Примітка: щоб засвоїти матеріал цієї статті необхідно знати і розуміти основні поняття з електроніки (струм, напруга, опір і Закон Ома). Якщо ви не впевнені, краще перегляньте статтю Основні поняття електроніки. Закон Ома.
Електричне коло — це шлях, яким рухаються електрично заряджені частинки (зазвичай електрони). Щоб виник струм, коло повинно бути замкнутим, тобто всі його елементи мають бути з’єднані так, щоб заряд міг рухатися від джерела живлення через навантаження і повертатися назад.
Простий приклад електричного кола: батарейка, лампочка та дроти. Якщо з’єднати їх правильно, лампочка загориться, бо через неї потече струм.
Основні елементи електричного кола:
-
Джерело струму — забезпечує різницю потенціалів (напругу), завдяки якій електрони рухаються. Приклади: батарейка, акумулятор, генератор.
-
Споживач (навантаження) — елемент, у якому електрична енергія перетворюється на інший вид (світло в лампочці, тепло в нагрівачі, механічну роботу в моторі).
-
З’єднувальні провідники — дроти, що утворюють шлях для струму.
-
Керувальні елементи — вимикачі, кнопки, реле, які дозволяють розмикати й замикати коло.
Перемикач – це керувальний елемент, який використовується для замикання і розмикання кола. Якщо перемикач натиснутий, його опір дорівнює 0, і струм може протікати через нього вільно - коло замкнене. Якщо перемикач не натиснутий, його опір нескінченно великий, і струм не протікатиме - коло розімкнене. Насправді опір перемикача у ввімкненому стані менший за 0,1 Ом, але це настільки близько до нуля, що ми можемо вважати що там 0 у більшості випадків. Аналогічно, опір у вимкненому стані насправді більше 100 МегаОм (1 МОм дорівнює 1 мільйону ом), але це настільки велике значення, що ми можемо вважати його нескінченно великим. Класичне електричне коло включає батарейку, лампочку (змодельовану як резистор 100 Ом на схемі нижче) і перемикач.
Тут ми знаємо, що напруга джерела 3,7В а лампочка має опір 100Ом. Отже, коли вмикач замикає коло, сила струму буде згідно з законом Ома 3,7 / 100 = 0,037 ампер (або 37 міліампер). Потужність, яка буде припадати на лампочку дорівнює 3,7 * 0,037 = 0,1369 вата (або 136,9 міліват). Кожна лампочка розрахована на певну робочу напругу, яку вказують зазвичай на корпусі, і якщо напруга перевищує максимально допустиму, то вона перегорить. Багато приладів, наприклад резистор, не мають встановленої робочої напруги і можуть працювати при самих різних напругах і струмах, але кожен прилад має максимальну потужність, яку він здатен розсіювати. Так, якщо в вище представлену схему замість лампочки поставити резистор потужністю менше 136,9 міліват (наприклад, існує резистор на 125 мВт), то цей резистор не зможе розсіювати всю енергію і з часом перегорить. Тому ми завжди розраховуємо схеми згідно з напругою, струмом і потужністю.
Схему, представлену вище дуже просто розрахувати, але зазвичай схеми в електроніці набагато складніші, вони включають в себе багато різних приладів, з'єднаних між собою різними способами: послідовно, паралельно або змішано.
Послідовне з’єднання — елементи з’єднані один за одним, ланцюжком, так що струм проходить послідовно через один елемент, потім через другий, потім через третій і т.д. На рисунку нижче представлено приклад паралельного з'єднання резисторів:
При такому з'єднанні споживачів електроенергії (в даному випадку це резистори) їх загальний опір чисельно рівний сумі їх опорів, а струм що протікає через таку ділянку схеми буде на всіх споживачах однаковий. Наприклад уявімо, що до ділянки на рисунку вище прикладено напругу 5В, резистори R1, R2, R3 мають опори 50 Ом, 120 Ом, 240 Ом відповідно. Тоді опір цієї ділянки буде 50 + 120 + 240 = 410 Ом, а сила струму на цій ділянці 5 / 410 = 12,2 мА. Незалежно від опору резистора - через кожний резистор протікатиме струм силою 12 мА.
При проходженні струму через прилад-споживач потенціал, який було прикладено до споживача поступово знижується і між входом і виходом споживача утворюється різниця потенціалів, яку ми називаємо падінням напруги. В схемі де лише один споживач, вся напруга джерела енергії падає на ньому, але коли споживачі поєднані послідовно то падіння напруг розподіляється між ними так, що на елементах з більшим опором напруга падає більше і навпаки. Розраховується падіння напруги дуже просто - це добуток струму що протікає через елемент і його опору (I * R), позначається IR. Так, у прикладі вище IR на резисторах:
R1 = 0,0122 * 50 = 0,61 вольт
R2 = 0,0122 * 120 = 1,464 В
R3 = 0,0122 * 240 = 2,928 В
Сума всіх падінь напруги чисельно дорівнює напрузі, яку прикладено до ділянки кола: 0,61 + 1,464 + 2,928 = 5В. Виходить, що хоч і струм на всіх резисторах однаковий, напруга на кожен з них прикладена різна, а отже і потужність, яку споживають елементи буде різною (нагадаю, що P = U*I). В даному випадку P на резисторах:
R1 = 0,0122А * 0,61В = 7,442 мВт
R2 = 0,0122А * 1,464В = 17,8 мВт
R3 = 0,0122А * 2,928В = 35,7 мВт
Паралельне з’єднання — це таке з'єднання, коли початки елементів приєднуються до однієї точки кола, а кінці – до іншої, створюючи кілька шляхів для струму. Наприклад, резистори на рисунку нижче з'єднані паралельно один одному:
При такому з'єднанні загальний опір ділянки електричного кола розраховується за формулою:
Наприклад, якщо R1 = 10 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 40 Ом, то
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
= 1/10 + 1/20 + 1/40
= 0,1 + 0,05 + 0,025 = 0,175 Ом.
Ми знайшли 1/R, але нам потрібно R, тому додатково ділимо на калькуляторі одиницю на отримане значення: 1 / 0,175 = 5,71 Ом - це і є шуканий загальний опір.
При такому з'єднанні елементів, який би опір не був на елементах, всі вони мають те саме падіння напруги, яке рівне тій напрузі що прикладена на вузли з'єднань. Струм же тут розгалужується на три потоки силою, відповідною до опору гілки. Наприклад, якщо на схему подано напругу 12В, то
I1 = U / R1 = 12 / 10 = 1,2A
I2 = U / R2 = 12 / 20 = 0,6A
I3 = U / R3 = 12 / 40 = 0,3A
Потужність рахувати не будемо, зрозуміло що при паралельному з'єднанні чим менший опір елемента-споживача, тим менша потужність на нього припадає (на відміну від послідовного з'єднання, де більша потужність припадає на елементи з більшим опором за рахунок більшого падіння напруги). Важливим моментом тут є те, що загальний струм, який проходить через дану ділянку кола рівен сумі всіх струмів що проходять через окремий резистор.
Змішане з'єднання — поєднання послідовного і паралельного з’єднань, можуть бути в самих різних комбінаціях.
Новорічна гірлянда
Класичний приклад послідовного з'єднання споживачів. Гірлянда живиться від напруги розетки - 220В. Ми маємо лампочки, розраховані на роботу при напрузі 10В. Скільки лампочок потрібно з'єднати послідовно, щоб цей ланцюжок працював? Ми знаємо, що напруга розподіляється між споживачами відповідно з їх опором, і якщо всі лампочки всі однакового номіналу (напруга і потужність), то нам потрібно 220 / 10 = 22 лампочки. Тож, беремо 22 лампочки на 10 вольт (однієї потужності), з'єднуємо послідовно, і тепер якщо подати на кінці ланцюжка напругу 220 вольт, на кожній лампочці буде падіння напруги в 10В. Зверніть увагу, що опір нам знати не треба, головне знати напругу лампочки і впевнитись що вони всі однієї потужності.
Задача з зірочкою* - чому всі лампочки мають бути однієї потужності? Наприклад, в нас є дві лампи на 110 вольт, але одна на 30 Вт, а інша на 70 Вт. Давай те порахуємо струм із потужності. Якщо лампа 110 В і 30 Вт, значить вона розрахована на струм I = P / U = 30 / 110 = 0,27 А. За законом Ома дізнаємося опір лампочки R1 = U / I = 110 / 0,27 = 407,4 Ом. Друга лампа розрахована на струм I = P / U = 70 / 110 = 0,63 A, отже її опір R2 = U / I = 110 / 0,63 = 174,6 Ом. Знаючи опори обох ламп ми дізнаємося, що їх опір ділянки дорівнює 407,4 + 174,6 = 582 Ома. Рахуємо який реальний струм буде проходити по ділянці: 220 / 582 = 0,38 А. Як бачите, струм перевищує робочий струм лампи 30 Вт, тож вона перевантажена. І це ще не все! Порахуємо падіння напруги на першій лампі (нагадую, що падіння напруги це I*R) 0,38 * 407,4 = 154,8 вольт! Таким чином реальна потужність, яку бере на себе перша лампа 154,8 * 0,38 = 58,8 Вт - майже вдвічі більше ніж вона здатна витримати. Така особливість послідовних з'єднань - чим більший опір, тим більше падіння напруги.
