Serie e parallelo, come riconoscerli
Semplici circuiti (quelli con pochi componenti) sono di solito abbastanza semplici da capire per i principianti. Dove sta andando la corrente? Cosa sta facendo la tensione? Può essere semplificato per la comprensione più facile? Non temere. Seguiranno tutte queste informazioni preziose.
In questo tutorial, discuteremo la differenza tra i circuiti serie e circuiti paralleli, con circuiti che contengono i più fondamentali dei componenti - resistenze e batterie - per mostrare la differenza tra le due configurazioni. Provvederemo quindi ad esplorare ciò che accade nei circuiti in serie e nei circuiti in parallelo quando si combinano diversi tipi di componenti, come condensatori e induttori.
In questo tutorial, discuteremo la differenza tra i circuiti serie e circuiti paralleli, con circuiti che contengono i più fondamentali dei componenti - resistenze e batterie - per mostrare la differenza tra le due configurazioni. Provvederemo quindi ad esplorare ciò che accade nei circuiti in serie e nei circuiti in parallelo quando si combinano diversi tipi di componenti, come condensatori e induttori.
In questo tutorial:
- Diffferenza tra circuito in serie e in parallelo
- Come reagiscono i componenti passivi a queste configurazioni
- Come una fonte di tensione agirà su questi componenti in queste configurazioni
CIRCUITI IN SERIE
Nodi e Flusso della corrente
Prima di scavare in fondo ai circuiti, abbiamo bisogno di parlare di quello che un nodo è. Non è niente di speciale, solo la giunzione elettrica tra due o più componenti. Quando un circuito è modellato su uno schema, i nodi sono i fili tra componenti.
Esempio schematico con quattro nodi colorati in modo diverso
Questa è la metà della battaglia verso la comprensione della differenza tra serie e parallelo. Abbiamo anche bisogno di capire come la corrente fluisce attraverso un circuito. Una certa quantità di corrente scorre attraverso ogni percorso disponibile che può prendere per arrivare al punto di tensione più basso (di solito chiamato terra). Utilizzando il circuito di cui sopra come un esempio, ecco come la corrente può fluire dal polo positivo della batteria al polo negativo:
Corrente (indicata dal blu, arancione, e righe rosa) che fluisce attraverso lo stesso circuito di esempio come sopra. Diverse correnti sono indicati da colori diversi.
Si noti che in alcuni nodi (come tra R 1 e R 2 ) la corrente è la stessa che va in uscita. In altri nodi (specificamente tre vie di giunzione tra R 2 , R 3 e R 4 ) principale (blu), si divide in due correnti differenti. Questa è la differenza fondamentale tra serie e parallelo!
Definizione di circuiti in serie
Due componenti sono in serie quando sono posti uno dopo l`altro e sono attraversati dalla stessa corrente, o ancora meglio se condividono un nodo comune e se la stessa corrente scorre attraverso di loro. Ecco un esempio di circuito con tre serie di resistenze:
C'è solo un modo per la corrente di fluire nel circuito di cui sopra. Partendo dal terminale positivo della batteria, il flusso di corrente prima incontra R 1 . Da qui la corrente scorrerà direttamente a R 2 , poi a R 3 , ed infine di nuovo al terminale negativo della batteria. Si noti che c'è solo un percorso per la corrente da seguire. Questi componenti sono in serie.
CIRCUITI IN PARALLELO
Definizione di circuiti in parallelo
Se i componenti sono posti un di fianco all`altro e condividono due nodi comuni sono in parallelo. Ecco un esempio schematico di tre resistori in parallelo con una batteria:
Dal polo positivo della batteria, la corrente fluisce da R 1 ... e R 2 e R 3 . Il nodo che collega la batteria R 1 è anche collegato alle altre resistenze. Le altre estremità di questi resistori sono similmente legate insieme, e poi legati al terminale negativo della batteria. Ci sono tre percorsi distinti che la corrente può prendere prima di tornare alla batteria, e le resistenze associate sono dette in parallelo.
Quindi tutti i componenti posti in serie in un circuito hanno uguali correnti che li attraversano, i componenti in parallelo hanno la stessa caduta di tensione - serie: corrente : - : parallelo: tensione.
Circuiti in serie e in parallelo che lavorano insieme
Da qui siamo in grado di combinarli. Nell'immagine successiva, vediamo di nuovo tre resistenze e una batteria. Dal polo positivo della batteria, la prima resistenza che incontriamo è R 1 . Ma, all'altro lato di R 1 si divide in un nodo, e la corrente può andare sia in R 2 che in R 3 . Gli attuali percorsi attraverso R 2 ed R 3 sono poi legati insieme, e la corrente risale al terminale negativo della batteria.
In questo esempio, R 2 e R 3 sono in parallelo tra loro, e R 1 è in serie con la combinazione parallelo di R 2 e R 3 .
CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE DI UN CIRCUITO IN SERIE
Ecco alcune informazioni che possono essere di qualche utilità più pratica per voi. Abbiamo messo insieme le resistenze in serie e parallelo, cambiamo l'attuale strada della corrente che scorre attraverso di loro. Ad esempio, se abbiamo una alimentazione a 10 V attraverso un resistore 10k, la legge di Ohm dice che abbiamo 1 mA di corrente che fluisce.
Se poi messo un altro resistore di 10k in serie con il primo e lasciare invariata l`alimentazione, abbiamo dimezzato la corrente, perché la resistenza è raddoppiata.
In altre parole, c'è ancora solo un percorso che la corrente può prendere e abbiamo reso ancora più difficile il suo passaggio. Quanto più difficile? 10k + 10k = 20k. E, questo è il metodo per calcolare le resistenze in serie - basta aggiungere i loro valori .
Per rendere questa equazione più generale: la resistenza totale di Rtot = ad un numero arbitrario di Rn resistori è la loro somma totale.
Per rendere questa equazione più generale: la resistenza totale di Rtot = ad un numero arbitrario di Rn resistori è la loro somma totale.
CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE DI UN CIRCUITO IN PARALLELO
Che dire di resistori in parallelo? Questo è un po' più complicato, ma non di molto. Si consideri l'ultimo esempio in cui abbiamo iniziato con un alimentazione a 10 V e una resistenza 10k, ma questa volta si aggiunge un altro 10k in parallelo anziché in serie. Ora ci sono due percorsi che può prendere. Dal momento che la tensione di alimentazione non è cambiata, la legge di Ohm dice che la prima resistenza è attraversata da 1 mA. Ma, così è anche il secondo resistore, e ora abbiamo un totale di 2 mA proveniente dalla rete, raddoppiando la 1mA originale. Questo implica che abbiamo tagliato la resistenza totale a metà.
Mentre possiamo dire che 10k || 10k = 5kΩ ( "||" si traduce approssimativamente "in parallelo"), non utilizziamo sempre 2 resistenze identiche.
L'equazione per l'aggiunta di un numero arbitrario di resistori in parallelo:
L'equazione per l'aggiunta di un numero arbitrario di resistori in parallelo:
Se i numeri non sono la vostra passione, si può anche usare un metodo che chiameremo "prodotto sulla somma" quando abbiamo due resistenze in parallelo:
Tuttavia, questo metodo è buono solo per calcolare due resistenze. Possiamo unire più di 2 resistenze con questo metodo prendendo il risultato di R1 || R2 e calcolando il valore in parallelo con una terza resistenza (nuovo prodotto rispetto alla somma), ma il metodo reciproco ci risparmierà del lavoro.
Esperimento Resistenze Serie: Parte 1
Di cosa hai bisogno:
Proviamo un semplice esperimento, solo per dimostrare che queste cose funzionano.
In primo luogo, stiamo andando a collegare alcune resistenze 10k in serie. Utilizzando una breadboard posizionare un resistore 10k come indicato in figura e misurare con un multimetro. Sì, sappiamo già che ci dirà che è 10k, ma questo è ciò chiamiamo "controllo di integrità". Una volta che noi stessi siamo convinti che la misura non è cambiata significativamente dall'ultima volta che abbiamo misurato, mettere un altra resistenza da 10k in serie e misurare di nuovo. Il multimetro dovrebbe leggere qualcosa di simile a 20k.
In primo luogo, stiamo andando a collegare alcune resistenze 10k in serie. Utilizzando una breadboard posizionare un resistore 10k come indicato in figura e misurare con un multimetro. Sì, sappiamo già che ci dirà che è 10k, ma questo è ciò chiamiamo "controllo di integrità". Una volta che noi stessi siamo convinti che la misura non è cambiata significativamente dall'ultima volta che abbiamo misurato, mettere un altra resistenza da 10k in serie e misurare di nuovo. Il multimetro dovrebbe leggere qualcosa di simile a 20k.
Si può notare che la resistenza in misura potrebbe non essere esattamente con il valore dichiarato dalle bande colorate. I resistori hanno una certa tolleranza , che significa che possono essere fuori da una certa percentuale in entrambe le direzioni. Così, si può leggere 9.99kΩ o 10.01kΩ. Fin quando è vicino al valore corretto, tutto dovrebbe funzionare bene.
Il lettore deve continuare questo esercizio fino a convincersi che cosa sarà il risultato prima di farlo di nuovo.
Esperimento Resistenze Parallelo: Parte 2
Ora proviamo con le resistenze in parallelo. Mettere una resistenza da 10k nella basetta come prima (ci auguriamo che il lettore ha già misurato con il multimetro ogni singolo resistore 10k in modo da riuscire l`esperimento). Ora, posto un secondo resistore 10k accanto al primo facciamo attenzione che i cavi di ciascun resistore sono collegati elettricamente in fila. Ma prima di misurare la combinazione, calcoliamo con il metodo "prodotto sulla somma" o con metodi reciproci ciò che dovrebbe essere il nuovo valore (suggerimento: si sta per essere 5kΩ). Quindi misurare. E 'qualcosa di simile a 5kΩ? Se non lo è, controllare i fori in cui sono innestati i resistori.
Ripetere l'esercizio con 3, 4 e 5 resistenze. I valori calcolati / misurati dovrebbero essere 3.33kΩ, 2.5kΩ e 2kOhm, rispettivamente. Hai fatto tutto e il valore è quello previsto? In caso contrario, tornare indietro e controllare i collegamenti. Se così fosse, ECCELLENTE!
Condensatori in serie
La combinazione di condensatori funziona allo stesso modo delle resistenze ... solo al contrario. Per quanto strano possa sembrare, è assolutamente vero. Perché questo accade?
Un condensatore ha sole due piastre distanziate molto vicini tra loro, e la sua funzione di base è quella di tenere un intero gruppo di elettroni. Maggiore è il valore di capacità, più elettroni può contenere. Se si aumenta la dimensione delle lastre, la capacità sale perché c'è fisicamente più spazio per gli elettroni di attaccarsi. E se le piastre vengono spostate più lontane, la capacità scende.
Ora diciamo che abbiamo due condensatori 10μF cablati in serie.
|
Lo spazio tra le piastre del condensatore riducono la capacità degli stessi
|
Ricordiamo che in un circuito in serie c'è solo un percorso per la corrente. Ne consegue che il numero di elettroni che si scaricano sulla massa (GND) sarà lo stesso numero di elettroni che entrano sulla parte superiore dell`alimentazione (VCC). Quindi la capacità è aumentata?
In realtà, è ancora peggio. Inserendo i condensatori in serie la distanza tra le piastre dei due condensatori si somma. Quindi non abbiamo 20μF, o addirittura 10μF. Abbiamo 5μF. Il risultato di questo è che aggiungiamo serie ai valori del condensatore stesso, proprio come si aggiungono i valori delle resistenze in parallelo. Sia il prodotto-sulla-somma e i metodi reciproci sono validi per il calcolo dei condensatori in serie.
Può sembrare che non c'è motivo di aggiungere i condensatori in serie. Ma va sottolineato che si usa molto spesso quando abbiamo bisogno del doppio della tensione (o tensioni). Proprio come le batterie, quando abbiamo messo i condensatori in serie le tensioni si sommano.
Condensatori in parallelo
L'aggiunta di condensatori in parallelo è come aggiungere resistenze in serie: i valori si sommano, senza trucchi.
Perchè accade questo? Il parallelo aumenta efficacemente la dimensione delle piastre senza aumentare la distanza tra loro. Più lo spazio diminuisce più si ha capacità. Semplice.
Perchè accade questo? Il parallelo aumenta efficacemente la dimensione delle piastre senza aumentare la distanza tra loro. Più lo spazio diminuisce più si ha capacità. Semplice.
Esperimento Condensatori: Parte 3
Di cosa hai bisogno?
Vediamo alcuni condensatori collegati in serie e in parallelo in azione. Questo sarà un po 'più complicato rispetto agli esempi con le resistenze, perché è più difficile misurare la capacità direttamente con un multimetro.
Prima iniziamo a parlare di ciò che accade quando un condensatore si carica partendo da zero volt. Quando la corrente comincia ad andare in uno dei conduttori, una quantità uguale di corrente esce dall'altra. In ogni caso, la corrente fluisce fino al condensatore, inizia a caricare fino al valore della tensione applicata e fino a saturazione.
L'assorbimento di corrente può essere molto grande se non c'è una resistenza in serie con il condensatore, e il tempo di carica può essere molto breve (come millisecondi o meno). In questo esperimento visualizzeremo la carica del condensatore utilizzando una resistenza 10k in serie per rallentare l'azione fino a un punto in cui possiamo vedere facilmente la carica. Ma prima dobbiamo parlare di quello che è una costante di tempo RC.
La precedente equazione dice che: una costante di tempo espressa in secondi (chiamata tau) è uguale alla resistenza espressa in ohm per la capacità espressa in farad. Semplice? No? Lo dimostreremo nella pagina seguente.
Esperimento Condensatori: Parte 3, Continua...
Per la prima parte di questo esperimento, abbiamo intenzione di utilizzare una resistenza da 10K e un condensatore da 100μF (che è uguale a 0,0001 Farad). Questi due componenti creano una costante di tempo di 1 secondo.
Quando si carica il condensatore di 100μF attraverso un resistore 10k, ci si può aspettare che la tensione sul condensatore sale a circa il 63% della tensione di alimentazione in 1 costante di tempo, che è 1 secondo. Dopo 5 costanti di tempo (5 secondi in questo caso) il condensatore è circa il 99% di carica della tensione di alimentazione, e seguirà un curva di carica come il grafico sottostante.
Ora che sappiamo i valori rappresentati nel grafico, colleghiamo il nostro circuito (assicurarsi di ottenere la corretta polarità sul condensatore!).
Con il nostro multimetro impostato su volt, controlliamo la tensione di uscita del pacco batterie con l'interruttore acceso. Questa sarà la nostra tensione di alimentazione, e dovrebbe aggirarsi intorno 4.5V (che sarà un pò di più se le batterie sono nuove). Ora collegare il circuito, facendo attenzione che l'interruttore sul pacco batteria è in posizione "OFF" prima di inserirlo nella basetta. Inoltre, fare attenzione che i cavi rossi e neri stanno andando al posto giusto. Se è più conveniente, è possibile utilizzare morsetti a coccodrillo per fissare le sonde alle gambe del condensatore per la misura.
Una volta che siamo soddisfatti del circuito e il nostro multimetro è impostato per leggere i volt, spostare l'interruttore sul pacco batteria a "ON". Dopo circa 5 secondi, il multimetro dovrebbe leggere la tensione del pacco batterie, il che dimostra che l'equazione è giusta. Ora girare l'interruttore su "OFF". E 'ancora sul multimetro leggiamo la tensione, non è vero? Perché non c'è alcun percorso per la corrente per far si che il condensatore si scarichi; abbiamo un circuito aperto. Per scaricarlo, è possibile inserire una resistenza da 10K in parallelo. Dopo circa 5 secondi, sarà praticamente di nuovo vicino allo zero.
Esperimento Condensatori: Parte 3, Continua ancora...
Ora sperimenteremo il collegamento di due condensatori in serie. Ricordate cosa abbiamo detto? Il risultato sarà simile alla connessione di due resistenze in parallelo. Se questo è vero, lo vedremo usando il prodotto-sulla-somma.
Calcoliamo la nostra costante di tempo:
Come lo schema sopra, collegare un altro condensatore in serie con il primo, assicurarsi che il multimetro stia leggendo zero volt e spostare l'interruttore su "ON". C`è voluto circa la metà del tempo per caricare il condensatore fino alla tensione della batteria? Perchè è la metà della capacità di un solo condensatore quindi ci vuole meno tempo per caricarlo. Un terzo condensatore è consigliato in questo esperimento solo per dimostrare il vero.
Ora sperimenteremo i condensatori in parallelo, ricordando ciò che abbiamo detto in precedenza questo sarebbe come l'aggiunta di resistenze in serie. Se questo è vero, allora possiamo aspettarci 200μF, giusto? Allora la nostra costante di tempo diventa:
Ciò significa che saranno necessari circa 10 secondi per vedere i condensatori in parallelo che caricano la tensione di alimentazione di 4.5V.
Per la prova, inizia con il circuito originale di un resistore 10k ed un condensatore 100μF in serie, collegati come nel primo schema per questo esperimento. Sappiamo già che il condensatore sta per caricarsi in circa 5 secondi. Ora aggiungeremo un secondo condensatore in parallelo. Assicurati che il multimetro stia leggendo vicino lo zero volt (scarica attraverso una resistenza, se la lettura non è vicino lo zero), e spostare l'interruttore del pacco batteria su "ON". Richiede molto tempo, non è vero? Per dimostrare a voi stessi la prova, provate ad aggiungere il terzo condensatore da 100μF, e si può notare che la carica avviene dopo molto tempo.
Induttori, Serie e Parallelo
I casi in cui devono essere aggiunti in serie o in parallelo gli induttori sono piuttosto rari, ma non senza precedenti. In ogni caso, ne parliamo solo per essere completi.
In poche parole si aggiungono, proprio come con le resistenze, vale a dire che si addizionano quando in serie, e con il prodotto-sulla-somma quando in parallelo. La parte difficile viene quando essi sono collocati vicini tra loro in modo da avere campi magnetici interagenti, intenzionalmente o no. Per questo motivo, è preferibile avere un unico componente anziché due o più, anche se la maggior parte degli induttori sono schermati per prevenire l`interazione con i campi magnetici.
In ogni caso, è sufficiente ricordarsi che vale la regola delle resistenze. Maggiori informazioni in materia di induttori è ben oltre lo scopo di questo tutorial.
In ogni caso, è sufficiente ricordarsi che vale la regola delle resistenze. Maggiori informazioni in materia di induttori è ben oltre lo scopo di questo tutorial.