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Reihen- und Parallelschaltpläne sind grundlegend für die Elektronikentwicklung und dienen als vereinfachte Modelle zum Verständnis komplexer Systeme wie Stromnetzen und neuronalen Netzwerken. Durch die Beherrschung ihrer Kerneigenschaften und Zeichentechniken können Ingenieure den gesamten Prozess vom Proof of Concept bis zur Produktimplementierung effizient meistern. Dieser Artikel bietet eine Einführung in Reihen- und Parallelschaltkreise.
Der Strom entspringt dem Pluspol der Stromversorgung , fließt nacheinander durch alle Komponenten (z. B. Widerstände, Glühbirnen, Motoren usw.) und kehrt schließlich zum Minuspol der Stromversorgung zurück. Dadurch entsteht ein geschlossener Stromkreis. Der Strom kann nur einen Weg fließen, und die Komponenten sind in Reihe geschaltet.
Stromerhaltung: Der Strom durch jede Komponente ist gleich (I=I1=I2=...=In).
Spannungsüberlagerung: Die Gesamtspannung ist gleich der Summe der Teilspannungen der einzelnen Komponenten (U=U1+U2+...+Un).
Fehlerkettenreaktion: Ein Bruch in einer beliebigen Komponente führt zum Ausfall der gesamten Schaltung.
Risiko einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung: Wenn die Widerstände der Komponenten stark variieren, kann es bei einigen Komponenten zu Überspannungen kommen (wenn beispielsweise Glühbirnen mit unterschiedlicher Wattzahl in Reihe geschaltet werden, brennt die Glühbirne mit der niedrigeren Wattzahl eher durch).
Fehlerempfindlichkeit: Der Ausfall einer einzelnen Komponente kann zu einer allgemeinen Lähmung führen, und es fehlt an einer redundanten Auslegung.
Leistungsbegrenzung: Die Gesamtleistung wird durch die Mindestnennleistung der Komponente (P=I2 ⋅ R) begrenzt, daher müssen die Komponentenparameter sorgfältig ausgewählt werden.
Hohe Spannungsanforderungen
In Reihe geschaltete Batteriepacks: Die Taschenlampe verwendet zwei in Reihe geschaltete 1,5-V-Trockenbatterien, um eine Gesamtspannung von 3 V zu erreichen.
Stromversorgung für Elektrofahrzeuge: Zur Erhöhung der Spannung werden Lithium-Akkus in Reihe geschaltet (ein 48-V-Elektrofahrzeug besteht beispielsweise aus 16 in Reihe geschalteten 3-V-Akkus).
Strombegrenzung und Schutz
LED-Treiberschaltung: Der Serienwiderstand begrenzt den Strom auf einen sicheren Bereich (z. B. 20 mA), um zu verhindern, dass die LED durch Überlastung beschädigt wird.
Spannungsabtastung: In einer Spannungsüberwachungsschaltung wandelt ein Serienwiderstand eine Hochspannung in ein Niederspannungssignal um, das von einem ADC gelesen werden kann.
Implementierung spezieller Funktionen
Verzögerungsschaltung: Schließen Sie einen Kondensator mit großer Kapazität und einen Widerstand in Reihe an und nutzen Sie die Ladezeitkonstante (τ=RC), um einen Verzögerungseffekt zu erzielen.
Temperaturmessung: Der Thermistor (NTC) ist in Reihe in den Stromkreis geschaltet und spiegelt Temperaturänderungen durch Spannungsänderungen wider.
Eine Schaltungsstruktur, bei der mehrere Komponenten am Kopf- und am Schwanzende miteinander verbunden sind, um mehrere unabhängige Zweige zu bilden. Dadurch kann der Strom durch verschiedene Pfade fließen und die Komponenten werden parallel geschaltet.
Konstante Spannung: Die Spannung an beiden Enden jedes Zweigs ist gleich (U=U1=U2=...=Un).
Stromverteilung: Der Gesamtstrom ist gleich der Summe der Ströme in jedem Zweig (I=I1+I2+...+In).
Unabhängiger Betrieb: Ein Leistungsschalter in einem Zweig beeinflusst andere Zweige nicht (z. B. stören sich Glühbirnen in einem Hausbeleuchtungssystem nicht gegenseitig).
Risiko der Widerstandsanpassung: Wenn der Unterschied im Zweigwiderstand zu groß ist, kann dies in einigen Zweigen zu übermäßigem Strom führen (wenn beispielsweise Glühbirnen mit unterschiedlicher Wattzahl parallel geschaltet werden, kann die Glühbirne mit der höheren Wattzahl überlastet werden).
Komplexität der Verdrahtung: Mit zunehmender Anzahl der Komponenten steigt auch die Anzahl der Kabelverbindungspunkte, was zu Kontaktproblemen oder Kurzschlüssen führen kann.
Ungleichmäßige Leistungsverteilung: Die Gesamtleistung wird durch die Kapazität des Netzteils begrenzt (P = U⋅I). Stellen Sie sicher, dass das Netzteil ausreichend Strom liefern kann.
Elektrisches Haussystem
Parallelschaltung: Alle Elektrogeräte (wie Kühlschränke, Klimaanlagen und Fernseher) sind parallel an die 220-V-Stromversorgung angeschlossen, können unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden und die Spannung ist stabil.
Vorteil: Vermeiden Sie das Problem, dass der Ausfall eines einzelnen Geräts in einer Reihenschaltung einen Stromausfall im gesamten Haus verursacht.
Redundantes Design der Stromversorgung
Parallelschaltung von Batterien: Durch die Parallelschaltung mehrerer identischer Batterien kann die Gesamtkapazität (Batterielebensdauer) erhöht werden, während die Spannung konstant bleibt (wenn beispielsweise zwei 3,7-V-Lithiumbatterien parallel geschaltet werden, bleibt die Ausgangsspannung bei 3,7 V, aber die Kapazität wird verdoppelt).
Anwendung: UAV-Akkupack, mobile Stromversorgung.
Stromaufweitung und Stromaufteilung
Hohe Stromlast: Teilen Sie hohe Ströme, indem Sie mehrere Niederleistungswiderstände parallel schalten (z. B. Shunt-Widerstände in Leistungsverstärkern).
Stromabtastung: Schließen Sie einen kleinen Widerstand in Reihe mit dem Parallelzweig an und ermitteln Sie den Gesamtstrom indirekt durch Messung des Spannungsabfalls (z. B. in Motorantriebsschaltungen).
1. ProcessOn ist ein professionelles Diagrammtool, mit dem Sie online Schaltpläne erstellen können. Rufen Sie zunächst die Dateiseite von ProcessOn auf und erstellen Sie einen Schaltplan.
2. Ziehen Sie die Stromversorgung, den Schalter, die elektronischen Komponenten und andere Komponenten im Schaltplan in die Mitte der Leinwand und ziehen Sie die Mittellinie der Schaltkreiskomponenten, um die Komponenten entsprechend dem Betriebsvorgang des Schaltplans zu verbinden.
3. Überprüfen Sie nach dem Zeichnen des Schaltplans, ob die Symbole und die Anschlussreihenfolge der elektronischen Komponenten korrekt sind .
Die ProcessOn-Vorlagen-Community enthält eine Fülle von Schaltplanvorlagen als Referenz und unterstützt das Kopieren und Wiederverwenden, um die Zeicheneffizienz zu verbessern.
Schaltplan eines Transformators mit zwei Wicklungen
Schaltplan zum Aufladen von Mobiltelefonen
Allgemeiner Schaltplan Handyschaltung
Reihenschaltungen spielen mit ihrer einfachen Struktur und ihren klar definierten physikalischen Gesetzen eine Schlüsselrolle in Szenarien, die Spannungsteilung, Strombegrenzung oder Hochspannung erfordern. Parallelschaltungen sind mit ihrer Spannungsstabilität, Fehlerisolierung und skalierbaren Stromstärke ebenfalls zu einer unverzichtbaren Grundstruktur moderner elektronischer Systeme geworden. In praktischen Schaltungen werden Reihen- und Parallelschaltungen häufig kombiniert. Das Verständnis ihrer Prinzipien und Design-Schlüsselpunkte ist entscheidend für eine bessere Analyse komplexer Schaltungen.
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