Как считать сопротивление при параллельном соединении

Как я и обещал в статье про переменные резисторы (ссылка), сегодня речь пойдет о возможных способах соединения, в частности о последовательном соединении резисторов и о параллельном.

Последовательное соединение резисторов

Давайте начнем с рассмотрения цепей, элементы которой соединены последовательно. И хоть мы и будем рассматривать только резисторы в качестве элементов цепи в данной статье, но правила, касающиеся напряжений и токов при разных соединениях, будут справедливы и для других элементов. Итак, первая цепь, которую мы будем разбирать выглядит следующим образом:

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Здесь у нас классический случай последовательного соединения — два последовательно включенных резистора. Но не будем забегать вперед и рассчитывать общее сопротивление цепи, а для начала рассмотрим все напряжения и токи. Итак, первое правило заключается в том, что протекающие по всем проводникам токи при последовательном соединении равны между собой:

  • А для определения общего напряжения при последовательном соединении, напряжения на отдельных элементах необходимо просуммировать:
  • В то же время, по закону Ома для напряжений, сопротивлений и токов в данной цепи справедливы следующие соотношения:
  • Тогда для вычисления общего напряжения можно использовать следующее выражение:

U = U_1 + U_2 = IR_2 + IR_2 = I(R_1 + R_2)

  1. Но для общего напряжения также справедлив закон Ома:
  2. Здесь R_0 — это общее сопротивление цепи, которое исходя из двух формул для общего напряжения равно:
  3. Таким образом, при последовательном соединении резисторов общее сопротивление цепи будет равно сумме сопротивлений всех проводников.
  4. Например, для следующей цепи:

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Общее сопротивление будет равно:

R_0 = R_1 + R_2 + R_3 + R_4 + R_5 + R_6 + R_7 + R_8 + R_9 + R_{10}

Количество элементов значения не имеет, правило, по которому мы определяем общее сопротивление, будет работать в любом случае. А если при последовательном  соединении все сопротивления равны (R_1 = R_2 = … = R), то общее сопротивление цепи составит:

В данной формуле n равно количеству элементов. С последовательным соединением резисторов разобрались, логичным образом переходим к параллельному.

Параллельное соединение резисторов

Как считать сопротивление при параллельном соединении

  • При параллельном соединении напряжения на проводниках равны:
  • А для токов справедливо следующее выражение:
  • То есть общий ток разветвляется на две составляющие, а его значение равно сумме всех составляющих. По закону Ома:

I_1 = frac{U_1}{R_1} = frac{U}{R_1} I_2 = frac{U_2}{R_2} = frac{U}{R_2}

Подставим эти выражения в формулу общего тока:

I = frac{U}{R_1} + frac{U}{R_2} = Umedspace (frac{1}{R1} + frac{1}{R2})

А по закону Ома:

Приравниваем эти выражения и получаем формулу для общего сопротивления цепи:

frac{1}{R_0} = frac{1}{R_1} + frac{1}{R_2}

Данную формулу можно записать и несколько иначе:

R_0 = frac{R_1R_2}{R_1 + R_2}

Таким образом, при параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Аналогичная ситуация будет наблюдаться и при большем количестве проводников, соединенных параллельно:

Как считать сопротивление при параллельном соединении frac{1}{R_0} = frac{1}{R_1} + frac{1}{R_2} + frac{1}{R_3} + frac{1}{R_4} + frac{1}{R_5} + frac{1}{R_6}

Смешанное соединение резисторов

Помимо параллельного и последовательного соединений резисторов существует еще смешанное соединение. Из названия уже понятно, что при таком соединении в цепи присутствуют резисторы, соединенные как параллельно, так и последовательно. Вот пример такой цепи:

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Давайте рассчитаем общее сопротивление. Начнем с резисторов R_1 и R_2 — они соединены параллельно. Мы можем рассчитать общее сопротивление для этих резисторов и заменить их в схеме одним единственным резистором R_{1-2}:

R_{1-2} = frac{R1cdot R2}{R1 + R2} = 1

Теперь у нас образовались две группы последовательно соединенных резисторов:

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Заменим эти две группы двумя резисторами, сопротивление которых равно:

R_{1-2-3} = R_{1-2} + R_3 = 5 Как считать сопротивление при параллельном соединении

Как видите, схема стала уже совсем простой. Заменим группу параллельно соединенных резисторов R_{1-2-3} и R_{4-5}  одним резистором R_{1-2-3-4-5}:

R_{1-2-3-4-5}enspace = frac{R_{1-2-3}medspacecdot R_{4-5}}{R_{1-2-3} + R_{4-5}} = frac{5cdot24}{5 + 24} = 4.14

И в итоге у нас на схеме осталось только два резистора соединенных последовательно:

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Общее сопротивление цепи получилось равным:

R_0 = R_{1-2-3-4-5}medspace +medspace R_6 = 4.14 + 10 = 14.14

Таким вот образом достаточно большая схема свелась к банальнейшему последовательному соединению двух резисторов.

Тут стоит отметить, что некоторые схемы невозможно так просто преобразовать и определить общее сопротивление — для таких схем нужно использовать правила Кирхгофа, о которых мы обязательно поговорим в будущих статьях. А сегодняшняя статья на этом подошла к концу, до скорых встреч на нашем сайте ????

Закон Ома — формулировка простыми словами, определение

Представьте, что есть труба, в которую затолкали камни. Вода, которая протекает по этой трубе, станет течь медленнее, потому что у нее появилось сопротивление. Точно также будет происходить с электрическим током.

Сопротивление — физическая величина, которая показывает способность проводника пропускать электрический ток. Чем выше сопротивление, тем ниже эта способность.

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Теперь сделаем «каменный участок» длиннее, то есть добавим еще камней. Воде будет еще сложнее течь.

Сделаем трубу шире, оставив количество камней тем же — воде полегчает, поток увеличится.

Теперь заменим шероховатые камни, которые мы набрали на стройке, на гладкие камушки из моря. Через них проходить тоже легче, а значит сопротивление уменьшается.

Электрический ток реагирует на эти параметры аналогичным образом: при удлинении проводника сопротивление увеличивается, при увеличении поперечного сечения (ширины) проводника сопротивление уменьшается, а если заменить материал — изменится в зависимости от материала.

Эту закономерность можно описать следующей формулой:

  • Сопротивление
  • R = ρ · l/S
  • R — сопротивление [Ом]
  • l — длина проводника [м]
  • S — площадь поперечного сечения [мм2]
  • ρ — удельное сопротивление [Ом · мм2/м]

Единица измерения сопротивления — ом. Названа в честь физика Георга Ома.

Будьте внимательны!

Площадь поперечного сечения проводника и удельное сопротивление содержат в своих единицах измерения мм2. В таблице удельное сопротивление всегда дается в такой размерности, да и тонкий проводник проще измерять в мм2. При умножении мм2 сокращаются и мы получаем величину в СИ.

Но это не отменяет того, что каждую задачу нужно проверять на то, что там мм2 в обеих величинах! Если это не так, то нужно свести не соответствующую величину к мм2.

СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевод всех величин в метры, килограммы, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение составляет килограмм с приставкой «кило».

Удельное сопротивление проводника — это физическая величина, которая показывает способность материала пропускать электрический ток. Это табличная величина, она зависит только от материала.

Таблица удельных сопротивлений различных материалов

Материал Удельное сопротивлениеρ, Ом · мм2/м
Алюминий 0,028
Бронза 0,095–0,1
Висмут 1,2
Вольфрам 0,05
Железо 0,1
Золото 0,023
Иридий 0,0474
Константан (сплав NiCu + Mn) 0,5
Латунь 0,025–0,108
Магний 0,045
Манганин (сплав меди марганца и никеля — приборный) 0,43–0,51
Медь 0,0175
Молибден 0,059
Нейзильбер (сплав меди, цинка и никеля) 0,2
Натрий 0,047
Никелин (сплав меди и никеля) 0,42
Никель 0,087
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца) 1,05–1,4
Олово 0,12
Платина 0,107
Ртуть 0,94
Свинец 0,22
Серебро 0,015
Сталь 0,103–0,137
Титан 0,6
Хромаль 1,3–1,5
Цинк 0,054
Чугун 0,5–1,0

Резистор

Все реальные проводники имеют сопротивление, но его стараются сделать незначительным. В задачах вообще используют словосочетание «идеальный проводник», а значит лишают его сопротивления.

Из-за того, что проводник у нас «кругом-бегом-такой-идеальный», чаще всего за сопротивление в цепи отвечает резистор. Это устройство, которое нагружает цепь сопротивлением.

Читайте также:  Как параллельно подключить два светильника

Вот так резистор изображается на схемах:

Как считать сопротивление при параллельном соединении

В школьном курсе физики используют европейское обозначение, поэтому запоминаем только его. Американское обозначение можно встретить, например, в программе Micro-Cap, в которой инженеры моделируют схемы.

Вот так резистор выглядит в естественной среде обитания:

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Полосочки на нем показывают его сопротивление.

На сайте компании Ekits, которая занимается продажей электронных модулей, можно выбрать цвет резистора и узнать значение его сопротивления:

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Источник: сайт компании Ekits

О том, зачем дополнительно нагружать сопротивлением цепь, мы поговорим в этой же статье чуть позже.

Реостат

Есть такие выключатели, которые крутишь, а они делают свет ярче-тусклее. В такой выключатель спрятан резистор с переменным сопротивлением — реостат.

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Стрелка сверху — это ползунок. По сути, он отсекает ту часть резистора, которая находится от него справа. То есть, если мы двигаем ползунок вправо — мы увеличиваем длину резистора, а значит и сопротивление. И наоборот — двигаем влево и уменьшаем.

По формуле сопротивления это очень хорошо видно, так как длина проводника находится в числителе:

  1. Сопротивление
  2. R = ρ · l/S
  3. R — сопротивление [Ом]
  4. l — длина проводника [м]
  5. S — площадь поперечного сечения [мм2]
  6. ρ — удельное сопротивление [Ом · мм2/м]

Закон Ома для участка цепи

С камушками в трубе все понятно, но не только же от них зависит сила, с которой поток воды идет по трубе — от насоса, которым мы эту воду качаем, тоже зависит. Чем сильнее качаем, тем больше течение. В электрической цепи функцию насоса выполняет источник тока.

Например, источником может быть гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. В результате этих реакций выделяется энергия, которая потом передается электрической цепи.

У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения, по сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «−».

Как считать сопротивление при параллельном соединении

У нас уже есть две величины, от которых зависит электрический ток в цепи — напряжение и сопротивление. Кажется, пора объединять их в закон.

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Математически его можно описать вот так:

  • Закон Ома для участка цепи
  • I = U/R
  • I — сила тока [A]
  • U — напряжение [В]
  • R — сопротивление [Ом]
  1. Напряжение измеряется в Вольтах и показывает разницу между двумя точками цепи: от этой разницы зависит, насколько сильно будет течь ток — чем больше разница, тем выше напряжение и ток будет течь сильнее.
  2. Сила тока измеряется в амперах, а подробнее о ней вы можете прочитать в нашей статье. ????
  3. Давайте решим несколько задач на закон Ома для участка цепи.
  4. Задача раз
  5. Найти силу тока в лампочке накаливания торшера, если его включили в сеть напряжением 220 В, а сопротивление нити накаливания равно 880 Ом.
  6. Решение:
  7. Возьмем закон Ома для участка цепи:
  8. I = U/R
  9. Подставим значения:
  10. I = 220/880 = 0,25 А
  11. Ответ: сила тока, проходящего через лампочку, равна 0,25 А

Давайте усложним задачу. И найдем силу тока, зная все параметры для вычисления сопротивления и напряжение.

  • Задача два
  • Найти силу тока в лампочке накаливания, если торшер включили в сеть напряжением 220 В, а длина нити накаливания равна 0,5 м, площадь поперечного сечения 0,01 мм2, а удельное сопротивление нити равно 1,05 Ом · мм2/м.
  • Решение:
  • Сначала найдем сопротивление проводника.
  • R = ρ · l/S
  • Площадь дана в мм2, а удельное сопротивления тоже содержит мм2 в размерности.
  • Это значит, что все величины уже даны в СИ и перевод не требуется:
  • R = 1,05 · 0,5/0,01 = 52,5 Ом
  • Теперь возьмем закон Ома для участка цепи:
  • I = U/R
  • Подставим значения:
  • I = 220/52,5 ≃ 4,2 А
  • Ответ: сила тока, проходящего через лампочку, приблизительно равна 4,2 А

А теперь совсем усложним! Определим материал, из которого изготовлена нить накаливания.

  1. Задача три
  2. Из какого материала изготовлена нить накаливания лампочки, если настольная лампа включена в сеть напряжением 220 В, длина нити равна 0,5 м, площадь ее поперечного сечения равна 0,01 мм2, а сила тока в цепи — 8,8 А
  3. Решение:
  4. Возьмем закон Ома для участка цепи и выразим из него сопротивление:
  5. I = U/R
  6. R = U/I
  7. Подставим значения и найдем сопротивление нити:
  8. R = 220/8,8 = 25 Ом
  9. Теперь возьмем формулу сопротивления и выразим из нее удельное сопротивление материала:
  10. R = ρ · l/S
  11. ρ = RS/l
  12. Подставим значения и получим:
  13. ρ = 25 · 0,01/0,5 = 0,5 Ом · мм2/м
  14. Обратимся к таблице удельных сопротивлений материалов, чтобы выяснить, из какого материала сделана эта нить накаливания.
  15. Ответ: нить накаливания сделана из константана.

Закон Ома для полной цепи

Мы разобрались с законом Ома для участка цепи. А теперь давайте узнаем, что происходит, если цепь полная: у нее есть источник, проводники, резисторы и другие элементы.

В таком случае вводится закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Так, стоп. Слишком много незнакомых слов — разбираемся по порядку.

Что такое ЭДС и откуда она берется

ЭДС расшифровывается, как электродвижущая сила. Обозначается греческой буквой ε и измеряется, как и напряжение, в Вольтах.

ЭДС — это сила, которая движет заряженные частицы в цепи. Она берется из источника тока. Например, из батарейки.

Химическая реакция внутри гальванического элемента (это синоним батарейки) происходит с выделением энергии в электрическую цепь. Именно эта энергия заставляет частицы двигаться по проводнику.

Зачастую напряжение и ЭДС приравнивают и говорят, что это одно и то же. Формально, это не так, но при решении задач чаще всего и правда нет разницы, так как эти величины обе измеряются в Вольтах и определяют очень похожие по сути своей процессы.

В виде формулы Закон Ома для полной цепи будет выглядеть следующим образом:

  • Закон Ома для полной цепи
  • I — сила тока [A]
  • ε — ЭДС [В]
  • R — сопротивление нагрузки [Ом]
  • r — внутреннее сопротивление источника [Ом]

Любой источник не идеален. В задачах это возможно («источник считать идеальным», вот эти вот фразочки), но в реальной жизни — точно нет. В связи с этим у источника есть внутреннее сопротивление, которое мешает протеканию тока.

  1. Решим задачу на полную цепь.
  2. Задачка
  3. Найти силу тока в полной цепи, состоящей из одного резистора сопротивлением 3 Ом и источником с ЭДС равной 4 В и внутренним сопротивлением 1 Ом
  4. Решение:
  5. Возьмем закон Ома для полной цепи:
  6. Подставим значения:
  7. A
  8. Ответ: сила тока в цепи равна 1 А.

Когда «сопротивление бесполезно»

Электрический ток — умный и хитрый парень. Если у него есть возможность обойти резистор и пойти по идеальному проводнику без сопротивления, он это сделает. При этом с резисторами просто разных номиналов это не сработает: он не пойдет просто через меньшее сопротивление, а распределится согласно закону Ома — больше тока пойдет туда, где сопротивление меньше, и наоборот.

Читайте также:  Какое зарядное устройство для аккумуляторных батареек выбрать

А вот на рисунке ниже сопротивление цепи равно нулю, потому что ток через резистор не пойдет.

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Ток идет по пути наименьшего сопротивления.

Теперь давайте посмотрим на закон Ома для участка цепи еще раз.

  • Закон Ома для участка цепи
  • I = U/R
  • I — сила тока [A]
  • U — напряжение [В]
  • R — сопротивление [Ом]

Подставим сопротивление, равное 0. Получается, что знаменатель равен нулю, а на математике говорят, что на ноль делить нельзя. Но мы вам раскроем страшную тайну, только не говорите математикам: на ноль делить можно. Если совсем упрощать такое сложное вычисление (а именно потому что оно сложное, мы всегда говорим, что его нельзя производить), то получится бесконечность.

То есть:

I = U/0 = ∞

Такой случай называют коротким замыканием — когда величина силы тока настолько велика, что можно устремить ее к бесконечности. В таких ситуациях мы видим искру, бурю, безумие — и все ломается.

Это происходит, потому что две точки цепи имеют между собой напряжение (то есть между ними есть разница). Это как если вдоль реки неожиданно появляется водопад. Из-за этой разницы возникает искра, которую можно избежать, поставив в цепь резистор.

Именно во избежание коротких замыканий нужно дополнительное сопротивление в цепи.

Параллельное и последовательное соединение

Все это время речь шла о цепях с одним резистором. Рассмотрим, что происходит, если их больше.

Последовательное и параллельное соединение проводников: калькулятор, пример

На практике в основном используется два различных способа установки компонентов в схемах. В основном используют как последовательное соединение, так и как параллельное соединение различных проводников.

Сопротивление, как известно, характеризует свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока. Мы можем описать последовательное и параллельное соединение проводников с помощью различных моделей. Однако мы также можем использовать удельное сопротивление в качестве объяснения.

Мы знаем формулу для вычисления сопротивления проводника:

R = (ρ*l) / S, где

  • R – сопротивление проводника;
  • ρ – удельное сопротивление вещества проводника (Ом*м);
  • l – длина проводника (м);
  • S – поперечное сечение проводника (м2).

Из этой формулы видно, что чем длиннее проводник, тем больше сопротивление. При последовательном соединении проводники расположены один за другим, следовательно сопротивления складываются.

Из формулы выше также видно, что чем больше поперечное сечение проводника, тем меньше сопротивление. При параллельном соединении проводники расположены рядом друг с другом. Если мы совместим проводники в один большой, то это будет соответствовать большему поперечному сечению. Следовательно, согласно формулы выше, общее сопротивление при увеличении поперечного сечения уменьшится.

Эти выводы нам пригодятся далее в статье.

Последовательное соединение проводников

Последовательное соединение, каких-либо компонентов, например, резисторов в схеме выглядит приблизительно как на схеме ниже:

Как считать сопротивление при параллельном соединенииРис. 1. Последовательное соединение резисторов

По аналогии с двумя последовательно соединенными проводниками, мы также можем нарисовать два “прямоугольника” один за другим. Прямоугольник удлиняется и вместе с ним увеличивается и сопротивление. Сопротивления складываются. Применяется следующая формула:

Rобщ = R1 + R2 (примечание – на рисунке Rобщ = Rges )

Если у нас N проводников, тогда формула для расчета общего сопротивления последовательно соединенных проводников следующая:

Rобщ = R1 + R2 + …. + RN , то есть общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Как считать сопротивление при параллельном соединении

Согласно схемы видно, что электрический ток протекает сначала через первый проводник, а от него непосредственно к следующему и всем последующим. Правила расчета электрического тока I и напряжения U для проводников R1 – RN выглядят следующим образом:

  • Iобщ = I1 = I2 = I3 = …. = IN
  • Uобщ = U1 + U2 + U3 + … + UN

Электрический ток остается неизменным, так как все электроны, протекающие через первый проводник, должны также протекать через второй, третий и все последующие проводники. Поэтому электрический заряд в электрической цепи с последовательным соединением не изменяется.

Напряжение пропорционально сопротивлению, иначе формула из закона Ома для участка цепи – R = U / I не выполнялась бы. Поэтому мы помним: U= R * I также применимо и здесь. Для электрической цепи с последовательным соединением проводников это означает, что чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем падает напряжение.

Параллельное соединение проводников

Параллельное соединение, каких-либо компонентов, например, резисторов в схеме выглядит приблизительно как на схеме ниже:

Как считать сопротивление при параллельном соединенииРис. 2. Параллельное соединение резисторов

По аналогии с двумя проводниками, соединенными параллельно, мы также можем нарисовать прямоугольник шире. Сопротивление становится меньше. Применяется следующая формула:

  • 1 / Rобщ = 1 / R1 + 1 / R2 , отсюда:
  • Rобщ = ( R1 * R2 ) / (R1 + R2) (примечание – на рисунке Rобщ = Rges )
  • Если у нас N проводников соединено параллельно, тогда формула примет вид:
  • 1 / Rобщ = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 + … + 1 / RN, то есть чем больше в электрической цепи подключено проводников, тем меньше будет общее сопротивление.

Как считать сопротивление при параллельном соединении

В каждом ответвлении ток I разделяется на I1, I2, … IN. Это приводит к следующим соотношениям:

  • Iобщ = I1 + I2 + I3 + … + IN
  • Uобщ = U1 = U2 = U3 = … = UN

В электрической цепи с параллельным соединением проводников напряжение постоянно, а электрический ток можно сложить до общего тока путем сложения отдельных токов на каждом из проводников.

Калькулятор

Этот калькулятор рассчитывает значение общего сопротивления для нескольких резисторов, соединенных последовательно или параллельно.

Практический пример

Рассмотрим пример-задачу, чтобы на практике увидеть, как можно применить формулы последовательного и параллельного соединения проводников, в качестве которых выступают резисторы.

Входные данные у нас следующие:

  • Напряжение источника питания U0 = 120 В;
  • R1 = 150 Ом, R2 = 62,5 Ом, R3 = 250 Ом.

Нам нужно найти:

Rобщ, Iобщ , I1, I2, I3, U1, U2, U3 и U23.

Как считать сопротивление при параллельном соединенииЭлектрическая цепь

  1. Сначала рассчитаем общее сопротивление R23 параллельной электрической цепи, которую образуют резисторы R2 и R3:
  2. R23 = ( R2 * R3 ) / (R2 + R3) = (62,5 * 250) / (62,5 + 250) = 50 Ом.
  3. Теперь можно мысленно заменить участок из параллельно соединенных резисторов R2 и R3 одним общим сопротивлением R23, который в свою очередь с R1 будет уже образовывать электрическую цепь с последовательным соединением резисторов. И мы, следовательно, можем рассчитать общее сопротивление:
  4. Rобщ = R1 + R23 = 50 + 150 = 200 Ом.
  5. Теперь мы можем рассчитать общий ток Iобщ этой последовательной электрической цепи, равный одновременно электрическому току I1 протекающему через резистор R1, используя закон Ома:
  6. Iобщ = U0 / Rобщ = 120 / 200 = 0,6 А = I1.
  7. Теперь мы можем рассчитать напряжение U1 на резисторе R1 и общее напряжение U23 в параллельной электрической цепи, состоящей из резисторов R2 и R3:
  8. U1 = R1*I1 = 150 * 0,6 = 90 В.
  9. А так как U0 = U1 + U23, то получаем U23 = U0 — U1 = 120 — 90 = 30 В = U2 = U3.
  10. Наконец, мы вычисляем I2 и I3 :
  11. I2 = U2 / R2 = 30 / 62,5 = 0,48 А
  12. I3 = U3 / R3 = 30 / 250 = 0,12 А.

Список использованной литературы

  • Перышкин А. В. Учебник для общеобразовательных учреждений 10 класс. М.: 2011. С.121
  • Перышкин А. В. Учебник для общеобразовательных учреждений 8 класс № 42.

Формула расчета сопротивления при параллельном соединении резистора

Группы из нескольких пассивных элементов создают для решения разных практических задач. С помощью такого приема подбирают оптимальное электрическое сопротивление, делят напряжение, корректируют токи в отдельных цепях. Формула общего сопротивления поможет сделать точный расчет. Для вычислений применяют специальные ручные и автоматизированные методики.

Читайте также:  Избавляемся от холки

Особенности включения

Для упрощения темы смешанного соединения резисторов решение задач следует ограничить схемами с подключением к источнику постоянного тока без реактивных компонентов.

В этом случае можно исключить сложные колебательные процессы, сопряженные с циклами изменения потребления энергии в нагрузке.

Для определения базовых зависимостей достаточно использовать классическую формулу закона Ома:

I (ток) = U (напряжение) / R (сопротивление).

На первой части рисунка показан последовательный проводник. Одинаковый ток можно измерить в любом разрыве с помощью мультиметра. Но даже без экспериментов понятно, что такой результат обеспечен единством пути его прохождения, который создан без разветвлений.

Однако при установке разных резисторов (R1≠R2≠R3) напряжение на отдельных элементах отличается (U1≠U2≠U3). Суммарная величина будет равна потенциалу на клеммах источника питания (Uип = U1 + U2 + U3).

Аналогичным образом вычисляют суммарное сопротивление:

Rобщ = R1 + R2 + R3.

Следующий пример – параллельное подключение. Здесь каждый ток проходит после разветвления по своему пути (ветке). По предыдущему алгоритму рассуждений несложно установить соответствующие зависимости:

  • если R1≠R2≠R3, то I1≠I2≠I3;
  • Iип = I1 + I2 + I3;

Если использовано параллельное соединение, формула для напряжений трансформируется в равенство:

Uип = U1 = U2 = U3.

К сведению. Другие виды соединений – это комбинации представленных вариантов. На отдельных участках цепи действительны рассмотренные выше правила.

Формула параллельного соединения резисторов

Параллельное соединение резисторов

Для этого варианта суммирование номиналов не подходит. При параллельной установке можно складывать только проводимости, которые по величине обратны соответствующим электрическим сопротивлениям. Если применяют параллельное соединение резисторов, формула расчета преобразуется следующим образом:

  • 1/Rобщ = 1/R1 + 1/R2;
  • Rобщ = 1/(1/R1 + 1/R2);
  • Rобщ = R1*R2/R1 + R2.

По аналогичным принципам несложно вывести расчетную формулу для трех, четырех или большего количества пассивных элементов, установленных параллельно.

Расчёт

До изучения технологий вычислений необходимо уточнить основные определения:

  • ветвями называют цепи с одним током;
  • узлы – это места их соединения;
  • контуры – замкнутые пути прохождения токов по нескольким ветвям.

Параллельное соединение проводников

Следует отдельно отметить два постулата. Они получили специфическое название «правила (законы) Кирхгофа» по фамилии ученого, сформулировавшего базовые принципы.

Первый закон (I1 + I2 + … + In = 0) определяет равным нулю суммарное значение всех токов, которые входят и выходят из одной точки в месте соединения нескольких ветвей.

Надо подчеркнуть! Данное выражение является точным для любых комбинаций компонентов, включенных в соответствующие цепи (резисторов, источников тока и других). Для удобства и наглядности расчетов учитывают входящие в узел токи с положительным знаком, выходящие – с отрицательным.

Второе правило упомянуто в качестве промежуточного вывода при рассмотрении последовательно включенных резисторов (Uип = U1 + U2 + U3). В классической формулировке закон утверждает равенство суммарных ЭДС источников питания и потенциалов на пассивных элементах, объединенных в одном расчетном контуре.

Последовательное соединение резисторов

  • С учетом сделанных определений можно составить формулу для любого количества резисторов, установленных в единой цепи без разветвлений:
  • Rобщ = R1 + R2 + … + Rn.
  • Вне зависимости от иных внешних компонентов, токи на входе и выходе в соответствии с первым правилом Кирхгофа будут одинаковыми.
  • Пример:
  • Uип = 6,5B;
  • R1= 8 Ом;
  • R2 = 12 Ом;
  • R3 = 4 Ом;
  • Rобщ = 8 + 12 + 4 = 24 Ом;
  • I = 6,5/24 = 0,27 А;
  • U1 = I * R1 = 0,27 * 8 = 2,16 В;
  • U2 = 0,27 * 12 = 3,24 В;
  • U3 = 0,27 * 4 = 1,08 В.
  1. Чтобы проверить последовательное соединение, формула на основе второго правила Кирхгофа пригодится:
  2. Uип = 2,16 + 3,24 +1,08 ≈ 6,5 В.
  3. Расчет подтвердил отсутствие ошибок.

Параллельное соединение резисторов

В этом варианте токи разделяются на входе и соединяются на выходе (первый закон Кирхгофа). Направление движения устанавливают от положительной клеммы с отрицательной подключенного источника питания. В соответствии с рассмотренными выше правилами при равенстве напряжений на отдельных резисторах токи в соответствующих цепях будут разными.

Для примера можно использовать предыдущие исходные данные:

  • общее сопротивление при параллельном соединении формула для трех компонентов:

Rобщ = R1*R2*R3/(R1*R2 + R2*R3 + R1*R3

  • вставив номиналы, делают расчет Rобщ = 8 * 12 * 4 / (8*12 + 12*4 +8*4) = 2,182 Ом;
  • I = 6,5/ 2,182 ≈ 2,98 А;
  • I1 = 6,5/ 8 = 0,8125 А;
  • I2 = 6,5/12 ≈ 0,5417 А;
  • I3 = 6,5/4 = 1,625.
  • Как и в предыдущем случае, расчет проверяют. Если применяют параллельное сопротивление, формула вычислений должна подтвердить равенство токов:
  • I = 0,8125 + 0,5417 + 1,6225 = 2,9767 ≈ 2,98 А.
  • Соблюдено суммарное равенство входных и выходных значений для отдельного узла, поэтому ошибки отсутствуют.

Смешанное соединение резисторов

Если в схеме присутствует комбинация последовательных и параллельных соединений, выполняют последовательно упрощение, пользуясь представленными методиками расчетов.

Последовательное преобразование схемы для упрощения вычислений

На следующем рисунке показана последовательность преобразований:

  • по значениям установленных R3 и R4 определяют общее значение для участка цепи Rэ;
  • далее вычисляют сопротивление последовательных компонентов Rэ и R6;
  • на следующем этапе делают расчет для группы R2, Rэк и R5;
  • завершающее действие – суммирование R1, Rэ и R7 (рис. ниже).

Итоговый результат (Rэк) будет определять общее (эквивалентное) электрическое сопротивление группы резисторов. При необходимости вычисляют значения токов и напряжений в отдельных ветвях.

Типичные подключения

Последовательное и параллельное соединение аккумуляторов

Любой вариант соединений можно разделить на элементарные составляющие по рассмотренной выше методике. На следующем рисунке представлены типичные подключения вместе с основными формулами для расчетов.

Последовательное, параллельное и смешанное соединения

Расчёт комбинированных схем

Принцип упрощения и вычисления эквивалентного сопротивления можно изучить подробно на конкретном примере. Исходные данные (кОм):

  • R1 = 1;
  • R2 = 3;
  • R3 = 3;
  • R4 = 3.

Пояснение к технологии вычислений

Алгоритм действий:

  • суммируют номиналы в последовательной цепи: 3 + 3 = 6;
  • вычисляют сопротивление параллельного участка: 3*6/ (3 + 6) = 2;
  • завершают вычисление: 2 + 1 = 3.

Как рассчитать сложные схемы соединения резисторов

Решение трудной задачи демонстрирует пример преобразования «звезды» в «треугольник». Этот способ поможет рассчитать эквивалентное сопротивление типичной мостовой схемы соединения резистивных компонентов.

Преобразование сложной схемы

  1. Трансформация «звезды» показана на примере одного «луча»:
  2. R2 = (R23 * R24)/ R23 + R24 + R34.
  3. Другую часть рассчитывают по формуле:
  4. R23 =R2 + R3 + (R2 * R3)/R4.
  5. Эквивалентное сопротивление вычисляют следующим образом:
  6. Rэкв = ((R12 + R2) * (R13 + R3))/((R12 + R2) + (R13 + R3)) + R4.

Ток, протекающий в цепи параллельно соединенных резисторов

Для защиты по току светодиода необходима повышенная корректность при выборе подходящих пассивных элементов питающей цепи. Однако в ряду резисторов представлены только определенные номиналы.

Не решает проблему увеличение бюджета. Прецизионные изделия выпускают с минимальными допусками (0,5% и менее). Но и в этом случае речь идет о точности значений. Номиналы предлагают в соответствии с действующими международными стандартами.

Что делать, если необходимо создать цепь с Rобщ = 11,2 Ом, при наличии серийных резисторов 11 и 12 Ом? Для получения обозначенного результата создают параллельное соединение. Расчет можно сделать с применением онлайн калькулятора на специализированном сайте. Вычисления выполняются автоматически после заполнения простой формы. Такие услуги предлагают бесплатно без регистрации.

Таблица для выбора резисторов

Представленный на рисунке справочный материал поможет подобрать подходящие изделия быстро и точно. Для рассматриваемого примера подойдут резисторы 13 и 82 Ом. При параллельной установке они создадут сопротивление участка цепи 11,2 Ом.

Видео

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector