принцип работы, характеристики, применение, преимущество

В статье вы узнаете что такое последовательная схема соединения, принцип работы, её характеристики, преимущества и недостатки, а также где последовательная цепь используется.

Два типа цепей, которые обычно используются для подачи электроэнергии, это последовательные и параллельные цепи. Основным задачей любой электрической цепи является подача электроэнергии для электрического устройства. Эта статья дает вам представление о последовательных цепях, принципах работы, характеристиках последовательных цепей, приложениях, преимуществах и недостатках.

Посмотрите также: Параллельная схема соединения.

Что такое последовательная цепь

Последовательная цепь — это цепь, в которой электричество должно проходить через все компоненты в цепи и не имеет альтернативного пути, называется последовательной цепью.

В этой схеме все компоненты соединены в одном контуре. Наиболее распространенный пример последовательной цепи — гирлянда.

Рис. 1 — Пример последовательной схемы

Как строится последовательная цепь (принцип работы)

Путь для потока электронов (электричества) называется цепью. Назначение любой электрической цепи состоит в том, чтобы поставлять электричество для прибора или любого электрического устройства. Эти устройства называются нагрузками. До того, как нагрузка заработает, электричество должно иметь определенный путь от источника к нагрузке и обратно к источнику.

На рисунке ниже показана типичная последовательная схема, в которой резисторы (R1, R2, R3) впоследствии соединяются с концом одного резистора, соединенным с другим концом следующего резистора, чтобы образовать петлю. Ток течет от отрицательной клеммы батареи через резисторы и, следовательно, ток одинаков для всех компонентов последовательной цепи.

Общее сопротивление в последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений. Напряжение на разных резисторах различно, а сумма напряжения на каждом компоненте (резисторе) равна приложенному напряжению. Разрыв в последовательной цепи остановит ток, протекающий через цепь.

Рис. 2 — Схематическое изображение последовательной цепи

Рис. 2 — Схематическое изображение последовательной цепи

Характеристики последовательной цепи

Ниже приведены важные характеристики последовательных цепей:

Сопротивление в последовательной цепи

Rn = R1 + R2 + R3 +…Rn

Где Rn = общее сопротивление

Если R1 = 10 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 40 Ом

Rn = 10 + 20 + 40

Rn = 70 Ом

Сила тока в последовательной схеме

Предположим, что приложенное напряжение (U) = 10 В, тогда ток (I) можно рассчитать по формуле:

I = U / R = 10/70 = 1/7 Ампер = 0,1428 Ампер = 142,8 миллиампер

I = 142,8 миллиампер

Напряжение в последовательной схеме

Поскольку значения сопротивления и тока известны, напряжение можно рассчитать по формуле:

U = IR

Назовем напряжение на резисторе 1, 2, 3 как U_R1, 
U_R2 и U_R3 соответственно.

U_R1 = IR1 = 0,142 x 10 = 1,42 В
U_R2 = IR2 = 0,142 x 20 = 2,84 В
U_R3 = IR3 = 0,142 x 40 = 5,68 В

Общее напряжение в последовательной цепи

Поскольку мы знаем, что общее напряжения на каждом резисторе равна сумме напряжений,

U_R = U_R1 + U_R2 + U_R3 = 1,42 + 2,84 + 5,68

= 9,94 вольт (с ошибкой округления) ≈ 10 В (Общее напряжение)

Применения последовательной цепи

Последовательная цепь применяется в:

• Последовательные резистивные цепи используются в цепях малой мощности.
• Последовательные цепи используются в цепях делителя напряжения.

Преимущества

Преимущества последовательной цепи включают в себя:

• Легко спроектировать и построить схему.
• Если компонент ломается, текущий поток останавливается.
• Он действует как регулятор тока.
• Стоимость построения последовательной цепи меньше по сравнению с параллельной схемой.

Недостатки

К недостаткам последовательных цепей относятся:

• Если сгорела одна лампочка в цепи, ток не будет течь в цепи.
• Если нагрузка увеличивается, т.е. если подключено больше лампочек, то свет тускнеет

1. Что такое «последовательные» и «параллельные» цепи? | 4. Последовательные и параллельные цепи | Часть1

1. Что такое «последовательные» и «параллельные» цепи?

Что такое «последовательные» и «параллельные» цепи?

Состоящие из одной батареи и одного сопротивления схемы очень просто анализировать, но в реальной жизни такие схемы встречаются очень редко. Подавляющее большинство схем содержат, как правило, более двух компонентов.

Существует два основных способа, с помощью которых можно соединить более двух компонентов цепи: последовательный и параллельный. Ниже приведен пример последовательной цепи:

 

 

Здесь у нас есть три резистора (R₁, R₂ и R₃), соединенных в длинную цепочку от одной клеммы батареи к другой. (Следует отметить, что маленькие цифры в правом нижнем углу буквы «R» не имеют никакого отношения к номиналам резисторов в Омах. Они служат исключительно для идентификации этих резисторов.) Отличительной особенностью последовательной цепи является то, что в ней существует только один путь для потока электронов. В нашей схеме электроны текут против часовой стрелки от точки 4 к точке 3, затем к точке 2, далее к точке 1, и обратно к точке 4.

Теперь давайте посмотрим на другую цепь — параллельную:

 

 

Здесь у нас также есть три резистора, но образуют они не один путь для потока электронов, а три. По первому пути электроны будут течь от точки 8 к точке 7, затем к точке 2, далее к точке 1, и обратно к точке 8. По второму пути — от точки 8 к точке 7, к точке 6, к точке 3, к точке 2, к точке 1, и обратно к точке 8. И наконец по третьему пути — от точки 8, к точке 7, к точке 6, к точке 5, к точке 4, к точке 3, к точке 2, к точке 1, и обратно к точке 8. Каждый отдельный путь (через R

1, R₂, и R₃) называется веткой.

Особенностью параллельной цепи является то, что все компоненты в ней связаны между собой группами электрически общих точек. Посмотрев на вышеприведенную схему можно увидеть две группы электрически общих точек: первая группа включает точки 1, 2, 3, 4, а вторая группа — точки 8, 7, 6 и 5. Заметьте, что все резисторы и батарея схемы  соединены между собой этими двумя группами электрически общих точек.

Помимо простых, последовательных и параллельных цепей, существуют более сложные — последовательно-параллельные цепи:

В этой схеме у нас есть два пути для потока электронов. Первый путь — от точки 6 к точке 5, к точке 2, к точке 1, и обратно к точке 6. Второй путь — от точки 6 к точке 5, к точке 4, к точке 3, к точке 2, к точке 1, и обратно к точке 6. Обратите внимание на то, что оба этих пути проходят через резистор R

1 (от точки 2 до точки 1). Можно сказать, что в этой схеме резисторы R₂ и R₃ параллельны друг другу, а резистор R₁ — последователен параллельно соединенным R₂ и R₃.

Основной смысл «последовательного» соединения состоит в том, что компоненты подключаются друг за другом в одну линию, образуя тем самым единственный путь для потока электронов:

Основной смысл «параллельного» соединения состоит в том, что все компоненты связываются между собой группами электрически общих точек. В простой параллельной цепи, независимо от количества соединяемых компонентов, существует всего две группы таких точек (два узла).  При последовательном соединении есть много путей для потока электронов, но на всех компонентах присутствует только одно напряжение:

Последовательные и параллельные конфигурации резисторов имеют разные электрические свойства. Эти свойства мы рассмотрим в следующих статях.

Краткий обзор:

• В последовательной цепи все компоненты подключаются друг за другом в одну линию, образуя тем самым единственный путь для потока электронов.

• В простой параллельной цепи все компоненты соединяются между собой при помощи двух групп электрически общих точек.

• «Ветка» в параллельной цепи — это путь для потока электронов, образованный одним из компонентов нагрузки (например резистором). 

Соединение элементов в цепи переменного напряжения и тока

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал о воздействии переменного напряжения на элементы цепи (сопротивление, индуктивность и ёмкость) и воздействие этих элементов на напряжение, ток и мощность. В данной статье я расскажу о последовательном и параллельном соединении элементов цепи и воздействии на такие цепи переменного напряжения и тока.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Последовательное соединение элементов цепи при переменном напряжении

Начнём с последовательного соединения сопротивления R, индуктивности L и ёмкости C и рассмотрим воздействие на неё переменного напряжения с частотой ω.

Последовательное соединение элементов цепи.

В данной цепи входное переменное напряжение U в соответствии со вторым законом Кирхгофа будет равно алгебраической сумме переменных напряжений на отдельных элементах

где U_R, U_L, U_C – напряжение на элементах цепи, сопротивлении R, индуктивности L и ёмкости С, соответственно,

I_m­ – амплитудное значение переменного тока.

Графическое изображение напряжений и токов на последовательно соединённых элементах цепи представлено ниже

Напряжения и токи при последовательном соединении.

Итоговое выражение является тригонометрической формой записи второго закона Кирхгофа для мгновенных напряжений и его можно переписать в виде

где R – активное сопротивление,

Х – реактивное сопротивление.

Значение активного сопротивления R всегда только положительно, а реактивное сопротивление Х может принимать, как положительное значение Х > 0, тогда оно имеет индуктивный характер, так и отрицательное значение X < 0, в этом случае реактивное сопротивление имеет ёмкостный характер.

В случае же нулевого значения реактивного сопротивления, имеет место резонанс напряжений

В этом случае сопротивление цепи представлено только активной нагрузкой R, а следовательно сдвиг фаз между напряжением и током будет нулевым.

При расчётах нас интересует не столько ток и напряжение на отдельных элементах, сколько ток и напряжение всей цепи. Для этого продолжим преобразовывать напряжение

где Z – полное сопротивление цепи,

ψ – разность фаз между напряжением и током.

Таким образом, амплитудное значение напряжения U_m и амплитудное значение тока I_m связаны между собой следующим соотношением

где U_m­ – амплитудное значение переменного напряжения,

I_m­ – амплитудное значение переменного тока,

Z – полное сопротивление цепи.

Параллельное соединение элементов цепи при переменном напряжении

Теперь рассмотрим параллельное соединение элементов цепи (сопротивления, индуктивности и ёмкости) и прохождение по ним переменного тока.

Параллельно соединение элементов цепи.

Подадим на вход такой цепи переменное напряжение U, тогда электрический ток в цепи I, в соответствии с первым законом Кирхгофа, будет равняться алгебраической суммы токов проходящей через элементы цепи

I_R, I_L, I_C – токи в элементах цепи, сопротивлении R, индуктивности L и ёмкости С, соответственно,

U_m­ – амплитудное значение переменного тока.

Графическое изображение напряжений и токов в параллельно соединённых элементах цепи представлено ниже

Напряжение и токи при параллельном соединении.

Аналогично второму закону Кирхгофа, для первого закона также существует тригонометрическая форма записи, которая соответствует получившемуся выражению. Выполним ещё одно преобразование данного выражения

где g – активная проводимость, b – реактивная проводимость.

Как видно из формулы, реактивная проводимость может быть положительной b > 0, тогда она имеет индуктивный характер, а может быть отрицательной b < 0, тогда реактивная проводимость имеет ёмкостный характер. А активная проводимость может быть только положительной.

Отдельный случай представляет собой реактивная проводимость равная нулю, то есть в этом случае проводимость индуктивности и ёмкости одинаковы

Такой случай называется резонансом токов, в этом случае общая проводимость будет определяться только активной проводимостью, а сдвиг фаз между напряжением и током в цепи будет нулевым.

Определим зависимость между напряжением и силой тока в параллельной цепи

где y – полная проводимость,

ψ – разность фаз между напряжением и током в цепи.

Тогда зависимость между напряжением и током в цепи с параллельно соединёнными элементами будет иметь вид

где U_m­ – амплитудное значение переменного напряжения,

I_m­ – амплитудное значение переменного тока,

y – полная проводимость цепи.

Чему равна мощность в цепи при синусоидальном напряжении?

Мощность является основной энергетической характеристикой, поэтому рассмотрим мощность в цепи переменного напряжения. Мгновенная мощность в цепи будет равна

Как видно из получившегося выражения, мгновенная мощность состоит из постоянной составляющей UIcos(φ) и переменной составляющей UIcos(2ωt – φ), изменяющейся с удвоенной частотой по сравнению с частотой напряжения (тока).

Теперь определим среднее значение мощности за период или активную мощность, которая будет равна

где U – действующее значение переменного напряжения,

I – действующее значение переменного тока,

cos(φ) – коэффициент мощности.

Таким образом, активная мощность в цепи переменного напряжения (тока), равна произведению действующих значений напряжения и тока на коэффициент мощности.

При разработке и проектировании цепей переменного напряжения стараются сделать коэффициент мощности как можно больше, в идеале должен быть равен единице cos(φ) = 1. При небольших значениях данного коэффициента для создания в цепи необходимой мощности Р необходимо повышать величину напряжения U (тока I).

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Физика 8 класс. Последовательное и параллельное соединение проводников :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ

Включим в электрическую цепь в качестве нагузки ( потребителей тока) две лампы накаливания,
каждая из которых обладает каким-то определенным сопротивлением, и каждую из которых
можно заменить проводником с таким же сопротивлением.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Расчет параметров электрической цепи
при последовательном соединении сопротивлений:

1. сила тока во всех последовательно соединенных участках цепи одинакова

2. напряжение в цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных участков,
равно сумме напряжений на каждом участке

3. сопротивление цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных участков,
равно сумме сопротивлений каждого участка

4. работа электрического тока в цепи, состоящей из последовательно соединенных участков,

равна сумме работ на отдельных участках

А = А1 + А2

5. мощность электрического тока в цепи, состоящей из последовательно соединенных участков,
равна сумме мощностей на отдельных участка

Р = Р1 + Р2

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

 

Расчет параметров электрической цепи
при параллельном соединении сопротивлений:

1. сила тока в неразветвленном участке цепи равна сумме сил токов
во всех параллельно соединенных участках

2. напряжение на всех параллельно соединенных участках цепи одинаково

3. при параллельном соединении сопротивлений складываются величины, обратные сопротивлению :

( R — сопротивление проводника,
1/R — электрическая проводимость проводника)

Устали? — Отдыхаем!