Меню

Отсутствие тока в параллельной цепи это результат

Последовательное и параллельное соединение

Последовательное и параллельное соединение очень широко используется в электронике и электротехнике и порой даже необходимо для правильной работы того или иного узла электроники. И начнем, пожалуй, с самых простых компонентов радиоэлектронных цепей – проводников.

Для начала давайте вспомним, что такое проводник? Проводник – это вещество или какой-либо материал, который отлично проводит электрический ток. Если какой-либо проводник отлично проводит электрический ток, то он в любом случае обладает каким-либо сопротивлением. Сопротивление проводника мы находим по формуле:

формула сопротивления проводникаформула сопротивление проводника

ρ – это удельное сопротивление, Ом × м

R – сопротивление проводника, Ом

S – площадь поперечного сечения, м 2

l – длина проводника, м

Более подробно об этом я писал здесь.

Следовательно, любой проводник представляет из себя резистор с каким-либо сопротивлением. Значит, любой проводник можно нарисовать так.

резистор обозначение резистора на схемах

Последовательное соединение проводников

Сопротивление при последовательном соединении проводников

Последовательное соединение проводников – это когда к одному проводнику мы соединяем другой проводник и так по цепочке. Это и есть последовательное соединение проводников. Их можно соединять с друг другом сколь угодно много.

последовательное соединение проводников

последовательное соединение резисторов

Чему же будет равняться их общее сопротивление? Оказывается, все просто. Оно будет равняться сумме всех сопротивлений проводников в этой цепи.

общее сопротивление при последовательном соединении

Получается, можно записать, что

формула при последовательном соединении проводников

формула при последовательном соединении резисторов

Пример

У нас есть 3 проводника, которые соединены последовательно. Сопротивление первого 3 Ома, второго 5 Ом, третьего 2 Ома. Найти их общее сопротивление в цепи.

Решение

То есть, как вы видите, цепочку из 3 резисторов мы просто заменили на один резистор RAB .

общее сопротивление

показать на реальном примере с помощью мультиметра
Видео где подробно расписывается про эти соединения:

Сила тока через последовательное соединение проводников

Что будет, если мы подадим напряжение на концы такого резистора? Через него сражу же побежит электрический ток, сила которого будет вычисляться по закону Ома I=U/R.

замкнутая цепь

Получается, если через резистор RAB течет какой-то определенный ток, следовательно, если разложить наш резистор на составляющие R1 , R2 , R3 , то получится, что через них течет та же самая сила тока, которая текла через резистор RAB .

сила тока через последовательное соединение проводников

сила тока через последовательное соединение проводников

Получается, что при последовательном соединении проводников сила тока, которая течет через каждый проводник одинакова. То есть через резистор R1 течет такая же сила тока, как и через резистор R2 и такая же сила тока течет через резистор R3 .

Напряжение при последовательном соединении проводников

Давайте еще раз рассмотрим цепь с тремя резисторами

цепь с тремя резисторами

Как мы уже знаем, при последовательном соединении через каждый резистор проходит одна и та же сила тока. Но вот что будет с напряжением на каждом резисторе и как его найти?

Оказывается, все довольно таки просто. Для этого надо снова вспомнить закон дядюшки Ома и просто вычислить напряжение на любом резисторе. Давайте так и сделаем.

Пусть у нас будет цепь с такими параметрами.

задача на закон ома

Мы теперь знаем, что сила тока в такой цепи будет везде одинакова. Но какой ее номинал? Вот в чем загвоздка. Для начала нам надо привести эту цепь к такому виду.

общее сопротивление

Получается, что в данном случае RAB =R1 + R2 + R3 = 2+3+5=10 Ом. Отсюда уже находим силу тока по закону Ома I=U/R=10/10=1 Ампер.

Половина дела сделано. Теперь осталось узнать, какое напряжение падает на каждом резисторе. То есть нам надо найти значения UR1 , UR2 , UR3 . Но как это сделать?

падение напряжения на резисторе

Да все также, через закон Ома. Мы знаем, что через каждый резистор проходит сила тока 1 Ампер, мы уже вычислили это значение. Закон ома гласит I=U/R , отсюда получаем, что U=IR.

Теперь начинается самое интересное. Если сложить все падения напряжений на резисторах, то можно получить… напряжение источника! Он у нас равен 10 Вольт.

Мы получили самый простой делитель напряжения.

Вывод: сумма падений напряжений при последовательном соединении равняется напряжению питания.

Параллельное соединение проводников

Параллельное соединение проводников выглядит вот так.

параллельное соединение проводников

параллельное соединение резисторов

Ну что, думаю, начнем с сопротивления.

Сопротивление при параллельном соединении проводников

Давайте пометим клеммы как А и В

В этом случае общее сопротивление RAB будет находиться по формуле

Если же мы имеем только два параллельно соединенных проводника

параллельное соединение двух резисторов

То в этом случае можно упростить длинную неудобную формулу и она примет вид такой вид.

сопротивление двух резисторов, включенных параллельно формула

Напряжение при параллельном соединении проводников

Здесь, думаю ничего гадать не надо. Так как все проводники соединяются параллельно, то и напряжение у всех будет одинаково.

резисторы в параллель

Получается, что напряжение на R1 будет такое же как и на R2, как и на R3, так и на Rn

напряжение при параллельном соединении проводников

Сила тока при параллельном соединении проводников

Если с напряжением все понятно, то с силой тока могут быть небольшие затруднения. Как вы помните, при последовательном соединении сила тока через каждый проводник была одинакова. Здесь же совсем наоборот. Через каждый проводник будет течь своя сила тока. Как же ее вычислить? Придется опять прибегать к Закону Ома.

Чтобы опять же было нам проще, давайте рассмотрим все это дело на реальном примере. На рисунке ниже видим параллельное соединение трех резисторов, подключенных к источнику питания U.

делитель тока

Как мы уже знаем, на каждом резисторе одно и то же напряжение U. Но будет ли сила тока такая же, как и во всей цепи? Нет. Поэтому для каждого резистора мы должны вычислить свою силу тока по закону Ома I=U/R. В результате получаем, что

Если бы у нас еще были резисторы, соединенные параллельно, то для них

В этом случае, сила тока в цепи будет равна:

формула делителя тока

Задача

Вычислить силу тока через каждый резистор и силу тока в цепи, если известно напряжение источника питания и номиналы резисторов.

задача на делитель тока

Решение

Воспользуемся формулами, которые приводили выше.

Если бы у нас еще были резисторы, соединенные параллельно, то для них

Далее, воспользуемся формулой

формула делителя тока

чтобы найти силу тока, которая течет в цепи

2-ой способ найти I

Чтобы найти Rобщее мы должны воспользоваться формулой

Последовательное и параллельное соединение

Чтобы не париться с вычислениями, есть онлайн калькуляторы. Вот один из них. Я за вас уже все вычислил. Параллельное соединение 3-ех резисторов номиналом в 2, 5, и 10 Ом равняется 1,25 Ом, то есть Rобщее = 1,25 Ом.

I=U/Rобщее = 10/1,25=8 Ампер.

Параллельное соединение резисторов в электронике также называется делителем тока, так как резисторы делят ток между собой.

Ну а вот вам бонусом объяснение, что такое последовательное и параллельное соединение проводников от лучшего преподавателя России.

Подробное объяснение на видео:

Похожие статьи по теме “последовательное и параллельное соединение”

Источник

Параллельное и последовательное соединение проводников в электрической цепи

При монтаже электрических цепей в электротехнике применяют последовательное и параллельное соединение проводников. От выбранного способа соединения источников и потребителей в значительной мере зависят рабочие параметры подключенного оборудования. Поэтому особенности обоих методов построения схемы обязательно должны учитываться при проектировании электроцепей.

Параллельное и последовательное подключение проводов в электроцепи: обложка

Что такое параллельное соединение проводников

При данном способе в составе схемы в крайних точках соединяются начала и концы всех нагрузок, подключенных к источнику электротока. Сами же нагрузки размещаются параллельно по отношению друг к другу. Количество подключенных по такой схеме компонентов не ограничивается. Схема используется во многих сферах, позволяя решать разные задачи компоновки сетей. Например, часто задействуют параллельное соединение аккумуляторов.

Включение параллельной цепи

При контрольном измерении значения вольтажа электроприборов вольтметр будет показывать одинаковые величины. Это означает, что электронапряжение на каждой нагрузке будет равняться общей величине вольтажа, действующего в электрической цепи.

Схема и формулы параллельного соединения приборов

Особенностью схемы параллельного соединения можно назвать разветвление цепи. В месте разветвления происходит деление заряда с направлением его частей по отдельной линии к соответствующему проводнику. Поэтому общая величина тока будет равна суммарному значению токов на каждой из включенных нагрузок.

Читайте также:  Протокол правильности функционирования полностью собранных схем при различных значениях

Совокупное электрическое сопротивление всей электроцепи имеет меньшее абсолютное значение, по сравнению с каждым из приборов.

Что такое последовательное соединение проводников

Суть этого способа заключается в том, что компоненты цепи подключаются друг к другу поочередно. Первый проводник одним проводом подключается к источнику питания. Второй его провод соединяется со вторым проводником, от которого идет конец на третий проводник и т.д., пока цепь не будет замкнута. Классическим примером последовательной электроцепи можно назвать подключение лампочек в гирлянде.

Выключенное последовательное соединение

Ток проходит по цепи приборов, состоящей из резисторов, ламп или других нагрузок, протекая через каждый включенный в электроцепь прибор. В собранной таким способом цепи отсутствует эффект деления и накопления заряда на разных ее участках. Соответственно, физическая величина ампеража будет на всех участках одинаковой.

Схема последовательного соединения

Совокупное электросопротивление всех последовательно соединенных нагрузок, приборов и устройств любого типа равняется сумме их индивидуальных сопротивлений. Таким образом, его значение прямо зависит от количества подключенных приборов и их параметров.

Аналогично рассчитывается и совокупный вольтаж. Он равняется сумме напряжений, действующих на каждом отдельном электроприборе.

Разница между последовательным и параллельным соединением, преимущества и недостатки

Принципиальные отличия между последовательным и параллельным соединение проводников по ключевым электротехническим параметрам приведены в таблице:

Параметр/тип соединения Последовательное Параллельное
Электросопротивление Равняется сумме электросопротивлений всех электропотребителей. Меньше значения электросопротивления каждого отдельного из подключенных электроприборов.
Напряжение Равняется совокупному вольтажу всех электропотребителей. Одинаковая величина на всех участках электроцепи.
Сила тока Одинаковая величина на всех участках электроцепи. Равняется совокупному значению токов на каждом из приборов.

Сравнение свечения ламп при разном соединении

Плюсы и минусы последовательного соединения

Основными преимуществам электроцепей из последовательно соединенных приборов являются их следующие особенности:

  • простота проектирования и построения схемы;
  • низкая стоимость комплектации;
  • возможность подключения приборов, рассчитанных на меньшее рабочее напряжение, по сравнению с номинальным напряжением сети;
  • выполнение функции регулирования тока – обеспечивает равномерные нагрузки на все приборы.

Аккумуляторы соединенные последовательно

Однако у этого способа компоновки электросхемы есть и серьезные недостатки. Главным из них является ненадежность цепи из последовательно соединенных проводников. При выходе из строя любого из подключенных приборов, происходит отключение всей цепи.

Лампочки соединенные в цепь. Одна перегорела

Кроме того, минусом является снижение напряжения при увеличении количества подключенных потребителей. Примером может служить последовательное соединение нескольких ламп. Чем больше осветительных приборов подключено таким способом к источнику электропитания, тем менее яркий свет они будут давать.

Плюсы и минусы параллельного соединения

При использовании параллельного соединения проводников обеспечиваются такой набор преимуществ:

  • стабильность напряжения на электроприборах, вне зависимости от их числа;
  • возможность включения или отключения отдельных участков в нужный момент без нарушения работы всей электроцепи;
  • надежность – при выходе одного или нескольких компонентов из строя сама электроцепь продолжает сохранять работоспособность.

Аккумуляторы подключенные параллельно

Недостатком является более сложный расчет и сложная схема, использование которой повышает стоимость комплектации электросети.

Закон Ома для участка цепи

Одним из ключевых электротехнических законов можно назвать закон Ома для участка цепи. Именно этим законом объясняются отличия, которые существуют для параллельного и последовательного соединения проводников.

Формулируется он таким образом:

Записывается он следующей формулой:

I = U/R, где

I – сила тока, (А);

U – вольтаж, (В);

R – электросопротивление, (Ом).

Закон Ома. Человечки толкают, сопротивление сжимает

Смешанное соединение проводников в электрической цепи

На практике сборку электроцепей, как правило, проводят таким метод, который предусматривает смешанное соединение проводников. Это комбинированное решение, которое сочетает оба способа. Обычно для монтажа основной сети используют параллель, а отдельные потребители при необходимости объединяют в последовательную сеть.

Смешанное соединение, резисторы и формулы расчета

При расчете и сборке смешанных соединений сопротивлений обязательно должны учитываться особенности, преимущества и недостатки обоих методов подключения. В ходе проектирования, схему целесообразно разбить на отдельные части и выполнить расчет в по физическим законам, которые справедливы для последовательного и параллельного соединения. После этого, составные части объединяют в единую схему.

Как соединить вольтметр и амперметр в цепь

К числу основных электротехнических параметров относятся сила тока и вольтаж. Для контроля этих величин используют приборы – амперметры и вольтметры. Требования по подключению этих приборов в цепь определяются, исходя из законов, которые действуют для последовательного и параллельного соединения.

Схема подключенного вольтметра и амперметра

Для измерения величины тока производится включение амперметра в цепь строго последовательно с рабочей нагрузкой. Важно, чтобы сопротивление самого прибора было минимальным, чтобы не допустить его влияние на работу электрооборудования. Если амперметр подключить параллельно, это приведет к выходу амперметра из строя.

Для измерения напряжения вольтметр в цепь подключается строго параллельно источнику или приемнику тока. Сам измерительный прибор должен иметь довольно высокое собственное сопротивление. Это требуется, чтобы при измерении можно было пренебречь величиной тока, который отбирается через вольтметр.

Применение параллельного и последовательного соединения в электротехнике

Параллельное соединение активно применяется для монтажа проводки и цепей в различных видах электрического оборудования и приборов. Оно дает возможность подключить электрические устройства к электросети независимо друг от друга.

Подключенные электроприборы и лампочки в квартире по разной схеме подключения

Последовательное соединение используют, когда нужно обеспечить включение и отключение определенных приборов. Именно по этой схеме подсоединяются выключатели и тумблеры. Также схема хорошо подходит в тех случаях, когда необходимо сформировать электроцепь из потребителей с малым значением номинального напряжения.

Простая схема подключения с тумблером

При параллельном соединении конденсаторов совокупная емкость равняется сумме емкостей каждого полупроводника. В случае применения последовательного соединения конденсаторов, результирующая емкость уменьшается вдвое. Это свойство также используется при формировании электроцепей.

Последовательное соединение проводников: видео

Параллельное соединение проводников: видео

Способы соединения резисторов, решение задачи смешанного соединения проводников: видео

Источник

Анализ неисправности компонентов

Работа технического специалиста часто включает в себя «поиск и устранение неисправностей» (troubleshooting, обнаружение и устранение проблемы) в неисправных схемах. Хорошее устранение неисправностей – это требующие больших усилий и вознаграждаемые усилия, требующие глубокого понимания основных концепций, способности формулировать гипотезы (предполагаемые объяснения, почему схема не работает), способности оценивать ценность различных гипотез на основе их вероятности (насколько одна конкретная причина может быть вероятнее другой), а также творческое начало в применении решения для исправления проблемы.

Несмотря на то, что эти навыки можно преобразовать в научную методологию, большинство опытных специалистов по устранению неполадок согласятся, что устранение неисправностей требует особого искусства, и что для полного развития этого искусства могут потребоваться годы опыта.

Обязательный навык – это интуитивное понимание того, как неисправности компонентов влияют на цепи в различных конфигурациях. Мы рассмотрим некоторые влияния неисправностей компонентов как в последовательных, так и в параллельных цепях здесь, а затем в большей степени в конце главы «Последовательно-параллельные комбинированные цепи».

Анализ неисправностей в простой последовательной цепи

Рисунок 1 Простая последовательная схема Рисунок 1 – Простая последовательная схема

Когда все компоненты в этой цепи функционируют надлежащим образом, мы можем математически определить все токи и падения напряжения:

Рисунок 2 Таблица параметров последовательной цепи Рисунок 2 – Таблица параметров последовательной цепи

Закороченные компоненты в последовательной цепи

Теперь предположим, что R2 выходит из строя, создавая короткое замыкание. Короткое замыкание означает, что резистор теперь работает как простой кусок провода с небольшим сопротивлением или без него. Схема будет вести себя так, как если бы к R2 была подключена «перемычка» (если вам интересно, «перемычка» – это общий термин для временного подключения проводов в цепи). Что вызывает короткое замыкание в R2, в этом примере для нас не важно; нам интересно только его влияние на схему:

Рисунок 3 Закороченный компонент в последовательной цепи Рисунок 3 – Закороченный компонент в последовательной цепи

Если R2 закорочен либо перемычкой, либо из-за неисправности внутренней части резистора, общее сопротивление цепи уменьшится. Поскольку выходное напряжение батареи является постоянным (по крайней мере, в нашем идеальном моделировании), уменьшение общего сопротивления цепи означает, что общий ток цепи должен увеличиться:

Рисунок 4 Таблица параметров последовательной цепи в случае закороченного компонента Рисунок 4 – Таблица параметров последовательной цепи в случае закороченного компонента

Когда ток в цепи увеличивается с 20 мА до 60 мА, также увеличивается падение напряжения на R1 и R3 (которые не изменили сопротивления), поскольку на этих двух резисторах падают все 9 вольт. R2, обойденный очень низким сопротивлением перемычки, эффективно исключается из схемы, сопротивление между его выводами снижается до нуля. Таким образом, падение напряжения на R2 даже при увеличенном общем токе равно нулю вольт.

Читайте также:  Время дуги ток отключения

Оборванные компоненты в последовательной цепи

И напротив, если R2 выйдет из строя, создав «разрыв» (сопротивление возрастет почти до бесконечности), это также вызовет сильные изменения в остальной части схемы:

Рисунок 5 Оборванный компонент в последовательной цепи Рисунок 5 – Оборванный компонент в последовательной цепи Рисунок 6 Таблица параметров последовательной цепи в случае оборванного компонента Рисунок 6 – Таблица параметров последовательной цепи в случае оборванного компонента

Когда резистор R2 имеет бесконечное сопротивление, а общее сопротивление является суммой всех отдельных сопротивлений в последовательной цепи, общий ток уменьшается до нуля. При нулевом токе цепи отсутствует ток, вызывающий падение напряжения на R1 или R3. На выводах R2, наоборот, появится полное напряжение питания цепи.

Анализ неисправностей в простой параллельной цепи

Мы можем применить тот же метод анализа до/после и к параллельным цепям. Сначала мы определяем, как должна вести себя исправная параллельная цепь.

Рисунок 7 Простая параллельная схема Рисунок 7 – Простая параллельная схема Рисунок 8 Таблица параметров параллельной цепи Рисунок 8 – Таблица параметров параллельной цепи

Оборванные компоненты в параллельной цепи

Предположим, что в этой параллельной цепи R2 «оборван», последствия будут следующими:

Рисунок 9 Оборванный компонент в параллельной цепи Рисунок 9 – Оборванный компонент в параллельной цепи Рисунок 10 Таблица параметров параллельной цепи в случае оборванного компонента Рисунок 10 – Таблица параметров параллельной цепи в случае оборванного компонента

Обратите внимание, что в этой параллельной цепи оборванная ветвь влияет только на ток через эту ветвь и общий ток цепи. Общее напряжение, одинаково распределяемое между всеми компонентами в параллельной цепи, будет одинаковым для всех резисторов. Из-за того, что источник напряжения имеет тенденцию поддерживать неизменное напряжение, его напряжение не изменится и, будучи подключенным параллельно со всеми резисторами, он будет поддерживать все напряжения на резисторах такими же, как и раньше: 9 вольт. Поскольку это напряжение является единственным общим параметром в параллельной цепи, а другие резисторы не изменили значения сопротивлений, их токи остаются неизменными.

Применительно к домашнему освещению

Вот что происходит в схеме домашнего освещения: все лампы получают рабочее напряжение от силовой проводки, проложенной параллельно. Включение и выключение одной лампы (одна ветвь в этой параллельной цепи разрывается и восстанавливается) не влияет на работу других ламп в комнате, только на ток в этой одной лампе (цепь ветви) и на общий ток, питающий все лампы в комнате.

Рисунок 11 Домашнее освещение Рисунок 11 – Домашнее освещение

Закороченные компоненты в параллельной цепи

В идеальном случае (с идеальными источниками напряжения и соединительным проводом с нулевым сопротивлением) закороченные резисторы в простой параллельной цепи также не будут влиять на то, что происходит в других ветвях цепи. В реальной жизни эффект не совсем такой, и мы увидим почему на следующем примере:

Рисунок 12 Закороченный компонент в параллельной цепи Рисунок 12 – Закороченный компонент в параллельной цепи Рисунок 13 Таблица параметров параллельной цепи в случае закороченного компонента Рисунок 13 – Таблица параметров параллельной цепи в случае закороченного компонента

Закороченный резистор (сопротивление 0 Ом) теоретически будет потреблять бесконечный ток от любого конечного источника напряжения (I = E/0). В этом случае нулевое сопротивление R2 также уменьшает общее сопротивление цепи до нуля ом, увеличивая общий ток до бесконечности. Однако пока источник напряжения остается стабильным на уровне 9 вольт, токи других ветвей (IR1 и IR3) останутся неизменными.

Предположения о неидеальности

Однако критическое допущение в этой «идеальной» схеме состоит в том, что источник питания будет поддерживать неизменное номинальное напряжение при подаче бесконечного значения тока на короткозамкнутую нагрузку. Это просто нереально. Даже если короткое замыкание имеет небольшое сопротивление (в отличие от абсолютно нулевого сопротивления), ни один реальный источник напряжения не может выдерживать огромную перегрузку по току и одновременно поддерживать стабильное напряжение.

Это в первую очередь связано с внутренним сопротивлением, присущим всем источникам электроэнергии, которое связано с физическими свойствами материалов, из которых они построены:

Рисунок 14 Неидеальный источник напряжения Рисунок 14 – Неидеальный источник напряжения

Эти внутренние сопротивления, какими бы маленькими они ни были, превращают нашу простую параллельную схему в последовательно-параллельную комбинированную схему. Обычно внутреннее сопротивление источников напряжения достаточно мало, чтобы им можно было спокойно пренебречь, но когда возникают большие токи, появляющиеся из-за короткого замыкания компонентов, влияние внутреннего сопротивления источника становится очень заметным.

В этом случае закороченный R2 приведет к тому, что почти всё напряжение упадет на внутреннем сопротивлении батареи, при этом почти не останется напряжения на резисторах R1, R2 и R3:

Рисунок 15 Закороченный компонент в параллельной цепи при неидеальных условиях Рисунок 15 – Закороченный компонент в параллельной цепи при неидеальных условиях Рисунок 16 Таблица параметров параллельной цепи в случае закороченного компонента при неидеальных условиях Рисунок 16 – Таблица параметров параллельной цепи в случае закороченного компонента при неидеальных условиях

Достаточно сказать, что преднамеренное прямое короткое замыкание на клеммах любого источника напряжения – плохая идея. Даже если возникающий в результате сильный ток (тепло, вспышки, искры) не причинит вреда людям, находящимся поблизости, источник напряжения, скорее всего, будет поврежден, если только он не был специально разработан для защиты от коротких замыканий, чего нет у большинства источников напряжения.

В конечном итоге, в этой книге я проведу вас через анализ цепей без использования каких-либо значений, то есть через анализ последствий неисправностей компонентов в цепи, не зная точно, сколько вольт выдает батарея, сколько ом сопротивления в ней, в каждом резисторе и т.д. Этот раздел служит вводным шагом к такому анализу.

В то время как обычное применение закона Ома и правил последовательных и параллельных цепей выполняется с числовыми значениями («количественно»), этот новый вид анализа без точных чисел я называю качественным анализом. Другими словами, мы будем анализировать качества эффектов в цепи, а не их точные количества. Результатом для вас станет гораздо более глубокое интуитивное понимание работы электрических схем.

Источник



Цепи с параллельным соединением ветвей.

Для расчета цепи с параллельным соединением ветвей применяется метод проводимостей.

Рассмотрим применение этого метода на примере расчета цепи, показанной на рис.2. Нужно определить общий ток I в неразветвленной цепи. Он равен векторной сумме токов параллельных ветвей.

При построении векторных диаграмм в случае параллельного соединения элементов в качестве исходного вектора используется вектор напряжения , так как напряжение в этом случае одно и то же для всех ветвей (см.рис.14).

Вектор тока Ī представляет собой сумму векторов тока ĪR1, который совпадает с вектором напряжения по фазе и вектора тока , отстающего от вектора напряжения на угол π⁄2. Вектор тока равен сумме векторов тока , совпадающего с вектором напряжения по фазе, и вектора , опережающего на угол π/2. Вектор тока Ī, совпадает с напряжением по фазе, а вектор тока отстает от на угол π/2. Из векторной диаграммы на рис.14 видно, что активная составляющая тока всей цепи равна арифметической сумме активных составляющих токов ветвей:

Реактивная составляющая тока цепи равна алгебраической сумме реактивных составляющих токов ветвей:

IP = IC – IL1 – IL4 (cкалярные величины).

Векторную диаграмму токов на рис.14 можно преобразовать к виду, изображенному на рис.15.

Векторную диаграмму, показанную на рис.15, обычно называют треугольником токов. Ток в цепи до разветвления равен

Для нахождения активной, реактивной и полной проводимостей можно разделить модуль каждого вектора тока на модуль вектора , в результате чего получится прямоугольный треугольник, подобный треугольнику тока, стороны которого равны проводимостям g, b, у – так называемый треугольник проводимостей (рис.16).

g – активная проводимость;

b – реактивная проводимость;

у – полная проводимость.

В общем случае, если ветвь содержит не только одно сопротивление ( R или L или C), но несколько (как ветви аб и гд на рис.2) значения проводимостей определяются следующим образом:

Считается, что емкостная проводимость bc положительна, так как ей соответствует опережающий по фазе напряжение емкостный ток, а индуктивная bL— отрицательна, так как ей соответствует индуктивный отстающий ток.

В общем случае активная проводимость разветвления в целом равна арифметической сумме активных проводимостей ветвей:

а реактивная проводимость равна алгебраической сумме реактивных проводимостей:

Условно можно принять, что угол φ>0, если ток опережает напряжение.

Следовательно, в общем виде закон Ома для параллельного соединения будет иметь вид

Читайте также:  Измерение силы тока открыл

В схемах с параллельным соединением ветвей может преобладать емкостная или индуктивная проводимость, но возможен и частный случай, когда

Это равенство является условием резонанса токов, при таком режиме реактивные токи в ветвях могут значительно превышать общий ток I, поступающий от источника.

Векторную диаграмму токов можно изобразить на комплексной плоскости. Для цепи на рис.2 она будет иметь такой вид, как на рис.14 (см.рис.17).

Общий ток цепи равен сумме токов ветвей İ = İ1 + İ2 + İ3 + İ4

Исходя из написанного выше, можно записать выражение для общего тока:

Это соотношение есть закон Ома для параллельной цепи, записанный в комплексном виде.

Сомножитель перед — полная проводимость параллельной цепи в комплексной форме

Все комплексные величины можно записать в показательной форме. В общем случае

Ψ – угол между напряжением и вещественной осью. У нас ψ = 0, . Комплекс проводимости в показательной форме , где

Комплекс тока в показательной форме

Резонанс в электрических цепях.

Рассмотренные выше электрические цепи представляют собой последовательный и параллельный колебательные контуры соответственно. Цепь, в которой индуктивность, емкость и активное сопротивление соединены последовательно, называется последовательным колебательным контуром . Цепь, в которой индуктивность, емкость и активное сопротивление соединены параллельно, называется параллельным колебательным контуром.

В колебательных контурах при определенных условиях могут возникать особые явления, которые называют резонансными. Резонанс в последовательном колебательном контуре называют резонансом напряжений, резонанс в параллельном колебательном контуре – резонансом токов.

В цепях переменного тока резонанс наступает тогда, когда частота источника напряжения равна резонансной частоте контура (собственной частоте колебаний контура, если ). При резонансе ток и напряжение совпадают по фазе, т.е. угол φ = 0.

Резонанс напряжений.

Закон Ома для последовательной цепи, состоящей из активного, индуктивного и емкостного сопротивлений (си.рис.1), выражается формулой

где R – активное сопротивление контура;

XL и XC — индуктивное и емкостное сопротивления контура соответственно.

Угол сдвига фаз между током и напряжением

Резонанс наступает тогда, когда цепь ведет себя как чисто активная, т.е. когда ток и напряжение совпадают по фазе, угол φ = 0.

Условием возникновения резонанса в последовательном колебательном контуре является равенство реактивных сопротивлений контура .

Тогда полное сопротивление цепи будет равно его активной составляющей:

Сдвига фаз между током и напряжением не будет, угол φ = 0, cos φ = 1.

Векторная диаграмма цепи при резонансе напряжений представлена рис. 18 (а и б).

При резонансе напряжений действующие значения реактивных составляющих напряжения UL и UC равны по величине, мгновенные значения равны и противоположны по знаку, векторы и равны и противоположны по знаку.

Результирующее напряжение при резонансе равно его активной составляющей

Следовательно, мощность, развиваемая источником, является активной мощностью, она поддерживает в цепи R, L, C незатухающие колебания, несмотря на то, что в цепи есть активное сопротивление. Энергия магнитного поля при резонансе полностью переходит в энергию электрического поля и наоборот:

Частота, при которой в контуре наступает резонанс, называется резонансной.

Значение резонансной частоты можно определить из условия резонанса XL=XC.

то резонансная частота контура

Резонанс напряжений можно получить изменяя в цепи индуктивность, емкость или частоту напряжения источника питания контура, всего, если хотят настроить контур в резонанс, используют конденсатор переменной емкости. С этого конденсатора снимают выходное напряжение.

Если XL=XC>=R, напряжение на индуктивности UL и емкости UC могут достигать значительной величины и во много раз превышать общее напряжение U, приложенное к цепи. Ток в цепи I также значительно возрастает: . Для исключения перегрузки источника питания в схему иногда вводят ограничивающее сопротивление Rорг . Поскольку резонанс сопровождается значительными перенапряжениями и сверхтоками, в мощных установках он является аварийным. Свойства колебательного контура характеризуются рядом величин:

а) Характеристическое сопротивление контура (или волновое)

Эта величина имеет размерность сопротивления (величину ρ можно получить из уравнения (х) ).

б) Добротность контура

Добротность контура служит характеристикой реального контура, когда .

При резонансе добротность контура равна отношению напряжения на емкости или индуктивности к напряжению на активном сопротивлении.

Покажем это: , но

Добротность радиотехнических контуров обычно составляет 50-200.

в) Затухание контура

г) Резонансные кривые – это графическое изображение зависимости напряжений на емкости, индуктивности и активном сопротивлении, а также тока от частоты (см.рис.19).

Чаще всего резонансные кривые стоят в зависимости от относительной частоты

где А – значение напряжения или тока;

w, f — текущее значение угловой частоты и частоты соответственно;

— значения угловой частоты и частоты при резонансе.

Построенные таким образом зависимости обладают наибольшей общностью.

Вид резонансных кривых, построенных в функции относительной частоты, целиком определяется добротностью контура Q. На рис.20 показано семейство резонансных кривых для различных значений добротности контура.

Из рис.20 видно, что с увеличением добротности контура резонансная кривая становится острее.

д) Полоса пропускания контура (или ширина резонансной кривой) – это полоса частот вблизи резонанса, на границах которой выходная величина А (напряжение, ток) составляет от резонансного (максимального) значения (см.рис.21).

Резонанс токов.

Как указывалось выше, резонанс токов наблюдается в параллельных колебательных контурах, содержащих элементы L, C и R (см.рис.22). Параллельные контуры могут быть и другого вида.

Примечание: Rогр включают для исключения перегрузки источника питания.

Закон Ома для параллельного соединения активного сопротивления, емкости, индуктивности в общем случае выражается формулой:

где g — активная проводимость;

bL и bc — реактивные проводимости, индуктивная и емкостная соответственно.

Угол сдвига фаз между током в неразветвленной части цепи I и приложенным напряжением равен

Если bL = bc , цепь будет вести себя так, будто она содержит только активное сопротивление. В этом случае в неразветвленной части цепи ток I будет совпадать по фазе с приложенным к контуру напряжением, φ = 0, cosφ = 1.Такое состояние цепи называется резонансом токов.

Резонансная частота контура определяется следующим образом

Т.к. при резонансе

При малых значениях активных сопротивлений R1 и R2 выражение для fрез для последовательного колебательного контура

Векторная диаграмма цепи для случая, когда показана на рис.23 (значения величин взяты произвольно).

Общий реактивный ток, равный разности реактивных токов ветвей, при резонансе токов равен 0. Общий ток цепи имеет только активную составляющую, таким образом, его величина в момент резонанса имеет наименьшее значение. В идеальном случае, если R1 = R2 = 0, резонанс токов эквивалентен размыканию цепи.

Рассмотрим, какое значение имеют токи в ветвях и индуктивностью и емкостью при резонансе, если активное сопротивление ветвей контура R1 и R2 малы, по сравнению с реактивными сопротивлениями. Ток Ī1 отстает, а ток Ī2 опережает напряжение и ток Ī на угол, близкий к π⁄2 (см.рис.24).

В этом случае токи Ī1 и Ī2 между собой сдвинуты по фазе на угол, близкий к π, а амплитуды их будут практически равны, т.к. ХL = Хc, и во много раз больше амплитуды тока в неразветвленной ветви. Поэтому резонанс в параллельных контурах называют резонансом токов.

Поскольку токи ветвей сдвинуты по фазе на угол ≈ π при малых R1 и R2 и равны по величине, можно считать, что при резонансе они образуют как бы один контурный ток Ir, замыкающийся в колебательном контуре. Зависимость тока Iк от частоты ƒ показана на рис.25 (резонансная кривая).

Свойства параллельного колебательного контура характеризуются теми же величинами, что и последовательный колебательный контур.

Добротность Q = ρ ⁄ R для параллельного контура равна отношению тока в индуктивности Il или емкости Iс к току в неразветвленной части цепи при резонансе

Резонансные кривые для параллельного колебательного контура показаны на рис.26. (R≈0).

Резонанс токов в отличие от резонанса напряжений не является опасным для электрических установок, поскольку в реальных условиях реактивные проводимости редко бывают высокими.

Явления резонанса напряжений и токов широко используются в технике связи, автоматике и телемеханике, для улучшения cosφ в промышленных установках.

Путем настройки колебательного контура в резонанс с частотой передаваемого сигнала можно выделить полезный сигнал.

Источник