Сопротивления
в электрических цепях могут быть
соединены последовательно, параллельно,
по смешанной схеме и по схемам «звезда»,
«треугольник». Расчет сложной схемы
упрощается, если сопротивления в этой
схеме заменяются одним эквивалентным
сопротивлением Rэкв,
и вся схема представляется в виде схемы
на рис. 1.3, где R=Rэкв,
а расчет токов и напряжений производится
с помощью законов Ома и Кирхгофа.
Электрическая
цепь с последовательным соединением
элементов
|
|
|
Последовательным
называют такое соединение элементов
цепи, при котором во всех включенных в
цепь элементах возникает один и тот же
ток I (рис. 1.4).
На
основании второго закона Кирхгофа (1.5)
общее напряжение U всей цепи равно сумме
напряжений на отдельных участках:
U
= U1
+ U2
+ U3 или
IRэкв
= IR1
+ IR2
+ IR3,
откуда
следует
(1.5)
Rэкв
= R1
+ R2
+ R3.
Таким
образом, при последовательном соединении
элементов цепи общее эквивалентное
сопротивление цепи равно арифметической
сумме сопротивлений отдельных участков.
Следовательно, цепь с любым числом
последовательно включенных сопротивлений
можно заменить простой цепью с одним
эквивалентным сопротивлением Rэкв
(рис. 1.5). После этого расчет цепи
сводится к определению тока I всей цепи
по закону Ома
,
и
по вышеприведенным формулам рассчитывают
падение напряжений U1,
U2,
U3
на соответствующих участках электрической
цепи (рис. 1.4).
Недостаток
последовательного включения элементов
заключается в том, что при выходе из
строя хотя бы одного элемента, прекращается
работа всех остальных элементов цепи.
Электрическая
цепь с параллельным соединением элементов
Параллельным
называют такое соединение, при котором
все включенные в цепь потребители
электрической энергии, находятся под
одним и тем же напряжением (рис. 1.6).
Рис.
1.6
В
этом случае они присоединены к двум
узлам цепи а и b, и на основании первого
закона Кирхгофа (1.3) можно записать, что
общий ток I всей цепи равен алгебраической
сумме токов отдельных ветвей:
I
= I1
+ I2
+ I3,
т.е.
,
откуда
следует, что
(1.6)
.
В
том случае, когда параллельно включены
два сопротивления R1
и R2,
они заменяются одним эквивалентным
сопротивлением
(1.7)
.
Из
соотношения (1.6), следует, что эквивалентная
проводимость цепи равна арифметической
сумме проводимостей отдельных ветвей:
gэкв
= g1
+ g2
+ g3.
По
мере роста числа параллельно включенных
потребителей проводимость цепи gэкв
возрастает, и наоборот, общее сопротивление
Rэкв
уменьшается.
Напряжения
в электрической цепи с параллельно
соединенными сопротивлениями (рис. 1.6)
U
= IRэкв
= I1R1
= I2R2 =
I3R3.
Отсюда
следует, что
,
т.е.
ток в цепи распределяется между
параллельными ветвями обратно
пропорционально их сопротивлениям.
По
параллельно включенной схеме работают
в номинальном режиме потребители любой
мощности, рассчитанные на одно и то же
напряжение. Причем включение или
отключение одного или нескольких
потребителей не отражается на работе
остальных. Поэтому эта схема является
основной схемой подключения потребителей
к источнику электрической энергии.
Электрическая
цепь со смешанным соединением элементов
Смешанным
называется такое соединение, при котором
в цепи имеются группы параллельно и
последовательно включенных сопротивлений.
Рис.
1.7
Для
цепи, представленной на рис. 1.7, расчет
эквивалентного сопротивления начинается
с конца схемы. Для упрощения расчетов
примем, что все сопротивления в этой
схеме являются одинаковыми: R1=R2=R3=R4=R5=R.
Сопротивления R4
и R5
включены параллельно, тогда сопротивление
участка цепи cd равно:
.
В
этом случае исходную схему (рис. 1.7)
можно представить в следующем виде
(рис. 1.8):
Рис.
1.8
На
схеме (рис. 1.8) сопротивление R3
и Rcd
соединены последовательно, и тогда
сопротивление участка цепи ad равно:
.
Тогда
схему (рис. 1.8) можно представить в
сокращенном варианте (рис. 1.9):
Рис.
1.9
На
схеме (рис. 1.9) сопротивление R2
и Rad
соединены параллельно, тогда сопротивление
участка цепи аb равно
.
Схему
(рис. 1.9) можно представить в упрощенном
варианте (рис. 1.10), где сопротивления
R1
и Rab
включены последовательно.
Тогда
эквивалентное сопротивление исходной
схемы (рис. 1.7) будет равно:
.
|
|
|
В
результате преобразований исходная
схема (рис. 1.7) представлена в виде
схемы (рис. 1.11) с одним сопротивлением
Rэкв.
Расчет токов и напряжений для всех
элементов схемы можно произвести по
законам Ома и Кирхгофа.
Соединение
элементов электрической цепи по схемам
«звезда» и «треугольник»
В
электротехнических и электронных
устройствах элементы цепи соединяются
по мостовой схеме (рис. 1.12). Сопротивления
R12,
R13,
R24,
R34
включены в плечи моста, в диагональ 1–4
включен источник питания с ЭДС Е, другая
диагональ 3–4 называется измерительной
диагональю моста.
|
|
|
В
мостовой схеме сопротивления R13,
R12,
R23
и R24,
R34,
R23
соединены по схеме «треугольник».
Эквивалентное сопротивление этой схемы
можно определить только после замены
одного из треугольников, например
треугольника R24
R34
R23
звездой R2
R3
R4
(рис. 1.13). Такая замена будет
эквивалентной, если она не вызовет
изменения токов всех остальных элементов
цепи. Для этого величины сопротивлений
звезды должны рассчитываться по следующим
соотношениям:
(1.8)
;
;
.
Для
замены схемы «звезда» эквивалентным
треугольником необходимо рассчитать
сопротивления треугольника:
(1.9)
;
;
.
После
проведенных преобразований (рис. 1.13)
можно определить величину эквивалентного
сопротивления мостовой схемы (рис. 1.12)
.
Главная
→
Примеры решения задач ТОЭ
→
Расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентных преобразований
Расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентных преобразований
Расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентных преобразований
Основными законами, определяющими расчет электрической цепи, являются законы Кирхгофа.
На основе законов Кирхгофа разработан ряд практических методов расчета электрических цепей постоянного тока, позволяющих сократить вычисления при расчете сложных схем.
Существенно упростить вычисления, а в некоторых случаях и снизить трудоемкость расчета, возможно с помощью эквивалентных преобразований схемы.
Преобразуют параллельные и последовательные соединения элементов, соединение «звезда» в эквивалентный «треугольник» и наоборот. Осуществляют замену источника тока эквивалентным источником ЭДС. Методом эквивалентных преобразований теоретически можно рассчитать любую цепь, и при этом использовать простые вычислительные средства. Или же определить ток в какой-либо одной ветви, без расчета токов других участков цепи.
В данной статье по теоретическим основам электротехники рассмотрены примеры расчета линейных электрических цепей постоянного тока с использованием метода эквивалентных преобразований типовых схем соединения источников и потребителей энергии, приведены расчетные формулы.
Решение задач Расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентных преобразований
Задача 1. Для цепи (рис. 1), определить эквивалентное сопротивление относительно входных зажимов a−g, если известно: R1 = R2 = 0,5 Ом, R3 = 8 Ом, R4 = R5 = 1 Ом, R6 = 12 Ом, R7 = 15 Ом, R8 = 2 Ом, R9 = 10 Ом, R10= 20 Ом.
Рис. 1
Решение
Начнем эквивалентные преобразования схемы с ветви наиболее удаленной от источника, т.е. от зажимов a−g:
Задача 2. Для цепи (рис. 2, а), определить входное сопротивление если известно: R1 = R2 = R3 = R4= 40 Ом.
Рис. 2
Решение
Исходную схему можно перечертить относительно входных зажимов (рис. 2, б), из чего видно, что все сопротивления включены параллельно. Так как величины сопротивлений равны, то для определения величины эквивалентного сопротивленияможно воспользоваться формулой:
где R — величина сопротивления, Ом;
n — количество параллельно соединенных сопротивлений.
Задача 3. Определить эквивалентное сопротивление относительно зажимов a–b, если R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = 10 Ом (рис. 3, а).
Рис. 3
Решение
Преобразуем соединение «треугольник» f−d−c в эквивалентную «звезду». Определяем величины преобразованных сопротивлений (рис. 3, б):
По условию задачи величины всех сопротивлений равны, а значит:
На преобразованной схеме получили параллельное соединение ветвей между узлами e–b, тогда эквивалентное сопротивление равно:
И тогда эквивалентное сопротивление исходной схемы представляет последовательное соединение сопротивлений:
Задача 4. В заданной цепи (рис. 4, а) определить методом эквивалентных преобразований входные сопротивления ветвей a−b, c–d и f−b, если известно, что: R1 = 4 Ом, R2 = 8 Ом, R3 =4 Ом, R4 = 8 Ом, R5 = 2 Ом, R6 = 8 Ом, R7 = 6 Ом, R8 =8 Ом.
Решение
Для определения входного сопротивления ветвей исключают из схемы все источники ЭДС. При этом точки c и d, а также b и f соединяются накоротко, т.к. внутренние сопротивления идеальных источников напряжения равны нулю.
Рис. 4
Ветвь a−b разрывают, и т.к. сопротивление Ra–b = 0, то входное сопротивление ветви равно эквивалентному сопротивлению схемы относительно точек a и b (рис. 4, б):
Аналогично методом эквивалентных преобразований определяются входные сопротивления ветвей Rcd и Rbf. Причем, при вычислении сопротивлений учтено, что соединение накоротко точек a и b исключает ( «закорачивает») из схемы сопротивления R1, R2, R3, R4 в первом случае, и R5, R6, R7, R8 во втором случае.
Задача 5. В цепи (рис. 5) определить методом эквивалентных преобразований токи I1, I2, I3 и составить баланс мощностей, если известно: R1 = 12 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 30 Ом, U = 120 В.
Рис. 5
Решение
Эквивалентное сопротивлениедля параллельно включенных сопротивлений:
Эквивалентное сопротивление всей цепи:
американские сигареты парламент.
Ток в неразветвленной части схемы:
Напряжение на параллельных сопротивлениях:
Токи в параллельных ветвях:
Баланс мощностей:
Задача 6. В цепи (рис. 6, а), определить методом эквивалентных преобразований показания амперметра, если известно: R1 = 2 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 30 Ом, R4 = 40 Ом, R5 = 10 Ом, R6 = 20 Ом, E = 48 В. Сопротивление амперметра можно считать равным нулю.
Рис. 6
Решение
Если сопротивления R2, R3, R4, R5 заменить одним эквивалентным сопротивлением RЭ, то исходную схему можно представить в упрощенном виде (рис. 6, б).
Величина эквивалентного сопротивления:
проститутки академическая. Смотри здесь строительство и ремонт деревянного дома.
Преобразовав параллельное соединение сопротивлений RЭ и R6 схемы (рис. 6, б), получим замкнутый контур, для которого по второму закону Кирхгофа можно записать уравнение:
откуда ток I1:
Напряжение на зажимах параллельных ветвей Uab выразим из уравнения по закону Ома для пассивной ветви, полученной преобразованием RЭ и R6:
Тогда амперметр покажет ток:
Задача 7. Определить токи ветвей схемы методом эквивалентных преобразований (рис. 7, а), если R1 = R2 = R3 = R4 = 3 Ом, J = 5 А, R5 = 5 Ом.
Рис. 7
Решение
Преобразуем «треугольник» сопротивлений R1, R2, R3 в эквивалентную «звезду» R6, R7, R8 (рис. 7, б) и определим величины полученных сопротивлений:
Преобразуем параллельное соединение ветвей между узлами 4 и 5
Ток в контуре, полученном в результате преобразований, считаем равным току источника тока J, и тогда напряжение:
И теперь можно определить токи I4 и I5:
Возвращаясь к исходной схеме, определим напряжение U32 из уравнения по второму закону Кирхгофа:
Тогда ток в ветви с сопротивлением R3 определится:
Величины оставшихся неизвестными токов можно определить из уравнений по первому закону Кирхгофа для узлов 3 и 1:
Электронная версия статьи Расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентных преобразований
Примеры решения задач Расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентных преобразований
Расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентных преобразований
Метод эквивалентных преобразований
Введение
Решение задач — неотъемлемая часть обучения
физике, поскольку в процессе решения задач
происходит формирование и обогащение физических
понятий, развивается физическое мышление
учащихся и совершенствуется их навыки
применения знаний на практике.
В ходе решения задач могут быть поставлены и
успешно реализованы следующие дидактические
цели:
- Выдвижение проблемы и создание проблемной
ситуации; - Обобщение новых сведений;
- Формирование практических умений и навыков;
- Проверка глубины и прочности знаний;
- Закрепление, обобщение и повторение материала;
- Реализация принципа политехнизма;
- Развитие творческих способностей учащихся.
Наряду с этим при решении задач у школьников
воспитываются трудолюбие, пытливость ума,
смекалка, самостоятельность в суждениях, интерес
к учению, воля и характер, упорство в достижении
поставленной цели. Для реализации перечисленных
целей особенно удобно использовать
нетрадиционные задачи.
§1. Задачи по расчету электрических
цепей постоянного тока
По школьной программе на рассмотрение данной
темы очень мало отводится времени, поэтому
учащиеся более или менее успешно овладевают
методами решения задач данного типа. Но часто
такие типы задач встречаются олимпиадных
заданиях, но базируются они на школьном курсе.
К таким, нестандартным задачам по расчету
электрических цепей постоянного тока можно
отнести задачи, схемы которых:
1) содержат большое число элементов –
резисторов или конденсаторов;
2) симметричны;
3) состоят из сложных смешанных соединений
элементов.
В общем случае всякую цепь можно рассчитать,
используя законы Кирхгофа. Однако эти законы не
входят в школьную программу. К тому же, правильно
решить систему из большого числа уравнений со
многими неизвестными под силу не многим учащимся
и этот путь не является лучшим способом тратить
время. Поэтому нужно уметь пользоваться
методами, позволяющими быстро найти
сопротивления и емкости контуров.
§2. Метод эквивалентных схем
Метод эквивалентных схем заключается в том, что
исходную схему надо представить в виде
последовательных участков, на каждом из которых
соединение элементов схемы либо
последовательно, либо параллельно. Для такого
представления схему необходимо упростить. Под
упрощением схемы будем понимать соединение или
разъединение каких-либо узлов схемы, удаление
или добавление резисторов, конденсаторов,
добиваясь того, чтобы новая схема из
последовательно и параллельно соединенных
элементов была эквивалентна исходной.
Эквивалентная схема – это такая схема, что при
подаче одинаковых напряжений на исходную и
преобразованную схемы, ток в обеих цепях будет
одинаков на соответствующих участках. В этом
случае все расчеты производятся с
преобразованной схемой.
Чтобы начертить эквивалентную схему для цепи
со сложным смешанным соединением резисторов
можно воспользоваться несколькими приемами. Мы
ограничимся рассмотрением в подробностях лишь
одного из них – способа эквипотенциальных узлов.
Этот способ заключается в том, что в
симметричных схемах отыскиваются точки с
равными потенциалами. Эти узлы соединяются между
собой, причем, если между этими точками был
включен какой-то участок схемы, то его
отбрасывают, так как из-за равенства потенциалов
на концах ток по нему не течет и этот участок
никак не влияет на общее сопротивление схемы.
Таким образом, замена нескольких узлов равных
потенциалов приводит к более простой
эквивалентной схеме. Но иногда бывает
целесообразнее обратная замена одного узла
несколькими узлами с равными потенциалами, что
не нарушает электрических условий в остальной
части.
Рассмотрим примеры решения задач эти методом.
З а д а ч а №1
Рассчитать сопротивление между точками А и В
данного участка цепи. Все резисторы одинаковы и
их сопротивления равны r.
Решение:
В силу симметричности ветвей цепи точки С И Д
являются эквипотенциальными. Поэтому резистор
между ними мы можем исключить. Эквипотенциальные
точки С и Д соединяем в один узел. Получаем очень
простую эквивалентную схему:
Сопротивление которой равно:
RАВ=Rac+Rcd=r*r/r*r+r*r/r+r=r.
З а д а ч а № 2
Решение:
В точках F и F` потенциалы равны, значит
сопротивление между ними можно отбросить.
Эквивалентная схема выглядит так:
Сопротивления участков DNB;F`C`D`; D`, N`, B`; FCD равны
между собой и равны R1:
1/R1=1/2r+1/r=3/2r
R1=2/3*r
С учетом этого получается новая эквивалентная
схема:
Ее сопротивление и сопротивление исходной цепи
RАВ равно:
1/RАВ=1/r+R1+R1+1/r+R1+R1=6/7r
RАВ=(7/6)*r.
З а д а ч а № 3.
Решение:
Точки С и Д имеют равные потенциалы.
Исключением сопротивление между ними. Получаем
эквивалентную схему:
Искомое сопротивление RАВ равно:
1/RАВ=1/2r+1/2r+1/r=2/r
RАВ=r/2.
З а д а ч а № 4.
Решение:
Как видно из схемы узлы 1,2,3 имеют равные
потенциалы. Соединим их в узел 1. Узлы 4,5,6 имеют
тоже равные потенциалы- соединим их в узел 2.
Получим такую эквивалентную схему:
Сопротивление на участке А-1, R 1-равно
сопротивлению на участке 2-В,R3 и равно:
R1=R3=r/3
Сопротивление на участке 1-2 равно: R2=r/6.
Теперь получается эквивалентная схема:
Общее сопротивление RАВ равно:
RАВ= R1+ R2+ R3=(5/6)*r.
З а д а ч а № 5.
Решение:
Точки C и F-эквивалентные. Соединим их в один
узел. Тогда эквивалентная схема будет иметь
следующий вид:
Сопротивление на участке АС:
Rас=r/2
Сопротивление на участке FN:
RFN = 
Сопротивление на участке DB:
RDB =r/2
Получается эквивалентная схема:
Искомое общее сопротивление равно:
RAB= r.
Задача №6
Решение:
Заменим общий узел О тремя узлами с равными
потенциалами О, О1 , О2. Получим
эквивалентную систему:
Сопротивление на участке ABCD:
R1=(3/2)*r
Сопротивление на участке A`B`C`D`:
R2= (8/3)*r
Сопротивление на участке ACВ
R3 = 2r.
Получаем эквивалентную схему:
Искомое общее сопротивление цепи RAB
равно:
RAB= (8/10)*r.
Задача №7.
Решение:
“Разделим” узел О на два эквипотенциальных
угла О1 и О2. Теперь схему можно
представить, как параллельные соединение двух
одинаковых цепей. Поэтому достаточно подробно
рассмотреть одну из них:
Сопротивление этой схемы R1 равно:
R1 = 3r
Тогда сопротивление всей цепи будет равно:
RAB = (3/2)*r
З а д а ч а №8
Решение:
Узлы 1 и 2 – эквипотенциальные, поэтому соединим
их в один узел I. Узлы 3 и 4 также эквипотенциальные
– соединимих в другой узел II. Эквивалентная
схема имеет вид:
Сопротивление на участке A- I равно
сопротивлению на участке B- II и равно:
RI =
Сопротивление участка I-5-6- II равно:
RII = 2r
Cопротивление участка I- II равно:
RIII =
Получаем окончательную эквивалентную схему:
Искомое общее сопротивление цепи RAB=(7/12)*r.
З а д а ч а №9
В ветви ОС заменим сопротивление на два
параллельно соединенных сопротивления по 2r.
Теперь узел С можно разделить на 2
эквипотенциальных узла С1 и С2.
Эквивалентная схема в этом случае выглядит так:
Сопротивление на участках ОСIB и DCIIB
одинаковы и равны, как легко подсчитать 2r. Опять
чертим соответствующую эквивалентную схему:
Сопротивление на участке AOB равно
сопротивлению на участке ADB и равно (7/4)*r. Таким
образом получаем окончательную эквивалентную
схему из трех параллельно соединенных
сопротивлений:
Ее общее сопротивление равно RAB= (7/15)*r
З а д а ч а № 10
Точки СОD имеют равные потенциалы – соединим их
в один узел ОI .Эквивалентная схема
изображена на рисунке :
Сопротивление на участке А ОI равно . На участке
ОIВ сопротивление равно .Получаем совсем
простую эквивалентную схему:
ЕЕ сопротивление равно искомому общему
сопротивлению
RAB=(5/6)*r
Задачи № 11 и № 12 решаются несколько иным
способом, чем предыдущие. В задаче №11 для ее
решения используется особое свойство
бесконечных цепей, а в задаче № 12 применяется
способ упрощения цепи.
Задача № 11
Решение
Выделим в этой цепи бесконечно повторяющееся
звено, оно состоит в данном случае из трех первых
сопротивлений. Если мы отбросим это звено, то
полное сопротивление бесконечной цепи R не
измениться от этого , так как получится точно
такая же бесконечная цепь. Так же ничего не
измениться, если мы выделенное звено подключим
обратно к бесконечному сопротивлению R, но при
этом следует обратить внимание , что часть звена
и бесконечная цепь сопротивлением R соединены
параллельно. Таким образом получаем
эквивалентную схему :
Получается уравнения
RAB=2ч +
RAB = R
Решая систему этих уравнений, получаем:
R=ч (1+ 
).
§3. Обучение решению задач по расчету
электрических цепей способом эквипотенциальных
узлов
Задача – это проблема, для разрешения которой
ученику потребуются логические рассуждения и
выводы. Строящиеся на основе законов и методов
физики. Таким образом, с помощью задач происходит
активизация целенаправленного мышления
учащихся.
В то же время. Теоретические знания можно
считать усвоенными только тогда, когда они
удачно применяются на практике. Задачи по физике
описывают часто встречающиеся в жизни и на
производстве проблемы, которые могут быть решены
с помощью законов физики и, если ученик успешно
решает задачи, то можно сказать, что он хорошо
знает физику.
Для того, чтобы ученики успешно решали задачи,
недостаточно иметь набор методов и способов
решения задач, необходимо еще специально учить
школьников применению этих способов.
Рассмотрим план решения задач по расчету
электрических цепей постоянного тока методом
эквипотенциальных узлов.
- Чтение условия.
- Краткая запись условия.
- Перевод в единицы СИ.
- Анализ схемы:
- установить, является ли схема симметричной;
- установить точки равного потенциала;
- выбрать, что целесообразнее сделать –
соединить точки равных потенциалов или же,
наоборот, разделить одну точку на несколько
точек равных потенциалов; - начертить эквивалентную схему;
- найти участки только с последовательным или
только с параллельным соединением и рассчитать
общее сопротивление на каждом участке по законам
последовательного и параллельного соединения; - начертить эквивалентную схему, заменяя участки
соответствующими им расчетными сопротивлениями; - пункты 5 и 6 повторять до тех пор, пока не
останется одно сопротивление, величина которого
и будет решением задачи. - Анализ реальности ответа.
Подробнее об анализе схемы
а) установить, является ли схема симметричной.
Определение. Схема симметрична, если одна ее
половина является зеркальным отражением другой.
Причем симметрия должна быть не только
геометрической, но должны быть симметричны и
численные значения сопротивлений или
конденсаторов.
Примеры:
1)
Схема симметричная, так как ветви АСВ и АДВ
симметричны геометрически и отношение
сопротивления на одном участке АС:АД=1:1 такое же,
как и на другом участке СД:ДВ=1:1.
2)
Схема симметричная, так как отношение
сопротивлений на участке АС:АД=1:1 такое же, как и
на другом участке СВ:ДВ=3:3=1:1
3)
Схема не симметрична, так как отношения
сопротивлений численно
не симметричны -1:2 и 1:1.
б) установить точки равных потенциалов.
Пример:
Из соображений симметрии делаем вывод, что в
симметричных точках потенциалы равны. В данном
случае симметричными точками являются точки С и
Д. Таким образом, точки С и Д – эквипотенциальные
точки.
в) выбрать, что целесообразно сделать –
соединить точки равных потенциалов или же,
наоборот, разделить одну точку на несколько
точек равных потенциалов.
Мы видим в этом примере, что между точками
равных потенциалов С и Д включено сопротивление,
по которому ток не будет течь. Следовательно, мы
можем отбросить это сопротивление, а точки С и Д
соединить в один узел.
г) начертить эквивалентную схему.
Чертим эквивалентную схему. При этом получаем
схему с соединенными в одну точку точками С и Д.
д) найти участки только с последовательным или
только с параллельным соединением и рассчитать
общее сопротивление на каждом таком участке по
законам последовательного и параллельного
соединения.
Из полученной эквивалентной схемы видно, что на
участке АС мы имеем два параллельно соединенных
резистора. Их общее сопротивление находится по
закону параллельного соединения:
1/ Rобщ=1/R1+1/R2+1/R3+…
Таким образом 1/RAC=1/r+1/r=2/r,откуда RAC= r/2.
На участке СВ картина аналогичная:
1/RCB= 1/r+1/r =2/r, откуда RCB=r/2.
е)начертить эквивалентную схему, заменяя
участки соответствующими им расчетными
сопротивлениями.
Чертим эквивалентную схему подставляя в нее
рассчитанные сопротивления участков RAC и RCB:
ж)пункты д) и е) повторять до тех пор, пока
останется одно сопротивление, величина которого
и будет решением задачи.
Повторяем пункт д): на участке АВ имеем два
последовательно соединенных сопротивления. Их
общее сопротивление находим по закону
последовательного соединения:
Rобщ= R1+R2+R3+… то есть, RAB=RAC+RCB = r/2+r/2 =2r/2 = r.
Повторяем пункт е): чертим эквивалентную
схему:
Мы получили схему с одним сопротивлением,
величина которого равна сопротивлению исходной
схемы. Таким образом, мы получили ответ RAB = r.
Далее, для проверки усвоения данного материала
можно учащимся предложить задания для
самостоятельной работы, взятые из
дидактического материала. (см. приложение)
Литература
- Балаш. В.А. задачи по физике и методы их решения. —
М: Просвещение,1983. - Лукашик В.И. Физическая олимпиада.- М:
Просвещение, 2007 - Усова А.В., Бобров А.А. Формирование учебных
умений и навыков учащихся на уроках физики.- М:
Просвещение,1988 - Хацет А. Методы расчета эквивалентных схем
//Квант. - Чертов А. Г. Задачник по физике. – М.: Высшая
школа,1983 - Зиятдинов Ш.Г., Соловьянюк С.Г. (методические
рекомендации) г. Бирск,1994г - Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. Дидактические
материалы. Москва, “Дрофа”, 2004г
Главная > Теория > Эквивалентное сопротивление
Если электрическая цепь содержит несколько резисторов, то для подсчёта её основных параметров (силы тока, напряжения, мощности) удобно все резистивные устройства заменить на одно эквивалентное сопротивление цепи. Только для него должно выполняться следующее требование: его сопротивление должно быть равным суммарному значению сопротивлений всех элементов, то есть показания амперметра и вольтметра в обычной схеме и в преобразованной не должны измениться. Такой подход к решению задач называется методом свёртывания цепи.
Внимание! Расчёт эквивалентного (общего или суммарного) сопротивления в случае последовательного или параллельного подключения выполняется по разным формулам.
Что такое эквивалентное сопротивление резисторов
Точного понятия в физике не существует. Его можно вывести через ряд других терминов и формулировку закона Ома. В результате получится, что эквивалентное сопротивление резисторов — это суммарное препятствие взаимозаменяемых пассивных элементов электрической сети, чтобы заряд проходил в проводник.
Сопротивляемость резисторов
К сведению! Один показатель дает на выходе значение сопротивляемости без воздействия на него ряда посторонних моментов.
Подробное объяснение эквивалентному сопротивлению
Как определить эквивалентное сопротивление
Если в электрической сети находится несколько резистивных источников, то, чтобы подсчитать силу тока, напряжения и мощность, следует использовать один взаимозаменяемый физический показатель сопротивления электрической цепи.
Любой показатель последовательного или параллельного подключения возможно преобразовать, используя эквивалентный резистор и один источник электродвижущей силы. Сопротивляемость в данном случае будет равна сумме всех препятствий пассивных устройств заряду электрической сети. Электродвижущая сила взаимозаменяемого источника будет равна сумме всех источников, которые входят в цепь.
Формула определения показателя
Обратите внимание! Сворачиванием цепи, используя преобразования последовательно подключенных или параллельных проводниковых приборов, можно по максимуму сделать проще дальнейший расчет в любой схеме. Исключением будут выступать цепи, которые содержат сопротивляемость по схеме в виде звезды и треугольника.
Параллельное и последовательное соединение элементов
В разделе электротехники присутствует несколько вариантов того, как подключить детали в электрическую цепь. Есть параллельное и попеременное подсоединения. Их объединяет смешанная схема, которая представлена ниже.
Последовательное подключение — это когда все источники соединяются друг с другом последовательно. Получаемая цепь не обладает никакими разветвлениями. Сила тока в данном случае проходит через каждый источник. Она постоянная, общее напряжение одинаковое.
В случае препятствия резисторов заряду при последовательном подключении получится, что сопротивляемость будет равна сумме всех взаимозаменяемых пассивных элементов цепи. Рассчитывая параметры электротехнической схемы, не нужно применять частные параметры устройств. Их можно заменить одним значением, которое равно их суммарному показателю.
Обратите внимание! Польза взаимозаменяемости компонентов заключается в возможности замены нескольких пассивных элементов электрической сети одним.
Параллельное подключение — это такое подсоединение источников, в котором входы всех устройств находятся в одних местах, а выходы — в других. Этими местами служат узлы.
В случае эквивалентного препятствия заряду при параллельном соединении определить его можно благодаря закону Ома с преобразованием формулировки подсчета. Так, сделать необходимый расчет можно, основываясь на следующей формуле: R · R / N·R = R / N.
Если это соединение нескольких индуктивных катушек, то их индуктивный показатель сопротивляемости будет рассчитываться по той же формуле, что для резисторных устройств.
Важно! В случае с параллельным подключением общий показатель будет меньше любого показателя резистора. При последовательном подсоединении все наоборот.
Определение
Если посчитать общее сопротивление (Rобщ), можно выяснить изменение основных электрических параметров (тока (I) и напряжения (U)) при подключении схемы к определенному источнику питания. В простейшем варианте достаточно применить закон Ома (I = U/ R) и пренебречь внутренним сопротивлением аккумулятора.
При напряжении U = 6,5 В через подключенный резистор R = 20 ОМ будет проходить ток I = 6,5/20 = 0,325 А. По вычисленному параметру с помощью классической формулы можно узнать мощность:
P = I2 *R = U2/ R = 0,105625 * 20 = 2,11 Вт.
Полученное значение пригодится для выбора подходящего пассивного элемента в ассортименте магазина.
На практике приходится решать задачи с большим количеством элементов. Общий показатель эквивалентен суммарному сопротивлению цепи. Однако простым сложением правильный результат получить нельзя. Ниже рассмотрены технологии, по которым выполняют корректные вычисления.
Основные термины и определения
Рисунок поясняет используемую терминологию:
- i1, i2… i6 – токи в отдельных цепях;
- R1-R3 – пассивные элементы (резисторы);
- e1, e2 – типичные обозначения источников тока (ЭДС);
- L и C – компоненты с реактивными характеристиками (индуктивными и емкостными, соответственно);
- ветвями называют с одним током;
- места соединение этих цепей – узлы;
- контуры (обозначены римскими цифрами I, II и III) показывают замкнутые пути прохождения токов по нескольким ветвям.
Как правильно рассчитать при смешанном соединении устройств
Смешанным подключением устройств называется такой тип, при котором часть взаимозаменяемых компонентов подключается последовательно, а часть — параллельно. При смешанном подсоединении устройств определить эквивалентный показатель сопротивляемости несложно. Достаточно использовать следующую формулу: (R1 + R2) R3 / (R1 + R2 + R3) + R4.
Это соединение используется, чтобы изменить сопротивляемость в пусковых реостатах, питающихся от постоянного тока. Для подсчета используются специальные онлайн-сервисы. Это помогает быстрее вычислить, упростить и ускорить расчеты электротехнических параметров.
Формула расчета при смешанном соединении устройств
В результате, чтобы рассчитать эквивалентное сопротивление цепи, необходимо вспомнить про закон Ома и обязательно пользоваться указанными формулами выше. Только при смешенном типе соединения желательно вести подсчеты в онлайн-калькуляторах, так как есть риск допустить ошибку в расчетах.
Источник
Правила работы на калькуляторе
В быту нас интересуют, как правило, четыре взаимосвязанных характеристики электричества:
- напряжение;
- ток;
- сопротивление;
- или мощность.
Если тебе известны две величины, входящие в закон Ома (U, R, I), то вводи их в соответствующие строки, а оставшийся параметр и мощность будут вычислены автоматически.
Будь внимательным, чтобы не допустить ошибки.
Все значения надо заполнять в одной размерности: амперы, вольты, омы, ватты без использования обозначений дольности или кратности.
Осуществить переход к ним тебе поможет наглядная таблица.
Расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентных преобразований
Расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентных преобразований
Основными законами, определяющими расчет электрической цепи, являются законы Кирхгофа.
На основе законов Кирхгофа разработан ряд практических методов расчета электрических цепей постоянного тока, позволяющих сократить вычисления при расчете сложных схем.
Существенно упростить вычисления, а в некоторых случаях и снизить трудоемкость расчета, возможно с помощью эквивалентных преобразований схемы.
Преобразуют параллельные и последовательные соединения элементов, соединение «звезда » в эквивалентный «треугольник » и наоборот. Осуществляют замену источника тока эквивалентным источником ЭДС. Методом эквивалентных преобразований теоретически можно рассчитать любую цепь, и при этом использовать простые вычислительные средства. Или же определить ток в какой-либо одной ветви, без расчета токов других участков цепи.
Эквивалентное сопротивление
Расчёт электрических схем, содержащих несколько сопротивлений (резисторов), при нахождении силы тока в цепи, напряжения или мощности, производится с использованием метода свёртывания. Метод заключается в том, чтобы найти эквивалентное сопротивление выделенных участков цепи. Основная задача – замена резисторов, имеющих различное подключение относительно друг друга, на эквивалент (Rэкв.).
Определение эквивалентного сопротивления
При рассмотрении схем любых электрических или электронных устройств можно увидеть, что такие компоненты, как резисторы, имеют разные типы соединений между собой. Чтобы определить эквивалентное соединение, необходимо рассматривать два элемента, включенных в определённом порядке. Несмотря на то, что на чертеже их может быть несколько десятков, и соединены они по-разному, есть только два типа включения их друг с другом: последовательное и параллельное. Остальные конфигурации – это лишь их вариации.
Последовательное соединение элементов
Подобное включение подразумевает комбинацию деталей в прямой последовательности. Выход одного сопротивления подключается к входу другого. При этом отсутствуют какие-либо ответвления на участке. Величина тока, который проходит через все соединённые последовательно компоненты, будет одна и та же.
Внимание! Снижение потенциала на каждом резистивном элементе в сумме даст полное напряжение, приложенное к последовательной цепи.
В случае постоянного тока формула закона Ома для отрезка цепи имеет вид:
Сила тока зависит от приложенного напряжения и оказанного ему сопротивления. Если выразить R, его формула:
Параметры последовательной цепи, включающей n соединённых друг с другом элементов, имеют свои особенности.
Проходящий по цепи ток везде одинаковый:
Прикладываемое напряжение является суммой напряжений на каждом резисторе:
Следовательно, рассчитать можно общее:
Rэкв.= U1/I + U2/I + … +Un/I) = R1 + R2 + … +Rn.
Важно! Последовательная цепь, имеющая в своём составе N резисторов равного номинала, имеет эквивалентное сопротивление Rэкв. = N*R.
Емкость в цепи переменного тока
При подаче на конденсатор постоянного напряжения он постепенно зарядится до максимальной разности потенциалов на его обкладках. После этого ток через электронный компонент прекратится и, не считая ничтожной утечки, будет равняться нулю. Поэтому в цепи постоянного тока конденсатор имеет огромное сопротивление. При расчетах его величину принимают равной бесконечности.
Реактивное сопротивление имеет вполне исчисляемое значение. Его можно измерить с помощью осциллографа, генератора и постоянного резистора. Для этого потребуется собрать схему. В ней конденсатор образует с резистором делитель напряжения. С помощью осциллографа будет измеряться потенциал, который образуется на выводах ёмкости.
Для данной схемы вычисления имеют следующий вид.
Формула косвенного измерения
Здесь:
- Ur – разность потенциалов на резисторе, В;
- Uc – напряжение на обкладках, В;
- R – сопротивление резистора, ом;
- Xc – сопротивление ёмкости, ом;
- I – ток, протекающий в цепи, А.
Важно! Электрический кабель также обладает ёмкостью. Поэтому после снятия напряжения на нём остаётся некоторый заряд
Данное явление опасно для человека, особенно, если проводник до отключения находился под потенциалом 1000 В и выше.
Параллельное соединение
Когда условные выходы деталей имеют общий контакт в одной точке (узле) схемы, а условные входы так же объединены во второй, говорят о параллельном соединении. Узел на чертеже обозначается графической точкой. Это место, где происходят разветвления цепей в схемах. Такой вариант подключения резисторов обеспечивает одинаковое падение напряжения U для всех параллельных элементов. Ток в этой позиции будет равен сумме токов, идущих по каждому компоненту.
Когда в параллельное подключение входит n резистивных элементов, то разность потенциалов, ток и общее сопротивление будут иметь следующие выражения:
- общий ток: I = I1 + I2 + … + In;
- общее напряжение: U = U1 = U2 = … = Un;
- Rобщ. = Rэкв. = U/I1 + U/I2 + …+ U/In) = 1/R1 + 1/R2 +…+ 1/Rn.
Величину, обратно пропорциональную сопротивлению 1/R, называют проводимостью.
Если n равных по номиналу сопротивлений включить параллельно, то Rэкв. = (R*R)/n*R = R/n. Формула подходит и для индуктивных сопротивлений проволочных катушек и ёмкостных сопротивлений конденсаторов.
Постулаты Кирхгофа
Эти принципы используют для расчета сложных электрических схем. Базовые сведения о токах и напряжениях помогут уточнить контрольные параметры в отдельных узлах. С помощью этой информации корректируют характеристики отдельных функциональных компонентов. Они пригодятся для определения уровня выходного сигнала в определенных точках без применения измерительной аппаратуры.
Первый постулат
По классической формулировке сумма (алгебраическая) входящих и выходящих из одного узла токов определяется выражением:
i1 + i2 + … + in = 0.
Это соотношение справедливо для любой контрольной точки схемы, где соединяются ветви. Не имеет значения, какие именно компоненты включены в отдельные цепи:
- реактивные;
- пассивные;
- источники питания в любой полярности.
Второй постулат
Это правило определяет равенство сумм напряжений и ЭДС, включенных в один контур. Для наглядности можно представить простейший пример с двумя резисторами, подключенными к источнику постоянного тока. С помощью мультиметра измеряют напряжения на выводах:
- UR1 = 4 V;
- UR1 = 2,5 V;
- Uакб = 6,5 V = UR1 + UR2.
Второе правило действительно для всех замкнутых контуров, смешанных и сложных соединений. Для проверки вычислений можно суммировать последовательно разницу потенциалов контрольных точек. Если в цепи отсутствуют дополнительные генераторы (аккумуляторные батареи), получится результат, равный нулю. Выбирают направление обхода контура, соответствующее положительному току (входящему в узел). Выше показан частный случай, когда складывают результаты измерений.
К сведению. Второй постулат Кирхгофа применяют для расчета схем, подключенных к источнику питания переменного тока.
Расчёт при смешанном соединении устройств
Произвести расчет сопротивления цепи, когда она разветвлена и наполнена разными видами резистивных соединений, просто не получится. Затрудняет решение задачи множество участков, где детали подключены друг другу в разных комбинациях. В таких обстоятельствах желательно выполнять ряд преобразований, добиваясь упрощения схемы вводом отдельных эквивалентных элементов. Выявляют при этом подходящие контуры последовательных и параллельных присоединений.
Например, выискав некоторое количество последовательных подключений резисторов, заменяют их на один эквивалентный компонент. Определив элементы, соединённые последовательно, также рисуют вместо него эквивалент. Вновь начинают искать подобные простые соединения.
Метод называют «методом свёртывания». Схему упрощают до тех пор, пока в ней не останется одно Rэкв.
Важно! Метод эквивалентных преобразований применяется тогда, когда питание рассматриваемого участка цепи осуществляется от одного источника электрического тока, а также при определении Rэкв. в замкнутом контуре с одной ЭДС.
Такой относительный способ определения Rэкв используют и для изучения зависимости токов в некоторой цепи от значения R нагрузки. Это метод эквивалентного генератора, при котором сложный двухполюсник, являющийся активным, представляют эквивалентным генератором. При этом считают, что ЭДС его соответствует Uх.х. (холостого хода) на зажимах, R внутреннее соответствует R входному двухполюсника пассивного на тех же зажимах. Для такого определения источники тока разъединяют, а канал ЭДС закорачивают.
Практическое применение
Чаще всего на практике расчёт общего сопротивления цепи выполняют для того, чтобы узнать потребляемую мощность той или иной схемы. При этом, зная общее сопротивление, можно найти и такие важные параметры цепи, как ток и напряжение. Поэтому и рисуют эквивалентную схему электрической цепи. Простые цепи состоят только из последовательных или параллельных участков, но чаще встречаются комбинированные соединения.
Перед тем как приступить к расчёту эквивалентного сопротивления, вся электрическая цепь разделяется на простые контуры. Как только импеданс каждого такого контура будет подсчитан, схема перерисовывается, но вместо контуров рисуется уже резистор. Затем всё повторяется, и это происходит до тех пор, пока не останется один элемент.
Простое соединение
Пусть будет дана схема, состоящая из трёх резисторов, включённых последовательно. При этом сопротивление R1и R2 одинаковое и равно 57 Ом, а сопротивление R3 составляет один килоОм. Для расчёта общего сопротивления цепи сначала понадобится привести значение R3 согласно Международной системе единиц.
R3 = 1 кОм = 1000 Ом.
Так как соединение последовательное, используется формула: Ro = R1+R2+R3. Подставив известные значения, рассчитывается эквивалентное значение: Ro = 57+57+1000 = 1114 Ом.
Если же те же самые резисторы будут расположены параллельно друг другу, то для расчёта общего сопротивления уже используется другое выражение:
1/Ro = 1/R1 + 1/R2 +1/R3.
Ro = R1*R2*R3 / (R1*R2+R2*R3+R1*R3).
Подставив исходные данные в эту формулу, получим:
Ro = 57*57*1000/ (57*57 +57*1000+ 57*1000) = 3249000/117249 = 27,7 Ом.
Комбинированный контур
Необходимо вычислить мощность и эквивалентное сопротивление смешанной цепи, состоящей из четырёх резисторов. Резистор R1 =R2 =5 Ом, R3= 10 Ом, R4 =3 Ом. На схему подаётся питание пять вольт.
Первоначально понадобится упростить схему. Сопротивления R3 и R4 включены относительно друг друга параллельно. Поэтому находится их объединённое сопротивление:
Rp = (R3*R4)/(R3+R4).
Rp = (10*3)/ (10+3) = 2,3 Ом.
Теперь схему можно перерисовать в виде трёх последовательно включённых резисторов и найти общее сопротивление путём сложения их величин:
Ro = R1+R2+Rp = 5+5+2,3 = 12,3 Ом.
Зная эквивалентное сопротивление, используя закон Ома, несложно вычислить силу тока в цепи и мощность эквивалентного резистора:
I = U/R = 5/2,3 = 2,2 A.
P = I*U = 2,2*5= 11 Вт.
Таким образом, путём постепенного упрощения схемы можно свести цепь из последовательно и параллельно соединённых резисторов к одному элементу. А затем рассчитать его сопротивление и требуемую мощность.
Физические формулы и примеры вычислений
Формулы для эквивалентных сопротивлений цепи, состоящей из пары резисторов R1 и R2, можно выделить в определённый ряд:
- параллельное присоединение определяют по формуле Rэкв. = (R1*R2)/R1+R2;
- последовательное включение вычисляют, определяя его сумму Rэкв. = R1+R2.
У смешанного соединения резистивных элементов нет конкретной формулы. Чтобы не запутаться при длительных преобразованиях, здесь допустимо воспользоваться специальной программой из интернета. Это сервис «онлайн-калькулятор». Он поможет разобраться со сложными схемами соединения, будь то треугольник, квадрат, пятиугольник или иная схематичная фигура, образованная резистивными элементами.
Понять, как работают все формулы и методы, можно на конкретной задаче. На представленном первом рисунке – смешанная электрическая схема. Она включает в себя 10 резисторов. Элементы представлены в следующих номиналах:
- R1 = 1 Ом;
- R2 = 2 Ом;
- R3 = 3 Ом;
- R4 = 6 Ом;
- R5 = 9 Ом;
- R6 = 18 Ом;
- R7 = 2Ом;
- R8 = 2Ом;
- R9 = 8 Ом;
- R10 = 4 Ом.
Напряжение, поданное на схему:
Требуется рассчитать токи на всех резистивных элементах.
Для расчётов применяется закон Ома:
I = U/R, подставляя вместо R эквивалентное сопротивление.
Внимание! Для решения этой задачи сначала вычисляют общее (эквивалентное) R, после чего уже рассчитывают ток в цепи и напряжение на каждом резистивном компоненте.
Практическое применение
Чаще всего на практике расчёт общего сопротивления цепи выполняют для того, чтобы узнать потребляемую мощность той или иной схемы. При этом, зная общее сопротивление, можно найти и такие важные параметры цепи, как ток и напряжение. Поэтому и рисуют эквивалентную схему электрической цепи. Простые цепи состоят только из последовательных или параллельных участков, но чаще встречаются комбинированные соединения.
Перед тем как приступить к расчёту эквивалентного сопротивления, вся электрическая цепь разделяется на простые контуры. Как только импеданс каждого такого контура будет подсчитан, схема перерисовывается, но вместо контуров рисуется уже резистор. Затем всё повторяется, и это происходит до тех пор, пока не останется один элемент.
Простое соединение
Пусть будет дана схема, состоящая из трёх резисторов, включённых последовательно. При этом сопротивление R1и R2 одинаковое и равно 57 Ом, а сопротивление R3 составляет один килоОм. Для расчёта общего сопротивления цепи сначала понадобится привести значение R3 согласно Международной системе единиц.
Советуем изучить Ремонт стабилизаторов напряжения
R3 = 1 кОм = 1000 Ом.
Так как соединение последовательное, используется формула: Ro = R1+R2+R3. Подставив известные значения, рассчитывается эквивалентное значение: Ro = 57+57+1000 = 1114 Ом.
Если же те же самые резисторы будут расположены параллельно друг другу, то для расчёта общего сопротивления уже используется другое выражение:
1/Ro = 1/R1 + 1/R2 +1/R3.
Ro = R1*R2*R3 / (R1*R2+R2*R3+R1*R3).
Подставив исходные данные в эту формулу, получим:
Ro = 57*57*1000/ (57*57 +57*1000+ 57*1000) = 3249000/117249 = 27,7 Ом.
Содержание материала
- Последовательное соединение элементов
- Последовательное соединение элементов
- Определение эквивалентного сопротивления
- Параллельное соединение резисторов. Калькулятор для расчета
- Основные преимущества
- Физические формулы и примеры вычислений
- Практическое применение
- Простое соединение
- Комбинированный контур
- Емкость в цепи переменного тока
- Виды устройств и их особенности
- Основные популярные типы
- Как рассчитать сложные схемы соединения резисторов
- Параллельное соединение
Последовательное соединение элементов
В случае последовательного подключения все приборы соединяются последовательно друг с другом, а собранная цепь не имеет разветвлений.
При таком подключении сила тока, проходящая через каждый резистор, будет одинаковая, а общее падение напряжения складывается из суммарных падений напряжения на каждом из приборов.
Последовательное подключение приборов
Чтобы определить суммарное значение в этом случае, воспользуемся законом Ома, который записывается следующим образом:
I = U/R.
Из вышестоящего выражения получаем значение R:
R = U/I (1).
Поскольку при последовательном соединении:
- I = I1 = I2 =…= IN (2),
- U = U1 + U2 +…+ UN (3),
формула для расчёта эквивалентного сопротивления (Rобщ или Rэкв) из (1) – (3) будет иметь вид:
- Rэкв = (U1 + U2 + …+ UN)/I,
- Rэкв = R1 + R2 + … + RN (4).
Таким образом, если имеется N последовательно соединённых одинаковых элементов, то их можно заменить на одно устройство, у которого:
Rобщ = N·R (5).
Последовательное соединение элементов
Подобное включение подразумевает комбинацию деталей в прямой последовательности. Выход одного сопротивления подключается к входу другого. При этом отсутствуют какие-либо ответвления на участке. Величина тока, который проходит через все соединённые последовательно компоненты, будет одна и та же.
Внимание! Снижение потенциала на каждом резистивном элементе в сумме даст полное напряжение, приложенное к последовательной цепи.
В случае постоянного тока формула закона Ома для отрезка цепи имеет вид:
Сила тока зависит от приложенного напряжения и оказанного ему сопротивления. Если выразить R, его формула:
Параметры последовательной цепи, включающей n соединённых друг с другом элементов, имеют свои особенности.
Проходящий по цепи ток везде одинаковый:
Прикладываемое напряжение является суммой напряжений на каждом резисторе:
Следовательно, рассчитать можно общее:
Rэкв.= U1/I + U2/I + … +Un/I) = R1 + R2 + … +Rn.
Важно! Последовательная цепь, имеющая в своём составе N резисторов равного номинала, имеет эквивалентное сопротивление Rэкв. = N*R.
Определение эквивалентного сопротивления
При рассмотрении схем любых электрических или электронных устройств можно увидеть, что такие компоненты, как резисторы, имеют разные типы соединений между собой. Чтобы определить эквивалентное соединение, необходимо рассматривать два элемента, включенных в определённом порядке. Несмотря на то, что на чертеже их может быть несколько десятков, и соединены они по-разному, есть только два типа включения их друг с другом: последовательное и параллельное. Остальные конфигурации – это лишь их вариации.
Параллельное соединение резисторов. Калькулятор для расчета
Параллельное соединение резисторов — одно из двух видов электрических соединений, когда оба вывода одного резистора соединены с соответствующими выводами другого резистора или резисторов. Зачастую резисторы соединяют последовательно или параллельно для того, чтобы создать более сложные электронные схемы.
Схема параллельного соединения резисторов показан на рисунке ниже. При параллельном соединении резисторов, напряжение на всех резисторах будет одинаковым, а протекающий через них ток будет пропорционален их сопротивлению:
Основные преимущества
Светодиодные лампы Т8 значительно превосходят альтернативные образцы практически по всем показателям. К достоинствам приборов следует отнести:
- эффективность, высокие значения светового потока;
- экономичность;
- длительный срок службы;
- освещение имеет направленный характер, что позволяет организовать более эффективный и комфортный режим подсветки;
- подключение происходит мгновенно, чего не наблюдается у люминесцентных ламп;
- ровный, без мерцания режим работы;
- есть возможность работы при нестабильности напряжения в сети;
- не создают электромагнитных помех;
- нет вредного излучения в ультрафиолетовом диапазоне;
- попадание частиц жира или иных взвесей, находящихся в воздухе, не создает опасность перегрева и взрыва лампы, характерных для альтернативных конструкций;
- утилизация светодиодных устройств не требует специализированных мероприятий и может быть произведена обычным способом;
- подключать такие светильники можно напрямую к сети 220 В, без промежуточных устройств.
Помимо этих преимуществ, необходимо отметить широкие возможности выбора цветовой температуры ламп. Этот параметр позволяет создать в помещении определенную обстановку, позволяющую повысить концентрацию и увеличивающую работоспособность сотрудников. Такой результат достигается подключением ламп с холодным белым светом.
Если необходимо обеспечить более расслабленную, комфортную обстановку, выбирают экземпляры с теплым светом. Кроме этого, светодиоды хорошо переносят низкие температуры, что позволяет использовать их в неотапливаемых переходах, коридорах и прочих помещениях со сложными условиями эксплуатации.
Физические формулы и примеры вычислений
Формулы для эквивалентных сопротивлений цепи, состоящей из пары резисторов R1 и R2, можно выделить в определённый ряд:
- параллельное присоединение определяют по формуле Rэкв. = (R1*R2)/R1+R2;
- последовательное включение вычисляют, определяя его сумму Rэкв. = R1+R2.
Практическое применение
Чаще всего на практике расчёт общего сопротивления цепи выполняют для того, чтобы узнать потребляемую мощность той или иной схемы. При этом, зная общее сопротивление, можно найти и такие важные параметры цепи, как ток и напряжение. Поэтому и рисуют эквивалентную схему электрической цепи. Простые цепи состоят только из последовательных или параллельных участков, но чаще встречаются комбинированные соединения.
Перед тем как приступить к расчёту эквивалентного сопротивления, вся электрическая цепь разделяется на простые контуры. Как только импеданс каждого такого контура будет подсчитан, схема перерисовывается, но вместо контуров рисуется уже резистор. Затем всё повторяется, и это происходит до тех пор, пока не останется один элемент.
Простое соединение
Пусть будет дана схема, состоящая из трёх резисторов, включённых последовательно. При этом сопротивление R1и R2 одинаковое и равно 57 Ом, а сопротивление R3 составляет один килоОм. Для расчёта общего сопротивления цепи сначала понадобится привести значение R3 согласно Международной системе единиц.
R3 = 1 кОм = 1000 Ом.
Так как соединение последовательное, используется формула: Ro = R1+R2+R3. Подставив известные значения, рассчитывается эквивалентное значение: Ro = 57+57+1000 = 1114 Ом.
Если же те же самые резисторы будут расположены параллельно друг другу, то для расчёта общего сопротивления уже используется другое выражение:
1/Ro = 1/R1 + 1/R2 +1/R3.
Ro = R1*R2*R3 / (R1*R2+R2*R3+R1*R3).
Подставив исходные данные в эту формулу, получим:
Ro = 57*57*1000/ (57*57 +57*1000+ 57*1000) = 3249000/117249 = 27,7 Ом.
Комбинированный контур
Необходимо вычислить мощность и эквивалентное сопротивление смешанной цепи, состоящей из четырёх резисторов. Резистор R1 =R2 =5 Ом, R3= 10 Ом, R4 =3 Ом. На схему подаётся питание пять вольт.
Первоначально понадобится упростить схему. Сопротивления R3 и R4 включены относительно друг друга параллельно. Поэтому находится их объединённое сопротивление:
Rp = (R3*R4)/(R3+R4).
Rp = (10*3)/ (10+3) = 2,3 Ом.
Теперь схему можно перерисовать в виде трёх последовательно включённых резисторов и найти общее сопротивление путём сложения их величин:
Ro = R1+R2+Rp = 5+5+2,3 = 12,3 Ом.
Зная эквивалентное сопротивление, используя закон Ома, несложно вычислить силу тока в цепи и мощность эквивалентного резистора:
I = U/R = 5/2,3 = 2,2 A.
P = I*U = 2,2*5= 11 Вт.
Таким образом, путём постепенного упрощения схемы можно свести цепь из последовательно и параллельно соединённых резисторов к одному элементу. А затем рассчитать его сопротивление и требуемую мощность.
Емкость в цепи переменного тока
При подаче на конденсатор постоянного напряжения он постепенно зарядится до максимальной разности потенциалов на его обкладках. После этого ток через электронный компонент прекратится и, не считая ничтожной утечки, будет равняться нулю. Поэтому в цепи постоянного тока конденсатор имеет огромное сопротивление. При расчетах его величину принимают равной бесконечности.
Реактивное сопротивление имеет вполне исчисляемое значение. Его можно измерить с помощью осциллографа, генератора и постоянного резистора. Для этого потребуется собрать схему. В ней конденсатор образует с резистором делитель напряжения. С помощью осциллографа будет измеряться потенциал, который образуется на выводах ёмкости.
Для данной схемы вычисления имеют следующий вид.
Формула косвенного измерения
Здесь:
- Ur – разность потенциалов на резисторе, В;
- Uc – напряжение на обкладках, В;
- R – сопротивление резистора, ом;
- Xc – сопротивление ёмкости, ом;
- I – ток, протекающий в цепи, А.
Косвенное измерение
Важно! Электрический кабель также обладает ёмкостью. Поэтому после снятия напряжения на нём остаётся некоторый заряд
Данное явление опасно для человека, особенно, если проводник до отключения находился под потенциалом 1000 В и выше.
Виды устройств и их особенности
Разновидностей штепсельных розеток и блоков довольно много. У каждого типа свои конструктивные особенности и предназначение.
- Скрытые приборы монтируют прямо в стену — в специальные подрозетники.
- Открытые устройства выпускают для тех квартир, где электропроводка не спрятана в стену.
- Выдвижные розеточные блоки монтируют в стол или другую мебель. Их удобство в том, что после эксплуатации приборы легко спрятать от посторонних глаз и шаловливых детских рук.
Приборы отличаются методом зажима контактов. Он бывает винтовым и пружинным. В первом случае проводник фиксируют винтом, во втором — с помощью пружины. Надежность последних больше, однако в продаже их найти не так просто. На стенах устройства закрепляют тремя способами — лапками с зубчатыми краями, саморезами или специальной пластиной — суппортом, который облегчает как установку, так и демонтаж розетки.
Помимо обычных, недорогих устройств существуют модели, оснащенные заземляющими контактами. Это лепестки располагаются в верхней и нижней части, к ним крепят провод заземления. Для обеспечения безопасности выпускают розетки, оборудованные шторкам либо защитными крышками.
Основные популярные типы
К ним относятся:
- вид «С», он имеет 2 контакта — фазу и ноль, обычно покупается, если предназначен для техники малой либо средней мощности;
- тип «F», помимо традиционной пары оснащается еще одним контактом — заземляющим, эти розетки становятся более популярными, так как для квартир в новостройках заземляющий контур стал нормой;
- Вид «Е», отличающийся от предыдущего только формой контакта заземления, это штырь, такой же, как и элементы вилки розетки.
Последний тип встречается реже остальных, так как он менее удобен в эксплуатации: разворот штепселя на 180° при такой розетке невозможен.
Защищенность корпуса — следующее различие моделей. Степень безопасности обозначают индексом IP и двухзначным числом, следующим за этими буквами. Первая цифра обозначает класс защиты от пыли, твердых тел, вторая — от влаги.
- Для обычных жилых комнат достаточно моделей класса IP22 либо IP33.
- IP43 рекомендуют покупать для детских, так как эти розетки оснащены крышками/шторками, блокирующими гнезда, когда техника не используется.
- IP44 — тот минимум, что необходим для ванных комнат, кухонь, бань. Угрозой в них может быть не только сильная влажность, но и брызги воды. Подойдут они для монтажа в подвалах без отопления.
Установка розетки на открытом балконе — достаточное основание для покупки изделия с большей степенью защиты, это как минимум IP55.
Как рассчитать сложные схемы соединения резисторов
Более сложные соединения резисторов могут быть рассчитаны путем систематической группировки резисторов. На рисунке ниже необходимо посчитать общее сопротивление цепи, состоящей из трех резисторов:
Для простоты расчета, сначала сгруппируем резисторы по параллельному и последовательному типу соединения. Резисторы R2 и R3 соединены последовательно (группа 2). Они в свою очередь соединены параллельно с резистором R1 (группа 1).
Последовательное соединение резисторов группы 2 вычисляется как сумма сопротивлений R2 и R3:
В результате мы упрощаем схему в виде двух параллельных резисторов. Теперь общее сопротивление всей схемы можно посчитать следующим образом:
Параллельное соединение
Реактивное сопротивление
При таком подключении входы от всех устройств соединены в одной точке, выходы – в другой точке. Эти точки в физике и электротехнике называются узлами. На электрических схемах узлы представляют собой места разветвления проводников и обозначаются точками.
Параллельное соединение
Расчет эквивалентного сопротивления также выполняем с помощью закона Ома.
В этом случае общее значение силы тока складывается из суммы сил токов, протекающих по каждой ветви, а величина падения напряжения для каждого устройства и общее напряжение одинаковые.
Если имеются N резистивных устройств, подключенных таким образом, то:
I = I1 + I2 + … + IN (6),
U = U1 = U2 = … = UN (7).
Из выражений (1), (6) и (7) имеем:
- Rобщ = U/(I1 + I2 + …+ IN),
- 1/Rэкв = 1/R1 + 1/R2 +…+ 1/RN (8).
Если имеется N одинаковых резисторов, имеющих подключение данного типа, то формула (8) преобразуется следующим образом:
Rобщ = R · R / N·R = R / N (9).
Если соединены несколько катушек индуктивности, то их суммарное индуктивное сопротивление рассчитывается так же, как и для резисторов.