนดกระแสขององค์ประกอบทั้งหมดของวงจรได้ ในวงจรคู่ขนาน แรงดันตกคร่อมแต่ละกิ่งจะคงที่

ในทั้งสองกรณี คุณใช้กฎของโอห์ม​ ​วี = IRสำหรับแรงดันไฟฟ้าวี(เป็นโวลต์) ปัจจุบันผม(เป็นแอมป์หรือแอมแปร์) และความต้านทานR(เป็นโอห์ม) สำหรับแต่ละส่วนประกอบหรือสำหรับวงจรทั้งหมดเอง ตัวอย่างเช่น ถ้าคุณรู้ เช่น กระแสในวงจรอนุกรม คุณสามารถคำนวณแรงดันไฟฟ้าโดยสรุปค่าความต้านทานและคูณกระแสด้วยความต้านทานทั้งหมด

​สรุปแนวต้านแตกต่างกันไปตามตัวอย่างวงจรขนานและอนุกรม หากคุณมีวงจรอนุกรมที่มีตัวต้านทานต่างกัน คุณสามารถสรุปค่าความต้านทานได้โดยการเพิ่มค่าตัวต้านทานแต่ละตัวเพื่อให้ได้ค่าแนวต้านทั้งหมด, กำหนดโดยสมการ

สำหรับตัวต้านทานแต่ละตัว

ในวงจรคู่ขนาน ความต้านทานข้ามแต่ละสาขาจะรวมเป็นผกผันของความต้านทานรวมโดยการเพิ่มผกผัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความต้านทานสำหรับวงจรคู่ขนานถูกกำหนดโดย

สำหรับตัวต้านทานแต่ละตัวแบบขนานเพื่อแสดงความแตกต่างระหว่างตัวต้านทานแบบอนุกรมและแบบขนาน

ความแตกต่างในการรวมความต้านทานเหล่านี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่แท้จริงของความต้านทาน ความต้านทานแสดงถึงความขัดแย้งขององค์ประกอบวงจรต่อการไหลของประจุ ถ้าประจุจะไหลในวงจรปิดของวงจรอนุกรม มีเพียงทิศทางเดียวสำหรับกระแสที่จะไหล และการไหลนี้จะไม่ถูกแบ่งหรือสรุปโดยการเปลี่ยนแปลงในเส้นทางสำหรับกระแสไหล

ซึ่งหมายความว่า ในทุกตัวต้านทาน การไหลของประจุยังคงที่และแรงดันไฟฟ้า ศักย์ของ. เท่าใด ประจุมีให้ในแต่ละจุด ต่างกันเพราะตัวต้านทานแต่ละตัวเพิ่มความต้านทานมากขึ้นเรื่อยๆ ให้กับเส้นทางนี้ของ ปัจจุบัน.

ในทางกลับกัน หากกระแสจากแหล่งจ่ายแรงดัน เช่น แบตเตอรี่มีหลายเส้นทาง ก็จะแยกออกเป็นวงจรคู่ขนาน แต่ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ปริมาณกระแสที่เข้าสู่จุดที่กำหนดจะต้องเท่ากับกระแสที่ไหลออก

ตามกฎนี้ หากกระแสถูกแยกออกเป็นเส้นทางต่าง ๆ จากจุดคงที่ มันควรจะเท่ากับกระแสที่กลับเข้าสู่จุดเดียวที่ส่วนท้ายของแต่ละกิ่ง หากความต้านทานในแต่ละสาขาต่างกัน ค่าที่ตรงกันข้ามกับกระแสแต่ละจำนวนจะต่างกัน และจะนำไปสู่ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมสาขาของวงจรคู่ขนาน

สุดท้าย บางวงจรมีองค์ประกอบที่ทั้งแบบขนานและแบบอนุกรม เมื่อวิเคราะห์สิ่งเหล่านี้ลูกผสมแบบคู่ขนานคุณควรถือว่าวงจรเป็นแบบอนุกรมหรือขนานกัน ขึ้นอยู่กับว่าเชื่อมต่ออย่างไร วิธีนี้ช่วยให้คุณวาดวงจรโดยรวมใหม่โดยใช้วงจรสมมูล หนึ่งในส่วนประกอบในอนุกรมและอีกวงจรหนึ่งขนานกัน จากนั้นใช้กฎของ Kirchhoff กับทั้งอนุกรมและวงจรขนาน

ด้วยการใช้กฎของ Kirchhoff และธรรมชาติของวงจรไฟฟ้า คุณสามารถสร้างวิธีการทั่วไปในการเข้าถึงทุกวงจรได้ไม่ว่าจะอยู่ในอนุกรมหรือขนาน ขั้นแรก ติดป้ายแต่ละจุดในแผนภาพวงจรด้วยตัวอักษร A, B, C,... เพื่อให้ง่ายต่อการระบุแต่ละจุด

หาทางแยกที่มีสายไฟตั้งแต่สามเส้นขึ้นไปเชื่อมต่อกัน และติดป้ายโดยใช้กระแสที่ไหลเข้าและออก กำหนดลูปในวงจรและเขียนสมการโดยอธิบายว่าแรงดันไฟฟ้ารวมเป็นศูนย์ได้อย่างไรในแต่ละวงปิด

ตัวอย่างวงจรขนานและอนุกรมต่างกันในองค์ประกอบทางไฟฟ้าอื่นๆ เช่นกัน นอกจากกระแส แรงดัน และความต้านทานแล้ว ยังมีตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ และองค์ประกอบอื่นๆ ที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับว่าอยู่ในแบบขนานหรือแบบอนุกรม ความแตกต่างระหว่างประเภทของวงจรยังขึ้นอยู่กับว่าแหล่งจ่ายแรงดันใช้กระแสตรง (DC) หรือกระแสสลับ (AC)

วงจร DC ปล่อยให้กระแสไหลไปในทิศทางเดียวในขณะที่วงจรไฟฟ้ากระแสสลับสลับกระแสระหว่างทิศทางไปข้างหน้าและย้อนกลับตามช่วงเวลาปกติและอยู่ในรูปของคลื่นไซน์ ตัวอย่างจนถึงตอนนี้คือวงจร DC แต่ส่วนนี้เน้นที่วงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรอ้างถึงความต้านทานที่เปลี่ยนไปเป็นอิมพีแดนซ์, และสิ่งนี้สามารถอธิบายได้สำหรับตัวเก็บประจุ, ส่วนประกอบวงจรที่เก็บประจุตามเวลา และตัวเหนี่ยวนำ, องค์ประกอบของวงจรที่สร้างสนามแม่เหล็กตามกระแสในวงจร ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ อิมพีแดนซ์จะผันผวนตามเวลาตามอินพุตของไฟ AC ในขณะที่ความต้านทานรวมคือผลรวมขององค์ประกอบตัวต้านทาน ซึ่งยังคงที่ตลอดเวลา ทำให้ปริมาณความต้านทานและอิมพีแดนซ์แตกต่างกัน

วงจรไฟฟ้ากระแสสลับยังอธิบายว่าทิศทางของกระแสอยู่ในเฟสระหว่างองค์ประกอบวงจรหรือไม่ ถ้าสององค์ประกอบคือในเฟสจากนั้นคลื่นของกระแสขององค์ประกอบจะประสานกัน รูปคลื่นเหล่านี้ให้คุณคำนวณได้ความยาวคลื่น, ระยะทางของวัฏจักรคลื่นเต็ม,ความถี่, จำนวนคลื่นที่ผ่านจุดที่กำหนดในแต่ละวินาที และแอมพลิจูด, ความสูงของคลื่นสำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

คุณวัดอิมพีแดนซ์ของวงจรไฟฟ้ากระแสสลับแบบอนุกรมโดยใช้

สำหรับอิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุ​ ​X_คและอิมพีแดนซ์ตัวเหนี่ยวนำ​ ​X​_หลี่ เนื่องจากอิมพีแดนซ์ที่ปฏิบัติเหมือนความต้านทานจะถูกรวมเป็นเส้นตรงเช่นเดียวกับวงจรกระแสตรง

เหตุผลที่คุณใช้ความแตกต่างระหว่างอิมพีแดนซ์ของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแทนผลรวมเป็นเพราะสิ่งเหล่านี้ is องค์ประกอบวงจรสององค์ประกอบผันผวนในกระแสและแรงดันที่พวกมันมีเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากความผันผวนของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ แหล่งที่มา

วงจรเหล่านี้คือวงจร RLCหากมีตัวต้านทาน (R) ตัวเหนี่ยวนำ (L) และตัวเก็บประจุ (C) วงจร RLC แบบขนานจะรวมค่าความต้านทานเป็น

วิธีเดียวกับที่ตัวต้านทานแบบขนานถูกสรุปโดยใช้อินเวอร์สของพวกมัน และค่านี้1/Zยังเป็นที่รู้จักกันในนามการรับเข้าของวงจร

ในทั้งสองกรณี คุณสามารถวัดอิมพีแดนซ์เป็นX_ค = 1/ωCและX_หลี่ = ωLสำหรับความถี่เชิงมุม "โอเมก้า" ω, ความจุค(ใน Farads) และการเหนี่ยวนำหลี่(ในเฮนรีส์).

ความจุคสามารถเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าเป็นC = Q/Vหรือวี = Q/Cสำหรับชาร์จตัวเก็บประจุคิว(ในคูลอมบ์) และแรงดันไฟของตัวเก็บประจุวี(เป็นโวลต์). การเหนี่ยวนำเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าเป็นวี = LdI/dtสำหรับการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันเมื่อเวลาผ่านไปdI/dt, แรงดันไฟเหนี่ยวนำวีและการเหนี่ยวนำหลี่. ใช้สมการเหล่านี้เพื่อแก้หากระแส แรงดัน และคุณสมบัติอื่นๆ ของวงจร RLC

แม้ว่าคุณจะสามารถรวมแรงดันไฟฟ้ารอบวงปิดได้เท่ากับศูนย์ในวงจรคู่ขนาน การสรุปกระแสนั้นซับซ้อนกว่า แทนที่จะตั้งค่าผลรวมของค่าปัจจุบันที่ป้อนโหนดเท่ากับผลรวมของค่าปัจจุบันที่ออกจากโหนด คุณต้องใช้กำลังสองของแต่ละกระแส

สำหรับวงจร RLC แบบขนาน กระแสที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเป็น

สำหรับอุปทานในปัจจุบันผม_ส, กระแสต้านทานผม_R, ตัวเหนี่ยวนำปัจจุบันผม_หลี่และกระแสตัวเก็บประจุผม​_ค โดยใช้หลักการเดียวกันในการรวมค่าอิมพีแดนซ์

ในวงจร RLC คุณสามารถคำนวณมุมเฟส ว่าองค์ประกอบวงจรนอกเฟสหนึ่งมาจากอีกวงจรหนึ่งอย่างไร โดยใช้สมการสำหรับมุมเฟส "พี"Φเช่นΦ = แทน^-1((X_หลี่ -X_ค)/อาร์)ซึ่งในtan​​^-1 ()หมายถึงฟังก์ชันแทนเจนต์ผกผันที่ใช้สัดส่วนเป็นอินพุตและส่งกลับค่ามุมที่สอดคล้องกัน

ในวงจรอนุกรม ตัวเก็บประจุจะถูกสรุปโดยใช้อินเวอร์สของพวกมันเป็น

ในขณะที่ตัวเหนี่ยวนำจะสรุปเป็นเส้นตรงเป็น

สำหรับแต่ละตัวเหนี่ยวนำ ในทางกลับกัน การคำนวณจะกลับกัน สำหรับวงจรขนาน ตัวเก็บประจุจะถูกรวมเป็นเส้นตรง

และตัวเหนี่ยวนำถูกสรุปโดยใช้การผกผันของพวกมัน

สำหรับแต่ละตัวเหนี่ยวนำ

ตัวเก็บประจุทำงานโดยการวัดความแตกต่างของประจุระหว่างเพลตสองแผ่นที่คั่นด้วยวัสดุไดอิเล็กทริกระหว่างกัน ซึ่งจะลดแรงดันไฟฟ้าในขณะที่เพิ่มความจุ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรยังวัดความจุด้วยคเช่นC = ε₀ε_rA/dด้วย "epsilon naught" ε₀ ตามค่าความยอมของอากาศซึ่งเท่ากับ 8.84 x 10-12 F/mε_rเป็นค่าการยอมของตัวกลางไดอิเล็กตริกที่ใช้ระหว่างเพลตสองแผ่นของตัวเก็บประจุ สมการยังขึ้นอยู่กับพื้นที่ของแผ่นเปลือกโลกด้วยอาใน m² และระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกdในม.