Opori-osveshenia.ru

Опоры освещения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ток проводников в параллельном и последовательном соединении

Ток проводников в параллельном и последовательном соединении

Схема елочной гирлянды из миниатюрных ламп накаливания

Практически каждому, кто занимался электрикой, приходилось решать вопрос параллельного и последовательного соединения элементов схемы. Некоторые решают проблемы параллельного и последовательного соединения проводников методом «тыка», для многих «несгораемая» гирлянда является необъяснимой, но привычной аксиомой. Тем не менее, все эти и многие другие подобные вопросы легко решаются методом, предложенным еще в самом начале XIX века немецким физиком Георгом Омом. Законы, открытые им, действуют и поныне, а понять их сможет практически каждый.

Основные электрические величины цепи

Для того чтобы выяснить, как то или иное соединение проводников повлияет на характеристики схемы, необходимо определиться с величинами, которые характеризуют любую электрическую цепь. Вот основные из них:

Схема люстры с тремя лампами

  • Электрическое напряжение, согласно научному определению, это разность потенциалов между двумя точками электрической цепи. Измеряется в вольтах (В). Между клеммами бытовой розетки, к примеру, оно равно 220 В, на батарейке вольтметр покажет 1,5 В, а зарядное устройство вашего планшета или смартфона выдает 5 В. Напряжение бывает переменным и постоянным, но в нашем случае это несущественно.
  • Электрический ток – упорядоченное движение электронов в электрической цепи. Ближайшая аналогия – ток воды в трубопроводе. Измеряется в амперах (А). Если цепь не замкнута, ток существовать не может.
  • Электрическое сопротивление. Величина измеряется в омах (Ом) и характеризует способность проводника или электрической цепи сопротивляться прохождению электрического тока. Если продолжить аналогию с водопроводом, то новая гладкая труба будет иметь маленькое сопротивление, забитая ржавчиной и шлаками – высокое.
  • Электрическая мощность. Эта величина характеризует скорость преобразования электрической энергии в любую другую и измеряется в ваттах (Вт). Кипятильник в 1000 Вт вскипятит воду быстрее стоваттного, мощная лампа светит ярче и т.д.

Взаимная зависимость электрических величин

Теперь необходимо определиться, как все вышеперечисленные величины зависят одна от другой. Правила зависимости несложны и сводятся к двум основным формулам:

  • I=U/R.
  • P=I*U.

Последовательно соединенная нагрузка

Здесь I – ток в цепи в амперах, U – напряжение, подводимое к цепи в вольтах, R – сопротивление цепи в омах, P – электрическая мощность цепи в ваттах.

Предположим, перед нами простейшая электрическая цепь, состоящая из источника питания с напряжением U и проводника с сопротивлением R (нагрузки).

Поскольку цепь замкнута, через нее течет ток I. Какой величины он будет? Исходя из вышеприведенной формулы 1, для его вычисления нам нужно знать напряжение, развиваемое источником питания, и сопротивление нагрузки. Если мы возьмем, к примеру, паяльник с сопротивлением спирали 100 Ом и подключим его к осветительной розетке с напряжением 220 В, то ток через паяльник будет составлять:

Какова мощность этого паяльника? Воспользуемся формулой 2:

2,2 * 220 = 484 Вт.

Хороший получился паяльник, мощный, скорее всего, двуручный. Точно так же, оперируя этими двумя формулами и преобразуя их, можно узнать ток через мощность и напряжение, напряжение через ток и сопротивление и т.д. Сколько, к примеру, потребляет лампочка мощностью 60 Вт в вашей настольной лампе:

60 / 220 = 0,27 А или 270 мА.

Сопротивление спирали лампы в рабочем режиме:

220 / 0,27 = 815 Ом.

Схемы с несколькими проводниками

Все рассмотренные выше случаи являются простыми – один источник, одна нагрузка. Но на практике нагрузок может быть несколько, и соединены они бывают тоже по-разному. Существует три типа соединения нагрузки:

  1. Параллельное.
  2. Последовательное.
  3. Смешанное.
Читайте так же:
Какой измерительный инструмент следует использовать для контроля

Параллельное соединение проводников

В люстре 3 лампы, каждая по 60 Вт. Сколько потребляет люстра? Верно, 180 Вт. Быстренько подсчитываем сначала ток через люстру:

180 / 220 = 0,818 А.

А затем и ее сопротивление:

220 / 0,818 = 269 Ом.

Перед этим мы вычисляли сопротивление одной лампы (815 Ом) и ток через нее (270 мА). Сопротивление же люстры оказалось втрое ниже, а ток — втрое выше. А теперь пора взглянуть на схему трехрожкового светильника.

Схема люстры с тремя лампами

Последовательное соединение трех ламп в гирлянду

Все лампы в нем соединены параллельно и подключены к сети. Получается, при параллельном соединении трех ламп общее сопротивление нагрузки уменьшилось втрое? В нашем случае — да, но он частный – все лампы имеют одинаковые сопротивление и мощность. Если каждая из нагрузок будет иметь свое сопротивление, то для подсчета общего значения простого деления на количество нагрузок мало. Но и тут есть выход из положения – достаточно воспользоваться вот этой формулой:

1/Rобщ. = 1/R1 + 1/R2 + … 1/Rn.

Для удобства использования формулу можно легко преобразовать:

Rобщ. = (R1*R2*… Rn) / (R1+R2+ … Rn).

Здесь Rобщ. – общее сопротивление цепи при параллельном включении нагрузки. R1 … Rn – сопротивления каждой нагрузки.

Почему увеличился ток, когда вы включили параллельно три лампы вместо одной, понять несложно – ведь он зависит от напряжения (оно осталось неизменным), деленного на сопротивление (оно уменьшилось). Очевидно, что и мощность при параллельном соединении увеличится пропорционально увеличению тока.

Последовательное соединение

Простейшая электрическая цепь

Теперь настала пора выяснить, как изменятся параметры цепи, если проводники (в нашем случае лампы) соединить последовательно.

Последовательно соединенная нагрузка

Расчет сопротивления при последовательном соединении проводников исключительно прост:

Те же три шестидесятиваттные лампы, соединенные последовательно, составят уже 2445 Ом (см. расчеты выше). Какими будут последствия увеличения сопротивления цепи? Согласно формулам 1 и 2 становится вполне понятно, что мощность и сила тока при последовательном соединении проводников упадет. Но почему теперь все лампы горят тускло? Это одно из самых интересных свойств последовательного подключения проводников, которое очень широко используется. Взглянем на гирлянду из трех знакомых нам, но последовательно соединенных ламп.

Последовательное соединение трех ламп в гирлянду

Общее напряжение, приложенное ко всей цепи, так и осталось 220 В. Но оно поделилось между каждой из ламп пропорционально их сопротивлению! Поскольку лампы у нас одинаковой мощности и сопротивления, то напряжение поделилось поровну: U1 = U2 = U3 = U/3. То есть на каждую из ламп подается теперь втрое меньшее напряжение, вот почему они светятся так тускло. Возьмете больше ламп – яркость их упадет еще больше. Как рассчитать падение напряжения на каждой из ламп, если все они имеют различные сопротивления? Для этого достаточно четырех формул, приведенных выше. Алгоритм расчета будет следующим:

  1. Измеряете сопротивление каждой из ламп.
  2. Рассчитываете общее сопротивление цепи.
  3. По общим напряжению и сопротивлению рассчитываете ток в цепи.
  4. По общему току и сопротивлению ламп вычисляете падение напряжения на каждой из них.

Хотите закрепить полученные знания? Решите простую задачу, не заглядывая в ответ в конце:

В вашем распоряжении есть 15 однотипных миниатюрных лампочек, рассчитанных на напряжение 13,5 В. Можно ли из них сделать елочную гирлянду, подключаемую к обычной розетке, и если можно, то как?

Смешанное соединение

С параллельным и последовательным соединением проводников вы, конечно, без труда разобрались. Но как быть, если перед вами оказалась примерно такая схема?

Читайте так же:
Как сделать контур заземления в частном доме

Смешанное соединение проводников

Как определить общее сопротивление цепи? Для этого вам понадобится разбить схему на несколько участков. Вышеприведенная конструкция достаточно проста и участков будет два — R1 и R2,R3. Сначала вы рассчитываете общее сопротивление параллельно соединенных элементов R2,R3 и находите Rобщ.23. Затем вычисляете общее сопротивление всей цепи, состоящей из R1 и Rобщ.23, соединенных последовательно:

  • Rобщ.23 = (R2*R3) / (R2+R3).
  • Rцепи = R1 + Rобщ.23.

Задача решена, все очень просто. А теперь вопрос несколько сложнее.

Сложное смешанное соединение сопротивлений

Как быть тут? Точно так же, просто нужно проявить некоторую фантазию. Резисторы R2, R4, R5 соединены последовательно. Рассчитываем их общее сопротивление:

Теперь параллельно к Rобщ.245 подключаем R3:

Rобщ.2345 = (R3* Rобщ.245) / (R3+ Rобщ.245).

Ну а дальше все очевидно, поскольку остались R1, R6 и найденное нами Rобщ.2345, соединенные последовательно:

Rцепи = R1+ Rобщ.2345+R6.

Ответ на задачу о елочной гирлянде

Лампы имеют рабочее напряжение всего 13.5 В, а в розетке 220 В, поэтому их нужно включать последовательно.

Поскольку лампы однотипные, напряжение сети разделится между ними поровну и на каждой лампочке окажется 220 / 15 = 14,6 В. Лампы рассчитаны на напряжение 13,5 В, поэтому такая гирлянда хоть и заработает, но очень быстро перегорит. Чтобы реализовать задумку, вам понадобится минимум 220 / 13,5 = 17, а лучше 18-19 лампочек.

Основные схемы подключения ламп

О том, как подключать к электросети обыкновенные лампочки, знают практически все, но вот подключение низковольтных галогенных или люминесцентных ламп часто становится проблемой. В большинстве случаев используется иная схема подключения лампы — сложная, но более экономичная.

Подключение галогенных ламп

Рисунок 1. Схема подключения галогенной лампы через трансформатор В целях повышения безопасности эксплуатации и экономии электроэнергии все чаще применяется схема подключения лампы освещения, предполагающая использование пониженного напряжения. Низковольтные галогенные лампы такие же яркие, как и обычные, но при этом потребление энергии существенно сокращается.

Подключение галогенных ламп осуществляется при помощи специальных источников питания (трансформаторов) на 6 В, 12 В или 24 В. Кроме того, использование такой схемы подключения с применением понижающего трансформатора продлевает жизнь лампочек.

Сама схема подключения довольно проста: галогенные лампы соединяются между собой параллельно и подсоединяются к трансформатору, при этом общая мощность всех ламп не должна превышать мощности используемого трансформатора. Управление освещением осуществляется простым выключателем, подключаемым к трансформатору на стороне 220 В.

Единственное, чем такая схема подключения галогенных ламп неудобна — нужно где-то поместить трансформатор, что не всегда удобно, несмотря на небольшие размеры устройства.

Подключение люминесцентных ламп

Рисунок 2. Схема подключения одной люминесцентной лампы через стартер Рисунок 3. Схема подключения двух люминесцентных ламп через стартер Люминесцентные лампы проще всего включать в электрическую сеть по распространенной стартерной схеме. Такая схема подключения дневной лампы не только проста, но и эффективна. По подобной схеме можно подключать и несколько ламп (тандемная схема).

Здесь применяется специальный «пускатель» — стартер, который представляет собой биметаллический контакт. Есть два распространенных типа стартеров, на которых может базироваться схема подключения люминесцентных ламп: рассчитанных на сетевое напряжение в 127 В и 220 В.

Способы подключения ламп

Рисунок 4. Последовательное подключение ламп Галогенные, люминесцентные и прочие энергосберегающие лампы можно подключать двумя способами: последовательно и параллельно.

Читайте так же:
Каков физический смысл модуля упругости модуля юнга

Последовательное подключение. Подразумевает подключение нуля и фазы к первой лампе, подключение к ней следующей и т. д. Эта схема применяется довольно редко, так как имеет ряд недостатков: уменьшение яркости ламп, а также тот факт, что если одна лампа в цепи перегорит, все последующие за ней тоже перестают работать.

Рисунок 5. Параллельное подключение ламп Параллельное соединение. Подразумевает, что все элементы электрической цепи будут своими контактами подключены к фазе и нулю. Если в такой схеме перегорит одна лампа, остальные будут и дальше гореть.

Кабельно-проводниковая продукция для подключения ламп

Как правило, для подключения большинства типов ламп вполне достаточно использование медного многожильного провода с сечением жил 0,5–1,5 мм (например, ПВС 2х1,5 или ПВС 3х1,5).

3-е занятие

Практическая демонстрация параллельного соединения приемников эл.энергии.

Д ля проведения 3-го занятия потребуются:
1.Устройство собранное в течении 2-го занятия.
2.Электрический патрон, подобный использованному ранее.
3.Отрезок кабеля ВВГ 2*1.5, длинною около 0,5 метра.
4.Электрическая лампочка.
Подсоединяем патрон к кабелю, вворачиваем лампочку — получаем в результате то же изделие, что и в конце 1-го занятия, за исключением отсутствующей эл. вилки.

Подсоединение патрона к кабелю.

Берем устройство, собранное в течении 2-го занятия — аккуратно срезаем изоляцию на участке около 1см. провода, идущего на эл. патрон. Снимаем крышку с выключателя, что бы получить доступ к его электрическим клеммам.

Подготовка к соединению.

Присоединяем второй патрон с лампочкой номер 2, как показано на рисунке ниже.

Параллельное соединение двух эл. патронов с лампочками. рисунок1.

Таким образом, один конец оказывается присоединен с помощью скрутки к проводу идущему напрямую к лампочке номер 1. Второй конец присоединяется к клемме выключателя вместе с другим проводом идущим на электрическую лампочку номер 1. Изолируем место скрутки проводов, с помощью изоленты, закрываем крышку-корпус выключателя. Втыкаем эл. вилку в розетку, нажимаем выключатель — обе лампочки горят. Такое соединение называется параллельным.

Параллельное соединение двух эл. патронов с лампочками. рисунок2.

Эл. схема параллельного подключения выглядит вот так.

Электрическая схема параллельного соединения.

Особенностью такого соединения, является возможность, задействовать одновременно несколько потребителей электроэнергии, рассчитаных на одно и то же напряжение. Эл. лампочек может быть не две, как в нашем примере, а гораздо больше.

На яркость свечения отдельно взятой лампы, увеличение их количества (до определенного предела) практически не влияет, напряжение эл. сети уменьшается незначительно. Но потребление электроэнергии в сети возрастает с каждым, дополнительно подключенным приемником электроэнергии — растет сила тока, начинают греться провода. Что бы предотвратить возгорание изоляции, при превышении эл. током определенного порога, срабатывает автоматический выключатель, и все гаснет.

В нашем быту, как правило, мы постоянно сталкиваемся именно с таким подключением эл. устройств. Различные электроприборы, группы точечных, и других светильников — все это примеры параллельного соединения.
Можно сказать, что все электроприемники, например, в отдельно взятой квартире так или иначе, в итоге оказываются подключенными параллельно, к жилам вводного питающего кабеля.

В случае, если Вас, заинтересовала эта тема, с теоретической точки зрения, дополнительную интересующую информацию, легко почерпнуть в любом учебнике по электротехнике. Параллельное и последовательное соединение, подробно описано там с позиции законов Кирхгофа и Ома, со всеми формулами и выкладками. Несколько упрощенный вариант этой темы вы можете посмотреть здесь

Необязательное лирическое дополнение.

В моем детстве (конец 70-х), огромной популярностью пользовались, самодельные цветомузыкальные установки. Радиолюбители собирали свои электронные схемы, как правило, используя в выходных каскадах тиристоры ку202н. Это позволяло, применять в качестве источника света, самые обычные лампочки 220-240 вольт. Их покрывали разноцветными лаками, устанавливали в рассеивающие экраны, автомобильные фары — очень ярко и очень красиво. К тому времени, у меня не было, ни достаточных познаний в радиоэлектронике, ни тиристоров, ни магнитофона. Была ламповая радиола Кантата-203, большое количество лампочек от карманного фонаря(2,5 вольт) и огромное желание что-нибудь сделать.

Читайте так же:
Как правильно сваривать железо

Опытным путем было определено — маленькая лампочка подсоединенная к выходу динамика начинала моргать в такт музыке, чем громче, тем ярче. Лампочка маленькая — света, соответственно, тоже мало. Что же делать? Тут и пришло на помощь параллельное соединение. Паять к тому времени, я уже немного умел (научили на уроках «труда»),взял два достаточно длинных проводка, да и припаял с десяток лампочек. Один проводок к цокольным контактам, второй к боковым. Подключил к «Кантате», влупил громкость на полную — красота! Половину лампочек покрасил зелеными чернилами, половину красными. Прилепил это все пластилином к большой стекляшке от старой люстры, найденной на помойке — настоящая получилась вещь!

Большее количество лампочек добавлять не стал (а хотелось!) — яркость начинала падать, звук в динамиках — хрипеть. Даже у Советских ламповых радиол, запас мощности был ограничен. Соединял я в дальнейшем параллельно и динамики, радиола выдержала, но кассетный магнитофон «Электроника» моего друга, таких издевательств не вынес — сдох. Но точечные светильники и силовая сеть 220 вольт, это совсем другое дело. Можно брать их хоть четыре(светильников), хоть шесть — да и подключать, к двум проводам, торчащим из потолка (где был старый светильник), самое главное делать это очень надежно.

Параллельное соединение лампочек.

Как подключить надежно, Вы можете посмотреть на странице»Контакты и соединения»
В начало.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

О напряжении и ёмкости аккумуляторов

Коротко разберём распространённое мнение – «при последовательном соединении двух аккумуляторов (АКБ), их ёмкость не меняется, она остаётся такой же, как у одного аккумулятора, поэтому время автономной работы при таком соединении будет меньше».

Но как же закон сохранения энергии? Да, при последовательном соединении аккумуляторов, формально ёмкость считается как у одного аккумулятора, а напряжение удваивается (или утраивается, учетверяется и т.д., в зависимости от количества последовательно соединённых АКБ). При параллельном же соединении АКБ – ёмкость удваивается (утраивается и т.д.), а напряжение остаётся тем же.

Варианты соединения аккумуляторов
Варианты соединения аккумуляторов

Противоречия здесь нет. Когда люди говорят об аккумуляторе (обычно об автомобильном), то сообщают его ёмкость, но не уточняют вольтаж. Просто все привыкли, что аккумуляторы имеют напряжение 12В, и подразумевается, что упоминать об этом глупо. Но в вообще-то, ёмкость без указания вольтажа не имеет физического смысла. Существуют аккумуляторы самой разной ёмкости и на разное напряжение – на 2В, и на 6В, и на 12В, и, редко, на 24В. Кроме того, любые одинаковые АКБ можно соединять последовательно, параллельно, или последовательно-параллельно одновременно.

Но стоит только указать после величины ёмкости её вольтаж, как всё встаёт на свои места. Ведь энергоёмкость в любом случае, как бы мы не соединяли аккумуляторы, останется прежней.

Итак, если, например, два АКБ по 200Ач 12В (например, Аккумулятор Delta GEL 12-200), соединить последовательно, то получится энергоёмкость 200Ач 24В. А если эти же два АКБ соединить параллельно, то получится – 400Ач 12В.
Проверим:
200Ач * 24В = 480Ач * В = 400Ач * 12В

Читайте так же:
Как проверить якорь стартера мультиметром

Но для расчётов токов (обычно, номинальным током заряда считается ток 0,1С, где С –величина равная ёмкости аккумулятора), С берут именно по цифре слева, т.е. в нашем примере, при последовательном соединении С = 200, а при параллельном С = 400. Легко заметить, что и мощность зарядного устройства в обоих случаях будет одинаковой.

Для первого случая, зарядный ток будет 0,1*200 = 20А, но при напряжении 24В. Т.е. зарядная мощность, Р = 20А 24В = 480Вт

Для второго случая, зарядный ток будет 0,1*400 = 40А, но при напряжении 12В. Т.е. зарядная мощность, Р = 40А 12В = 480Вт

Если рассматривать одиночные аккумуляторы, то, например, один аккумулятор 600Ач 2В (см. раздел Аккумуляторные батареи FAAM) по своей энергоёмкости соответствует одному аккумулятору 100Ач 12В (например, Аккумулятор DELTA GEL 12-100).

Чтобы получить из этих аккумуляторов (600Ач 2В) большую аккумуляторную батарею, например, на 24В, нужно соединить последовательно 12 шт таких АКБ с помощью перемычек (Перемычка для аккумуляторов 250 мм). Общая итоговая ёмкость получится 600Ач 24В. Эта энергоёмкость, если сравнивать её с 12-и вольтовыми АКБ по 200Ач (а такие применяются в грузовиках), соответствует 6-и штукам (три соединённых параллельно цепочки аккумуляторов, где каждая цепочка состоит из двух, соединённых последовательно, аккумуляторов):

(600Ач*2В)*12 = 600Ач*24В = (200Ач*24В) + (200Ач 24В) + (200Ач 24В)

Различные схема подключения аккумуляторов

Обратите внимание – на всех рисунках специально показано, что если минус инвертора подключён к условно первому АКБ, то плюс – к последнему. Так его следует подключать, чтобы компенсировать сопротивление даже толстых медных проводов, соединяющих аккумуляторы. Иначе, из-за их сопротивления, при огромных токах, «дальний» от выводов инвертора аккумулятор, окажется и не «дозаряжаем», и не «доразряжаем».

Итак, ёмкостью (читайте «энергоёмкостью») аккумулятора (объединённой группы аккумуляторов), называется количество электричества (т.е. мощности, равной току умноженного на НАПРЯЖЕНИЕ), которое аккумулятор отдает при разряде до наименьшего допустимого напряжения.

Чтобы аккумулятор служил долго, его нельзя разряжать более чем на 80%. Для 12-и вольтового АКБ, это соответствует напряжению на его клеммах примерно 11,5В. Но тут важно каким током относительно емкости АКБ мы его разряжаем.

Чем больше сила разрядного тока, тем ниже напряжение, до которого может разряжаться аккумулятор. Это потому что при быстром разряде большими токами относительно маленькой ёмкости аккумулятора электролит не успевает перемешиваться, и разряженный слой скапливается вокруг пластин. Напряжение АКБ падает и нагрузку снимают. Однако, спустя несколько десятков минут, электролит перемешивается и ёмкость (и, соответственно, напряжение аккумулятора) повышается.

Если же разряжать малым током относительно ёмкости, то можно вычерпать всю энергию, что плохо для долговечности АКБ. Всегда надо оставлять не менее 20% ёмкости. Подробнее об этом далее.

Отметим, что во время заряда, зарядное устройство постепенно повышает напряжение на АКБ, а затем, после снятия заряда, напряжение уменьшается, возвращаясь к спокойному состоянию (так, на 12-и вольтовом аккумуляторе, в зависимости от типа АКБ, оно обычно растёт до 14,1 – 14,5 В, а после снятия заряда, даже без нагрузки, в течении получаса возвращается к 12,5 – 12,8 В).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector