Руководство для начинающих по последовательным и параллельным цепям

Схемы последовательных и параллельных соединений играют основополагающую роль в проектировании электроники и служат упрощёнными моделями для понимания сложных систем, таких как электросети и нейронные сети. Освоив их основные характеристики и методы построения, инженеры смогут эффективно проходить весь процесс от проверки концепции до внедрения продукта. В этой статье представлено введение в последовательные и параллельные цепи.

Ⅰ.Что такое последовательная цепь ?

1. определение

Ток берёт начало от положительного полюса источника питания , последовательно протекает через каждый компонент (например, резистор, лампочку, двигатель и т. д.) и, наконец, возвращается к отрицательному полюсу источника питания, образуя замкнутую цепь. Ток имеет только один путь, а компоненты соединены последовательно.

2. Основные характеристики

Сохранение тока: ток через каждый компонент одинаков (I=I1=I2=...=In).

Суперпозиция напряжений: Общее напряжение равно сумме парциальных напряжений каждого компонента (U=U1+U2+...+Un).

Цепная реакция неисправностей: поломка любого компонента приведет к отказу всей цепи.

Последовательная схема соединения

3. Ограничения последовательных цепей

Риск неравномерного распределения напряжения: если сопротивление компонентов существенно различается, некоторые компоненты могут испытывать перенапряжение (например, при последовательном соединении лампочек разной мощности вероятность перегорания лампочки меньшей мощности выше).

Чувствительность к отказам: отказ одного компонента может вызвать полный паралич, при этом отсутствует избыточная конструкция.

Ограничение мощности: Общая мощность ограничена минимальным номинальным значением компонента (P=I2 ⋅ R), поэтому параметры компонента следует выбирать тщательно.

4. Сценарий применения

Требования к высокому напряжению

Последовательное соединение аккумуляторных батарей: в фонарике используются две сухие батареи напряжением 1,5 В, соединенные последовательно, для получения общего напряжения 3 В.

Питание электромобиля: Литиевые аккумуляторные батареи соединяются последовательно для увеличения напряжения (например, электромобиль на 48 В состоит из 16 аккумуляторных батарей по 3 В, соединенных последовательно).

Ограничение тока и защита

Схема управления светодиодом: последовательный резистор ограничивает ток безопасным диапазоном (например, 20 мА), чтобы предотвратить повреждение светодиода из-за перегрузки.

Выборка напряжения: в схеме контроля напряжения последовательный резистор преобразует сигнал высокого напряжения в сигнал низкого напряжения, который может быть считан АЦП.

Реализация специальной функции

Схема задержки: последовательно соедините конденсатор большой емкости и резистор и используйте постоянную времени зарядки (τ=RC) для достижения эффекта задержки.

Измерение температуры: термистор (NTC) последовательно подключается к цепи и отражает изменения температуры посредством изменений напряжения.

II. Что такое параллельная цепь ?

1. определение

Структура цепи, в которой несколько компонентов соединены вместе как на головном, так и на хвостовом концах, образуя несколько независимых ветвей. Это позволяет току протекать по разным путям, размещая компоненты параллельно.

2. Основные характеристики

Постоянное напряжение: Напряжение на обоих концах каждой ветви одинаково (U=U1=U2=...=Un).

Распределение тока: Общий ток равен сумме токов в каждой ветви (I=I1+I2+...+In).

Независимая работа: автоматический выключатель в любой ветви не влияет на другие ветви (например, лампочки в системе домашнего освещения не мешают друг другу).

Параллельная схема цепи

3. Ограничения параллельных цепей

Риск соответствия сопротивлений: Если разница сопротивлений ветвей слишком велика, это может привести к возникновению чрезмерного тока в некоторых ветвях (например, при параллельном соединении лампочек разной мощности лампочка большей мощности может оказаться перегруженной).

Сложность проводки: по мере увеличения количества компонентов увеличивается и количество точек соединения проводов, что может привести к плохому контакту или короткому замыканию.

Неравномерное распределение мощности: общая мощность ограничена мощностью источника питания (P = U⋅I). Убедитесь, что источник питания способен обеспечить достаточную силу тока.

4. Сценарий применения

Домашняя электрическая система

Параллельная конструкция: все электроприборы (такие как холодильники, кондиционеры и телевизоры) подключаются параллельно к сети 220 В, могут включаться и выключаться независимо, а напряжение стабильно.

Преимущество: предотвращается проблема отказа одного прибора в последовательном соединении, приводящая к отключению электроэнергии во всем доме.

Проектирование резервирования источника питания

Параллельное соединение батарей: параллельное соединение нескольких одинаковых батарей позволяет увеличить общую емкость (срок службы батареи) при сохранении постоянного напряжения (например, если две литиевые батареи напряжением 3,7 В соединить параллельно, выходное напряжение останется 3,7 В, но емкость увеличится вдвое).

Применение: аккумуляторная батарея для БПЛА, мобильный источник питания.

Текущее расширение и текущее разделение

Сильноточная нагрузка: распределяйте сильный ток, параллельно подключая несколько маломощных резисторов (например, шунтирующих резисторов в усилителях мощности).

Измерение тока: подключите небольшой резистор последовательно с параллельной ветвью и косвенно получите общий ток, измерив падение напряжения (например, в цепях привода двигателя).

III. Как нарисовать схему последовательно-параллельного соединения?

1. ProcessOn — это профессиональный инструмент для создания схем, позволяющий создавать схемы цепей онлайн. Сначала перейдите на страницу файлов ProcessOn и создайте схему.

Создать принципиальную схему →

2. Перетащите источник питания, переключатель, электронные компоненты и другие компоненты принципиальной схемы в центр холста, а затем перетащите центральную линию компонентов схемы, чтобы соединить компоненты в соответствии с рабочим процессом принципиальной схемы.

3. После того, как принципиальная схема нарисована, проверьте правильность условных обозначений электронных компонентов и последовательности их подключения .

IV. Шаблон принципиальной схемы