Последовательное и параллельное соединение: схемы подключений

Последовательное соединение проводников

Последовательное подключение подразумевает, что они включаются в определенной последовательности один за другим. К тому же сила тока во всех них одинакова. Эти элементы создают полную нагрузку на сайт. Заряды не накапливаются в узлах электрической цепи, иначе произойдет изменение напряжения и тока. При постоянном напряжении ток определяется значением сопротивления цепи, поэтому при последовательной схеме сопротивление изменяется при изменении нагрузки.

Недостатком такой схемы является то, что при выходе из строя одного элемента остальные также теряют работоспособность, так как цепь разрывается. Примером может служить гирлянда, которая не работает, если перегорела лампочка. Это ключевое отличие от параллельного соединения, при котором элементы могут работать отдельно.

Последовательная схема предполагает, что из-за одноуровневого соединения проводников их сопротивление в любой точке сети одинаково. Общее сопротивление равно сумме понижений напряжения отдельных элементов сети.

При таком типе подключения начало одного проводника соединяется с концом другого. Ключевой особенностью соединения является то, что все проводники находятся на одном и том же проводе без разветвлений, и электрический ток течет через каждый из них. Однако полное напряжение равно сумме напряжений на каждом из них. Также можно рассмотреть подключение с другой точки зрения: все проводники заменены на эквивалентный резистор, а ток на нем совпадает с полным током, проходящим через все резисторы. Накопленное эквивалентное напряжение — это сумма значений напряжения на каждом резисторе. Так проявляется разность потенциалов на резисторе.

Рекомендуется использовать последовательное соединение, когда вам нужно специально включить и выключить определенное устройство. Например, электрический звонок может звонить только при подключении к источнику напряжения и кнопке. Первое правило гласит, что если нет тока хотя бы на одном из элементов схемы, то и на остальных ток не будет. Следовательно, если в одном проводе есть ток, он будет током и в остальных. Другой пример — фонарик с батарейным питанием, который загорается только тогда, когда есть батарея, исправная лампочка и нажата кнопка.

В некоторых случаях последовательная схема нецелесообразна. В квартире, где система освещения состоит из множества светильников, бра, люстр, нет необходимости устраивать такую ​​схему, так как нет необходимости включать и выключать освещение во всех комнатах одновременно. Для этого лучше использовать параллельное подключение, чтобы можно было включать свет в отдельных комнатах.

Разница между последовательным и параллельным соединением, преимущества и недостатки

Принципиальные отличия последовательного и параллельного соединения проводов по основным электрическим параметрам приведены в таблице:

Тип / параметр подключения	Последовательный	Параллельный
Электрическое сопротивление	он равен сумме электрических сопротивлений всех потребителей электроэнергии.	Меньше, чем значение электрического сопротивления каждого подключенного электроприбора.
Напряжение	Равно общему напряжению всех потребителей электроэнергии.	Одно и то же значение на всех участках электрической цепи.
Текущая сила	Одно и то же значение на всех участках электрической цепи.	Равен совокупному значению токов на каждом из устройств.

В силу своих особенностей каждый вид цепной сборки имеет свои достоинства и недостатки. Это позволяет использовать эти методы для решения различных электрических проблем.

Плюсы и минусы последовательного соединения

Основными достоинствами электрических схем последовательно соединенных устройств являются следующие характеристики:

• простота конструкции и построения схемы;
• невысокая стоимость сборки;
• возможность подключения устройств, рассчитанных на рабочее напряжение ниже номинального напряжения сети;
• выполнение функции регулирования тока — обеспечивает равномерную нагрузку на все устройства.

Однако у этого способа разводки есть и серьезные недостатки. Главный из них — ненадежность последовательно включенной цепи. Если какое-либо из подключенных устройств выходит из строя, вся цепь отключается.

Кроме того, недостатком является снижение напряжения при увеличении количества подключаемых потребителей. Примером может служить последовательное соединение нескольких ламп. Чем больше светильников подключено к источнику питания таким образом, тем менее яркий свет они будут давать.

Плюсы и минусы параллельного соединения

Использование параллельного соединения проводов дает следующие преимущества:

• стабильность напряжения на электроприборах независимо от их количества;
• возможность включать или выключать отдельные секции в нужный момент, не прерывая работу всей электрической цепи;
• надежность — в случае выхода из строя одного или нескольких компонентов сама электрическая цепь продолжает оставаться в рабочем состоянии.

Недостатком является более сложный расчет и сложная схема, использование которой увеличивает стоимость комплектования электрической сети.

Не допускается подключение устройств с номинальным рабочим напряжением ниже напряжения сети. Параллельное соединение батарей с разными значениями напряжения связано с протеканием тока в батарею с более низким значением, что может вызвать ускоренный износ батареи.

Читайте также: Вольт-амперная характеристика идеального диода и проводника

Параллельное соединение проводников

В параллельной схеме проводники представляют собой набор резисторов, некоторые из которых собраны в одном узле, а другие — во втором узле. Предполагается, что напряжение при параллельном подключении одинаково на всех участках схемы. Параллельные участки электрической цепи называются ветвями и проходят между двумя соединительными узлами, они имеют одинаковое напряжение. Это напряжение равно значению на каждом проводе. Сумма обратных показателей на сопротивлениях ветвей также обратно пропорциональна сопротивлению отдельного участка параллельной цепи.

При параллельном и последовательном подключении система расчета сопротивлений отдельных проводов отличается. В случае параллельной цепи ток течет по ветвям, что увеличивает проводимость цепи и снижает общее сопротивление. Когда несколько резисторов с одинаковыми номиналами подключены параллельно, общее сопротивление такой электрической цепи будет меньше одного резистора в количество раз, равное количеству резисторов в цепи.

Каждая ветвь снабжена резистором, и электрический ток, достигнув точки ветвления, разделяется и отводится на каждый резистор, его общее значение равно сумме токов, протекающих через все резисторы. Все резисторы заменяются эквивалентными резисторами. Применяя закон Ома, значение сопротивления становится понятным: в параллельной цепи обратные значения добавляются к сопротивлениям на резисторах.

В этой схеме значение тока обратно пропорционально значению сопротивления. Токи в резисторах не соединены между собой, поэтому отключение одного из них никак не повлияет на остальные. По этой причине такая схема используется во многих устройствах.

Рассматривая возможности использования параллельной схемы в быту, рекомендуется отметить установку освещения в квартире. Все лампы и люстры должны быть подключены параллельно, в этом случае включение и выключение одной из них никак не повлияет на работу других ламп. Таким образом, добавив выключатель для каждой лампы в ответвление цепи, соответствующий светильник можно включать и выключать по мере необходимости. Все остальные лампы работают автономно.

Все электроприборы подключаются параллельно к электросети 220 В, поэтому подключаются к электрическому щитку. То есть все устройства подключены независимо от подключения других устройств.

Практический пример

Рассмотрим пример-задачу, чтобы увидеть на практике, как можно применить формулы последовательного и параллельного соединения проводников, являющихся резисторами.

У нас есть следующие исходные данные:

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

Нам предстоит найти:

Rtot, Itot, I1, I2, I3, U1, U2, U3 и U23.

Электрическая цепь

Сначала рассчитаем полное сопротивление R23 параллельной электрической цепи, образованной резисторами R2 и R3:

R23 = (R2 * R3) / (R2 + R3) = (62,5 * 250) / (62,5 + 250) = 50 Ом.

Теперь можно мысленно заменить секцию параллельно включенных резисторов R2 и R3 на общий резистор R23, который в свою очередь с R1 уже будет образовывать электрическую цепь с последовательным соединением резисторов. Затем мы можем рассчитать общее сопротивление:

Rtot = R1 + R23 = 50 + 150 = 200 Ом.

Теперь мы можем вычислить полный ток Itot этой последовательной электрической цепи, который равен электрическому току I1, одновременно протекающему через резистор R1, используя закон Ома:

Itot = U0 / Rtot = 120/200 = 0,6 А = I1.

Теперь мы можем рассчитать напряжение U1 на резисторе R1 и полное напряжение U23 в параллельной цепи, состоящей из резисторов R2 и R3:

U1 = R1 * I1 = 150 * 0,6 = 90 В.

А поскольку U0 = U1 + U23, получаем U23 = U0 — U1 = 120-90 = 30 V = U2 = U3.

Наконец, мы вычисляем I2 и I3 :

I2 = U2 / R2 = 30 / 62,5 = 0,48 А

I3 = U3 / R3 = 30/250 = 0,12 А.

Параллельное подключение

Этот тип подключения предполагает размещение проводов в общих точках начала и окончания. В результате нагрузки монтируются параллельно, и их количество может быть любым. Для изучения основных свойств такой электрической схемы необходимо собрать простую схему, состоящую из источника питания, переключателя и двух ламп. Все нагрузки также должны быть подключены к амперметру. Еще один такой прибор предназначен для измерения общего сопротивления.

Если ключ закрыт, измерительные приборы, подключенные к нагрузке, покажут текущее значение нагрузки I1 и I2. На обычном амперметре в этой ситуации можно будет увидеть суммарное значение токов в каждом из двух участков цепи. Это сильно отличает параллельное подключение от последовательного. Если одна загрузка выйдет из строя, остальные продолжат работу. Именно поэтому в бытовых электрических сетях используется параллельное включение.

Благодаря использованию аналогичной схемы можно будет определять напряжение при параллельном включении. Для этого нужно добавить еще один прибор — вольтметр. Результат измерения, полученный с его помощью, будет единым для любого участка схемы. Далее можно рассчитать параллельное включение резисторов. Чтобы решить эту проблему, нужно применить закон Ома. В нем указано, что сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению.

Это позволяет вывести следующую формулу: U / R = U1 / R1 + U2 / R2. В нем R и U — показатели общего сопротивления и напряжения электрической цепи соответственно. U1, U2, R1 и R2 — значения напряжения и сопротивления для первого и второго потребителей. Поскольку электрический ток одинаков для всей цепи, формула для определения сопротивления при параллельном включении примет вид — 1 / R = 1 / R1 + 1 / R2.

Это говорит о том, что при таком типе подключения потребителей сопротивление невелико. В результате токовая нагрузка по току значительно возрастет.

Этот факт необходимо учитывать при подключении к домашней электросети большого количества электроприборов. В такой ситуации возможен перегрев проводов.

Основные законы

Проектирование электрических схем требует хорошего понимания основных законов последовательного и параллельного подключения нагрузки. Это относится не только к закону Ома, но и к постулатам Кирхгофа. Эти физики внесли большой вклад в развитие электротехники. Для более простого восприятия основных закономерностей все формулы следует рассматривать в следующей последовательности:

• при последовательном соединении через каждый участок цепи протекает ток одинаковой силы;
• общее сопротивление цепи при последовательном включении равно сумме сопротивлений всех проводников;
• напряжение сети при параллельном включении одинаково для каждой секции;

Согласно первому закону Кирхгофа алгебраическая сумма токов в узле всегда равна нулю. Благодаря этому можно получить формулу для нахождения эквивалентного сопротивления цепи, если известно сопротивление каждой нагрузки. Он имеет следующий вид: Ro = R1 * R2 / R1 + R2.

Для последовательного включения нагрузок применим второй закон Кирхгофа. По его словам, сумма ЭДС в замкнутой электрической цепи равна сумме падений напряжения на каждой нагрузке. Следовательно, общее сопротивление можно определить по следующей формуле: Ro = R1 + R2.

также можно рассчитать индуктивность для различных типов соединений катушек. В случае с последовательным все довольно просто, достаточно воспользоваться следующей формулой: Lo = L1 + L2. Фактически вместо двух элементов можно установить один с соответствующим индексом индуктивности.

При параллельном соединении катушек ситуация усложняется, поскольку возможны три варианта:

• магнитные поля катушек не пересекаются: Lo = L1 * L2 / L1 + L2;
• катушки соединены в одном направлении и их поля пересекаются: Lo = L1 * L2-M2 / L1 + L2 — 2 M;
• пересечение полей наблюдается при противоположной связи: Lo = L1 * L2-M2 / L1 + L2 + 2 M.

Сегодня часто можно использовать онлайн-калькулятор для расчета этих и других показателей, например, емкости конденсатора.

Особенности применения

Каждый из способов подключения нагрузки нашел свое применение в повседневной жизни и в промышленности. Рекомендуется использовать параллельный метод в ситуации, когда необходимо сознательно выключить электроприбор. Примером может служить электрический дверной звонок, подключенный последовательно к источнику питания и кнопке. По такому же принципу работает портативный фонарик, состоящий из светодиода, ключа и батарейки.

Однако последовательное включение устройств не всегда позволяет решить поставленные задачи. В каждой квартире большое количество осветительных приборов. Если все соединить последовательно, они будут включаться и выключаться одновременно, что бывает крайне редко. Люстры принято соединять параллельно. В результате потребитель сможет активировать необходимое количество ламп в данный момент. Благодаря этому достигается необходимое освещение помещения и экономится электричество.

В быту часто применяется смешанное подключение нагрузок. Этот тип соединения представляет собой комбинацию параллельного и последовательного соединения. При этом при проектировании электрической сети крайне важно учитывать все достоинства и недостатки каждого типа подключения. Для определения требуемых показателей всю цепочку следует разбить на простые участки, а затем суммировать полученные результаты.

Закон Ома для участка цепи

Одним из ключевых законов электричества является закон Ома для участка цепи. Именно этот закон объясняет различия, существующие при параллельном и последовательном соединении проводов.

он сформулирован следующим образом:

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению, приложенному к его концам, и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Записывается по следующей формуле:

I = U / R, где

I — сила тока, (А);

U — напряжение, (В);

R — электрическое сопротивление, (Ом).

Как соединить вольтметр и амперметр в цепь

Основные электрические параметры — это ток и напряжение. Для проверки этих значений используются приборы — амперметры и вольтметры. Требования к подключению этих устройств к цепи определяются в соответствии с законами, применимыми к последовательному и параллельному подключению.

Для измерения амплитуды тока амперметр подключается к цепи строго последовательно с рабочей нагрузкой. Важно, чтобы сопротивление самого устройства было минимальным, чтобы оно не влияло на работу электрооборудования. Если амперметр подключен параллельно, это приведет к повреждению амперметра.

Для измерения напряжения вольтметр в цепи подключается строго параллельно источнику или приемнику тока. Сам счетчик должен иметь довольно высокое внутреннее сопротивление. Это необходимо для того, чтобы во время измерения можно было пренебречь амплитудой тока, измеряемого вольтметром.

Законы последовательного и параллельного соединения проводников

Для детального понимания на практике обоих типов соединений мы приводим формулы, объясняющие законы этих типов соединений. Расчет мощности для параллельного и последовательного подключения различается.

При последовательном соединении во всех проводниках присутствует одинаковая сила тока:

Я = I1 = I2.

Согласно закону Ома, эти типы соединений проводов в разных случаях объясняются по-разному. Итак, в случае последовательной схемы напряжения равны между собой:

U1 = IR1, U2 = IR2.

Кроме того, полное напряжение равно сумме напряжений отдельных проводников:

U = U1 + U2 = I (R1 + R2) = IR.

Общее сопротивление электрической цепи рассчитывается как сумма активных сопротивлений всех проводников, независимо от их количества.

В случае параллельной схемы полное напряжение схемы равно напряжению отдельных элементов:

U1 = U2 = U.

А общая сила электрического тока рассчитывается как сумма токов, имеющихся по всем проводникам, расположенным параллельно:

Я = I1 + I2.

Чтобы обеспечить максимальную эффективность электрических сетей, необходимо понимать суть обоих типов присоединений и применять их соответствующим образом, используя законы и просчитывая рациональность практической реализации.

Расчет общего сопротивления для параллельного соединения

Примечание: можно увеличить количество резисторов, подключенных последовательно или параллельно.

Применение параллельного и последовательного соединения в электротехнике

Параллельное соединение активно используется для прокладки проводки и цепей в различных типах электрооборудования и приборов. Позволяет подключать электрические устройства к сети независимо друг от друга.

Последовательное соединение используется, когда вам нужно убедиться, что определенные устройства включены и выключены. Именно по такой схеме подключаются переключатели и тумблеры. Кроме того, схема подходит в тех случаях, когда необходимо сформировать электрическую цепь потребителя с низким значением номинального напряжения.

Когда конденсаторы соединены параллельно, общая емкость равна сумме емкостей каждого полупроводника. В случае использования последовательного соединения конденсаторов результирующая емкость уменьшается вдвое. Это свойство также используется при формировании электрических цепей.

Последовательное соединение проводников: видео

Параллельное соединение проводников: видео

Смешанное соединение проводников в электрической цепи

На практике сборка электрических цепей, как правило, выполняется таким образом, чтобы обеспечить смешанное соединение проводников. Это комбинированное решение, сочетающее в себе оба метода. Обычно для прокладки основной сети используется параллельный, а отдельные потребители при необходимости объединяются в последовательную сеть.

При расчете и сборке соединений смешанного сопротивления необходимо учитывать характеристики, достоинства и недостатки обоих способов подключения. На этапе проектирования рекомендуется разделить схему на отдельные части и выполнить расчет в соответствии с физическими законами, действующими для последовательного и параллельного подключения. Впоследствии компоненты объединяются в единую схему.