Elektros grandinėse laidininkų jungimo būdas labai svarbus nustatant bendrą grandinės varžą ir srovės paskirstymą. Dažniausiai naudojami du pagrindiniai laidininkų jungimo tipai - nuoseklusis ir lygiagretusis jungimas. Šie jungimo būdai lemia skirtingą varžų skaičiavimo mechanizmą ir turi skirtingas praktines taikymo sritis. Šioje straipsnyje nagrinėsime varžų priklausomybę nuo jungimo būdo, pateiksime formules, aprašysime elektros srovės ir įtampos pasiskirstymą bei pateiksime praktinius pavyzdžius bei uždavinius.
Nuoseklus laidininkų jungimas
Nuoseklusis jungimas - tai tokia grandinės elementų jungimo forma, kai laidininkai arba įrenginiai jungiami vienas po kito, viena grandinės dalis su kitą jungtu laidu, kuriais teka ta pati elektros srovė. Šiame jungime kiekvienu laidininku teka ta pati srovė (I = I1 = I2 = I3), o bendroji grandinės įtampa yra lygi visų atskirų laidininkų įtampų sumai (U = U1 + U2 + U3).
Pagal Omo dėsnį, nuoseklaus jungimo grandinės varža yra elementų varžų suma:
| Formulė | Paaiškinimas |
|---|---|
| Re = R1 + R2 + R3 + ... + Rn | Re - ekvivalentinė varža, R1, R2, ..., Rn - atskiros varžos |
Jeigu visų įrenginių varžos yra vienodos (tarkime, kiekvienas turi varžą R), ekvivalentinė varža bus:
Re = n × R, kur n - laidininkų skaičius grandinėje.
Taip pat skaitykite: Kaip temperatūra veikia puslaidininkių varžą?
Tokio jungimo trūkumas yra tas, kad jei vienas elementas sugenda ir grandinė nutrūksta, visa grandinė nebeveikia. Pavyzdžiui, girliandos lemputės, sujungtos nuosekliai, nepavyks įjungti, jei suges viena lemputė. Be to, nuosekliojoje grandinėje bendras grandinės varžos dydis didėja su kiekvienu papildomu elementu, dėl ko sumažėja srovė grandinėje.
Pavyzdys: Jeigu turime rezistorius R1=2Ω, R2=4Ω, R3=3Ω, R4=1Ω ir R5=1Ω sujungtus nuosekliai bei grandinės įtampą 20 V, tokiu atveju bendroji varža bus Re = 2+4+3+1+1 = 11Ω. Grandinės srovė bus I = U / Re = 20/11 ≈ 1,82 A. Įtampa ant bet kurio rezistoriaus apskaičiuojama pagal Ux = I × Rx.
Ekvivalentinis imtuvas ir skaičiavimai
Nuosekliai sujungtų imtuvų grandinėje galima pakeisti vienu ekvivalentiniu imtuvu, kurio varža būtų lygi visų imtuvų varžų sumai. Tai leidžia palengvinti grandinės skaičiavimus ir suprasti bendrą grandinės darbą.
Bendruoju atveju, nuosekliosios grandinės galia Pe lygi visų atskirų imtuvų galių sumai:
Pe = P1 + P2 + P3 + ... + Pn
Taip pat skaitykite: Temperatūrinė metalų laidumo priklausomybė
Lygiagretus laidininkų jungimas
Skirtingai nuo nuoseklaus jungimo, lygiagretusis jungimas reiškia, kad laidininkai ar įrenginiai yra sujungti taip, jog kiekvienas jų turi savo tiesioginį ryšį su maitinimo šaltiniu - jų galai prijungti prie vienodų mazgų. Grandinės įtampa visose lygiagrečiose atkarpose (atšakose) yra vienoda: U1 = U2 = U3 = U.
Lygiagrečiai jungtų laidininkų grandinėje visos srovės, tekėjusios per atskirus laidininkus, sudaro bendrą srovę grandinėje:
I = I1 + I2 + I3 + ... + In
Bendroji ekvivalentinė varža apskaičiuojama pagal atvirkštinių varžų sumą:
| Formulė | Paaiškinimas |
|---|---|
| 1/Re = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... + 1/Rn | Ekvivalentinė varža lygi atvirkštinei visų komponentų atvirkštinių varžų sumai |
Šis jungimo būdas sumažina bendrą grandinės varžą, todėl padidėja srovės stipris grandinėje bendru atveju. Jei lygiagrečiai sujungiame kelis vienodus rezistorius, bendra varža bus mažesnė už kiekvieno atskiro rezistoriaus varžą tiek kartų, kiek yra rezistorių:
Taip pat skaitykite: Varžos priklausomybė nuo temperatūros puslaidininkiuose
Re = R / n, kur R - vieno rezistoriaus varža, n - jų skaičius.
Šiuo būdu, jei vienas rezistorius išsijungia arba sugedus, kiti grandinės elementai lieka veikti, nes nėra bendro pertrūkio.
Pavyzdys: Trijų rezistorių R1 = 20 Ω, R2 = 40 Ω, R3 = 50 Ω lygiagrečių grandinėse ekvivalentinė varža apskaičiuojama pagal:
1/Re = 1/20 + 1/40 + 1/50 = 0,05 + 0,025 + 0,02 = 0,095
Re = 1/0,095 ≈ 10,53 Ω
Lygiagretaus jungimo specifika ir taikymas
Lygiagrečioji grandinė yra tinkama, kai reikia, kad grandinės elementai veiktų nepriklausomai vienas nuo kito, pvz., buto apšvietimo sistema, kur kiekvienas šviestuvas turi savą jungiklį. Visos lempos ar prietaisai yra prijungiami lygiagrečiai prie tinklo, todėl vienos lempos įjungimas ar išjungimas neturi įtakos kitoms.
Elektros prietaisai dažniausiai būna sujungti būtent lygiagrečiai, nes tai suteikia galimybę kiekvienam darbuotis autonomiškai, taip pat užtikrina stabilų įtampos lygį visose atskirose grandinėse.
Lygiagretaus jungimo atveju, kiekvienas laidininkas dažnai vadinamas atšaka arba šaka, o jos laidumas yra atvirkščiai proporcingas jos varžai. Todėl didėjant atšakų skaičiui, grandinės bendras laidumas didėja, o varža mažėja.
Nuosekliojo ir lygiagrečiojo laidininkų jungimo dėsniai
Šie jungimo du būdai pasižymi skirtingu srovės ir įtampos pasiskirstymu:
- Nuoseklus jungimas: Srovė visose grandinės dalyse yra vienoda, o įtampa pasiskirsto proporcingai varžoms.
- Lygiagretus jungimas: Įtampa yra kiekvienoje atšakoje vienoda, o srovė dalijasi tarp laidininkų.
Pagal Omo dėsnį nuosekliosios grandinės įtampa yra:
U = I × (R1 + R2)
o lygiagretės - bendra srovė, tekanti grandine:
I = I1 + I2
Todėl grandinės varžos ir srovės stiprio skaičiavimai priklauso nuo jungimo būdo.
Mišrus laidininkų sujungimas
Praktikoje kartais elektros grandinėse naudojami tiek nuoseklieji, tiek lygiagretieji sujungimai tuo pačiu metu. Tai vadinama mišriu arba kombinuotu jungimu. Pavyzdžiui, keli lygiagrečiai sujungti rezistoriai gali būti sujungti nuosekliai su kitu rezistoriumi arba rezistorių grupe.
Tokios grandinės varža skaičiuojama etapiškai: pirma nustatome nuosekliosios grandinės ekvivalentines varžas, vėliau sudedame jas su lygiagrečiais elementais. Mišrios grandinės dažnai pasitaiko įvairiuose prietaisuose ir leidžia derinti skirtingų tipų grandinių privalumus.
Kiti grandinių skaičiavimo būdai
Ne visas sudėtingas grandines galima tiksliai išspręsti naudojantis tik nuosekliojo ir lygiagrečiojo jungimo taisyklėmis. Sudėtingų grandinių analizėje plačiai naudojamos Kirchhofo taisyklės, kurios leidžia analizuoti srovės ir įtampos pasiskirstymą visoje grandinėje ir dirbti su mišriomis ir sudėtingomis schemomis.
Nuosekliai sujungta grandinė vidutinio sunkumo uždavinys
Praktiniai uždaviniai ir pavyzdžiai
Praktiškai svarbu gebėti apskaičiuoti varžas ir galias grandinėse su nuosekliu, lygiagretu ar mišriu jungimu. Pavyzdžiui:
- Nustatyti rezistorių R1, R2, R3 varžas ir matuoti įtampą bei srovę laidininkuose.
- Apskaičiuoti galias atskiruose rezistoriuose bei bendrą grandinės galią.
- Apskaičiuoti ekvivalentinę varžą lygiagretės grandinės pavyzdyje su žinomomis atskiromis varžomis.
- Naudoti ekvivalentinius rezistorius, kad supaprastinti grandinės analizę.
Sprendžiant tokius uždavinius, diegiamos praktinės ir teorinės žinios apie laidininkų varžų priklausomybę nuo jungimo būdo, kuris yra pagrindas elektros grandinių projektuotojams bei technikams.