Напряжение при параллельном соединении — особенности подключения источников тока, соединение конденсаторов и резисторов

Цепи реальных электрических установок состоят из множества элементов: проводников, конденсаторов, микросхем.

Все составляющие цепей делят на несколько групп: активные, реактивные, управляющие элементы, источники питания.

Поведение, характеристики радиоэлементов зависят от вида протекающего тока (постоянный, переменный), от способа их подключения.

Содержание

Особенности параллельного подключения источников тока

Различают следующие виды:

последовательное;
параллельное;
смешанное соединение.

В электрических цепях радиоэлектронных устройств больше всего проводников, конденсаторов. Среди всех свойств определяющее значение имеет один параметр:

для проводников – сопротивление;
для конденсаторов – емкость.

При различных способах включения в цепь значение имеет суммарная, результирующая величина, различие в номиналах некритично.

Источники тока характеризуют двумя параметрами:

электродвижущей силой (ЭДС) Е;
внутренним сопротивлением r.

Параллельное подключение к нагрузке источников питания с различными ЭДС имеет серьезный недостаток: даже при отсутствии внешней нагрузки источник с большей электродвижущей силой разряжается через источник с меньшей ЭДС. Процесс продолжается до тех пор, пока значения ЭДС не станут одинаковыми, часть суммарной емкости теряется.

В электротехнике применяют параллельное подключение источников питания с различными характеристиками для работы на общую нагрузку, но не напрямую.

Для включения в цепь используют сложные схемы выравнивания, синхронизации, блокировки, защиты.

В быту используют параллельную установку нескольких одинаковых гальванических элементов: в фонарях, пультах управления техникой, в радиоуправляемых игрушках.

Соединяют одноименные полюса: плюс с плюсом, минус с минусом.

Такое включение не требует никаких дополнительных коммутаторов, элементов защиты. ЭДС между полюсами всех источников равны:

Egen = Е1 = Е2.

Общая сила тока увеличивается, она равна сумме сил токов от каждого источника:

Igen = I1+ I2.

Параллельное соединение конденсаторов

Независимо от вида конденсатора, материалов его изготовления он всегда состоит из двух главных частей: обкладок. Их форма не имеет значения, но они могут состоять из набора пластин, скатаных в рулон.

Для большинства типов конденсаторов обкладки равноправны. Полярность подключения источника тока важна для электролитических приборов.

Способность накапливать, удерживать заряды характеризуют физической величиной – электроемкостью. Ее определяют как отношение заряда на обкладках к разности потенциалов между ними:

C = q/Δφ.

Обозначения:

C – электрическая емкость, единица измерения – фарады (Ф);
q – заряд, измеряют в кулонах (Кл);
Δφ – разность потенциалов, измеряют в вольтах (В).

На практике эту величину чаще называют напряжением:

Δφ = φ2 – φ1 = U.

Электроемкость накопителя заряда зависит от размера обкладок, величины промежутка между ними, материала диэлектрика. Для конденсатора в виде двух пластин она выглядит так:

C = (εε0S)/d.

Обозначения:

ε – диэлектрическая проницаемость материала, расположенного между обкладками;
ε0 – одна из физических постоянных (электрическая постоянная);
d – расстояние от одной обкладки до другой (толщина диэлектрика);
S – их площадь.

При спайке параллельно напряжение между обкладками одинаково. Для системы из двух элементов:

Ugen = U1 = U2;

Полученные заряды:

q1 = C1U, q2 = C2U;

Общий заряд:

qgen = q1 + q2;

Тогда общая емкость:

Cgen = qgen/Ugen = (q1 + q2)/Ugen = q1/U1 + q2/U2 = C1 + C2.

При подключении параллельно емкость системы находят как сумму емкостей отдельных накопителей заряда.

Конденсаторы имеют еще одну характеристику: напряжение, на которое они рассчитаны. Оно зависит от свойств диэлектрика, его толщины.

Возможно параллельное сопряжение конденсаторов с различными емкостями, с различными рабочими напряжениями. Работоспособность батареи определяет элемент с наименьшим напряжением.

Параллельное соединение резисторов

Напряжения на концах группы соединенных проводников равны для каждого резистора. Для схемы из двух элементов:

Ugen = U1 = U2.

Эта формула ничем не отличается от формулы суммарного напряжения для двух подключенных конденсаторов. Полную силу тока находят как сумму сил токов, протекающих через каждый участок:

Igen = I1 + I2;

Для участка цепи выполняется закон Ома:

I = U/R;

Для группы из двух элементов:

Igen = Ugen/Rgen = Ugen/R1 +Ugen/R2;

Сокращая Ugen, учитывая, что значение напряжения на концах каждого проводника одинаковое, получают:

1/Rgen = 1/R1 + 1/R2.

Величина, обратная итоговому сопротивлению, равняется сумме величин, которые обратны сопротивлению составляющих. Выражение 1/R называют проводимостью.

Из формулы определяют суммарную величину:

Rgen = R1R2/(R1 + R2).

При расположении параллельным способом разных проводников итоговое значение сопротивления уменьшается, оно меньше сопротивления элемента с минимальным номиналом.

Для одинаковых радиоэлементов формула проще:

Rgen = RR/(R + R) = R/2.

Итоговое значение сопротивления 2 одинаковых резисторов равно 1/2 номинала одного из них.

В схеме параллельной спайки K одинаковых проводников суммарное сопротивление:

Rgen = R/K.

Оно меньше во столько раз, сколько имеется элементов в группе.

Сопротивление току зависит от материала, из которого изготовлен резистор, от его размеров: длины, толщины (площади сечения). Зависимость выражает формула:

R = ρl/S.

В формуле:

R – сопротивление в омах (Ом);
l – длина резистора (проволоки);
ρ – удельное сопротивление, измеряют в Ом*м.

Из-за того, что поперечное сечение реальных проводников составляет десятки мм2, за единицу удельного сопротивления выбирают Ом*мм2/м.

Величина ρ – показывает сопротивление 1 м проводника сечением 1 мм2. Удельное сопротивление – табличная величина.

Среди металлов наименьшее значение имеет серебро – 0,016 Ом*мм2/м, наибольшее – фехраль: 1,3 Ом*мм2/м.

Резисторы имеют еще одну важную характеристику – мощность рассеивания энергии. Это произведение силы тока на напряжение.

Более мощные радиодетали выглядят толще, грубее. Во всех расчетных формулах предполагают, что в цепи используют элементы одинаковой мощности. Работоспособность схемы, в которой применены элементы с одинаковым номиналом различной мощности определяет самый маломощный резистор.

Знание особенностей подключения источников тока, конденсаторов, резисторов помогает изучать происходящие в них физические процессы, рассчитывать электрические схемы, определять параметры оптимального режима работы.

Создавая реальные конструкции, важно подбирать элементы, одинаковые хотя бы по одному параметру. Для источников тока – это ЭДС, для конденсаторов – напряжение между обкладками, для резисторов – мощность.