Reihen- und Parallelschaltungen - Series and parallel circuits

Eine Reihenschaltung mit einer Spannungsquelle (z. B. einer Batterie oder in diesem Fall einer Zelle) und 3 Widerstandseinheiten

Zweipolige Komponenten und elektrische Netze können in Reihe oder parallel geschaltet werden. Das sich ergebende elektrische Netz wird zwei Anschlüsse haben, und selbst kann in einer Reihe oder parallel teilnehmen Topologie . Ob ein zweipoliges „Objekt“ ein elektrisches Bauteil (zB ein Widerstand ) oder ein elektrisches Netzwerk (zB Widerstände in Reihe) ist, ist eine Frage der Perspektive. In diesem Artikel wird "Komponente" verwendet, um auf ein zweipoliges "Objekt" zu verweisen, das an den seriellen/parallelen Netzwerken teilnimmt.

In Reihe geschaltete Komponenten sind entlang eines einzigen "elektrischen Pfads" verbunden, und jede Komponente hat den gleichen Strom , der dem Strom durch das Netzwerk entspricht. Die Spannung im Netzwerk ist gleich der Summe der Spannungen an jeder Komponente.

Parallel geschaltete Komponenten sind entlang mehrerer Pfade verbunden, und jede Komponente hat dieselbe Spannung , die der Spannung im Netzwerk entspricht. Der Strom durch das Netzwerk ist gleich der Summe der Ströme durch jede Komponente.

Die beiden vorhergehenden Aussagen sind äquivalent, außer dass die Rolle von Spannung und Strom vertauscht wird .

Eine Schaltung, die ausschließlich aus in Reihe geschalteten Komponenten besteht, wird als Reihenschaltung bezeichnet ; ebenso wird eine vollständig parallel geschaltete Schaltung als Parallelschaltung bezeichnet . Viele Schaltungen können zusammen mit anderen Konfigurationen als Kombination von Reihen- und Parallelschaltungen analysiert werden .

In einer Reihenschaltung ist der Strom, der durch jede der Komponenten fließt, gleich, und die Spannung an der Schaltung ist die Summe der einzelnen Spannungsabfälle an jeder Komponente. In einer Parallelschaltung ist die Spannung an jeder der Komponenten gleich und der Gesamtstrom ist die Summe der Ströme, die durch jede Komponente fließen.

Stellen Sie sich eine sehr einfache Schaltung vor, die aus vier Glühbirnen und einer 12-Volt- Autobatterie besteht . Wenn ein Draht die Batterie mit einer Glühbirne, mit der nächsten Glühbirne, mit der nächsten Glühbirne, mit der nächsten Glühbirne und dann zurück zur Batterie in einer Endlosschleife verbindet, werden die Glühbirnen in Reihe geschaltet. Wenn jede Glühbirne in einer separaten Schleife mit der Batterie verbunden ist, werden die Glühbirnen als parallel bezeichnet. Wenn die vier Glühbirnen in Reihe geschaltet sind, fließt durch alle der gleiche Strom und der Spannungsabfall an jeder Glühbirne beträgt 3 Volt, was möglicherweise nicht ausreicht, um sie zum Leuchten zu bringen. Wenn die Glühbirnen parallel geschaltet sind, verbinden sich die Ströme durch die Glühbirnen zum Strom in der Batterie, während der Spannungsabfall an jeder Glühbirne 12 Volt beträgt und sie alle leuchten.

In einer Reihenschaltung muss jedes Gerät funktionieren, damit die Schaltung vollständig ist. Wenn in einer Reihenschaltung eine Glühbirne durchbrennt, ist der gesamte Stromkreis unterbrochen. In Parallelschaltungen hat jede Glühbirne ihren eigenen Stromkreis, so dass alle bis auf eine Lampe durchgebrannt sein könnten und die letzte noch funktioniert.

Reihenschaltungen

Reihenschaltungen werden manchmal als Strom -gekoppelter oder Daisy - Chain - -gekoppelter. Der elektrische Strom in einer Reihenschaltung fließt durch alle Komponenten im Stromkreis. Daher führen alle Komponenten einer Reihenschaltung den gleichen Strom.

Eine Reihenschaltung hat nur einen Pfad, in dem ihr Strom fließen kann. Das Öffnen oder Unterbrechen eines Reihenstromkreises an einem beliebigen Punkt führt dazu, dass der gesamte Stromkreis "öffnet" oder den Betrieb einstellt . Wenn beispielsweise auch nur eine der Glühbirnen in einer Weihnachtsbaumlichterkette älterer Bauart durchbrennt oder entfernt wird, wird die gesamte Kette funktionsunfähig, bis die Glühbirne ersetzt wird.

Strom

In einer Reihenschaltung ist der Strom für alle Elemente gleich.

Stromspannung

In einer Reihenschaltung ist die Spannung die Summe der Spannungsabfälle der einzelnen Komponenten (Widerstandseinheiten).

Widerstandseinheiten

Der Gesamtwiderstand von zwei oder mehr in Reihe geschalteten Widerständen ist gleich der Summe ihrer Einzelwiderstände:

Dies ist ein Diagramm von mehreren Widerständen, die Ende an Ende verbunden sind, mit der gleichen Strommenge durch jeden.

Hier bezeichnet der Index s in R s "Reihe" und R s bezeichnet den Widerstand in einer Reihe.

Die elektrische Leitfähigkeit stellt eine reziproke Größe zum Widerstand dar. Der Gesamtleitwert einer Reihenschaltung reiner Widerstände lässt sich daher aus folgendem Ausdruck berechnen:

.

Für einen Sonderfall von zwei in Reihe geschalteten Leitwerten ist der Gesamtleitwert gleich:

Induktivitäten

Induktoren folgen dem gleichen Gesetz, dass die gesamte Induktivität der nicht-gekoppelte Induktoren in Reihe mit der Summe ihrer Einzelinduktivitäten gleich ist:

Ein Diagramm von mehreren Induktoren, die Ende an Ende verbunden sind und durch die jeweils die gleiche Strommenge fließt.

In manchen Situationen ist es jedoch schwierig zu verhindern, dass benachbarte Induktoren sich gegenseitig beeinflussen, da das Magnetfeld eines Geräts mit den Wicklungen seiner Nachbarn gekoppelt ist. Dieser Einfluss wird durch die Gegeninduktivität M definiert. Wenn beispielsweise zwei Induktivitäten in Reihe geschaltet sind, gibt es zwei mögliche äquivalente Induktivitäten, je nachdem, wie sich die Magnetfelder beider Induktivitäten gegenseitig beeinflussen.

Bei mehr als zwei Induktoren erschweren die gegenseitige Induktivität zwischen ihnen und die Art und Weise, wie sich die Spulen gegenseitig beeinflussen, die Berechnung. Bei einer größeren Anzahl von Spulen ergibt sich die kombinierte Gesamtinduktivität aus der Summe aller Gegeninduktivitäten zwischen den verschiedenen Spulen einschließlich der Gegeninduktivität jeder gegebenen Spule mit sich selbst, die wir Selbstinduktivität oder einfach Induktivität nennen. Für drei Spulen gibt es sechs Gegeninduktivitäten , , und , und . Es gibt auch die drei Selbstinduktivitäten der drei Spulen: , und .

Deswegen

Durch Gegenseitigkeit = damit die letzten beiden Gruppen kombiniert werden können. Die ersten drei Terme repräsentieren die Summe der Eigeninduktivitäten der verschiedenen Spulen. Die Formel lässt sich leicht auf beliebig viele Reihenspulen mit gegenseitiger Kopplung erweitern. Das Verfahren kann verwendet werden, um die Selbstinduktivität großer Drahtspulen mit beliebiger Querschnittsform zu ermitteln, indem die Summe der Gegeninduktivität jeder Drahtwindung in der Spule mit jeder zweiten Windung berechnet wird, da in einer solchen Spule alle Windungen in Serie.

Kondensatoren

Kondensatoren folgen dem gleichen Gesetz unter Verwendung der Kehrwerte. Die Gesamtkapazität der Kondensatoren in Reihe geschaltet ist zu dem Kehrwert der Summe der gleiche reziproken ihre einzelnen Kapazitäten:

Ein Diagramm mehrerer Kondensatoren, die Ende an Ende verbunden sind und durch die jeweils die gleiche Strommenge fließt.

.

Schalter

Zwei oder mehr Schalter in Reihe bilden ein logisches UND ; der Stromkreis führt nur dann Strom, wenn alle Schalter geschlossen sind. Siehe UND-Gatter .

Zellen und Batterien

Eine Batterie ist eine Ansammlung elektrochemischer Zellen . Wenn die Zellen in Reihe geschaltet sind, ist die Spannung der Batterie die Summe der Zellenspannungen . Eine 12-Volt -Autobatterie enthält beispielsweise sechs in Reihe geschaltete 2-Volt-Zellen. Einige Fahrzeuge, wie zum Beispiel Lastkraftwagen, haben zwei 12-Volt-Batterien in Reihe, um das 24-Volt-System zu speisen.

Parallelschaltungen

Vergleich von Wirkwiderstand, Induktivität und Kapazität zweier Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren in Reihe und parallel

Wenn zwei oder mehr Komponenten parallel geschaltet werden, haben sie an ihren Enden die gleiche Potentialdifferenz ( Spannung ). Die Potentialunterschiede zwischen den Komponenten sind gleich groß und haben auch identische Polaritäten. An alle parallel geschalteten Schaltungskomponenten wird die gleiche Spannung angelegt. Der Gesamtstrom ist nach dem Kirchhoffschen Gesetz die Summe der Ströme durch die einzelnen Komponenten .

Stromspannung

In einer Parallelschaltung ist die Spannung für alle Elemente gleich.

Strom

Der Strom in jedem einzelnen Widerstand wird durch das Ohmsche Gesetz bestimmt . Herausrechnen der Spannung ergibt

.

Widerstandseinheiten

Um die Gesamt zu finden Widerstand aller Komponenten, die addieren reziproken der Widerstände jeder Komponente und der Kehrwert der Summe nehmen. Der Gesamtwiderstand ist immer kleiner als der Wert des kleinsten Widerstands:

Ein Diagramm mit mehreren Widerständen, nebeneinander, wobei beide Leitungen jeweils mit den gleichen Drähten verbunden sind.

.

Für nur zwei Widerstände ist der Ausdruck ohne Gegenleistung recht einfach:

Dies geht manchmal durch das mnemonische Produkt über die Summe .

Für N gleiche Widerstände parallel vereinfacht sich der Kehrwertausdruck zu:

.

und deshalb zu:

.

Um den Strom in einer Komponente mit Widerstand zu finden , verwenden Sie erneut das Ohmsche Gesetz:

.

Die Bauteile teilen den Strom nach ihren Kehrwerten auf, d. h. bei zwei Widerständen

.

Ein alter Begriff für parallel geschaltete Geräte ist multiple , wie zB Mehrfachanschluss für Bogenlampen .

Da der elektrische Leitwert reziprok zum Widerstand ist, lautet der Ausdruck für den Gesamtleitwert einer Parallelschaltung von Widerständen:

.

Die Beziehungen für Gesamtleitwert und Widerstand stehen in einer komplementären Beziehung: Der Ausdruck für eine Reihenschaltung von Widerständen ist der gleiche wie für eine Parallelschaltung von Leitwerten und umgekehrt.

Induktivitäten

Induktoren folgen dem gleichen Gesetz, dass die gesamte Induktivität der nicht-gekoppelte Induktoren parallel zu dem Kehrwert der Summe der Kehrwerte der einzelnen Induktivitäten ist gleich:

Ein Diagramm von mehreren Induktoren nebeneinander, wobei beide Leitungen jeweils mit den gleichen Drähten verbunden sind.

.

Befinden sich die Induktoren im Magnetfeld des anderen, ist dieser Ansatz wegen der Gegeninduktivität ungültig. Wenn die Gegeninduktivität zwischen zwei parallel geschalteten Spulen M ist, ist die äquivalente Induktivität:

Ob

Das Vorzeichen hängt davon ab, wie sich die Magnetfelder gegenseitig beeinflussen. Bei zwei gleich eng gekoppelten Spulen liegt die Gesamtinduktivität nahe der jeder einzelnen Spule. Wird die Polarität einer Spule umgekehrt, so dass M negativ ist, dann ist die Parallelinduktivität nahezu Null oder die Kombination ist fast nicht induktiv. Es wird angenommen, dass im Fall "fest gekoppelt" M fast gleich L ist. Wenn jedoch die Induktivitäten nicht gleich sind und die Spulen fest gekoppelt sind, kann es zu Kurzschlussbedingungen und hohen Kreisströmen sowohl für positive als auch für negative Werte von . kommen M, was zu Problemen führen kann.

Mehr als drei Induktivitäten werden komplexer und die Gegeninduktivität jeder Induktivität auf jede andere Induktivität und deren Einfluss aufeinander müssen berücksichtigt werden. Für drei Spulen gibt es drei Gegeninduktivitäten , und . Dies wird am besten durch Matrixmethoden und Summieren der Terme der Inversen der Matrix (in diesem Fall 3 zu 3) gehandhabt .

Die dazugehörigen Gleichungen haben die Form:

Kondensatoren

Die Gesamtkapazität der Kondensatoren parallel ist zu der Summe ihrer einzelnen Kapazitäten gleich:

Ein Diagramm mit mehreren Kondensatoren, nebeneinander, wobei beide Leitungen mit den gleichen Drähten verbunden sind.

.

Die Arbeitsspannung einer Parallelschaltung von Kondensatoren wird immer durch die kleinste Arbeitsspannung eines einzelnen Kondensators begrenzt.

Schalter

Zwei oder mehr Schalter parallel bilden ein logisches ODER ; der Stromkreis führt Strom, wenn mindestens ein Schalter geschlossen ist. Siehe ODER-Gatter .

Zellen und Batterien

Wenn die Zellen einer Batterie parallel geschaltet sind, entspricht die Batteriespannung der Zellenspannung, aber der von jeder Zelle gelieferte Strom beträgt einen Bruchteil des Gesamtstroms. Wenn beispielsweise eine Batterie aus vier identischen, parallel geschalteten Zellen besteht und einen Strom von 1 Ampere liefert, beträgt der von jeder Zelle gelieferte Strom 0,25 Ampere. Wenn die Zellen nicht identisch sind, versuchen Zellen mit höheren Spannungen, diejenigen mit niedrigeren zu laden, wodurch sie möglicherweise beschädigt werden.

Parallel geschaltete Batterien wurden weit verbreitet , um Energie verwendet , um das Ventil Filamente in tragbaren Radios . Lithium-Ionen-Akkus (insbesondere Laptop-Akkus) werden oft parallel geschaltet, um die Amperestundenzahl zu erhöhen. Einige Solarstromanlagen haben parallel geschaltete Batterien, um die Speicherkapazität zu erhöhen; eine enge Annäherung der gesamten Amperestunden ist die Summe aller Amperestunden von parallelen Batterien.

Kombinieren von Leitwerten

Aus den Kirchhoffschen Schaltungsgesetzen können wir die Regeln für die Kombination von Leitwerten ableiten. Für zwei Leitwerte und in parallel , ist die Spannung über sie die gleiche ist und aus Kirchhoffsche Gesetz aktuellen (KCL) der Gesamtstrom ist ,

Das Ersetzen von Leitfähigkeiten durch das Ohmsche Gesetz ergibt

und der äquivalente Leitwert ist,

Für zwei Konduktanzen und in Reihe ist der Strom durch sie gleich und das Kirchhoffsche Spannungsgesetz sagt uns, dass die Spannung an ihnen die Summe der Spannungen an jeder Konduktanz ist, d.h.

Ersetzt man das Ohmsche Gesetz durch den Leitwert, dann erhält man:

was wiederum die Formel für den äquivalenten Leitwert ergibt,

Diese Gleichung kann leicht umgeordnet werden, obwohl dies ein Sonderfall ist, der nur für zwei Komponenten so umgeordnet wird.

Für drei Leitfähigkeiten in Reihe,

Notation

Der Wert von zwei parallelen Komponenten wird in Gleichungen oft durch den Paralleloperator dargestellt , zwei vertikale Linien (∥), die die Notation paralleler Linien aus der Geometrie entlehnt .

Dies vereinfacht Ausdrücke, die sonst durch die Erweiterung der Terme kompliziert werden würden. Zum Beispiel:

.

Anwendungen

Eine häufige Anwendung der Reihenschaltung in der Unterhaltungselektronik sind Batterien, bei denen mehrere in Reihe geschaltete Zellen verwendet werden, um eine geeignete Betriebsspannung zu erhalten. Zwei in Reihe geschaltete Einweg-Zinkzellen können eine Taschenlampe oder Fernbedienung mit 3 Volt versorgen; Der Akku für ein handgehaltenes Elektrowerkzeug könnte ein Dutzend Lithium-Ionen-Zellen enthalten, die in Reihe geschaltet sind, um 48 Volt bereitzustellen.

Reihenschaltungen wurden früher für die Beleuchtung in Elektrotriebzügen verwendet . Wenn die Versorgungsspannung beispielsweise 600 Volt betrug, könnten acht 70-Volt-Glühbirnen in Reihe geschaltet sein (insgesamt 560 Volt) plus ein Widerstand , um die verbleibenden 40 Volt abzusenken. Reihenschaltungen für Zugbeleuchtung wurde ersetzt, die zuerst von Motorgeneratoren , dann mit Solid - State - Geräten.

Der Serienwiderstand kann auch auf die Anordnung von Blutgefäßen innerhalb eines bestimmten Organs angewendet werden. Jedes Organ wird von einer großen Arterie, kleineren Arterien, Arteriolen, Kapillaren und Venen versorgt, die in Reihe angeordnet sind. Der Gesamtwiderstand ist die Summe der Einzelwiderstände, ausgedrückt durch die folgende Gleichung: R gesamt = R Arterie + R Arteriolen + R Kapillaren . Den größten Widerstandsanteil in dieser Reihe tragen die Arteriolen bei.

Paralleler Widerstand wird durch das Kreislaufsystem veranschaulicht . Jedes Organ wird von einer Arterie versorgt, die von der Aorta abzweigt . Der Gesamtwiderstand dieser Parallelanordnung wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: 1/R total = 1/R a + 1/R b + ... 1/R n . R a , R b und R n sind die Widerstände der Nieren-, Leber- bzw. anderer Arterien. Der Gesamtwiderstand ist geringer als der Widerstand einer der einzelnen Arterien.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links